JP2000511283A - 低角速度での非線形性を低減した光ファイバ・ジャイロスコープ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 光ファイバ・ジャイロスコープの線形性は、ジャイロスコープのフィードバック信号をディザリングすることによって改善できる。ディザリング信号によって導かれる望ましくない効果は、ディザリング信号の全サイクルにわたってジャイロスコープのデータを処理することによって除去される。補償信号を導くことによって、線形性を更に改善することができる。

Description

【発明の詳細な説明】 低角速度での非線形性を低減した光ファイバ・ジャイロスコープ発明の背景 本発明は、概略、光ファイバ・ジャイロスコープに関する。特に、本発明は、 低角速度で生ずるエラー克服する構成に関する。 低角速度において、干渉測定用の光ファイバ・ジャイロスコープの光学系およ び電子工学系は、角度運動に感応し難く、結果的にデッドゾーンを生じる。入力 される角速度に対する線形応答の代わりに、伝達曲線は、ある定義されない閾値 が超えられるまで、フラットゾーンを呈し得る。 従って、任意の角速度に対して線形応答を呈するジャイロスコープを作成する ことが非常に望ましい。図面の簡単な説明 本発明のより完全な理解は、ここに列挙されていない他の目的および利点と同 様に、以下の詳細な説明と添付の図面を考慮することによって明らかになるであ ろう。 図１は、閉ループの干渉測定用の光ファイバ・ジャイロスコープのブロック図 である。 図２は、入力角速度を伴わない図１のジャイロスコープに対する伝達曲線の波 形図である。 図３は、入力角速度を伴う図１のジャイロスコープの対する伝達曲線の波形図 である。 図４は、ディザリングを伴う図１のジャイロスコープのブロック図である。 図５は、補償を伴う図４のジャイロスコープのブロック図である。発明の実施の形態 閉ループの干渉測定用の光ファイバ・ジャイロスコープ１０は、図１に示され ている。このタイプのジャイロスコープは、Hollinger他に１９９４年１月１１ 日に付与された、「性能改善のための信号処理配列を有する閉ループ光ファイ バ・ジャイロスコープ」に対する米国特許第５２７８６３１号、Hollinger 他に １９９４年１月１８日に付与された、「精角度解像度を有する閉ループ光ファイ バ・ジャイロスコープ」に対する米国特許第５２８０３３９号、Hollinger 他に １９９４年５月３日に付与された、「電子的ドリフトに対して感度が低減された 閉ループ光ファイバ・ジャイロスコープ」に対する米国特許第５３０９２２０号、 および Hollinger 他に１９９６年４月２日に付与された、「光ファイバ・ジャイ ロスコープにおける同調集積型光学変調器」に対する米国特許第５５０４５８０ 号、に詳細に論述されており、これら全ての文献はここで参照される。 図１に示されたように、ジャイロスコープ１０は、光源２０、双方向性カプラ ー３０、スプリッタ／変調器４０、光ファイバ検知コイル５０、検出器６０、お よび信号プロセッサ７０、を有している。信号プロセッサ７０は、更に図示され ているように、前置増幅器７２、アナログ／ディジタル（Ａ／Ｄ）変換器７４、 同期復調器７６、加算器または積分器７８、ランプ波発生器８０、方形波発生器 ８２、加算手段８４、ディジタル／アナログ（Ｄ／Ａ）変換器８６、変調信号増 幅器８８、および出力プロセッサ９０、を有している。 光源２０からの光は、双方向結合器３０を介してスプリッタ／変調器（分光／ 変調器）４０に至り、該スプリッタ／変調器４０において２つのビームに分光さ れ、光ファイバ検知コイル５０に入光する。そして、一方のビームは、右回り方 向に進行し、他方のビームは左回り方向に進行する。これらの２つのビームは、 再結合されて、スプリッタ／変調器４０及び双方向カプラー３０を介して戻り、 検出器６０に至る。 検出器６０の出力は、信号プロセッサ７０に入力し、前置増幅器７２で増幅さ れ、Ａ／Ｄ変換器７４によってディジタル形態に変換される。Ａ／Ｄ変換器７４ の出力は、復調器７６によって復調され、積分器７８で積分される。復調器７６ は、方形波検波器として構成される。 積分器７８の出力はランプ波発生器８０を駆動し、該ランプ波発生器８０から 、ループ・フィードバック信号をゼロにするための信号が発生される。ランプ波 発生器８０の出力カーブの傾斜は、ジャイロスコープ１０に対する入力角速度に 比例するように、決定される。 検出器６０の出力は、図２に示されている伝達曲線によって表されている。入 力角速度がゼロのとき、検出器の出力は、図２の点Ｘに示されているように、安 定状態の動作点上にある。入力角速度が適用されると、動作点は一方又は他方の 方向にシフトする。しかしながら、伝達曲線の傾斜が安定状態の動作点において は比較的平坦であることから、感度は低く、移動方向を決定することができない 。 感度を改善しかつ角速度の変化方向を検出するための手段を提供するために、 ランプ波発生器８０の出力は、加算手段８４において、方形波発生器８２からの 方形波バイアス信号により変調される。ランプ波発生器８０の出力を方形波によ り変調することにより、ジャイロスコープ１０の動作点は、伝達関数曲線のピー ク点から（点Ａ及びＢへ）シフトされ、これら２つの点の間で振動する。方形波 信号の周波数として３０ｋＨｚが適切であるが、該周波数は、以下に示されるジ ャイロスコープの物理パラメータに依存している。 ｆ＝１／２γ 及び γ＝ｎＬ／ｃ ただし、ｆ＝変調周波数 γ＝検知コイルを通過する遷移時間 ｎ＝検知コイルの屈折率 Ｌ＝検知コイルの長さ ｃ＝光速 加算手段８４の出力はＤ／Ａ変換器８６を駆動し、そして、該変換器８６の出 力は変調信号用の増幅器８８を駆動する。該増幅器はスプリッタ／変調器４０に 結合されている。ランプ波発生器８０の出力はまた出力プロセッサ９０に供給さ れ、該プロセッサは、供給された角速度（ジャイロスコープ１０の情報出力）を 示す信号を生成する。 検知コイル５０に角速度が供給されていない場合は、２つのビームは同位相で あり累積的（cumulative）である。方形波バイアス信号は、図２に示されている ように、動作点を点Ａ及びＢにシフトし、したがって、検出器６０の出力は、方 形波を２つに等分した１／２波形のそれぞれにおいて、同一となる。方形波発生 器８２の出力により、Ｄ／Ａ変換器８６の入力が図２に示すように点Ａ及び点Ｂ の間で振動する。 角速度がゼロのままであると、復調器７６の出力はゼロとなる。したがって、 積分器７８の出力はゼロのままであり、ランプ波発生器８０はその出力を一定に 保持する。加算手段８４の出力は、アナログ信号に変換されて、（増幅器８８に より）増幅後にスプリッタ／変調器４０に供給される。このようにする代わりに 、Ｄ／Ａ変換器８６を加算手段８４の前段に配置することにより、ランプ波発生 器８０の出力をアナログ信号に変換してから方形波をアナログ・ドメインで供給 するようにすることができる。 方形波変調は、ジャイロスコープ１０の出力に影響を与えることがない。プロ セッサ９０の出力は、積分する複数の変調サイクルの期間に渡って速度（rate） 計算を実行し、これにより、方形波の影響を排除する。計算された速度は、ラン プ波発生器８０の出力の１つの出力サイクルから次の出力サイクルへの増分変化 に基づいて、決定される。出力サイクルに関する周波数範囲は、１００Ｈｚ〜１ ０００Ｈｚが好適である。 角速度が検知コイル５０に供給されたとき、２つのビームは、再結合のときに 同相にならず、従って一方を他方から減じ、検出器６０により検出された伝達曲 線上で動作点ＡとＢとのシフトを生じる。復調器７６は検出した信号のオーバタ イムにおける変化を検知するので、その出力はもはやゼロでなく、従って積分器 ７８はランプ波発生器８０に存在する右回りビームと左回りのビーム間の位相差 に比例するノン・ゼロ出力を発生する。次いで、最後に方形波形発生器８２によ り変調された信号が、スプリッタ／変調器４０に供給される。このスプリッタ／ 変調器４０は、検知されたループ信号をゼロ値に戻すように動作し、適用された 角速度に応答してシステムを再バランスする。再バランスの結果、点ＡとＢは、 図２の波形に示された各々の位置に戻る。 高角速度では、システムは正当に正しく動作する。しかし、低角速度では、合 成されたエラー信号は、比較的に低振幅であり、システムの光学的および電気的 構成部分の不完全により生じる重要な非線形性即ちデッドゾーンを導く。これら の影響を打ち消すために、周期的なデイザー（ｄｉｔｈｅｒ）信号が導入され、 角速度がゼロまたはゼロに近いときにさえ全エラー源が継続的に動作されること を保証する。図４に示すように、デイザー信号は、デイザー・パターン発生器１ １０により発生され、加算手段８４で導かれる。 ジャロスコープ・システム１００の性能は、デイザー信号の付加的入力に対し て明白である。最初に、デイザー信号の平均値は、デイザーの１サイクルにわた ってゼロである。第２に、閉ループのフィードバックはゼロを変調し、従って信 号プロセッサは、付加的入力を単に補償する。 三角波形即ち、略々三角波形であるディジタル階段ステップ・ランプ信号は、 当業者には容易に生じるように、他の対称波形を使用するかもしれないが、デイ ザー信号に対して２つの選択された波形である。各々のステップのサイズは、結 果として与えられるデイザー信号の周波数がジャロスコープ・システム１００の 閉ループ帯域幅より大きいように選択される。デイザー信号の最適な周波数は１ ２５０Ｈｚであり、これは特定のジャロスコープに利用された公称閉ループ帯域 幅（例えば、５０Ｈｚ）の５倍である。 デイザー信号は、完全にはデッドゾーンを除去しない。ジャロスコープ閉ルー プ・ゲインはデイザー信号の周波数でゼロでないので、システムは、それが速度 入力のようにデイザー信号に応答し、その結果、減少するが小さいデッドゾーン を残させる検出器の成分を生じる。更なる改良は、図５に示されるように、これ らのエラーを補償するために復調器７６の出力に対して補償信号を導入すること によ達成される。 補償信号はデイザー・パターン発生器１１０により発生され、第２の加算手段 ２１０で復調された信号と結合される。補償信号は、デイザー信号と同じ周波数 と位相を有する方形波形である。補償信号の振幅は、ジャロスコープ閉ループ応 答のデイザー信号の影響を除去するように調整される。結合された信号は、積分 器７８に送られ、最後にスプリッタ／変調器４０に到達する。 最適な実施の態様について述べたが、当業者には本発明を変える事なく他の実 施の態様を用いることができることは明かである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，Ｌ Ｕ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ， ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，Ｓ Ｄ，ＳＺ，ＵＧ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＵ，ＢＢ，ＢＧ ，ＢＲ，ＣＡ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＥＥ，ＧＥ，ＨＵ， ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＰ，ＫＲ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，Ｌ Ｔ，ＬＶ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＺ，ＰＬ ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＲ，ＴＴ， ＵＡ，ＵＺ，ＶＮ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 角速度を検知する光ファイバ・ジャイロスコープを備え、当該光ファイバ ・ジャイロスコープは、 光出力を発生する光源と、 当該光出力を２つのビームに分割し、その一方のビームを変調し、且つこれら ２つのビームを再結合するスプリッタ／変調器と、 前記一方のビームを光ファイバ検知コイルを介して時計方向に向きを変え、且 つ他方のビームを当該光ファイバ検知コイルを介して反時計方向に向きを変える 当該光ファイバ検知コイルと、 前記の再結合されたビームを検出し、その再結合されたビームの大きさに比例 する出力を与える検出器とを含み、 前記検出器の出力に応答してフィードバック信号を発生し、当該フィードバッ ク信号を前記スプリッタ／変調器に与えるプロセッサを更に備え、当該プロセッ サは、 当該出力に応答して、時計方向のビームと反時計方向のビームとの間の位相差 に比例し且ついずれの所与の角速度に対する定常状態動作点を示すフィードバッ ク信号を発生するランプ波発生手段と、 定常状態動作点をシフトするバイアス機能発生器と、 前記フィードバック信号を前記動作点の瞬時値の周りで連続的に発振させるた めの波形を発生するディザー・パターン発生器とを含む、 システム。 ２． 補償信号を前記検出器の出力に加え、前記ディザー・パターン発生器によ り導入された出力の成分を除去する手段を更に含む請求項１記載のシステム。 ３． 前記補償信号が、前記ディザー・パターン発生器の出力と同じ周波数及び 位相を有する方形波である請求項２記載のシステム。 ４． 速度検知光ファイバ・ジャイロスコープの出力に応答してフィードバック 信号を発生する信号プロセッサにおいて、 前記速度検知光ファイバ・ジャイロスコープは、 光出力を発生する光源と、 当該光出力を２つのビームに分割し、前記フィードバック信号に応答して当該 ２つのビームを変調し、且つこれら２つのビームを再結合するスプリッタ／変調 器と、 前記スプリッタ／変調器からの２つのビームの一方を光ファイバ検知コイルを 介して時計方向に向きを変え、且つ他方のビームを当該光ファイバ検知コイルを 介して反時計方向に向きを変える当該光ファイバ検知コイルと、 前記の再結合されたビームを検出し、当該再結合されたビームの大きさに比例 する出力を与える検出器とを含み、 当該出力に応答して、時計方向のビームと反時計方向のビームとの間の位相差 に比例し且ついずれの所与の角速度に対する定常状態動作点を示すフィードバッ ク信号を発生するランプ波発生手段と、 定常状態動作点をシフトするバイアス機能発生器と、 前記フィードバック信号を前記動作点の瞬時値の周りで連続的に発振させるた めの波形を発生するディザー・パターン発生器と を備える信号プロセッサ。 ５． 補償信号を前記検出器の出力に加え、前記ディザー・パターン発生器によ り導入された出力の成分を除去する手段を更に含む請求項４記載のシステム。 ６． 前記補償信号が、前記ディザー・パターン発生器の出力と同じ周波数及び 位相を有する方形波である請求項５記載のシステム。 ７． 光ファイバ検知コイルを備える光ファイバ・ジャイロスコープにおける角 速度を検知する方法において、 光出力を発生するステップと、 当該光出力を２つのビームに分割するステップと、 当該２つのビームの一方を前記光ファイバ検知コイルを介して時計方向に向き を変え、且つ他方のビームを前記光ファイバ検知コイルを介して反時計方向に向 きを変えるステップと、 前記２つのビームを再結合するステップと、 前記の再結合されたビームを検出し、その再結合されたビームの大きさに比例 する出力を与えるステップと、 当該出力に応答して、フィードバック信号を発生し、当該フィードバック信号 に応答して光ビームを変調するステップとを備え、 前記フィードバック信号を発生するステップは、 時計方向のビームと反時計方向のビームとの間の位相差に比例し且ついずれの 所与の角速度に対する定常状態動作点を示すフィードバック信号を発生するステ ップと、 定常状態動作点をシフトするステップと、 フィードバック信号を動作点の瞬時値の周りで連続的に発振させるステップと を含む、 方法。 ８． フィードバック信号を動作点の瞬時値の周りで連続的に発振させる前記ス テップが非対称波形を発生するステップを含む請求項７記載の方法。 ９． 補償信号を前記出力に加え、フィードバック信号を動作点の瞬時値の周り で連続的に発振させる前記ステップにより導入された出力の成分を除去するステ ップを更に含む請求項７記載の方法。 １０． 前記補償信号が、ディザー信号と同じ周波数及び位相を有する方形波で ある請求項９記載の方法。