JPH02254313A - 位相変調方式の光ファイバジャイロ - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、移動車両等に搭載され回転角速度を検出する
ための光ファイバジャイロに関し、さらに詳しくは、光
源と光源からの光を左右両回りに伝般させる光路とから
なる光学系と、前記光学系に設けられ所定の周波数で駆
動する位相変調器と、前記光学系からの光出力信号を電
気信号に変換する光電変換部と、前記光電変換部の出力
信号のうち所定の周波数成分を抽出し角速度演算を行な
う信号処理部とからなる位相変調方式の光ファイバジャ
イロに関する。

〔従来の技術〕

この種の位相変調方式の光ファイバジャイロは、以下の
原理に基づき回転角速度を検出するものである。

すなわち、前記光学系に角速度Ωで回転が加わると、サ
グナック（Ｓａｇｎａｃ）効果により、前記光路を左右
両回りに伝般する光に位相差△θが生ずる。このとき、
角速度Ωと位相差Δθの関係は △θ＝（８πＡ／λＣ）Ω　　　　（１）Ａ：光路の取
り囲む面積 Ｃ：真空中の光速 λ：真空中の波長 なる式が成立つ。

前記位相変調器による変調電圧ｆ　（ｔ）をｆ　（ｔ）
　＝ｂｓｉｎ　ω、、ｔ　　　　　（２）ｂ：変調度 ω、、：変調角周波数 とすると、前記光路を通過する光は、右回りと左回りで
φだけ位相変調の位相がずれる。

φ＝ω、ｒ＝ｎｌｌωｆｆ１ｃ＝２πｆｍｎ／ｃ　　（
３）τ：光の通過時間 ｌ：ファイバ長 ｎ：屈折率 ｆ□　：変調周波数 前記光学系の光出力を光電変換部にて電気信号に変換す
ると、 Ｓ（△θ、ｔ）　＝　ｌ　Ｅ、ｓｉｎ　　（ωｔ＋△θ
／２＋　ｂ　５ｉｎ（ω。＋φ／２）　）　＋ Ｅｚｓｉｎ　　ｔωｔ−△θ／２＋ｂｓｉｎ（ω。−φ
／２）＋１２ ＝１／２　（Ｅ、”　＋Ｅ２”） ＋Ｅ＋ＥｚＪｏ（２ｂｓｉｎ　（φ／２））ｃｏｓ△θ
（ＤＣレベル信号分） ＋２Ｅ、Ｅ、Ｊ、（２ｂｓｉｎ（φ／２））ｓｉｎ△θ
ｃｏｓω、ｎ（基本周波数成分Ｓ、） ＋２Ｅ、Ｅ２Ｊ２（２ｂｓｉｎ（φ／２））ｃｏｓ△θ
ｃｏｓ２ωｍ　　（第２高調波成分Ｓり＋２Ｅ、Ｅ、Ｊ
ａ（２ｂｓｉｎ（φ／２））ｓｉｎ△θｃｏｓ３ω、ｎ
（第３高調波成分Ｓ３）＋２Ｅ＋ＥｚＪ＋（２ｂｓｉｎ
（φ／２））ｃｏｓ△θＣＯ５４（Ｌ）、　　（第４高
調波成分Ｓ４）＋・・・・・・　　（４） となる。ここでＪｎはベッセル関数である。

（４）式のうち、基本周波数成分Ｓ１及び第２高周波成
分Ｓ２を抽出することにより、△θが求まる。

八〇＝ｊａｎ−’　［Ｊ！（ξ）／Ｊｌ（ξ）　・Ｓｌ
／Ｓ２］　　（５）ξ＝２ｂｓｉｎ（φ／２） （５）式によれば、△θの値は不定となるが、Ｓｌと３
２の符号を調べることで特定することができる。

そして、従来、第２高調波成分Ｓ２及び第４高調波成分
Ｓ４との比 Ｓｔ／Ｌ　＝Ｊ２　（ξ）／Ｊ４（ξ）（６）を一定に
するようξ＝２ｂｓｉｎ（φ／２）を制御することによ
り（５）式の定数項Ｊ２（ξ）／Ｊｌ（ξ）を−定に保
持していた。

つまり、前記光学系からの出力信号のうち基本変調周波
数成分と複数の高次変調周波数成分を抽出し、それら複
数の成分間での振幅比を所定値に収束すべく前記位相変
調器の駆動周波数を制御することにより、温度や圧力等
の環境変化による光フアイバ中の偏波状態の変動等に起
因するスケールファクタ（入力位相差と出力電圧の比例
係数）の変動を補償していた。

そして、前記基本変調周波数成分と複数の高次変調周波
数成分を抽出するために、前記光電変換部の後段に各周
波数成分に対応する複数の同期検波回路（ロックイン・
アンプと称する）を設けてあり、それら同期検波回路の
各出力を順次デジタ、ル信号に変換するＡ／Ｄ変換部を
介して角速度演算、前記位相変調器の駆動周波数の制御
等を行なうデジタル信号処理部に入力していた。

前記同期検波回路は、基本変調周波数信号と複数の高次
変調周波数信号が夫々参照信号として入力され、前記光
電変換部の出力信号の各変調周波数成分ごとのスペクト
ルを直流電圧として出力するアナログ信号処理回路であ
る。

〔発明が解決しようとする課題〕

上述した従来技術の回路構成によれば、スケールファク
タの変動を補償するうえで、アナログ信号処理部、特に
前記同期検波回路の安定性がその精度に大きな影響を及
ぼすことになる。

つまり、前記同期検波回路では、アナログ信号を取扱う
ために、温度特性に基づく出力電圧の変動や経時変化に
より補償精度が劣下する虞があり、また、初期にゲイン
等の調整工程が複数の同期検波回路に必要とされ、その
際の調整誤差が補償精度に大きな影響を及ぼすことにな
るのである。

さらには、そのような同期検波回路を複数個必要とする
ために部品コス小の上昇を招来するばかりでなく、前記
調整工程が複雑なために組立・調整時間が長くなり組立
・調整コストの上昇をも招来するのである。

本発明の目的は上記従来欠点を解消する点にある。

〔課題を解決するための手段〕

この目的を達成するため、本発明による位相変調方式の
光ファイバジャイロの特徴構成は、前記信号処理部を、
前記光電変換部の出力信号を直接にデジタル信号に変換
するＡ／Ｄ変換部と、前記Ａ／Ｄ変換部の出力信号に基
づき前記角度演算を行なうデジタル信号処理部とから構
成してあることにある。

前記信号処理部は、前記光電変換部の出力信号の一周期
に対するサンプリングパルスを複数周期にわたり時間的
にずらせて繰り返し発生させる等価時間サンプリングパ
ルス発生部と、等価時間サンプリングパルス発生部から
のサンプリングパルスに基づき所定数のデータをデジタ
ル信号に変換するＡ／Ｄ変換部と、前記所定数のデータ
を一周期の信号に復元するデジタル信号処理部とから構
成することが望ましい。

前記信号処理部は、複数のＡ／Ｄ変換部と前記光電変換
部の出力信号の一周期に対するサンプリングパルスを前
記複数のＡ／Ｄ変換部に時間を異ならせて各別に供給す
るサンプリングパルス発生部と、前記複数のＡ／Ｄ変換
部からのデジタル信号を一周期の信号に復元するデジタ
ル信号処理部とから構成することが望ましい。

〔作　用〕

つまり、前記信号処理部においては、前記光電変換部の
出力信号をＡ／Ｄ変換部で直接にデジタル信号に変換し
た後、そのデジタル信号を後段のデジタル信号処理部で
基本変調周波数成分と複数の高次変調周波数成分に分解
し、所定の演算を施すことにより角速度の導出、及び、
前記位相変調器の駆動周波数の制御を行なうように構成
してあるので、そのような信号処理部にあっては、アナ
ログ信号処理部としての同期検波回路が不要となるので
ある。

〔発明の効果〕

従って、本発明による位相変調方式の光ファイバジャイ
ロによれば、前記光電変換部の出力信号をＡ／Ｄ変換部
が直接にデジタル信号に変換してデジタル信号処理部に
入力するよう構成してあるので、温度特性や経時変化に
よる出力電圧の変動で補償精度が劣下する虞があり、種
々の調整工程が必要とされる同期検波回路を使用する必
要が無く、部品コスト及び組立コストの低減が達成でき
るとともに、長期にわたり安定して所期の性能を確保す
ることができるようになった。

〔実施例〕

以下に本発明の実施例を図面に基づき説明する。

位相変調方式の光ファイバジャイロは、第１図に示すよ
うに、レーザダイオードなどを用いた光源（２）と光源
（２）からの光を左右両回りに伝般させる光路（３）と
からなる光学系（１）と、前記光路（３）の一端に設け
られ所定の周波数で駆動する位相変調器（６）と、前記
光学系（１）からの光出力信号を電気信号に変換する光
電変換部（７）と、前記光電変換部（７）の出力信号に
基づき角速度演算等を行なう信号処理部（８）とで構成
してある。

前記光路（３）は偏波保存型単一モード光ファイバをコ
イル状に巻いてなる光フアイバループで構成され、前記
光源（２）からの光が偏波保存型光カップラ（４）、（
４°）と偏光フィルタ（５）を介して導かれる。すなわ
ち、前記光源（２）と偏波保存型光カップラ（４）、　
（４’　）と偏光フィルタ（５）と光路（３）とで光学
系（１）を構成してある。

前記位相変調器（６）は、前記光路（３）を構成する光
ファイバを前記光路（３）の一端で電歪素子（ＰＺＴ）
に巻き付けて構成してあり、後述の駆動部（１１）から
の信号で前記電歪素子を所定の周波数で駆動することに
よって、光ファイバを伸縮させて前記光路（３）中を伝
般する光の位相を変調する。

前記光電変換部（７）は、前記光路（３）を左右両回り
に伝般し前記偏波保存型光カップラ（４）から出力され
る光信号を電気信号に変換する光電変換部（７ａ）と光
電変換部（７ａ）により変換された微小な電気信号を適
度なレベルに増幅する前置増幅器（プリアンプ）（７ｂ
）とで構成してある。

前記信号処理部（８）は、前記前置増幅器（７ｂ）から
の出力信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換部（９
）と、Ａ／Ｄ変換部（９）からの出力信号に基づき角速
度演算、前記位相変調器（６）へのフィードバック制御
等を実行するデジタル信号処理部（ｌＯ）と、前記位相
変調器（６）を駆動する駆動部（１１）と、前記Ａ／Ｄ
変換部（９）及び前記駆動部（１１）夫々に所定の信号
を伝える信号発生部（１２）と、前記デジタル信号処理
部（１０）からのフィードバックデータを前記駆動部（
ＩＩ）に伝えるＤ／Ａ変換部（１３）等で構成してある
。

前記Ａ／Ｄ変換部（９）は、後述のサンプリングパルス
に同期して前記前置増幅器（７ｂ）からの出力アナログ
信号を取込むサンプルホールド回路と、サンプルホール
ド回路によりサンプルホールドされたアナログ信号をデ
ジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換部とで構成してあり、
前記光学系（１）からの出力信号のうち、基本変調周波
数成分（周波数ｆ、ｎ）、第、２高周波成分（周波数２
［。）、及び第４高調波成分（周波数４ｆ□）を取込む
。

前記サンプリングパルスは、前記信号発生部（１２）の
基準信号発生部（１２ａ）から出力される周波数ｆ、の
基準信号を分周器（１２ｂ）にて周波数ｒ。

に分周して得られる信号であり、第２図に示すように、
前記光学系（１）の出力信号の基本変調周波数ｆ、の１
周期に対するサンプリングタイミングを３周期にわたり
時間的にずらせて繰返し発生すべく周波数ｆ、＝８／３
・ｆｌに分周してある。

つまり、本来前記第４高調波成分まで取込むためには、
シャノンのサンプリング定理に基づき８ｆ、（２Ｘ４ｆ
、）以上の周波数ノサンプリングパルスが必要なところ
を、前記光学系（１）の出力信号が３周期にわたりほぼ
一定であることを前置として、１周期に必要なサンプリ
ング数を３周期にわたりサンプリングする等価時間サン
プリング手法を用い、比較的低価格である低速かつ高精
度のＡ／Ｄ変換器の使用を可能としている。

前記デジタル信号処理部（１０）は、高速のデジタルシ
グナルプロセッサ（ＤＳＰ）と信号入出力インターフェ
イス回路で構成され、詳しくは、前記Ａ／Ｄ変換部（９
）で３周期にわたりデジタル信号に変換されたサンプリ
ングデータを１周期の時系列的なサンプリングデータと
して再配列する信号復元処理部、と、復元されたデータ
から（４）式に示した各周波数成分（Ｓ＋、　Ｓ２＋　
３４）を抽出し、前記分周器（１２ｂ）により分周され
た位相基準信号の入力に基づき基本周波数成分Ｓ１及び
第２高調波成分Ｓ２の符号を調べ（５）式による位相差
△θを求め、その結果を（１）式に代入し回転角速度を
求める角速度演算部と、（６）式による第２高調波成分
と第４高調波成分の比を一定にすべく（２）式で表わさ
れる変調電圧の制御を行なう変調電圧制御部等からなる
。

なお、前記変調電圧制御部の出力は、前記位相変調器（
６）による変調度を一定にすべく、前記Ｄ／Ａ変換部（
１３）を介して駆動部（１１）に入力される。

以下に本発明の別実施例を説明する。

［１］先の実施例では、サンプリングパルスを、基準信
号発生器（１２ａ）の出力信号を分周して発生させてい
たが、サンプリングパルスとしては、前記位相変調器（
６）の変調信号に同期する位相同期回路を用いて発生さ
せても良い。

［２］先の実施例では、等何時間サンプリング手法とし
て、１周期に対して必要なサンプリングデータを３周期
にわたりサンプリングしているが、これに限定されるこ
とは無く、１周期に対して必要なサンプリングデータを
ｎ周期（ｎ＞１）にわたりサンプリングすることにして
もよい。

［３］先の実施例では、Ａ／Ｄ変換部（９）によるデー
タサンプリングを単一のＡ／Ｄ変換器を使用し、等何時
間サンプリング手法により行なっているが、第３図に示
すように、Ａ／Ｄ変換器を複数個用いて、それぞれのＡ
／Ｄ変換器によるデータサンプリングを基本周波数ｒ、
ｎの１周期にわたりシャノンのサンプリング定理を満た
す周波数（例えば先の実施例では、ｆ、＝８ｆ□）のサ
ンプリングパルスを周波数ｆｓ＋〜ｆｓｎに分周して各
別のＡ／Ｄ変換器に異なるタイミングで供給して行って
もよい。

この場合、低価格である低速のＡ／Ｄ変換器を使いなが
らも１周期で全サンプリングが終了するのでダイナミッ
クレンジが大きくなる利点がある。

［４コ先の実施例による等何時間サンプリング手法を［
３］に記載の複数のＡ／Ｄ変換器に採用してもよい。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明に係る位相変調方式の光ファイバジャイロ
の実施例を示し、第１図はブロック構成図、第２図はＡ
／Ｄ変換部によるサンプリングタイミングを表わすタイ
ミングチャートであり、第３図は別実施例を示す　信号
処理部のブロック構成図である。 （１）・・・・・・光学系、（２）・・・・・・光源、
（３）・・・・・・光路、（６）・・・・・・位相変調
器、（７）・・・・・・光電変換部、（８）・・・・・
・信号処理部、（９）・・・・・・Ａ／Ｄ変換部、（１
０）・・・・・・デジタル信号処理部。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、光源と光源からの光を左右両回りに伝般させる光路
   とからなる光学系と、前記光学系に設けられ所定の周波
   数で駆動する位相変調器と、前記光学系からの光出力信
   号を電気信号に変換する光電変換部と、前記光電変換部
   の出力信号のうち所定の周波数成分を抽出し角速度演算
   を行なう信号処理部とからなる位相変調方式の光ファイ
   バジャイロにおいて、 前記信号処理部を、前記光電変換部の出力 信号を直接にデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換部と、
   前記Ａ／Ｄ変換部の出力信号に基づき前記角度演算を行
   なうデジタル信号処理部とから構成してある位相変調方
   式の光ファイバジャイロ。 ２、前記信号処理部は、前記光電変換部の出力信号の一
   周期に対するサンプリングパルスを複数周期にわたり時
   間的にずらせて繰り返し発生させる等価時間サンプリン
   グパルス発生部と、等価時間サンプリングパルス発生部
   からのサンプリングパルスに基づき所定数のデータをデ
   ジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換部と、前記所定数のデ
   ータを一周期の信号に復元するデジタル信号処理部とか
   らなる請求項１記載の位相変調方式の光ファイバジャイ
   ロ。 ３、前記信号処理部は、複数のＡ／Ｄ変換部と前記光電
   変換部の出力信号の一周期に対するサンプリングパルス
   を前記複数のＡ／Ｄ変換部に時間を異ならせて各別に供
   給するサンプリングパルス発生部と、前記複数のＡ／Ｄ
   変換部からのデジタル信号を一周期の信号に復元するデ
   ジタル信号処理部とからなる請求項１記載の位相変調方
   式の光ファイバジャイロ。