JPH02236114A - Phase modulation optical fiber gyro - Google Patents
Phase modulation optical fiber gyroInfo
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- JPH02236114A JPH02236114A JP5763789A JP5763789A JPH02236114A JP H02236114 A JPH02236114 A JP H02236114A JP 5763789 A JP5763789 A JP 5763789A JP 5763789 A JP5763789 A JP 5763789A JP H02236114 A JPH02236114 A JP H02236114A
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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。(57) [Summary] This bulletin contains application data before electronic filing, so abstract data is not recorded.
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。[Detailed Description of the Invention] (A) Technical Field The present invention relates to a phase modulation type optical fiber gyro.
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。An optical fiber gyro is a device that measures the angular velocity of a moving body.
シングルモード光ファイバをコイル状ニ多数回巻き回し
、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。A single mode optical fiber is wound into a coil many times, and monochromatic light is introduced into both ends of the optical fiber, and the light is passed counterclockwise.
The light propagates clockwise, causing the light emitted from both ends to interfere. If the optical fiber coil is rotating around its axis,
A phase difference appears between the counterclockwise light and the clockwise light. Since this phase difference is proportional to the rotational angular velocity, if the phase difference is known, the rotational angular velocity can be determined.
位相差をΔθ、角速度をΩとすると、次の関係がある。When the phase difference is Δθ and the angular velocity is Ω, the following relationship exists.
ここで、Lはセンサコイノレのファイバ長、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。Here, L is the fiber length of the sensor coil, a is the diameter of the coil, C is the speed of light in vacuum, and λ is the wavelength of light in vacuum. This is called the Sagnac effect and is well known.
ところが、位相差八〇を検出するのは容易ではない。However, it is not easy to detect a phase difference of 80 degrees.
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
、著しく変動する。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。これでは八〇が小さい時に感度が悪いし、回転
方向が分からない。In reality, the phase difference includes optical system offsets that are not based on rotation. This offset varies significantly with changes in temperature. Furthermore, in an optical fiber gyro having a basic configuration, the light receiving element output appears in the form of (1+cosΔθ). With this, the sensitivity is poor when 80 is small, and the direction of rotation cannot be determined.
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
。To solve these difficulties, frequency modulation, phase modulation, and phase shift type optical fiber gyros are being considered.
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。The present invention relates to a phase modulation type optical fiber gyro.
(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。(a) Phase modulation type optical fiber gyro The basic form of the phase modulation type optical fiber gyro will be explained with reference to FIG.
これは、光ファイバセンサコイルの一方の喘部の光ファ
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si
nΔθの形で、求められる。In this system, the optical fiber of one end of the optical fiber sensor coil is wound around a piezoelectric element to apply phase modulation. Taking the first-order term of the modulated wave, the phase difference is si
It is obtained in the form of nΔθ.
発光素子1から出た可干渉光が、ビームスブリッタ2で
二つの光線に分けられる。Coherent light emitted from a light emitting element 1 is split into two beams by a beam splitter 2.
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。One is condensed by the coupling lens 4 to the A end of the optical fiber 5. incident on . This propagates counterclockwise in the sensor coil 6.
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。The other ray is narrowed down by the coupling lens 3,
The light enters the optical fiber 5 from the B end and propagates clockwise inside the sensor coil 6.
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。Most of the optical fiber 5 is a sensor coil 6, but a portion near the B end is wound around a piezoelectric element or the like to form a phase modulation element 7.
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。Since the oscillator 10 applies an oscillating voltage to the piezoelectric element, the piezoelectric element expands and contracts. Since the phase modulation section 8 of the optical fiber is wound around the piezoelectric element, it expands and contracts together with the piezoelectric element, and the optical signal contains a modulation component.
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6とを通り、他端から出射する。これら
はビームスプリッタ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。The clockwise light and the counterclockwise light are transmitted through the phase modulation section 8 of the phase modulation element 7.
and sensor coil 6, and is emitted from the other end. These are combined by the beam splitter 2 and enter the light receiving element 9. The light receiving element 9 performs square law detection of the interference light.
位相変調素子7が、光ファイバ6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。Since the phase modulation element 7 is provided at an asymmetrical position when viewed from the entire optical fiber 6, the counterclockwise light and the clockwise light receive phase modulation at different timings.
センサコイル6の光ファイバ長をLとし、光ファイバコ
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、
C
で与えられる。Let L be the length of the optical fiber of the sensor coil 6, and let n be the refractive index of the optical fiber core. The time τ required for the light to pass through the sensor coil 6 is given by C.
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。When the phase modulation element 7 is provided near the B end, the counterclockwise light first undergoes phase modulation and then enters the sensor coil 6. The clockwise light passes through the sensor coil 6 and then enters the phase modulation element 7.
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。Let the angular frequency of the modulation signal be Ω. Since the difference in time between receiving phase modulation at the phase modulation element 7 and entering the light receiving element 9 is τ, the phase difference φ between the modulation signals included in the interference light is φ = Ω τ (3) .
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、八〇の位相差を持つが、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。As mentioned above, due to the Sagnac effect, clockwise light and
The counterclockwise light has a phase difference of 80, but due to phase modulation, the phase modulation part has a phase difference of φ. Let b be the amplitude due to the action of the phase modulation element 7.
左回り光、右回り光の電界強度を、
とすると、
Et
ER
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0である。If the electric field strength of the counterclockwise light and the clockwise light is as follows, Et ER means a number of components. Since the light receiving element 9 cannot detect such a fast signal, the signal is 0.
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。Since the signal thus obtained includes phase modulation φ, the phase difference Δθ can be determined in relation to the amplitude of the modulation signal.
直流成分を除き、S(Δθ,1)を和の形に書き換える
と、
となる。If we remove the DC component and rewrite S(Δθ, 1) in the form of a sum, we get:
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の出力は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倍の振動である。t:
expiθ と置くと、
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s1n,cosの部分Ss1Scの級数展開を得
る。The counterclockwise light and clockwise light having such electric field strength are square-law detected by the light receiving element 9. The output of the light receiving element 9 is S(Δθ,
1) becomes. These are expanded using Bessel functions. From the generating function expansion of the Bessel function, we get . Here, D. C. means a direct current component. ω
is the frequency of light, and 2ω is twice this frequency. t:
If we put expiθ, n=−oro. From the expansion of the real and imaginary parts of this equation, S(Δθ,
Obtain the series expansion of the s1n,cos part Ss1Sc in 1).
S (Δθ, 1) :(SacosΔθ+3ssinΔθ)E.”(lO) というように定義する。S (Δθ, 1) :(SacosΔθ+3ssinΔθ)E. ”(lO) Define it as follows.
θ→θ+π/2という変換をし、ベッセル関数の良《知
られた性質、
J−n(x)=
Jn
(X)
(但し、
nは正の整数)
を使い、
ξ= 2 b sin
と置くと、
φ
(I2)
S0
= J o(ξ)+2 Σ(−)
n=1
J 2n(ξ)cos2n(It
(!3)
S.
?2Σ(一)”J 2■,(ξ)
n=0
cos(2n+1)Ωt
(l4)
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)
+Eo”Jo(ξ)cos Δθ
n=1
n:O
(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。Convert θ→θ+π/2, use the well-known property of the Bessel function, J−n(x)=Jn(X) (where n is a positive integer), and set ξ=2 b sin And, φ (I2) S0 = J o(ξ)+2 Σ(-) n=1 J 2n(ξ) cos2n(It (!3) S. ?2Σ(1)"J 2■,(ξ) n= 0 cos(2n+1)Ωt (l4).Rewriting using these equations, the signal S(Δ
θ, 1) is (DC component) + (2ω component) +Eo”Jo(ξ) cos Δθ n=1 n:O (l5). This is an expansion by harmonics of the modulation frequency Ω. By passing it through, arbitrary harmonic components can be obtained. Among these, the first-order term is taken as the fundamental wave component P, and the second-order term is taken as the double harmonic component Q.
p (t)=2Eo”Jt (ξ)cosΩ ts
ln Δθ (l6)Q ( t)=2Eo”J2
(ξ)cos 2Ωt cos Δθ (17)
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。p (t)=2Eo”Jt (ξ)cosΩ ts
ln Δθ (l6)Q (t)=2Eo”J2
(ξ) cos 2Ωt cos Δθ (17)
becomes. In many cases, the fundamental wave P is detected and Δθ is determined. Maximize J1(ξ) so that the sensitivity of P is maximized. Therefore, the modulation degree is set so that ξ=1.8. At this time, J. (ξ) is approximately 0.3.
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。The above is the basic configuration of the phase modulation type optical fiber gyro.
(ウ)従 来 技 術
特開昭81−147108は受光素子出力の直流成分が
一定になるように、発光素子出力を制御する方式を提案
している。(C) Prior Art Japanese Patent Application Laid-Open No. 81-147108 proposes a method of controlling the output of a light emitting element so that the DC component of the output of a light receiving element is constant.
特開昭GO−1358111iは、受光素子出力の基本
波成分を直流成分で割り、光量変動の影響を打ち消す方
式を提案している。Japanese Patent Application Laid-Open No. 1358111i proposes a method of dividing the fundamental wave component of the output of a light receiving element by a DC component to cancel out the influence of light intensity fluctuations.
(工)発明が解決しようとする問題点
これまで、左回り光、右回り光を区別せず、Eoによっ
て振幅を表現していた。以後区別して、右回り光の振幅
をEl、左回り光の振幅をE2とする。(Engineering) Problems to be Solved by the Invention Until now, the amplitude has been expressed by Eo without distinguishing between counterclockwise and clockwise light. Hereinafter, for distinction, the amplitude of the clockwise light will be referred to as El, and the amplitude of the counterclockwise light will be referred to as E2.
光ファイバジイロにおいては、発光素子から光ファイバ
に入射される光量変動が大きかった。In the optical fiber dial, there was a large variation in the amount of light incident on the optical fiber from the light emitting element.
特開昭at−t4’;+toeは直流成分を一定にする
制御系を提案している。しかしこれは、反射光、および
位相変調度変動の問題を見逃しているようにみえる。Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-23001-T4';+toe proposes a control system that keeps the DC component constant. However, this seems to overlook the problem of reflected light and phase modulation degree fluctuations.
特開昭GO−13581Gは基本波成分Pを直流成分D
で割り光量変動の問題を解決している。これも反射光、
位相変調度変動の問題を見逃している。JP-A-13581G converts the fundamental wave component P into the DC component D.
This solves the problem of light intensity fluctuation. This is also reflected light,
The problem of phase modulation degree variation is overlooked.
反射光というのは、レンズ、ファイバなど光学部品の喘
面で反射され受光素子に入射した光である。センサコイ
ルを通らない光である。角速度測定に寄与せず、ノイズ
となる。Reflected light is light that is reflected by the surface of an optical component such as a lens or fiber and enters a light receiving element. This is light that does not pass through the sensor coil. It does not contribute to angular velocity measurement and becomes noise.
これに対して、センサコイルを通過して受光素子に入射
した光を信号光という。On the other hand, the light that passes through the sensor coil and enters the light receiving element is called signal light.
前記提案は反射光量Hが存在しないという仮定にたって
いるようである。たとえあっても、反射光量Hは、信号
光を同じように変動すると仮定しているものと推測され
る。The above proposal seems to be based on the assumption that the amount of reflected light H does not exist. Even if there is, it is assumed that the reflected light amount H is assumed to vary in the same way as the signal light.
実際には、反射光量Hは無視できないレベル存在する。In reality, the amount H of reflected light exists at a level that cannot be ignored.
反射光量Hは信号光を同じようには変動.しない。むし
ろ反射光量Hは殆ど変動しないことが多い。The amount of reflected light H varies in the same way as the signal light. do not. Rather, the amount of reflected light H hardly changes in many cases.
さらに、位相変調度も変動することがある。Furthermore, the degree of phase modulation may also vary.
従って、直流成分を一定にしたり、基本波Pを直流成分
Dで割ることが、必ずしも光量変動を打ち消す事にはな
らない。Therefore, making the DC component constant or dividing the fundamental wave P by the DC component D does not necessarily cancel out the fluctuations in the amount of light.
さらに基本波を直流成分で割ることには、次の問題を生
ずる。Furthermore, dividing the fundamental wave by the DC component causes the following problem.
受光素子出力である干渉光の直流成分Dは(E1”+E
2”)+Es E2 JO(ξ)cos Δθ+
H(l8)
と書くことができる。Hは反射光量である。The DC component D of the interference light which is the output of the light receiving element is (E1”+E
2”)+Es E2 JO(ξ)cos Δθ+
It can be written as H(l8). H is the amount of reflected light.
基本波Pは(l6)の変調周波数成分を除き、Eo”を
、El 、E2と書き換えて
P=2E.E2 Jt (ξ) slnΔθ 09)る
ためには、反射光の問題の他に次の仮定が必要である。The fundamental wave P is obtained by excluding the modulation frequency component of (l6) and rewriting Eo'' as El and E2 to obtain P=2E.E2 Jt (ξ) slnΔθ 09) In addition to the problem of reflected light, the following Assumptions are required.
仮定1:ファイバの右回り光と左回り光の光量の比に変
動がない。Assumption 1: There is no change in the ratio of the light amounts of the clockwise light and the counterclockwise light of the fiber.
仮定2:位相変調度の変動がない。Assumption 2: There is no variation in phase modulation degree.
仮定1が成立するとして、
E2/E1=
K
とおく事ができる。直流成分Dは
( 1 + K2 )E *”+ K E i”J
o(ξ)cos Δθ(21)と書ける。ただし反射
光量Hをここでは無視している。基本波成分Pを、直流
成分Dで割ると、となる。Assuming that Assumption 1 holds true, we can set E2/E1=K. The DC component D is (1 + K2)E *”+K E i”J
It can be written as o(ξ)cos Δθ(21). However, the amount of reflected light H is ignored here. When the fundamental wave component P is divided by the DC component D, it becomes.
−(1+K2 )+KJo(ξ)cosΔθ基本波成分
を直流成分で割って正しい結果を得となって、発光素子
の光量に依存しない出力が得られる。KとJ。(ξ)が
既知であるので、Δθが求められるというわけである。-(1+K2)+KJo(ξ)cosΔθ A correct result is obtained by dividing the fundamental wave component by the DC component, and an output that does not depend on the amount of light from the light emitting element is obtained. K and J. Since (ξ) is known, Δθ can be found.
しかし、このような関係が成立するのは上記の仮定が成
立しなければならない。これは非現実的である。However, for such a relationship to hold, the above assumptions must hold. This is unrealistic.
また、(22)からΔθを求めるにはかなり複雑な演算
を必要とする。計算し易い式ではない。Furthermore, obtaining Δθ from (22) requires quite complex calculations. It's not an easy formula to calculate.
さらに、直流成分に本来含まれる反射光世を無視してい
ることを忘れるべきでない。Furthermore, it should not be forgotten that reflected light originally included in the DC component is ignored.
(オ> +m 成
本発明の位相変調方式光ファイバジャイロは(1)基本
波成分Pを求める。(o> +m) The phase modulation type optical fiber gyro of the present invention (1) determines the fundamental wave component P.
(2)偶数次高調波成分Qを求める。(2) Find the even-order harmonic component Q.
(3)Q以外の偶数次高調波成分子を求める。(3) Find even-order harmonic components other than Q.
(4)偶数次高調波成分Qを0とする。(4) Even-order harmonic component Q is set to 0.
(5)P/Tを計算し、tanΔθの形でΔθを求める
。(5) Calculate P/T and find Δθ in the form of tanΔθ.
という特徴を持っている。It has the following characteristics.
反射光量は直流成分だけに含まれる。基本波、2倍高調
波、4倍高調波等高調波は反射光量を含まない。反射光
量の問題を避けるため、本発明は直流成分を用いない。The amount of reflected light is included only in the DC component. The fundamental wave, second harmonic, fourth harmonic, etc. do not include the amount of reflected light. In order to avoid problems with the amount of reflected light, the present invention does not use a DC component.
基本波Pも、任意の次数の高調波も発光素子光貴に関し
て同じ係数を持つ。そこで、基本波Pを高調波で割ると
、光量に関する係数を打ち消す事ができる。Both the fundamental wave P and harmonics of arbitrary orders have the same coefficients with respect to the light emitting element light. Therefore, by dividing the fundamental wave P by a harmonic, the coefficient related to the amount of light can be canceled out.
基本波を奇数次の高調波で割ると、Δθが消えてしまう
。しかし、偶数次の高調波成分Tで、基本波を割れば、
tanΔθの形になる。When the fundamental wave is divided by odd harmonics, Δθ disappears. However, if we divide the fundamental wave by the even harmonic component T, we get
It takes the form of tanΔθ.
このようなわけで、P/Tによって、反射光量や発光素
子出力変動などの影響がない出力が得られる。出力とΔ
θの関係が、安定しており、しかも簡単である。For this reason, the P/T provides an output that is not affected by the amount of reflected light or fluctuations in the output of the light emitting element. Output and Δ
The relationship between θ is stable and simple.
この発明では、ふたつの偶数高調波Q1Tを必要とする
。ひとつの高調波QはQ=Oとすることにより、位相変
調度を一定にするためのものである。もうひとつの高調
波Tは、基本波Pを割る分母を与えるものである。This invention requires two even harmonics Q1T. One harmonic Q is for making the phase modulation degree constant by setting Q=O. The other harmonic T provides a denominator for dividing the fundamental wave P.
偶数次であればなんでも良いのであるが、ここでは、Q
が2倍高調波、Tが4倍高調波として説明する。Any order is fine as long as it is an even number, but here, Q
will be explained assuming that T is the second harmonic and T is the fourth harmonic.
第1図により本発明に係る位相変調方式光ファイバジャ
イロを説明する。A phase modulation type optical fiber gyro according to the present invention will be explained with reference to FIG.
発光素子1は可干渉性の光を発生する光源である。半導
体レーザ、スーパールミネッセントダイオード、気体レ
ーザなどを用いることができる。The light emitting element 1 is a light source that generates coherent light. A semiconductor laser, a superluminescent diode, a gas laser, etc. can be used.
この光はビームスプリッタのような光分岐素子2によっ
て2本の光線に分割される。This light is split into two beams by a light branching element 2 such as a beam splitter.
2本の光線は、レンズ3、4で絞られて、光ファイバ5
の両端A,Bから、これにに入射する。The two light beams are condensed by lenses 3 and 4, and then connected to an optical fiber 5.
The light enters this from both ends A and B.
光ファイバ5は1本のシングルモードファイバである。Optical fiber 5 is one single mode fiber.
これは、センサコイル6と位相変調素子7に巻き回した
部分8とよりなる。This consists of a sensor coil 6 and a portion 8 wound around a phase modulation element 7.
センサコイル6は、ファイバを多数回巻き回したコイル
状のもので、これが角速度を検出するセンナ部分となる
。The sensor coil 6 is in the form of a coil made by winding a fiber many times, and serves as a sensor portion that detects angular velocity.
位相変調素子7は、例えば円柱形の圧電素子の円周面に
光ファイバを巻き、端面電極間に電圧を印加できるよう
にしたものである。変調周波数Ωに交流電圧を印加する
と、光ファイバを伝搬する光の位相が周波数Ωで周期的
に変動する。The phase modulation element 7 is, for example, an optical fiber wound around the circumferential surface of a cylindrical piezoelectric element, so that a voltage can be applied between end face electrodes. When an alternating current voltage is applied to the modulation frequency Ω, the phase of light propagating through the optical fiber changes periodically at the frequency Ω.
励振交流電源10が位相変調度制御部12を介して位相
変調素子7に変調電圧を印加する。Excitation AC power supply 10 applies a modulation voltage to phase modulation element 7 via phase modulation degree control section 12 .
光ファイバ5のA端から入射した光は、センナコイル6
の中を右回り光として伝搬する。B端から入射した光は
、左回り光として伝搬する。これら2本の光が、光分岐
素子2で再び合一する。The light incident from the A end of the optical fiber 5 is transmitted to the senna coil 6.
It propagates as light in a clockwise direction. The light incident from the B end propagates as counterclockwise light. These two lights are combined again at the optical branching element 2.
干渉光の強度が、受光素子9によって二乗検波される。The intensity of the interference light is square-law detected by the light receiving element 9.
位相変調素子7がセンサコイル8に対して非対称である
ので、受光素子出力には、変調周波数Ωの、基本波と全
ての高調波が含まれる。Since the phase modulation element 7 is asymmetrical with respect to the sensor coil 8, the light receiving element output includes the fundamental wave and all harmonics of the modulation frequency Ω.
既に説明したように、n次の高調波は、n次のベッセル
関数と、光の振幅の2乗を係数として持つ。As already explained, the n-th harmonic has an n-th Bessel function and the square of the amplitude of light as a coefficient.
奇数次高調波にはΔθが正弦関数の形で入る。Δθ enters the odd harmonics in the form of a sine function.
偶数次高調波にはΔθが余弦関数の形で入る。Δθ enters the even harmonics in the form of a cosine function.
同期検波ml3は、受光素子の出力の内、基本波成分P
を検出する。同期信号は励振交流電源10から得る。The synchronous detection ml3 detects the fundamental wave component P of the output of the light receiving element.
Detect. The synchronization signal is obtained from the excitation AC power supply 10.
2倍高調波検出部12は、受光素子出力の内、2倍高調
波Qを検出する。逓倍器20で励振交流電源10の信号
を2倍に逓倍して、2Ωの周波数の同期信号とする。The second harmonic detection section 12 detects the second harmonic Q from the output of the light receiving element. A multiplier 20 doubles the signal from the excitation AC power supply 10 to produce a synchronization signal with a frequency of 2Ω.
2倍高調波検出部12は2倍高調波Qを0にするように
、位相変調度制御部11の位相変調度bを制御する。The second harmonic detection section 12 controls the phase modulation degree b of the phase modulation degree control section 11 so that the second harmonic Q becomes zero.
ξとbは一定の関係にあるので、以後、簡単にξを位相
変調度ということにする。Since ξ and b have a constant relationship, hereinafter, ξ will be simply referred to as the phase modulation degree.
4倍高調波検出部15は、受光素子出力から4倍高調波
Tを検出する。逓倍器20の20の信号を逓倍器21に
よりさらに2倍に逓倍し、4Ωの同期信号を作り、これ
により同期検波する。The fourth harmonic detection section 15 detects the fourth harmonic T from the output of the light receiving element. The signal 20 from the multiplier 20 is further doubled by the multiplier 21 to produce a 4Ω synchronous signal, which is used for synchronous detection.
割算器14は、4倍高調波Tで基本波Pを割り算し、結
果Sを出力する。The divider 14 divides the fundamental wave P by the fourth harmonic T and outputs the result S.
(力) 作 用
通常の光ファイバジャイロとしての作用については、説
明を省略する。(Force) Action The explanation of the action as a normal optical fiber gyro will be omitted.
同期検波部13は、受光素子出力から基本波成分レを検
出する。The synchronous detection section 13 detects the fundamental wave component from the light receiving element output.
P”2EI E2 J t (ξ)sin Δ
θ (23)4倍高調波検出部15は、受光素子出力か
ら4倍高調波Tを検出する。P”2EI E2 J t (ξ)sin Δ
θ (23) The fourth harmonic detection section 15 detects the fourth harmonic T from the light receiving element output.
T=2E+ E2 J4 (ξ)cos Δθ
(24)割算器14は、4倍高調波Tで基本波Pを割
り算するので、
となるが、この式には光の振幅が含まれない。そのため
、発光素子の光量が変動してもこの結果は影響を受けな
い。さらに、直流成分を分母にしないので、反射光量の
問題も回避できる。T=2E+ E2 J4 (ξ) cos Δθ
(24) Since the divider 14 divides the fundamental wave P by the fourth harmonic T, the following equation is obtained, but this equation does not include the amplitude of light. Therefore, even if the amount of light from the light emitting element changes, this result is not affected. Furthermore, since the DC component is not used as the denominator, the problem of the amount of reflected light can be avoided.
ただし係数は位相変調度ξの関数である。このままでは
、位相変調度の変動とともに係数が変化する惧れがある
。However, the coefficient is a function of the phase modulation degree ξ. If this continues, there is a risk that the coefficients will change as the degree of phase modulation changes.
そこで本発明では、2倍高調波Qを一定に保持する。例
えばOに保持する。Therefore, in the present invention, the second harmonic Q is held constant. For example, hold it at O.
Q=−2E. EQ Ja (ξ)cos Δ
θ (2B)Q=Oにするということは、J2(ξ)=
0にするということである。ベッセル関数には多くの零
点がある。2次ベッセル関数にも多くの零点があるが、
どの零点であっても良い。Q=-2E. EQ Ja (ξ) cos Δ
θ (2B) Setting Q=O means J2(ξ)=
This means setting it to 0. Bessel functions have many zeros. The quadratic Bessel function also has many zeros, but
It can be any zero point.
ξの値をある零点に固定することになるので、1次、4
次のベッセル関数Jt(ξ)、J.(ξ)の値が一定に
なる。(25)式の係数が一定になるわけである。この
式から、位相差Δθが一義的に決定される。Since the value of ξ is fixed at a certain zero point, it is linear, 4
The following Bessel function Jt(ξ), J. The value of (ξ) becomes constant. This means that the coefficient of equation (25) remains constant. From this equation, the phase difference Δθ is uniquely determined.
第3図にベッセル関数のグラフを示す。2次のJ2(ξ
)が0になる最初の点は、5.1である。第1零点とい
う。この値で、J,(ξ)、J.(ξ)はそれぞれ−0
.35 、0.4である。このとき(28)の係数は一
0.85となり確定する。Figure 3 shows a graph of the Bessel function. Quadratic J2(ξ
) becomes 0 at 5.1. It is called the first zero point. With this value, J, (ξ), J. (ξ) is −0 respectively
.. 35, 0.4. At this time, the coefficient of (28) is determined to be -0.85.
勿論どの零点をとっても良い。ベッセル関数はある次数
の関数の隣接するふたつの零点の間に他の関数の零点が
必ず一つ存在し。また関数を二乗したものを全次数につ
いて加えたものが常に1に等しいというサムルールがあ
る。そこで、2次の関数の零点近傍では、近い次数のベ
ッセル関数の値が大きくなる。Of course, you can take any zero point. In a Bessel function, there is always one zero of another function between two adjacent zeros of a function of a certain degree. There is also a thumb rule that states that the sum of the squares of a function over all orders is always equal to 1. Therefore, near the zero point of the quadratic function, the value of the Bessel function of a similar order becomes large.
この例でも、第一零点ξ=5.1の近傍で1次、4次ベ
ッセル関数J.(ξ)、J.(ξ)が大きく、その微分
が小さい。つまりξの変動があってもこれらは殆ど変化
しない。係数が変化し難いので感度が変化しない。Q=
0としてξの変動を積極的に抑えているが、たとえ変動
してもその影響が少ないという二重の効果がある。In this example as well, in the vicinity of the first zero point ξ=5.1, the first-order and fourth-order Bessel functions J. (ξ), J. (ξ) is large and its derivative is small. In other words, even if ξ changes, these values hardly change. Since the coefficient is difficult to change, the sensitivity does not change. Q=
Although the fluctuation of ξ is actively suppressed by setting it to 0, this has the double effect that even if it fluctuates, its influence is small.
このようにして、本発明では、発光素子の光量変動、位
相変調度変動の影響を全く排除することができる。In this way, the present invention can completely eliminate the effects of variations in the amount of light and variations in the degree of phase modulation of the light emitting element.
さらに、演算が単純だという長所がある。(22)のよ
うに複雑でな(、tanΔθで最終結果Sが与えられる
。tanΔθからΔθを求めるのは簡単である。さらに
Δθが小さい時は、
tanΔθ崎Δθ (27)
であるので、きわめて簡単にΔθが得られる。Another advantage is that the calculations are simple. (22), the final result S is given by tanΔθ. It is easy to calculate Δθ from tanΔθ. Furthermore, when Δθ is small, tanΔθzakiΔθ (27), so it is extremely simple. Δθ is obtained.
(キ) 実 施 例
位相変調方式光ファイバジャイロの基本的条件を備えた
最小構成に関しては、
Ezk1el S. and Ardltty H.J
.:”FIBER OPTIC ROTATION S
ENSOR”,Sprlnger4erlag Ber
lln.I982に詳しい説明がある。(G) Example Regarding the minimum configuration with the basic conditions of a phase modulation type optical fiber gyro, Ezk1el S. and Ardltty H. J
.. :”FIBER OPTIC ROTATION S
ENSOR”, Sprlnger4erlag Ber
lln. I982 has a detailed explanation.
第4図に実施例を示す。第1図と共通する部分の説明は
略す。An example is shown in FIG. Description of parts common to FIG. 1 will be omitted.
位相変調度制御部11は、PIDコントローラ22、乗
算器23より成っている。The phase modulation degree control section 11 includes a PID controller 22 and a multiplier 23.
2倍高調波検出部12が、2倍高調波Qを検出し、PI
Dコントーラ22は、QをOと比較し、その差が小さく
なるように、位相変調度を決定する。これは乗算器23
に乗数を決める信号として与えられる。The second harmonic detection unit 12 detects the second harmonic Q, and the PI
The D controller 22 compares Q with O and determines the degree of phase modulation so that the difference becomes small. This is multiplier 23
is given as a signal to determine the multiplier.
乗算器23は励振交流電源10の信号に乗数を掛けたも
のを位相変調素子に印加する。こうして位相変調度が一
定に成るように保たれる。The multiplier 23 multiplies the signal from the excitation AC power source 10 by a multiplier and applies the resultant signal to the phase modulation element. In this way, the degree of phase modulation is kept constant.
(ク) 効 果
温度や経時変化により、結合光量に変動が生じても、本
発明によれば、その影響を除去する事が出来る。(H) Effect Even if the amount of coupled light changes due to temperature or changes over time, the present invention can eliminate this effect.
直流成分を使わないので、反射光量の問題がない。Since no DC component is used, there is no problem with the amount of reflected light.
偶数次の高調波で基本波を割るので、結果が単純である
。演算が容易になる。The result is simple because the fundamental wave is divided by even harmonics. Calculations become easier.
偶数次に高調波を0にするようにして位相変調度を一定
にするので、温度、経時変化による位相変調度の変動も
ない。Since the phase modulation degree is made constant by setting the even-numbered harmonics to 0, there is no fluctuation in the phase modulation degree due to changes in temperature or changes over time.
正確で、安定した角速度測定が可能になる。Accurate and stable angular velocity measurement becomes possible.
第1図は本発明の位相変調方式光ファイバジャイロの構
成図。
第2図は本発明の実施例に係る光ファイバジャイロの構
成図。
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
ロの構成図。
第4図はベツセル関数のグラフ。
1 ● φ ● ●発 .光 素 子
2 ● ● ● ●光 分 岐 素 子3、4
●●●●レ ン ズ
5 1 ● ● 光 フ ァ イ
バ6●●●●センサコイル
7●●●●位相変調素子
8●●舎●位相変調素子に巻き付けた光ファイバ部分
9 ● ● ● ●受 光 素 子10●●●励
振交流電源
11●●●位相変調度制御部
12●●●2倍高調波検出部
13●●●同期検波部
14●●●割 算 器
15●●●4倍高調波検出部
2 0、 21− ● ●逓 倍 器22●●●
PIDコントローラ
23 ● ● ●乗 算 器FIG. 1 is a configuration diagram of a phase modulation type optical fiber gyro according to the present invention. FIG. 2 is a configuration diagram of an optical fiber gyro according to an embodiment of the present invention. FIG. 3 is a configuration diagram of a conventional phase modulation type optical fiber gyro. Figure 4 is a graph of the Betzel function. 1 ● φ ● ● Departure. Optical element 2 ● ● ● ● Optical branching element 3, 4
●●●● Lens 5 1 ● ● Optical fiber
Bar 6●●●●Sensor coil 7●●●●Phase modulation element 8●●sha●Optical fiber portion wrapped around the phase modulation element 9●●●●Receiving light element 10●●●Exciting AC power supply 11●●● Phase modulation degree control section 12 ●●● Second harmonic detection section 13 ●●● Synchronous detection section 14 ●●● Divider 15 ●●● Quadruple harmonic detection section 2 0, 21- ● ● Multiplier 22 ●●●
PID controller 23 ● ● ● Multiplier
Claims (3)
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、前記受光素子の出力を受けて位相変調周波数の偶数
次の高調波Tを検出する偶数次高調波検出部と、受光素
子出力の基本波成分Pを検出する同期検波部と、基本波
成分Pを偶数次高調波成分子で割り算し、その結果Sを
出力する割算器と、よりなることを特徴とする位相変調
方式光ファイバジャイロ。(1) An optical fiber having a part constituting a sensor coil and a part provided with a phase modulation element, a light emitting element that generates coherent light, and light from the light emitting element or from the light emitting element via the optical fiber. a beam splitter that splits the light and supplies it to both ends of the optical fiber; a light receiving element that propagates through the optical fiber and combines the light emitted from both ends of the optical fiber and receives the light; and an output of the light receiving element. In a phase modulation type optical fiber gyro having at least a synchronous detection circuit for receiving and detecting a phase modulated frequency component, an even-order harmonic for receiving an output of the light-receiving element and detecting an even-order harmonic T of the phase modulation frequency. A wave detection unit, a synchronous detection unit that detects the fundamental wave component P of the light receiving element output, and a divider that divides the fundamental wave component P by an even-order harmonic component and outputs the result S. A phase modulation optical fiber gyro featuring:
相変調周波数の2倍の周波数の高調波を検出する2倍高
調波検出部と、2倍高調波成分を一定値にするよう位相
変調度を制御する位相変調度制御部と、を有することを
特徴とする特許請求の範囲第1項記載の位相変調方式光
ファイバジャイロ。(2) The even-order harmonic T is other than second-order, and a double harmonic detection unit detects a harmonic with a frequency twice the phase modulation frequency, and sets the double harmonic component to a constant value. 2. The phase modulation type optical fiber gyro according to claim 1, further comprising a phase modulation degree control section for controlling the phase modulation degree.
ることを特徴とする特許請求の範囲第1項または第2項
記載の位相変調方式光ファイバジャイロ。(3) A phase modulation type optical fiber gyro according to claim 1 or 2, wherein the phase modulation degree control section is constituted by a PID control system.
Priority Applications (7)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5763789A JPH02236114A (en) | 1989-03-08 | 1989-03-08 | Phase modulation optical fiber gyro |
| EP92108242A EP0511684B1 (en) | 1989-03-08 | 1990-03-07 | Phase modulated fibre-optic gyroscope |
| EP90104363A EP0386739B1 (en) | 1989-03-08 | 1990-03-07 | Phase modulated fiber-optic gyroscope |
| DE69009533T DE69009533T2 (en) | 1989-03-08 | 1990-03-07 | Phase-modulated fiber optic gyroscope. |
| CA002011698A CA2011698C (en) | 1989-03-08 | 1990-03-07 | Phase modulated fiber-optic gyroscope |
| US07/489,556 US5048961A (en) | 1989-03-08 | 1990-03-07 | Phase modulated fiber-optic gyroscope for measuring the angular velocity of a moving object |
| DE69022072T DE69022072T2 (en) | 1989-03-08 | 1990-03-07 | Phase-modulated fiber optic gyroscope. |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5763789A JPH02236114A (en) | 1989-03-08 | 1989-03-08 | Phase modulation optical fiber gyro |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH02236114A true JPH02236114A (en) | 1990-09-19 |
Family
ID=13061402
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP5763789A Pending JPH02236114A (en) | 1989-03-08 | 1989-03-08 | Phase modulation optical fiber gyro |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH02236114A (en) |
-
1989
- 1989-03-08 JP JP5763789A patent/JPH02236114A/en active Pending
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