JP2012103251A - 光ファイバージャイロスコープにおける放射及び振動の不感度性のためのデジタル復調強度抑制と組み合わせた光源電流サーボ機構を用いる一定光パワーセンサー - Google Patents

Abstract

【課題】光ファイバージャイロスコープにおける改良された光パワー制御システム及び光パワー制御方法を提供する
【解決手段】光ファイバージャイロスコープのためのシステム及び方法が提供される。１つの実施の形態では、光ファイバージャイロスコープは、光学経路を通って光を送信する光源に結合された光源電流サーボ機であって、該光源を作動させる電流を供給する光源電流ドライブを介して、光学経路を通る光の強度を制御する、光源電流サーボ機構と、光検出器を介して光学経路に結合された強度制御信号プロセッサであって、該強度制御信号プロセッサは、光源電流サーボ機構に強度制御信号を出力し、該強度制御信号は、光検出器で受信された光の強度の関数である、強度制御信号プロセッサとを備え、光源電流サーボ機構は、強度制御信号を安定したアナログ電圧基準と比較して、光源電流ドライブを調整し、光検出器における光パワーを一定のレベルに向けて駆動する。
【選択図】図１

Description

本発明は、光ファイバージャイロスコープにおける放射及び振動の不感度性のためのデジタル復調強度抑制と組み合わせた光源電流サーボ機構を用いる一定光パワーセンサーに関する。

［関連出願の相互参照］
本願は以下の米国特許出願に関連し、これらの米国特許出願はそれぞれ、その全内容が参照により本明細書に援用される：
米国特許第５，４６５，１４９号として１９９５年１１月７日に発行された米国特許出願第０８/２０９，５１０号、
米国特許第５，８１２，２６３号として１９９８年９月２２日に発行された米国特許出願第０８/７７，０９２号、
米国特許第７，３３３，２０９号として２００７年５月１０日に発行された米国特許出願第１１/２７１，９９４号、
米国特許第６，７６５，６７８号として２００４年７月２０日に発行された米国特許出願第１０/０４１，１９２号、
米国特許第７，０３８，７８３号として２００６年５月２日に発行された米国特許出願第１０/４４３，９５８号、
米国特許出願公開第２００８／００７９９４６号として２００８年４月３日に公開された米国特許出願第１１/５２９，９６７号、及び
米国特許第５，４６９，２５７号として１９９５年１１月２１日に発行された米国特許出願第０８／１５８，１１６号。

光ファイバージャイロスコープ（ＦＯＧ）は、回転軸を中心とした回転速度又は角速度の変化を測定するのに用いられてきた。基本的な従来の光ファイバージャイロスコープ（ＦＯＧ）は、光源、ビーム分割デバイス、光ファイバーのコイル、及びシステム光検出器を備える。ビーム分割デバイスは、光源からの光を、コイルを対向伝播方向に伝播して最終的には光検出器で集束する別々のビームに分割する。コイルの回転速度は、例えばサニャック効果によって引き起こされる干渉等、光検出器での受信された光の光学特性に基づいて求めることができる。或る特定の用途では、ＦＯＧの性能要件を満たすために、対象とする光学特性には、光検出器で受信される光パワーがほんの僅かのみであることが必要とされる。電力消費及び加熱効果を低減するだけでなく、低光パワーで動作することで、非直線光学効果によるバイアス不安定性が低減される。しかしながら、ＦＯＧの寿命を超えると、光回路はより多くの光損失を生み出し、これは、光源によって生成されて光検出器に実際に到達する光パワーがより少なくなることを意味する。光検出器で受信される光が少なくなるにつれて、センサーは、回転に対する感度がより低くなり、回転の信号対雑音比の低減を示す。光ビームが寿命の初めに低光パワーでのみ送信されて、非直線光学誤差が軽減されると、センサーが性能要件をもはや満たすことできなくなる前の光回路の経時変化を考慮するのに、比較的小さなマージンが利用可能である。

この問題の１つの可能性のある解決策は、デジタル電子機器を用い、光回路の損失が多くなると、場合によっては光源の光パワー出力を増加させて、光検出器で受信される光パワーレベルを比較的一定に維持することである。今日、ＦＯＧの技術分野で実用化されているように、光源は、該光源の光パワー出力が実用可能な限り一定となるように非常に安定したパワー基準を用いて駆動され、これは、その結果として光検出器で受信されるパワーレベルが安定したものとならなくても行われる。この理由は、光源の光パワーの変動がＦＯＧ内のスケールファクターのシフト等の誤差を生み出す可能性があるからである。同様に、光パワーに有限ステップの調整を導入して光回路の経時変化に対処することも、許容できないスケールファクター誤差をジャイロスコープ内に生成するおそれがある。例えば、比較的一般的なデジタル／アナログ変換器（ＤＡＣ）（例えば１２ビット分解能を有する）を用いてフィードバック信号を生成し光源を制御する場合、その結果ジャイロスコープ内で生み出されるステップ誤差は、多くの用途にとって耐えられないものとなる。より高い分解能のＤＡＣを使用することができるが、そのようなデバイスは、それに対応してより大きなフットプリント及びパワーを必要とし、より多くの熱を発生させる。

上述した理由、及び本明細書を読んで理解することで当業者には明らかになる後述する他の理由により、この技術分野では、光ファイバージャイロスコープにおける改良された光パワー制御システム及び光パワー制御方法が必要とされる。

本発明の実施の形態は、光ファイバージャイロスコープにおける光パワー制御方法及び光パワー制御システムを提供し、以下の明細書を読んで検討することによって理解されることになる。

１つの実施の形態では、光ファイバージャイロスコープが、光学経路を通って光を送信するジャイロスコープ光源に結合された光源電流サーボ機であって、前記ジャイロスコープ光源を作動させる電流を供給する光源電流ドライブを介して、前記光学経路を通る前記光の強度を制御する、光源電流サーボ機構と、光検出器を介して前記光学経路に結合された強度制御信号プロセッサであって、該強度制御信号プロセッサは、前記光源電流サーボ機構に強度制御信号を出力し、該強度制御信号は、前記光検出器で受信された前記光の強度の関数である、強度制御信号プロセッサと、を備え、前記光源電流サーボ機構は、前記強度制御信号を安定したアナログ電圧基準と比較して、前記光源電流ドライブを調整し、前記光検出器における光パワーを一定の光パワーレベルに向けて駆動する。

これらの特徴、態様、及び利点、並びに他の特徴、態様、及び利点は、以下の説明、添付の特許請求の範囲、及び添付図面についてより良く理解される。

本発明の１つの実施形態の光ファイバージャイロスコープの簡略化した概略図である。 本発明の１つの実施形態の光ファイバージャイロスコープの簡略化した概略図である。 本発明の１つの実施形態の光ファイバージャイロスコープの簡略化した概略図である。 本発明の１つの実施形態の光ファイバージャイロスコープの簡略化した概略図である。 本発明の１つの実施形態の光ファイバージャイロスコープの簡略化した概略図である。 本発明の１つの実施形態の光ファイバージャイロスコープの簡略化した概略図である。 本発明の１つの実施形態の光ファイバージャイロスコープの簡略化した概略図である。 本発明の１つの実施形態の方法の実施形態の一実施形態のフロー図である。

一般的な慣行に従い、説明するさまざまな特徴は、一律の縮尺で描かれておらず、本発明に関連する特徴を強調するように描かれている。同様の参照符号は、図及び本文の全体にわたり同様の要素を示している。

以下の説明では、本説明の一部をなす添付図面が参照される。添付図面には、本発明を実施することができる特定の例示の実施形態として本発明が示されている。これらの実施形態は、当業者が本発明を実施することができるように十分詳細に説明され、他の実施形態を利用することができること、並びに本発明の範囲から逸脱することなく、論理的な変更、機械的な変更、電気的な変更、及び方法の変更を行えることを理解すべきである。したがって、以下の詳細な説明は、限定の意味に解釈すべきではない。また、この明細書のさまざまな部分は、切り離して読むことを意図しているのではなく、記載された説明の教示とともに全体として考慮することを意図している。

本発明の実施形態は、光源電流サーボ機構（light source current servo）を用いて、光検出器において一定の光パワーを配信する光ファイバージャイロスコープを提供する。代替的な実施形態は、低帯域幅／低雑音の光源電流サーボ機構を高帯域幅オフセット制御又はＤＣセンタリング（centering）機構と組み合わせて、放射及び振動の感度を抑制することを更に提供する。本発明の実施形態は、回転速度信号の同期復調又は非同期復調のいずれかと共に用いることができる。

以下でより詳細に説明されるように、本明細書で説明する光源電流サーボ機構は、長時間の定数を有しかつ急峻なステップもグリッチもヒステリシスも雑音もないサーボループを通じて光源電流を緩やかにかつ滑らかに調整することを提供する。これを提供することによって、回転信号対雑音比を一定に保つと同時に、非直線光学誤差を最小にすることが可能になるという利益が得られる。以下に提示する代替的な実施形態は、１）光源電流を調整するのにアナログ電圧を用い；２）低速（slow）Ｄ／Ａ変換器及び超低帯域幅サーボループを用いて光源電流を調整するデジタルワードを生成するのにフィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、マイクロプロセッサ、又は特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）等の電子機器を用い；かつ３）Ｄ／Ａ変換器、及び超低帯域幅ループに加えてこれらの前に、光源電流を調整するデルタシグマ手法（delta sigma approach）を用いて、サーボ機構を動作させる。

図１は、本発明の１つの実施形態のＦＯＧ１００の簡略化した概略図である。ＦＯＧ１００は、システム光検出器で受信される一定の光パワーで動作する。一定パワーの動作は、強度デジタル／アナログ変換器及び強度制御信号処理回路部によって駆動される強度サーボ機構及び光源電流制御サーボ機構によって維持される。従来のＦＯＧの構成及び動作はよく知られており、したがって、綿密には論じないことにする。ＦＯＧを論じた代表的なものは、１９９５年１１月７日にStrandjord他に対して発行された米国特許第５，４６５，１４９号に見ることができる。この米国特許は参照により本明細書に援用される。

図１に示すように、ＦＯＧ１００は、光源１０８、ファイバーカプラー又はサーキュレーター１１０（本明細書では光デバイス１１０と総称する）、本明細書で光集積チップ（ＩＯＣ）１１２と呼ぶ多機能処理チップ、及び光ファイバーコイル１１４を備える。これらは全て、光ファイバー部分１１６、１１８、１２０、及び１２２によってさまざまに接続される。１つの実施形態では、検知される回転の中心の軸の周囲に巻き付けられたシングルモード光ファイバーを用いて、コイル状光ファイバーが、コア又はスプールの周囲にファイバーコイル１１４を形成する。

光源１０８は、ＦＯＧ１００内に電磁波を伝播させる広帯域光源を備える。１つの実施形態では、光源１０８は、スペクトルの赤外線部分又は光学的部分で電磁波を提供する半導体スーパールミネセントダイオード又は希土類ドープファイバー光源である。一般的には、光源１０８は、ファイバーコイル１１４内の散乱場所におけるレイリー散乱及びフレネル散乱に起因したこれらの波の間の位相シフト差の誤差を低減するために、放射光について短いコヒーレンス長を有する。

システム光検出器１２８は、光ファイバー部分１１９から該システム光検出器に衝突する電磁波、すなわち光波を検出し、更には、カプラー１１０からの戻り結合光ビームを受信する。システム光検出器１２８は、受信した光波に応じた電流を生成する。

動作中、光源１０８は、光ファイバー１１６を介して広帯域光波をカプラー又はサーキュレーター１１０に送信する。サーキュレーター又はカプラー１１０は、光源からの光をＩＯＣ１１２に送信し、ＩＯＣ１１２から戻る光をシステム光検出器１２８に送信する。いくつかの実施形態では、以下で図５において論じるように、カプラー１１０は、相対強度雑音（ＲＩＮ）を低減するため、光源出力の一部分を別個の光検出器に誘導することができる。

ＩＯＣ１１２に送信された光は、２つの光波１２４、１２６に更に分割され、これらの光波は、１つの実施形態では、本明細書に参照により援用される米国特許第５、４６５，１４９号に説明されているように位相変調される。２つの光波１２４、１２６は、光ファイバー１２０、１２２を介してファイバーコイル１１４に送信される。光波１２４はファイバーコイル１１４の長さを時計回りに伝播する。同様に、光波１２６はファイバーコイル１１４の長さを反時計回りに伝播する。ファイバーコイル１１４から送信されＩＯＣ１１２に戻った後、２つの戻り光波１２４、１２６は結合され、次いで、カプラー１１０に提供される。カプラーは、結合された光波をシステム光検出器１２８に送信し、システム光検出器１２８は、電流信号１３４を信号処理電子機器１０４に供給する。コイル１１４の回転速度は、サニャック効果によって引き起こされた干渉から、光検出器１２８で受信された光の光学特性に基づいて信号処理電子機器１０４により求められる。

図１の実施形態では、システム光検出器１２８への一定の光パワーは、光源電流サーボ機構１０２及び強度制御信号プロセッサ１０５を用いることによって維持される。強度制御信号プロセッサ１０５は、プロセッサ１３３（デジタル復調機能及び累算機能を含むフィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、及び／又はマイクロプロセッサ等の技術を用いて実施することができる）並びに強度Ｄ／Ａ変換器１３６及び増幅器１３８を備える。光源電流サーボ機構１０２及び強度制御信号プロセッサ１０５の組み合わされた動作によって、ＦＯＧ１００は、該ＦＯＧ１００の寿命全体を通して、システム光検出器１２８において一定の光パワーを維持するのに十分な光パワーでの動作を維持することが可能になる。また、システム光検出器で受信された光の強度によって変動しないＤＣ電圧オフセットを有する強度制御信号も生成される。プロセッサ１３３は、ＩＯＣ１１２がコイル１１４内を進む対向伝播光ビームを位相変調するのに用いるバイアス変調信号を提供するために、ＩＯＣ Ｄ／Ａ変換器１３９に出力を更に提供する。

図１に示すように、システム光検出器１２８からの信号１３４は、信号処理電子機器１０５によって受信されると、信号処理電子機器１０４内において、まず増幅され（１３０）、次いでＡ／Ｄ変換器１３２によってデジタル化される。次に、このデジタル化された信号は、強度Ｄ／Ａ変換器１３６に指令するデジタル強度制御ワードを計算するためにプロセッサ１３３に供給される。強度Ｄ／Ａ変換器１３６の出力は、増幅され（１３８）、光源電流サーボ機構１０２に供給される。

図１に示す実施形態では、光源電流サーボ機構１０２は、安定したアナログ基準電圧１４０、比較増幅器１４２、超低域通過フィルター１４４（例えば、タウ＝ほぼ１ｍｓｅｃ〜数時間の時定数を有する）、及び光源電流ドライブ１４６を備える。

光源電流サーボ機構１０２は、出力された強度制御信号１５０を受信するように機能し、この信号を、システム光検出器１２８における目標光パワー又は公称光パワーを表す安定したアナログ基準電圧１４０と比較する。実際の強度Ｄ／Ａ変換器１３６の出力と目標値との間のずれはゼロ（null）にサーボ制御される。光源電流増幅器１４２の出力は、大きく低域通過フィルタリングされて（１４４）、光パワーの量子化雑音等の短期ジッターが最小にされる。このフィルタリングされた出力は、光損失の変化に応じてＦＯＧ１００の寿命にわたり緩やかに変動することになる。この出力は、光源電流ドライブ１４６に供給されて、光源１０８を駆動し、それによって、寿命にわたって目標値又は公称値にロックされたシステム光検出器１２８の光パワーを維持する。この実施形態の例では、フィルター１４４は超低帯域幅フィルターである。しかしながら、代替的な実施形態では、以下でより詳細に説明するように、フィルタリングは、当該技術分野で知られている代替的なフィルターによって達成することもできるし、微細な強度制御／フィルタリングのデルタシグマ手法を増強して達成することも、デルタシグマ手法に代わるものによって達成することもできることが理解される。

ＦＯＧ１００は、このようにして、ステップ誤差又は影響のある量子化雑音を導入することなく、システム光検出器１２８における一定の光パワーを維持するために、電流源を緩やかにかつ連続的に変動させる能力をもたらす。システム光検出器１２８において一定の光パワーを提供する能力によって、システムは、ＦＯＧ１００内の光学部品のいずれについても、その光学部品での光の損失を考慮することが可能になる。システム光検出器における光パワーのこの不変性は、センサーの信号対雑音比を、意図した設計値に安定化させる役割を果たす。第２の利益は、安定した光パワーによって、回転感度すなわちスケールファクターがシステム光検出器における光パワーに正比例するいわゆるオープンレートループ（open rate-loop）ＦＯＧ等のいくつかのＦＯＧ構成におけるスケールファクター不安定性が除去されることである。また、ＦＯＧ１００を低光パワー（すなわち、光検出器１２８において許容可能な光信号対雑音比を発揮するのに十分であるが、光パワーに比例した非直線誤差を最小にするように十分低い）で動作させる能力によって、これらの非直線光学効果に起因したバイアス不安定性が低減する。最後に、光源電流サーボ機構１０２は、低帯域幅を有する静穏なシステムを創出し、光パワーに対する突然の調整によって導入されるステップ誤差を回避する。

図２は、１０５で示す強度制御信号プロセッサが、任意選択のデルタシグマパルス幅変調器２１０（デルタシグマ回路とも呼ぶ）を更に備えることを除いては、図１のＦＯＧ１００と同じ構成を有するＦＯＧ２００の代替的な実施形態の概略図である。デルタシグマパルス幅変調器２１０では、雑音（シグマデルタパルス幅変調によって生成される）が、強度Ｄ／Ａ変換器信号に加えられて、量子化雑音が低減される。この代替的な実施形態では、デルタシグマパルス幅変調器２１０は、強度Ｄ／Ａデジタル制御ワードの最下位ビットを高速にディザリング（パルス幅変調）することによって強度Ｄ／Ａ変換器１３６の量子化雑音を有効に低減する。このようにして、デルタシグマ変調器４１０は、強度制御信号プロセッサ１０５及び光源電流サーボ機構１０２によって提供される強度サーボ機構制御ループにおいて量子化雑音を劇的に低減する。図４Ａ及び４Ｂについて以下で論じられるデルタシグマパルス幅変調に関する更に詳細な内容は、図２のデルタシグマパルス幅変調器２１０に適用可能である。

図３は、強度制御サーボ機構をＦＯＧ１００内の他の機能と容易かつ相乗効果的に組み合わせることができることを示している。例えば、図３は、光パワー制御がＡ／Ｄオフセット信号制御と組み合わされているＦＯＧ３００の一実施形態を示している。Ａ／Ｄオフセット信号制御の詳細な説明は、１９９８年９月２２日にMorganに対して発行された米国特許第５，８１２，２６３号に見ることができる。この米国特許は参照により本明細書に援用される。手短に言えば、Ａ／Ｄオフセット信号制御は、システム光検出器信号１３４が、増幅器１３０を通過した後、Ａ／Ｄ変換器１３２の有限の電圧範囲においてセンタリングされて該Ａ／Ｄ変換器に到達することを保証する手段である。そのようなセンタリングによって、Ａ／Ｄ変換器１３２の飽和（その結果、ＦＯＧ機能が著しく失われる）が防止されるだけでなく、回転信号対雑音比を最大にするために、増幅器１３０において最大利得を適用することも可能になる。そのようなＡ／Ｄ信号センタリングは、放射又は機械的衝撃等の事象が比較的急速なステップ関数変化を、光パワー、したがってＡ／Ｄ入力電圧に生成する場合がある荒れた外部環境でＡ／Ｄ飽和を防止するのに重要である。光強度制御をＡ／Ｄセンタリングと組み合わせることによって、ＦＯＧは、緩やかに変動する非直線光学誤差を（新たな雑音を導入することなく）軽減することが可能になり、同時に、放射事象又は衝撃事象（光強度制御にとってはるかに高速すぎて軽減することができない）の中にあっても、Ａ／Ｄをセンタリングされた状態に保つことが可能になる。また、Ａ／Ｄ信号センタリングによって、当業者に理解されるように、Ａ／Ｄ変換器自体の有限積分非直線性又は有限微分非直線性に起因したジャイロスコープ性能誤差が最小にされる。

図３が示すように、Ａ／Ｄセンタリング信号１５２及び強度制御信号１５０は、単一のＤ／Ａ変換器１３６を用いて都合よく生成することができる。増幅器１４２及び１３０の相対帯域幅は、２つのループのための対象となる時間スケールを決定する。すなわち、Ａ／Ｄセンタリング機能は、Ａ／Ｄ変換器１３２の入力における数百Ｈｚの帯域幅を有する急速な変化をゼロにするように設計することができる一方、光源電流サーボ機構１０２は、同時に、非直線光学誤差に起因した時間ごと又は日ごとのバイアスドリフトを最小にすることができる。この組み合わせによって、急速な環境の影響がＡ／Ｄ変換器１３２を飽和させることを防止する利益、Ａ／Ｄ変換器１３２の非直線性誤差を最小にする利益、及び緩やかに変動する非直線光学誤差の影響をサーボ制御で除去する利益が同時に提供される。

図４Ａは、光パワー制御における量子化雑音を最小にする高帯域幅Ａ／Ｄセンタリング及びデルタシグマパルス幅変調の双方の利益を提供するＦＯＧ４００の１つの実施形態を示している。

ＦＯＧ４００は、図１〜図３で説明したような光源電流サーボ機構１０２及び光回路１０１を備える。ＦＯＧ４００は信号処理電子機器４０４を更に含む。信号処理電子機器４０４は、上述した増幅器１３０、Ａ／Ｄ変換器１３２、及びプロセッサ１３３について説明したように動作する第１の増幅器４３０、Ａ/Ｄ変換器４３２、及びプロセッサ４３４を備える。ＦＯＧ１００と異なり、この実施形態では、強度制御信号プロセッサ４０５は２つの別個のＤ／Ａ変換器を備え、一方（４１２で示す）は、Ａ／Ｄセンタリングを維持するためのものであり、第２のもの（４１４で示す）は、通常ならば非直線光学誤差を生成する緩やかな光パワードリフトをゼロにするためのものである。

強度制御Ｄ／Ａ変換器４１４は、オフセット信号Ｄ／Ａ変換器４１２から独立しており、デルタシグマパルス幅変調器４１０にデジタルで供給される信号４０６に依拠している。信号４０６は、デルタシグマパルス幅変調器４１０（デルタシグマ回路とも呼ぶ）に提供され、最終的に、図３の強度Ｄ／Ａ変換器ＤＡＣ１３６と酷似した強度Ｄ／Ａ変換器４１４に出力信号４１１を供給し、信号４０６がアナログ領域に変換され、強度制御信号１５０が光源電流サーボ機構１０２に提供される。

その間、オフセット信号Ｄ／Ａ変換器４１２は、信号４０６に依拠してＡ／Ｄセンタリング信号４５２を生成する。Ａ／Ｄセンタリング信号４５２は、増幅され（４１５）、システム光検出器信号１３４と合計され、増幅器４３０を通って戻され、信号処理電子機器４０４を駆動する。上述したように、Ａ／Ｄオフセット信号制御は、システム光検出器信号１３４が、増幅器４３０を通過した後、Ａ／Ｄ変換器４３２の有限の電圧範囲においてセンタリングされて該Ａ／Ｄ変換器に到達することを保証する手段である。そのようなＡ／Ｄ信号センタリングによって、当業者に理解されるように、Ａ／Ｄ変換器４３２の飽和が（動的な振動状態、衝撃状態、及び放射状態のもとであって）防止され、Ａ／Ｄ変換器自体の有限積分非直線性又は有限微分非直線性に起因したＦＯＧ４００性能誤差も最小になる。

図４Ａの実施形態の例はさまざまな利点を有する。まず、独立した強度ＤＡＣ４１４を利用することによって、光源電流サーボ機構１０２は、オフセット信号Ｄ／Ａループの出力４５２に潜在的に影響を及ぼす可能性のある外部環境の大きな変化が回路内に存在すると仮定しても、その変化から防護される。したがって、光源電流サーボ機構１０２によって作成される外側ループは、より低コストの構成要素及びより低いフィルタリング能力で動作することができるが、それでも、ループ４５２からの可能性のある雑音が機能に影響を及ぼすことが防止される。この場合に、明確にするために、２つの別個のＤ／Ａ変換器が示されているが（すなわち、一方はオフセット制御機能のためのものであり、もう一方はデルタシグマ変調を用いた強度制御のためのものである）、いくつかの実施形態では、双方の機能を単一のＤ／Ａ変換器を用いて実行することが可能である。

図４Ｂは、デルタシグマパルス幅変調器４１０の一実施形態の概略図である。デルタシグマパルス幅変調器４１０は、光パワーの高精度デジタル表現である信号４０６を受信し、強度Ｄ／Ａ変換器４１４のバランスされた高周波数パルス幅変調を（ジャイロ雑音感度をかなり上回る周波数で）用いて、Ｄ／Ａ変換器４１４がこのディザリングなしで可能である分解能よりも高い分解能を有する平均アナログ値を生成する。強度Ｄ／Ａ変換器４１４によって表されるこの出力は、次に、光源電流サーボ機構１０２に提供され、光源電流サーボ機構１０２において、高精度電圧基準１４０と比較される。光源電流サーボ機構１０２によって提供される光源電流の初期値は、ユーザー又は代替的な機能回路によってプログラム可能とすることができ、動作時又は動作前の或る時に求めることができる。デルタシグマパルス幅変調器４１０は、信号４０６を用い、積分フィードバックループ（加算器４１６、積分器４１８、及びパルス幅量子化器４１９を備える）及び超低帯域幅サーボ機構１０２を介して平均出力をサーボ制御して積分誤差を除去する。すなわち、信号４０６の有限の量子化ステップは、信号４０６の下位ビットをディザリングし、次いでループ帯域幅フィルターを有する増幅器４１８において積分することにより平均される。

図４Ａ及び図４Ｂのデルタシグマ手法も種々の利点を有する。まず、変調器４１０のデルタシグマ回路部は、図３の実施形態と酷似し、信号処理電子機器４０４内においてオフセット信号Ｄ／Ａループから独立しており、したがって、その比較的高帯域幅のループ内で生成される雑音により影響を大きく受けない。さらに、デルタシグマ手法は、雑音成分が十分にフィルタリングされた十分小さなポンプ電流ステップ変化によって強度制御信号１５０を動作させることを可能にする。したがって、図４Ａ及び図４Ｂのデルタシグマ手法によって、光源電流サーボ機構１０２は、低コストで性能が低めの構成要素を用いても、高い電流制御性能を発揮することが可能になる。

図５に示す更に別の実施形態では、光源電流サーボ機構１０２によって達成される光パワーの制御をＦＯＧ１００内の更に他の機能と組み合わせることができる。例えば、図５は、図３で具体的に説明した光パワー制御が信号処理電子機器１０４内の追加の回路部と組み合わされて相対強度雑音（ＲＩＮ）の影響を低減する一実施形態（包括的に５００）を示している。ＲＩＮは、当業者によく知られているように、多くの場合、ＦＯＧ内の支配的な回転速度測定雑音源である。１９９５年１１月２１日にBlake他に対して発行された米国特許第５，４６９，２５７号、及び２００４年７月２０日に発行された米国特許第６，７６５，６７８号は、ともに参照により本明細書に援用されるが、ＦＯＧ雑音に対するＲＩＮの影響を低減する方法を記載している。図５は、カプラー／サーキュレーター１１０に結合された第２の光検出器５３２（ＲＩＮ光検出器５３２と呼ぶ）が光源１０８で生成された相対強度雑音を検知する一実施形態を伝えている。この雑音は、システム光検出器１２８に雑音を有するコモンモードであり、したがって、２つの光検出器信号を減算すると、その結果、システム光検出器信号は、ＲＩＮの多くが除去される。この減算手法は、双方の光検出器におけるＤＣ光パワーの正確な知識及び／又は正規化に依拠する。図５の実施形態では、信号処理電子機器１０４は、ＲＩＮ増幅器５１０、ＲＩＮ Ａ／Ｄ変換器５１２、及びＲＩＮ復調ブロック５１４を更に備える。ＲＩＮ増幅器５１０は、ＲＩＮ光検出器５３２からの出力を受信し、ＲＩＮ検出器の光パワーは、ＲＩＮ復調ブロック５１４の出力から求めることができる。ＲＩＮ光検出器５３２からの出力とレート復調器５１６からの出力（システム光検出器信号１３４から生成される）との間の差分（５１８で取られる）がプロセッサ１３３に提供される。次に、システム検出器パワーは、プロセッサ１３３によって強度Ｄ／Ａ変換器１３６に提供される強度Ｄ／Ａ制御ワードから求めることができる。

上記で論じた実施形態は、光コイルから出る光から測定される光パワーを安定化させるためにシステム光検出器を利用して説明されているが、本発明の範囲内の他の実施形態は、代替的に、例えば非直線光学効果をコイルの入口近くで補正するために、コイルに入る光パワーを安定化させることができる。当業者ならば、この明細書を検討すると、これは、光ビームの分割の前に、コイルに向かって進む光ビームの光パワーを監視する光検出器を（例えばカプラーを介して）利用することにより達成することができることを理解するであろう。ＲＩＮ光検出器は、この光パワーを測定することができる一例である。

図６は、光源電流サーボ機構１０２による光回路１０１の光パワー制御が、ＲＩＮ減算及び別の有益な機能、すなわちデジタル強度正規化と組み合わされて、ｋＨｚの周波数まで、さらには数十ｋＨｚの周波数までの振動からの急速な強度変調の影響を抑制する１つの詳細な実施形態（６００）を示している。デジタル強度正規化は、このように、光強度制御よりもはるかに高く、Ａ／Ｄセンタリングよりも更に高い、非常に高い帯域幅で行われる。したがって、光強度制御、Ａ／Ｄセンタリング、及びデジタル強度正規化を組み合わせることによって、図６の実施形態は、誤差を除去することができるこれまでよりも広い範囲の周波数／時間スケールをカバーする。

信号処理電子機器６０４内では、デジタル強度正規化は、図６に見られるような正規化回路６１０によって実施される。デジタル正規化の概念は、２００８年４月３日に公開されたGreeningに対する米国特許出願公開第２００８/０，０７９，９４６号に記載されている。この米国特許出願は参照により本明細書に援用される。図６の実施形態では、レート復調回路６１６及びＲＩＮ復調器（Demod）６１４の出力信号がともに、６１８における減算の前に、６１０において正規化される。この正規化によって、光源電流サーボ機構１０２による光パワーの緩やかな調整がＲＩＮ減算の効力を低減しないことが保証される。また、低帯域幅の光パワー制御を、それよりも高い帯域幅のＡ／Ｄオフセットセンタリング（６２０で包括的に示す）及び超高帯域幅の強度正規化と組み合わせることによって、サブＨｚから数十ｋＨｚのダイナミックレンジにわたるジャイロスコープ誤差メカニズムを抑制することが可能であることを理解することができる。

代替的な実施形態では、レート復調回路６１６は、システムのニーズに応じて、同期設計又は非同期設計とすることができることに留意されたい。同期復調設計及び非同期復調設計の詳細な内容は、２００7年５月１０日にGreening他に対して発行された米国特許第７，３３３，２０９号で論じられている。この米国特許は参照により本明細書に援用され。本発明の実施形態によって提供される光パワー制御は、同期復調及び非同期復調の双方と適合している。１つの実施形態では、相対強度雑音低減回転速度信号は、光路を進む光の変調を駆動する誤差抑制変調信号を生成するのに用いられる。また、１つの実施形態では、電子機器６０４のデジタル／アナログ変換器ループが結合されて、システム光検出器１２８からの電気信号１３４を受信し、システム光検出器１２８で受信された光の強度によって変動しないＤＣ電圧オフセットを有する強度制御信号１５０を出力する。図６に示すように、信号処理電子機器６０４はデジタル制御信号を出力する。このデジタル制御信号は、アナログに変換され（６２２）、増幅されて（６２４）、ＩＯＣ１１２において光ビームの変調を駆動するバイアス変調信号を生成する。

図７は、本発明の１つの実施形態の方法の一実施形態のフロー図である。この方法は、７１０から開始し、システム光検出器において測定される光ファイバージャイロスコープの光学経路内の光の強度を求める。ここで、光学経路内の光は光源によって生成される。この方法は、７２０に進み、例えばシステム光検出器において光学経路内の光の強度から導出されたアナログ信号を安定したアナログ電圧基準と比較することにより、光源電流サーボ機構を用いて、光源を動作させる光源電流ドライブの電流出力を制御する。

この方法は７３０に進み、光源電流ドライブの調整に、電流出力から量子化雑音を除去するフィルターを適用する。１つの実施形態では、光源電流ドライブの調整にフィルターを適用することは、光源電流ドライブを制御する信号に超低帯域幅フィルターを適用することを含む。長時間一定（例えば、ほぼ数秒〜数時間）を有する光源電流サーボ機構を利用することによって、光源電流は、急峻なステップもグリッチもヒステリシスもなく緩やかにかつ滑らかに調整される。別の実施形態では、フィルターを適用することは、雑音スペクトルをデジタルループ出力信号から積分消去するデルタシグマ積分フィードバックループを用いて、デジタルループ出力信号を処理することを含む。他の実施形態では、当業者がこの明細書を読めば理解するように、他の形態のフィルタリングを適用することもできるし、組み合わせることもできる。

図７に提示する方法の１つの実施形態では、光源電流サーボ機構は、１組の信号処理電子機器内で強度Ｄ／Ａ変換器から出力信号を受信するように機能し、その信号をフィルタリングして、影響のある量子化雑音なしでジャイロスコープの光源を駆動する光源電流を達成する。このフィルタリングされた出力は、ＦＯＧの寿命にわたって緩やかに変動し、光源電流ドライブに供給されて光源を駆動する。また、Ａ／Ｄセンタリング制御ループ及びデジタル強度正規化回路を含む信号処理電子機器によって、ＦＯＧは外力に対する不感度性を獲得する。

この説明は、例示の目的で提示され、網羅的であることを意図するものでもなければ、開示した実施形態に限定することを意図するものでもない。この後に続く特許請求の範囲の範囲内に含まれる変形及び変更を行うことができる。例えば、上述した実施形態は、ＦＯＧに関するものであるが、ＦＯＧの任意の変形又は種類が、説明した発明を利用することができるが理解される。さらに、後述する構成要素のいくつかは、デジタル回路部若しくはアナログ回路部、又は双方の組み合わせのいずれかを用いて実施することができ、適宜、適した処理回路部及びマシン可読ストレージ媒体で実行されるソフトウェアを通じて実現することができる。

いくつかの手段が、この明細書で論じたような本発明のシステム及び方法を実施するのに利用可能である。これらの手段には、デジタルコンピューターシステム、マイクロプロセッサ、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、汎用コンピューター、プログラマブルコントローラー、及びフィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）が含まれるが、これらに限定されるものではない。これらの全ては、本明細書では「プロセッサ」と総称することがある。例えば、１つの実施形態では、信号処理は、ＦＰＧＡ又はＡＳＩＣによって組み込むこともできるし、代替的に、組込みプロセッサ又はディスクリートプロセッサによって組み込むこともできる。したがって、本発明の他の実施形態は、そのような手段によって実施されると、本発明の実施形態を実施することが可能になる、コンピューター可読媒体上に存在するプログラム命令である。コンピューター可読媒体には、任意の形態の物理的なコンピューターメモリデバイスが含まれる。そのような物理的なコンピューターメモリデバイスの例には、パンチカード、磁気ディスク若しくは磁気テープ、光データストレージシステム、フラッシュ読出専用メモリ（ＲＯＭ）、不揮発性ＲＯＭ、プログラマブルＲＯＭ（ＰＲＯＭ）、消去可能プログラマブルＲＯＭ（Ｅ−ＰＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、又は他の任意の形態の永久的、半永久的、若しくは一時的なメモリストレージシステム若しくはデバイスが含まれるが、これらに限定されるものではない。プログラム命令には、コンピューターシステムプロセッサ及び超高速集積回路（ＶＨＳＩＣ）ハードウェア記述言語（ＶＨＤＬ）等のハードウェア記述言語によって実行されるコンピューター実行可能命令が含まれるが、これに限定されるものではない。

特定の実施形態を本明細書で図示及び説明してきたが、示した特定の実施形態の代わりに同じ目的を達成するように適合された任意の装置を用いることができることが、当業者によって理解されよう。本願は、本発明の任意の適合形態又は変形形態を包含することを意図している。したがって、本発明が特許請求の範囲及びその均等物によってのみ限定されることが意図されているのは明白である。

Claims (3)

1. 光ファイバージャイロスコープ（１００）であって、
   光学経路を通って光を送信するジャイロスコープ光源（１０８）に結合された光源電流サーボ機構（１０２）であって、前記ジャイロスコープ光源（１０８）を作動させる電流を供給する光源電流ドライブ（１４６）を介して、前記光学経路を通る前記光の強度を制御する、光源電流サーボ機構と、
   光検出器（１２８）を介して前記光学経路に結合された強度制御信号プロセッサ（１０５）であって、該強度制御信号プロセッサ（１０５）は、前記光源電流サーボ機構（１０２）に強度制御信号を出力し、該強度制御信号は、前記光検出器（１２８）で受信された前記光の強度の関数である、強度制御信号プロセッサと
   を備え、
   前記光源電流サーボ機構（１０２）は、前記強度制御信号を安定したアナログ電圧基準と比較して、前記光源電流ドライブ（１４６）を調整し、前記光検出器（１２８）における光パワーを一定の光パワーレベルに向けて駆動する光ファイバージャイロスコープ。
2. 前記強度制御信号プロセッサ（１０５）は、プロセッサ（１３３）に結合された強度デジタル／アナログ変換器（１３６）であって、該強度デジタル／アナログ変換器（１３６）は、前記光検出器（１２８）で受信された光パワーのデジタル表現を提供するデジタル強度制御ワードを前記プロセッサ（１３３）から受信する、強度デジタル／アナログ変換器を更に備え、
   前記強度デジタル／アナログ変換器（１３６）は、前記光検出器１２８で受信された前記光の強度を表すアナログ強度信号を出力し、
   前記光源電流サーボ機構（１０２）は、前記光源電流ドライブ（１４６）の調整にフィルターを適用して量子化雑音を除去する請求項１に記載の光ファイバージャイロスコープ。
3. 前記光源電流サーボ機構（１０２）のループは、
   前記デジタル強度制御ワードを受信するデルタシグマ回路（２１０）であって、該デルタシグマ回路の出力信号は、パルス幅変調（ＰＷＭ）された強度制御信号である、デルタシグマ回路と、
   前記デルタシグマ回路の前記出力をアナログに変換する強度デジタル／アナログ変換器（１３６）と
   を更に備え、
   前記デルタシグマ回路（２１０）は、
   前記デジタルループ出力信号から雑音スペクトルを積分消去する積分フィードバックループ（４１６、４１８、４１９）を備える請求項１に記載の光ファイバージャイロスコープ。
   

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