JPH03214020A - 光フアイバジヤイロにおける自動位相調整回路 - 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】

この発明は位相変調方式の光ファイバジャイロにおいて
、圧電素子の温度特性による位相変化を、同期検波回路
の同期信号の中に取り込んで、位相変化による信号強度
の変動を打ち消すようにした光ファイバジャイロに関す
る。

【従来の技術】

光ファイバジャイロが角速度Ω、で回転していると、左
廻り光と右廻り光の位相差ΔθはＣλ によって求められる。とこでＬはファイバコイルのファ
イバ長、ａはファイバコイルの半径、ｃｌｉ光速、λは
真空中の光の波長である。 移送変調方式の場合、ファイバコイルの一端ノ近傍に位
相変調器を設け、ここを通る光の位相を角周波数Ωで変
調する。ファイバコイルの中を通過するのに要する時間
をτとすると であるが、左廻り光と右廻り光とで変調を受ける時刻が
τだけ異なる。このため左廻り光と右廻り光の干渉光の
強度は角周波数Ωで変動する部分を含み、これはΩの高
調波成分に展開する事ができる。 位相変調の振幅をｂとする。 左廻り光の波動を （■ とする。ωは光の角振動数である。右廻り光の波動を （２） とする。 干渉光の強度はこれらの和の２乗で与えられるので、 これをＳとすると、 というようにベラ セル関数Ｊｆｌ（ξ） によって展開で きる。ここでξは位相変調度すに対してτ ξ＝ ５ｉｎ （０ という関係にある。 これらをｓｉｎ（２ｍ＋１）Ωｔ のキャ リ ア信号を用いて 同期検波すると、 （２ｉ＋＋ｉ）次の奇数次高調波出力成分の大きさが求
まる。偶数次高調波出力成分も同様に求められる。 これから、位相差Δθを求める方法はいくつもある。例
えば基本波Ｐを２倍高調波Ｑで割ると、となり、ｊａｎ
八〇へ分かるので、Δθが求められるこのように除算に
よってΔθを求める事とすれば、光量変動などの影響を
除くことができる。或は基本波Ｐを４倍高調波Ｔで割っ
て からΔθを求めることもできる。 このような事は本出願人による。特願平１−５７［１３
４（Ｅ［，１，８，３出願）、特願平１−５７１ｉｉ３
５（Ｈ，１，８，３出願）、特願平１−５７１１ｉ３Ｂ
　（Ｈｌ、８．３出願）、特願平ｌ−３７６３７（Ｈ，
１，８，３出願）等に開示されている。

【発明が解決しようとする課題】

これまでの説明は理想的な場合であって、受光素子出力
であるセンサ信号と同期検波のためのキャリア信号につ
いて位相の差がないことを前提としている。 ところが実際にはセンサ信号には位相の遅れがある。こ
こで位相の差といっているのは、ファイバフィル中を伝
わる左廻り光、右廻り光の位相差Δθとは違う。 そうではなくて、変調信号に対する位相の遅れからくる
位相の差である。 例えば変調信号の発振器が５ｉｎ（Ωｔ）の正弦波を発
生していたとする。圧電素子の内外の電極にこの電圧が
かかって、これが膨縮してファイバの長さが変化する。 こうして位相変調がなされる。これまでの時間遅れがあ
るので１位相変調は５ｉｎ（Ωｔ）より遅れる。また受
光素子によって光電変換され増幅器によって増幅される
ので、これらの素子で信号処理を受けるので時間遅れが
ある。 このようなわけで同期検波回路に入る基本波１２倍、３
倍、４倍高調波の変調振動分の位相は全て違う。それぞ
れの波動は、 ２Ｅ＝　Ｅｇ　Ｊ−Ｃξ）ｓｉｎΔθ５ｉｎ（Ωｔ＋η
ｔ）　　　（９）２Ｅｔ　Ｅ２　Ｊ２（ξ）ｃｏｓΔθ
５ｉｎ（２Ωｔ＋η２）　　　（ｔｏ）２ＥＩ　Ｅ２　
Ｊ３（ξ）ｓｉｎΔθ５ｉｎ（３Ωｔ＋ηａ）　　　（
１１）２ＥＩＥ２　Ｊ４（ξ）ｃｏｓΔθ５ｉｎ（４Ω
ｔ＋η４）　　　（１２）というようになる。 同期検波のためのキャリア信号はこれらと位相が合致し
ていなければならない。例えば０式で表される基本波に
対してキャリア信号Ｐがｐ＝ｓｉｎ　　（Ωｔ＋ζＳ　
）　　　　　　（ｔａ）であるとすると、同期検波した
出力Ｐ（＋□、ζ１）はＰ（１１，ζ−）＝ＥＩＥ２　
Ｊｌ（ξ）ｓｌｎΔθｃｏｓ（ζｔ−１ｔ）（１４） となってしまう。Ｃ０５（ζｔ−ｆｔ）だけ出力が低下
することになる。これはｓ１ｎΔθの低下と区別がつか
ないので、Δθの正確な測定ができない。 そこでキャリア信号の位相ζ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４を適
当に調節して η１＝ζｒ　　（ｉ＝１−　　　　４）（１５）となる
ようにしなければならない。 これは初期設定によって行う事ができる。 しかしさらに問題がある。 ある温度で（１５）が成り立つようにキャリア信号の位
相を設定したところで、温度が変わると、センサ信号の
位相η１、η２、η３、η４は変化する。特に圧電素子
の温度による性能の変化が著しいので、これら位相の温
度変化が著しい。 これら位相の温度変化に応じて、キャリア信号の位相ζ
１〜ζ４も変化させなければならない。 温度変動によるセンサ信号の位相変化を検出し同期検波
のキャリア信号の位相を変化させて、常にη１＝ζ＋（
ｔ＝１．・−・・−−−−ｍ＝・・）となるようにする
事が本発明の目的である。 もしも温度変化によるセンサ信号の位相の変化が全くラ
ンダムであるとすれば、それは不可能に近い。

【課題を解決するための手段】

しかし、幸いな事に温度変動によるセンサ信号の位相変
化には明確なルールがある。それは位相変化が高調波の
次数に比例するという事である。 それであるから、いずれかの次数ｎの高調波に対して温
度による位相変化を求めれば、他の全ての次数の高調波
に対する位相変化を与える事ができる。 ｎ次高調波の位相変化がη３だとすると、ｉ次高調波の
位相変化η、は η１　＝　　　　　　　η、　　　　　　　　（１Ｇ）
で求まる。 まずこの点について説明する。温度変化による位相の変
化をことすると■、（２）のかわりに、Ｅ　ｒ　　＝　
Ｅ　２ｓｉｎ　Ｃ＃ｔ　−−＋　ｂ　５ｉｎ（Ω（ｔ−
ｒ／２）＋ζ））（１８） というようになる。ここではある温度に於いて位相調整
の設定がなされていると仮定している。 そうすると奇数次高調波は■のかわりに２ＥｔＥ　２ｓ
ｉｎΔθ（−■）″Ｊａｗ＋＋（ξ）ｓｉｎ（（２ｍ＋
１）（ｌＩｔ＋

【）１（ｔＳ） となり偶数次高調波は ２　　Ｅ、＋　　Ｅ　　２ＣＯ５Δθ（−１）’″Ｊ２
．（ξ）ｓｌｎ１２ｍ（Ωを十ζ月（２０） となる。それぞれ新たに生じた位相差は（２ｍ＋１）ζ
、２ｍ（である、つまりこれはｎ次高調波の位相の変化
は、基本波の位相変化のｎ傍ということである。これで
（ＩＧ）が証明される。 本発明はこのような性質を利用する。例えば基本波、２
倍、３倍、４倍高調波の変調振動分の位相がずれるので
■〜（１２）は、 ２ＥＩ　Ｅ２　Ｊｌ（ξ）ｓｉｎΔθ５１ｎ（Ωｔ＋ｌ
＋＋ζ）　　（２１）２Ｅｔ　Ｅ２　Ｊ２（ξ）ｃｏｓ
Δθ５ｉｎ（２Ｑｔ　＋　１２＋　２ζ）　　（２２）
２ＥＩＥ２Ｊ３（ξ）ｓ１ｎΔθ５１ｎ（３Ωｔ＋１３
＋　３ζ）　　　（２３）２Ｅ、Ｅ２Ｊ４（ξ）ｃｏｓ
Δθ５ｉｎ（４Ωｔ＋　１４＋　４ζ）　　（２４）と
いうようになる。 そこで本発明では、任意の偶数次或は奇数次高調波のひ
とつを選びこれについて位相調整用の同期検波回路を設
けるようにした。 この位相調整用同期検波回路には、センサ信号とその高
調波に対応する次数のキャリア信号を９０進ませ或は９
０°遅らせた試験用キャリア信号を入力して同期検波し
、 （ａ）　９０°遅らせた試験用キャリア信号を入力した
時は、その出力Ｗがある正負の閾値Ｕ１１Ｕ２に対して
（Ｕ、＞０、Ｃ２＜Ｏ） ■Ｕ　１＞　Ｗ　＞　Ｕ　２であるときは、各信号検出
用同期検波回路のキャリア信号の位相を変えず■Ｗ＞Ｕ
ｌ＞Ｏであるときは、各信号検出用同期検波回路のキャ
リア信号の位相を高調波の次数に比例して増大させ、 ■Ｏ＞０２＞Ｗであるときは、各信号検出用同期検波回
路のキャリア信号の位相を高調波の次数に比例して減少
させる、 ようにする。 （ｂ）　９０’　進ませた試験用キャリア信号を入力し
た時はその出力Ｗがある正負の閾値Ｕ　、、　Ｕ　２に
対して（Ｕｌ　＞Ｏ，Ｃ２＜Ｏ） ■Ｕ　１＞　Ｗ　＞　Ｕ　２であるときは、各信号検出
用同期検波回路のキャリア信号の位相を変えず■Ｗ＞Ｕ
ｉ　＞Ｏであるときは、各信号検出用同期検波回路のキ
ャリア信号の位相を高調波の次数に比例して減少させ、 ■Ｏ＞Ｃ２＞Ｗであるときは、各信号検出用同期検波回
路のキャリア信号の位相を高調波の次数に比例して増大
させるようにする。 【作　　用】 センサ信号を■〜（１２）のように表現し、各高調波の
位相をη１で表す。同期検波のための各高調波のキャリ
ア信号の位相をＣ１で表す。 成る温度で（１５）に示すようにη１＝ζ１となるよう
に設定されている。温度変動があれば、センサ信号の位
相η１は、先に証明したように、高調波次数ｉに比例し
、（１Ｇ）式の関係がある。 そこでキャリア信号の位相ζ１も高調波次数ｉに比例し
て変化させれば良い。このため適当な次数の高調波のキ
ャリア信号の位相ζ１を変動させれば良い。 この時、（１８）式と同じようにキャリア信号について
も　　　　　　　ｉ ζｌ＝　　　　ζ、　　（２５） が成り立たなければならない。しかしこれは、自動的に
満たされている。なぜならキャリア信号は基本波のキャ
リア信号を２倍、３倍に逓倍して作るか、或は例えば４
倍高調波のキャリア信号を、１／２　、ｌ／４分周して
２倍高調波、基本波のキャリア信号を作るからである。 そうすると、適当な次数（ｎとする）においてセンサ信
号の位相のずれηゎを求めて、ζ。→　ηｎ（２［ｉ） というようにζ。をηゎへ収束させれば良い。 ところが位相のずれは、Ｃ０５（ζゎ−ｈ）というよう
な形で出力に現れるので、

【。＝１．Ｉの時にこれが極
大となり、制御が難しい。 そこで本発明では、ζ。よりも９０°だけ位相を進ませ
るか或は位相を遅らせた試験用キャリア信号を用いる。 これの位相をΣとすると、Σ＝ζ。±π／　２　　　　
　（２７）である。すると、同期検波出力は、ｃｏｓの
代わりに５ｉｎ（Σ−ηｎ）という形で表される。これ
はΣ＝η。でＯであり、Σ〉η９なら正、Σくη、なら
負になるのでΣ→η、という制御が容易になる。 任意の奇数次、偶数次の高調波について位相調整用同期
検波回路を設ければよいのであるが、ここでは４倍高調
波を例にして説明する。 第１図は基本波Ｐ、２倍高調波Ｑ、４倍高調波Ｔの同期
検波回路出力（ａ）〜（ｃ）と位相調整用同期検波回路
出力Ｗ（ｄ）を示すグラフである。横軸はセンサ信号の
位相η、からキャリア信号の位相ζ１　Σを差し引いた
ものである。横軸が時間でなく位相ずれである事に注意
すべきである。 ここでは位相調整用同期検波回路の試験用キャリア信号
は４倍高調波のキャリア信号より９０’　遅れたもので
ある。（２７）式で負号を取る。 出力はｃｏｓ（ｉｔ−（Ｉ）、ｃｏｓ（＄２−ζ２）　
、Ｃ０８（１４−Ｃ４）　、５ｌｎ（署、−Σ）である
。 ある温度で１．ηｌ：ζ１となるように初期設定するの
で、この温度での動作点はそれぞれア、イ、つ、二点と
なる。信号検出用検波回路の出力Ｐ１Ｑ、Ｔは最大であ
り一位相調整用同期検波回路の出力ＷはＯである。 温度変動があって、センサ信号の位相η、が変動したと
する。動作点がオ、力、キ、りというようにずれる。 アオ間の位相のずれをδとすると、イカ間は２δ、ウキ
、エフ間のずれは４δである。 り点での出力ＷがＵｌより大きいので、キャリア信号の
位相Σを増大させる。同時に、他のキャリア信号の位相
ζ□、Ｃ２、Ｃ４も増大する。増大の比率は１／４．１
／２．１である。Ｗの動作点がケ点に移動する。ここで
もなおＷ＞ＵｔであるのでΣを増大させる。そしてコ点
に至る。 ＷくＯから出発した場合は２反対向きの制御が行われ、
す点に至る。 結局、Ｗの動作点はサコの間（す点Ｗ＝Ｕ２、コ点Ｗ＝
Ｕ□）に入る。 他のキャリア信号の位相の変動量は、これと同時に行わ
れる。結局、基本波、２倍高調波、４倍高調波の動作点
はア、イ、つ点に戻る事になる。 キャリア信号の位相の変化をΔζ１で表現すると である。 位相調整用同期検波回路の試験用キャリア信号が、４倍
高調波のキャリア信号よりも９０°進んでいる場合は第
２図のような関係になる。（２７）で正号をとる。 この場合制御の方向が反対になるが、同様に位相のずれ
ζ、はη１に等しくなるように調整される。 【実施例】 第３図は本発明の光ファイバジャイロ自動位相調整回路
の構成図を示す。 クロック発振器１は基準となるクロックパルスを生ずる
発振器である。これの周波数をｆとするここには４倍高
調波Ｔ、２倍高調波Ｑ１基本波Ｐ、位相調整出力Ｗの位
相制御回路が示されている。 それぞれは、同期式ＵＰ／ＤＯＷＮカウンタ、デジタル
位相制御回路、同期検波回路よりなっている。 そして、ＣＰＵ２が同期式ＵＰ／ＤＯＷＮカウンタを制
御している。 ４倍高調波Ｔに関する回路は同期式ＵＰ／ＤＯＷＮカウ
ンタ８、デジタル位相制御回路９、同期検波回路１０よ
りなり出力Ｔを与える。同期式ＵＰ／ＤＯＷＮカウンタ
８はクロック発振器１のり・ロックをそのままの周波数
でクロック端子に入力するようになっている。 ２倍高調波Ｔに関する回路は同期式ＵＰ／ＤＯＷＮカウ
ンタ１１、デジタル位相制御回路１２、同期検波回路１
３よりなる。クロック発振器１のクロックを１／２分周
期３で分周したｆ／２のクロックをカウンタ１１に入力
する。 基本波に関する回路は、同期式Ｕ　Ｐ／Ｄ　ＯＷＮカウ
ンタ１４、デジタル位相制御回路１５、同期検波回路１
６よりなる。クロック発振器のクロ。 りを１／４分周期で分周したｆ／４のクロックをカウン
タ１４に入力する。 自動位相調整回路は、同期式ＵＰ／ＤＯＷＮカウンタ８
、デジタル位相制御回路５、同期検波回路６、ＵＰ／Ｄ
ＯＷＮカウンタ信号生成部よ信号生成 量期検波回路８．１０１１３．１６はセンサ信号をキャ
リア信号によって同期検波するものである。 センサ信号というのは受光素子出力を増幅した信号であ
る。 キャリア信号というのは基本波、２倍、４倍高調波につ
いて、角周波数Ω、２Ω、４Ωと、位相ζ□、ζ２、ζ
４を持つ信号である。デジタル位相制御回路５．９．１
２、ＩＳがこれらの信号を与える。つまり ５ｉｎ（４Ωｔ＋Σ）　　　　（２９）ｓｉｎ（４Ωｔ
＋ζ４　）　　　（９０）ｓｉｎ（２Ωｔ＋ζ２）　　
　（３１）ｓｉｎ　　（Ωｔ′＋ζ１）　　　　（３２
）等の信号を与えるのである。実際にはこれらの回路は
デジタル回路にしてあり時刻ｔはクロック毎に変化する
。 そして、（２７）のように Σ＝ζ４±π／　２　　　　　　（３３）となるように
設定する。ここではΣ＝η４−ｒ／ｚを選んでいる。こ
れらの関係はデジタル位相制御回路６．９の初期設定に
よって与える。 同期検波回路６は、センサ信号のうち ５ｉｎ（４Ωｔ＋η、　）　　　　　（３４）を、キャ
リア信号 ５ｉｎ（４Ωｔ＋Σ）　　　　　　（３５）によって同
期検波するのでその出力は ＋ｓｌｎ　　（η４−Σ）　　　　　　　（３１１ｉ）
となり、第１図に示すような関係になる。 ＵＰ／ＤＯＷＮカウンタ信号生成部７は■Ｕ　２　＜　
Ｗ　＜　Ｕ　１の特 番カウンタをディスエーブルする。っまりカウンタ８．
１１．１４のカウント値は不変である。 ■Ｏ＜Ｕｌ　＜Ｗの時 各カウンタ８．１１．１４に対してカウントアツプする
ように指示する。これはカウンタのＵＰ／ＤＯＷＮ入力
に１”を入力することによってなされる。 各カウンタは同時にカウントアツプするが、基本波は１
７４分周したｆ／４のクロックを、２倍波は１７２分周
したｆ／２のクロックを、４倍波はそのままのｆのクロ
ックを入力するので、カウント値の変化は１８２：４で
ある。 カウントアツプすると各次数の高調波のキャリアの位相
η１、η２、η４、Σが増大する。 するとＷが減少してゆくことになり、Ｗ＝ＵＩになるま
でカウントアツプが持続する。 ■Ｗ＜Ｕ２　＜Ｏの時 各カウンタ８．１１．１４に対してカウントダウンする
ように指示する。 基本波、２倍波、４倍波のカウント値は１：２：４の速
度比で減少する。 すると、位相η１、η２、η４、Σが減少する。つまり
、Ｗが増大する。Ｗ＝Ｕ２になるまでカウントダウンが
続く。 ■〜■により結局、ＷはＵ２〜Ｕ工の間に収まるように
なる。基本波、２倍、４倍高調波の位相の状態も、第１
図ア、イ、つ点の近傍にあるようになる。

【発明の効果】

位相変調方式の光ファイバジャイロに於いて、温度変動
によって、センサ信号に含まれる信号の位相が変動して
も同期検波回路のキャリア信号の位相を修正してセンサ
信号の位相に合致するようにすることができる。 このため正確な回転角速度Ωが求められる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の光ファイバジャイロ自動位相調整回路
に於ける基本波、２倍高調波、４倍高調波一位相調整用
同期検波回路の同期検波出力を、信号の位相η１からキ
ャリア信号の位相ζ、　Σを差し引いた値の関数として
示す図（Σ＝ζ４−π／２）。 第２図は第１図の場合に於いてΣ＝ζ４＋ｒ／２と選ん
だ場合の図。 第３図は本発明の光ファイバジャイロ自動位相調整回路
の概略構成図。 １　　、、、、、クロック発振器 ２　　、、、、、ＣＰＵ ３、、、、．１／２分周器 ４　　、、、、　１／４分周器

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 単色光を生ずる光源と、シングルモード光ファイバを巻
   き回してなるファイバコイルと、ファイバコイルの一方
   の端近くに設けられ、ファイバの一部を巻き付けた圧電
   素子よりなりファイバコイルを伝搬する光の位相を変化
   させる位相変調素子と、光源から出射された光を分岐さ
   せて前記ファイバコイルのファイバの両端に入射させフ
   ァイバコイルを左廻り、右廻りに伝搬した光を再び合一
   させる分岐素子と、左廻り光と右廻り光を干渉させ干渉
   光強度を求める受光素子と、位相変調素子を変調角周波
   数Ωで駆動する位相変調素子駆動回路と、位相変調信号
   Ωの奇数倍Ω、３Ω、………或は偶数倍２Ω、４Ω……
   …のキャリア信号によって受光素子出力を増幅したセン
   サ信号を同期検波し、基本波を含む奇数次高調波、偶数
   次高調波を求める信号検出用同期検波回路とを有し、信
   号検出用同期検波回路の奇数次高調波成分、偶数次高調
   波成分から左廻り光、右廻り光の位相差Δθを求める事
   とした光ファイバジャイロに於いて、ひとつの偶数次、
   或は奇数次高調波の位相調整用同期検波回路を設け、セ
   ンサ信号をその次数のキャリア信号を９０°進ませ或は
   ９０°遅らせた試験用キャリア信号によって同期検波し
   、９０°遅れた試験用キャリア信号を用いた場合は、位
   相調整用同期検波回路の出力Ｗがある正負の閾値Ｕ＿１
   、Ｕ＿２に対して、Ｕ＿１＞Ｗ＞Ｕ＿２である時は、各
   信号検出用同期検波回路のキャリア信号の位相を変えず
   、Ｗ＞Ｕ＿１＞０である時は各信号検出用同期検波回路
   のキャリア信号の位相を高調波の次数に比例させて増大
   させ、Ｏ＞Ｕ＿２＞Ｗである時は各信号検出用同期検波
   回路のキャリア信号の位相を高調波の次数に比例する値
   だけ減少させるようにし、９０°進んだ試験用キャリア
   信号を用いた場合は一位相調整用同期検波回路の出力Ｗ
   がある正負の閾値Ｕ＿１、Ｕ＿２に対し、Ｕ＿１＞Ｗ＞
   Ｕ＿２である時は、各信号検出用同期検波回路のキャリ
   ア信号の位相を変えず、Ｗ＞Ｕ＿１＞Ｏである時は各信
   号検出用同期検波回路のキャリア信号の位相を高調波の
   次数に比例させて減少させ、Ｏ＞Ｕ＿２＞Ｗである時は
   各信号検出用同期検波回路のキャリア信号の位相を高調
   波の次数に比例する値だけ増大させるようにした事を特
   徴とする光ファイバジャイロに於ける自動位相調整回路
   。