JPS5832793B2 - リング・レ−ザ・ジヤイロスコ−プ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は４モード型のリング・レーザ・ジャイロスコー
プに関する。

２つの反対方向に回転するレーザ・ビーム、即ち反対方
向に伝播するビーム力１）ング・レーザ中で形戊される
ことは良く知られている。

この種の装置については、例えばモンテ・ロス編「レー
ザ応用」アカデミツク・プレス・インコーポレーテツト
にューヨーク市）１９７１年発行の「レーザ・ジャイロ
」、第１３４−２００頁に詳細に記されている。

リング・レーザがその平面と垂直な軸の周りに回転され
ると、発振の周波数はシフトされ、回転方向に伝播して
いるビームの周波数は減少し、回転と反対の方向に伝播
しているビームの周波数は増大する。

従って回転の大きさと方向は反対方向に伝播するビーム
間のビートｍ波数を検出することにより決定される。

３つのレーザ・ジャイロスコープの組を用いることによ
り、現象は慣性航路指導システムで回転データを決定し
、それによって飛行機等に方向情報を与えるのに利用さ
れている。

４モード・レーザ・ジャイロスコープは当業者にあって
は間知である。

このジャイロスコープではレーザ・ビームの同波数をシ
フトさせるのに光学的水晶およびファラデー効実装置（
これはまたファラデー・セルとも呼ばれる）を使用して
いる。

しかし、現在までに提案されているバイアス法および検
出法は極めて複雑で、雑音レベルも高い。

従って、本発明の主たる目的は４モ一ド複数発振器リン
グ・レーザ・ジャイロスコープを簡単化し、雑音を減ら
すことである。

本発明のリング・レーザ・ジャイロスコープによると、
４つの互いに異なる同波数の４つの円偏光ビームで動作
し、その内２つの反対方向に円偏光したビームは１方の
方向に伝播し、他の２つの反対方向に円偏光したビーム
は反対方向に伝播し、各ビーム中の光エネルギーの一部
は電気エネルギーに変換され、このようにして発生され
た電気出力信号中に存在する周波数はリング・レーザの
回転の速度と回転の方向を決定するのに使用され、４つ
のすべての周波数の光エネルギーは非直線特性を有する
単一のフォトダイオードに同時に加えられ、それによっ
てリング・レーザの回転の速度と回転の方向を決定する
のに使用される４つのすべての周波数の和および差周波
数を含む組み合わされた電気信号を発生する。

本発明の１実施例の特徴として、フォトダイオードによ
り発生された信号を受信し、リング・レーザ・ジャイロ
スコープの回転の速度と回転の方向を決定する回路に加
えられる差周波数信号成分のみを送出する低域フィルタ
を有している。

ディザ型の周期的に変化する位相基準信号をレーザ・プ
ラズマ電流中に導入する回路が設けられており、前記位
相基準信号はまたフォトダイオードの出力信号の整流さ
れた低周波成分と組み合わされ、それによってレーザの
回転の方向が決定される。

更に、フォトダイオードからの２つの低い周波数差信号
の内の１方の２つの低い周波数差信号の他方による１０
０φ変調が生じるような長さにレーザ空洞長を保持する
回路が使用されている。

本発明の実施例の重要な特徴として、複数発振器リング
・レーザ・ジャイロスコープの鏡の内の１つを通過する
４つの光学的同波数を検出する簡単な装置を含むことが
あげられる。

前記鏡を通過した４つの光学的同波数、即ちビームは直
接ヘテロダインされ、その結果得られた信号は３つの回
路、即ちレーザ空洞長制御回路、回転速度検出回路およ
び回転方法決定回路に加えられる。

以下に述べるように、レーザ・プラズマ電流を発振させ
る（あるいはディザさせるとも言う）交流成分を有する
電源を用い、該プラズマ電源からの交流成分を位相基準
として使用することにより、リング、レーザ・ジャイロ
スコープの回転の方向を決定することが出来る。

空洞長を制御するトランスジューサは適当な同期で発振
せられ、ジャイロスコープの１７−ザ・モード周波数を
変化させ、トランスジューサ制御電圧に固定されて、４
モード・リング・レーザ・ジャイロスコープを形戊する
２つの２モード・レーザ・ジャイロに等しい振幅のビー
トｎ波数を与えて、４つの信号のヘテロダイン出力に１
００％変調信号を発生する。

本発明は図面を参照してその実施例を説明することによ
りより良く理解されよう。

第１図を参照すると、４モード・リング・レーザ・ジャ
イロスコープ１２にはその４つの隅に４つの鏡が設けら
れている。

その内の２つ１４および１６は単なる鏡であり、鏡１８
はリング・レーザ・ジャイロスコープの空洞長を制御す
るためピエゾ電気トランスジーサ２０に固定されている
。

第４の鏡２２は１部分の光のみを反射し、従って４つの
モードと関連する４つのビームは鏡２２を通過し得る。

この４モード・リング・レーザ・ジャイロスコープには
また当業者には周知の如く適当な水晶２１およびファラ
デー効実装置２３が設けられており、第２図に示すよう
に４つの異なる同波数を含む４つのモードと関連する４
つのビームを発生する。

水晶２１は石英水晶であって良い。当業者においては周
知の如く、部分的に反射する鏡２２に入射するビームに
は２つのモード、即ち異なる型の偏光がある。

これらは所謂左偏光ビームと右偏光ビームである。

更に、４つのビームの内ゝＰ“偏光成分のみが鏡を容易
に通過するのに対し、ビームのＳ“偏光成分は容易に通
過しない。

ここでゝＰ“偏光成分はレーザ・ビーム路の平面に平行
した電気ベクトルを有しており、ゝＳ“偏光成分はレー
ザ・ビーム路の平面に垂直な関係にある。

ゝＳ“波は鏡を全く通過しないのではなく、ゝＰ ′′
戊分と１８／′戊分の通過弁と阻止弁の比は典型例では
約１００対１である。

第２図に示す周波数Ｐ１およびＦ４と関連し、リング・
レーザ・ビーム路の１万の伝播方向から鏡２４に入射す
る上述のレーザ・モードの２つのゝＰ“成分が鏡２２を
通過すると共に、第２図の周波数Ｆ２およびＦ３と関連
し、鏡２６に入射するレーザ・モードの反対方向に伝播
する２つの％ ｐ ／／ 成分も鏡２２を通過する。

これら２絹のビームはここの例ではビーム組み合せ鏡２
８として使用されている部分的反射を行うゝビーム・ス
プリッタ“によって組み合わされ、４つのビームはすべ
て同時に光ダイオード３０に入射する。

第２図に示すように、周波数Ｆ１およびＦ２を有する反
対方向に伝播する２つのビームはＧＹＲＯＩと名付ける
第１のジャイロスコープを形成するものと考えられ、回
転が無い場合にはほぼ同一の同波数だけ離れている尚波
数Ｆ３およびＦ４を有する反対方向に伝播する他の２つ
のビームはＧＹＲＯ２と名付ける第２のジャロスコープ
を形成している。

ここで考えている同波数領域がどの程度のものであるか
を例示すると、通常の明るい赤色を呈する正常なヘリウ
ム・ネオン・レーザ・ジャイロスコープは約５Ｘ１０”
４ヘルツの同波数を有している。

第１図の４モード・リング・レーザ・ジャイロスコープ
で使用されている水晶の型およびファラデー効実装置（
即ちファラデー・セル）の型により、第２図に示すよう
にＧＹＲＯＩとＧＹＲＯ２の同波数間隔は約１０から５
００メガヘルツの間、即ち１００万サイクル／秒のオー
ダである。

また、使用されているファラデー効実装置に依存して、
ジャイロＧＹＲＯＩおよびＧＹＲＯ２と名付けた各々の
ジャイロスコープを形成する反対方向に回転、即ち反対
方向に伝播するビームの２つの周波数の差は約１０から
５００キロヘルツである。

フォトダイオード３０は自乗側検波器であり、非線形混
合素子、即ち相互変調素子として動作する。

ここで用いられるフォトダイオードはいかなるタイプの
ものでも良い。

フォトダイオードは通常照射光の１より大きいパワーに
比例する出力、即ち人力照度に対して非線型な出力を発
生するものである。

この自乗側検波器の入力には第２図に示す如く同波数Ｆ
１．Ｆ２．Ｆ３およびＦ４が加えられる。

フォトダイオード３０の出力には、非線形特性を有する
フォトダイオード３０中で周波数Ｆ１．Ｆ２．Ｆ３およ
びＦ４のビートを形成することにより得られる多数の和
および差周波数が発生される。

フォトダイオード３０の出力の低レベル信号は広帯域増
幅器３２により増幅され、低域フィルタ３４に加えられ
る。

低域フィルタ３４はＦｌ。とＦ２の間のビートｎ波数（
これをＦ１□と呼ぶ）とＦ３とＦ４の間のビートｎ波数
（これをＦ３４と呼ぶ）と差周波数Ｆ１２とＦ３４の差
周波数（これをＦｌ２ Ｆ３４と呼ぶ）のみを通過さ
せる。

従って、フィルタ３４は約２メガヘルツのカットオフ周
波数を有していることになる。

もしリング・レーザが回転していない場合には１、周波
数Ｆ１２は周波数Ｆ３４に等しく、従ってＦ１□とＦ３
４の間ではビート周波数は生じない。

第３図は種々のビート周波数の間の相互関係を図式的に
示すものである。

第３図において、水平軸はリング・レーザの中心軸の固
りの回転を表わす。

第３図の縦軸は約１０キロヘルツから５００キロヘルツ
までの同波数を表わす。

同波数Ｆ１２により表わされるＧＹＲＯＩは線形応動特
性を有し、第３図の左上から右下に向う直線３６で表わ
されている。

同様にＧＹＲＯ２は第３図中で右上から左下へ向う直線
３８により表わされている。

回転がＯの場合、２つのジャイロスコープは同一周波数
で動作し、従ってその特性曲線は第３図の縦の中央線４
０で交差するが、これは回転がＯであることを表わす。

リング・レーザが１万または他の方向へ回転せられると
、２つのジャイロスコープの内１方の動作周波数は増大
し、ジャイロスコープの動作同波数は減少する。

ビート周波数Ｆ１□Ｆ３４は縦の中央線と平行な直線に
沿う直線３６と３８の間の距離により表わされる。

例えば、点線４２で示すように正の方向に回転すると、
周波数Ｆ１□とＦ３４の間の相互変調ビート周波数（即
ちＦ１２ Ｆ３４ ）は矢印４４の長さで表わされる
。

本システムの他の特徴を議論する際に第３図を更に参照
することになろう。

第１図を再び見ると、リング・レーザ・ジャイロスコー
プの回転速度は回路５２および５４により決定される。

回路５２はビート周波数Ｆ１□Ｆ３４を検出し、ビート
・カウンタ５４は２つの差分周波数Ｆ１□とＦ３４の差
により発生されるビート数を計数する。

ビート・カウンタ５４により検出されるビートの数は回
転を表わし、１秒当りのビート数がリング・レーザ・ジ
ャイロスコープの回転速度を表わす。

ビート・カウンタ５４からの出力を決定することにより
リング・レーザの回転速度を知ることが出来る。

ｔ、＝ｂ−ｔ、、・第３図の回転Ｏの直線の左側および
右側に示す点線６２または６４に相当する回転速度であ
ることが分ったとしても、２つの差分周波数間の検出さ
れたビートが１方の方向の回転を表わす矢印６６のビー
トなのか、反対方向の回転に相応する矢印６８のビート
なのかは分らない。

第１図を参照すると、この曖昧さは整流器７２、同波数
復調器及び低域フィルタ７４コンデンサ７６、同期復調
器７８およびプラズマ電源８０より成る回路により解決
される。

リング・レーザ内でガス・プラズマを励起する電源８０
は直流電源とプラズマを励起する直流電源に重畳される
差動交流ディザ電圧源の両方を含んでいる。

レーザの２つの相対する利得セクションで差動的に、即
ち反対方向にプラズマ電流を増減させるこのディザ電圧
はレーザ・ジャイロスコープの回転と同じ効果を有して
いる。

陰極と陽極との間の電圧はガスの流れ又は運動を生じさ
せる。

ディザ電圧はその流れを前後に振動させる。

ガスの運動はあたかもレーザが機械的に回転したかのよ
うな信号を発生させる。

リングレーザにおける機械的回転又はガスの流れはリン
グレーザ内で反対方向に伝播するガスの間でビート信号
を生じさせる。

プラズマの交流ディザと同期した位相基準電圧が導線８
２を介して同期復調器７８に加えられている。

プラズマ電流がわずかに変化すると矢印６６および６８
は共に１方の方向、例えば右側にシフトし、それによっ
て矢印６６によって表わされるビート周波数を減少させ
、矢印６８によって表わされるビート同波数を増加させ
る。

プラズマ電流のディザと同期している導線８２上の位相
基準信号を用いることにより、検出された信号８４また
は８６が位相基準信号と同相か逆相かを調べることによ
りリング・レーザの回転方向を決定することが可能であ
る。

プラズマ電流のディザの増減と同相にビート周波数６８
が増減するとビート周波数６６の増減はプラズマ電流の
ディザの増減と逆相となる。

ビート周波数６６と６８の増減とは周波数の増減、即ち
周波数変調を意味する。

フイタ３４の出力のビート周波数Ｆ１□−Ｆ３４信号は
リングレーザの回転方向に応じディザ信号と同相又は逆
相に周波数変調を受けたものであるので、整流器７２で
整流後のビート周波数Ｆ１□−Ｆ３４から周波数復調器
及び低周波フィルタ７４でビート周波数Ｆ１２ Ｆ３
４の変調信号８４を得る。

コンデンサ７６で交流信号成分８６を得て同期復調器７
８でディザ信号と同期した位相基準信号８２との位相を
調べる。

もし信号８６が信号８２と同相ならばビート周波数は６
８でリングレーザは反時計方向に回転していたことにな
る。

この決定は同期復調器７８によって行なわれ、回転符号
インディケータまたは方向インディケータ８８と呼ばれ
るインディケータにより表示される。

リング・レーザが適切に動作するためには、ＧＹＲＯＩ
を形成する信号の振幅とＧＹＲＯ２を形成する信号の振
幅が実質的に等しいことが重要である。

この条件が遠戚されると、周波数Ｆ□２とＦ３４の間の
ビートは第４図に示すようになり、第４図の点８９に示
すように周期的にＯになる。

このようにして、第４図は２つの差分周波数Ｆ１２とＦ
３４の相互変調を表わし、古くから使用されている振幅
変調の形態をとる。

この最大値は瞬時成分の和が同相のとき生じ、最小値は
１８０°位相がずれたときに生じる。

もし信号Ｆ１２またはＦ３４の１方が他方より大幅に大
きいと、ビート信号はＯにはならない。

従って、ビート信号の最小点を検出し、次にそれが実際
に０かどうか決定し、２つの信号が等しくなるよう空洞
の長さを調整することにより、適正なレーザ・ジャイロ
スコープ動作が達成される。

ここで述る回路では、第１図に示すようにピエゾ電気ト
ランスジューサ２０を用いることにより空洞長を制御す
る直流電圧が電源９２により供給されている。

発振器９４は電源８０によるプラズマのディザと幾分類
似した仕方で空洞長を変化させるべく重畳された交流を
提供する。

空洞制御サーボ・ループ中に含まれる他の回路として電
圧レベル検出器９６と同期復調器およびアナライザ回路
９８がある。

０電圧点（第４図参照）が得られない場合には、フィー
ドバック信号が回路９８から導線１００を介して電源９
２に加えられる。

これらの制御装置により、適正な電圧がピエゾ電気トラ
ンスジュ−サ２０に加えられ、該トランスジューサを適
当な位置に保持する。

最後に、本発明はここで述べたような機能を実行する他
の周知の等価なレーザまたは電子素子によって実現し得
ることを理解されたい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の１つの実施例に従う複数発振器リング
・レーザ・ジャイロスコープのブロック図、第２図は本
発明のシステムに従って検出される４つのモードと関連
する４つの周波数を示す図、第３図は第１図のリング・
レーザ・ジャイロスコープのビート周波数対回転特性を
示す曲線、第４図は共振レーザ空洞が最適長を有すると
き第１図の検出器により発生される相互変調されたビー
ト信号を示す図である。 〔主要部分の符号の説明〕 特許請求の範囲 ４つのすべての周波数 符 ７ブ ”ｔ ｔ Ｆ２ ｔ Ｆ３２ Ｆ４ フォトダイオード ０ 低域フィルタ ２ 差周波数信号成分

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １４つの夫々異なる周波数での４つのレーザ発振モード
   の２つが各方向に伝播しているような該４つのレーザ発
   振モードを発生する装置を有する多重発振リングレーザ
   を使用したリング・レーザジャイロスコープであって、 該４つのレーザ発振モードの全てを受信する光検出器、
   及び該リングレーザの回転速度と方向とを測定する信号
   を発生する該光検出器に結合された装置とからなるリン
   グ・レーザ・ジャイロスコープにおいて； 該４つのレーザ発振モードの強度が実質的に等しくなる
   よう該リングレーザの空胴長を調整するための該光検出
   器に結合されたサーボ装置を含むことを特徴とするリン
   グ・レーザ・ジャイロスコープ。 ２、特許請求の範囲第１項に記載のリング・レーザ・ジ
   ャイロスコープにおいて； 前記光検出器は単一のフォトダイオードによって該４つ
   のレーザ発振モードの全てを受信して混合し、そして回
   転速度に対して実質的に線形な周波数特性であるが反対
   の勾配の第１と第２の信号を発生しているリング・レー
   ザージャイロスコープ。 ３ 特許請求の範囲第２項に記載のリング・レーザ・ジ
   ャイロスコープにおいて； 前記光検出器に結合された装置は、該ジャイロスコープ
   の回転速度の大きさを表わす信号を発生するため該２つ
   のジャイロスコープ信号を受信するよう結合された速度
   決定装置、及び該リングレーザの回転方向を示す信号を
   発生するため該光検出器に接続された方向決定装置とか
   らなるリング・レーザ・ジャイロスコープ。 ４ 特許請求の範囲第３項に記載のリング・レーザ・ジ
   ャイロスコープにおいて； 前記方向決定装置は該リングレーザのプラズマ電流を変
   化させそして該４つのレーザ発振モードから得られたビ
   ート信号の位相と変化されたプラズマ電流の位相とを比
   較して該リング・レーザ・ジャイロスコープの回転方向
   を示す信号を発生しているリング・レーザ・ジャイロス
   コープ。 ５ 特許請求の範囲第１項に記載のリング・レーザ・ジ
   ャイロスコープにおいて； 前記サーボ装置は、該４つのレーザ発振モードの１つの
   ビート信号が該４つのレーザ発振モードの別のビート信
   号により１００％変調となるような長さに該リングレー
   ザの空胴長を調整しているリング・レーザ・ジャイロス
   コープ。