(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、光ファイバコイルと、光源から出射される光を分岐して光ファイバコイルの両端末に結合すると共に光ファイバコイルを周回した左廻り光と右廻り光を合波する光分岐結合器と、光分岐結合器において合波された干渉光の強度を検出する光電変換器と、光電変換器の出力を入力して検出信号を得る信号検出部と、検出信号に基づいて角速度データを生成するフィードバック信号部と、角速度データ処理部より成る光ファイバジャイロにおいて、
角速度データ処理部は、温度センサが検出出力する温度Ｔを入力し、これを時間微分処理して出力する温度時間微分演算部を有し、
温度センサの出力する温度Ｔ、温度時間微分演算部の出力する温度毎の時間微分、および光ファイバジャイロの角速度出力が入力され、バイアス補正値Ｂを演算処理する補正値演算処理部を有し、
但し、
Ｂ＝ａ0＋ａ1Ｔ＋ａ2Ｔ2＋・・・・・＋ａnＴn＋＋ｄＴ／ｄｔ｛ｂ0＋ｂ1Ｔ＋ｂ2Ｔ2＋・・・・・・＋ｂnＴn｝
Ｔ：温度
ｄＴ／ｄｔ：温度毎の時間微分
ｔ：時間
ａ0：０次温度補正係数＝°／ｈ
ａ1：１次温度補正係数＝°／ｈ／ｖ
ａ2：２次温度補正係数＝°／ｈ／ｖ2
ａ3：３次温度補正係数＝°／ｈ／ｖ3
：
：
ａn：ｎ次温度補正係数＝°／ｈ／ｖn
ｂ0：温度微分０次温度補正係数＝°／ｈ／（ｖ／ｓ）
ｂ1：温度微分１次温度補正係数＝°／ｈ／（ｖ2／ｓ）
ｂ2：温度微分２次温度補正係数＝°／ｈ／（ｖ3／ｓ）
ｂ3：温度微分３次温度補正係数＝°／ｈ／（ｖ4／ｓ）
：
：
ｂn：温度微分ｎ次温度補正係数＝°／ｈ／（ｖn+1／ｓ）
°：角度
ｈ：単位時間
ｖ：単位温度
ｓ：微小時間
光ファイバジャイロの角速度出力から補正値演算処理部の演算出力するバイアス補正値Ｂを減算して補正された零点出力ドリフトを出力するドリフト補正部を有するものであることを特徴とする光ファイバジャイロ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、光ファイバジャイロに関し、特に、ドリフト量を温度毎の時間微分ｄＴ／ｄｔにより補正して最小限に抑える光ファイバジャイロに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来例を図７を参照して説明する。
光源１から出射した光は、光カプラ２を経て光分岐結合器３に入射し、ここで分岐して光ファイバコイル４の両端末に入射する。光ファイバコイル４の両端末に入射した左右両廻り光ＣＣＷ、ＣＷは、光ファイバコイル４を周回前、或いは周回後に光ファイバコイル４の一方の端末に配置した位相変調器３１により矩形波状の位相変調が付与され、再び光分岐結合器３に回帰し、回帰した両光はここで結合干渉する。この干渉光は、光カプラ２において分岐し一部は光電変換器５に入射し、ここで光電変換される。光電変換されて生成したアナログの電気信号は、信号検出部６のＡＤ変換器６１に入力してディジタルワードに変換される。このディジタルワードは、同期検波回路６２において入力角速度に対応した信号に検波される。位相変調器３１に印加される位相変調信号を発生する位相変調信号発生回路９と同期検波回路６２はクロック回路６５のクロック信号により同期して動作せしめられる。検波された信号は光ファイバコイル４の左右両廻り光間の位相差に対応した出力信号であり、次段の電気フイルタである積分器６３に入力される。電気フイルタとしては、比例、微分、積分要素の何れの要素が含まれていても良いが、この実施例は通常使用されている積分要素のみを採用する。積分器６３の出力は、フィードバック信号である階段状鋸歯状波信号を発生するフィードバック信号発生部７のランプジェネレータ７１に入力される。ランプジェネレータ７１から出力された階段状鋸歯状波信号はディジタルワードであり、ＤＡコンバータ７２に入力してアナログの階段状鋸歯状波信号に変換されてから、クローズドループ信号印加部を構成する第２の位相変調器３２に印加される。以上の光分岐結合器３、位相変調器３１、第２の位相変調器３２は光ＩＣ３０として一体に構成されている。
【０００３】
ここで、信号検出部６の同期検波回路６２には、次式により示される出力Ｖｄが現われる。
Ｖｄ＝Ｋ・ｓｉｎΔφ・・・・・・・・・（１）
Δφ＝Δφｓ−Δφｆ・・・・・・・・（２）
但し、Ｋ：利得
Δφ：左右両廻り光間の位相差
Δφｆ：フィードバック位相差
である。
【０００４】
ここで、光干渉角速度計に入力角速度が印加されると、光ファイバコイル４を周回している左右両廻り光間にサニャック位相差Δφｓが発生する。その結果、同期検波回路６２にはその位相差に対応した出力が現れ、この出力は積分器６３に供給される。同期検波回路６２の出力は、積分器６３で累積加算され、次段のランプジェネレータ７１に供給され、ここで実質的に累積加算値に比例した繰り返し周期を有する階段状鋸歯状波のフィードバック信号が形成される。このフィードバック信号は、積分器６３の入力、即ち、同期検波回路６２の出力を零にする負帰還とされているので、式（１）および式（２）より、フィードバックによる位相差Δφｆと角速度印加により生じたサニャック位相差Δφｓは、極性が反対で絶対値は等しい値として現われる。従って、フィードバック位相差Δφｆと比例関係にある階段状鋸歯状波の繰り返し周波数ｆを測定すれば、サニャック位相差Δφｓと比例関係にある入力角速度を知ることができる。７３は階段状鋸歯状波の繰り返し周波数カウンタであり、角速度計出力が得られる。
【０００５】
以上の光ファイバジャイロには、光ファイバコイル４の温度変化、振動、衝撃に起因してジャイロ出力に変動が生ずる欠点がある。即ち、サニャック効果の外に光ファイバコイル４の両廻り光の伝播時間差を生ぜしめる原因が存在すると、これは角速度の測定誤差の発生につながる。光ファイバコイル４の両廻り光は光ファイバコイル内の同一光路を互に逆向きに伝播するのであるから、本来は光路長差は存在しない筈のものである。ところが、外乱として熱が光ファイバコイルに局所的に印加されて当該外乱印加部分が時間的に物理変化すると、その部分の光学的光路長は当該部分を通過する両廻り光のタイミング差に応じた変化をもたらす。その結果、光ファイバジャイロを構成する両廻り光に位相差を生成することとなる。振動、衝撃の如き機械的外乱によっても同様に位相差を生成する。これらの現象は、時間依存性外乱に起因するShupe 誤差として広く知られている。
【０００６】
先の周波数カウンタ７３の出力する角速度計出力にはShupe 誤差である零点出力ドリフトが含まれるが、これは角速度計出力を角速度データとして角速度データ処理部８に入力され、ここにおいて補正される。即ち、この角速度データ処理部８には、角速度データの他に、温度センサ８９により検出される光ファイバコイル４の温度情報として温度電圧が入力される。角速度データ処理部８は、繰り返し周波数カウンタ７３から入力される角速度計出力を処理して角度データを求めると共に、この角度データを温度センサ８９から入力される温度データに基づいて補正し、補正された角度データを出力する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
以上の温度に対する零点出力ドリフト、即ち、バイアス変動の補正、即ち、零点出力ドリフトの補正を実施するに際して、次式が採用されている。
Ｂ0＝ａ0＋ａ1Ｔ＋ａ2Ｔ2＋ａ3Ｔ3＋・・・・・＋ａnＴn・・・・・・・・・（１）
そして、温度変化に対するバイアス変動についても０次の補正係数による補正が施されている。
Ｂ0’＝ａ0（ｄＴ／ｄｔ）・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（２）
結局、式（１）は式（２）は併わせて（１）’として使用される。
Ｂ0＝ａ0＋ａ1Ｔ＋ａ2Ｔ2＋ａ3Ｔ3＋・・・・・＋ａnＴn＋ａ0（ｄＴ／ｄｔ）                                                  ・・・・・・・・・・（１）’
但し、
Ｂ0：補正値
ａ0：０次温度補正係数＝°／ｈ
ａ1：１次温度補正係数＝°／ｈ／ｖ
ａ2：２次温度補正係数＝°／ｈ／ｖ2
ａ3：３次温度補正係数＝°／ｈ／ｖ3
：
：
ａn：ｎ次温度補正係数＝°／ｈ／ｖn
°：角度
ｈ：単位時間
ｖ：単位温度
Ｔ：温度
ｄＴ／ｄｔ：温度毎の時間微分
ｔ：時間
図８を参照するに、式（１）’の時間についての温度毎の時間微分（ｄＴ／ｄｔ）は温度Ｔに関して鎖線により示されるが如き一定なものではなく、実際は実線により示されるが如き曲線状特性を有するものであることが分かってきた。即ち、この温度毎の時間微分は、光ファイバコイルに耐振性を付与する上において光ファイバコイルに含浸されている接着剤、光ファイバ自体の被覆材料の粘性が温度変化に応じて変化することに起因して一定ではなくなるものと考えられる。結局、温度毎の時間微分は光ファイバコイルにより個々に変化して様々な特性を示す。従って、式（１）’を採用してバイアス変動の補正を実施する場合、補正された角度データを時間的に短時間の内に適正範囲に収めることができない。
【０００８】
この発明は、上述の問題を解消した光ファイバジャイロを提供する。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１：光源１と、光ファイバコイル４と、光源１から出射される光を分岐して光ファイバコイル４の両端末に結合すると共に光ファイバコイル４を周回した左廻り光と右廻り光を合波する光分岐結合器３と、光分岐結合器３において合波された干渉光の強度を検出する光電変換器５と、光電変換器５の出力を入力して検出信号を得る信号検出部６と、検出信号に基づいて角速度データを生成するフィードバック信号部７と、角速度データ処理部８より成る光ファイバジャイロにおいて、角速度データ処理部８は、温度センサ８９が検出出力する温度Ｔを入力し、これを時間微分処理して出力する温度時間微分演算部８１を有し、温度センサ８９の出力する温度Ｔ、温度時間微分演算部８１の出力する温度毎の時間微分、および光ファイバジャイロの角速度出力が入力され、バイアス補正値Ｂを演算処理する補正値演算処理部８３を有し、
但し、
Ｂ＝ａ0＋ａ1Ｔ＋ａ2Ｔ2＋・・・・・＋ａnＴn＋＋ｄＴ／ｄｔ｛ｂ0＋ｂ1Ｔ＋ｂ2Ｔ2＋・・・・＋ｂnＴn｝
Ｔ：温度
ｄＴ／ｄｔ：温度毎の時間微分
ｔ：時間
ａ0：０次温度補正係数＝°／ｈ
ａ1：１次温度補正係数＝°／ｈ／ｖ
ａ2：２次温度補正係数＝°／ｈ／ｖ2
ａ3：３次温度補正係数＝°／ｈ／ｖ3
：
：
ａn：ｎ次温度補正係数＝°／ｈ／ｖn
ｂ0：温度微分０次温度補正係数＝°／ｈ／（ｖ／ｓ）
ｂ1：温度微分１次温度補正係数＝°／ｈ／（ｖ2／ｓ）
ｂ2：温度微分２次温度補正係数＝°／ｈ／（ｖ3／ｓ）
ｂ3：温度微分３次温度補正係数＝°／ｈ／（ｖ4／ｓ）
：
：
ｂn：温度微分ｎ次温度補正係数＝°／ｈ／（ｖn+1／ｓ）
°：角度
ｈ：単位時間
ｖ：単位温度
ｓ：微小時間
光ファイバジャイロの角速度出力から補正値演算処理部８３の演算出力するバイアス補正値Ｂを減算して補正された零点出力ドリフトを出力するドリフト補正部８４を有するものである光ファイバジャイロ装置を構成した。
【００１０】
【発明の実施の形態】
この発明は、以上の不均等な温度変化による光ファイバジャイロの零点出力ドリフト、即ち、バイアス変動を以下の式（３）により補正する。
Ｂ＝ａ0＋ａ1Ｔ＋ａ2Ｔ2＋・・・・・＋ａnＴn＋＋ｄＴ／ｄｔ｛ｂ0＋ｂ1Ｔ＋ｂ2Ｔ2＋・・・・＋ｂnＴn｝・・・・・・（３）
但し、
Ｂ：バイアス補正値
Ｔ：温度
ｄＴ／ｄｔ：温度毎の時間微分
ｔ：時間
ａ0：０次温度補正係数＝°／ｈ
ａ1：１次温度補正係数＝°／ｈ／ｖ
ａ2：２次温度補正係数＝°／ｈ／ｖ2
ａ3：３次温度補正係数＝°／ｈ／ｖ3
：
：
ａn：ｎ次温度補正係数＝°／ｈ／ｖn
ｂ0：温度微分０次温度補正係数＝°／ｈ／（ｖ／ｓ）
ｂ1：温度微分１次温度補正係数＝°／ｈ／（ｖ2／ｓ）
ｂ2：温度微分２次温度補正係数＝°／ｈ／（ｖ3／ｓ）
ｂ3：温度微分３次温度補正係数＝°／ｈ／（ｖ4／ｓ）
：
：
ｂn：温度微分ｎ次温度補正係数＝°／ｈ／（ｖn+1／ｓ）
°：角度
ｈ：単位時間
ｖ：単位温度
ｓ：微小時間
この発明の実施の形態を図１の実施例を参照して説明する。図１において、図７に示される部材と共通する部材には共通する参照符号を付与している。
【００１１】
図１において、８０は内部にＲＯＭおよびＲＡＭを有するＣＰＵである。
８１は温度時間微分演算部であり、温度センサ８９が検出して電圧の形式で出力する温度Ｔを入力し、これを微分処理し温度毎の時間微分ｄＴ／ｄｔを出力する部位である。
８３は補正値演算処理部である。この補正値演算処理部８３には、温度センサ８９の出力する温度Ｔが入力される一方、温度時間微分演算部８１の出力する温度毎の時間微分ｄＴ／ｄｔが入力される。補正値演算処理部８３には、更に、単位時間当りの角度変化であるドリフトを含む光ファイバジャイロの角速度出力も入力される。補正値演算処理部８３には、バイアス補正値Ｂを求める式（３）が設定され、先の入力に基づいて式（３）の演算処理が実行される。式（３）を形成する補正係数ａ0 、ａ1 、ａ2 、ａ3 、・・・・ａn 、ｂ0 、ｂ1 、ｂ2 、ｂ3 ・・・・ｂn は、光ファイバジャイロについて温度試験を実施し、予め決定しておく。この補正係数の決定の仕方を図４および図５を参照して説明する。
【００１２】
図４（ａ）は光ファイバジャイロを温度槽にセットして試験をするところを説明する図である。図４（ｂ）はジャイロ信号温度信号テーブルを示す図である。
１００は温度槽、１０１は光ファイバジャイロ、８０はＲＯＭおよびＲＡＭを有するＣＰＵを示す。
ＣＰＵ８０は伝送線路１０２を介して光ファイバジャイロ１０１およびこれに接触する図示されない温度センサと接続し、ジャイロ信号Ｂn およびジャイロ温度信号Ｔn を受信する。
【００１３】
（ステップ１）  温度槽１００の温度を図４（ｂ）に示される如く変化設定し、各設定温度において光ファイバジャイロ１０１の温度が安定したところで、当該温度Ｔに対応するジャイロ温度信号Ｔn を測定し、この温度において光ファイバジャイロ１００が発生するジャイロ信号Ｂn を測定する。
（ステップ２）  ＣＰＵ８０は、ジャイロ温度信号Ｔn およびジャイロ信号Ｂn を受信すると共に、各温度槽の温度Ｔに対応するジャイロ温度信号Ｔn についてＴn2、Ｔn3、Ｔn4、・・・・・・、Ｔnnを計算し、図４（ｂ）のジャイロ信号温度信号テーブルを作成する。
【００１４】
（ステップ３）  ジャイロ温度信号Ｔn をｘ軸に取ると共に、ジャイロ信号Ｂn をｙ軸に取り、適切な次数の多項式を使用して回帰分析を実行し、
Ｂ0＝ａ0＋ａ1Ｔ＋ａ2Ｔ2＋ａ3Ｔ3＋・・・・・＋ａnＴn
の各補正係数ａ0 、ａ1 、ａ2 、ａ3 、・・・・・・ａn を求める。
（ステップ４）  （ステップ１）において発生した特定の補正係数についての補正値と実側値の間の補正残差△Ｂn の図５（ａ）のテーブルを作成する。
（ステップ５）  （ステップ４）において求めた補正残差△Ｂn とジャイロ温度信号Ｔn を使用して、図５（ｂ）の積のテーブルを作成する。
【００１５】
（ステップ６）  積の温度信号をｘ軸に取ると共に、補正残差△Ｂn をｙ軸に取り、適切な次数の多項式を使用して回帰分析を実行し、
ｄＴ／ｄｔ｛ｂ0＋ｂ1Ｔ＋ｂ2Ｔ2＋・・・・＋ｂnＴn｝
の各補正係数ｂ0 、ｂ1 、ｂ2 、・・・・ｂn を求める。
８４はドリフト補正部であり、光ファイバジャイロから入力した角速度出力から補正値演算処理部８３において演算処理した結果であるバイアス補正値Ｂを減算して補正された零点出力ドリフトを出力する部位である。
【００１６】
以上の補正演算処理のフローを図６に示す。
この発明は、以上の通り、０次の温度の時間微分のみではなく高次の温度時間微分をも設定して零点出力ドリフト補正することにより、全動作温度範囲内において温度変化による零点出力ドリフトを小さく抑制することができる。そして、電源立ち上げ時の急激な温度変動、即ち、温度上昇に対しても高次の温度時間微分で補正することにより、バイアスが安定するに要するバイアス収束時間を短かくすることができる。
【００１７】
図２を参照するに、これは或る一定の温度下において光ファイバジャイロに電源を投入した場合のターンオン特性を説明する図である。図２（ａ）は光ファイバジャイロに何等の補正も施さない場合の測定誤差の収束特性を示す図であり、図２（ａ）は光ファイバジャイロに先の従来の式（１）’による補正を施した場合の測定誤差の収束特性と、この発明の式（３）による補正を施した場合の測定誤差の収束特性を示す図である。
図２（ｂ）において、従来の式（１）’による補正は、補正しきれない残差が存在し、要求範囲の下限近傍に収束している。これに対して、式（３）によるこの発明の補正は、補正しきれない残差は存在せず、要求範囲の上下限の中間近傍の誤差零のレベルに収束している。要求範囲内に収束するウオ ームアップ時間についても、従来の式（１）’による補正と比較して、この発明による式（３）の補正は１／４程度の短時間で測定誤差が要求範囲内に収束している。
【００１８】
図３を参照するに、これは温度変動下における測定データの変動を説明する図である。
図３（ａ）は光ファイバジャイロが曝された雰囲気の温度を示す図である。図３（ｂ）は光ファイバジャイロに何等の補正も施さない場合の測定データの変動を示す図である。図３（ｃ）は光ファイバジャイロに従来の式（１）’による補正を施した場合の測定データの変動を示す図である。図３（ｄ）は光ファイバジャイロに式（３）によるこの発明の補正を施した場合の測定データの変動を示す図である。
【００１９】
ここで、図３（ｃ）に示される従来の式（１）’による補正を施した場合の測定データの変動の範囲は、何等の補正も施さない図３（ｂ）の場合の測定データの変動の範囲と比較して、充分に小さく改善されている。しかし、図３（ｄ）に示される式（３）によるこの発明の補正を施した場合の測定データの変動は更に狭く、要求範囲の上下限の中間近傍の誤差零のレベルに収束し、安定している。
【００２０】
【発明の効果】
以上の通りであって、この発明は、光ファイバジャイロにおけるShupe 誤差による補正項を温度の０次項だけでなく、多項式により２次、３次の項を付加することにより、光ファイバジャイロの温度特性を精度良く補正することができる。そして、光ファイバジャイロの全作動温度範囲において温度変化によるバイアス変動を抑えることができる。
また、電源投入時の急激な温度上昇にも、高次の温度時間微分で補正することによりバイアスの収束時間を短かくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例を説明する図。
【図２】光ファイバジャイロに電源を投入した場合のターンオン特性を説明する図。
【図３】測定データの変動を説明する図。
【図４】補正係数の決定の仕方を説明する図。
【図５】図４の続き。
【図６】補正演算処理のフローを示す図。
【図７】従来例を説明する図。
【図８】温度毎の時間微分の温度による変化を説明する図。
【符号の説明】
８  角速度データ処理部
８１  温度時間微分演算部
８３  補正値演算処理部
８４  ドリフト補正部
８９  温度センサ
【図１】
0003795340.tif 000002
【図２】
0003795340.tif 000003
【図３】
0003795340.tif 000004
【図４】
0003795340.tif 000005
【図５】
0003795340.tif 000006
【図６】
0003795340.tif 000007
【図７】
0003795340.tif 000008
【図８】
0003795340.tif 000009