(57)【要約】【課題】光ファイバジャイロスコープにおいて限られた電源品質でジャイロスコープ誤差を低減する。【解決手段】１つの実施の形態は、少なくとも１つの主電源と、前記主電源を前記光ファイバジャイロスコープに含まれる復調器に動作可能に結合する少なくとも１つの復調器ローカル電源と、前記主電源を前記光ファイバジャイロスコープに含まれるバイアス変調器に動作可能に結合する少なくとも１つの変調器ローカル電源とを備える光ファイバジャイロスコープのための電源を対象とする。前記復調器ローカル電源は、前記復調器に電流を供給する第１の電流源と、前記復調器に関連付けられる負荷の両端に結合される第１のシャントレギュレータとを備える。前記変調器ローカル電源は、前記バイアス変調器に電流を供給する第２の電流源と、前記バイアス変調器に関連付けられる負荷の両端に結合される第２のシャントレギュレータとを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの主電源と、
前記主電源を前記光ファイバジャイロスコープに含まれる復調器に動作可能に結合する少なくとも１つの復調器ローカル電源と、
前記主電源を前記光ファイバジャイロスコープに含まれるバイアス変調器に動作可能に結合する少なくとも１つの変調器ローカル電源と、
を備える光ファイバジャイロスコープのための電源であって、
前記復調器ローカル電源は、前記復調器に電流を供給する第１の電流源と、前記復調器に関連付けられる負荷の両端に結合される第１のシャントレギュレータとを備え、
前記変調器ローカル電源は、前記バイアス変調器に電流を供給する第２の電流源と、前記バイアス変調器に関連付けられる負荷の両端に結合される第２のシャントレギュレータとを備える、光ファイバジャイロスコープのための電源。
【請求項２】
前記少なくとも１つの主電源は、正電圧を出力する主正電源と、負電圧を出力する主負電源とを備え、
オプションで、前記復調器ローカル電源は、前記主正電源を前記復調器に結合する第１の電流レギュレータ−シャントレギュレータ対と、前記主負電源を前記復調器に結合する第２の電流レギュレータ−シャントレギュレータ対とを備え、
オプションで、前記変調器ローカル電源は、前記主正電源を前記バイアス変調器に結合する第３の電流レギュレータ−シャントレギュレータ対と、前記主負電源を前記バイアス変調器に結合する第４の電流レギュレータ−シャントレギュレータ対とを備える、請求項１に記載の電源。
【請求項３】
請求項１に記載の電源を備え、
光源と光通信し、該光源から光信号を受信するように構成される光結合器と、
前記光結合器と光通信する光変調器と、
前記光変調器と光通信する光ファイバコイルと、
前記光結合器から光信号を受信し、該光信号を電気信号に変換するように構成される復調器と、
前記光変調器に変調信号を出力するように構成されるバイアス変調器と、
をさらに備える、光ファイバジャイロスコープ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ファイバジャイロスコープにおいて限られた電源品質でジャイロスコープ誤差を低減するシステムに関する。
［連邦政府による資金提供を受けた研究開発に関する記載］
本発明は、空軍研究所によって与えられた契約番号第ＦＡ９４５３−０８−Ｃ−０２６３号に基づく政府支援でなされたものである。政府は、本発明に一定の権利を有する。
【背景技術】
【０００２】
干渉光ファイバジャイロスコープ（ＩＦＯＧ）は、光ファイバコイル内を対向伝播する電磁波を利用してコイルのまわりの回転を検知するものであるが、電子雑音の影響を受けやすい可能性がある。このような光ファイバジャイロスコープは、バイアス変調を用いて、インターフェログラムの速度検知部に対してジャイロスコープをバイアスする。バイアス変調周波数は、復調回路部内へ結合して、バイアスオフセット及び不感帯の増加を引き起こす可能性がある。例えば、復調アナログ／デジタル変換器に存在するどのコヒーレント（同相）雑音もエラー源であり、バイアス安定性、バイアスオフセット、及びジャイロスコープ不感帯のサイズに影響を与える。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
従来のＩＦＯＧ電子機器は、電源雑音及び内部雑音を十分にフィルタリング除去するが、このようなＩＦＯＧ電子機器は、電源の基準として雑音の少ない低インピーダンスのシャーシ接地接続を有する接地方式を必要とする。この手法は、ジャイロスコープが、電力伝送及びデータ伝送用にスリップリングを用いて回転されるジンバル化球（gimbaled sphere）で機能するが、次世代慣性基準システムは、スリップリングを用いず、その代わり、データ伝送及び電力伝送の双方に無線技術を用いる。この無線手法は、シャーシ（アース）接地接続を除去し、電子機器が、フローティング電源基準に起因した雑音の影響を受けやすくなる可能性がある。
【０００４】
バイアス変調回路部用及び対応する復調回路部用に別々の電源を用いて、ＩＦＯＧ軸ことに別々の電源を用いることが可能であるが、これは、サイズ及び電力消耗が増加することから大部分実用的ではない。外部電源及び複数の分離された電源からの内部回路部の双方のサイズは法外なものになる。その上、複数の電源からの余分な電力消耗も、通常は小さなシステム電力バジェットに負担となる。加えて、慣性基準システムが非常に低いリップル電圧でジャイロスコープに電力を提供することを必要とすることは、常に実用的であるとは限らない。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
１つの実施の形態は、少なくとも１つの主電源と、前記主電源を前記光ファイバジャイロスコープに含まれる復調器に動作可能に結合する少なくとも１つの復調器ローカル電源と、前記主電源を前記光ファイバジャイロスコープに含まれるバイアス変調器に動作可能に結合する少なくとも１つの変調器ローカル電源とを備える光ファイバジャイロスコープのための電源を対象とする。前記復調器ローカル電源は、前記復調器に電流を供給する第１の電流源と、前記復調器に関連付けられる負荷の両端に結合される第１のシャントレギュレータとを備える。前記変調器ローカル電源は、前記バイアス変調器に電流を供給する第２の電流源と、前記バイアス変調器に関連付けられる負荷の両端に結合される第２のシャントレギュレータとを備える。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】単一の光ファイバジャイロスコープ（ＦＯＧ）軸の１つの例示的な実施形態を示す図である。
【図２】図１に示される電流レギュレータの一例を示すブロック図である。
【図３】図２に示される電流レギュレータの１つの例示的な実施態様のブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
図１は、干渉ＦＯＧ等の光ファイバジャイロスコープ（ＦＯＧ）１００の１つの例示的な実施形態を示す。ＦＯＧ１００は、一般に、光源１０２、光結合器１０４、光変調器１０６、光ファイバコイル１１６、復調器１１８、ループクロージャ電子機器モジュール１２４、バイアス変調器１３０、正電源１６０、及び負電源１６２を含む。加えて、１つ又は複数の電源レギュレータ１４２が復調器１１８に結合され、１つ又は複数の電源レギュレータ１５２がバイアス変調器１３０に結合される。これらのコンポーネントのそれぞれは、次の通りにさらに詳細に論述される。
【０００８】
光源１０２は、光波を、ＦＯＧ１００を通って伝播させるための任意の適した光源とすることができる。例えば、光源１０２は、ポンプレーザを用いて実装することができる。光源１０２は、光ファイバ等の適した光路を用いることによって光結合器１０４と光通信する。
【０００９】
光結合器１０４は、４つのポートＡ、Ｂ、Ｃ、及びＤの間に延びる光伝送媒体を有する。ポートＡは光源１０２に接続され、ポートＢは復調器１１８に接続され、ポートＣは光変調器１０６に接続される。一般に、光結合器１０４が、自身のポートのいずかにおいて光波を受信したとき、光結合器１０４は、送信された光のおよそ半分が入来ポートの反対端部における２つのポートのそれぞれに現れるように波を送信する。同時に、光波は、入来ポートと同じ端部にあるポートへは実質的に伝播されない。例えば、ポートＡにおいて受信された光は、ポートＣ及びＤへは送信されるが、ポートＢへは実質的に伝播されない。同様に、ポートＣにおいて受信された光は、ポートＡ及びＢへは伝播されるが、ポートＤへは伝播されない。
【００１０】
動作中、光源１０２は、光結合器１０４のポートＡへ光を送信する。光結合器１０４は、送信された光を分割し、ポートＣ及びＤに光を提供する。ポートＣへ送信された光は、光ファイバ又は他の適したメカニズムを介して光変調器１０６へさらに伝播される。
【００１１】
光変調器１０６は、集積光チップとすることができ、Ｙ接合部１０８及び一対の導波路１１０、１１２を含む。加えて、光変調器１０６は、導波路１１０、１１２と統合された複数の光位相変調器電極１１４を含む。光が光変調器１０６へ送信されたとき、光は、Ｙ接合部１０８においてさらに分割され、導波路１１０、１１２に供給される。導波路１１０の光は、光ファイバコイル１１６へ送信され、光ファイバコイル１１６において、光は、光ファイバコイル１１６の長さに沿って時計回りに伝播し、導波路１１２に戻る。同様に、導波路１１２の光は、光ファイバコイル１１６へ送信され、光ファイバコイル１１６において、光は、光ファイバコイル１１６の長さに沿って時計回り及び反時計回りの双方に伝播し、光結合器１０６内の導波路１１０に戻る。
【００１２】
光ファイバコイル１１６は、通常、検知される回転の軸を中心にしてコアのまわりに巻きつけられる。光ファイバコイル１１６は、光が対向する方向で伝播し、最終的には、復調器１１８における検出器に衝突する閉光路を提供する。検知軸を中心にした一方向の回転によって、一方の方向に対する光路長の有効な増加が引き起こされ、他方の方向において光路長の減少が引き起こされる。この光路長の差によって、サニャック効果として知られている結果である光波間の位相シフトが引き起こされる。
【００１３】
光波は、光ファイバコイル１１６から伝播され、それらの各導波路を通過した後、Ｙ接合部１０８において結合され、光結合部１０４へ伝播する。結合された光波は、復調器１１８へ出力される。復調器１１８における検出器は、光波の光信号を電気信号に変換する適切なフォトダイオード及び適した増幅器等の光検出器、又は他の適した検出器とすることができる。この検出器は、電気信号を出力し、この電気信号は、検出器に衝突する２つの光波の強度に比例する。
【００１４】
復調器１１８から出力された電気信号は、ループクロージャ電子機器モジュール１２４に渡される。一般に、ループクロージャ電子機器モジュール１２４は、検出器から電流を受信し、インターフェロメータの２つの測定値の強度の差を０に保つのに必要とされるフィードバック位相シフトに光変調器１０６を駆動する。したがって、回転速度測定値は、フィードバック位相から計算することができ、出力１２６として配信することができる。
【００１５】
２つの対向伝播する波が検出器に衝突したとき、検出器からの出力は、２つの波の間の位相差の余弦に従う。２つの波の間の位相差は、バイアス変調器１３０で変調される。バイアス変調器１３０は、光変調器１０６の入来波及び出行波に位相シフトを印加することによって位相バイアス変調を引き起こす。バイアス変調器１３０は、光変調器１０６における電極１１４間の変調電圧として用いられる方法電気信号を出力する。この電圧の印加によって、有効光路長は伸長又は短縮され、それによって、印加電圧に比例した光位相シフトが引き起こされる。図１に示す実施形態の一実施態様では、バイアス変調器１３０は、光信号の位相変調のために２０キロヘルツの方形波を出力する。
【００１６】
バイアス変調によって、検出器がインターフェロメータの最も高い点で強度をもはや測定するのではなく、２つのオフセット点で強度を測定するように、インターフェロメータにおける検出点がシフトされる。検出器において測定された回転速度は、したがって、２つのオフセット点における放出強度の差に比例する。対向伝播する波が、光変調器１０６に戻るときに出行波と逆の変調に遭遇するように、バイアス変調信号の周期は、コイルを通る光のループ通過時間の２分の１にチューニング可能である。このような変調方式は、実施されると、２つの波がＹ接合部１０８で結合されたときに干渉するように、入来波の位相を進め、出行波の位相を遅らせる。
【００１７】
バイアス変調信号の周波数は、チューニング可能なバイアス変調クロックジェネレータ１３２によって制御される。
上述したように、復調器１１８における検出器は、光結合器１０４から波を受信し、２つの波の強度に比例した出力電流を提供する。復調器１１８の出力は、ループクロージャ電子機器１２４に渡される。ループクロージャ電子機器１２４は、復調器１１８の出力をサンプリングして、２つの波の強度を求める。復調器１１８の出力のサンプリングは、サンプリングクロックによって制御される。サンプリングクロックは、サンプリングクロックジェネレータ１３４によって作成される。サンプリングクロックは、バイアス変調クロックの半周期当たりのサンプル数が結果として所望の個数となる周波数を有するように選択される。
【００１８】
バイアス変調回路部から復調回路部に結合し、電源から復調回路部に、かつバイアス変調回路部に結合するコモンモード雑音及び差動モード雑音を低減又は除去するために、ＦＯＧ１００において、「アクティブインダクタ」（ここでは、「電流源電源」とも呼ばれる）方式が実施される。ジャイロデータ及びジャイロ接地システムの双方に電源リップルが結合される可能性は小さいので、結果として、ＦＯＧ１００に与えられる電源電圧において、相対的に雑音が大きくなる可能性がある。
【００１９】
１つ又は複数の「ローカル」電源１４２を用いて「主」電源１６０及び１６２を復調器１１８に結合し、１つ又は複数の「ローカル」電源１５２を用いて「主」電源１６０及び１６２をバイアス変調器１３０に結合することによって、アクティブインダクタ方式が実施される。ここで、ローカル電源１４２及び１５２は電流レギュレータ１４２及び１５２として実現されるように示される。電流レギュレータ１４２を用いて、正電源１６２によって出力される正電圧（＋Ｖ）を復調器１１８に結合する。ここで、電流レギュレータ１４２は「復調器電流レギュレータ」１４２とも呼ばれる。同様に、電流レギュレータ１５２を用いて、正電源１６０によって出力される正電圧（＋Ｖ）をバイアス変調器１３０に結合する。ここで、電流レギュレータ１５２は「バイアス変調器電流レギュレータ」１５２とも呼ばれる。また、電流レギュレータ１４２及び１５２は共通接地（ＧＮＤ）基準を復調器１１８及びバイアス変調器１３０にそれぞれ結合する。
【００２０】
ここで、電流レギュレータ１４２及び１５２は、正電源１６０を復調器１１８及びバイアス変調器１３０から分離することに関連して説明されるが、電流レギュレータ１４２及び１５２は概ね同じようにして、負電源１６２を復調器１１８及びバイアス変調器１３０から分離するためにも用いることができることを理解されたい。
【００２１】
正電源１６０によって出力される正電圧（＋Ｖ）を復調器１１８に結合するために用いられる電流レギュレータ１４２は、正電圧（＋Ｖ）に関連付けられる電流を供給する電流源２０２を含む。図２に示される電流レギュレータ１４２はシャントレギュレータ２０４も含み、シャントレギュレータ２０４は、その中を流れる電流が十分に高いときに、シャントレギュレータ自体及び負荷（すなわち、復調器１１８）にかかる定電圧を保持する。同様に、正電源１６０によって出力される正電圧（＋Ｖ）をバイアス変調器１３０に結合するために用いられる電流レギュレータ１５２は、正電源１６０の正電圧（＋Ｖ）に関連付けられる電流を供給する電流源２０６を含む。電流源１５２はシャントレギュレータ２０８も含み、シャントレギュレータ２０８は、その中を流れる電流が十分に高いときに、シャントレギュレータ自体及び負荷（すなわち、バイアス変調器１３０）にかかる定電圧を保持する。
【００２２】
シャントレギュレータ２０４及び２０８はいずれも、負荷電流リップルによってそれぞれの電流源２０２及び２０６にかかる電圧を制限し、それぞれ復調器１１８及び変調器１３０のための低インピーダンスのローカル供給電圧を与える。また、電流源２０２及び２０６は、それぞれのシャントレギュレータ２０４及び２０８からそれぞれの主電源１６０への高インピーダンス結合を提供するので、それぞれのシャントレギュレータ２０４及び２０８にかかる小さなリップル電圧が、主電源１６０においてさらに小さな電流リップルになる。さらに、電流源２０２及び２０６は、主電源１６０上の電圧リップルによって引き起こされる電流リップルも減衰させるので、シャントレギュレータ２０４及び２０８のインピーダンスは、主電源１６０上の雑音を大きく減衰させることができる。
【００２３】
電流レギュレータ１４２及び１５２のそれぞれは、同じ大きさ及び重量の通常の受動フィルタ回路を用いて与えることができる実効インダクタンスよりも大きな実効インダクタンスを、それぞれの負荷に対して与える。さらに、電流レギュレータ−シャントレギュレータ対１４２及び１５２のそれぞれは、それぞれのリターン電流のための接地への経路を与え、その経路は、他の電流レギュレータ−シャントレギュレータ対によって与えられるリターン−電流経路から離れている。すなわち、レギュレータ対１５２はバイアス変調器リターン電流（ＩＭＯＤＵＬＡＴＯＲ）のための接地経路を与え、その接地経路は、復調器リターン電流（ＩＤＥＭＯＤＵＬＡＴＯＲ）のためにレギュレータ対１４２によって与えられる接地経路から離れている。結果として、バイアス変調器１３０に関連付けられる「雑音のある」電流が、それほど復調器１１８に影響を及ぼさなくなるように、より実効的に減衰させて、分離することができる。
【００２４】
図３は、図２に示される電流レギュレータ−シャントレギュレータ対１４２及び１５２の１つの例示的な実施態様のブロック図である。すなわち、図３は、正電源１６０によって出力される正電圧（＋Ｖ）を復調器１１８及びバイアス変調器１３０にそれぞれ結合するために用いられる電流レギュレータ１４２及び１５２の１つの例示的な実施態様を示す。
【００２５】
図３に示されるように、正電源１６０は、直流（ＤＣ）電圧源３０２及び抵抗器３０４を含む。
図３に示される例では、電流レギュレータ１５２の電流源２０６は一対のＰＮＰバイポーラトランジスタ３０６及び３０８を用いて実装され、第１のトランジスタ３０６のベース及びコレクタ並びに第２のトランジスタ３０８のベースは、一対の抵抗器３１０及び３１２によって与えられる共通バイアス電圧に結合される。
【００２６】
バイパスキャパシタ３１４が、正電圧（＋Ｖ）レールと、２つのバイアス抵抗器３１０と３１２との間の接合部との間に結合され、＋Ｖリップル除去率を高める。さらに雑音を低減するために、正電圧（＋Ｖ）レールと共通バイアス電圧との間に別のバイパスキャパシタ３１６が結合される。正電圧（＋Ｖ）レールと第１のトランジスタ３０６のエミッタとの間に電圧基準３１８（たとえば、逆方向バイアスをかけられたツェナーダイオードを用いて実装される）が結合される。
【００２７】
正電圧（＋Ｖ）レールと第２のトランジスタ３０８のエミッタとの間に抵抗器３２０が結合され、電流源のＤＣ出力電流レベルを設定し、かつその電流源の出力インピーダンスを高める。ここで説明される技法は、バイアス変調器１３０によって生成される雑音電流が復調器１１８に達するのを防ぐために用いられる。図３に示される例では、そのような雑音電流は、第２のトランジスタ３０８のコレクタと接地（ＧＮＤ）との間に結合される交流（ＡＣ）電流源３２２として表される。
【００２８】
電流レギュレータ１５２の電流源２０６は、電流源２０６の出力における電圧（Ｖ１）がＤＣにおいて共通バイアス電圧（Ｖ２）以上であり、かつ電流源２０６が広い周波数範囲（少なくとも、対象とする周波数範囲を含む）にわたってＡＣにおいて高いインピーダンスを有するように構成される。また、上述したように、電流レギュレータ１４２は、同じ大きさ及び重量の典型的な受動フィルタ回路を用いて与えることができる実効インダクタンスよりも大きな実効インダクタンスを負荷に対して与える。
【００２９】
図３に示される例では、シャントレギュレータ２０８は、逆方向バイアスをかけられた一対のツェナーダイオード３２４及び３２６を用いて実装される。また、図３に示される例では、バイアス変調器１３０を電流レギュレータ１５２から分離するために、電流レギュレータ１５２の出力と接地（ＧＮＤ）との間にバイパスキャパシタ３２８が結合される。
【００３０】
図３に示される例では、電流レギュレータ１４２の電流源２０２は、電流レギュレータ１５２の電流源２０６と同じようにして実装される。電流源２０２は一対のＰＮＰバイポーラトランジスタ３３６及び３３８を用いて実装され、トランジスタ３３６のベース及びコレクタ並びにトランジスタ３３８のベースは、一対のバイアス抵抗器３４０及び３４２によって与えられる共通バイアス電圧（Ｖ３）に結合される。
【００３１】
キャパシタ３４４が、正電圧（＋Ｖ）レールと、２つのバイアス抵抗器３４０及び３４２間の接合部との間に結合され、＋Ｖリップル除去率を高める。さらに雑音を低減するために、正電圧（＋Ｖ）レールと共通バイアス電圧（Ｖ３）との間に別のキャパシタ３４６が結合される。正電圧（＋Ｖ）レールと第１のトランジスタ３３６のエミッタとの間に電圧基準３４８（たとえば、逆方向バイアスをかけられたツェナーダイオードを用いて実装される）が結合される。
【００３２】
正電圧（＋Ｖ）レールとトランジスタ３３８のエミッタとの間に抵抗器３５０が結合される。抵抗器３５０及び電圧基準３４８は、電流源２０２の出力レベルを設定する。
電流レギュレータ１４２の電流源２０２は、電流源２０２の出力における電圧（Ｖ４）がＤＣにおいて共通バイアス電圧（Ｖ３）以下であり、電流源２０２が広い周波数範囲（少なくとも、対象とする周波数範囲を含む）にわたってＡＣにおいて高いインピーダンスを有するように構成される。また、上述したように、電流レギュレータ１４２は、同じ大きさ及び重量の通常の受動フィルタ回路を用いて与えることができる実効インダクタンスよりも大きな実効インダクタンスを負荷に対して与える。
【００３３】
図３に示される例では、シャントレギュレータ２０４は、逆方向バイアスをかけられた一対のツェナーダイオード３５４及び３５６を用いて実装される。また、図３に示される例では、復調器１１８を電流レギュレータ１４２から分離するために、電流レギュレータ１４２の出力と接地（ＧＮＤ）との間にキャパシタ３５８が結合される。
【００３４】
本発明は、その本質的な特徴から逸脱することなく、他の具体的な形態で実施することができる。説明した実施形態は、すべての点において、単に例示とみなされるべきであり、制限的とみなされるべきではない。したがって、本発明の範囲は、上記説明ではなく、添付の特許請求の範囲によって示される。特許請求の範囲の意味及び特許請求の範囲の均等なものの範囲内に入るすべての変更は、特許請求の範囲の範囲内に包含されるべきである。
【図１】
2012002800.tif 000003
【図２】
2012002800.tif 000004
【図３】
2012002800.tif 000005
【外国語明細書】
2012002800000001.pdf