JPH02280005A - 光干渉角速度計 - Google Patents

光干渉角速度計

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JPH02280005A
JPH02280005A JP1102188A JP10218889A JPH02280005A JP H02280005 A JPH02280005 A JP H02280005A JP 1102188 A JP1102188 A JP 1102188A JP 10218889 A JP10218889 A JP 10218889A JP H02280005 A JPH02280005 A JP H02280005A
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健一 岡田
Masashi Nishino
西野 雅士
Osamu Tanigawa
谷川 修
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    • G01C19/00Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
    • G01C19/58Turn-sensitive devices without moving masses
    • G01C19/64Gyrometers using the Sagnac effect, i.e. rotation-induced shifts between counter-rotating electromagnetic beams
    • G01C19/72Gyrometers using the Sagnac effect, i.e. rotation-induced shifts between counter-rotating electromagnetic beams with counter-rotating light beams in a passive ring, e.g. fibre laser gyrometers
    • G01C19/726Phase nulling gyrometers, i.e. compensating the Sagnac phase shift in a closed loop system

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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。

Description

【発明の詳細な説明】 「産業上の利用分野」 この発明は光学路を伝搬してきた右回り光と左回り光と
を干渉手段で干渉させ、その干渉手段と光学路の一端と
の間に設けた位相差発生手段で右回り光と左回り光とに
位相差を与え、干渉手段より得られた干渉光を電気信号
に変換し、その電気信号に含まれている右回り光と左回
り光との位相差情報を検出し、その位相差情報に応じた
周波数の鋸歯状波出力を発生し、その鋸歯状波出力を右
回り光と左回り光との位相差が零になるように位相差発
生手段に負帰還制御するクローズトループ形光干渉角速
度計に関する。
「従来の技術」 第3図に従来のクローズトループ形光干渉角速度計を示
す、光源11からの光は光カプラ12、偏光子13、光
カブラ14を経て、光学路としての光フアイバコイル1
5の両端に右回り光、左回り光として入射される。光フ
アイバコイル15を伝搬する右回り光、左回り光は、光
フアイバコイル15の一端と光カブラ14との間に配し
た位相変調器16で発振器17の出力により位相変調さ
れる6位相変調を受けた右回り光、左回り光は光カプラ
14で結合され干渉し、再び偏光子13、光カブラ12
を通って光電変換手段としての受光器18へ到達する。
受光器18に到達した干渉光は充電変換される。充電変
換された信号は同期検波回路19で位相変tlIi周波
数と同じ成分が取り出される。同期検波回路19の出力
は積分器21で積分され、その積分出力に応じた周波数
の鋸歯状波出力が鋸歯状波発生回路22で発生される。
この鋸歯状波出力により、光カプラ14と光フアイバコ
イル15の他端との間に配された位相差発生手段として
の帰還位相発生路23が制御される。
帰還位相発生器23は右回り光と左回り光とに位相差を
与え、これら両光の位相差が零となるように鋸歯状波出
力により負帰還制御される。
同期検波回路19から右回り光と左回り光との位相差情
報が検出される。つまり右回り光と左回り光との位相差
をΔφとすると、同期検波回819の出力■は V=K ・slm Aφ(1) となる、には定数である。位相差ΔφはΔφ−ΔφΩ+
Δφf(2) で表わされる。ΔφΩは光フアイバコイル15に角速度
を印加した時に生じるSagnaC位相差を示し、次式
で表わされる。
R:光フアイバコイル15の半径、L:光フアイバコイ
ル15の光ファイバ長、C:光速、λ:真空中における
光の波長、Ω:入力角速度Δφ、は帰還位相発生器23
により発生した位相差である。帰還位相発生器23に鋸
歯状波出力が印加され、右回り光(CW光)は第4図(
a)の実線で示すような位相偏移が生じ、左回り光(C
Cl2光)は破線で示すような位相偏移が生じ、これは
光フアイバコイル15を伝搬する光の伝搬時間τだけ遅
れている。この結果、右回り光と左回り光との位相差Δ
φ、は第4図(ロ)に示すようになる。ここで鋸歯状位
相偏移の最大偏移が2πk(k:整数)となるようにす
ると、右回り光と左回り光との位相差Δφ、は次式で表
わされる。
f:鋸歯状波の周波数、n:光の屈折率光フアイバコイ
ル15におけるSagnac位相差Δφ口を打消すよう
に、つまり右回り光と左回り光との位相差Δφが零にな
るように帰還位相発生器23が制御されるクローズルー
プが達成されているから、この時の鋸歯状波の周波数f
は<2)、 (3)、 (4)式人力角速度Ωを知るこ
とができる。
このクローズトループ形光干渉角速度計は出力形態が(
5)式に示したようにパルス出力である。所でパルスウ
ェイト、即ち1パルス当りの角度増分は(5)式より、 f      2R で求めることができる。ここで短期バイアス安定性が1
’/H,近辺(たイし角速度出力データのサンプリング
時間を100秒程度とした場合)の中精度程度の光干渉
角速度計の実例(Lζ300m5R−0,020m程度
)についてパルスウェイトPwを計算するとPw #6
arc−see /pulseとなる。但し通常に=1
に設定される。
「発明が解決しようとする課題J 以上述べたように中精度光干渉速度計のパルスウェイト
がPw ’q 6 arc−sec /pulse程度
である場合、鋸歯状波より得たパルスを積分して飛しょ
う体などの姿勢を計測するような用途では量子化エラー
(1ビツトエラー)の影響は時間とともに小さくなり問
題とならないが、飛しよう体などに印加される角速度を
精度よく計測しようとする場合に問題となってくる。
例えば0.01秒ごとに角速度出力データをサンプリン
グし、印加された角速度を求める場合は、1パルスがあ
るのと無いのとで0.33°/sec”の角速度ノイズ
(量子化ノイズ又は1パルスノイズ)が発生する。これ
はかなり大きな値である。
またパルスウェイトP。は(6)式に示すように光フア
イバコイル15の半径Rに反比例しているため、光干渉
角速度計の光学系及び電気系の性能を向上して光フアイ
バコイルの半径を小さくし、小形化をはかろうとする努
力に対して逆行し、パルスウェイトP、が大きくなるた
め、角速度ノイズは更に大きくなり、この方式の光干渉
角速度計の応用範囲を狭くしていた。
この発明の目的は角速度ノイズを小さく抑えたクローズ
トループ形光干渉角速度計を提供することにある。
「課題を解決するための手段」 この発明によればクローズトループ形の光干渉角速度計
において、位相差発生手段としての帰還位相発生器に印
加する鋸歯状波信号をA/D変換手段でデジタル信号に
変換して出力する。このデジタル信号により次にパルス
が来るまでの間の角度変化を細かく知ることができる。
「実施例」 第1図にこの発明の実施例の要部を示す、入力端子24
に第3図中の積分器21の出力電圧が供給される。入力
端子24に入力された正及び負の電圧は正及び負の電流
に電圧電流変換回路25で変換される。この変換された
電流でコンデンサ26が充電される。充電されたコンデ
ンサ26の電圧はコンパレータ27,28で正の基準電
源29の基準電圧■。、負の基準電源31の基準電圧■
とそれぞれ比較される。コンパレータ27はコンデンサ
26の電圧が基準電圧■、より小さい場合は“L”レベ
ルを出力し、コンデンサ26の電圧が基準電圧■、より
大きい場合は“H”レベルを出力する。コンパレータ2
8はコンデンサ26の電圧が基準電圧■−より絶対値と
して小さい場合は“L”レベルを出力し、コンデンサ2
6の電圧が基準電圧■−より絶対値として大きい場合は
“H”レベルを出力する。
コンパレータ27,28の出力はリセット信号発生回路
32へ供給され、リセット信号発生回路32は“H”レ
ベルを受けるとスイッチ33を作動させてコンデンサ2
6に充電された電荷を放電させる。スイッチ33はリセ
ット信号発生回路32の信号を受けてコンデンサ26の
電荷を急速に放電させるため、一般に高速でリーク電流
の小さい、FETスイッチなどが用いられる。正の基準
電圧■、は正の鋸歯状波の最大電圧+■、を決定する電
圧で、鋸歯状位相偏移の正の最大偏移が2πにとなるよ
うに調整される。−力負の基準電圧V−は負の鋸歯状波
の最大電圧−■、を決定する電圧で、鋸歯状位相偏移の
負の最大偏移が一2πにとなるように調整される。コン
デンサ26の電圧は電圧電流変換回路25の正、負の電
流に応じた周波数の正、負の鋸歯状波となる。この鋸歯
状波電圧は出力端子34を通じて第3図中の帰還位相発
生器23へ供給される。コンパレータ27.2Bの各出
力はそれぞれパルス整形回路35.36へ供給され、コ
ンデンサ26の鋸歯状波電圧の周波数と同一周波数をも
ち、パルス幅、パルス高さなどがインターフェイス要求
に応じたパルスを端子37.38に出力する0図に示し
てないが、例えば端子37のパルスをアップダウンカウ
ンタでアップカウントし、端子38のパルスでダウンカ
ウントすると、そのアップダウンカウンタの計数値は、
入力角度を示し、その変化率は、入力角速度を示すこと
になる。
この発明ではコンデンサ26の鋸歯状波電圧がA/D変
換器39でデジタル信号に変換され、そのデジタル信号
が端子41に出力される。 A/D変換器39の入出力
の関係例を第2図に示す。この図のようにA/D変換器
39は入力o■の時に“’tooo″のデジタル信号を
出力し、正の最大電圧+vつの時“1111“のデジタ
ル信号を出力し、負の最大電圧−■、の時、”oooo
”のデジタル信号を出力するようにA/D変換器39の
利得が設定される。
「発明の効果」 以上述べたようにこの発明によればA/D変換器39を
設け、鋸歯状波電圧をデジタル信号に変換することによ
り、鋸歯状波電圧が一周期する間、即ち光干渉角速度計
のパルス出力が1パルス出力される間の角度の変化を細
かく読取ることができる。実施例の場合鋸歯状波を8分
割しているので、1パルスウエイトP w # 6 a
rc−sec/ pulseの178まで細かく読むこ
とができる。従って角速度出力データのサンプリング時
間0.01秒における1パルスの角速度ノイズも8倍改
善され、0.04°/see”となり、小さく抑えるこ
とができる。A/D変換器39のビット数を増やしてや
れば更に細かく読むことができ、角速度ノイズも減らす
ことができる。
【図面の簡単な説明】
第1図はこの発明の実施例の要部を示すブロック図、第
2図はA/D変換器39の入出力の関係例を示す図、第
3図は従来のクローズトループ形光干渉角速度計を示す
ブロック図、第4図は帰還位相発生器による右回り光と
左回り光との位相偏移と位相差とを示す図である。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)少なくとも一周する光学路と、 その光学路に対して右回り光及び左回り光を通す手段と
    、 その光学路を伝搬してきた右回り光と左回り光とを干渉
    させる干渉手段と、 その干渉手段と上記光学路の一端との間に、これらに継
    続的に配され、右回り光と左回り光とに位相差を与える
    位相差発生手段と、 上記干渉手段より得られる干渉光の光強度を電気信号と
    して検出する光電変換手段と、 その光電変換手段の出力電気信号に含まれている上記右
    回り光と左回り光との位相差情報を検出する位相検出手
    段と、 その位相検出手段の出力に応じた周波数の鋸歯状波出力
    を発生し、その鋸歯状波出力を、上記右回り光と左回り
    光との間の位相差が零となるように上記位相差発生手段
    に負帰還制御する鋸歯状波発生手段と、 その鋸歯状波発生手段の鋸歯状波出力をデジタル信号に
    変換するA/D変換手段とを有し、上記側歯状波出力の
    周波数成分及び上記デジタル信号を角速度出力とする光
    干渉角速度計。
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US5062710A (en) 1991-11-05
EP0393643A3 (en) 1991-05-02
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