JPH0447215A - Optical rotation angular velocity sensor - Google Patents

Optical rotation angular velocity sensor

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Publication number
JPH0447215A
JPH0447215A JP15671790A JP15671790A JPH0447215A JP H0447215 A JPH0447215 A JP H0447215A JP 15671790 A JP15671790 A JP 15671790A JP 15671790 A JP15671790 A JP 15671790A JP H0447215 A JPH0447215 A JP H0447215A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
angular velocity
phase modulation
velocity sensor
phase
degree
Prior art date
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Pending
Application number
JP15671790A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Tatsuya Kumagai
達也 熊谷
Hiroshi Kajioka
博 梶岡
Hisao Sonobe
久雄 園部
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hitachi Cable Ltd
Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Cable Ltd
Hitachi Ltd
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Filing date
Publication date
Application filed by Hitachi Cable Ltd, Hitachi Ltd filed Critical Hitachi Cable Ltd
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Publication of JPH0447215A publication Critical patent/JPH0447215A/en
Pending legal-status Critical Current

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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】 [産業上の利用分野コ 本発明は、光回転角速度センサ、特に位相変調方式の光
回転角速度センサに関するものである。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Field of Industrial Application] The present invention relates to an optical rotational angular velocity sensor, particularly a phase modulation type optical rotational angular velocity sensor.

[従来の技術] 位相変調方式の光回転角速度センサの構成を第1図を用
いて説明する。
[Prior Art] The configuration of a phase modulation type optical rotation angular velocity sensor will be described with reference to FIG.

光学系は、レーザ光源1.偏光子31位相変調器4.セ
ンシングループ5.受光器6.プリアンプ7、の各々1
台と、2台の光カプラ2a。
The optical system includes a laser light source 1. Polarizer 31 Phase modulator 4. Sensing Group 5. Photoreceiver6. Preamplifier 7, each 1
and two optical couplers 2a.

2bとからなる。2b.

レーザ光ifからの光は光カプラ2aで分岐され、一方
は偏光子3.光カプラ2bを介してセンシングルー15
に導かれる。センシングループ5を伝搬した左右両回り
光は、光カプラ2bで再び結合し、偏光子3.光カプラ
2aを介して受光器6に導かれる。センシングループ5
が角速度Ωで回転すると、センシングループ5を伝搬し
ている左右両回り光に位相差が生じ(サグナック効果)
、受光器6に達する光出力が変化する。この受光器6の
検出信号がプリアンプ7を介して信号処理回路12に入
力される。
The light from the laser beam if is split by an optical coupler 2a, one of which is split by a polarizer 3. Sensing Blue 15 via optical coupler 2b
guided by. The left and right light propagated through the sensing loop 5 is recombined by the optical coupler 2b, and the polarizer 3. The light is guided to a light receiver 6 via an optical coupler 2a. Sensin Group 5
When rotates at an angular velocity Ω, a phase difference occurs between the left and right light propagating through the sensing loop 5 (Sagnac effect).
, the light output reaching the light receiver 6 changes. The detection signal from the light receiver 6 is input to the signal processing circuit 12 via the preamplifier 7.

信号処理回路12は、具体的には同期検波回路8、A/
D変換器9.CPUl0.発振器11゜の各々1台から
なる0位相変調器4には、発振器11から一定周波数の
正弦波fr+が加えられ、この周波数でセンシングルー
プ5の右回り光、左回り光が位相変調される。その結果
、受光器6からは位相変調周波数及びその高調波成分が
出力される。各周波数成分は同期検波回路8で分離され
、A/D変換器9でディジタル信号に変換された後、C
PUl0で角速度Ωが演算される。
Specifically, the signal processing circuit 12 includes a synchronous detection circuit 8, an A/
D converter9. CPU10. A sine wave fr+ of a constant frequency is applied from the oscillator 11 to the 0-phase modulator 4 each consisting of one oscillator 11°, and the clockwise and counterclockwise lights of the sensing loop 5 are phase-modulated at this frequency. As a result, the optical receiver 6 outputs the phase modulation frequency and its harmonic components. Each frequency component is separated by a synchronous detection circuit 8, converted into a digital signal by an A/D converter 9, and then converted to a digital signal by an A/D converter 9.
The angular velocity Ω is calculated by PU10.

ところで、この角速度の演算には、従来、位相変調度(
左右両回り光に与えた位相バイアスの度合)が使用され
、通常は定数で設定される。この演算を可能ならしめる
ためには、位相変調度を一定にする操作が必要である。
By the way, in the calculation of this angular velocity, the degree of phase modulation (
The degree of phase bias applied to both the left and right beams is used, and is usually set as a constant. In order to make this calculation possible, it is necessary to make the degree of phase modulation constant.

従って、一般には上記発振器11から位相変調器4に与
える一定周波数の正弦波f11の電圧幅を制御し、これ
により位相変調器4の変調度を加減することで、回転角
速度のスゲ−リングを管理している。
Therefore, in general, the voltage width of the sine wave f11 of a constant frequency applied from the oscillator 11 to the phase modulator 4 is controlled, and the degree of modulation of the phase modulator 4 is thereby adjusted to manage the scaling of the rotational angular velocity. are doing.

[発明が解決しようとする8題〕 しかし、従来の光回転角速度センサでは、上述のように
位相変調器4を制御する操作が必要である。このため制
御専用の回路が必要で、回路規模が大きくなって高価に
なると共に、素子が多くなるために組み立てが複雑にな
り、結果として信頼性も低くなる。
[8 Problems to be Solved by the Invention] However, in the conventional optical rotational angular velocity sensor, an operation for controlling the phase modulator 4 is required as described above. For this reason, a circuit dedicated to control is required, which increases the circuit scale and makes it expensive, and since the number of elements increases, assembly becomes complicated, resulting in lower reliability.

また、信号検出のタイミングと変調度制御のタイミング
が一周期ずれるため、位相変調度が定数値と興なり計測
誤差を生じ易い。
Furthermore, since the timing of signal detection and the timing of modulation degree control are shifted by one cycle, the degree of phase modulation is likely to be different from a constant value, resulting in a measurement error.

本発明の目的は、前記した従来技術の欠点を解消し、小
規模な回路で構成できる高性能な光回転角速度センサを
提供することにある。
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to eliminate the drawbacks of the prior art described above and to provide a high-performance optical rotational angular velocity sensor that can be configured with a small-scale circuit.

[課題を解決するための手段] 本発明は、光源からの光を光力グラで分岐し、その分岐
光を位相変調器で位相をずらせてそれぞれセンシングル
ープに導き、該センシングループを伝搬した左右両回り
光を光力1うで再び結合後受光器で検出し、信号処理回
路で角速度情報を得る位相変調方式の光回転角速度セン
サにおいて、位相変調周波数に対する高調波信号の出力
から位相変調度を求め、得られた位相変調度を用いて角
速度を算出する演算手段を設けた構成のものである。
[Means for Solving the Problems] The present invention splits light from a light source with an optical power grapher, shifts the phase of the branched lights with a phase modulator, guides them to a sensing loop, and propagates the left and right lights through the sensing loop. In a phase modulation type optical rotation angular velocity sensor, the two-way light is recombined with optical power 1 and detected by the receiver, and the signal processing circuit obtains angular velocity information.The degree of phase modulation is determined from the output of a harmonic signal with respect to the phase modulation frequency This configuration is provided with calculation means for calculating the angular velocity using the obtained phase modulation degree.

前記演算手段は、位相変調周波数に対する第2次高調波
信号と第4次高調波信号の比から位相変調度を求める構
成とするのが好ましい。
Preferably, the calculation means is configured to obtain the degree of phase modulation from the ratio of the second harmonic signal and the fourth harmonic signal with respect to the phase modulation frequency.

5作用】 位相変調周波数に対する高調波信号の出力から位相変調
度を求め、その値を用いて角速度を演算するものである
なめ、位相変調器の変調度を制御する必要がなく、回路
規模を大幅に小さくすることができる。
5. Effect] Since the degree of phase modulation is determined from the output of the harmonic signal with respect to the phase modulation frequency, and the angular velocity is calculated using that value, there is no need to control the degree of modulation of the phase modulator, and the circuit scale can be significantly reduced. can be made smaller.

[実施例コ 以下、本発明の光回転角速度センサの実施例について説
明する。
[Example 7] Examples of the optical rotation angular velocity sensor of the present invention will be described below.

光回転角速度センサの構成は、基本的に第1図と変わら
ない、即ち、位相変調器4により、センシングループ5
の右回り光、左回り光にある周波数で位相変調を加えて
、受光器6で検出される信号を位相変調周波数及びその
高調波成分とする。
The configuration of the optical rotation angular velocity sensor is basically the same as that shown in FIG.
Phase modulation is applied to the clockwise light and counterclockwise light at a certain frequency, and the signal detected by the light receiver 6 is set to the phase modulation frequency and its harmonic components.

また、信号処理回路12の同期検波回路8は、プリアン
プ7を通して得られる受光器6の信号から、位相変調周
波数成分S1 (1次数分)、2倍調波成分S2 (2
吹成分)14倍調波成分S4 (4吹成分)を同期検波
する。
In addition, the synchronous detection circuit 8 of the signal processing circuit 12 extracts a phase modulation frequency component S1 (1st order), a 2nd harmonic component S2 (2
blow component) The 14th harmonic component S4 (four blow components) is synchronously detected.

しかし、CPUl0における角速度の演算の仕方が従来
と異なっている。即ち、従来のように予め定数で設定さ
れる位相変調度(左右両回り光に与えた位相バイアスの
度合)を計算に使用するのではなく、位相変調周波数に
対する高調波信号の出力から位相変調度を求め、得られ
た位相変調度を用いて角速度を1出する。この結果、例
えば4次高調波成分S4と2次高調波成分S2の比を一
定にするように位相変調器4の変調度を加減するといっ
た制御は不要となっている。
However, the way the angular velocity is calculated in CPU10 is different from the conventional method. In other words, instead of using the phase modulation degree (the degree of phase bias given to the left and right beams) which is set in advance as a constant as in the past, the phase modulation degree is calculated from the output of the harmonic signal with respect to the phase modulation frequency. is calculated, and the angular velocity is calculated by using the obtained phase modulation degree. As a result, there is no need for control such as adjusting the degree of modulation of the phase modulator 4 so as to keep the ratio of the fourth harmonic component S4 and the second harmonic component S2 constant, for example.

以下、詳述する。The details will be explained below.

位相変調方式の場合、受光器6で検出される信号L゛。In the case of the phase modulation method, the signal L' detected by the light receiver 6.

は、センシングループ5の右回り光の出力をp cw、
左回り光の出力をP ccwとすると、Po ”PCW
+ Pccw + 2 (Paw HPCCW ) ”
2Jθ(II)cos静(直流成分)−4(PCw−P
ccv ) ”” Jl(n’s f n静cos (
ω。(t−τ/2)(基本波成分) −4(Pcw−Pccw )” J2(Il)cosΔ
φcosL2ω。(を−τ/2)(第2次高調波数分) 士4 (Pcw−Pccw ) ” J3(1115i
 nΔφC05(3ω。(を−τ/2)(第3次高調波
数分) ・・(1) となる、上記(1)式のJNはベッセル関数。
is the clockwise light output of sensing loop 5 p cw,
If the output of counterclockwise light is Pccw, Po ”PCW
+ Pccw + 2 (Paw HPCCW)”
2Jθ(II)cos static (DC component)-4(PCw-P
ccv ) ”” Jl(n's f n quiet cos (
ω. (t-τ/2) (fundamental wave component) -4(Pcw-Pccw)" J2(Il)cosΔ
φcosL2ω. (-τ/2) (second harmonic number) 4 (Pcw-Pccw) ” J3 (1115i
nΔφC05(3ω.(-τ/2)(third harmonic number)...(1) JN in the above equation (1) is a Bessel function.

Δφはサグナック効果による位相差、ω。は変調周波数
9mは位相変調度に相当する値である。
Δφ is the phase difference due to the Sagnac effect, ω. The modulation frequency 9m is a value corresponding to the phase modulation degree.

同期検出された基本波成分、第2.第4次高調減成分を
各々Sl、S2.S4とすると、S1= (Pcw−P
ccw)”” J 1[n)s i nΔφ・(2)S
2= (pcw−PCCW)”’ J2(II)c o
 sΔφ・・・(3)S4= (Pcw−Pccw)”
” J4(lx)c o sΔφ・(4)となる。
The synchronously detected fundamental wave component, the second. The fourth harmonic reduction components are respectively S1, S2. S4, then S1= (Pcw-P
ccw)”” J 1[n)s i nΔφ・(2)S
2= (pcw-PCCW)"' J2(II)co
sΔφ...(3)S4= (Pcw-Pccw)"
” J4(lx)cosΔφ・(4).

一方、角速度ωはサグナック効果による位相差Δφを用
いて、 aはスケールファクタ定数 で求められるから、(2)〜(5)式により、a   
       Jl(i)   S2・・・(6) となる。
On the other hand, the angular velocity ω is determined using the phase difference Δφ due to the Sagnac effect, and a is determined by the scale factor constant, so from equations (2) to (5), a
Jl(i) S2...(6)

ベッセル関数の引数m、iたはベッセル関数の比J 2
(II)/ J 1(i)の値を求めるには、第4次高
調減成分S4と第2次高調被成分S2の比が計測できる
ので、次式から、 S4 /S2・J 4(1)/ J 2(1)    
  ・・・(7)J 4(1)/ J 2(n)とJ 
2 (1)/ J 1 (11)、またはJl(n)/
J2(m)との関係を求めておけば良い。
Arguments m and i of Bessel function or ratio J of Bessel function
To find the value of (II)/J 1(i), the ratio of the 4th harmonic subtractive component S4 and the 2nd harmonic subject component S2 can be measured, so from the following equation, S4 /S2・J 4(1 )/J2(1)
...(7) J 4 (1) / J 2 (n) and J
2 (1)/J 1 (11), or Jl(n)/
All you have to do is find the relationship with J2(m).

第2図にその第1種ベッセル関数の関係を示す。FIG. 2 shows the relationship between the Bessel functions of the first kind.

第2図の関係から上記(6)式の近似式(精度≦0.5
%)を作成し、光回転角速度センサのCPU10内に組
み込んで評価した結果を第3図及び第4図に示す。
From the relationship shown in Figure 2, the approximation formula for equation (6) above (accuracy ≦0.5
%) was created, incorporated into the CPU 10 of the optical rotation angular velocity sensor, and evaluated. The results are shown in FIGS. 3 and 4.

第3図は評価用に製作した光回転角速度センサに、±0
.01.±0.02.±0.03.±0.04(’/s
)の角速度を入力した時の出力を示す図、第4図はこの
評価用に製作した光回転角速度センサの直線性能を示す
図である0分解能、直線性共に、この評価用に製作した
光回転確度センサの設計値に等しい性能が得られている
Figure 3 shows the optical rotation angular velocity sensor manufactured for evaluation with ±0
.. 01. ±0.02. ±0.03. ±0.04('/s
) Figure 4 is a diagram showing the linear performance of the optical rotation angular velocity sensor manufactured for this evaluation. Performance equal to the design value of the accuracy sensor has been obtained.

(1)上記実施例では近似式を用いた例を示したが、第
2図の関係をCPUのメモリに記憶させ、S4 /S2
の値で検索する方式を取れば、更に性能が向上する。
(1) In the above embodiment, an example using an approximation formula was shown, but the relationship shown in FIG. 2 is stored in the CPU memory, and S4 /S2
If you use a method of searching by the value of , the performance will be further improved.

(2)検索の引数には、S6 /S2 、 S6 /S
4等の偶数次高調波成分の比を用いることができる。
(2) Search arguments include S6 /S2, S6 /S
A ratio of even harmonic components such as 4 can be used.

[発明の効果] 以上述べたように、本発明によれば、位相変調器を制御
する必要がないため、制御専用の回路が不必要となり、
それだけ回路規模が小さく、安価になると共に、組み立
てが簡単になり、信頼性も向上する。また、演算により
求めた位相変調度を用いて角速度を演算するので、測定
デ・−夕の信頼度が向上する。
[Effects of the Invention] As described above, according to the present invention, there is no need to control the phase modulator, so a dedicated control circuit is not necessary.
Accordingly, the circuit scale is smaller and cheaper, and assembly becomes easier and reliability is improved. Furthermore, since the angular velocity is calculated using the phase modulation degree obtained by calculation, the reliability of the measurement data is improved.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は光回転角速度センサの構成を示ず図、第2図は
第1種ベッセル関数の関係を示す図、第3図は本発明の
評価用に製作した光回転角速度センサに角速度を入力し
た時の出力例を示す図、第4図は本発明の評価用に製作
した光回転角速度センサの直線性能を示す図である。 図中、1はレーザ光源、2a、2bは光カプラ、3は偏
光子、4は位相変調器、5はセンシングループ、6は受
光器、7はプリアンプ、8は同期検波回路、9はA/D
変換器、10はCPU、11は発振器を示す。 特許出願人  日立電線株式会社 株式会社日立製作所 代理人弁理士  絹  谷 信 雄 第1図 14/J2 時 間 (分) 第3図 入力角速度(’/s) 第4図
Figure 1 does not show the configuration of the optical rotation angular velocity sensor, Figure 2 shows the relationship between Bessel functions of the first kind, and Figure 3 shows the input of angular velocity to the optical rotation angular velocity sensor manufactured for evaluation of the present invention. FIG. 4 is a diagram showing the linear performance of the optical rotation angular velocity sensor manufactured for evaluation of the present invention. In the figure, 1 is a laser light source, 2a and 2b are optical couplers, 3 is a polarizer, 4 is a phase modulator, 5 is a sensing loop, 6 is a light receiver, 7 is a preamplifier, 8 is a synchronous detection circuit, and 9 is an A/ D
A converter, 10 a CPU, and 11 an oscillator. Patent Applicant Hitachi Cable, Ltd. Hitachi, Ltd. Representative Patent Attorney Nobuo Kinutani Figure 1 14/J2 Time (minutes) Figure 3 Input angular velocity ('/s) Figure 4

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1、光源からの光を光カプラで分岐し、その分岐光を位
相変調器で位相をずらせてそれぞれセンシングループに
導き、該センシングループを伝搬した左右両回り光を光
カプラで再び結合後受光器で検出し、信号処理回路で角
速度情報を得る位相変調方式の光回転角速度センサにお
いて、位相変調周波数に対する高調波信号の出力から位
相変調度を求め、得られた位相変調度を用いて角速度を
算出する演算手段を設けたことを特徴とする光回転角速
度センサ。 2、前記演算手段が、位相変調周波数に対する第2次高
調波信号と第4次高調波信号を測定し、その比から位相
変調度を求めることを特徴とする請求項1記載の光回転
角速度センサ。
[Claims] 1. The light from the light source is split by an optical coupler, the split light is shifted in phase by a phase modulator, and guided to a sensing loop, and the left and right lights propagated through the sensing loop are split into an optical coupler. In an optical rotation angular velocity sensor using a phase modulation method, the degree of phase modulation is determined from the output of a harmonic signal with respect to the phase modulation frequency, and the degree of phase modulation obtained is An optical rotation angular velocity sensor characterized in that it is provided with arithmetic means for calculating angular velocity using. 2. The optical rotation angular velocity sensor according to claim 1, wherein the calculation means measures the second harmonic signal and the fourth harmonic signal with respect to the phase modulation frequency, and determines the degree of phase modulation from the ratio thereof. .
JP15671790A 1990-06-15 1990-06-15 Optical rotation angular velocity sensor Pending JPH0447215A (en)

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Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6212811A (en) * 1985-07-10 1987-01-21 Japan Aviation Electronics Ind Ltd Angular speed meter using optical interference

Patent Citations (1)

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