(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ファイバのセンサ・コイルを備えた光ファイバジャイロスコープを変調する法であって、光源から上記コイルに向けられた出力が一対のビームに分けられ、それぞれコイルの対向する端部に入力されてコイル内を相反する方向に進行し、その相反する方向に進行するビームが結合してジャイロスコープ出力を形成する方法において、
ａ）上記の出力の主として相対強度ノイズによるランダム・ウオークが最大出力信号変調の主として相対強度ノイズによるランダム・ウオークよりも少なくなるように周期的な人為的位相のずれを選択するステップと、
ｂ）上記の周期的な人為的位相のずれを上記の相互に反対方向に進行するビームの間に加えるステップとを含み、
上記の選択ステップが、
ｃ）矩形波の位相のずれを選択するステップと、
ｄ）上記のジャイロスコープ出力の平均光学電力が電力の半分のレベルより少なくなるように、上記の矩形波の振幅を選択するステップとをさらに含み、
上記の位相のずれが、ｎが０を含む整数である（４ｎ＋１）π／２＜｜φM（ｔ）｜＜（２ｎ＋１）πの場合、φM（ｔ）である方法。
【請求項２】
光ファイバのセンサ・コイルを備えた光ファイバジャイロスコープを変調する法であって、光源から上記コイルに向けられた出力が一対のビームに分けられ、それぞれコイルの対向する端部に入力されてコイル内を相反する方向に進行し、その相反する方向に進行するビームが結合してジャイロスコープ出力を形成する方法において、
ａ）上記の出力の主として相対強度ノイズによるランダム・ウオークが最大出力信号変調の主として相対強度ノイズによるランダム・ウオークよりも少なくなるように周期的な人為的位相のずれを選択するステップと、
ｂ）上記の周期的な人為的位相のずれを上記の相互に反対方向に進行するビームの間に加えるステップとを含み、
上記の選択ステップが、
ｃ）矩形波の位相のずれを選択するステップと、
ｄ）上記のジャイロスコープ出力の平均光学電力が電力の半分のレベルより少なくなるように、上記の矩形波の振幅を選択するステップとをさらに含み、
上記の位相のずれが、ｎが０を含む整数である（２ｎ＋１）π＜｜φM（ｔ）｜＜（４ｎ＋３）π／２の場合、φM（ｔ）である方法。
【請求項３】
光ファイバのセンサ・コイルを備えた光ファイバジャイロスコープを変調する法であって、光源から上記コイルに向けられた出力が一対のビームに分けられ、それぞれコイルの対向する端部に入力されてコイル内を相反する方向に進行し、その相反する方向に進行するビームが結合してジャイロスコープ出力を形成する方法において、
ａ）上記の出力の主として相対強度ノイズによるランダム・ウオークが最大出力信号変調の主として相対強度ノイズによるランダム・ウオークよりも少なくなるように周期的な人為的位相のずれを選択するステップと、
ｂ）上記の周期的な人為的位相のずれを上記の相互に反対方向に進行するビームの間に加えるステップとを含み、
上記の位相のずれが、ｘ＜｜φM（ｔ）｜＜ｙの場合、ｘがＪ1（ｘ）が最大値で、Ｊ1（ｙ）が０であり、Ｊ1（  ）が第一のタイプの一次ベッセル関数である時、正弦波φM（ｔ）である方法。
【請求項４】
光ファイバのセンサ・コイルを含むタイプの光ファイバ・ジャイロスコープの変調方法であって、
ａ）光源の出力を上記のジャイロスコープに送るステップと、
ｂ）上記の光源の出力を一対のビームに分割するステップと、
ｃ）上記の一対のビームを上記のコイルの両端部に入力し、相互に反対方向に進行させるステップと、
ｄ）矩形波の形の周期的な人為的位相のずれφM（ｔ）を、ｎが０を含む整数である（４ｎ＋１）π／２＜｜φM（ｔ）｜＜（２ｎ＋１）πとして、相互に反対方向に進行する一対のビームの間に加えるステップと、
ｅ）上記の相互に反対方向に進行する一対のビームをジャイロスコープの出力を形成するために結合するステップとを含む方法。
【請求項５】
上記のジャイロスコープの出力の主として相対強度ノイズによる予め定めたレベルのランダム・ウオークを得るために、上記の周期的な位相のずれの大きさを調整するステップをさらに含む請求項４に記載の方法。
【請求項６】
上記の周期的な人為的位相のずれの周期が上記のセンサ・コイルの遷移時間の２倍に等しい請求項５に記載の方法。
【請求項７】
上記の光源が希土によりドーピングされた光ファイバからなる請求項４に記載の方法。
【請求項８】
上記の周期的な位相のずれの大きさを、ジャイロスコープ出力のランダム・ウオークの相対強度ノイズ成分を最小にするように選択した請求項６に記載の方法。
【請求項９】
光ファイバのセンサ・コイルを含むタイプの光ファイバ・ジャイロスコープの変調方法であって、
ａ）光源の出力を上記のジャイロスコープに送るステップと、
ｂ）上記の光源の出力を一対のビームに分割するステップと、
ｃ）上記の一対のビームを上記のコイルの両端部に入力し、相互に反対方向に進行させるステップと、
ｄ）矩形波の波形の周期的な人為的位相のずれφM（ｔ）を、ｎが０を含む整数である（２ｎ＋１）π＜｜φM（ｔ）｜＜（４ｎ＋３）π／２として、相互に反対方向に進行する一対のビームの間に加えるステップと、
ｅ）上記の相互に反対方向に進行する一対のビームをジャイロスコープの出力を形成するために結合するステップとを含む方法。
【請求項１０】
上記のジャイロスコープの出力の主として相対強度ノイズによる予め定めたレベルのランダム・ウオークを得るために、上記の周期的な位相のずれの大きさを調整するステップをさらに含む請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
上記の周期的な人為的位相のずれの周期が上記のセンサ・コイルの遷移時間の２倍に等しい請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
上記の光源が希土によりドーピングされた光ファイバからなる請求項９に記載の方法。
【請求項１３】
上記の周期的な位相のずれの大きさが、ジャイロスコープ出力の主として相対強度ノイズによるランダム・ウオークを最小にするように選択された請求項１３に記載の方法。
【請求項１４】
光ファイバのセンサ・コイルを含むタイプの光ファイバ・ジャイロスコープの変調方法であって、
ａ）光源の出力を上記のジャイロスコープに送るステップと、
ｂ）上記の光源の出力を一対のビームに分割するステップと、
ｃ）上記の一対のビームを上記のコイルの両端部に入力し、相互に反対方向に進行させるステップと、
ｄ）正弦波の波形の周期的な人為的位相のずれφＭ（ｔ）を、ｘがＪ1（ｘ）が最大値で、Ｊ1（ｙ）が０であり、Ｊ1（  ）が第一のタイプの一次ベッセル関数である時、ｘ＜｜φM（ｔ）｜＜ｙの場合、相互に反対方向に進行する一対のビームの間に加えるステップと、
ｅ）上記の相互に反対方向に進行する一対のビームをジャイロスコープの出力を形成するために結合するステップとを含む方法。
【請求項１５】
上記のジャイロスコープの出力の主として相対強度ノイズによる予め定めたレベルのランダム・ウオークを得るために、上記の周期的な位相のずれの大きさを調整するステップをさらに含む請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
上記の周期的な人為的位相のずれの周期が上記のセンサ・コイルの遷移時間の２倍に等しい請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
上記の光源が希土によりドーピングされた光ファイバからなる請求項１４に記載の方法。
【請求項１８】
上記の周期的な位相のずれの大きさを、ジャイロスコープ出力のランダム・ウオークの相対強度ノイズ成分を最小にするように選択した請求項１６に記載の方法。
【請求項１９】
一対の光ビームが光ファイバのセンサ・コイル内を相互に反対方向に進行するタイプの光ファイバ・ジャイロスコープの出力内の主として相対強度ノイズによるランダム・ウオーク・ノイズの調整方法であって、
ａ）周期的な人為的位相のずれを上記の相互に反対方向に進行する一対のビームの間に加えるステップと、
ｂ）上記の周期的な人為的位相のずれの大きさを変化させ、上記の主として相対強度ノイズによるランダム・ウオーク・ノイズをそれに応じて調整するステップと、
ｃ）上記の主として相対強度ノイズによるランダム・ウオークが最大出力信号変調の主として相対強度ノイズによるランダム・ウオークより小さくなるように、上記の周期的な人為的位相のずれを選択するステップとを含み、
上記の選択ステップが、
ｄ）矩形波の位相のずれを選択するステップと、
ｅ）上記のジャイロスコープ出力の平均光学電力が電力の半分のレベル以下になるように、上記の矩形波の振幅を選択するステップをさらに含み、
上記の位相のずれが、ｎが０を含む整数である（４ｎ＋１）π／２＜｜φM（ｔ）｜＜（２ｎ＋１）πの場合、矩形波φM（ｔ）の形をしている方法。
【請求項２０】
一対の光ビームが光ファイバのセンサ・コイル内を相互に反対方向に進行するタイプの光ファイバ・ジャイロスコープの出力内の主として相対強度ノイズによるランダム・ウオーク・ノイズの調整方法であって、
ａ）周期的な人為的位相のずれを上記の相互に反対方向に進行する一対のビームの間に加えるステップと、
ｂ）上記の周期的な人為的位相のずれの大きさを変化させ、上記の主として相対強度ノイズによるランダム・ウオーク・ノイズをそれに応じて調整するステップと、
ｃ）上記の主として相対強度ノイズによるランダム・ウオークが最大出力信号変調の主として相対強度ノイズによるランダム・ウオークより小さくなるように、上記の周期的な人為的位相のずれを選択するステップとを含み、
上記の選択ステップが、
ｄ）矩形波の位相のずれを選択するステップと、
ｅ）上記のジャイロスコープ出力の平均光学電力が電力の半分のレベル以下になるように、上記の矩形波の振幅を選択するステップをさらに含み、
上記の位相のずれが、ｎが０を含む整数である（２ｎ＋１）π＜｜φM（ｔ）｜＜（４ｎ＋３）π／２の場合、矩形波φM（ｔ）の形をしている方法。
【請求項２１】
一対の光ビームが光ファイバのセンサ・コイル内を相互に反対方向に進行するタイプの光ファイバ・ジャイロスコープの出力内の主として相対強度ノイズによるランダム・ウオーク・ノイズの調整方法であって、
ａ）周期的な人為的位相のずれを上記の相互に反対方向に進行する一対のビームの間に加えるステップと、
ｂ）上記の周期的な人為的位相のずれの大きさを変化させ、上記の主として相対強度ノイズによるランダム・ウオーク・ノイズをそれに応じて調整するステップと、
ｃ）上記の主として相対強度ノイズによるランダム・ウオークが最大出力信号変調の主として相対強度ノイズによるランダム・ウオークより小さくなるように、上記の周期的な人為的位相のずれを選択するステップとを含み、
上記の位相シフトが、ｘがＪ1（ｘ）が最大値、Ｊ1（ｙ）が０であり、Ｊ1（  ）が第一のタイプの一次ベッセル関数のとき、ｘ＜｜φM（ｔ）｜＜ｙである場合、正弦波φM（ｔ）の形をしている方法。
【発明の詳細な説明】
（技術分野）
本発明は、光ファイバ・ジャイロスコープに関する。本発明は、特に、光ファイバ・ジャイロスコープの出力のランダム・ウオークを減少する装置および方法に関する。
（背景技術）
サニャック干渉計は、一組の相互に反対方向に進行する光のビームの間に発生する非相互的位相差を測定することにより回転を知るための装置である。サニャック干渉計は、通常レーザのような光源、数個のミラーまたは光ファイバを数回巻いたものからなる光学的導波管、ビーム分割装置−結合装置、検出装置および信号処理装置からなっている。
干渉計の内部においては、ビーム分割装置からの光の二つの波は一本の光学通路に沿って相互に反対方向に進行する。導波管は「両方の光の波に影響をあたえる」。すなわち、光学通路に何らかの歪があると、相互に反対方向に進行する二本のビームは、同時にまたは同じ方向で上記の変動を受けるわけではないが、相互に反対方向に進行する二本のビームの両方に同じように影響を与える。時間によって変化する変動は、時間的間隔が光学的導波管の周囲の光の進行時間に等しい場合に観察することができる。一方、「非相互的」変動は、相互に反対方向に進行する二本のビームに進行方向によって異なる影響を与える。上記の非相互的変動は、二本のビームが進行する光学媒体の対称性を失わせる物理的影響により起こる。
非相互的効果は二つあるが、それらは周知である。ファラディの磁気光学効果、すなわち、共線磁気光学効果は、磁場により光学的物質内で電子が優越スピン方位を起こした場合に起こる。一方、サニャック効果、すなわち、慣性相対論的効果は、慣性フレームに対して干渉計が回転して、光の進行時間の対称性が失われた場合に起こる。後者の効果はリング・ジャイロスコープの動作原理として使用されている。
測定または検出されたジャイロスコープの出力は、ジャイロスコープのループを一回完全に横断した後の「結合された」ビーム（すなわち、二本の相互に反対方向に進行する二本のビームから形成された合成ビーム）である。感知軸を中心とする回転速度は、相互に反対方向に進行する二本のビームの間に生じる位相ずれに比例する。従って、位相ずれを正確に測定することが最も重要である。
図１は、光ファイバのコイルから検出されたビームの出力の強度（すなわち、電界の平方の関数である電力）と、一回のループの遷移完了後の相互に反対方向に進行する二本のビームの間の位相差との間の周知の関係を示す。（注：通常、先行技術の光検出機構は、強度ではなく出力パワーを測定するように作られている。）この図は、ビーム間の位相差Δφのコサインに比例するフリンジ・パターンを開示している。上記位相差は、例えば、回転による非相互的変動の測定の際に使用される。図１にＤＣレベルを示す。上記のＤＣレベルはジャイロスコープの出力の強度レベルの半分（平均）またはパワー・レベルの半分に対応する。
僅かな位相差、またはｎが整数である±ｎπという僅かな位相差が（比較的低い回転速度に対応して）検出されたとき、出力ビームの強度は位相の変動すなわち、誤差には比較的影響を受けない。何故なら、測定した位相差は、出力フリンジ・パターンの最大または最小の領域内にあるからである。このことは、フリンジ・パターンの形から得られる周知の結果である。この現象はφ＝０、＋２π、＋π、−２π、および−πそれぞれのラジアンの領域内の位相ずれに対応するフリンジ・パターンの領域１０、１２、１２’１４および１４’に現れている。さらに、強度だけでは回転速度の存在または方向は分からない。
上記の理由から、人為的にバイアスをかけた位相差を通常、一組のビームがセンサ・コイルを通って通過するとき、一方は周期的に位相が遅れ、他方は周期的に位相が進む反対方向に進行する二本のビームのそれぞれの上に重畳するという方法がとられる。「非相互的零シフト」という名でも知られている位相ずれにバイアスをかける方法により、回転の存在を示す位相の偏差εにより敏感なことを特徴としている領域に動作点を移動させることによって、位相差の強度測定の感度は改善される。上記の方法により、光学検出機構で観察された光の強度の変動、すなわち、ΔＩ（または電力ΔＰ）は、所与の非相互的位相の変動εに対して大きくなる。
所与の位相の変動εによる強度の影響を高めることにより、光学検出機構の出力感度および精度がそれに対応して向上する。これにより、出力エレクトロニクスが簡単になり、その結果経済的になる。上記の出力エレクトロニクスは、通常、その間で電気光学モジュレータ（しばしば、多機能集積光学チップまたは「ＭＩＯＣ」と呼ばれる）が、ループ・トランジット時間γの間、反復して動作を行う二つの動作点の強度値を比較するための差引回路を含んでいる。
今日では、光ファイバ・ジャイロスコープは、通常、周期的変調波形によりバイアスがかけられる。この周期的変調波形としては矩形波または正弦波がよく使用される。矩形波は、±π／２の周期で２γの間を変動するが、一方、正弦波は約±１．８ラジアンの最大および最小の間を変動する。正弦波の最大値および最小値は、第一のタイプの一次のベッセル関数、Ｊ1（ｘ）の最大値の引数に対応する。図２に先行技術の矩形波変調波形を示す。
図１に戻って説明すると、先行技術の矩形波変調の代表的な矩形波変調プロファイルは、動作点１６および１８の間の出力強度曲線の変化に対応する。各点１６および１８は、位相差Δφの小さな非相互的変動εが、光学的強度（電力）出力内の最大の検出可能な変化、すなわち、ΔＩ（ΔＰ）を起こす強度フリンジ・パターンの屈折部のところにある。同様に、二つの異なる動作点の間に掛かっているバイアスが変化することによって、システムはεの符号を決定することができ、その結果回転の方向を知ることができる。
位相変調の他に、「位相零化」が通常干渉計の出力にかけられる。これにより、非相互的（サニャック）効果による位相の変化を補償するための負帰還機構によりさらに位相のずれが起こる。測定した位相差の変化率に比例する勾配を持つ位相ランプ（アナログまたはデジタル）は、通常この目的のために生成される。通常、０から２πラジアンの間で高さが変化するランプは、位相のずれを零にする。何故なら、必要なシフトは電圧の制限のために無限に大きくなることはできないからである。
慣性システムの主要な用途に一つは、航空機機首方位の決定である。このような決定は、ジャイロスコープを含むシステム・センサの性能に左右されるし、ジャイロスコープの出力のノイズの量および種類により影響を受ける。
高度な技術によるジャイロスコープ（例えば、レーザおよび光ファイバ型ジャイロスコープ）の出力のノイズ特性は、いわゆる「ランダム・ウオーク」特性を含んでいる。このことは各ステップが統計的に独立した事象からなる確立的プロセスを表している。光ファイバ・ジャイロスコープの出力のような、ランダム・ウオークに左右される変数を測定する場合には、いわゆる「真」の測定への緩やかな集束が起こる。例えば、１時間当たりの０度の真のドリフト率を処理するための周知の光ファイバ・ジャイロスコープにより機首方位角度のドリフト率を測定する際には、１００秒刻みで１時間当たり０．９度の測定値を、９００秒刻みで１時間当たり０．３度の測定値が得られるだろう。長さ（サンプルの数）が増大するにつれて、推定値の不確実性が減少するのがランダム・ウオークの特徴である。
ランダム・ウオークは、ホワイト・ノイズ（すなわち、スペクトル密度（ＰＳＤ）が「フラット」なノイズ）として知られているランダムで、非集束性確立的プロセスを含むことができる。ホワイト・ノイズがある場合は、機首方位角度の測定にジャイロスコープを使用すると特に厄介なことになる。ジャイロスコープの出力のノイズの成分が真にホワイト・ノイズ的にランダムである場合には、角度のＲＭＳ値は時間の平方根に従って増大する。すなわち、
σ  ＝  ＲＷ√Ｔ                              （１）
上記式中、ＲＷはランダム・ウオーク係数、Ｔは時間、σは機首方位角度の標準偏差である。
上記の式はホワイト・ノイズによるランダム・ウオーク誤差は、時間が経過するにつれて機首方位角度を増大させることを示している。いうまでもなく、このことは非常に面倒なことである。
図３は、光ファイバ・ジャイロスコープのランダム・ウオーク（曲線２０）と光源ピーク電力との間の関係を示すグラフ（正確な尺度によらない）である。光ファイバ・ジャイロスコープの出力のホワイト・ノイズは、多数の発生源を持つ場合がある。電子ノイズ（暗電流およびジョンソン・ノイズ、すなわち、熱雑音）、ショット雑音およびうなり、すなわち全部をひっくるめた相対強度ノイズすべてが関連している場合もある。ジャイロスコープのランダム・ウオークに対する電子ノイズおよびショット雑音の影響は、ピーク電力が増大するにつれて減少する。図３にこの現象の概略を示す。図３を見れば同様に分かるように、全部をひっくるめた相対強度ノイズ（曲線２２）の影響は、ピーク電力とは無関係で、ジャイロスコープのランダム・ウオークがピーク電力の増大につれて減少する効果を抑制している。予め定めた範囲内とは対照的に、ピーク電力が増大すると、電子ノイズ（曲線２４）およびショット雑音（曲線２６）の影響は減少する。上記の領域を越えると、電力が増大してもランダム・ウオークの影響は改善されない。
ホワイト・ノイズの相対的重要性は、光源の電力が増大するにつれて増大する。超発光ダイオードのピーク電力は約０．５ミリワットであるが、希土でドーピングした光源のピーク電力は通常約１０ミリワットである。図３について説明すると、超発光ダイオードのような低電力電源を使用した場合には、ランダム・ウオークに対するホワイト・ノイズの影響は、ショット雑音の影響に比べるとほんの僅かであり、ショット雑音の影響は電子雑音の影響に比べるとほんの僅かである。光源の電力が増大するにつれて、全部をひっくるめた相対高度雑音の影響は、結果的にジャイロスコープのノイズの影響の中で支配的なものになる。
ジャイロスコープの出力からホワイト・ノイズの影響を分離し、除去しようとした先行技術としては、光源の出力を「取り出し」、上記の出力をジャイロスコープの出力から分離する方法などがある。この方法は、全部をひっくるめた相対強度ノイズは光源に由来しているという事実に基づいている。この方法の機構化は複雑で、検出した出力の同期および時間および温度によって変化するゲインの整合および安定化および第二の検出装置を設置しなければならないなどの技術的困難を数多く含んでいる。電力を含めてコストが高くなることが明らかな上に、ジャイロスコープの大きさが必然的に増大し、上記の方法の実際の使用は困難である。
（発明の開示）
本発明は、まず第一に光ファイバのセンサ・コイルを含むタイプの光ファイバ・ジャイロスコープの変調方法を改善することによって、先行技術の上記および他の欠点の改良を行う。上記のジャイロスコープの場合には、光源の出力はコイルに導かれ、一組のビームに分割される。この一組のビームはコイルの両端部に入力され、相互に反対方向に進行し、ジャイロスコープの出力を形成するために結合される。
本発明の改善は、出力のランダム・ウオークが最大出力信号変調のランダム・ウオークより小さい周期的な人為的位相のずれを選択することから始まる。この後で、上記の周期的な人為的位相のずれは相互に反対方向に進行するビームの間に加えられる。
本発明の第二の態様は、光ファイバのセンサ・コイルを含むタイプの光ファイバ・ジャイロスコープの変調方法を提供することである。上記の方法の最初の段階は、光源の出力をジャイロスコープに導入することである。その後で、光源の出力は一組のビームに分割され、この一組のビームはコイルの両端部に入力され、相互に反対方向に進行する。矩形波の形の周期的な人為的位相のずれφM（ｔ）は、相互に反対方向に進行する一組のビームの間に加えられる。上記の周期的な人為的位相のずれは、（４ｎ＋１）π／２＜｜φM（ｔ）＜（２ｎ＋１）πの形をしている。この場合、ｎは０を含む整数である。相互に反対方向に進行する一組のビームは、その後、ジャイロスコープの出力を形成するために結合される。
第三の態様は、すでに述べた方法を、相互に反対方向に進行する一組のビームの間に周期的な人為的位相のずれを起こすための矩形波φM（ｔ）を（２ｎ＋１）π＜｜φM（ｔ）｜＜（４ｎ＋３）π／２の形にするという点だけに限って修正しているということである。上記のｎは０を含む整数である。
第四の態様について説明すると、本発明は光ファイバのセンサ・コイルを含むタイプの光ファイバ・ジャイロスコープの変調方法を提供する。この態様は、光源の出力をジャイロスコープに入力することである。その後、光源の出力は一組のビームの分割され、この一組のビームはコイルの両端部に入力され、相互に反対方向に進行する。
周期的な人為的位相のずれは、相互に反対方向に進行する一組のビームの間に加えられる。上記の位相のずれは正弦波φM（ｔ）からなる。この場合、ｘ＜｜φＭ（ｔ）｜＜ｙであり、ｘはＪ1（ｘ）が最大値の場合であり、Ｊ１（ｙ）が０であり、Ｊ1（  ）が第一のタイプの一次ベッセル関数である。その後、相互に反対方向に進行するビームはジャイロスコープの出力を形成するために合成される。
本発明の第五の態様は、一組の光のビームが光ファイバのセンサ・コイル内を相互に反対方向に進行するタイプの光ファイバ・ジャイロスコープの出力内のランダム・ウオーク・ノイズの調整方法を提供することである。上記の方法の最初のステップは、相互に反対方向に進行する一組の光のビームの間に周期的な人為的位相のずれを加え、それに対応してランダム・ウオーク・ノイズを調整するために周期的な人為的位相のずれの大きさを変化させることである。
本発明の上記のおよび他の特徴および利点は、以下の詳細な説明を読めば明らかになる。上記の詳細な説明には図面が添付されている。本文の数字に対応する図面の数字については、本発明の部材を参照されたい。詳細な説明および図面のすべてにわたって、類似の数字は類似の部材を示す。
【図面の簡単な説明】
図１は、図示の先行技術による矩形波変調を受けた相互に反対方向に進行する各ビームの間の位相のずれの関数としての光ファイバ出力ジャイロスコープの出力の強度、すなわち、電力のグラフである。
図２は、先行技術による光ファイバ・ジャイロスコープ用の代表的変調波形（矩形波）のグラフである。
図３は、光ファイバ・ジャイロスコープの出力のランダム・ノイズの成分と光源のピーク電力との間の関係を示すグラフである。
図４は、変調振幅の関数としてのジャイロスコープ出力のランダム・ウオークのグラフである。
図５（ａ）および５（ｂ）は、本発明の方法による変調波形のグラフと、上記の変調を受ける光ファイバ・ジャイロスコープの出力のグラフである。
図６は、本発明による矩形波変調に対応する図示の領域を持っている光ファイバ・ジャイロスコープの出力のグラフである。
（発明を実施するための最良の形態）
本発明は、ランダム・ウオーク誤差の影響を受け、ホワイト・ノイズ成分を含む光ファイバ・ジャイロスコープの出力の実現可能なノイズ低減の限界を克服するためのものである。図３に戻って説明すると、ランダム・ウオーク・ノイズは光源のピーク電力が増大するにつれて減少する。しかし、電力が増大するにつれて、ノイズ低減の限界値に近づく。機首方位の誤差とホワイト・ノイズが存在する時間との間に比例関係があるために、長い時間にわたって機首方位角度を測定する場合には、上記の制限値の存在は特に面倒なものになる。
超発光ダイオードが通常光源として使用されてきた。しかし、希土でドーピングをした光ファイバの高電力電源は、超発光ダイオードの電力を遥かに越える１０ミリワットの範囲の電力を発生することができる。図３は光源の電力が増大するにつれて、ピーク電力には影響されない一つの要因、すなわち、総括的にひっくるめた相対強度ノイズの相対的な影響が、出力ノイズに対して支配的になる様子を示す。
本発明の発明者は、図２の矩形波変調のようなタイプの先行技術の変調方法を使用したとき、予想されるものより少ないランダム・ウオークを特徴とする出力信号を生成する変調方式を提供することによって、ジャイロスコープのノイズの低減の「基本的な」問題に取り組んできた。さらに、本発明による変調方式は、光源の電力が増大するにつれてより顕著になってくる諸問題の解明に挑戦する。それ故、非相互的な位相の変動εに対する出力の感度がある程度犠牲になる反面、増大した光源の電力が、データ処理目的のために適当な信号出力を生成して補償を行う。
Ｉ．矩形波変調の分析
すでに説明したように、光ファイバ・ジャイロスコープの出力のランダム・ウオークは、フラットなＰＳＤを持っているホワイト・ノイズによって制限される。光ファイバ・ジャイロスコープのホワイト・ノイズの発生源は、電子ノイズ、ショット雑音およびビート・ノイズすなわち、総括的にひっくるめると相対強度ノイズを含んでいる。例えば、図２に示すように変調したジャイロスコープに対する上記の各ノイズ源によるランダム・ウオークは、下記の式で表される。
0003923077.tif 000002
上記式中、ＫSSFは光ファイバ・ジャイロスコープのサニャック換算係数であり、ＮＥＰは光検出機構に対するＷａｔｔｓ／√Ｈｚ単位でのノイズ等価電力であり、ｅは一個の電子の電荷であり、Ｒはａｍｐｓ／Ｗａｔｔ単位での光検出機構の応答感度であり、ＲＩＮは１／Ｈｚ単位の光源の相対強度ノイズ係数であり、Ｐoはジャイロスコープの光源のピーク電力である。
サニャック換算係数、ＫSSFは下記の式により表される。
ＫSSF  ＝  ２πＬＤ／λｃ                            （３）
上記式中、Ｌは光ファイバの長さであり、Ｄは光ファイバの直径であり、λは光ファイバ・ジャイロスコープ内の光の平均波長であり、ｃは光の自由空間内の速度である。光ファイバ・ジャイロスコープの検出電力は、下記の式で表される。
Ｐ  ＝  Ｐo（１＋ｃｏｓ（ＫssfΩ＋φM（ｔ）））／２    （４）
上記式中、Ωは測定対象の回転速度であり、φM（ｔ）は周期変調関数である。図２について説明すると、φM（ｔ）は周期が２γ、振幅がπ／２の矩形波になるように選んである。しかし、最大値が約±１．８ラジアンの間で変化し、２γの周期を持っている（この場合、１．８ラジアンは、Ｊ1（ｘ）が第一のタイプの一次ベッセル関数である場合の、Ｊ1（ｘ）maxの引数ｘである）正弦波形は、それに対応する先行技術の正弦波変調方法を示す。すでに説明したように、γは長さＬの光ファイバ・コイルを通る光の遷移時間である。図２に示す変調関数（すなわち、振幅が±π／２の矩形波）を収容するために、復調は広帯域Ａ／Ｄ変換を行った後のデジタル減算により行うことができる。
式２ａ−２ｄを図３のグラフと一緒に参照すれば、ＲＷelectとＲＷshotはそれぞれＰoに反比例し、一方、ＲＷRIN値、すなわち、ＲＷRSSの残りの成分はＰoとは無関係であることに気がつくと思う。従って、それは光ファイバ・ジャイロスコープの出力内の真のホワイト・ノイズ源である総括的にひっくるめていうと相対強度ノイズによるものである。ジャイロスコープのランダム・ウオークのこのノイズ成分は、電力が増加することにより行うことができるノイズ抑制効果を制限する。
本発明の発明者は、相対強度ノイズの影響を減らす変調方法により上記のノイズ制限の問題に取り組んできた。この方法を使用すれば、ジャイロスコープの出力のノイズの働きにより、図２に示す矩形波または対応する正弦波による先行技術の変調波形のような「従来の」周期変調波形が適用される場合に存在する制限を克服することができる。
任意の振幅の矩形波変調を受けるジャイロスコープの電子雑音、ショット雑音、およびビート・ノイズによるランダム・ウオークの一般式が以下に示すものであることは周知である。
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上記の各式は、φMをπ／２に設定した場合には現れなかった項が含まれているという点で式２ａ乃至２ｄのそれとは異なっている。（当業者にとっては周知の対応する各式は、任意の振幅φMの正弦波変調を受けるジャイロスコープの出力ノイズを示す。）式５ａ乃至５ｃを参照することにより、本発明の発明者は、矩形波変調の振幅を先行技術の最大信号変調を示す±π／２から以下の式で表される関数φM（ｔ）に変化させると、式２ｃで与えられるレベル以下に「制限」ランダム・ウオーク係数ＲＷRINを減らすことができることを発見した。
（４ｎ＋１）π／２＜｜φM（ｔ）｜＜（２ｎ十１）π      （６ａ）
（２ｎ＋１）π＜｜φM（ｔ）｜＜（４ｎ＋３）π／２      （６ｂ）
上記式中、ｎは０を含む整数である。
本発明の発明者は、正弦波変調φM（ｔ）が約±１．８ラジアンの最大値と最小値の間で変化する正弦波から下記の式で表される範囲の最大値および最小値を持っている正弦波に変化したとき、上記の変調が行われている場合の出力ランダム・ウオークをそれに対応して改善する方法を発見した。
Ｘ＜｜φM（ｔ）｜＜ｙ                                  （６ｃ）
上記式中、ｘはＪ1（ｘ）が最大値であり、Ｊ1（ｙ）が０であり、そしてＪ1（  ）が第一のタイプの一次ベッセル関数である。
本発明の変調により行うことができるジャイロスコープのランダム・ウオークの改善は、ランダム・ウオーク（対数目盛り）対矩形波変調振幅φMの関係を示す図４のグラフにより確認することができる。三本の曲線が表示されているが、その各々は異なるピーク電力レベルに対応している。一本の曲線はピーク電力が１０ミリワットの場合の変数の変化を示す。もう一本の曲線は、ピーク電力が１００ミリワットの場合の変数の変化を示す。三番目の曲線はピーク電力が１０００ミリワットの場合の変数の変化を示す。図を見れば分かるように、ジャイロスコープのランダム・ウオークはピーク電力が増大するにつれて減少する。（注：グラフの一番左の数値は、先行技術（±π／２）矩形波変調を示す。）
図２のグラフと図４のグラフを比較すると、矩形波変調の振幅φMがπ／２以上に増大すると、ランダム・ウオークが劇的に減少することに気がつく。（−π／２以下においても、同じ結果が観察される。）図４に示すように、ランダム・ウオークは、π／２矩形波変調振幅におけるすべての電力レベルに対して約０．００７度／√ｈｏｕｒに制限される。この数値は本質的に式２ｃの相対強度ノイズの項ＲＷＲＩＮを表す。変調振幅φＭが、１０００ミリワットのピーク電力ジャイロスコープにおいて、約３１π／３２に増大すると、１０倍以上のノイズの減少が起こる。その後、位相差がπ（またはｎπ、この場合ｎは整数）の領域内での位相差の変動に対する出力強度の相対的感応の偏差を反映して、ジャイロスコープ出力のランダム・ウオークはπラジアンの領域で実質的に増大する。
下記の表Ｉは、最適変調振幅および本発明に従ってそのような最適変調振幅を使用して達成したランダム・ウオーク値とともに、先行技術（すなわち、±π／２矩形波変調振幅）動作によって得ることができるランダム・ウオークを示す。さらに、本発明による変調を使用して達成したホワイト・ノイズの減少を示す改善係数を示す。
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図５（ａ）および図５（ｂ）は、本発明により変調（矩形波変調）された光ファイバ・ジャイロスコープの変調、動作点および出力を示す一組のグラフである。上記の一組のグラフは、先行技術によって変調された低電力光ファイバ・ジャイロスコープの対応する数字との比較が行われている。（対応する先行技術による数値は一点鎖線で表示されている。）
図５（ａ）を見れば、変調波形２８は振幅がπ／２からπへ、−πから−π／２へと変化する周期が２γの矩形波からなる。（第一のタイプの一次ベッセル関数であるＪ1（ｘ）の引数が０から最大値の間での周期および振幅ｘが同一の正弦波形も、同様に使用することができる。）変調振幅の正確な数値は、最小値に対する式５ｄを解くことにより知ることができる。しかし、本発明の方法は、単に最小のランダム・ウオーク値を得ることではなく、先行技術による変調方法で得られる数値以上にランダム・ウオークの数値を改善することである。
図５（ｂ）は、Δφの関数としての、光ファイバ・ジャイロスコープの出力の強度のグラフである。図を見れば分かるように、本発明による矩形波変調を表す式６ａのｎ＝０に対応する動作点３０、３２は、出力曲線３４の±π／２屈折点３０’および３２’から離れた場所に位置している。上記の動作点の出力強度の特徴は、検出回転速度を示す非相互的変動εへの感度が最大値より低いということである。低下した信号感度は、部分的には、超発光ダイオードのようなより低い電力源に対応する（一点鎖線で示す）曲線３６と比較して、出力曲線３４の電力を増大することによって補償される。本質的なことではないが、必要な場合には、より電力の高い光源と交換することにより、電子出力を発生するために位相の偏差に対して低下した感度を補償することができる。さらに、図３を見れば分かるように、本発明の変調方法の相対的利点は、ピーク電力が増大するにつれてもっとはっきりしてくる。本発明の方法により変調されたジャイロスコープの動作点３０、３２を、±π／２矩形波変調をうけたジャイロスコープの動作点３８’および４０’と比較すると、先行技術による変調は信号を最大にすることを目的としているが、本発明の変調方法はＳ／Ｎ比を最大にして、等価的にランダム・ウオークを最小にすることを目的としている。
図６は、位相のずれΔφの関数としての光ファイバ・ジャイロスコープの出力のグラフである。図６に「Ａ」で示した領域は、式６ａに定義する本発明の方法による矩形波変調に対応し、一方、「Ｂ」で示す領域は式６ｂに定義する本発明による矩形波変調に対応する。
II．本発明による正弦波変調
式６ｃは本発明による正弦波変調を定義している。本発明による矩形波変調および正弦波変調の両方とも、それぞれが所与の非相互的位相のずれεに対して最大出力信号ΔＩ（またはΔＰ）の発生する点以外の点におけるジャイロスコープ出力フリンジ上で動作するように作られているという特徴を持っている。上記の先行技術による矩形波変調および正弦波変調（すなわち、約１．８ラジアンに対応するπ／２）の最大振幅の間の相違は、矩形波および正弦波の最大値および最小値の間の遷移周期の定質的相違持続時間に関連している。それ故、当業者には周知のフーリエ−ベッセル分析は、丁度±π／２が所与のεに対する最大ジャイロスコープ出力を得るための矩形波の最大値と最小値を定義するように、約１．８ラジアンを所与のεに対する最大ジャイロスコープ出力を得るための正弦波の最大値および最小値として定義している。式６ａおよび６ｂにより定義された変調のように、式６ｃにより定義された変調は、最大信号出力が行われる領域以外のジャイロスコープ出力曲線の領域上で動作するようになっている。
それ故、本発明は先行技術による変調方法の限界を越えて、ランダム・ウオークのホワイト・ノイズ成分を減少する光ファイバ・ジャイロスコープの変調方法を提供するものであることが理解できると思う。上記の誤差を減らすことによって、機首方位角度を決定するために光ファイバ・ジャイロスコープを使用している慣性航法装置の精度を有意に改善することができる。本発明の方法は、ノイズを減少させるのに追加のハードウエアを必要としないので、装置がより複雑にもならなければ、より多くのコストも必要としない。
好適な実施例を参照しながら、本発明を説明してきたが、本発明はそれに制限されない。本発明は以下の請求の範囲によってのみ制限されるもので、すべての類似の実施例をその範囲内に含む。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５（ａ）】
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【図５（ｂ）】
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【図６】
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