JPH03503568A - 閉ループ光ファイバジャイロスコープ - 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】 本発明は一般的にジャイロスコープに関係し、さらに詳細には、光フアイバジャ イロスコープに関係する。

従来の技術 現在迄に閉ループ光フアイバジャイロスコープが集積光学系を使用して作成され ている。公知のジャイロスコープに於いて、光源は光をビームスプリッタ−に送 り、このビームスプリッタ−はビームを２つの波に分ける。これら２つの波は、 光ファイバの回りを逆向きに伝播し、ビームスプリッタ−上で結合する。位相変 調器は光フアイバ中で中心をずらして設置され、対向して伝播する波を位相変調 して、信号処理を支援する。合成された対向して伝播する光波は、パワー検出器 によって検出され、対向して伝播された波間の位相差の関数で増大された余弦波 出力（Ｓａｇｎａｃ干渉計効果）を得る。回転軸に対するファイバループの回転 は結合波に位相差を発生し、これは検出されて回転を決定する出力が導き出され る。

フィードバック位相シフトを対向して伝播される波に与える閉ループ操作を達成 し、システムを零動作点に戻すことにより、その機能が大きく改良される。エラ ー信号をキャンセルするのに必要なフィードバックの量は、回転速度の物差しと なる。

従来技術の閉ループ光フアイバジャイロスコープの偽が、１９８７年８月１８日 に発行された米国特許４，６８７，３３０号及びｒｌＮＴＢＧＲＡＴＥＤ　　０ ＰＴＩＣ３：　　Ａ　　ＰＲＡＣＴＩＣＡＬ　　ＳＱＬυ丁ＩＯＮ　　ＦＯＲＴ ＨＥ　　ＦＩＢＩＩＲ−ＯＰsＩＣ ＧＹＲＯ９ＣＯＰＥ　Ｊと題され！５ＰＩＥＶｏ１．７１９光７フイパジヤイロ ：第１θ周年会１１９１９８６）頁１０１−１１２に見出される。

米国特許４．６Ｂ？、３３０号の場合は、閉ループフィードバックシステムは、 対向して伝播する波の第２高調波変調に基づき、且つジャイロは第２高調波フイ ードバツク信号を十分な精度で測定することを不能にする不正確なスケール因子 を被る。

前掲の５ＰＩＥ論文に記述される閉ループジャイロの場合において、デジタル位 相傾斜のリセット点がカウントされて、回転の測定がなされる。

発明の要約 本発明の主要な目的は、改良された閉ループ光フアイバジャイロスコープを提供 することにある。

本発明の一つの特徴において、光フアイバジャイロはサーボ制御されて、位相差 を交互にロックして、３角波位相変調フィードバック信号の回転による位相差よ りも大きい値及び小さい値を特定する。この３角波は、回転により誘起された位 相シフトをオフセットするように傾斜づけられる。

本発明の別の特徴において、位相変調の傾斜３角波の上昇傾斜及び下降傾斜にお いて費やされる時間差が測定されて、回転の測定がなされる。

本発明の他の特徴において、対向伝播光波の第２の、より高い周波数、より低い 振幅の位相差変調が採用され、光フアイバループ内の対向伝播波から導かれる信 号の処理が支援される。

本発明の別の特徴において、第２の、より高い周波数及びより低い振幅の位相差 変調はπ１５ラジアンよりも少ない振幅を有する。

本発明の別の特徴において、３角波変調の遷移及び第２位相差変調信号が同期さ れる。

本発明の別の特徴において、第２の位相変調信号の変調周波数ｆ。

が以下の関係から決められる。

ここでｎは正の整数であり、Ｔ■はファイバループの光波伝播時間である。

本発明の他の特徴に於いて、３角波位相変調による複屈折変調の主軸であり、３ 角波モジユレータへ入るファイバループへ導入する光波の偏光と向きが一致され 、偏光子の不完全性によって発生されたエラーが減少される。

本発明の他の特徴において、３角波変調によって導入された複屈折変調の振幅は 、対向して伝播する光波の半波長の整数倍に調整される。

本発明の他の特徴は、増大された余弦波干渉系出力のフリンジが、３角波位相変 調の傾斜間遷移中に計数され、３角波変調の各傾斜に対する尺度因子が決められ る。

本発明の他の特徴及び利点が添付図面を参照して以下の記述から明らかである。

図面の簡単な説明 第１図は本発明の閉ループファイバジャイロの概略図、第２図は２−２線によっ て囲まれた第１図の装置の電子回路部分のブロック図、 第３図は第１図のファイバループの結合された対向方向伝播波のパワー出力対位 相差Δφを検出するＳａｇｎａｃ干渉計、第４図は第１図のジャイロスコープに 対する位相変調及び結果として得られる位相差変調波形図であり、位相差のπ及 び−π値でのロックを示している。

第５図はファイバループの回転に対する状態を示す第４図と同様の波形図、 第６図は別の階段状位相変調を示す第５図と同様の波形図。

好適な実施形態の記述 第１図を参照する。本発明の特徴を有する閉ループファイバジャイロスコープ１ １が示される。基本ジャイロ１１は上記米国特許４．６８７．３３０に開示され るものと同じである。

簡単には、ジャイロスコープ１１は、１．３μ１１％１．０６μｍ又は０，８μ ｍの波長の光出力を有するダイオードレーザ−ポンプＮｄ：ＹＡＧ又はＮｄニガ ラスレーザー、レーザーダイオード、又はスーパールミネッセントダイオードの 如き、光源１２を含む。光源１２からの光は、光フアイバ導波管１３に向けられ る。この導波管は次に光を、カナダ国、オンタリオ州、ミツソーガのＣａｎａｄ ｉａｎ　Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｒｅ５ｅａｒｃｈ社から得 られるモデルＦＣの如き、方向性カプラー１４に向ける。

方向性カップラー１４の出力は、１９８３年６月７日に発行された米国特許第４ ，３８６．８２２に開示された様な直線偏光子１５をに結合される。偏光された 出力光は、次いで第２の方向性カップラー１６１に送られる。ここで、パワーが 分離され、−半分がファイバーコイル１７の一端に与えられ、他の半分がファイ バコイル１７の他端に与えられる。２つの波長が１キロメータ長を有する様なフ ァイバコイル１７の回りを対向方向に伝播する。対向方向でファイバループの回 りを通過した後、２つの対向方向を伝播する光波が、方向性カップラー１６内で 結合され、偏光子１５及び方向性カップラー１４を通過して、パワー検出器に逆 に送られて、第３図に示される様に上昇された余弦波信号１９を生成している。

上昇された余弦波信号１９は、結合された反対方向に伝播された光波の位相間の 位相差ΔφのπラジアンのＯを含む偶数の整数倍で最大値を有し、πラジアンの 位相差の奇数倍で最小値になる。

検出器１８の出力は、電子回路２１のシステム内へ送られる。このシステムは第 ２図を参照してより完全に説明されるが、これは、３角波フイ一ドバツク信号を 発生し、この信号はファイバコイル１７の中心２４に関して対称に設置されファ イバコイル１７の端部に近接する一対のプッシュプル位相変調器２２及び２３に 送られる。また、電子回路２１は第３の位相変調器２５へ出力を発生する。この 第３の位相変調器は、ファイバコイル１７の一端に近接して非対称に設置され、 第２位相変調信号は、３角波信号よりも高い周波数ｆ、を有し、より低い振幅を 有する。

又、ファイバループ１７の一端に近接して設置された単一位相変調器を、３角波 位相変調及び第２の位相変調信号の両方を印加するのに使用することができる。

第２図を参照する。電子回路２１がより詳細に示される。ジャイロ１１は、フィ ードバック３角波によって余弦波の位相差の＋π及び−πラジアンにロックされ る。これは、スイッチ２７を介して、±５ｖの様な正及び負の参照電圧を順次切 り換えて、加算器２８の入力に与え、スイッチ３１及び３２を介して加算器２８ へ同期して接続されるロックインアンプ２９の出力に加えることにより達成され る。

説明を容易にするために、回転がなく、且つ回転がない場合、ロックインアンプ ２９からの出力が零であると仮定する。従って、回転がない場合、加算器２８の 出力は、正及び負の参照電圧間でスイッチされる。加算器２８の出力が積分器３ ３内で積分され、第４図の３４で示される形態の３角波出力信号が生成される。

３角波出力３４はバッファーアンプ３５によって増幅され、１５０Ｖを有してお り、位相変調器２２へ送られる。増幅された３角波出力３４の第２の部分はイン バータ３６によって反転され、第２の位相変調器２３に送られる。２つの３角波 は等しい振幅及び反対の符号を有する相補的な波である。

積分器３３の時間定数及び参照電圧の値は、３角波の正及び負の傾斜部分の変化 即ち傾斜の割合が、回転による位相差値Δφ、よりも大きい及び小さい差の値Δ φに、結果として上昇された余弦波信号１９の位相差Δφを交互に切り換える修 正値を有するように選択される。

低い値の回転の場合、即ち、Δφ、がπラジアンよりも小さい場合、上述の時間 定数及び参照電圧レベルは、第３図の波形１９によって示される様に、＋π及び −πラジアンの値にΔφをスイッチする。±πが低回転速度に対するΔφの好ま しい動作値であるが、他の値例えば±π／２ラジアン、±πラジアンの偶数整数 値の様なΔφが同様に動作値として利用可能である。

３角波変調の傾斜は以下の表現によってΔφと関係している◇ここでφは単一位 相変調器に印加された位相変調であり、プッシュプル位相変調ではφ＝φ１−φ 宜である。

積分器３３からの３角波出力は低及び高参照レベルとの比較のために高及び低レ ベル比較器３７に送られ、３角波が参照入力によって決められる各高及び低参照 レベルに到達する時に、出力が出される。参照レベルは３角波のピーク値を決め る様に設定される。

比較器３７の出力は、３角波が比較器３７の参照レベルの一つに当たる時は常に 信号を発生するスイッチャ−３８を駆動する。スイッチャ−３８の一出力と同期 して、スイッチ２７が加算器２８内の参照電圧を切り換える。スイッチャ−３８ の他の出力は、アップダウンカウンタ３９に送られ、３角波３４の正の傾斜中に カウントアツプし、３角波３４の負の傾斜中にカウントダウンする。カウンタ３ ９には比較器／クロックパルス発生器４１からのカウントパルスが供給される。

この発生器４１は、例えば１００ｋｔ（ｚの局所発振器４２の出力周波数ｆ、と 同期するパルスを発生する。クロックパルス発生５４１はまたスイッチャ−３８ に同期パルスを供給し、スイッチャ−３８がクロツクパルスの積分値と同期する 出力のみを与える様にする。

各３角波サイクルの後、アップダウンカウンタ３９の出力が、回転角θの尺度と なる。回転角出力θの部分は微分器４３に送られ、回転速度Ωの尺度である出力 Ωが導かれる。

従って、回転がない場合、積分器３３の出力は、等しい時間間隔の正及び負の等 しい傾斜を有する３角波３４である。従って、アップダウンカウンタの出力は零 回転の場合零を示す。上昇された余弦出力１９上の動作点は、−π及び＋πラジ アンで位相ゼロ間で前後に交番する。第３図参照。

回転検出を助けるために、局所発振器周波数ｆ、が、以下の式によってファイバ ループ１７の対向伝播波伝達時間Ｔ１と関係する値に選択される。

ここでｎは正の整数である。

対向伝播波の位相がｒ、で変調されている時、各位相差動作点、ロック値例えば ＋π及び−πラジアン（第３図を見よ）の付近に中心を有する変調周波数ｆ、で のΔφ変調成分が結果される。Δφのこのｆ、位相変調は３角波変調の周波数よ りもより高い周波数ｆ、を一般に有し、即ち、１００Ｈｚの３角波周波数に対し て１００ＫＨｚである。

ｆ、での局所発振器４２の正弦波出力は、変調位相シフター４４を介して位相変 調器２５へ送られ、ｆ、での局所発振器４２の他の出力は検出器１８の出力のｆ 、成分の同期検出のためにロックインアンプ２９に送られる。回転がない場合、 −π及び＋πラジアンのΔφ位相零値にそれぞれロックされた時、検出器１８の 出力内のｆ、での基本周波数成分が零値（位相零）を有する。ここで、変調周波 数ｆ、の第２高調波が最大振幅である。従って、ロックインアンプ２９の出力及 び加算器２８への信号入力は零値を有しており、上昇傾斜部分及び下降傾斜部分 に等しい時間間隔を有する上述の３角波出力を与える。従って、出力ｅ及びΩは 零値を有する。

しかしながら、回転が存在する場合、回転によ７て誘起されたΔφの成分、即ち Δφ、が存在する。これは、−π及び＋πラジアンの動作点を、回転の符号によ って決められた十又は−Δφ方向に向かって、回転の速度によって決められた量 φ、だけシフトする様試みる。φの一π及び＋πラジアンの位相零値内の動作点 において試みられたシフトは、検出器１８の出力で検出された上昇された余弦信 号１９内にｆ。

を含む九の奇数高調波で回転周波数成分を結果する。好適な実施例に於いて、位 相差変調ｆ、の周波数で回転周波数成分が同期して検出され、ロックインアンプ ２９によって増幅され、回転の検出に依存する符号のｄａ誤差信号を発生する。

このｄｃ誤差信号回転信号は各増幅器４５及び４６又は比例積分微分（ＰＩＤ） 制御器によって更に増幅され、スイッチ３１及び３２によって加算器２８の入力 へ同期して切り替わる。

±πラジアンの位相差ロックを有する好適な実施例に於いて、ｆ。

の回転誘起成分は、ｎ＝１を含むｆ、の奇数整数ｎ倍である。位相ロックが±π ラジアンにある場合、これは、ｆ、の偶数高調波の零に対応する。後者の場合、 ｆ、の第２高調波を回転を検出するために使用できる。

加算器２８に送られた誤差ｄｃ倍信号符号は、回転が負のΔφ力方向ある場合、 ３角波の正の傾斜部分中は誤差信号は負であり、誤差信号の量だけ加算器２８の 出力の振幅を減少し、結果として得られる３角波３４の正の傾斜部分の傾斜をあ る量だけ減少し、Δφ１をキャンセルし、Δφの＋π値上のロックを維持する。

これによって、３角波の経過時間に増大を生じ、高低比較器３７の所定の高ピー クレベル値に到達する。傾斜された３角波の上方傾斜部分の減少された正の傾斜 はΔφの＋πラジアンにロックするのに十分である。

３角波の負の傾斜部分中、負のｄｃ誤差信号が負の参照電圧に加えられて、加算 器の結果として得られる負の電圧出力を発生する。この加算器２８はｄｃ誤差信 号の値だけ参照電圧よりも負である。これは、３角波の下方傾斜部分の傾斜を増 大し、Δφを−πラジアン値に十分にロックし、時間間隔を減少して高低比較器 ３７の低参照値に到達する。

この結果は第５図に示される様に傾斜した３角波となる。アップダウンカウンタ ３９は傾斜３角波４７の上昇傾斜及び下降傾斜部分間の経過時間の差を測定し、 回転角θの尺度であるデジタル出力を発生する。この出力は微分器４３で全経過 時間によって割られ、回転速度Ωのデジタル尺度を発生する。

ワンショトマルチバイブレータの様な遷移プランカー４８は、高及び低レベル比 較器３７及びクロックパルス発生器４１の遷移出力に応答して、遷移ブランク信 号を発生する。このブランク信号は、ロックインアンプ２９内のゲートに送られ 、成るスロープから他のスロープへの３角波の遷移中に、出力を空白にして、遷 移に関係する一時的なエラーを減少する。

本発明の好適な実施例は、位相差Δφを値＋π及び−πラジアンの値にロックす るが、これは必須事項ではない。πラジアン位相差値の他の奇数及び偶数整数倍 を採用することができる。πラジアンΔφ値の偶数整数倍が好ましい。これは、 これらの値は上昇された余弦波信号の零値に対応し、信号検出は零でより正確で あるためである。また、Δφ／２ラジアンの偶数整数倍がロック値として採用で きる。

また、３角波変調器２２及び２３によって生成された光波の位相シフトの振幅は 相対的に大きい方が、即ち、２０πラジアンよりも太きい方が好ましいが、光フ アイバ位相変調器を使用する場合は、典型的には、ｌＯＯπラジアンである。

他方、πラジアンの奇数整数倍に対応するロックされた位相差Δφ上で作動する 時は特に、変調周波数ｆ、での正弦波位相変調の振幅は比較的に小さく、即ちπ １５ラジアンよりも小さく、好ましくはπ／２０ラジアンよりも小さいピーク値 を有する。

ジャイロを動的にバイアスするのに使用されるｆ、正弦波位相振幅の強度の減少 は、３通りの方法でシステムに影響を及ぼす。第１は、所望の変調周波数ｆ１以 外の周波数で検出器１８上に入射するスプリアス信号の相対的振幅を減少し、第 ２は、光源に戻される光パワーを零に近接することにより減少して、光源１２が 分離されることを助ける。第３は、フォトンノイズを減少する。

作動理論 要約すると、位相変調器２２及び２３に印加される低周波数３角波信号は、正方 形状波の位相差変調を発生する。第４図及び第５図を見よ。従って、位相差は、 回転によるものよりも大きい値から小さい値にへ前後に交番する。これら値は、 ３角波の足の傾斜を調整することにより独立に調整される。検出器１８に入射す る光パワーＰは、これらの位相シフトの上昇余弦波の関数として変化する。従っ て、出力からのフィードバックは、位相差を２つの特定の値に交互にロックする ために、３角波の傾斜を調節するのに使用される。例えば、小さい回転速度に対 して、位相差が交互にロックしてπラジアンを足したり引いたりすることができ る。ジャイロは回転しない時、３角波は対称であり、位相差を厳密にπ上昇及び 下降シフトする。第４図を見よ。非零回転速度は、しかしながら、３角波が傾斜 し始めることを必要とする。傾斜か独立に調節されて一方の方向が他方の方向よ りもより多くの位相差を独立してシフトして、回転速度誘起位相差に対して補償 され、全位相差がプラス及びマイナスπラジアンにロックされる。第５図参照。

回転速度は、３角波の２つの足止で費やされる相対時間によって決定することが 出来る。これを理解するために、一つは＋πに関し、他方は一πに関する回転速 度誘起位相差に対する２つの測定値を宵することに我々は気付く。これらの測定 値は傾斜の形態を有し、これらは、成る場合上方傾斜時間によって、他の場合下 降傾斜時間によって割られた振幅によって考えることが出来る。この振幅は十分 な精度で測定することができない。しかし、上昇振幅は下降振幅と同じであるの で、この上昇振幅は、二つの測定値を比較することにより除去することが出来る 。振幅とは異なって、時間は正確に測定することができ、回転速度誘起位相差の 正確な測定値が与えられる。この位相シフトと回転速度間に正確な関係があると 考えると、回転速度の正確な知識が得られる。

回転速度測定 回転速度誘起位相差に対する表現、Δφ、は、Δφ、はπ（ＴＩ　　Ｔ２）／（ ＴＩ　＋Ｔ！　）ここで、Ｔ１及びＴ２は、３角波の上昇及び下方足に費やされ た時間である。これに回転速度Ωを代入すると、Ω＝λｃ　（ＴＩ　−ＴＩ　） ／４ＬＲ（ＴＩ　＋Ｔｔ　）ここで、λは光の真空中の波長であり、Ｃは光の真 空中の速度、Ｌはコイル１７中のファイバの長さ、Ｒはコイル１７の半径である 。

回転角測定 この表現に全時間Ｔ　”−Ｔ　＋　＋　Ｔ　ｘを乗算すると、システムが回転角 θに対する表現は次式で得られる。

θ＝　（ＴＩ　　Ｔｔ　）λｃ　／　４　Ｌ　Ｒデジタル化 上述の表現は整数Ｎ＋Ｎｘに対してＴＩ　ｍＮｔ　Ｔ−及びＴ２＝Ｎ！Ｔ６の関 係式を使用することによりクロック時間Ｔ１によってデジタル化される。これを 行うことにより、３角波の遷移が離散間隔で発生する。しかしながら、３角波の 足の傾斜はデジタル化によって制約を受けず、前と同様に、位相差がロック点に よって一義的に決められる。

結果として、３角波は、各サイクルの後は同じピーク値に戻らない。

３角波のピークの値は一つのサイクルから他のサイクルへと返送される情報を含 む。−サイクルの後に一カウントを発生するのには充分に３角波を傾斜しない様 な極めて小さい回転速度だと、複数のサイクルの後に一カウントを生じる。関係 式ΔＮ＝Ｎ＋　　Ｎｔをまた使用すると、 θ＝ΔＮＴｃλｃ／４ＬＲ を得る。

この形態だと、このシステムはデジタル速度積分ジャイロスコープである。

ダイナミックレンジの拡張 πラジアンよりも大きいか、−πラジアンより小さい回転速度は、システムがロ ックする上昇された余弦波上の値を変化することにより正確に測定できる。この システムは上昇された余弦波の最小値にロックする場合、回転速度誘起位相差に 対する公式は以下に表現できる。

Δφｒ　＝ｘ　（ｎＴ＋　＋ｍＴｘ）／　（’ｒ＋　＋’ｒｓ）ここで、ｎ及び ｍは奇数整数であり、ｎπ及びｍπがシステムがロックされる位相差である。ｎ ＝１及びｍ＝−１の場合が上記で扱われている。アナログデジタル速度積分ジャ イロ出力は、θ＝　（ｎＮ＋　＋ｍＮ＊　）Ｔａλｃ／４ＬＲｎ及びｍの値は、 ３角波の傾斜の遷移中、フランジ（上昇された余弦波信号１９）を計数すること によって決定される。このフランジの計数は、計数された信号をカウンタ５１へ 送り、３角波変調の傾斜間の遷移中のフランジを計数してｎ及びｍ計数値を導く ことにより、第２図の回路内で達成される。これらの計数値は、マイクロプロセ ッサ５２へ送られ、カウンタ３９から導かれた対応する累積計数値Ｎｌ＋Ｎ２と 乗算され、出力ｎＮ＋及びｍＮｔを得、これらは次に加算されて出力θが得られ る。

相補的３角波変調 ループ１７の各端部に設けられ、相補的３角波によって駆動される２つの位相変 調２２及び２３を使用すると有利である。利点の一つは上方から下方へ及び下方 から上方への傾斜の遷移がより対称的であると言うことにある。対称性が重要で あるのは、下降傾斜の振幅が上昇傾斜の振幅と理想的に同じであるという理由か らである。対称的遷移はシステムの精度を向上する。

動的バイアス 上述された、動的バイアス手法（ｆ、での位相変調）は、上昇された余弦波の最 小値に関してシステムを動的にバイアスする様に機能し、クロックとして機能す る。バイアス変調周波数の信号振幅は、プラス又はマイナスπからの位相差のず れを見出す。フィードバック電子回路は、位相差内のエラーを修正することによ りこの振幅を零にする。

同じ位相変調器２５を、３角波に対するダイナミックバイアスに対して位相変調 を生じるのに使用できる。しかしながら、好ましい実施例においては、分離変調 器２５．２２．２３はより良く作動する。これは、２つの波の振幅はその桁を異 にするからである。

入力結合 第１図のジャイロの低い光パワーの要請は、入力結合を自由に変更することを可 能にする。光源１２から検出ループ１７へ転送されるパワーの量を減少するため に第１のカップラーを調整すると、検出ループ１７から光源１２へ戻される量も 同様に減少され、ファイバループ１７内の光のより多くが検出器Ｊ８に与えられ る。これは、検出器１８上に入射したパワーを大幅に減少すること無しに干渉計 によって戻された光から光源１２を分離する。約二分の−のみだけ検出器１８上 の全パワーを減少することにより、光源１２に戻される光を一桁以上の強度が減 少する。更に、ループ１７内のパワーをより効率的に使用すると、光学Ｋｅｒｒ 効果誘起エラーに関する信号が増大される。減少された入力結合に対する付加的 な利点は、光源パワーのより多くの部分が他の目的のために利用出来ることにあ る。

例えば、多くのジャイロ１１に、同じ光源１２によってパワーを与えることがで きる。これはコストを減少し、又は例えば慣性航法システムにおいてより高価な 光源１２の使用を可能とする。又、これは、多重化ジャイロの全てにおいて光波 長が同じであることを補償する。

波長の変異は、３軸システム内の回転ベクトルの方向を間違って読むことを結果 せず、その強度の測定値のみに影響することを意味する。

周波数シフト、ライレイバックスキャツタリング及びレーザー源３角波位相変調 は、伝播波の周波数をシフトする。拡張位相変調器（圧電）は周波数を下方にシ フトする。収縮位相変調器は周波数を上方にシフトする。位相変調は、ループの 回りを伝播する波の周波数を上方及び下方に交互にシフトする。ループ１７の片 側の一つの３角波位相変調器の場合において、一方の波はそれがループＩ７を去 るまで周波数シフトされず、他方の波は入り込む際に周波数シフトされる。

両波は、プラス及びマイナスｆ、だけ交互にシフトされた同じ周波数を有してル ープ１７内に残される。ループ１７内に存在する異なる周波数のライレイバック スキャツタ波は、シフトされないで、３角波変調器を通過しないか、又は二重に 、即ちプラス又はマイナス２ｆ、シフトされて、変調器を２度通過するかの何れ かである。結果として、バックスキャツタ波は単一波に又は相互には干渉しない 。これは、単−モード及び数モードレーザー１２の様な狭いバンド源の使用を可 能にするシステム内に於けるノイズへの寄与を著しく減少する。２つの相補的位 相変調器２２及び２３が使用される場合、２つの信号波はシフトされないでルー プ内に存在し、一つのバックスキャツタされた波はプラス次にマイナスｆ、だけ シフトされて存在し、他方のバックスキャツタされた波はマイナス次にプラスｆ 、シフトされる。再び、バックスキャツタ波は単−波又は互いに干渉しない。プ ラス又はマイナスπラジアンにロックされる場合、ｆ、はプラス及びマイナス１ ／２Ｔ、ｌｋと等しい。ここで、ＴＩはループ１７の回りの遷移時間である。

ごの後者の場合、ｆ、はｌ／２Ｔ、である場合、第２の変調信号との干渉を生じ 得る。従って、ｆ、は好ましくは３／２Ｔｌと選択される。

偏光エラー 回転速度エラーが不完全偏光子１５の結果として生じる場合がある。

少量の光りが、偏光子１５の減衰軸を通過して存続する。この光は、次に別偏光 の光と、両者が偏光子１５から戻り干渉計に存在する時に混合される。ごれによ っ−Ｃ１元々減衰された偏向の非往復通路による対向方向伝播波間に位相エラー を生じる場合がある。位相エラーは偏光子１５の振幅に比例する。結果として、 極めて良好な偏光子１５を用いてもかなり大きなものとなる場合がある。「不完 全な偏光子／検光子を有するファイバジャイロの位相エラー領域」と題されるＥ ｌｅｃｔｒｏｎ、　ＬｅｔＬ、２０．３３０−３３２（１９８４）を見よ。

位相変調器はしばしば複屈折変調に位相変調を伴わせる。圧電チューブ形位相変 調器は、位相変調に対して約１から０．Ｏｌパーセントの後屈折力変調を伴う。

第１図を再び参照する。２つの変調器２２及び２３からの複屈折変調の主軸は偏 光子１５の主軸と一致する。これは、圧電チューブの対称軸が偏光子１５と整列 する場合に似ている。３角波の振幅は、２つ相補的な３角波位相変調器２２及び ２３の各々において近似的にｐπのビーク−ビークの複屈折変調Δβ＝Ｌ、を生 じる様に選択される。

ここで、ｐは整数であり、Δβ、は２つのことなる偏光子の偏光定数間の差の変 調であり、Ｌ、は変調されたファイバの長さである。複屈折率変調振幅を設定す ると、上述では拘束されていない位相変調振幅が同様に設定される。従って、偏 光子の減衰軸を通過する光位相は、非減衰波に関して変調される。これは、位相 差の関数である上記２つの間の干渉を平均し、エラーを減少する。

３角波位相変調 上述された様に、本発明のジャイロ１１は変調器２２及び２３での３角波位相変 調を採用する。これは、φの＋π及び−πラジアンの様な所望の動作点即ち値開 の位相差Δφをシフトするために必要なのではない。更に、集積光学系に使用さ れる広帯域位相変調器２２及び２３の場合において、上昇傾斜に対してＴ１幅及 びπ−Δφ、高さ、下降傾斜に対してＴ１幅及び−π−Δφ１高さのステップを 有する、３角階段波位相変調を採用することが出来る。第６図参照。３角波位相 変調は、第４図及び第５図の単純な３角波位相変調だけでなく、第６図の３角階 段の場合の変調を含むものと定義される。両方ともにΔφの矩形波変調を発生す る。

動作値 システムがロックする特定の位相差値が、例示のための本開示事項においてモニ ターされたが、回転による位相差よりも大きいものと、回転による位相差よりも 小さい如何なる２つの値をも使用できる。これら位相差値が高い精度として知ら れていることのみが重要である。

浄書（内容に変更なし） ＦＩＧ、　１ 平成　　年　　月　　日 １．特許出願の表示　　ＰＣＴ／ＵＳ　８９１００２７　Ｇ２、発明の名称　　 　　閉ループ光フアイバジャイロスコープ３、特許出願人 ４、代理人 ５、補正書の提出年月日　　　１９９０年３月２３日請求の範囲 １、対向伝播光波を有する光ループジャイロスコープをフィードパ。

り位相ロックする方法において、この方法が、前記対向伝播波を結合して、この 結合した対向伝播光波間の位相差の関数の振幅を有し、且つ回転に対応する成分 を有する光出力信号を発生し、 前記光学出力信号の前記回転対応成分を検出し、前記検出された回転対応成分を 利用してフィードバック信号を発生して、上方傾斜及び下降傾斜部分を時間の経 過と共に与え、対向伝播光波をフィードバック信号で位相変調し、前記結合され た対向伝播波を、回転による位相差よりもそれぞれ大きい、小さい２つの所定の 値に交互にロックし、そして位相差のロックされた値開での遷移を、クロック期 間を有するクロック信号によって与えられる離散的時間間隔と同期するステップ から成る方法。

２　位相差のロックされた値で費やされる各時間中で発生するクロック期間を計 数を含む回転を決定する出力を導くステップを含む請求項１記載の方法。

３、対向伝播波がロックされる位相差の前記所定の値がπ／２ラジアンの奇数整 数倍である請求項１記載の方法。

４、対向伝播波がロックされる位相差の前記所定の値がπラジアンの整数倍であ る請求項１記載の方法。

５、対向伝播波がロックされる位相差の前記所定の値がπラジアンの奇数整数倍 である請求項１記載の方法。

６、対向伝播光波をフィードバック信号により位相変調するステップが、対向伝 播波の位相を２０πラジアンよりも大きい位相シフトで変調することを含む請求 項１記載の方法。

７、光ループが、ファイバ先導波管によって定められており、ファイバ光導波管 の部分を引き伸ばすことにより変調される請求項６記載の方法。

８、位相が、前記光ループの中心の回りに対称に設置された一対の位置での光波 を相補的なフィードバック信号で変調することにより変調される請求項１記載の 方法。

９、前記位相フィードバック信号の振幅よりも小さい振幅を有し、前記フィード バック信号の周波数よりも高い変調周波数の第２の信号で対向伝播波を位相変調 して、前記フィードバック信号の変調周波数と高調波で関係する結合光出力内の 位相差変調出力成分を発生し、前記１２の信号の変調周波数と高調波で関係する 結合光出力内の位相差変調出力を発生し、そして 前記第２の信号に高調波で関係する光出力成分を検出して、位相差がロックされ る位相差値からの小さいずれを検出するステップを含む請求項１記載の方法。

１０、第２の位相変調周波数ｆ、が近似的に（２ｎ　　ｌ　）　／　２　Ｔ　＋ にほぼ等しく、ｎが正の整数であり、Ｔ１が光ループの回りの光波伝播時間であ る請求項９記載の方法。

１１、ｎが２である請求項１０記載の方法。

１２．　　第２の信号が正弦波であり、対向伝播光波の正弦波位相差変調を発生 する請求項９記載の方法。

１３、　　第２の信号位相変調が光ループの一端に近接して発生された請求項９ 記載の方法。

１４、　　第２の信号によって発生された位相差変調がπ１５ラジアンより小さ いピーク振幅値を存する請求項９記載の方法。

１５、　　第２の信号によって発生された位相差変調がπ／２０ラジアンより小 さいピーク振幅を有する請求項９記載の方法。

１６　前記クロック信号を第２の信号と同期するステップを含む請求項９記載の 方法。

１７、　　フィードバック信号が３角波である請求項１記載の方法。

１８、　　位相が、ループの一端に近接する単一の位置で光波を変調することに より変調される請求項１記載の方法。

１９、　　導かれた出力が回転角を決める請求項２記載の方法。

２０、　　対向伝播光波を偏光して、前記位相変調の前に共通の偏光を持たせ、 そして対向伝播波を位相変調するステップが、位相変調器を通過する光路の複屈 折率のこれに伴う変調を発生し、そして複屈折率変調の主軸を対向伝播光波の前 記偏光の軸と一致させるステップを含む請求項１記載の方法。

２１、　　発生された複屈折変調の振幅が、対向伝播光波の半波長の整数倍に調 整される請求項２０記載の方法。

２２、対向伝播光波を有する光ループ干渉計を有する閉ループ光フアイバジャイ ロスコープにおいて、このジャイロスコープが、前記対向伝播波を結合して、結 合された対向伝播光波間の位相差の関数の振幅を有し、回転に応答する成分を有 する光出力信号を発生する結合手段、 前記光学出力信号の前記回転対応成分を検出するための検出手段、前記検出され た回転対応成分に応答し、時間の傾斜と共に上昇傾斜及び下降傾斜を有するフィ ードバック信号を発生する波発生手段、対向伝播光波を前記フィードバック信号 によって位相変調し、結合された対向伝播波の位相差を、回転による位相差より もそれぞれ大きい、小さい２つの所定の値に交互にロックする位相変調手段、ク ロック期間を有するクロック信号を発生するためのクロック手段、及び、 前記クロック信号に、前記フィードバック信号の上昇傾斜及び下降傾斜部分間の 遷移を同期するための同期手段から成ることを特徴とするジャイロスコープ。

２３、位相差のロックされた値上で経過される各時間中に発生するクロック期間 を計数するカウンタを含む回転を決定する出力を導くため導出手段を含む請求項 ２２記載のジャイロスコープ。

２４、対向伝播波がロックされる前記位相差の所定の値がπ／２ラジアンの奇数 整数倍である請求項２２記載のジャイロスコープ。

２５、対向伝播波がロックされる位相差の前記所定の値がπラジアンの整数倍で ある請求項２２記載のジャイロスコープ。

２６、対向伝播波がロックされる位相差の前記所定の値がπラジアンの奇数整数 倍である請求項２２記載のジャイロスコープ。

２７、前記位相変調手段が対向方向波の位相を２０πラジアンよりも大きい位相 シフトで変調する請求項２２記載の方法。

２８、光ループが光フアイバ導波管によって定められ、前記位相変調手段が光フ アイバ導波管の部分を引き伸ばすことによって位相を変調する請求項２７記載の ジャイロスコープ。

２９、前記位相変調手段が、前記光ループの中心の回りに対称に設置された一対 の位相変調部分を含み、前記波発生器が、一対の相補的波フィードバック信号を 発生し、前記一対の位相変調器部分が対向伝播光波の位相を変調するための相補 的波フィードバック信号に対応する請求項２２記載のジャイロスコープ。

３０、　　前記フィードバック信号よりも小さい振幅を有し、前記フィードバッ ク信号の周波数よりも高い周波数を有する第２の信号を発生するダイナミックバ イアス信号発生手段、前記第２の信号に応答して、対向伝播光波の位相を変調し て、前記第２の信号の変調周波数に高調波によって関係する結合された光出力内 の位相差変調出力成分を発生する位相変調手段、及び前記第２の信号に高調波で 関係している光出力成分を検出し、位相差がロックする位相差値からの小さなず れを検出するための検出器手段を含む請求項２２記載のジャイロスコープ。

３１、第２の信号ｆ、の周波数がほぼ（２ｎ　　１　）　／　２　Ｔ　＋にほぼ 等しく、ｎが正の整数であり、Ｔ１が前記光ループの回りの光波伝播時間である 請求項３０記載のジャイロスコープ。

３２、０が２である請求項３１記載のジャイロスコープ。

３３、前記第２の信号が正弦波であり、対向伝播光波の正弦波位相差変調を発生 する請求項３０記載のジャイロスコープ。

３４、前記位相変調手段が、光ループの一端に近接して設置される請求項２２記 載のジャイロスコープ。

３５、第２の信号が、この第２の信号によって発生された位相差変調がπ１５ラ ジアンより小さいピーク振幅を有する様な振幅を有する請求項３０記載のジャイ ロスコープ。

３６、第２の信号が、前記第２の信号によって発生された位相差変調がπ／２０ ラジアンよりも小さいピーク振幅を有する様な、ピーク値を有する請求項３０記 載のジャイロスコープ。

３７、前記クロック信号を第２の信号に対して同期するための同期手段を含む請 求項３０のジャイロスコープ。

３８．導かれた出力が回転角を決定する請求項２３記載のジャイロスコープ。

３９、光ループ内の対向伝播光波を直線偏向するための光偏向手段、前記複屈折 率変調の主軸を、前記対向伝播光波の前記偏向軸と一致するための一致手段を含 み、 前記位相変調手段が、前記位相変調手段を通過する光路の複屈折率に伴う変調を 発生する請求項２２記載のジャイロスコープ。

４０、位相差のロック値間の遷移中に光出力信号のフリンジを計数し、この計数 されたフリンジの数から、位相差の対応する値にロックされる前記経過時間のス ケール因子を決め、回転を決定する出力を得る請求項２記載の方法。

４１、　　位相差の２つのロックされた値開の遷移中に、前記光出力信号のフリ ンジを計数に対するフリンジ計数手段、及び前記フリンジの計数の数に応答して 、位相差の対応する値にロックされる前記経過時間に対するスケール因子を導き 、回転を決定する出力を導くスケール因子手段を含む請求項２３記載のジャイロ スコープ ４２、、回転を決定する出力を導く前記ステップが、前記２つのロック値に費や される各時間中に発生するクロック期間の数の差を計算する請求項２記載のジャ イロスコープ。

４３、前記導く手段が、前記２つのロックされた値に費やされる各時間中に発生 するクロック期間の数の差を計算するための手段を含む請求項２３記載のジャイ ロスコープ。

４４、　　前記波発生器手段によって発生されたフィードバック信号が３各波で ある請求項２２記載のジャイロスコープ。

Claims (46)

【特許請求の範囲】
1. １．対向伝播光波を有する光ループジャイロスコープをフィードバック位相ロッ クする方法において、この方法が、前記対向伝播波を結合して、この結合した対 向伝播光波間の位相差の関数の振幅を有し、且つ回転に対応する成分を有する光 出力信号を発生し、 前記光学出力信号の前記回転対応成分を検出し、前記検出された回転対応成分を 利用してフィードバック信号を発生し、且つ 対向伝播光波をフィードバック信号で位相変調して、前記結合された対向伝播波 を、回転による位相差よりもそれぞれ大きい、小さい２つの所定の値に交互にロ ックするステップから成る方法。
2. ２．位相差の２つのロックされた値上での経過時間差を測定して、回転を決定す る出力を導くことを含む請求項１記載の方法。
3. ３．対向伝播波がロックされる位相差の前記所定の値がπ／２ラジアンの奇数整 数倍である請求項１記載の方法。
4. ４．対向伝播波がロックされる位相差の前記所定の値がπラジアンの整数倍であ る請求項１記載の方法。
5. ５．対向伝播波がロックされる位相差の前記所定の値がπラジアンの奇数整数倍 である請次項１記載の方法。
6. ６．位相差の２つのロックされた値の間の遷移をクロック信号に同期するステッ プを含む請求項１記載の方法。
7. ７．対向伝播光波をフィードバック信号により位相変調するステップが、対向伝 播波の位相を２０πラジアンよりも大きい位相シフトで変調することを含む請求 項１記載の方法。
8. ８．光ループが、ファイバ光導波管によって定められており、ファイバ光導波管 の部分を引き伸ばすことにより変調される請求項７記載の方法。
9. ９．位相が、前記光ループの中心の回りに対称に設置された一対の位置での光波 を相補的なフィードバック信号で変調することにより変調される請求項１記載の 方法。
10. １０．前記位相フィードバック信号の振幅よりも小さい振幅を有し、前記フィー ドバック信号の周波数よりも高い変調周波数の第２の信号で対向伝播波を位相変 調して、前記フィードバック信号の変調周波数と高調波で関係する結合光出力内 の位相差変調出力成分を発生し、前記第２の信号の変調周波数と高調波で関係す る結合光出力内の位相差変調出力を発生し、そして 前記第２の信号に高調波で関係する光出力成分を検出して、位相差がロックされ る位相差値からの小さいずれを検出するステップを含む請求項１記載の方法。
11. １１．第２の位相変調周波数ｆｍが近似的に（２ｎ−１）／２Ｔ１にほぼ等しく 、ｎが正の整数であり、Ｔｌが光ループの回りの光波伝播時間である請求項１０ 記載の方法。
12. １２．ｎが２である請求項１１記載の方法。
13. １３．第２の信号が正弦波であり、対向伝播光波の正弦波位相差変調を発生する 請求項１０記載の方法。
14. １４．第２の信号位相変調が光ループの一端に近接して発生された請求項１０記 載の方法。
15. １５．第２の信号によって発生された位相差変調がπ／５ラジアンより小さいピ ーク振幅値を有する請求項１０記載の方法。
16. １６．第２の信号によって発生された位相差変調がπ／２０ラジアンより小さい ピーク振幅を有する請求項１０記載の方法。
17. １７．位相差のロック値間の遷移を第２の信号と同期するステップを含む請求項 １０記載の方法。
18. １８．フィードバック信号が３角波である請求項１記載の方法。
19. １９．位相が、ループの一端に近接する単一の位置で光波を変調することにより 変調される請求項１記載の方法。
20. ２０．導かれた出力が回転角を決める請求項２記載の方法。
21. ２１．対向伝播光波を偏光して、３角波位相変調の前に共通の偏光を持たせ、そ して対向伝播波を位相変調するステップが、位相変調器を通過する光路の複屈折 率のこれに伴う変調を発生し、そして複屈折率変調の主軸を対向伝播光波の前記 偏光の軸と一致させるステップを含む請求項１記載の方法。
22. ２２．発生された複屈折変調の振幅が、対向伝播光波の半波長の整数倍に調整さ れる請求項２１記載の方法。
23. ２３．対向伝播光波を有する光ループ干渉計を有する閉ループ光ファイバジャイ ロスコープにおいて、このジャイロスコープが、前記対向伝播波を結合して、結 合された対向伝播光波間の位相差の関数の振幅を有し、回転に応答する成分を有 する光出力信号を発生する結合手段、 前記光学出力信号の前記回転対応成分を検出するための検出手段、前記検出され た回転対応成分に応答し、フィードバック信号を発生する波発生手段、及び 対向伝播光波を前記フィードバック信号によって位相変調し、結合された対向伝 播波の位相差を、回転による位相差よりもそれぞれ大きい、小さい２つの所定の 値に交互にロックする位相変調手段から成ることを特徴とするジャイロスコープ 。
24. ２４．位相差の２つのロックされた値上で経過される時間の差を測定し、回転を 決定する出力を導く請求項２３記載のジャイロスコープ。
25. ２５．対向伝播波がロックされる前記位相差の所定の値がπ／２ラジアンの奇数 整数倍である請求項２３記載のジャイロスコープ。
26. ２６．対向伝播波がロックされる位相差の前記所定の値がπラジアンの整数倍で ある請求項２３記載のジャイロスコープ。
27. ２７．対向伝播波がロックされる位相差の前記所定の値がπラジアンの奇数整数 倍である請求項２３記載のジャイロスコープ。
28. ２８．クロック信号を発生するクロック手段、前記３角波フィードバック信号の 順次の正及び負の傾斜部分間の遷移を前記クロック信号に同期するための同期手 段を含む請求項２３記載のジャイロスコープ。
29. ２９．前記位相変調手段が対向方向波の位相を２０πラジアンよりも大きい位相 シフトで変調する請求項２３記載の方法。
30. ３０．光ループが光ファイバ導波管によって定められ、前記位相変調手段が光フ ァイバ導波管の部分を引き伸ばすことによって位相を変調する請求項２９記載の ジャイロスコープ。
31. ３１．前記位相変調手段が、前記光ループの中心の回りに対称に設置された一対 の位相変調部分を含み、前記３角波発生器が、一対の相補的３角波フィードバッ ク信号を発生し、前記一対の位相変調器部分が対向伝播光波の位相を変調するた めの相補的３角波フィードバック信号に対応する請求項２３記載のジャイロスコ ープ。
32. ３２．前記フィードバック信号よりも小さい振幅を有し、前記フィードバック信 号の周波数よりも高い周波数を有する第２の信号を発生するダイナミックバイア ス信号発生手段、前記第２の信号に応答して、対向伝播光波の位相を変調して、 前記第２の信号の変調周波数に高調波によって関係する結合された光出力内の位 相差変調出力成分を発生する位相変調手段、及び前記第２の信号に高調波で関係 している光出力成分を検出し、位相差がロックする位相差値からの小さなずれを 検出するための検出器手段を含む請求項２３記載のジャイロスコープ。
33. ３３．第２の信号ｆｍの周波数がほぼ（２ｎ−１）／２Ｔ１にほぼ等しく、ｎが 正の整数であり、Ｔ１が前記光ループの回りの光波伝播時間である請求項３２記 載のジャイロスコープ。
34. ３４．ｎが２である請求項３３記載のジャイロスコープ。
35. ３５．前記第２の信号が正弦波であり、対向伝播光波の正弦波位相差変調を発生 する請求項３２記載のジャイロスコープ。
36. ３６．前記第２の信号に対応する前記位相変調手段が、光ループの一端に近接し て設置される請求項３２記載のジャイロスコープ。
37. ３７．第２の信号が、この第２の信号によって発生された位相差変調がπ／５ラ ジアンより小さいピーク振幅を有する様な振幅を有する請求項３２記載のジャイ ロスコープ。
38. ３８．第２の信号が、前記第２の信号によって発生された位相差変調がπ／２０ ラジアンよりも小さいピーク振幅を有する様な、ピーク値を有する請求項３２記 載のジャイロスコープ。
39. ３９．位相差のロックされた値間の遷移を第２の信号に対して同期するための同 期手段を含む請求項３２のジャイロスコープ。
40. ４０．率かれた出力が回転角を決定する請求項２４記載のジャイロスコープ。
41. ４１．光ループ内の対向伝播光波を直線偏向するための光偏向手段、前記複屈折 率変調の主軸を、前記対向伝播光波の前記偏向軸と一致するための一致手段を含 み、 前記位相変調手段が、前記位相変調手段を通過する光路の複屈折率に伴う変調を 発生する請求項２３記載のジャイロスコープ。
42. ４２．位相差のロック値間の遷移中に光出力信号のフリンジを計数し、この計数 されたフリンジから、位相差の対応する値にロックされる前記経過時間のスケー ル因子を決め、回転を決定する出力を得る請求項２記載の方法。
43. ４３．位相差の２つのロックされた値間の遷移中に、前記光出力信号のフリンジ を計数に対するフリンジ計数手段、及び前記フリンジの計数に応答して、位相差 の対応する値にロックされる前記経過時間に対するスケール因子を導き、回転を 決定する出力を導くスケール因子手段を含む請求項２４記載のジャイロスコープ 。
44. ４４．回転を決定する出力を導く前記ステップが、前記２つのロック値に費やさ れる各時間中に発生するクロック期間の数の差を計算する請求項２記載のジャイ ロスコープ。
45. ４５．前記導く手段が、前記２つのロックされた値に費やされる各時間中に発生 するクロック期間の数の差を計算するための手段を含む請求項２４記載のジャイ ロスコープ。
46. ４６．前記波発生器手段によって発生されたフィードバック信号が３各波である 請求項２３記載のジャイロスコープ。