(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ファイバー干渉計型ジャイロスコープ（９）を用い、Ｎが２より少なくないＮ個の軸の周りの回転速度（Ｓ）を測定する方法であって、サニャックリング内にＮ個の干渉計（Ｉj) を備え、各該干渉計内を伝播する２つの反対方向の伝播波であって、それらの分離と再結合との間の該波の伝播期間が遷移期間（τj）であって、対応するｉ番目の干渉計Ｉi と関連した該遷移期間τi が共通の遷移期間τとほぼ等しくされているものであり、該方法は、
共通の光源（１）によってすべての干渉計に信号を出射し、
前記各干渉計（Ｉj) を通過した後、共通の光検出器（２）内で該信号を検出し、
各位相変調器（７）で前記各干渉計（Ｉj）内を伝播する反対方向の伝播波間の制御された変調位相差（δΦc,j) を発生して信号を多重化し、
各位相変調器（７）を制御して、前記光検出器（２）から発生する各信号を分離して復調し、前記各干渉計の回転速度（Ｓ）を処理装置（１１）によって抽出し、前記光源（１）によって出射された前記各信号を前記各干渉計及び光検出器（２）にほぼ同時に到達させるようにし、
該各位相変調器（７）によって発生した、前記制御された変調位相差（δΦc,j) は各バイアス成分差(δΦm,j)（４２，４５，４６）を含み、該各バイアス成分差（δΦm,j) は前記共通の遷移期間τの２倍にほぼ等しい共通の変調周期Ｔｍを有するとともにπの倍数でない位相バイアスに等しい共通の振幅を有し、時間ｔにおけるｉ番目のバイアス成分差δΦm,i の値は時間ｔ＋Ｔｍ／２における前記バイアス成分差δΦm,iの値と逆であり、各半周期Ｔｍ／２は少なくともＮ個の時間間隔（δｔj) に分割されており、更にｉ番目の干渉計Ｉi と関連したｉ番目のバイアス成分差δΦm,i はi番目の時間間隔δti の始めに符号を変え、これにより前記処理装置（１１）に到達する信号は前記一組の干渉計の各回転速度を表す各サニャック位相シフト(δΦs,j) によって同時に影響され、前記変調位相差(δΦc,j) に加えられ、前記各サニャック位相シフト(δΦs,j) は、Ｎ個の時間間隔(δｔj)で前記信号をサンプリングすることによって、前記処理装置（１１）によって抽出されることを特徴とする、回転速度の測定方法。
【請求項２】
前記光検出器（２）からの前記各信号を分離して復調するために、共通の変調周期Ｔｍに等しい周期を有した分離復調信号(Ｄj)が前記処理装置（１１）の電子分離復調回路（６５）を通して加えられ、これによって、ｉ番目の干渉計Ｉi と関連したｉ番目の分離復調信号Ｄiを、
前記符号変化に対応するｉ番目の時間間隔δtiでは１に等しくし、
(i＋1)番目の時間間隔δｔi+1から(i＋Ｎ-２)番目の時間間隔δti+N-2までは０に等しくし、
（i＋Ｎ-１）番目の時間間隔δti+N-1では１に等しくし、
（i＋Ｎ）番目の時間間隔δｔi+Nでは-１に等しくし、
(i＋Ｎ＋1)番目の時間間隔δｔi+N+1から(i＋２Ｎ-２)番目の時間間隔δti+2N-2までは０に等しくし、
（i＋２Ｎ-１）番目の時間間隔δｔi+2N-1では-１に等しくする、
請求項１に記載の測定方法。
【請求項３】
前記ｉ番目の干渉計Ｉi 内を伝播する２つの反対方向の伝播波に同一の制御された変調位相シフトΦc,i を同時に加えることによって、変調器（７）は前記干渉計Ｉi 内に発生した前記制御された変調位相差δΦc,i を生成し、前記各反対方向の伝播波は前記遷移期間τに等しい時間後に再結合し、前記位相シフトΦc,i は前記位相差δΦc,i を決定し、前記変調位相シフトΦc,i は前記変調周期Ｔｍに等しい周期を有するバイアス成分Φm,i（４０）を有し、該バイアス成分Φm,i は発振項Φo,i と一定のオフセット項Φd,i との合計であり、時間ｔにおける前記発振項Φo,iの値は時間ｔ＋Ｔｍ／２における前記発振項Φo,i の値と逆であり、該発振項Φo,i は前記位相バイアスの半分に等しい振幅を有するとともに、前記i番目の干渉計に対応するｉ番目の時間間隔δti の始めにおいて符号を変化するようにした、請求項２に記載の測定方法。
【請求項４】
前記位相バイアスはπ／２に等しい、請求項３に記載の測定方法。
【請求項５】
前記各時間間隔(δtj）は等しく、かつ前記変調周期Ｔｍ／２の１／Ｎである、請求項１に記載の測定方法。
【請求項６】
出力信号が前記処理装置（１１）に到達するように加えられ、
周期的信号処理ゲート（８０）は変調周期Ｔｍの１／（２Ｎ）に等しいゲート周期を有する振幅変調で構成され、前記各時間間隔(δｔj)の１つの中央に位置する各ゲート周期の一部分に対しては前記信号を変化させないままとし、該ゲート周期の他の部分の間では該信号をキャンセルし、それによって前記半変調周期Ｔｍ／２と対応するｉ番目の干渉計Ｉi と関連する遷移期間τｉとの間の差による寄生効果を減衰させるようにした、請求項５に記載の測定方法。
【請求項７】
前記光源（１）により出射された信号が該光源（１）に接続された電子変調回路（８５）によって処理され、該変調回路（８５）は前記変調周期Ｔｍの１／（２Ｎ）に等しい消光周期において順次消光を行い、それによって前記半変調周期Ｔｍ／２と対応するｉ番目の干渉計と関連する遷移期間τｉとの間の差による寄生効果（８１、８２）を減衰させるようにした、請求項６に記載の測定方法。
【請求項８】
各干渉計(Ｉj)について、ｉ番目の干渉計の回転によって生じ、前記の関連制御された変調位相差δΦc,iのバイアス成分差δΦm,iに加えられたサニャック位相シフトδΦs,iは、前記変調位相差δΦc,i に等しい逆反作用成分δΦcr,i によって補償され、該サニャック位相シフトδΦs,i と該逆反作用成分δΦcr,iとの和δΦs,i＋δΦcr,i がゼロとなるように連続的にサーボ制御され、それによって、前記各干渉計の回転が該逆反作用成分δcr,i から推測されるようにした、請求項１〜７のいずれか１項に記載の測定方法。
【請求項９】
Ｎが２より少なくないＮ個の軸の周りの回転速度（Ｓ）を測定するために用いられる光ファイバー（３）を有する干渉計型ジャイロスコープ（９）であって、
サニャックリング内のＮ個の干渉計(Ｉj)であって、２つの反対方向の伝播波が前記各干渉計内を伝播し、該各伝播波についての分離と再結合との間の伝播時間は遷移期間(τj)を有しており、対応するｉ番目の干渉計と関連する前記各遷移期間τi が共通の遷移期間τとほぼ等しくされているものと、
共通の光源（１）と、
共通の光検出器（２）と、
前記各干渉計内を伝播する前記各反対方向の伝播波の間の制御された変調位相差(δΦc,j）を発生して信号を多重化する位相変調器（７）と、
前記各変調器（７）を制御し、前記光検出器（２）からの各信号を受信し、該各信号を分離復調し、前記各干渉計の回転速度（Ｓ）を出力する処理装置（１１）とを備え、
前記各位相変調器（７）によって発生した、前記制御された変調位相差δΦc,iは各バイアス成分差δΦm,i（４２，４５，４６）を含み、該各バイアス成分差(δΦm,j)は前記共通の遷移期間τの２倍にほぼ等しい共通の変調周期Ｔｍを有するとともにπの倍数でない位相バイアスに等しい共通の振幅を有し、時間ｔにおける各バイアス成分差δΦm,iの値は時間ｔ＋Ｔｍ／２における前記各バイアス成分差δΦm,iの値と逆であり、各半周期Ｔｍ／２は少なくともＮ個の時間間隔(δｔj)に分割されており、更に前記ｉ番目の干渉計Ｉi に対する前記変調器（７）は、前記ｉ番目の時間間隔δｔiの始めに、関連したバイアス成分差δΦm,iの符号を変え、これによって前記処理装置（１１）に到達する信号は、すべての干渉計の各回転速度（Ｓ）を表すサニャック位相シフトδΦs,iによって同時に影響され、前記変調位相差δΦc,iに加えられ、該サニャック位相シフトδΦs,iはＮ個の時間間隔(δｔj) で前記信号をサンプリングすることによって前記処理装置（１１）によって抽出されることを特徴とする、干渉計型ジャイロスコープ。
【請求項１０】
前記光源（１）に接続された一組のカプラー（４，５）と、前記光検出器（２）と各干渉計とを備え、該一組のカプラー（４，５）はＮ個の入力ゲート（１２０，１２１，１２５）とＮ個の出力ゲート（１２２，１２６，１２７）とを有し、１つの入力ゲート（１２０）は前記光源（１）に接続され、（Ｎ−１）個の他の入力ゲート（１２１，１２５）は光検出器（２）に接続され、Ｎ個の出力ゲート（１２２，１２６，１２７）はそれぞれ前記各干渉計に接続されている、請求項９に記載のジャイロスコープ。
【請求項１１】
Ｎ個の入力ゲート（１０６，１０７）とＮ個の出力ゲート（１０９）とを有する単一のカプラー（１０５）を備えている、請求項１０に記載のジャイロスコープ。
【請求項１２】
前記各カプラー（４，５，１４５，１４６，１４７）はそれぞれ２つの入力ゲート（１２０，１２１，１２４，１２５，１４８，１４９，１５２，１５３，１５６，１５７）と、２つの出力ゲート（１２２，１２３，１２６，１２７，１５０，１５１，１５４，１５５，１５８，１５９）とを有している、請求項１０に記載のジャイロスコープ。
【請求項１３】
２つの干渉計（Ｉ1、Ｉ2）と１／２、１／２カプラーである１つのカプラー（１０５）とを備え、該１／２，１／２カプラー（１０５）は、前記光源（１）に接続された第１の入力ゲート（１０６）に入射したパワーを、該２つの干渉計（Ｉ1 ，Ｉ2）にそれぞれ接続された２つの出力ゲート（１０９）に伝達される２つのパワーに分割し、該各伝達されたパワーは該入射パワーの半分に等しくされ、それによって前記２つの干渉計（Ｉ1 、Ｉ2）は同一の光パワーを受入れ、前記２つの干渉計（Ｉ1、Ｉ2）から出力され前記光検出器（２）で受け取られた信号は同一の平均値を有している、請求項１１に記載のジャイロスコープ。
【請求項１４】
３つの干渉計（Ｉ1 ，Ｉ2 ，Ｉ3）と２つのカプラー（４，５）とを備え、第１のカプラー（４）は前記光源（１）と前記光検出器（２）とにそれぞれ接続された２つの入力ゲート（１２０，１２１）を備えた１／３、２／３カプラーであり、１つの出力ゲート（１２２）は前記干渉計の第１の干渉計（Ｉ1）に接続され、他の出力ゲート（１２３）は前記第２のカプラー（５）の第１の入力ゲート（１２４）に接続され、前記第２のカプラー（５）は前記光検出器（２）に接続された第２の入力ゲート（１２５）と他の２つの干渉計（Ｉ2、Ｉ3）にそれぞれ接続された２つの出力ゲートを有した１／２、１／２カプラーであり、前記第１の１／３，２／３カプラー（４）は前記光源に接続された入力ゲート（１２０）に入射した光パワーを、前記第１の干渉計（Ｉ１）に接続された出力ゲート（１２２）に伝達され前記入力パワーの１／３に等しい第１のパワーと、前記第２のカプラー（５）の第１の入力ゲート（１２４）に接続された出力ゲート（１２３）に伝達され前記入力パワーの２／３に等しい第２のパワーに分割し、それによって前記３つの干渉計（Ｉ1 ，Ｉ2 ，Ｉ3）はそれぞれ同一の光パワーを受け、該３つの干渉計から出力され前記光検出器（２）で受け取られる信号は同一の平均値を有している、請求項１２に記載のジャイロスコープ。
【請求項１５】
各偏光子が各該カプラーと前記各干渉計（Ｉj) との間に挿入されている、請求項１４に記載のジャイロスコープ（９、１０８、１１４）。
【請求項１６】
他のジャイロスコープに結合されている、請求項１５に記載のジャイロスコープ（９、１０８、１１４）。
【請求項１７】
前記ジャイロスコープ（１０８）においてそれぞれ２つの光源（１１０、１１１）に接続された２つの入力ゲート（１６３，１６４）を含むカプラー（１６２）を通して、請求項１〜１６のいずれか一項に記載した構成を有する第２のジャイロスコープ（１０８）に結合されており、２つの出力ゲート（１６５，１６６）が前記２つのジャイロスコープにそれぞれ接続されており、該ジャイロスコープに光信号を送出するようにした、請求項１６に記載のジャイロスコープ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、いくつかの軸の周りの回転速度を測定するための方法、及びこの方法を具体化する光ファイバー干渉計型ジャイロスコープに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ナビゲーション、ガイダンス、及び安定システムは通常いくつかの回転測定軸を用いる。視界のラインを安定させるための２つの直交する軸、ナビゲーションとガイダンスのための３つの直交する軸、余分に必要なときは４つまたはそれ以上である。可動体の角張った位置を測定するためには、３つの軸が必要である。このタイプのシステムは電源とレシーバを有する独立した光ジャイロスコープを使うことができる。これらの装置はよく知られており、必要な測定はこれらのいくつかを置くことによりできる。
【０００３】
しかし、価格、小型化、そして信頼性の理由から、構成要素の数を減らすことが好ましい。これは、種々の軸に関して、測定する手段にいくつかの共通の要素を使うことによりできる。”多軸ジャイロスコープ”と呼ばれる、いくつかの軸の周りの回転速度を測定するために用いられるいくつかのジャイロスコープが、最近提案されている。これらのジャイロスコープは各測定法のためにサニヤック（Sagnac）リング干渉計を有するが、しかし、単一光源、単一光検出器、または単一電子処理装置を使うことができる。
【０００４】
それが使うサニヤック干渉計と物理的現象はよく知られている。
別のタイプの干渉計において、分割刃または他の分割装置は入射波を分割する。このように作られた２つの反対方向の波は、接近した光路に沿って反対方向に伝播し、再結合し、再結合したとき波の間の位相の相違による干渉を生ずる。もとは、サニヤック干渉計の閉光路は、ミラーにより定められていた。それはシングルモード光ファイバーで多重巻きコイルを使ってつくることができることが知られている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
いくつかの物理的現象は障害、特にそれらの再結合の間干渉条件を修正するこれらの波の間で相対的位相差を発生する反対方向の伝播波の非相互位相シフトを引き起こすかも知れないことが知られている。
相対的位相差の測定は、それを発生する現象を量で計ることができる。これら非相互障害を作りだす主たる物理的現象は、その閉光路の平面に対して垂直な軸についての干渉計を回転することにより生ずるサニヤック効果（Sagnac effect)である。ファラデー効果、または共直線性磁気−光効果は、このタイプの非相互効果を作ることが知られている。特定の条件の下では、他の効果もまた非相互位相差を作ることができる。他方、しばしば測定障害を引き起こす環境を現す多くのパラメータの変化は、サニヤック干渉計上で相互効果のみをもっており、反対方向に伝わる波の間の相対的位相差を乱すことはしない。そして、それゆえ研究されているパラメータの測定に影響を持たない。これは温度、インデックス、その他の変化が遅い場合であり、波の進む光路を修正し、しかしそれを相互に修正する。
【０００６】
このタイプの測定器具でされる測定の感度と正確さを改善する多くの試みがなされた。例えば、この主題に係る良い参考書は,1993 年にArtech House, Herve C. LEFEVREにより発行された”The Fiber Optic Gyroscope"である。
信号処理の異なった方法が、単一サニヤック干渉計の存在下に提案されてきた。この干渉計により供給される応答は、位相差δФの関数としての干渉パワーとシェイプＰ＝Ｐo （１＋cos δФ）により与えられる。Ｐo は、位相シフトの不存在の下で反対方向に伝わる波の付加的効果により得られる最大干渉パワーである。位相差δФ＝０に近いこの信号の感度は低い。これを訂正するため、位相差δФm の方形変調は、作用点をシフトするために導入され、そして周期的信号を作り、その振幅は測定されたパラメータの正弦曲線を描く関数であり、より大きな感度と安定で使うことができることを示唆している。
【０００７】
このバイアス位相差と呼ばれている位相差δФm の振幅は、典型的にはπ/ ２である。それは通常、干渉計上の多重巻きコイルの一端に位相変調器を置くことにより作られ、それはＶm 信号によりコントロールされる。このＶm 信号は、反対方向の伝播波の間に位相差をつくる各波上で、位相シフトδФm を発生する。
δФm （ｔ）＝Фm （ｔ）−Фm （ｔ−τ）
ここで、ｔは時間、τはコイルにおける波の一つのための遷移遅れ（transit delay ）である。
【０００８】
ゼロ方法、”閉ループ操作”とも呼ばれている、を用いることにより測定の正確さが改善されたことが示されている。この方法によると、追加の”逆反作用（counter reaction）”位相差と呼ばれているδФcrが加えられ、測定されたパラメータ及びサニヤック効果により作られる差δФs を補償するために用いられる。干渉計が最大の感度で操作されるように、これら二つの位相差δФcrとδФs の合計はゼロに等しくされる。測定は、逆反作用位相差δФcrを作るために必要な信号を用いてなされる。この測定自体は安定しており、線形である。
【０００９】
コントロールされた位相差δФc は、信号Ｖc でコントロールされる位相変調器でつくられる。この信号Ｖc は、反対方向の伝播波の間に位相差δФc を作る位相シフトФc を各波の上に発生する。
δФc （ｔ）＝Фc （ｔ）−Фc （ｔ−τ）
変調位相シフトФc は、逆反作用成分δФcrを含んでいる。そのため、それは変調周期と等しい周期を持ったバイアス成分Фm を持っている。このバイアス成分Фm は、通常それ自体発振項Фo とコンスタント・オフセット項Фd の合計であり、時間ｔにおける発振項Фo の値は時間ｔ＋Ｔm/２におけるその値は正反対である。
【００１０】
いくつかの測定軸の存在下において、単一光源は多重軸ジャイロスコープをつくる一つの方法に従って用いられる。それは最も高価な要素の一つであり、最もエネルギーを消費する要素である。この光源より出射される光は、例えば、スプリッターまたはカプラーと永久に共有できる。それでは、「光源の共有」について述べる。各干渉計は通常検出器及び電子信号処理装置と関連している。
【００１１】
例えば、光源共有は、３つの出力アームの１つが共通光源に結合された３×３ファイバーカプラーを用いてすることができる。３×３カプラーの各出力アームは、２×２ファイバーカプラーを通して３つの干渉計の１つに結合されており、２×２カプラーの第２の入力アームは検出器に結合されている。
干渉計でつくられる多重化信号に対し光スイッチを用いることが提案されている。これらのスイッチは、３つの干渉計の各々を順次光源又は光検出器に接続することを可能にし、これにより、いずれの時においても３つの干渉計の１つのみが光源に接続され、別の１つの干渉計のみが光検出器に接続される。３つの干渉計のいずれにおいても波の遷移期間はτに等しく、各干渉計の光源そして光検出器への連続的接続を含むジャイロスコープの動作は、３τに等しい期間を有した時間サイクルに依存している。
【００１２】
第１段階では、光源が光を送る第２の干渉計に接続されている間、光検出器は信号を受ける第１の干渉計に接続される。
第２段階では、光源が第３の干渉計に光を送る間、光検出器が第２の干渉計への光源により前に送られた信号を受けるように、光源が第３の干渉計に接続されている間、スイッチは第２干渉計に対する光検出器に接続される
同様に、第３段階では、光源が第１の干渉計に結合されている間、光検出器は第３の干渉計に接続される。そのため、光検出器により受ける信号はτに等しい時間三つの干渉計の各々に順番に応答する。この順番は、三つの干渉計上の周期６τを持ったバイアス変調と結合している。
【００１３】
３つの信号の多重化時間は、このようにスイッチングによってなされる。
単一の光源と単一の光検出器を共通に利用できるが、このタイプの３軸ジャイロスコープは、光スイッチの存在による技術的複雑さによりペナルテイを課される。さらに、光Ｙ接合（optical Y junction）が干渉計への入力に置かれていることは、スイッチの存在の下で反対称モードを再導入（reinject）する問題を生ずる。
【００１４】
特許FR-2.605.101は、光源共有、多重化を利用する別の３軸ジャイロスコープを記載している。この特許では、３つのファイバーコイルが直列に結合され、その中間で互いに接続されている。干渉計のどれか１つにおける波の遷移期間（transit duration）をτとすると、時間ｔにおいて第１のコイルに送られる信号は、時間ｔ＋τまで第２のコイルには到達せず、時間ｔ＋２τまで第３のコイルに到達しない。それゆえ、光検出器は、各々ｔ＋τ、ｔ＋２τ、ｔ＋３τのときに、３つの干渉計から情報を受ける。そのため、出力信号がミックスされないようするために光源は少なくとも３τの割合で信号を送らなければならない。先の具体例にあるように、この多重化は三つの干渉計に対する変調器に適用される６τ周期をもったバイアス変調と結びついている。
【００１５】
この装置は、干渉計に接続されたカプラーでの損失による相対的に低いパワーを与えるという不利益を持っている。さらに、同じハウジングにあるカプラーによって相互に接続された３つのコイルを直交して置くことは技術的に困難である。コイルにファイバーを接続することは、装置を温度勾配に対し感度を良くする。
【００１６】
ヨーロッパ特許EP-0.460.675は、いくつかの干渉計に共通に１つの光源と光検出器を置いた多重軸ジャイロスコープのための別の解決を提案している。
光源は、いくつかの枝を含んでいる光分配要素に接続されており、これら各枝はビームスプリッターを通して干渉計の一つの二つの端部に導いている。ビームスプリッターに置かれた位相変調器は、干渉計を通る反対方向の伝播波に対する位相差を与える。
【００１７】
この装置と共に用いられる多重化手順は、他の干渉計のためのゼロ信号を保ち、各干渉計のために二者択一的に立ち上げる変調信号よりなる。
この方法の主たる不利な点は、連続的な寄生信号を導入したことである。干渉計の出力での伝播波からの干渉は、ゼロ位相差の時に最大のパワーを創り出す。
この問題を避ける解決方法は、米国特許US-5,184,195に記載されている。この文献は、単一の光源と単一の光検出器を持った３軸ジャイロスコープを紹介している。光源、光検出器、及び三つの干渉計は光ファイバーとカプラーのネットワークを通して接続されている。位相変調器は三つの干渉計の入力に置かれている。
【００１８】
この装置は、消滅変調（extinguishing modulation）を有し、測定変調（measurement modulation）を交互にする多重化プロセスに用いられる。消滅変調は、ゼロパワーを発生する干渉計からの出力において反対方向の伝播波と正確に一致していることに等しいため、振幅πを持った位相変調を適用することにより得られる。測定変調は、同時に干渉計の一つに適用されるのみである。
【００１９】
このプロセスは、高精度の問題をつくりだす。光検出器で受ける帰還パワーは、干渉計から出力されるパワーがジャイロスコープを取り付けることによりバランスしたとしても、時間で変化する。これは、種々の軸の間に１０％から２０％の差が常にあり、これらの差は受けた信号の復調の間増幅されるという事実によるものである。さらに、光検出器は、ピーク減少器（peak reducer）と増幅器を伴っているため、発生したパワースキップは増幅器を飽和させることができる。
【００２０】
このプロセスの別の問題は、干渉計が自然の（natural ）周波数で変調されなければならない時に起こる。もし、自然の周波数が高ければ、変調は非常に速くなければならず、このことは実行を困難にする。
先の特許に記載されたこの装置の別の不利な点は、光検出器で受けたパワーが高源から発したパワーに比べ大変低いので、使われたカプラーが大きなエネルギー損失をもたらすという事実である。
【００２１】
本発明の目的は、いくつかの軸について回転速度を測定するための、信頼できる、正確な、そして使いやすい方法である。
それはまた、入力エネルギーを最高に活用している間、寄生信号の存在を最小にすることである。
本発明の目的は、単一の光源を用い、共通の光検出器と共通の電子処理装置を用いた信号の時間的多重化を、スイッチを必要とせずに可能にした、多重干渉計のジャイロスコープである。
【００２２】
本発明の他の目的は、多軸で、高価でなく、コンパクトで、信頼性のある低エネルギー消費の多軸ジャイロスコープをつくることである。
本発明の他の目的は、光源共有のために類似した技術的に複雑なジャイロスコープをつくることである。
さらに、本発明の目的は、完全な安定性を維持している間、閉ループ処理を行うことである。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
従って、本発明は、干渉計型光ファイバージャイロスコープを用いて、Ｎ軸（Ｎは２より少なくない）について回転速度を測定するための方法に関する。ジャイロスコープは、Ｎ個のサニヤックリング干渉計Ｉi 、各干渉計Ｉi の中を伝播する二つの反対方向の伝播波（counter-propagating waves)、分離（separation）と再結合の間の波の伝播時間がτi 、共通の遷移時間τにほぼ等しい干渉計Ｉi と関連した期間τi 、よりなる。方法は、次のようである。
【００２４】
- 共通の光源によってすべての干渉計Ｉi に信号を出射し、
- 干渉計Ｉi を通過した後共通の光検出器内で信号を検出し、
- 位相変調器が、各干渉計Ｉi に伝播する反対方向の伝播波の間の制御された変調位相差δФc,i を発生し、
- 変調器を制御し、光検出器からの信号を分離して復調し、干渉計Ｉi の回転速度を処理装置によって取り出す。
【００２５】
光源によって出射された信号をすべての干渉計Ｉi と光検出器にほぼ同時に到達させるようにする。
本発明によると、変調器によって発生した制御された変調位相差δФc,i は、共通の変調周期Ｔm 、これは共通の遷移期間τの二倍の２τにほぼ等しい、とπの倍数でない位相バイアスに等しい共通の振幅を持ったバイアス成分δФm,i を含み、時間ｔにおける各バイアス成分δФm,i の値は時間ｔ＋Ｔm/２におけるバイアス成分の値と逆であり、各半周期Ｔm/２は少なくともＮ個の時間間隔に分割されている。さらに、干渉計Ｉi と関連したバイアス成分δФm,i をのための符号変化がこの符号変化の始めで時間間隔の一つのみで生じる。
【００２６】
このように、処理装置に到達する信号は、すべての干渉計Ｉi の回転速度を表すサニヤック位相シフトδФs,i に同時に影響され、変調位相差δФc,i に加えられ、サニヤック位相シフトδФs,i はＮ個の時間間隔δｔi 毎にサンプリングされ、処理装置によって取り出される。
各干渉計に加えられる変調は、単一の測定軸を持ったジャイロスコープに加えられるものと類似している。バイアス変調は本発明によるとすべてのジャイロスコープ干渉計に同じであり、しかし、時間シフトが加えられている。
【００２７】
光検出器からの出力に置かれた電子的分離変調回路（electronic demultiplexing and demodulation circuit）は、各干渉計Ｉi から信号を取り出す。
この多重化モードの利点は、光検出器が干渉計から受けたパワーが一定であるということである。
光検出器からの信号を分離し変調するとき、処理装置の電子的分離回路を使って、分離変調信号Ｄi を共通変調周期Ｔm に等しい期間で加えることは有益である。これによって、各干渉計Ｉi と関連した分離変調信号Ｄi は、対応する符号が変化する間、時間間隔δｔi で１に等しく、次の時間間隔δｔi+1 から後続の（Ｎ−２）番目の時間間隔δN+I-2 まで０とし、後続の（Ｎ−１）番目の時間間隔δｔN+I-1 まで１とし、後続のＮ番目の時間間隔δｔN+1 まで−１とし、（Ｎ＋１）番目の時間間隔δｔN+I+1 から後続の（２Ｎ−２）番目の時間間隔δｔ2N+i-2まで０とし、後続の（２Ｎ−１）番目の時間間隔δｔ2N+i-1まで−１とする。
【００２８】
提案された実施の形態によると、各干渉計Ｉi から発生する制御された変調位相差δФc,i は、制御された変調位相シフトФc,i を干渉計Ｉi の中を伝播する二つの反対方向の伝播波に同時に加えることによって変調器により生成される。これら反対方向に伝播する波は、遷移期間τに等しい時間シフトの後に再結合され、位相シフトФc,i は位相差δФc,i を決める。変調位相シフトФc,i は、変調周期Ｔm に等しい周期を有するバイアス成分Фm,i を含み、バイアス成分Фm,i は発振項（term）Фo,i と一定のオフセット項（term）Фd,i の総計である。時間ｔにおける発振項Фo,i の値は、時間ｔ＋Ｔm/２における値と逆であり、発振項Фo,i は位相バイアスの半分に等しい振幅を有すると共に、干渉計Ｉi に対応する時間間隔δｔi の始めにおいて符号を変化する。
【００２９】
位相バイアスは好ましくはπ/ ２に等しい。
この値は、干渉計の回転により生成された位相シフトの存在下で測定された信号の最大感度を与える。
本発明による測定方法で定められたすべての時間間隔δｔi は、便利なことに同じであり、変調周期Ｔm/２の１/ Ｎに等しい。
【００３０】
特に、この時間配分は連続時間間隔δｔi の間の遷移の間に重複する応答による寄生効果の減衰を促進する。この型の望ましくない効果は、本質的に異なった干渉計で生ずる遷移時間の間の差による。
時間間隔δｔi の規則性は、期間Ｔm/（２Ｎ）を訂正するために方法を調整することを可能にする。
【００３１】
より良い訂正方法によると、周期的信号処理ゲートは、処理装置に到達した出力信号に加えられる。ゲートは、変調周期Ｔm の１/ （２Ｎ）に等しいゲート周期を持った振幅変調よりなり、時間間隔δｔi の一つの上の中央に位置する各ゲート周期の部分の間信号を変化させないままとし、この周期の他の部分の間それをキャンセルする。半変調周期Ｔm/２と干渉計Ｉi の自然の周期τi の間の変化による寄生効果はこのように減衰される。
【００３２】
別の訂正方法によると、光源から発射された信号は光源に接続された電子的変調回路によって影響される。この回路は変調周期Ｔm の１/ （２Ｎ）に等しい消光周期（extinction period ）に順次の消光を与える。変調半周期Ｔm/２と干渉計Ｉi の自然の周期τi の間の変化による寄生効果はこのように減衰される。
第２の方法は、第１のものと共に有益に用いられる。信号は無限のスロープで落ちないので、それらは異なった時間で起こる指数関数と光源から発する合計パワーに依存する高さと比較することができる。このように創り出される寄生効果は、指数関数の高さを相当減らすために、各信号のピーク上で光源をスイッチオフすることにより、最小化される。
【００３３】
順次の消光は、低雑音レベルを保つ電子変調回路を用いることにより、有効になされる。
好ましい測定方法によると、干渉計Ｉi の回転による、そして成分δФm,i をバイアスする関連する制御された変調位相差δФs,i を加えた、可能なサニヤック位相シフトδФs,i は、各干渉計Ｉi のために変調位相差δФc,i の逆反作用成分（counter reaction）δФcr,iにより補償される。サニヤック位相シフトδФs,i と逆反作用成分δФcr,iは、干渉計Ｉi の回転が逆反作用成分δФcr,iから推測されるように、連続的にサーボ制御されて０になる。
【００３４】
これは、単一の測定軸を持ったジャイロスコープのために先に記載された閉ループ操作である。本発明によるジャイロスコープに適用可能な多重化技術は、位相傾斜を用いた知られている逆反作用技術と両立できる。これらの技術は、光パワーとは独立に測定された回転により線形の応答を与えることができる。
本発明は、Ｎが２より小さくないＮ個の軸についての回転速度を測定するために用いられる光ファイバー干渉計型ジャイロスコープに関する。このジャイロスコープは、
- サニヤックリング内のＮ個の干渉計Ｉi であって、二つの反対方向の伝播波が各干渉計内を伝播しており、各伝播波についての分離と再結合との間の伝播時間は遷移期間τi を有しており、干渉計Ｉi と関連したτi の値が共通の遷移期間τとほぼ等しくされているものと、
- 共通の光源と、
- 共通の光検出器と、
- 各干渉計内を伝播する反対方向の伝播波の間の制御された変調位相差を発生する位相変調器と、
- 変調器を制御し、光検出器からの信号を受け、これら信号を分離復調し、干渉計Ｉi の回転速度を出力する制御装置を備えている。
【００３５】
本発明によると、変調器で発生する制御された変調位相差成分δФc,i は、共通遷移時間τの二倍の２τにほぼ等しい共通変調周期Ｔm と、πの倍数でない位相バイアスに等しい共通の振幅を持った、バイアス成分δФm,i を有しており、時間ｔにおける各バイアス成分δФm,i の値は、時間ｔ＋Ｔm/２におけるバイアス成分と逆である。各半周期Ｔm/２は、少なくともＮ個の時間間隔δｔ1 に分割され、各干渉計Ｉi の変調器は、一つのそして唯一の時間間隔δｔ1 において、関連するバイアス成分δФm,i の符号の変化を生成する。
【００３６】
このように、処理装置に到達する信号は、すべての干渉計Ｉi の回転速度を表す、サニヤック位相シフトδФs,i に同時に影響され、変調位相差δФc,i に加える。処理装置は時間間隔Ｎδｔ1 の信号サンプリングによりこれらサニヤック位相シフトδФs,i を取り出す。
本発明によるジャイロスコープの好ましい実施形態によると、それは光源に接続された一組のカプラー、光検出器、及び干渉計Ｉi を具備する。すべてのカプラーは、Ｎ個の入力ゲートとＮ個の出力ゲートを持っており、それぞれ、一つの入力ゲートは光源に接続され、Ｎー１個の入力ゲートは光検出器に接続され、Ｎ個の出力ゲートは干渉計Ｉi に接続される。
【００３７】
この型の装置では、光源から出力する信号は、実際に同時にすべての干渉計に到達し、遷移時間がすべての干渉計についてほぼ同じであるため、干渉計を通った後、ほぼ同時に光検出器に達するＮ個の信号に分割される。
さらに、この装置で、各干渉計は光源から発する同じ光パワーを受け、光検出器は各干渉計から同じ光パワー出力を受ける。
【００３８】
位相変調器の存在は、光スイッチのような使用の複雑さがない多重化を可能にする。
本発明によるジャイロスコープの好ましい実施形態の第１の構成において、ジャイロスコープはＮ個の出力とＮ個の入力を持った単一のカプラーよりなる。
第２の構成において、カプラーの各々は、二つの入力ゲートと二つの出力ゲートを持ち、ツリー構成のセットを形成する。
【００３９】
スーパー発光ダイオードのような偏向された光を発する光源を持った、偏向保持カプラー、例えば、側面を光らせたファイバーによりつくられた、を使うことは有益である。この型の光源は大変経済的である。
あるいは、スーパー蛍光ファイバー光源と呼ばれるネオダイム（Neodyme ）またはエルビウム（Erbium）ような希土物質をドープされたファイバー光源が、偏光を保持することなく通常のファイバーカプラーと用いることができる。
【００４０】
この第２の構成の好ましい設計において、ジャイロスコープは、二つの干渉計と一つのカプラーを含み、この１/ ２、１/ ２カプラーは、光源に接続された第１の入力ゲートの入射パワーを、二つの干渉計に接続された二つの出力ゲートに送られる二つのパワーに分配する。各々は入射パワーの半分に等しい。
このように、両方の干渉計は各々同じ光パワーを受け、干渉計から出力される信号と光検出器が受ける信号はバランスしている。
【００４１】
この第２の構成の好ましい設計では、ジャイロスコープは三つの干渉計と二つのカプラーよりなる。これらカプラーの第１のものは、二つの入力ゲートを持っており、一つは光源に、他は光検出器にそれぞれ接続され、一つの出力ゲートは第１の干渉計に接続され、他の出力ゲートは第２のカプラーの第１の入力ゲートに接続されている。第２の１/ ２、１/ ２カプラーは、光検出器に接続された第２の入力ゲートと出力ゲートを持っており、それらの各々はそれぞれ他の二つの干渉計に接続されている。第１の１/ ３、２/ ３カプラーは、光源に接続された入力ゲートの入射パワーの１/ ３を、第１の干渉計に接続された出力ゲートに送られるパワーの第１の部分に配分し、入射パワーの２/ ３を、第２のカプラーの第１の入力ゲートに接続された出力ゲートに送られるパワーの第２の部分に配分する。
【００４２】
このように、三つの干渉計は各々同じ光パワーを受け、干渉計から出力される信号と光検出器が受ける信号はバランスしている。
干渉計とカプラーの間の光路は、光源干渉長さより大きく、異なった干渉計からの波は、非干渉であり、干渉しない。
偏光子は有益にカプラーと干渉計Ｉi の間に挿入される。
【００４３】
第２に、本発明によるジャイロスコープは、有効に他のジャイロスコープに結合できる。
特に、本発明の第２のジャイロスコープに、二つの入力ゲートと二つの出力ゲートを具備するカプラーを通して結合することは有用である。二つの入力ゲートは二つのジャイロスコープの光源に接続され、二つの出力ゲートは二つのジャイロスコープに接続され、光信号をそれらに送る。
【００４４】
二重光源と二重光検出器は、四つの測定軸を持った構成において余分に使われている。
本発明を図面を参照してより詳細に以下に記載する。
【００４５】
【発明の実施の形態】
図１に示された本発明の１つの実施形態による３つの測定軸を持った干渉計型ジャイロスコープは、光源１、光検出器２、三つの干渉計Ｉ1 、Ｉ2 、Ｉ3 、そしてファイバーカプラー４、５を具備する。光源１は、典型的にはスーパー発光ダイオード（ＳＬＤ）であるが、希土物質を添加されたファイバー光源、またはスーパー蛍光性光源としてもよい。光検出器２は、電子処理装置１１に接続されている。３つの干渉計Ｉ1 、Ｉ2 、Ｉ3 の各々は単モード光ファイバー多重巻きコイル１０を含む。３つのコイル１０の長さは、それらを通り抜ける光信号が同じ遷移時間τを持つようにほぼ等しくされる。結合された３つのコイル１０の回転は、光ジャイロスコープ９により測定される。干渉計Ｉ1 、Ｉ2 、Ｉ3 の各々は、二つの枝ガイド１５に分離されている中央ガイド１４を具備する統合された光Ｙ接合６を具備する。枝ガイド１５は、ファイバーコイル１０の端部に接続されている。位相変調器７は、光Ｙ接合６の枝ガイド１５の各々に設けられている。２つのファイバーカプラー４と５は、２つの入力ゲート１２０、１２１、１２４、１２５、及び２つの出力ゲート１２２、１２３、１２６、１２７を持ったカプラーで、２×２カプラーと呼ばれている。
【００４６】
第１のカプラー４は、光源１に接続された入力ゲート１２０を持っており、第２の入力ゲート１２１は光検出器２に接続されている。第１の出力ゲート１２２は、第１の干渉計Ｉ1 のＹ接合６の中央ガイド１４に接続されている。第２の出力ゲート１２３は、第２のカプラー５の二つの入力ゲートの一つ１２４に接続されている。すべての結合は光ファイバー３でなされている。第２のカプラー５は、第１のカプラー４の出力ゲート１２３に接続された入力ゲート１２４を持っており、第２の入力ゲート１２５は光検出器２に接続され、その二つの出力１２６と１２７は、中央ガイド１４とそれらのＹ接合６に接続されてそれぞれ二つの干渉計Ｉ2 、Ｉ3 に接続されている。
【００４７】
第１のカプラー４は、１/ ３、２/ ３カプラーで、４. ８ｄＢカプラーとも呼ばれ、光源１から発する入射パワーを、１/ ３を干渉計Ｉ1 への出力ゲート１２２に、そして２/ ３を第２カプラー５への出力ゲート１２３に分配する。
第２のカプラー５は、１/ ２、１/ ２カプラーで、３ｄＢカプラーとも呼ばれ、第１のカプラー４から発する入射パワーを、出力ゲート１２６と１２７で２つの等しい部分に分配する。この構成は、光検出器２が三つの干渉計Ｉ1 、Ｉ2 、Ｉ3 の各々から等しいパワーを受けるように、三つのコイル１０の各々に同じパワーを与えることができる。
【００４８】
もし光源１としてＳＬＤを用いるなら、この光は偏光され、偏光を保つためにカプラー４、５を用いることが好ましい。
操作においてパワー信号Ｐs が光源１から伝送される。Ｐs/３のパワーが第１の干渉計Ｉ1 に到達し、第２カプラー５の入力ゲート１２４は２Ｐs/３のパワーを受ける。このパワー、２Ｐs/３は二つの干渉計Ｉ2 、Ｉ3 に配分され、それらの各々はＰs/３のパワーを受ける。三つの干渉計Ｉ1 、Ｉ2 、Ｉ3 からのパワー出力をそれぞれＰ1 、Ｐ2 、Ｐ3 と表すと、光検出器２により検出されるパワーＰD は以下のようになる。
0004142120.tif 000002
そのため、検出されたパワーＰD の合計は、干渉計Ｉ1 、Ｉ2 、Ｉ3 からのパワー出力の総計の２/ ３に等しい。言い替えれば、光源１から発するパワーＰs の２/ ９である。そのため、三つのコイル１０は同じ強さで照らされ、光検出器２からのバランスした信号を受ける。
【００４９】
電子処理ユニットは、選ばれた変調多重化に対応して制御される変調位相シフトФc,i を与える変調器７を制御する
前記構成において、単一のＹ接合６のガイド枝１５に設けられた二つの変調器は、同時に逆の位相シフトを与える。そのため、三つの干渉計Ｉ1 、Ｉ2 、Ｉ3 で与えられた三つの制御された変調位相シフトФc,1 、Фc,2 、Фc,3 は、識別することができる。
【００５０】
処理装置１１は、それが分離復調する光検出器２から発する信号を受ける。干渉計Ｉ1 、Ｉ2 、Ｉ3 のコイル１０は回転しているので、処理装置１１は受けた信号からコイル１０の回転速度Ｓを取り出すことができる。
閉ループで操作するとき、受けた信号は変調器７で与えられた位相シフトФc,i を調整するために処理することができる。
【００５１】
制御された変調位相シフトФc,i は、周期的変調、及び可能であれば閉ループでの操作のための逆反作用（counter-reactin ）成分Фcr,iよりなるバイアス成分Фm,i を含む。バイアス成分Фm,i は、発振項Фo,i と、位相シフトФm,i により発生する位相差δФm,i に影響を及ぼさない一定項Фd,i の総計である。それゆえ以下のようになる。
【００５２】
Фc,i ＝Фm,i ＋Фcr,i＝Фo,i ＋Фd,i ＋Фcr,i
個々のコイルの遷移期間は、ほぼτに等しい。結果は、干渉計Ｉ1 で発生する周期的バイアス位相差Фm,i と可能であれば逆反作用位相差δФcr,iの総計である。
δФc,i(ｔ) ＝δФm,i(ｔ) ＋δФcr,i( ｔ)
＝（Фo,i(ｔ) −Фo,i(ｔ−τ) ）＋（Фcr,i（ｔ) −Фcr,i(t- τ) ）
干渉計Ｉi でつくられる信号は、バイアス成分Фm,i の発振項Фo,i を用いて多重化できる。
【００５３】
本発明の方法による多重化において、標準的変調は三つの干渉計Ｉi の各々のために、丁度良いときにオフセットをもって行われる。
この多重化は、図２から図９に示されている。干渉計Ｉ1 の変調器７は、同じバイアス位相シフトФm,i を干渉計Ｉ1 のコイル１０を伝播する反対方向の伝播波に与える。図２に示された時間４０での変化は、周期Ｔm 、振幅π/ ４で、オフセット値Фd,1 付近の変調よりなる。
【００５４】
変調周期Ｔm は、共通遷移期間τの２倍である。干渉計Ｉ1 、コイル１０の波を伝播後、波のバイアス位相シフトФm,1 は、時間４０での先の変化と比較した遷移時間τにより置き替えられた時間４１での変化を有する。周期Ｔm は２τに等しいので、結果は、変調器７で発生したバイアス位相差δФm,1 は、ゼロ付近で周期Ｔm と振幅π/ ２での変調よりなる、図２に示された時間４２での変化を有する。
【００５５】
干渉計Ｉ1 の干渉パワーＰ1 は、この変化４２から直接推測される。図３に示された重ねられた波の位相差δФの関数としての干渉パワーＰの変化２０は、πの倍数ではなく, 位相差δФm,1 がπ/ ２の奇数倍であるとき最高感度である位相差δФm,1 のための信号を得るために用いることができる。
時間４２での位相差δФm,1 の変化と位相差δФの関数としてのパワーＰの変化２０は、干渉計Ｉ1 からの干渉パワー出力Ｐ1 の時間４３での変化を制御できる。
【００５６】
Ｐo を同位相の二つの波から得られる最大パワーとすると、図３に示されるように、周期Ｔm/２を有する変化４３は、各周期の始めに高さＰo でピーク５４を有し、各半周期Ｔm/２の間Ｐo/２に等しい。
干渉計Ｉ1 のコイル１０は回転している時、回転速度Ｓに比例したサニヤック（Sagnac）位相シフトδФs,1 はバイアス位相差δФm,1 に加えられる。
【００５７】
時間４４での図４に示されている干渉計Ｉ1 のコイル１０が回転している時のバイアス位相差δФm,1 の変化は、回転を生じない変化４２に関し、位相シフトδФs,1 によりオフセットされる。
時間５０での干渉計Ｉ1 から出力する干渉パワーＰ1 の変化は、回転がないときと同じ方法で、位相シフトδФの関数としての干渉パワーＰの変化２０を用いて推測され、図４に示されている。
【００５８】
この変化２４はＴm の周期を有しており、各半期Ｔm/２でＰo に等しい高さ５４でピークとなり、半周期Ｔm/２の間Ｐo/２に等しい最小及び最大値を交互に行う。
この信号を知って、伝統的方法は、得られたパワー変調を用いて干渉計Ｉ1 のコイル１０の回転速度を決めるために使うことができる。
【００５９】
干渉計Ｉ2 とＩ3 でそれぞれ発生されるバイアス位相差δФm,2 とδФm,3 は、期間Ｔm/６とＴm/３での時間置き換えによって干渉計Ｉ1 で発生したバイアス位相差δФm,1 から単に決定される図５で示されている時間４５と４６での変化を有している。これら位相差δФm,2 とδФm,3 は、干渉計Ｉ2 とＩ3 のバイアス位相シフトФm,2 とФm,3 を加えることにより得られる。時間（示されていない）での変化は、期間Ｔm/６とＴm/３の時間置き換えを用いて位相シフトФm,1 の変化４０から推測できる。
【００６０】
このように、この方法によると、Ｔm/６に等しいクロック期間Ｔh が用いられる。
各半周期Ｔm/２は、三つの連続する時間間隔δｔ1 、δｔ2 、δｔ3 に配分される。各期間Ｔh の間、バイアス位相差δФm,1 の一つのみが他の二つと反対の符号を持っている。干渉計Ｉi からの出力で得られる干渉パワーＰ1 、Ｐ2 、Ｐ3 は、位相差δФm,1 から決めるられる。
【００６１】
干渉計Ｉi のコイル１０の回転によるサニヤック位相シフトδФs,i の存在下において、図６に示された時間５０、５１、５２での変化は、Ｐo/２の付近の値が中心となる周期Ｔm の変調よりなり、各Ｔm/２の半周期で高さＰo のピーク５４を有している。
三つのパワー変調は各々Ｔm/６で他からオフセットされる。結果は、三つの干渉計Ｉi から光検出器２が受けたパワーＰD 、これは三つのパワーＰ1 、Ｐ2 、Ｐ3 の総計に２/ ３を掛けたものであるが、はすべての時間において、各干渉計Ｉi でサニヤック位相シフトδФs,i に対応する三つの変調を考慮しているということである。
【００６２】
図６で示されているパワーＰD の時間５３での変化は、Ｔm/６の間一定値を持ち、３Ｐo/２の値の付近で発振する高さと、各一定値５６の始めに現れるピーク５５を持ち、２Ｐo の値の付近で発振する高さを有する、周期Ｔm の関数である。
光検出器から発し、処理装置が受けた信号からスタートし、干渉計Ｉi から出力する信号は、図７に示されるように電子的分離復調回路（elecrtonic demultiplexing and demodulating circuit）６５を用いて再現される。この特許の他の部分では、分離という言葉は、同時に分離復調を表すために使われる。
【００６３】
この回路６５は、三つの分離装置６１、６２、６３と積分器５７が設けられている三本の線５９に分割される入力線５８を具備している。分離装置６１、６２、６３は線５９で検出された信号に分離信号Ｄ1 、Ｄ2 、Ｄ3 を各々加える。
図８に示されている分離信号Ｄ1 、Ｄ2 、Ｄ3 の時間６６、６７、６８での変化は、干渉計Ｉ1 ，Ｉ2 ，Ｉ3 から各々発する信号を再現するために使われる。分離は閉ループで動作するので、信号Ｄi は標準化される。
【００６４】
信号Ｄ1 の変化６６は、半周期Ｔm/２の最初の１/ ３の間１に等しく、二番目の1/３の間０に等しく、三番目の1/３の間１に等しい周期Ｔm の奇数関数である。信号Ｄ1 、Ｄ2 の時間６７と６８での変化は、各々期間Ｔm/６とＴm/３の時間置き換えをすることにより変化６６から推測できる。
図９に示されているように、分離信号６６、６７、６８に対応するバイアス位相差４２、４５、４６をつくることは有益である。各信号Ｄi は、関連する位相差δФm,i から単に推測される。位相差は単にそれを正常化し、各ステップの中間においてクロック期間Ｔh の間それを取り消すことにより修正されることを必要とする。
【００６５】
同じ多重化と分離の手順は三つの測定軸の代わりに二つの測定軸に容易に変えることができる。クロック時間Ｔh はＴm/４に等しく、各半周期Ｔm/２に関し二つの間隔δｔ1 とδｔ2 を定めている。図１０に示されている、二つの軸に与えられるバイアス位相差δФm,1 とδФm,2 は、時間１４０と１４１での変化が先に述べた４２、４５、４６のそれに類似している変調である。それらは期間Ｔh ＝Ｔm/４で他に関してオフセットされる。分離信号はＤ1 、Ｄ2 は、単純なかけ算成分により１４０と１４１の位相差の変化から直接決定される変化１４２と１４３を有している。最初の分離信号Ｄ1 は、０から２Ｔh は１、２Ｔh から４Ｔh は−１、であり、第２の信号は、０からＴh は−１、Ｔh から３Ｔh は１、３Thから４Ｔh は−１である。そのため、それらは標準変調に対応する。
【００６６】
この方法を測定軸の任意の数Ｎに一般化することは容易である。クロック時間Ｔh はＴm/（２Ｎ）に等しく、Ｎを各半周期Ｔm/２において間隔δｔ1 、δｔ2 、--- δｔN に定める。Ｎ軸にそれぞれ加えられるＮ個のバイアス位相差δФm,i は、Ｔh （図１１）による時間１４４、１４５の連続的なオフセットでの変化を有している。
【００６７】
Ｎ個の多重化信号Ｄ1 、Ｄ2 、--- ＤN は、単純マトリックス反転により位相差δФm,2 から決められる。それらの時間１４６、１４７での変化（図１１）は、各ステップの中間において（Ｎ−２）クロック期間Ｔh のためにそれらをキャンセルすることにより、時間１４４、１４５での１に正常化された位相差の変化から得られる。i 番目の分離信号Ｄi は、δｔi の間隔の間１で、δｔi+1 からδｔN+i-2 は０、δｔN+i-1 の間は１、δｔN+i の間は−１、δｔN+i+1 からδｔ2N+i-2は０、δｔ2N+i-1の間は−１である。
【００６８】
このように行われる分離は、各間隔δｔi で光検出器２の信号の変換後、デジタル電子技術で数値的に実行することは簡単である。
回転の測定は、それ自体はよく知られている閉ループでの操作により改善することが出来る。各干渉計Ｉi の変調器７は、制御された変調位相シフトФc,i を創り出すためにバイアス位相シフトФm,i に加えられる逆反作用位相シフトФcr,iに適用する。図１２に示された典型的なこのタイプの位相シフトФcrの時間３５での変化は、逆反作用周期τcrと高さ２πを持った位相傾斜３８の連続よりなる。
【００６９】
干渉計Ｉi の一つのコイルを通り抜けた後、逆反作用位相シフトФcrの時間３６での変化は、図１２に示されているように期間τにより置き換えられる。位相傾斜３８のスロープをａに等しくすると、変調器７で発生される逆反作用位相差δФcrは、位相差δФcrが連続的にａτに等しく、２πの要素で乗算されるような時間３７での変化のためのステップ関数を持つ。
【００７０】
このように達成されるサーボ制御は、対応するコイル１０の回転速度Ｓを、ａから、より直接的には位相傾斜３８が落ちる周波数から推測するのを容易にする。
この閉ループ操作は完全に安定しており、各干渉計Ｉi からの信号出力の間の相互作用は、特に光源を変調する光源１への帰還のために、サーボ機構による制御により補償される。
【００７１】
π/ ２に等しい位相バイアスを選ぶことは特に有益であるが、πの倍数でない他の値を選ぶことができる。
さらに、周期Ｔm を同じ期間の時間間隔δｔi に区切ることは特に実際的であり、特にクロック時間Ｔh との一致のため、明確な期間を持った時間間隔δｔi を使うことは可能であり、本質的な点は周期Ｔm の区切りを得ることである。
【００７２】
多重化は、例としてあげられたシステムより複雑な変調システムと、シフトにより時間内に結びつけることができる。ステップの代わりに、それ自体よく知られている四つの状態を有する変調でそれを用いることは有益である。典型的には、この変調は四つの位相バイアスπ/ ４、３π/ ４、−３π/ ４、−π/ ４の周期的連続を持っており、この特別のケースは限定的ではない。
【００７３】
ほとんどの実施形態において、干渉計Ｉi のコイル１０の遷移期間τi は、同じ遷移期間τを持ったものである。変調周期Ｔm は２τに等しく選ばれ、それはこの遷移期間τの二倍である。
これら長さ間の差は、多軸ジャイロスコープ９を用いることを主として困難にしているバイアスエラーを引き起こす。
【００７４】
遷移期間τとτ及び振幅π/ ４よりわずかに大きい周期Ｔm を持ったバイアス位相シフトФm を与える関連する変調器７を有する干渉計Ｉi において、入射波は図１３に示されている時間７０での位相シフトФm の変化に従っており、干渉計Ｉi のコイル１０の出力においてバイアス位相シフトФm(t-τ) があり、それは時間７０での加えられた位相シフトФm （ｔ）の時間７０での変化から期間τで置き換えられた時間７１での変化を有している。
【００７５】
結果は、干渉計Ｉi からの出力で得られたバイアス位相差Фm は、周期Ｔm と振幅π/ ２を持った変調に対応し、ゼロ付近を中心として、あたかもバイアスエラーがないのと同じやり方で、時間７２での変化を有しているということである。
しかし、変調を構成する上側レベル１３０と下側レベル１３１の間に、０位相シフトと期間（Ｔm/２）−τを持ったレベル１３２がある。結果は、バイアス位相差Фm による干渉パワーの時間７３における変化は、２/ Ｔm の割合で高さＰo のパワーピーク５４により妨げられた、高さＰo/２の変動のない変化ではもはやなく、しかし、先のピーク５４と同じ高さと同じ割合で期間（Ｔm/２）−τでステップ１３３で変化するということである。
【００７６】
パワー変化７３は、干渉計Ｉi のコイル１０の回転速度Ｓを表すサニヤック位相シフトδФs を用いてなされた測定の正確さを明らかに減じることはない。事実すべての事項は、差Ｐ（ｔ）−（ｔ＋Ｔm/２）に対応する半周期の時間シフトで得られる二つの信号間の差である。この差は変化Ｐ（ｔ）のステップ１３３によって影響されない。
【００７７】
あいにく実際には、この矩形信号は、特に一般に異なっている立ち上がりと立ち下がり時間のため、完全に対称的ではない。このタイプの非対称的変調の存在下で、時間７５、７６、７７での干渉パワーの変化は、図１４が表すように２/ Ｔm の割合でステップ関数１３５、１３６、１３７を示す。
変調周期Ｔm が遷移期間τの倍の２τに等しいとき、パワーＰの時間７６での変化は同じ期間ｄ１でのステップ１３７を含む。変調周期Ｔm が遷移期間τの倍の２τより大きいとき、非対称な変調は時間７５での干渉パワーの変化で、それぞれ低い期間ｄ１と高い期間ｄ２でステップ１３５と１３６の交替を創り出す。そのため、応答はもはやＴm/２の周期を有しておらず、得られる差は、結果を不精確にする。
【００７８】
同じ現象が、変調周期Ｔm が遷移期間τの倍の２τより小さいときにおこる。それぞれ高い期間ｄ４と低い期間ｄ５を持ったステップ１３６と１３５の交替が、干渉パワーの周波数変化７７上で見ることが出来る。
Ｄｆを干渉計Ｉi のコイル１０の自然周波数１/ （２τ）と異なった周波数とする、別の言葉で言うと、Ｄｆ＝（１/ Ｔm −１/ （２τ））２τとする。このように創られたラデイアンでの平均バイアスは、２πＤｆに等しい。温度の関数としての自然周波数１/ （２τ）の相対的変化は１０ppm/Kelvinである。
【００７９】
これは１００Ｋの特定の温度帯で１０のマイナス３乗ラデイアンのオーダーのエラーを与え、必要なオーダーである１０-6または１０-7のオーダーをこえる。周期Ｔm/２で復調後に得られるバイアスエラーは、主に短い期間ｄ１、ｄ２、ｄ３、ｄ４、ｄ５でステップ１３５、１３６、１３７上に集中している。
本発明の好ましい実施形態によると、電子処理装置１１は期間Ｔm/２を持った周期的信号処理ゲートを具備する。図１５に示されたこの方法は、処理ユニット１１で受けた干渉パワーの時間８３での変化において、周期的ゲート８０を作り上げる期間ｄ６の時間間隔を除くことにある。処理ユニット１１で使われる時間サンプリング期間は、外部のこれら時間間隔から選ばれる。
【００８０】
πでの消衰による、または時間内におけるオフセットにより多重化するとき、光検出器２で受けた応答信号３２、５で得たピーク３３、５５は、６/ Ｔm の割合で現れる。そのため、バイアスエラーを取り除くため使われる電子処理ゲート８０は、Ｔm/６の期間を有している。
より一般的に、Ｎ個の干渉計で多重化することは、期間Ｔm/Ｎで一つのゲートを必要とする。
【００８１】
このゲートは効率的であるが、いくつかの間違いを取り除かない。特に、信号は無限のスロープで落ちないので、異なった時間で生ずる指数関数的減少８１は、考慮されなければならず、そのため、図１５に見られるように高さｈ１は光源から発する合計パワーに依存する。それゆえ、時間８３でのパワーの変化を示すカーブ上で選ばれるサンプリング点８２の値は、指数関数的減少によりゆがめられる。
【００８２】
この効果を最小にするため、指数関数的減少８１の高さｈ１を最小にするためにピーク３３、５５の各時間で光源１をスイッチオフすることは有益である。
これは、図１６と図１７のブロック・ダイヤグラムに示されているものに類似した電子変調回路を用いてなされる。この電子回路８４は、カレントミラー９７を通して低雑音電流発生器８５に結合された論理ゲート９５よりなる。論理ゲート９５は、光源１として働くスーパー発光ダイオード９６と並列に接続される。この論理ゲート９５は、ＳＬＤ回路９６を短絡することができ、またはしないＵ１０１に変調を与える。電流は、入力８９を通して電流を受ける低雑音電流発生器８５を通してこの回路９５、９６に供給される。
【００８３】
ＳＬＤ９６から発する光の強さは、直接それを通過する電流に依存している。これが、なぜ電流発生器８５の雑音レベルが低く保たれなくてはならないかという理由である。
【００８４】
【外１】
0004142120.tif 000003
【００８５】
低雑音電流発生器８５は電流供給源８９、接続１０２、測定抵抗器９１を通ってカレントミラー９７に通ずる出力９３を持ったＮＰＮトランジスタ８７を有している。
エンドボックス９２は、エンドボックス９２の出力９４で抵抗器９１の端子に印加される電圧Ｕr を与えるために、抵抗器９１に並列に接続される。この出力９４は、設定された電圧が印加される入力８８を有する比較器９０に接続される。設定された電圧と抵抗器にかかる電圧Ｕr 間の差は、比較器により積分器８６に伝えられる。この積分器はトランジスタ８７を接続１０２に導く。
【００８６】
操作の間、ＳＬＤを通る強さＩを持った電流は、電圧Ｕr を発生する抵抗器９１を用いて測定される。この電圧は比較器９０の設定された電圧と比較され、二つの電圧の差は、電流の値Ｉをサーボ制御するためトランジスタ８７を反応させる積分器８６を制御する。
このサーボ制御のカットオフ周波数は、雑音を最小にするため低いが、しかし、他の成分の温度ドリフトを補償するには十分である。トランジスタ８７は、電流を抵抗器９１に供給する一方、それを電力供給から分離する。この電力供給の雑音はこのように取り除かれる。
【００８７】
【外２】
0004142120.tif 000004
【００８８】
論理ゲート９５の使用は、電力供給に係る障害をほとんど生じない１０nsより小さい、非常に短い立ち上がり時間を与える。もし完全な電流発生器が用いられたなら、電力供給による電流出力ゲート９５の状態に係わらず一定である。
しかし、変調器１０１により引き起こされる負荷の変化が電流発生器８４を乱すため、この回路は低雑音発生器８５と用いることはできない。
【００８９】
カレントミラー９７は、変調１０１の間の負荷の変化におけるこの困難を克服するために使われる。カレントミラーはポイントＡで抵抗器９１に接続される。この利点は、ポイントＡから見た負荷は変調とは独立して定められるということである。
カレントミラー９７はＰＮＰトランジスタ９８と９９を有しており、各々は二つの入力１０３と１０４、二つの出力１４３と１４４、そして互いに接続された二つの接続１４１と１４２を有している。ポイントＡから発するカレントミラー９７の入力リード１４０は分割され、トランジスタ９８と９９の入力１０３と１０４に接続される。トランジスタ９８の出力１４３は、アース１４４に接続されている抵抗器１００に接続される。第２のトランジスタ９９は、ソース変調回路９５、９６に接続されている。線１８２はトランジスタ９８と９９の接続１４１、１４２の接合部を、トランジスタ９８の出力１４３に接続する。
【００９０】
操作の間、トランジスタ９８と抵抗器１００で構成される枝は、トランジスタ９８がダイオードのように設けられており、二つのトランジスタ９８と９９が等しいので定められた電荷を持っている。二つのトランジスタ９８と９９のベース電圧は等しいので、トランジスタ９９のソース変調回路９５、９６への出力電流１４４は、回路９５、９６を含む枝の負荷と独立して、抵抗器１００に導くトランジスタ９８の出力１４３と一致している。
【００９１】
ポイントＡからスタートし、カレントミラー９７に強さＩで到達する入力電流は、各々等しいＩ/ ２の二つの電流に分かれ、それぞれ抵抗器１００と回路９５、９６を通る。
ソース変調装置９５、９６と低雑音電流発生器８５の間のカレントミラー９７の存在は、非常に低い雑音と速い光源１が得られることを意味している。発生器８５の変調による電力供給に係る寄生音の発散はこのように訂正される。
【００９２】
電子変調回路８４で、雑音レベルはＳＬＤ９６に与えられる変調とは独立していることがわかった。ＳＬＤ９６を通る電流は典型的に８０mAの高さのステップで２０nsのオーダーの立ち上がり時間を持っていることもわかった。電子ー光現象は電子現象と比べて非常に速いので、ＳＬＤ９６による光パワー出力は、それを通る電流と同じ側面を持っている。
【００９３】
識別多重化プロセッサーを用いた多くの他の種類の多軸光ジャイロスコープは、上記と同じ原理に基づいて設計する事が出来る。
特に、図１８に示された多軸光ジャイロスコープの別の実施形態によると、Ｎ個の干渉計Ｉi を使うことができる。この光ジャイロスコープ１０８は、光源１、光検出器２、そして、第１の実施形態のように光Ｙ接合６、ファイバーコイル１０、変調器７を備えた干渉計Ｉi を有している。
【００９４】
この別の実施形態において、単一のカプラー１０５がＮ個の入力ゲート１０６、１０７とＮ個の出力ゲート１０９を持って用いられており、一つの入力ゲート１０６は光源に、他のＮ−１個の入力ゲート１０７は光検出器２に、そしてＮ個の出力ゲート１０９は干渉計Ｉi にそれぞれ接続されている。
干渉計Ｉi の数は、２×２カプラーをもっぱら用いることにより３より大きい数にすることもできる。２×２カプラーの独占的使用は、特に光の偏向が変化せずに保たれることを意味する。
【００９５】
図１９に示された本発明による光ジャイロスコープの別の実施形態は、四つの測定軸を持ったジャイロスコープに関する。
他の実施形態によるジャイロスコープ１１４は、光源１、光検出器２、及び先のジャイロスコープと同じ構成要素を有する四つの干渉計Ｉi を具備する。
ジャイロスコープ１１４は、三つの1/２、１/ ２カプラー１４５、１４６、１４７を具備する。第１のカプラー１４５は、光源１に接続された入力ゲート１４８と光検出器２に接続された入力ゲート１４９を持っている。その第１の出力ゲート１５０は、第２のカプラー１４６に接続され、第２の出力ゲート１５１は第３のカプラー１４７に接続される。第２のカプラー１４６と１４７は、回路において対称に配置される。
【００９６】
カプラー１４６の入力ゲート１５２は、第１のカプラー１４５の出力ゲート１５０に接続され、第２のカプラー１４６の第２の入力ゲート１５３は、光検出器２に接続されている。第２のカプラー１４６の二つの出力ゲート１５４、１５５は、それぞれ干渉計Ｉ1 とＩ2 に接続されている。第３のカプラー１４７の入力ゲート１５６は、第１のカプラー１４５の出力ゲート１５１に接続されており、入力ゲート１５７は、光検出器２に接続され、二つの出力ゲート１５８と１５９は、他の二つの干渉計Ｉ3 、Ｉ4 にそれぞれ接続されている。
【００９７】
四つの干渉計Ｉi に到達するパワーは同じであり、干渉計Ｉi から光検出器２が受ける信号はバランスするように回路は設計される。
先に記載した二つの多重化方法は、本発明によるこのジャイロスコープ１１４に直接適用可能である。
本発明の基本原理に従って、ジャイロスコープをつくることにより利用可能な多くの可能性に加え、これらジャイロスコープのいくつかは、共に結合し、あるいは他の異なった型のジャイロスコープと結合する事が出来る。
【００９８】
図２０に示された可能な技術は、先の記載に従って各々二つの測定軸を持った二つのジャイロスコープを結びつけたジャイロスコープ１１５よりなる。そのため、四つの軸を持ったこの構成は、二つの光源１１０、１１１、二つの光検出器１１２、１１３、そして四つの干渉計Ｉi を具備する。
ジャイロスコープ１１５は、三つの２×２カプラー１６０、１６１、１６２を具備しており、カプラー１６０と１６１は対称になっている。パワー供給カプラー１６２の二つの入力ゲート１６３と１６４は、それぞれ光源１１０、１１１に接続されている。その出力ゲート１６５と１６６は、それぞれ他の二つのカプラー１６０と１６１の入力ゲート１６７と１７１に接続されている。干渉計Ｉi と接続している第１のカプラー１６０は、カプラー１６２の出力ゲート１６５に接続された入力ゲート１６７を持っており、その第２の入力ゲート１６８は第１の光検出器１１２に接続され、その二つの出力ゲート１６９と１７０はそれぞれ二つの干渉計Ｉ１とＩ2 に接続されている。干渉計Ｉi に接続された第２のカプラー１６１は、カプラー１６２の出力ゲート１６６に接続された入力ゲート１７１を持っており、その第２の入力ゲート１７２は第２の光検出器１１３に接続され、その二つの出力ゲート１７３と１７４はそれぞれ他の二つの干渉計Ｉ3 とＩ4 に接続されている。
【００９９】
１/ ２、１/ ２カプラーの使用は、干渉計Ｉi へ送られ、そして干渉計Ｉi からの光検出器１１２、１１３で受けるエネルギーをバランスさせる。
先の実施形態と比較すると、これは一つではなく二つの電子処理装置を必要とする。二つの先に記載した多重化の型は、干渉アセンブリーＩ1 、Ｉ2 及びＩ3 ，Ｉ4 に別々に適用することが好ましい。
【０１００】
これはこのように２バイ２多重化スキームを豊富に導き出す。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、この発明による２軸ジャイロスコープを示す図である。
【図２】図２は、図１の第１のジャイロスコープ干渉計において本発明による方法を用いて加えられたバイアス位相シフトの、遷移期間により置き換えられた同じ位相シフトの時間での変化、及び発生したバイアス位相差を示す図である。
【図３】図３は、図２の位相差の時間での変化、この位相差の関数としての干渉パワーの変化、及び時間でのこのパワーの変化を示す図である。
【図４】図４は、サニヤック位相シフトにより修正された図２と３における位相差の時間での変化、得られた位相差のあとの干渉パワーの変化、及び時間でのこのパワーの変化を示す図である。
【図５】第５図は、本発明の方法により、図１の三つのジャイロスコープの干渉計の各々に加えられるバイアス位相シフトの時間での変化を示す図である。
【図６】図６は、第１の多重化モードによる、図１の回転している三つの干渉計の各々で得られた干渉パワーの時間での変化と、光検出器で受けたパワーを示す図である。
【図７】図７は、図１の三軸ジャイロスコープ及び図５の多重化に対応する、分離復調回路を示すブロックダイアグラム。
【図８】図８は、図７の回路で三つの分離復調信号が加えられた時間での変化を表す図である。
【図９】図９は、図１の三つの干渉計の各々のための加えられたバイアス位相差と分離及び対応復調信号を示す図である。
【図１０】図１０は、２軸ジャイロスコープのための分離復調信号に対応する、本発明による方法を用いたバイアス位相差を示す図である。
【図１１】図１１は、Ｎ個の測定軸を持ったジャイロスコープのための、分離復調信号に対応する、本発明による方法を用いたバイアス位相差を示す図である。
【図１２】図１２は、干渉計で加えられる逆反作用位相シフト、遷移期間により置き換えられた同じ位相シフトの時間での変化と、発生した逆反作用の位相差を表す図である。
【図１３】図１３は、干渉計で加えられたバイアス位相シフトの、遷移期間のためのその置き換えの、対応するバイアス位相差の時間での変化と、変調周期がわずかに遷移期間より大きい時の干渉パワーを示す図である。
【図１４】図１４は、変調周期が遷移期間の二倍より大きい、等しい、及び小さい時の非対称変調の場合の干渉パワーの時間での変化を示す図である。
【図１５】図１５は、同期（synchronous ）ゲートの存在の下で、遷移期間の二倍より大きい変調周期で非対称変調の場合の干渉パワーの時間での変化を表す図である。
【図１６】図１６は、可変低雑音光源を示すブロックダイアグラム。
【図１７】図１７は、図１６で示されたカレントミラーと変調されたソース回路を示すダイアグラム。
【図１８】図１８は、本発明による多重軸ジャイロスコープの第２実施形態を示す図である。
【図１９】図１９は、四つの測定軸を持った、本発明による多重軸ジャイロスコープの第３実施形態を示す図である。
【図２０】図２０は、本発明による二つの２軸ジャイロスコープを組み合わせて、四つの測定軸を持った、ジャイロスコープのブロックダイアグラムを示す図である。
【符号の説明】
１…光源
２…光検出器
３…光ファイバー
４、５…カプラー
６…光Ｙ接合
７…変調器
１０…コイル
１１…電子処理装置
１４…中央ガイド
１５…枝ガイド
５７…積分器
６１、６２、６３…分離装置
６５…電子的分離復調装置
８５…低雑音電流発生器
８６…積分器
９２…比較器
９５…論理ゲート
９６…ＳＬＤ
９７…カレントミラー
【図１】
0004142120.tif 000005
【図２】
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【図３】
0004142120.tif 000007
【図４】
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【図５】
0004142120.tif 000009
【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
0004142120.tif 000013
【図１０】
0004142120.tif 000014
【図１１】
0004142120.tif 000015
【図１２】
0004142120.tif 000016
【図１３】
0004142120.tif 000017
【図１４】
0004142120.tif 000018
【図１５】
0004142120.tif 000019
【図１６】
0004142120.tif 000020
【図１７】
0004142120.tif 000021
【図１８】
0004142120.tif 000022
【図１９】
0004142120.tif 000023
【図２０】
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