JPH02236111A - 光フアイバジヤイロの位相変調度補正方式 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （ア）　　技　　術　　分　　野 この発明は、位相変調方式の光ファイバジャイロに関す
る。

光ファイバジャイロは、運動体の角速度を測定する装置
である。

シングルモード光ファイバをコイル状に多数回巻き回し
、単色光を光ファイバの両端に入れこの中を、左回り、
右回りに伝搬させて、両端から出た光を干渉させる。も
しも、光ファイバコイルが軸まわりに回転していると、
左回り光、右回り光の間に位相差が現れる。この位相差
が回転角速度に比例するので、位相差が分かれば、回転
角速度が求められる。

位相差をΔθ、角速度をΩとすると、次の関係がある。

ここで、Ｌはセンサコイルのファイバ長、ａはコイルの
直径、Ｃは真空中の光速、λは真空中での光の波長であ
る。これをサニャック効果といいこれ自体は周知である
。

ところが、位相差Δθを検出するのは容昌ではない。

実際には、位相差に、回転に基づかない光学系のオフセ
ットが含まれる。このオフセットは温度の変化によって
、著し《変動する。さらに原理的な構成の光ファイバジ
ャイロでは、受光素子出力が（　１　＋　ｃｏｓΔθ）
の形で現れる。これではΔθが小さい時に感度が悪いし
、回転方向が分からない。

このような難点を解決するため、周波数変調、位相変調
、位相シフト方式光ファイバジャイロが考えられている
。

本発明は、このうち位相変調方式光ファイバジャイロに
関する。

（イ）位相変調方式光ファイバジャイロ位相変調方式光
ファイバジャイロの基本形について、第３図によって説
明する。

これは、光ファイバセンサコイルの一方の端部の光ファ
イバを圧電素子に巻き付け位相変調を掛けるようにした
ものである。変調波の一次の項を取ると、位相差がｓ１
ｎΔθの形で、求められる。

発光素子ｌから出た可干渉光が、ビームスプリッタ２で
二つの光線に分けられる。

ひとつは、結合レンズ４によって絞られて、光ファイバ
５のＡ端に入射する。これは、センサコイル６の中を左
回りに伝搬する。

もうひとつの光線は、結合レンズ３によって絞られて、
Ｂ端から光ファイバ５に入射し、センサコイル６の中を
、右回りに伝搬する。

光ファイバ５は大部分がセンサコイル６になっているが
、Ｂ端に近い部分が圧電素子などに巻き付けられ、位相
変調素子７を構成している。

発振器１０が、圧電素子に振動電圧を与えるから、圧電
素子が膨縮する。光ファイバの位相変調部８は圧電素子
に巻き付けられているので、圧電素子と共に膨縮し、光
信号に変調成分が含まれる事になる。

右回り光、左回り光は、位相変調素子７の位相変調部８
とセンサコイル８とを通り、他端から出射する。これ等
は、ビームスブリッタ２で合一し、受光素子９に入射す
る。受光素子９は、干渉光を二乗検波する。

位相変調素子７が、光ファイバ５の全体からみて非対称
の位置に設けられているので、左回り光と、右回り光と
が、位相変調を受けるタイミングが異なる。

センサコイル６の光ファイバ長をＬとし、光フ１イパコ
アの屈折率をｎとする。光がセンサコイル６を通過する
のに要する時間τは、 ｎＬ τ　＝　　　　　　　　　　　（２） Ｃ で与えられる。

位相変調素子７を、Ｂ端の近くに設けると、左回り光は
、先に位相変調を受け、それからセンサコイル６に入る
。右回り光は、センサコイル６を通ってから、位相変調
素子７に入る。

変調信号の角周波数をΩとする。位相変調素子７で位相
変調を受けてから、受光素子９にはいるまでの時間の違
いがτであるので、干渉光に含まれる変調信号の位相差
φは φ　＝　Ω　τ　　　　　　　（３） となる。

前述のように、サニャック効果によって、右回り光と、
左回り光とが、Δθの位相差を持つが、位相変調によっ
てさらに、位相変調の部分が、φの位相差を持つのであ
る。位相変調素子７の作用による振幅をｂとする。

左回り光、右回り光の電界強度を、Ｅｉ．　Ｎ　ＥＲと
すると、 となる。

このような電界強度を持つ左回り光、右回り光が受光素
子９で二乗検波される。受光素子９の出力Ｓ（Δθ．１
＞は となる。これらを、ベッセル関数によって展開する。ベ
ッセル関数の母関数展開から、 となる。ここで、Ｄ．Ｃ．は、直流成分を意味する。ω
は、光の振動数で、２ωはこの２倍の振動数成分を意味
する。このように速い信号は受光素子９が検出できない
のでＯである。

こうして得られる信号の中に位相変調のφが含まれるの
で，位相差Δθを変調信号の振幅に関連づけて求めるこ
とができる。

直流成分を除き、Ｓ（Δθ，ｔ）を和の形に書き換える
と、 である。ｔ＝ｅｘｐｉθ と置くと、 ｏｏ　　　　　　　　　　　　１ｉθ ｅＸＩ）　　ｉ　　Ｘｓｉｎ　　θ＝　　ΣＪ．　　（
ｘ）　　ｅ　　　　　　　（９）ｎ＝−　　ｏロ となる。この式の実数部虚数部の展開から、Ｓ（Δθ．
１）のｓｌｎ．ｃｏｓの部分Ｓ８ｖＳｃの級数展開を得
る。

Ｓ（Δθ．１） ＝（Ｓ．ｃｏｇΔθ＋Ｓ，ｓｉｎΔθ）ＥｏＱ（ｔｏ）
というように定義する。

θ→θ＋π／２という変換をし、ベッセル関数の良く知
られた性質、 Ｊ−ｎ（ｘ）＝　　（−）”　　Ｊｎ　　（ｘ）（１ｌ
） （但し、ｎは正の整数）を使い、 φ ξ＝２ｂｓｉｎ　　一 （ｌ２） と置くと、 Ｓ０　”Ｊｏ（ξ）＋２　Σ（−）″’Ｊ２ｆ１（ξ）
ｃｏｓ２ｎＱｔ　　（１３）ｎｉ１ となる。これらの式を使って書き換えると、信号Ｓ（Δ
θ，１）は、 （直流成分）＋（２ω成分） ＋ＥｏＱＪｏ（ξ）ｃｏｓ　　Δθ ｎ：１ ｎ＝０ （ｌ５） となる。これは変調周波数Ωの高調波による展開である
。フィルターを通すことによって、任意の高調波成分を
求める事ができる。これらのうち、１次の項を基本波成
分Ｐとし、２次の項を２倍高調波成分Ｑとする。

Ｐ　　（　ｔ）＝２Ｅｏ”Ｊ　ｔ　　（ξ）ｃｏｓΩ　
ｔ　ｓｉｎ　　Δθ　（ＩＢ）Ｑ　　（ｔ）”２ＥＯ２
Ｊ２（ξ）ｃｏｓ　　２Ωｔ　ｃｏｓ　　Δθ　　（１
７）となる。多くの場合、基本波Ｐを検出して、Δθを
求める。Ｐの感度が最大になるように、Ｊ１（ξ）を最
大にする。このため、ξ＝１．８になるよう変調度を設
定する。このときＪ．（ξ）は約０．３である。

以上が、位相変調方式光ファイバジャイロの基本構成で
ある。

（ウ）　　従　　来　　技　　術 基本波Ｐを検出してΔθを求めるとき、変調度ξが一定
していなければならない。そうでないとＪｌ（ξ）の値
が変動するからである。

変調度を一定にするため、たとえば２倍高調波Ｑをモニ
ターしてＪ２（ξ）の値を求めるという方法が提案され
ている。

特願昭５９−２４４８４１号はこのようなものである。

位相変調素子の駆動回路から、Ωの信号とこれを逓倍し
た２Ωの信号を取る。それぞれの信号によって、受光素
子の出力を同期検波する。これをローパスフィルターに
通して、低周波成分を求める。２倍高調波成分Ｑは、 Ｑ＝２ＥＯ２Ｊ２（ξ）ｃｏｓΔθ　　（ｌ８）となる
。変調度ξを一定にしなければならないので、Ｑを一定
にするよう、位相変調素子を制御する。

ξが１．８になるようにするのである。Ｊ２はξが１．
８のとき、約０．３である。ξが、これより増加すると
、Ｊ２は増加し、ξがこれより減少すると、Ｊ２が減少
する。従って、Ｑを一定にするということが、ξ＝！．
８に保つことである。

（工）発明が解決しようとする問題点 前記の方法では、２倍高調波のＱを表す（１８）におい
て、ＣＯＳΔθ＝１という前提があった。これは、回転
角速度が小さいときには正しい。

つまり、静止時に於ても、回転時に於でも、２倍高調波
レベルは一定だと仮定されていた訳である。この場合の
み、Ｊ２を一定にすることと、ξを一定にすること等価
でありうる。

しかし、回転が速ければ、Δθが太き《なる。

正確な回転速度を求めようとすれば、ｃｏＢΔθの正確
な値を用いなければならない。ところが、Δθは、この
装置が求めようとする値自身である。

（オ）　目　的 位相変調方式光ファイバジャイロにおいて、変調度を一
定に保つことができる機構を与えることが、本発明の目
的である。

（力）　構　成 本発明にあっては、新たに補正処理用光ファイバと、第
２の発光素子、受光素子を用いる。

位相変調素子に補正処理用の光ファイバを巻き付けて、
第２の発光素子からこの光ファイバに光を通し、これか
ら出射した光と、第２の発光素子からでたそのままの光
を干渉させて第２の受光素子に入射させる。この出力か
ら、変調波に関して基本波または、２倍高調波の大きさ
を求める。

この基本波はＪ＋（ξ）を、２倍高調波はＪ２（ξ）を
含むが、ＣＯＳΔθを含まないので、変調度ξを正確に
求めることができる。そして、基本波または２倍高調波
の大きさを一定に保つことによって、変調度ξを一定の
値に保持する。

図面によって、説明する。

第１図は本発明の構成を示している。

第１の発光素子１から出た光を、ビームスブリッタ２で
ふたつの光線に分け、結合レンズ３、４を通し、シング
ルモード光ファイバ５の両端Ａ１Ｂに入射させる。

シングノレモード光ファイバ５はセンサコイノレ６の部
分と位相変調素子７に巻き付けた位相変調部８とを有す
る。Ａ端から入った光は、センサコイル６を左回りに伝
搬し、位相変調部８を通って、Ｂ端に出てゆく。Ｂ端よ
り入った光は、位相変調部８をまず通ってセンサコイル
６を右回りに伝搬し、Ａ端から出て行く。

ビームスプリッタ２で合一した光が、受光素子９に入射
する。干渉光の強度が受光素子９の出力にあらわれる。

これは多くの高調波を含む。

同期検波部１７が、この内の基本波成分Ｐを求める。同
期検波するために、位相変調素子励振制御部ｌ５からの
同期信号ｓｉｎΩｔを同期検波部１７に与えている。

以上の構成は、位相変調方式光ファイバジャイロの基本
形である。本発明はさらに、つぎの改良がなされている
。

圧電素子などである位相変調素子７に、補正処理用光フ
ァイバ１４を巻き付ける。巻き付けた部分の長さが、主
たる光ファイバ５の位相変調に巻き付けた部分の長さに
等しいことは、全く、要求されない。しかし説明を簡単
にするため、どちらの光ファイバも位相変調素子７に巻
き付けた部分の長さが等しいものとする。

第２の発光素子１１と、第２の受光素子１６をを新たに
設ける。発光素子１１も干渉光を生ずるものでなければ
ならない。しかし、波長は、第１の発光素子１と同じで
も、違っていても良い。

第２の発光素子１１から生じた光を、ビームスプリッタ
１２でふたつの光線に分ける。

一方の光線は，光結合素子１３を通って、受光素子１６
に入る。これを参照光と呼ぶ。

他方の光線は、補正処理用光ファイバ１４の一端Ｃに入
射し、この光ファイバの中を通って他端Ｄより出射する
。この光ファイバは位相変調素子７に巻き付けてあるの
で、位相変調素子の膨縮に応じて光路長が変化する。こ
れは、出射光の位相変化となって現れる。この光を変調
光とよぶ。

変調光は光結合素子１３によって、前記の参照光と合体
されて、第２の受光素子１６に入る。干渉光の強度が検
出される。変調光の位相変化は干渉光の強度変化として
検出できる。

主光ファイバ５の位相変調素子７に巻き付けた部分８と
、補正処理用光ファイバ１４の位相変調素子７に巻き付
けた部分の長さが等しければ、補正処理用光ファイバ１
４と、主光ファイバの位相変調部８に生ずる位相変調と
は全く同一である。

つまり、補正処理用光ファイバ１４が主光ファイバの位
相変調をモニタしているのである。

第２の同期検波部１８は受光素子１６の出力から、基本
波ｐまたは２倍高調波ｑのみの大きさを求める。同期検
波するために、位相変調素子励振制御部１５から、周波
数Ω、または、２Ωの信号を得ている。

第１の受光素子９によって検出される主光ファイバの基
本波、２倍高調波をＰ１Ｑとしたので、これらと区別す
るため、第２受光素子１６の出力の基本波、２倍高調波
を小文字のｐ１ｑで表すことにする。

同期検波部１８は、基本波、または２倍高調波の大きさ
を一定に保つように、位相変調素子励振制御部１５に制
御信号を送る。

位相変調素子励振制御部１５は、位相変調素子７に与え
る電力を加減して、基本波、または２倍高調波の大きさ
を一定に保持する。

（キ）　作　用 主光ファイバ５に関する作用は、従来のものと同じであ
る。第１の発光素子１から出た光が、ビームスプリッタ
２で分けられる。これらが、センサコイル６を右回り、
左回りに伝搬し、ビームスプリッタ２で合体されて、第
１の受光素子９に入射する。干渉光の内、基本波Ｐの大
きさが、第１の同期検波部１７によって求められる。光
ファイバ５に位相変調素子７があるので、Ｐは（ｌ６）
よりＰ　　（ｔ）＝２Ｅｏ”Ｊ＋　　（ξ）ｃｏｓΩ　
ｔ　ｓｉｎ　　Δθ　（Ｉ９）となる。検波して、ロー
パスフィルタを通すと、Ｐ＝２Ｅｏ”Ｊｔ（ξ）ｓｉｎ
Δθ　　　　　　　　　（２０）これが、同期検波部１
７の出力である。

次に、本発明固有の部分の作用を説明する。

第２の発光素子１１の光の角周波数をω。とすると、直
接受光素子１６に入る参照先の受光面に於ける電界強度
は、 Ｅ３ｓｉｎ（ωａｔ　＋Φ） （２ｌ） である。補正処理用光ファイバ１４を通った変調光の受
光素子１６の受光面における電界強度は、Ｅ４ｓｌｎ　
（ωｃ　　ｔ　＋　ｂｓｌｎ　　Ω　ｔ　）　　　　　
　（２２）と書くことができる。Ｅ３、Ｅ４は振幅であ
る。

変調度をｂとしているが、これは（４）　、（５）式と
同じである。補正処理用光ファイバと主光ファイバの位
相変調部８の長さが同じであるので、変調度が等しい。

しかし、これは説明の便の為にそうしているだけであっ
て、光ファイバの長さが等しくなくてもよいし、変調度
が等しくなくてもよいのである。

Φは変調光と参照光の位相差である。両者は長さが違う
ので位相差は大きいし、その大きさも予め分からない。

位相差は２πの整数倍だけ加減してもよいので、Φは０
から２πの間の値を考えて良い。

受光素子１６の出力Ｓは、上記のものを加えて二乗した
ものであるから、 ｓ　（ｔ）　＝　（直流分）＋（２ω。の項）＋　Ｅ　
３　　Ｅ　４１ｃｏｓ＋ｃｏｓ（ｂｓｌｎＱｔ）＋　ｓ
ｌｎΦｓｔｎ（ｂｓ＋ｎＱｔ）１これは、既に説明した
式によく似ているので、導出については詳しく記述しな
い。

基本波ｐは ！）　（ｔ）　　＝　２　Ｅ　ａ　　Ｅ　４　　Ｊ　ｔ
（ｂ）ｃｏｓ　　Ωｔ　ｓｉｎ　　Φ　　（２４）であ
る。これを同期検波し、ローパスフィルタに通すと、基
本波の大きさ １）＝　２　Ｅ３　Ｅ４　　Ｊ　ｔ（ｂ）ｓｉｎ　　Φ
　　　　　　　　（２５）が求められる。同期検波部１
８がこれを求める訳である。変調度ｂが変化すると、基
本波の大きさｐが変化する。そこで、ｐを一定に保つよ
うに位相変調素子励振制御部１５へ制御信号を送る。振
幅Ｅ３、Ｅ４や位相差Φは定数であるから、ｂの変化と
ｐの変化は等価である。

基本波の代わりに、２倍高調波を用いることができる。

２倍高調波の信号ｑは ｑ（ｔ）＝２Ｅ３　Ｅ４　　ＪＱ（ｂ）ｃｏｓ　　２Ω
ｔｃｏｓΦ　（２Ｂ）である。同期検波して、ローパス
フィルタを通すと、２倍高調波の大きさ Ｑ　＝２　Ｅａ　　Ｅａ　　Ｊ　２　（ｂ）ｃｏｓΦ　
　　　　　　　（２７）が求められる。これを一定に保
つようにしても良い。いずれにしても、同期検波部１８
の信号によって、位相変調素子励振制御部１５が位相変
調素子７を制御し、変調度を一定に保持することができ
る。

ここでは、基本波と２倍高調波について説明したが、３
倍高調波．以上のものを使っても良い。

ひとつ注意すべきことがある。ベッセル関数の中にある
変数が違う、ということである。第１の受光素子９に入
る信号のベッセル関数の変数はξである。（ｌ２）式か
ら、 φ ξ＝　２　ｂ　ｓｉｎ　　　　　　　　　　　　　　　
　　（２８）という関係がある。第２の受光素子１６に
入る信号のベッセル関数の変数はｂそのものである。

従って、同じ１次、２次のベッセル関数というてもベッ
セル関数の値が異なる。φの値は、センサコイルの長さ
によって決まるが、ｂとξの関係はφが間に入っている
ので、一義的に予め決定できない。

しかし、補正処理用光ファイバを通った変調光と、通ら
ない参照光を干渉させてできた信号の基本波、２倍高調
波などを一定にするよう、位相変調素子励振制御部を制
御するという本発明にとって、これはなんらの不都合と
ならない。

φが予め決まっていなくても、この方法にとってなんら
差し支えがないからである。かえって、制御の自由度が
増えたことになる。

第２図によってこれを説明する。

これは一次ベッセル関数の一部分のグラフである。上に
ξを変数とする主光ファイバの出力の基本波を示す。下
にｂを変数とする補正処理用光ファイバと参照光の干渉
出力の基本波を示す。

初期設定時にそれぞれが、ξｏ１ｂｏであったとする。

これをナ、二点とする。この点での値、勾配は、任意で
ある。（１２），（２８）式の拘束条件があるだけであ
る。

変調度ｂが、温度変動、経年変化などによって変動して
、ネ点に変わったとする。これとともにξも変動し、ヌ
点に移る。しかし、本発明によれば、位相変調素子励振
制御部１５の作用で、ネ点から二点への回復運動が直ち
になされる。するとξも初期設定値ξ。へ回復する。

（ク）　　効　果 位相変調方式光ファイバジャイロにおいて、環境温度や
経時変化によって、位相変調素子の変調度が変化しても
、センサの任意の温度に於いて、常に一定の位相変調度
を維持することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の位相変調方式光ファイバジャイロの原
理構成図。 第２図は主光ファイバと補正処理用光ファイバに現れる
ふたつのベッセル関数の初期設定値からのずれと回復を
説明するための図。 第３図は従来例にかかる位相変調方式光ファイバジャイ
ロの原理構成図。 １　●　● ２　●　● ３、４ ５　●　● ６　●　● ７●拳 ８　●　● ９　●　● １　０　● １　ｌ　● １　２　● ●発　　光　　素　　子 ●ビームスプリッタ 拳●結合レンズ ●光ファイバ ●センサコイル ●位相変調素子 ●光ファイバの位相変調部 ●受　　光　　素　　子 ●発　振　器 ●発　　光　　素　　子 ●ビームスプリッタ ●光結合素子 ●補正処理用光ファイバ ●位相変調素子励振制御部 ●受　　光　　素　　子 ●同期検波部 ●同期検波部 ●位相変調の角周波数 ●第１の発光素子の光の角周波数 ●第２の発光素子の光の角周波数 ●センサコイルを通過する光の位相変 化分 Φ●●●補正処理用光ファイバを通る光と通らない光の
位相差 Δθ●●回転角速度に比例する位相差 Ω　● ω　● ω　０ φ　●

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. センサコイルを構成する部分と位相変調素子が設けられ
   た部分を有する光ファイバと、可干渉光を発生する発光
   素子と、該発光素子からの光、あるいは該発光素子から
   光ファイバを介した光を分割して前記光ファイバの両端
   に供給するビームスプリッタと、前記光ファイバを伝搬
   しその両端から出た光を前記ビームスプリッタを介し結
   合して受光する受光素子と、受光素子の出力を受けて位
   相変調周波数成分を検出する同期検波回路とを少なくと
   も有する位相変調方式光ファイバジャイロに於いて、前
   記位相変調素子に補正処理用光ファイバを巻き付け、可
   干渉光を生ずる第二の発光素子からの光を二つに分け、
   ひとつは前記補正処理用光ファイバの中を伝搬させて第
   二の受光素子に入射させ、他の一つは直接第二の受光素
   子に入射させることとし、第二の受光素子の出力から同
   期検波部により位相変調周波数の１倍または２倍の周波
   数の信号成分を抽出し、その出力が一定になるように位
   相変調素子励振制御部が、位相変調素子を駆動するよう
   にしたことを特徴とする光ファイバジャイロの位相変調
   度補正方式。