(57)【要約】【課題】高帯域幅レーザ安定化を備えた共通キャビティ長変調を使用する共振器光ファイバジャイロスコープを提供する。【解決手段】共振器光ファイバジャイロスコープは、基準光信号を出射するマスタレーザデバイスと、時計回り光信号を放出する第１のスレーブレーザデバイスと、反時計回り光信号を放出する第２のスレーブレーザデバイスとを備える。共振器リングキャビティは、マスタレーザデバイス及びスレーブレーザデバイスと通信する。正弦波生成器は、共振器リングキャビティに結合され、同相及び直交信号を含む共通キャビティ変調周波数を出力する。レーザ安定化サーボは、共振器リングキャビティからの共通キャビティ変調周波数を含む時計回り反射信号を受け取る。サーボに結合された変調ストリッパは、同相及び直交信号を受け取り、サーボから正味の誤差信号を受け取り、共通キャビティ変調周波数で正味の誤差信号を復調し、共通キャビティ変調周波数における信号を除去するためにサーボにストリッパ信号を送る。【選択図】図１
2016017957.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基準光信号を放出するように構成されるマスタレーザデバイスを含むマスタレーザアセンブリと、
時計回り（ＣＷ）光信号を放出するように構成され、ＣＷ光位相ロックループを介して基準光信号に応答する、第１のスレーブレーザデバイスを含む第１のスレーブレーザアセンブリと、
第１の反時計回り（ＣＣＷ）光信号を放出するように構成され、第１のＣＣＷ光位相ロックループを介して前記基準光信号に応答する、第２のスレーブレーザデバイスを含む第２のスレーブレーザアセンブリと、
前記マスタレーザデバイス、前記第１のスレーブレーザデバイス及び前記第２のスレーブレーザデバイスと光通信する光共振器リングキャビティと、
前記共振器リングキャビティに動作可能に結合され、同相（Ｉ）信号成分及び直交（Ｑ）信号成分を含む共通キャビティ変調周波数を出力するように構成される正弦波生成器と、
前記共振器リングキャビティからの前記共通キャビティ変調周波数を含むＣＷ反射信号を受け取るように構成されるレーザ安定サーボモジュールと、
前記レーザ安定化サーボモジュールに動作可能に結合される変調ストリッパであって、
前記正弦波生成器から前記共通キャビティ変調周波数の前記Ｉ信号成分及び前記Ｑ信号成分を受け取り、
前記レーザ安定化サーボモジュールから正味の誤差信号を受け取り、
前記共通キャビティ変調周波数で前記正味の誤差信号を復調し、
前記共通キャビティ変調周波数における信号を除去するために、前記レーザ安定化サーボモジュールにストリッパ信号を送信する
ように構成される、変調ストリッパと、
前記共振器リングキャビティに動作可能に結合され、共振追跡誤差信号を前記第１及び第２のスレーブレーザアセンブリに出力するように構成される共振追跡電子モジュールと
を備え、
前記レーザ安定化サーボモジュールは、前記マスタレーザデバイスのためのフィードバック安定化ループの一部として、前記マスタレーザデバイスに同調信号を送るように構成される共振器光ファイバジャイロスコープ（ＲＦＯＧ）。
【請求項２】
前記共振器リングキャビティと光通信し、前記マスタレーザデバイスからの前記基準光信号の一部に対してレーザ安定化変調周波数を適用するように構成される第１の位相変調器と、
前記共振器リングキャビティと光通信し、前記第１のスレーブレーザデバイスからの前記ＣＷ光信号の一部に対して第１の高周波変調を適用するように構成される第２の位相変調器と、
前記共振器リングキャビティと光通信し、前記第２のスレーブレーザデバイスからの前記ＣＣＷ光信号の一部に対して第２の高周波数変調を適用するように構成される第３の位相変調器と
をさらに備え、
前記共振器リングキャビティからの前記ＣＷ光信号の一部は、前記ＣＷ光信号を電気ＣＷ送信信号に変換する第１の光検出器に導かれ、
前記共振器リングキャビティからの前記ＣＣＷ光信号の一部は、前記ＣＣＷ光信号を電気ＣＣＷ送信信号に変換する第２の光検出器に導かれ、
前記共振追跡電子モジュールは、
前記ＣＷ送信信号及び２倍にされた前記第１の高周波数変調を受け取る第１のミキサと、
前記第１のミキサから混合信号を受け取り、該混合信号をデジタル信号に変換する第１のアナログ／デジタル変換器（ＡＤＣ）と、
前記第１のＡＤＣからの前記デジタル信号及び前記正弦波生成器からの前記共通キャビティ変調周波数を受け取る第１の復調器と、
前記第１の復調器から復調された信号を受け取る第１の積分器と、
前記第１の積分器から積分された信号を受け取り、デジタルワードを受け取る第１の加算器と、
第１の加算器から制御ワード信号を受け取り、前記第１のスレーブレーザアセンブリに第１の無線周波数（ＲＦ）同調信号を送る第１のダイレクトデジタルシンセサイザと
を備え、
前記共振追跡電子モジュールは、さらに、
前記ＣＣＷ送信信号及び２倍にされた前記第２の高周波変調を受け取る第２のミキサと、
前記第２のミキサから混合信号を受け取り、前記第２のミキサからの該混合信号をデジタル信号に変換する第２のＡＤＣと、
前記第２のＡＤＣからの前記デジタル信号及び前記正弦波生成器からの前記共通キャビティ変調周波数を受け取る第２の復調器と、
前記第２の復調器から復調された信号を受け取る第２の積分器と、
前記第２の積分器から積分された信号を受け取り、デジタルワードを受け取る第２の加算器と、
前記第２の加算器から制御ワード信号を受け取り、前記第２のスレーブレーザアセンブリに第２のＲＦ同調信号を送る第２のダイレクトデジタルシンセサイザと
を備える請求項１に記載のＲＦＯＧ。
【請求項３】
共振器光ファイバジャイロスコープ（ＲＦＯＧ）のための変調生成器及びストリッパであって、
信号処理デバイスであって、
変調周波数におけるデジタル同相（Ｉ）信号成分及びデジタル直交（Ｑ）信号成分を含むデジタル正弦波を出力するように構成される正弦波生成器と、
前記正弦波生成器から前記デジタルＩ信号成分を受け取るように構成される第１の復調器と、
前記正弦波生成器から前記デジタルＱ信号成分を受け取るように構成される第２の復調器と、
前記第１の復調器から復調された信号を受け取るように構成される第１の累算器と、
前記第２の復調器から復調された信号を受け取るように構成される第２の累算器と、
前記第１累算器からの制御信号及び前記デジタルＩ信号成分を受け取るように構成される第１の乗算器と、
前記第２の累算器からの制御信号及び前記デジタルＱ信号成分を受け取るように構成される第２の乗算器と、
前記第１及び第２の乗算器からの乗算された信号を合成し、デジタルストリッパ信号を出力するように構成される加算器と
を備える信号処理デバイスと、
前記ＲＦＯＧのレーザ安定化サーボから正味の誤差信号を受け取り、前記第１及び第２の復調器にデジタル誤差信号を出力するように構成されるアナログ／デジタル変換器と、
前記正弦波生成器から前記デジタルＩ信号成分を受け取り、前記ＲＦＯＧの光共振器リングキャビティにアナログＩ信号を出力するように構成される第１のデジタル／アナログ変換器と、
前記加算器から前記デジタルストリッパ信号を受け取り、前記レーザ安定化サーボにアナログストリッパ信号を出力するように構成される第２のデジタル／アナログ変換器と
を備える変調生成器及びストリッパ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
連邦政府支援の研究開発に関する声明
[0001]本発明は、ＤＡＲＰＡにより授与されたＨＲ００１１−０８−Ｃ−００１９の下で政府の支援によりなされた。政府は本発明において一定の権利を有する。
【背景技術】
【０００２】
[0002]共振器光ファイバジャイロスコープ（ＲＦＯＧ）は、様々なナビゲーション及び慣性安定化の実現の必要性を満たすために開発されてきた。有望なＲＦＯＧアーキテクチャは、共振追跡に使用されるレーザビーム及び共振器ジャイロスコープの共振周波数の間で相対周波数雑音が非常に低くなるようにするために、非常に高速なレーザ安定化ループを使用する。レーザ安定化ループは、非常に高いレーザ安定化ループの帯域幅を達成するために、パウンド・ドレバー・ホール技術を使用する。ジャイロスコープのレート出力雑音の大幅な低減は、共振追跡に使用される一般的な変調周波数よりも大幅に大きいレーザ安定化ループ帯域幅を有することによって実現される。しかし、共振追跡変調よりはるかに大きなレーザ安定化ループ帯域幅を有するための要件は、従来のＲＦＯＧアーキテクチャに対して、望ましくない副作用を有する方法を採用することを余儀なくさせてきた。
【０００３】
[0003]回転速度を測定するために、ＲＦＯＧは、時計回り（ＣＷ）及び反時計回り（ＣＣＷ）の共振を検出するためにジャイロスコープの共振器を通って対向伝搬する少なくとも２つのレーザビームを有する必要がある。２つのレーザビーム及び共振器の共振周波数の間の相対的な周波数は、ＣＷ及びＣＣＷ共振周波数を正確に検出するために変調され、そのような変調は「共振検出変調」又は「共振追跡変調」と呼ばれる。ＣＷレーザビームと共振器との間及びＣＣＷレーザビームと共振器との間の相対周波数が同じ周波数及び振幅で変調されるとき、これは、「共通共振追跡変調」又は「共通共振検出変調」として知られている。これは、それぞれ共振器のＣＷ共振及びＣＣＷ共振に対するＣＷビーム及びＣＣＷビームの両方にとって、共振検出変調（又は共振追跡変調）が共通であるためである。共通の共振検出変調を使用することは非常に魅力的である。というのは、これにより、共振検出変調の適用において生じ得る高調波歪み誤差及び残留振幅誤差に対して高い耐性を備えたジャイロスコープの性能を提供するためである。ジャイロスコープ共振器に適用されるキャビティ長変調は、変調誤差に影響を受けにくい共通の共振検出変調を提供する方法である。したがって、これは「共通キャビティ長変調」、「共通キャビティ変調」又は「キャビティ長変調」と呼ばれる。しかしながら、ジャイロスコープ共振器の共振追跡及び回転検知に使用されるレーザビームの１つに対してレーザ安定化ループが直接的に適用されると、レーザ安定化ループの帯域幅がキャビティ長変調周波数よりもはるかに大きい場合、高帯域幅のレーザ安定化により、ジャイロスコープ共振器に適用される共通キャビティ長変調を介して実現される任意の共振検出変調が相殺される。
【０００４】
[0004]この問題を克服するために、従来のＲＦＯＧアーキテクチャは、マスタレーザとなる少なくとも第３のレーザを使用し、共振追跡レーザビームは、光位相ロックループ（ＯＰＬＬ）を使用してマスタレーザにロックされるスレーブレーザとなる。マスタレーザの一部は、ジャイロスコープ共振器に入る前に、スレーブレーザの１つと合成される。マスタレーザは、次いで、非常に高い帯域幅のループを得るために、パウンド・ドレバー・ホール技術を使用してジャイロスコープ共振器にロックされる。レーザ安定化ループによって相殺されない共通の共振追跡変調を導入するために、共通の変調がスレーブレーザビームに適用される。これを行うための１つの方法は、マスタレーザとスレーブレーザとの間の光位相ロックループのための基準として使用されるマスタビームの一部を変調することである。しかし、この方法には多くの欠点がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
[0005]１つの欠点は、共振追跡変調が２つのスレーブ間で真に共通ではないということである。スレーブ光位相ロックループがマスタ基準に対する変調に応答する方法の相違は、結果として回転検知誤差になる。別の欠点は、スレーブレーザビームがジャイロスコープ共振器に対して別の光路をとることである。ＯＰＬＬ誤差信号に対するスレーブレーザの応答における不完全性、及びスレーブレーザとジャイロスコープ共振器との間の光学コンポーネントの欠陥により、共振追跡変調における誤差が引き起されることがあり、特に、同じ周波数での強度変調が引き起こされ得る。ＣＷスレーブレーザビームとＣＣＷスレーブレーザビームとの間の強度変調の何らかの相違が回転検知誤差をもたらし得る。異なる光路をとることで強度変調に違いが生じることがある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
[0006]基準光信号を放出するように構成されるマスタレーザデバイスを含むマスタレーザアセンブリと、時計回り（ＣＷ）光信号を放出するように構成され、ＣＷ光位相ロックループを介して基準光信号に応答する第１のスレーブレーザデバイスを含む第１のスレーブレーザアセンブリと、第１の反時計回り（ＣＣＷ）光信号を放出するように構成され、ＣＣＷ光位相ロックループを介して基準光信号に応答する第２のスレーブレーザデバイスを含む第２のスレーブレーザアセンブリとを備える共振器光ファイバジャイロスコープ（ＲＦＯＧ）が提供される。光共振器のリングキャビティは、マスタレーザデバイス、及びスレーブレーザデバイスの各々と光学的に通信する。正弦波生成器は、共振器リングキャビティに動作可能に結合され、同相（Ｉ）信号成分及び直交（Ｑ）信号成分を含む共通のキャビティ変調周波数を出力するように構成される。レーザ安定化サーボモジュールは、共振器リングキャビティからの共通のキャビティ変調周波数を含むＣＷ反射信号を受け取るように構成される。変調ストリッパ（modulation stripper）はレーザ安定化サーボモジュールに動作可能に結合される。変調ストリッパは、正弦波生成器から共通キャビティ変調周波数のＩ及びＱ信号成分を受け取り、レーザ安定化サーボモジュールから正味の（net）誤差信号を受け取り、共通キャビティ変調周波数で正味の誤差信号を復調し、共通キャビティ変調周波数における信号を除去するためにレーザ安定サーボモジュールにストリッパ信号を送るように構成される。共振追跡電子機器（electronics）は、共振器リングキャビティに動作可能に結合され、共振追跡誤差信号をスレーブレーザアセンブリに出力するように構成される。レーザ安定化サーボモジュールは、マスタレーザデバイスのためのフィードバック安定化ループの一部として、マスタレーザデバイスに同調信号を送るように構成される。
【０００７】
[0007]本発明の特徴は、図面を参照して以下の説明から当業者に明らかとなろう。図面が一般的な実施例のみを示し、したがって範囲を限定するものと考えるべきではないことを理解し、本発明は添付の図面の使用を通じてさらに具体的かつ詳細に説明される。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】[0008]一実施例による共振器光ファイバジャイロスコープ（ＲＦＯＧ）のブロック図である。
【図２】[0009]図１のＲＦＯＧの別の実施例で使用することができる変調生成器及びストリッパのブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
[0010]以下の詳細な説明において、実施例は、当業者が本発明を実施することを可能にするために十分に詳細に説明される。本発明の範囲から逸脱することなく他の実施例を利用できることを理解されたい。したがって、以下の詳細な説明は限定的な意味で解釈されるべきではない。
【００１０】
[0011]高帯域幅のレーザ安定化を備えた、共振追跡のための共通キャビティ長変調を使用する共振器光ファイバジャイロスコープ（ＲＦＯＧ）が提供される。レーザ安定化ループ誤差信号から共通キャビティ変調によって生成された信号を除去する変調ストリッパが使用される。これにより、レーザ安定化ループは、共通キャビティ変調により与えられる共通の共振検出変調を相殺しないようにしてもよい。変調ストリッパは、すべての可能な条件と時間にわたって高度な変調除去（modulation stripping）を維持するために、同期検出及び制御ループ（同期検出・制御ループ、synchronous detection and control loops）を使用する。
【００１１】
[0012]共通キャビティ変調信号を除去する方法は、共通キャビティ変調による同じ周波数及び振幅のレーザ安定化ループ誤差信号を有するがレーザ安定化ループ誤差信号に対して反対の符号（１８０度の位相）を有する信号を加算することである。したがって、２つの信号は、マスタレーザ周波数を制御するレーザ安定化ループサーボ（積分器）に入る前に互いに打ち消し合う。この手法の１つの問題は、時間の経過とともに、光パワーなどの様々なジャイロスコープパラメータがずれるので、打ち消しが完全でなくなることである。したがって、必要なレベルの打ち消しを維持する方法も提供される。
【００１２】
[0013]時間及び（温度などの）環境の変化にわたって高度な打ち消しを維持するために、本発明の手法は、２段階（デュアルフェーズ）同期検出を含む制御技術を使用する。（サーボに入る直前に）正味のレーザ安定化誤差信号が取り出され、共通キャビティ変調周波数で正味の誤差信号を復調する同相復調器及び直交復調器に接続される。各復調器の出力は、制御信号と共通変調の同相又は直角位相バージョンのいずれかとを乗算する乗算器に制御信号を提供するサーボ（積分器）に進む。乗算器の出力は、したがって、振幅制御された共通変調周波数の信号である。変調ストリッパ制御ループは、様々なジャイロスコープパラメータが変化する場合でも、共通変調周波数における有意な信号がレーザ安定化ループサーボに到達しないことを確実にする。
【００１３】
[0014]本発明の共振器光ファイバジャイロスコープ（ＲＦＯＧ）のさらなる詳細が図面を参照して以下に説明される。
[0015]図１は、一実施例によるＲＦＯＧ１００を示す。ＲＦＯＧ１００は、一般に、マスタレーザアセンブリ１１０と光学的に連絡するジャイロスコープ共振器１０２、第１のスレーブレーザアセンブリ１２５、第２のスレーブレーザアセンブリ１３５及び任意選択の第３のスレーブレーザアセンブリ１４０を含む。
【００１４】
[0016]一実施例では、ジャイロスコープ共振器１０２は、コアの周り及び回転が検知される軸の周りに巻かれる光ファイバコイル１０６を含む光リングキャビティ１０４を含む。共通キャビティ変調方式は、光路長変調器１０７を形成するために光ファイバで巻かれる圧電（例えば、チタン酸ジルコン酸鉛、ＰＺＴ）トランスデューサによるなどして、リングキャビティ１０４に適用することができる。ジャイロスコープ共振器１０２はまた、光ファイバからのレーザ光をリングキャビティ１０４へ結合する一対の共振器カプラ１０８及び１０９を含む。
【００１５】
[0017]一実施例では、マスタレーザアセンブリ１１０は、光ファイバ１１４を介して第１の光カプラ１１３に導かれる基準光信号を生成するように構成されるマスタレーザデバイス１１２を含む。第１の光カプラ１１３は、基準光信号の一部を、光ファイバ１１６を介して第２の光カプラ１１５に導く。第２の光カプラ１１５は、光ファイバ１１８を介して、基準光信号の一部を第３の光カプラ１１７に導く。第２の光カプラ１１５はまた、基準光信号の一部を、光ファイバ１１９を介して第２のスレーブレーザアセンブリ１３５に導く。第３の光カプラ１１７は、基準光信号の一部を、光ファイバ１２０を介して第１のスレーブレーザアセンブリ１２５に導き、また、基準光信号の一部を、光ファイバ１２１を介して任意選択（オプション）の第３のスレーブレーザアセンブリ１４０に導く。
【００１６】
[0018]第１のスレーブレーザアセンブリ１２５は、光ファイバ１２８を介して第４の光カプラ１２７に導かれる時計回り（ＣＷ）光信号を生成するように構成されるスレーブレーザデバイス１２６を含む。第４の光カプラ１２７は、スレーブレーザデバイス１２６のための光位相ロックループの一部として、光ファイバ１３０を介して第５の光カプラ１２９へと当該ＣＷ光信号の一部を導く。光カプラ１２９は、ＣＷ光信号の一部を、光ファイバ１２０を介して受け取られた基準光信号の一部と合成する。この合成された光信号は、フォトダイオードなどの光検出器（ＰＤ）１３２へと光ファイバ１３１を介して送られ、光検出器１３２は当該合成された光信号を電気信号に変換する。この電気信号はミキサ１３３に送られ、ミキサ１３３はまた、以降でさらに論じられるように共振追跡制御信号を受け取る。混合された信号は積分器１３４に送られ、積分器１３４は、ＣＷ光信号と基準光信号との間の相対的な光周波数を調整するために、スレーブレーザデバイス１２６の入力に同調信号を出力する。
【００１７】
[0019]第２のスレーブレーザアセンブリ１３５は、第１のスレーブレーザアセンブリ１２５と同様のコンポーネントを含むが、反時計回り（ＣＣＷ）光信号を生成するように構成される。同様に、オプションの第３のスレーブレーザアセンブリ１４０は、第１のスレーブレーザアセンブリ１２５と同様のコンポーネントを含むが、これもまたＣＣＷ光信号を生成するように構成される。
【００１８】
[0020]第１の位相変調器（ＰＭ）１４５は、光カプラ１１３に接続された光ファイバ１４６を介して、マスタレーザデバイス１１２からの基準光信号の一部を受け取る。レーザ安定化変調生成器１４７は、レーザ安定化変調周波数（ｆｍ）を位相変調器１４５に提供する。位相変調器１４５は、基準光信号を変調して安定化するように構成され、これは光ファイバ１４８を介して第６の光カプラ１４９に出力される。
【００１９】
[0021]第２の位相変調器１５０は、光カプラ１２７に接続された光ファイバ１５１を介して第１のスレーブレーザデバイス１２６からＣＷ光信号の一部を受け取る。高周波変調生成器１５２は、第１の高周波変調（ｆｈ１）を位相変調器１５０に提供する。提供される「高周波」変調は、共振器線幅周波数よりはるかに高い。位相変調器１５０は、固有の周波数でＣＷ光信号の位相を変調して、共振追跡電子モジュール１８８（以下でさらに説明される）が、共に伝搬するレーザビームや後方反射されるレーザビームによる他の光信号から意図された光信号を分離する（取り出す）ことを可能にするように構成される。位相変調器１５０は、ＣＷ光信号を、光ファイバ１５３を介して光カプラ１４９へ出力する。
【００２０】
[0022]第３の位相変調器１６０は、光ファイバ１６１を介して第２のスレーブレーザアセンブリ１３５からＣＣＷ光信号の一部を受け取る。高周波変調生成器１６２は、第２の高周波数変調（ｆｈ２）を位相変調器１６０に提供する。位相変調器１６０は、固有の周波数でＣＣＷ光信号の位相を変調して、共振追跡電子モジュール１８８が他の光信号から意図された光信号を分離することを可能にするように構成される。位相変調器１６０は、ＣＣＷ光信号を、光ファイバ１６３を介して光カプラ１５９に出力する。
【００２１】
[0023]第３のスレーブレーザアセンブリ１４０がＲＦＯＧ１００に採用される場合、第４の位相変調器１５５が実装され、光ファイバ１５６を介して第３のスレーブレーザアセンブリ１４０からＣＣＷ光信号の一部を受け取る。高周波変調生成器１５７は、第３の高周波数変調（ｆｈ３）を位相変調器１５５に提供する。位相変調器１５５は、固有の周波数でＣＣＷ光信号の位相を変調して、共振追跡電子モジュール１８８が他の光信号から意図された光信号を分離することを可能にするように構成される。位相変調器１５５は、ＣＣＷ光信号を、光ファイバ１５８を介して第７の光カプラ１５９に出力する。
【００２２】
[0024]第６の光カプラ１４９は、位相変調器１４５からの変調された基準光信号を位相変調器１５０からのＣＷ光信号と合成して、この合成されたＣＷ光信号を、光ファイバ１６５を介して共振器１０２へ導く。第１の光サーキュレータ１６８は、光ファイバ１６５に沿って光カプラ１４９と共振器１０２との間の光路に沿って配置される。共振器カプラ１０８は、合成されたＣＷ光信号を、光ファイバ１６５からリングキャビティ１０２へと結合するように構成される。
【００２３】
[0025]第７の光カプラ１５９は、位相変調器１５５及び１６０からのＣＣＷ光信号を合成し、光ファイバ１６６を介してこの合成されたＣＣＷ光信号を共振器１０２へ導く。第２の光サーキュレータ１６９は、光ファイバ１６６に沿って、光カプラ１５９と共振器１０２との間の光路に沿って配置される。共振器カプラ１０９は、合成されたＣＣＷ光信号を光ファイバ１６６からリングキャビティ１０２へと結合するように構成される。
【００２４】
[0026]共振器カプラ１０８はまた、リングキャビティ１０４から反射された合成されたＣＷ光信号を光ファイバ１７２などの反射ポートを介して反射光検出器１７３へ送るように構成される。電気ＣＷ反射信号が、光検出器１７３から、パウンド・ドレバー・ホール（ＰＤＨ）サーボモジュールなどのレーザ安定化サーボモジュール１７５に送られる。レーザ安定化サーボモジュール１７５内のレーザ安定化ループミキサ１７６は、ＣＷ反射信号及びレーザ安定化変調周波数（ｆｍ）を受け取り、混合された信号を第１の加算器１７７に出力する。加算器１７７はまた、以下でさらに説明される変調ストリッパ１８０から出力されるストリッパ信号を受け取る。加算器１７７は、反射ポート共振検出誤差信号を積分器１７８に出力し、また、反射ポート共振検出誤差信号を、フィードバックループにおける変調ストリッパ１８０の入力に送る。積分器１７８は、マスタレーザフィードバック安定化ループ１７４の一部として、マスタレーザデバイス１１２の入力に同調信号を送る。
【００２５】
[0027]一実施例では、共通変調生成器１７９が、共通キャビティ変調周波数（ｆｃ）を、リングキャビティ１０４内の光路長変調器１０７に送る。共通変調生成器１７９はまた、同相（Ｉ）信号及び直交（Ｑ）信号を変調ストリッパ１８０に送る。
【００２６】
[0028]変調ストリッパ１８０内の第１のミキサ１８１は、共通変調生成器１７９からＩ信号を受け取り、加算器１７７から出力される信号を受け取る。変調ストリッパ１８０内の第２のミキサ１８２は、共通変調生成器１７９からＱ信号を受け取り、加算器１７７から出力される信号を受け取る。変調ストリッパ１８０内の第１の積分器１８３は、第１のミキサ１８１から出力される第１の混合信号を受け取り、第２の積分器１８４は第２のミキサ１８２から出力される第２の混合信号を受け取る。変調ストリッパ１８０内の第１の乗算器１８５は、共通変調生成器１７９からＩ信号を受け取り、また、第１の積分器１８３から出力される信号を受け取る。第２の乗算器１８６は、共通変調生成器１７９からＱ信号を受け取り、また、第２の積分器１８４から出力される信号を受け取る。第１及び第２の積分器１８５、１８６から出力される信号は、第２の加算器１８７において合成され、第２の加算器１８７は、ストリッパ信号を、レーザ安定化サーボモジュール１７５内の第１の加算器１７７に出力する。
【００２７】
[0029]共振追跡電子モジュール１８８は、サーキュレータ１６９に動作可能に結合され、サーキュレータ１６９は、リングキャビティ１０４からのＣＷ光信号の一部を光検出器１７０に導く。光検出器１７０は、ＣＷ光信号を、処理のために共振追跡電子モジュール１８８に送られる電気ＣＷ送信信号へと変換する。
【００２８】
[0030]共振追跡電子モジュール１８８内のミキサ１８９は、ＣＷ送信信号を受け取り、また、２倍になった第１の高周波数変調（２ｆｈ１）を受け取り、これはＣＷ送信信号と合成される。この合成された信号は、ミキサ１８９からアナログ／デジタル変換器（ＡＤＣ）１９０に出力され、ＡＤＣ１９０は、デジタル信号をデジタル処理部１９１に出力する。デジタル処理部１９１内の復調器１９２は、ＡＤＣ１９０からデジタル信号を受け取り、また、共通キャビティ変調周波数（ｆｃ）を受け取る。復調された信号は、復調器１９２から積分器１９３へ出力され、積分器１９３は、積分された信号を加算器１９４へ出力する。加算器１９４はまた、マスタレーザ周波数とスレーブレーザデバイス１２６がロックされる共振モードの共振周波数との間の公称周波数差を表すデジタルワード（ｆ１_０）を受け取る。ダイレクトデジタルシンセサイザ（ＤＤＳ）１９５は、加算器１９４から出力される制御ワード信号を受け取り、第１のスレーブレーザアセンブリ１２５内のミキサ１３３に無線周波数（ＲＦ）同調信号を送る。この同調信号は、ＣＷ共振追跡ループ１９８の一部であり、これは、スレーブレーザデバイス１２６とマスタレーザデバイス１１２との間の相対的な光周波数を変化させることにより、スレーブレーザデバイス１２６の周波数をリングキャビティ１０４のＣＷ共振にロックするために、スレーブレーザデバイス１２６のためのフィードバックを提供する。
【００２９】
[0031]共振追跡電子モジュール１８８はまた、サーキュレータ１６８に動作可能に結合され、サーキュレータ１６８は、リングキャビティ１０４からのＣＣＷ光信号の一部を光検出器１７１に導く。光検出器１７１は、ＣＣＷ光信号を、処理のために共振追跡電子モジュール１８８に送られる電気ＣＣＷ送信信号へと変換する。第１のＣＣＷ処理部１９６及びオプション（任意選択）の第２のＣＣＷ処理部１９７は、ＣＣＷ送信信号を受け取るように構成される。ＣＣＷ処理部１９６は、第２のスレーブレーザアセンブリ１３５の入力に同調信号を出力する。ＣＣＷ処理部１９７は、オプションの第３のスレーブレーザアセンブリ１４０が使用される場合、その入力に同調信号を出力する。ＣＣＷ処理部１９６及び１９７の両方は、処理部１９６が２倍の第２の高周波変調（２ｆｈ２）を受け取り、処理部１９７が２倍の第３の高周波変調（２ｆｈ３）を受け取ることを除いて、ＣＷ送信信号を処理するために、前述のような同様のコンポーネント及び機能を含む。処理部１９６及び１９７から出力される同調信号は、スレーブレーザアセンブリ１３５及び１４０内のスレーブレーザデバイスのためのフィードバックを提供するそれぞれのＣＣＷ共振追跡ループ１９９及び２００の一部である。これにより、マスタレーザデバイス１１２に対するスレーブレーザデバイスの相対的な光周波数を変化させることにより、これらのスレーブレーザデバイスの周波数をリングキャビティ１０４のＣＣＷ共振にロックする。
【００３０】
[0032]高周波変調（ｆｈ１、ｆｈ２、ｆｈ３）は、それぞれのＣＷ光信号及びＣＣＷ光信号の各々に固有の特徴（シグネチャ、signatures）を提供する。これにより、ＣＷ及びＣＣＷ共振追跡電子機器は、光検出器１７０及び１７１に到達する様々な光信号を分離するほか、所望のビームのみからの信号を検出して処理することが可能となる。
【００３１】
[0033]共振追跡電子モジュール１８８からの出力信号は、回転速度を測定することができるようにＣＷ共振周波数とＣＣＷ共振周波数との差を決定するために、中央制御ユニット（図示せず）によって処理することができる。
【００３２】
[0034]ＲＦＯＧ１００で使用される様々な光カプラは、光を部分的に反射し部分的に透過するミラー、ビーム合成器、ビームスプリッタ、又は他の同様のデバイスなどの、同様の機能を実行する他の光学部品で置き換えることができることを理解すべきである。
【００３３】
[0035]図２は、変調生成器及びストリッパ２１０のデジタル実装を示し、これは、マスタレーザ安定化ループのためのＲＦＯＧ１００の別の実施例において、共通変調生成器１７９及び変調ストリッパ１８０の代わりに使用することができる。変調生成器及びストリッパ２１０は、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）又はフィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）などの信号処理デバイス２１２を含む。正弦波生成器２１４は、変調周波数でデジタルＩ信号及びデジタルＱ信号を含むデジタル正弦波を出力する。例えば、変調周波数は、約７ｋＨｚから約２０ｋＨｚの範囲であってもよい。
【００３４】
[0036]信号処理デバイス２１２内の第１の復調器２１６は、デジタルＩ信号を受け取り、信号処理デバイス２１２内の第２の復調器２１８は、デジタルＱ信号を受け取る。第１及び第２の復調器２１６、２１８はまた、以下にさらに説明されるレーザ安定化ループ電子機器から誤差信号を受け取るＡＤＣ２２０から、デジタル信号を受け取る。第１の復調器２１６から出力される復調されたデジタルＩ信号は、信号処理デバイス２１２内の第１の累算器２２２に送られ、第２の復調器２１８から出力される復調されたデジタルＱ信号は、第２の累算器２２４に送られる。第１の累算器２２２から出力される第１のデジタル制御信号は信号処理デバイス２１２内の第１の乗算器２２６に送られ、第２の累算器２２４から出力される第２のデジタル制御信号は、第２の乗算器２２８に送られる。第１の乗算器２２６はまた、正弦波生成器２１４からデジタルＩ信号を受け取り、第２の乗算器２２８はまた、正弦波生成器２１４からデジタルＱ信号を受け取る。信号処理デバイス２１２内の加算器２３０は、乗算器２２６及び２２８の各々から出力される乗算された信号を合成する。第１のデジタル／アナログ変換器（ＤＡＣ）２３２は、正弦波生成器２１４からデジタルＩ信号を受け取り、第２のＤＡＣ２３４は、加算器２３０から出力されるストリッパ信号を受け取る。
【００３５】
[0037]ＤＡＣ２３２はアナログＩ信号を第１のフィルタ２３６に出力し、第１のフィルタ２３６は、Ｉ信号を光路長変調器１０７（図１）に向ける共振器１０２の入力に、フィルタリングされたＩ信号を渡す。図２に示される（及び図１に関連して説明した）ように、共振器１０２は、反射されたＣＷ光信号を反射光検出器１７３に出力する。電気ＣＷ反射信号が、光検出器１７３からレーザ安定化ループミキサ１７６に送られ、レーザ安定化ループミキサ１７６はまた、レーザ安定化変調周波数（ｆｍ）を受け取る。図２の実施例では、混合信号が、ミキサ１７６から、フィルタリングされた信号を加算増幅器２４２へ渡すローパスフィルタ（ＬＰＦ）２４０に出力される。
【００３６】
[0038]ＤＡＣ２３４は、アナログストリッパ信号を第２のフィルタ２３８に出力し、第２のフィルタ２３８は、フィルタリングされたストリッパ信号を加算増幅器２４２へ渡す。７ｋＨｚの変調周波数などの変調周波数におけるレーザ安定化誤差信号は、加算増幅器２４２によって取り除かれる。加算増幅器２４２から出力される誤差信号は、変調生成器及びストリッパ２１０のための制御フィードバックループの一部として、ＡＤＣ２２０の入力に送られる。加算増幅器２４２のからの誤差信号はまた、積分器１７８（図１）を含むサーボ２４４の入力に送られる。サーボ２４４は、マスタレーザのためのレーザ周波数制御電子機器に同調信号を出力する。
【００３７】
[0039]本発明のシステム及び方法で使用されるプロセッサは、当業者に知られているように、ソフトウェア、ファームウェア、ハードウェア、又はそれらの任意の適切な組み合わせを使用して実施することができる。これらは、特別に設計されたＡＳＩＣ又はＦＰＧＡによって補完されてもよいし、これらの中に組み込まれてもよい。本発明の方法は、プロセッサによって実行されるプログラムモジュールなどのコンピュータ実行可能命令によって実施することができる。一般に、プログラムモジュールは、ルーチン、オブジェクト、データコンポーネント、データ構造、アルゴリズムなどを含む。
【００３８】
[0040]本明細書に記載の方法の動作で使用される、様々な処理タスク、計算、及び他のデータの生成を実行するための命令は、ソフトウェア、ファームウェア、又は他のコンピュータもしくはプロセッサ読み取り可能命令で実施することができる。これらの命令は、通常、コンピュータ又はプロセッサが読み取り可能な命令又はデータ構造を記憶するために使用される任意の適切な機械読み取り可能媒体上に格納される。
【００３９】
[0041]適切なプロセッサ読み取り可能媒体は、磁気又は光学媒体などのストレージ又はメモリ媒体を含むことができる。例えば、ストレージ又はメモリ媒体は、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）などの揮発性又は不揮発性媒体；読み取り専用メモリ（ＲＯＭ）、電気的消去可能プログラマブルＲＯＭ（ＥＥＰＲＯＭ）、フラッシュメモリなど；又は、コンピュータ実行可能命令又はデータ構造の形態で所望のプログラムコードを搬送又は記憶するために使用することができる任意の他の媒体を含んでもよい。
例示的な実施例
[0042]例１は、共振器光ファイバジャイロスコープ（ＲＦＯＧ）であって、基準光信号を放出するように構成されたマスタレーザデバイスを含むマスタレーザアセンブリと、時計回り（ＣＷ）光信号を放出するように構成されてＣＷ光位相ロックループを介して基準光信号に応答する第１のスレーブレーザデバイスを含む第１のスレーブレーザアセンブリと、第１の反時計回り（ＣＣＷ）光信号を放出するように構成されて第１のＣＣＷ光位相ロックループを介して基準光信号に応答する第２のスレーブレーザデバイスを含む第２のスレーブレーザアセンブリと、マスタレーザデバイス、第１のスレーブレーザデバイス、及び第２のスレーブレーザデバイスと光通信する光共振器リングキャビティと、共振器リングキャビティに動作可能に結合され、同相（Ｉ）信号成分及び直交（Ｑ）信号成分を含む共通キャビティ変調周波数を出力するように構成される、正弦波生成器と、共振器リングキャビティからの共通キャビティ変調周波数を含むＣＷ反射信号を受け取るように構成されるレーザ安定化サーボモジュールとを備える、共振器光ファイバジャイロスコープ（ＲＦＯＧ）を含む。レーザ安定化サーボモジュールに動作可能に結合された変調ストリッパは、正弦波生成器から共通キャビティ変調周波数のＩ及びＱ信号成分を受け取り、レーザ安定化サーボモジュールから正味の誤差信号を受け取り、共通キャビティ変調周波数で正味の誤差信号を復調し、共通キャビティ変調周波数の信号を除去するために、レーザ安定サーボモジュールにストリッパ信号を送るように構成される。共振器リングキャビティに動作可能に結合された共振追跡電子モジュールは、共振追跡誤差信号を第１及び第２のスレーブレーザアセンブリに出力するように構成される。レーザ安定化サーボモジュールは、マスタレーザデバイスのためのフィードバック安定化ループの一部として、マスタレーザデバイスに同調信号を送るように構成される。
【００４０】
[0043]例２は、例１のＲＦＯＧを含み、レーザ安定化サーボモジュールは、ＣＷ反射信号及びレーザ安定化変調周波数を受け取るように構成されたミキサと、ミキサから出力される混合信号及び変調ストリッパからのストリッパ信号を受け取るように構成され、正味の誤差信号を出力するように構成される加算器と、加算器から出力される正味の誤差信号を受け取り、マスタレーザデバイスに同調信号を送るように構成される積分器とを備える。
【００４１】
[0044]例３は、例１〜２のうちのいずれかのＲＦＯＧを含み、変調ストリッパは、正弦波生成器からのＩ信号成分及びレーザ安定化サーボモジュールからの正味の誤差信号を受け取る第１のミキサと、正弦波生成器からのＱ信号成分及び正味の誤差信号を受け取る第２のミキサと、第１のミキサから混合信号を受け取る第１の積分器と、第２のミキサから混合信号を受け取る第２の積分器と、第１の積分器から出力される制御信号及びＩ信号成分を受け取る第１の乗算器と、第２の積分器から出力される制御信号及びＱ信号成分を受け取る第２の乗算器と、第１及び第２の乗算器から出力される乗算された信号を合成し、レーザ安定化サーボモジュールにストリッパ信号を送る加算器とを備える。
【００４２】
[0045]例４は、例１〜２のいずれかのＲＦＯＧを含み、正弦波生成器及び変調ストリッパは信号処理デバイスにおいて一緒に実施される。
[0046]例５は、例４のＲＦＯＧを含み、信号処理デバイスは、特定用途向け集積回路又はフィールドプログラマブルゲートアレイを含む。
【００４３】
[0047]例６は、例４〜５のいずれかのＲＦＯＧを含み、信号処理デバイスは、正弦波生成器からＩ信号成分を受け取る第１の復調器と、正弦波生成器からＱ信号成分を受け取る第２の復調器と、第１の復調器から復調された信号を受け取る第１の累算器と、第２の復調器から復調された信号を受け取る第２の累算器と、第１の累算器からの制御信号及びＩ信号成分を受け取る第１の乗算器と、第２の累算器からの制御信号及びＱ信号成分を受け取る第２の乗算器と、第１及び第２の乗算器から出力される乗算された信号を合成し、ストリッパデジタル信号を出力する加算器とを備える。
【００４４】
[0048]例７は、例６のＲＦＯＧを含み、さらに、レーザ安定化サーボモジュールから正味の誤差信号を受け取って第１及び第２の復調器にデジタル誤差信号を出力するアナログ／デジタル変換器と、正弦波生成器からＩ信号成分を受け取って第１のフィルタを介してアナログＩ信号を共振器リングキャビティに出力する第１のデジタル／アナログ変換器と、加算器からデジタルストリッパ信号を受け取って第２のフィルタを介してレーザ安定化サーボモジュールにアナログストリッパ信号を出力する第２のデジタル／アナログ変換器とを備える。
【００４５】
[0049]例８は、例１〜７のいずれかのＲＦＯＧを含み、レーザ安定化サーボモジュールは、パウンド・ドレバー・ホールサーボモジュールを備える。
[0050]例９は、例１〜８のいずれかのＲＦＯＧを含み、正弦波生成器は、約７ｋＨｚから約２０ｋＨｚの範囲で共通キャビティ変調周波数を出力する。
【００４６】
[0051]例１０は、例１〜９のいずれかのＲＦＯＧを含み、さらに、共振器リングキャビティと光通信し、マスタレーザデバイスからの基準光信号の一部に対してレーザ安定化変調周波数を適用するように構成される第１の位相変調器を備える。
【００４７】
[0052]例１１は、例１０のＲＦＯＧを含み、さらに、共振器リングキャビティと光通信し、第１のスレーブレーザデバイスからのＣＷ光信号の一部に対して第１の高周波変調を適用するように構成された第２の位相変調器を備える。
【００４８】
[0053]例１２は、例１１のＲＦＯＧを含み、共振器リングキャビティからのＣＷ光信号の一部は、ＣＷ光信号を電気ＣＷ送信信号に変換する第１の光検出器に導かれる。
[0054]例１３は、例１２のＲＦＯＧを含み、共振追跡電子モジュールは、ＣＷ送信信号及び２倍にされた第１の高周波数変調を受け取る第１のミキサと、第１のミキサから混合信号を受け取って当該混合信号をデジタル信号に変換する第１のアナログ／デジタル変換器（ＡＤＣ）と、第１のＡＤＣからのデジタル信号及び正弦波生成器からの共通キャビティ変調周波数を受け取る第１の復調器と、第１の復調器から復調された信号を受け取る第１の積分器と、第１の積分器からの積分された信号及びデジタルワードを受け取る第１の加算器と、第１の加算器から制御ワード信号を受け取り、第１のスレーブレーザアセンブリに第１の無線周波数（ＲＦ）同調信号を送る第１のダイレクトデジタルシンセサイザとを備える。
【００４９】
[0055]例１４は、例１３のＲＦＯＧを含み、さらに、共振器リングキャビティと光通信し、第２のスレーブレーザデバイスからのＣＣＷ光信号の一部に対して第２の高周波変調を適用するように構成された第３の位相変調器を備える。
【００５０】
[0056]例１５は、例１４のＲＦＯＧを含み、共振器リングキャビティからのＣＣＷ光信号の一部は、ＣＣＷ光信号を電気ＣＣＷ送信信号に変換する第２の光検出器に導かれる。
[0057]例１６は、例１５のＲＦＯＧを含み、共振追跡電子モジュールは、さらに、ＣＣＷ送信信号及び２倍にされた第２の高周波変調を受け取る第２のミキサと、第２のミキサから混合信号を受け取って、第２のミキサからの当該混合信号をデジタル信号に変換する第２のＡＤＣと、第２のＡＤＣからのデジタル信号及び正弦波生成器からの共通キャビティ変調周波数を受け取る第２の復調器と、第２の復調器から復調された信号を受け取る第２の積分器と、第２の積分器からの積分された信号及びデジタルワードを受け取る第２の加算器と、第２の加算器から制御ワード信号を受け取り、第２のスレーブレーザアセンブリに第２のＲＦ同調信号を送る第２のダイレクトデジタルシンセサイザとを備える。
【００５１】
[0058]例１７は、例１６のＲＦＯＧを含み、さらに、第２のＣＣＷ光信号を放出するように構成され、第２のＣＣＷ光位相ロックループを介して基準光信号に応答する、第３のスレーブレーザデバイスを含む第３のスレーブレーザアセンブリを備える。
【００５２】
[0059]例１８は、例１７のＲＦＯＧを含み、さらに、共振器リングキャビティと光通信し、第３のスレーブレーザデバイスからのＣＣＷ光信号の一部に対して第３の高周波数変調を適用するように構成された第４の位相変調器を備える。
【００５３】
[0060]例１９は、例１８のＲＦＯＧを含み、共振追跡電子モジュールは、さらに、ＣＣＷ送信信号及び２倍にされた第３の高周波数変調を受け取る第３のミキサと、第３のミキサから混合信号を受け取って第３のミキサからの当該混合信号をデジタル信号に変換する第３のＡＤＣと、第３のＡＤＣからのデジタル信号及び正弦波生成器からの共通キャビティ変調周波数を受け取る第３の復調器と、第３の復調器から復調された信号を受け取る第３の積分器と、第３の積分器からの積分された信号及びデジタルワードを受け取る第３の加算器と、第３の加算器から制御ワード信号を受け取り、第３のスレーブレーザアセンブリに第３のＲＦ同調信号を送る第３のダイレクトデジタルシンセサイザとを備える。
【００５４】
[0061]例２０は、ＲＦＯＧのための変調生成器及びストリッパを含み、変調周波数におけるデジタル同相（Ｉ）信号成分及びデジタル直交（Ｑ）信号成分を含むデジタル正弦波を出力するように構成された正弦波生成器を含む信号処理デバイスと、正弦波生成器からデジタルＩ信号成分を受け取るように構成された第１の復調器と、正弦波生成器からデジタルＱ信号成分を受け取るように構成された第２の復調器と、第１の復調器から復調された信号を受け取るように構成された第１の累算器と、第２の復調器から復調された信号を受け取るように構成された第２の累算器と、第１の累算器からの制御信号及びデジタルＩ成分を受け取るように構成された第１の乗算器と、第２の累算器からの制御信号及びデジタルＱ信号成分を受け取るように構成された第２の乗算器と、第１及び第２の乗算器からの乗算された信号を合成してデジタルストリッパ信号を出力するように構成された加算器とを備える。アナログ／デジタル変換器は、ＲＦＯＧのレーザ安定化サーボから正味の誤差信号を受け取り、デジタル誤差信号を第１及び第２の復調器に出力するように構成される。第１のデジタル／アナログ変換器は、正弦波生成器からデジタルＩ信号成分を受け取り、アナログＩ信号をＲＦＯＧの光共振器リングキャビティに出力するように構成される。第２のデジタル／アナログ変換器は、加算器からデジタルストリッパ信号を受け取り、レーザ安定化サーボにアナログストリッパ信号を出力するように構成される。
【００５５】
[0062]本発明は、その不可欠な特徴から逸脱することなく他の特定の形態で具体化することができる。説明された実施例は、あらゆる点で、単なる例示であって限定的ではないものとして考慮されるべきである。したがって、本発明の範囲は、前述の説明ではなく、添付の特許請求の範囲によって示される。特許請求の範囲の均等物の意味及び範囲内に入るすべての変更はその範囲内に包含される。
【図１】
2016017957.tif 000003
【図２】
2016017957.tif 000004
【外国語明細書】
2016017957000001.pdf