JP2001324334A - 光共振型ジャイロ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 共振型光ファイバジャイロの性能向上を図
る。 【解決手段】 航走体に備えられた光共振器に鋸歯状の
セロダイン信号ａで周波数変調した光を入射させ、該光
共振器から出射された光の検出信号ｂに基づいて光共振
器の共振周波数を検出して航走体の角速度を検知する光
共振型ジャイロにおいて、検出信号ｂをデジタル信号で
ある符号化検出信号ｄに変換して光共振器の共振周波数
を検出する場合に、セロダイン信号ａの遷移点後方近傍
に該当する検出信号ｂの部位を除外して光共振器の共振
周波数を検出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、サニャック効果
（Sagnac effect）による光共振器の共振周波数の変化
に基づいて航走体の角速度を検出する光共振型ジャイロ
に関する。

【０００２】

【従来の技術】周知のように、船舶や航空機等の航走体
の慣性回転速度（角速度）を検出する手段としてジャイ
ロが用いられてる。従来広く知られたジャイロは、回転
するコマが一定姿勢を維持しようとする性質を利用した
ものであるが、近年、より高精度かつダイナミックレン
ジの広いジャイロとして、光共振器を用いた光共振型ジ
ャイロ、例えば光共振器として閉ループ状の光ファイバ
（光ファイバ共振器）を用いた共振型光ファイバジャイ
ロが研究されている。

【０００３】このような共振型光ファイバジャイロは、
例えば電子情報通信学会誌別冊（Vol.73 No.2 pp.149-1
6 1990）等に周知技術として記載されているように、サ
ニャック効果による光ファイバ共振器の共振周波数の変
化から航走体の角速度を検出するものである。このサニ
ャック効果とは、回転系において回転方向に沿って光が
１周する実質的な経路長と逆方向に光が伝搬する実質的
な経路長とに差異が生じるというものである。

【０００４】共振型光ファイバジャイロでは、角速度の
検出軸に対してループ面が直交するように配置された光
ファイバ共振器について、セロダイン信号（一種の鋸歯
状波信号）によって光周波数変調されたレーザ光を検出
軸に対して時計回り（ＣＷ：Clock Wise）方向から入射
させると共に、検出軸に対して反時計回り（ＣＣＷ：Co
unter Clock Wise）方向からもセロダイン信号によって
光周波数変調されたレーザ光を入射させる。

【０００５】このようなセロダイン信号を用いてレーザ
光に周波数変調をかける共振型光ファイバジャイロ（セ
ロダイン方式共振型光ファイバジャイロ）では、時計回
りのレーザ光（ＣＷ光）と反時計回りのレーザ光（ＣＣ
Ｗ光）における光ファイバ共振器の共振周波数に一致す
る周波数部位は、共振現象によって他の周波数部位より
も光強度が急激に高くなる。また、光ファイバ共振器の
共振周波数は、上記サニャック効果に基づき検出軸周り
の回転速度に応じて変化するので、ＣＷ光及びＣＣＷ光
を同期検波することによって当該共振周波数を追尾する
ことにより、検出軸周りの回転速度を検出することがで
きる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、このような
セロダイン方式共振型光ファイバジャイロでは、近年、
ＣＷ光及びＣＣＷ光の検出信号（電気信号）をデジタル
処理することにより光ファイバ共振器の共振周波数を測
定するようにしている。この際、ＣＷ光及びＣＣＷ光の
検出信号をＡ／Ｄコンバータを用いて連続的にデジタル
信号に変換し、該デジタル信号にデジタル信号処理に基
づく同期検波を行うことにより共振周波数を特定してい
る。

【０００７】しかし、上記検出信号には、時系列的な部
位によって位相変調性のノイズを多く含む部位がある。
上述したように時計回り及び反時計回りのレーザ光共に
鋸歯状のセロダイン信号によって光周波数変調されるの
で、各レーザ光は、セロダイン信号の傾斜部では一定の
変化率で周波数変移するが、セロダイン信号の遷移点
（つまり鋸歯の頂点）において急峻に変位するため急激
に周波数変移する。

【０００８】光周波数変調器の応答特性にも依るが、こ
のセロダイン信号の遷移点後方近傍においては、各レー
ザ光はセロダイン信号の変位に十分に追従することがで
きず、この結果、ＣＷ光及びＣＣＷ光においてセロダイ
ン信号の遷移点に該当する部位ではパルス性の位相変調
ノイズが含まれることになる。このような位相変調ノイ
ズを含むＣＷ光及びＣＣＷ光の光強度を示す検出信号に
はパルス状のノイズ信号が含まれ、この検出信号をＡ／
Ｄコンバータを用いてデジタル信号に変換すると、当該
ノイズ信号に起因して変換誤差が生じる。この結果、当
該変換誤差が原因となって高精度に光ファイバ共振器の
共振周波数を測定することができず、よって角速度を高
精度に測定することができない。

【０００９】本発明は、上述する問題点に鑑みてなされ
たもので、以下の点を目的とするものである。 （１）共振型光ファイバジャイロの性能向上を図る。 （２）光共振器から得られる光に含まれるノイズの影響
を低減させる。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明では、第１の手段として、航走体に所定姿勢
で備えられた光共振器にセロダイン信号ａで周波数変調
したレーザ光を入射させ、当該光共振器から出射された
レーザ光の検出信号ｂに基づいて光共振器の共振周波数
を検知して航走体の角速度を測定する光共振型ジャイロ
において、前記検出信号ｂをＡ／Ｄコンバータを用いて
デジタルの符号化検出信号ｄに変換して光共振器（１）
の共振周波数を検出する場合に、セロダイン信号ａの遷
移点後方近傍に該当する検出信号ｂの部位を除外して符
号化検出信号ｄを生成するという手段を採用する。

【００１１】第２の手段として、上記第１の手段におい
て、Ａ／Ｄコンバータにおいてセロダイン信号ａの遷移
点後方近傍に該当する部位を除外するように検出信号ｂ
を量子化し、さらに符号化して符号化検出信号ｄに変換
するという手段を採用する。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して、本発明に
係わる光共振型ジャイロの一実施形態について説明す
る。なお、本実施形態は、上述したセロダイン方式共振
型光ファイバジャイロに関するものである。

【００１３】図１は、本実施形態におけるＣＷ光信号処
理部の要部構成を示すブロック図である。この図におい
て、符号１は光ファイバ共振器，２は受光器、３はＣＷ
光信号処理部、４はジャイロチップ、５は半導体レー
ザ、６は光源駆動部である。また、ＣＷ光信号処理部３
は、図示するようにＡ／Ｄコンバータ３ａ、デジタルイ
ンタフェース３ｂ、同期検波部３ｃ、主制御部３ｄ、Ａ
ＤＣ制御部３ｅ及びセロダイン・ジェネレータ３ｆから
構成されている。なお、本実施形態が最も特徴とする点
は、ＡＤＣ制御部３ｅを具備する点である。

【００１４】光ファイバ共振器１は、所定長の光ファイ
バを閉ループ状に接合したものであり、図示しない光カ
プラを介してジャイロチップ４から入射されたＣＷ光を
同じく光カプラ（図示略）を介して受光器２に出射する
ものである。ここで、上記ＣＷ光は、ジャイロチップ４
においてセロダイン・ジェネレータ３ｆから入力された
セロダイン信号ａによって光周波数変調（光位相変調）
されると共に、光ファイバ共振器１の実効的なループ長
に基づいて一義的に決まる共振周波数に応じて強度変調
されたものである。ＣＷ光の強度変化は、上記光ファイ
バ共振器１の共振周波数において櫛状に急激にレベル変
化するものとなる。

【００１５】受光器２は、このようなＣＷ光を光電変換
して検出信号ｂ（ＣＷ光の光強度を示すアナログの電気
信号）をＡ／Ｄコンバータ３ａに出力するものである。
Ａ／Ｄコンバータ３ａは、ＡＤＣ制御部３ｅから入力さ
れるサンプリング信号ｃに基づいて検出信号ｂを量子化
かつ符号化し、符号化検出信号ｄとしてデジタルインタ
フェース３ｂに出力するものである。

【００１６】デジタルインタフェース３ｂは、符号化検
出信号ｄを主制御部３ｄから入力されるデータ取込指示
信号ｅに同期して所定伝送形式の伝送信号ｆに変換して
同期検波部３ｃに出力するものである。また、このデジ
タルインタフェース３ｂは、上記データ取込指示信号ｅ
に基づいてデバイス選択信号ｇ1とデータ取込信号ｇ2と
をＡＤＣ制御部３ｅに出力するように構成されている。

【００１７】同期検波部３ｃは、セロダイン・ジェネレ
ータ３ｆから入力されるセロダイン信号ａを用いて伝送
信号ｆに同期検波処理（デジタル信号処理）を施し、こ
の結果として検出信号ｂのレベル変化（包絡線）を示す
包絡線データｈを主制御部３ｄに出力するものである。

【００１８】主制御部３ｄは、この検出信号ｂの包絡線
データｈに基づいて上記光ファイバ共振器１の共振周波
数を検出してＣＣＷ光の信号処理を担うＣＣＷ光信号処
理部に出力すると共に、この検出結果に基づいて半導体
レーザ５におけるレーザ光の発振波長を規定する波長目
標値（周波数目標値）ｋを設定して光源駆動部６に出力
する。また、この主制御部３ｄは、上記データ取込指示
信号ｅをセロダイン信号ａに同期してデジタルインタフ
ェース３ｂに出力する。セロダイン・ジェネレータ３ｆ
は、鋸歯状のセロダイン信号ａを発生して同期検波部３
ｃ及びジャイロチップ４に出力すると共に、当該セロダ
イン信号ａに同期したＡＤＣ制御信号ｉをＡＤＣ制御部
３ｅに出力するものである。

【００１９】本実施形態の特徴であるＡＤＣ制御部３ｅ
は、上記デバイス選択信号ｇ1及びデータ取込信号ｇ2並
びにＡＤＣ制御信号ｉに組み合わせることによりサンプ
リング信号ｃを生成してＡ／Ｄコンバータ３ａに出力す
るものである。このＡＤＣ制御部３ｅの詳細について
は、後述する。

【００２０】ジャイロチップ４は、一種の光周波数変調
器（光位相変調器）であり、例えば光半導体チップとし
て構成されたものである。半導体レーザ５は、光源駆動
部６から入力される駆動信号ｊに基づいて所定波長のレ
ーザ光を発信してジャイロチップ４に出力するレーザ光
源である。光源駆動部６は、主制御部３ｄから入力され
る上記レーザ光の波長目標値ｋに基づいて駆動信号ｊを
生成して半導体レーザ５に出力するものである。

【００２１】次に、本実施形態の動作について、図２に
示すタイミングチャートを参照して詳しく説明する。

【００２２】まず始めに本実施形態の全体的な動作につ
いて説明すると、上述した構成から容易に解るように半
導体レーザ５から出力されるレーザ光（ＣＷ光の光源
光）の波長（光周波数）は、光ファイバ共振器１の共振
周波数に一致するようにフィードバック制御される。Ｃ
Ｗ光信号処理部３は、このようなフィードバック制御に
おける検出信号のデジタル信号処理を担っている。

【００２３】ＣＷ光の光周波数を光ファイバ共振器１の
共振周波数に一致させることにより、光ファイバ共振器
１内をＣＷ光とは逆方向に伝搬するＣＣＷ光の共振周波
数は、周知のように当該セロダイン方式共振型光ファイ
バジャイロが搭載された航走体の運動の角速度を示すも
のとなる。すなわち、ＣＣＷ光信号処理部は、ＣＷ光信
号処理部３から入力されたＣＷ光に関する光ファイバ共
振器１の共振周波数と、自らが検出したＣＣＷ光に関す
る光ファイバ共振器１の共振周波数との差に基づいて航
走体の角速度を算出する。

【００２４】ここで、本実施形態のＡ／Ｄコンバータ３
ａにおける検出信号の量子化は、ＡＤＣ制御部３ｅから
入力されるサンプリング信号ｃのタイミングで実行され
るが、ＡＤＣ制御部３ｅでは、以下のようにサンプリン
グ信号ｃを生成する。

【００２５】すなわち、ＡＤＣ制御部３ｅには、セロダ
イン信号ａに同期したデータ取込指示信号ｅに基づくデ
バイス選択信号ｇ1及びデータ取込信号ｇ2がデジタルイ
ンタフェース３ｂから順次入力されると共に、セロダイ
ン・ジェネレータ３ｆからは同じくセロダイン信号ａに
同期したＡＤＣ制御信号ｉが順次入力される。デバイス
選択信号ｇ1は、図２に示すようにデータ取込指示信号
ｅに対して所定時間遅延して立ち上がると共に、セロダ
イン信号ａの遷移点ｔ0，ｔ1，ｔ2，……に同期して立
ち下がる矩形波信号である。

【００２６】データ取込信号ｇ2は、このようなデバイ
ス選択信号ｇ1を一定時間△ｔだけ遅延させた矩形波信
号である。また、ＡＤＣ制御信号ｉは、セロダイン信号
ａの２倍周波数の矩形波信号であり、セロダイン信号ａ
の遷移点ｔ0，ｔ1，ｔ2，……に同期して立ち下がるも
のである。なお、上記セロダイン信号ａの遷移点ｔ0，
ｔ1，ｔ2，……は、鋸歯状のセロダイン信号ａにおい
て、信号レベルが最大値から最小値あるいは最小値から
最大値に急激に変化する点である。

【００２７】ＡＤＣ制御部３ｅは、例えばデータ取込信
号ｇ2とＡＤＣ制御信号ｉとの論理積（ＡＮＤ）を取る
と共に、デバイス選択信号ｇ1の立上エッジｔa0，ｔa
1，ｔa2，……を検出するとゲートを開いて上記論理積
の結果得られた信号をサンプリング信号ｃとして出力す
る。このようなパルス処理の結果、サンプリング信号ｃ
は、データ取込信号ｇ2とＡＤＣ制御信号ｉとが何れも
ハイレベルの期間のみにハイレベルとなる。Ａ／Ｄコン
バータ３ａは、このようなサンプリング信号ｃが入力さ
れると、サンプリング信号ｃがハイレベルの期間のみに
検出信号ｂをサンプリングする。

【００２８】この結果、Ａ／Ｄコンバータ３ａは、セロ
ダイン信号ａの中間位置ｔb0，ｔb1，ｔb2，……から次
の遷移点ｔ1，ｔ2，……にかけて検出信号ｂをサンプリ
ングする。すなわち、Ａ／Ｄコンバータ３ａは、セロダ
イン信号ａのｔ1，ｔ2，……の後方近傍に該当する検出
信号ｂの部位、つまり検出信号ｂに含まれるノイズ信号
ｎ0，ｎ1，ｎ2，……除外して検出信号ｂをサンプリン
グする。したがって、図２の符号化検出信号ｄ（アナロ
グ信号として表現）に示すように、符号化検出信号ｄに
含まれていた誤差成分を無視して、検出信号ｂを高精度
に量子化かつ符号化することができる。

【００２９】本実施形態によれば、ＣＷ光信号処理部３
にＡＤＣ制御部３ｅを備えることによって、つまり従来
と同様なデバイス選択信号ｇ1、データ取込信号ｇ2及び
ＡＤＣ制御信号ｉをＡＤＣ制御部３ｅによってパルス処
理することによってノイズ信号ｎ0，ｎ1，ｎ2，……を
除外して検出信号ｂをサンプリングするので、従来のＣ
Ｗ光信号処理部に対して最小限の変更を加えるのみによ
って航走体の角速度を高精度に計測することが可能であ
る。なお、デバイス選択信号ｇ1、データ取込信号ｇ2及
びＡＤＣ制御信号ｉを用いてサンプリング信号ｃを生成
するパルス処理は、上記実施形態に限定されるものでは
ない。このパルス処理には、他にも多くの処理方法が考
えられる。

【００３０】上述した説明では、ＣＷ光の信号処理を担
う当該ＣＷ光信号処理部３についてのみ説明したが、セ
ロダイン方式共振型光ファイバジャイロには、周知のよ
うにＣＣＷ光の信号処理を担うＣＣＷ光信号処理部が備
えられている。本発明の特徴は、このＣＣＷ光信号処理
部についてもＣＷ光信号処理部３と同様である。

【００３１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係わる光
共振型ジャイロによれば、セロダイン信号ａの遷移点後
方近傍に該当する検出信号ｂの部位に存在すると共にセ
ロダイン信号ａの遷移に起因するノイズの影響を低減し
て検出信号ｂを符号化検出信号ｄに変換するので、符号
化検出信号ｄの変換精度を向上させることが可能であ
り、よって共振型光ファイバジャイロの性能向上を図る
ことが可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施形態の要部機能構成を示すブ
ロック図である。

【図２】 本発明の一実施形態の動作を示すタイミング
チャートである。

【符号の説明】

１……光ファイバ共振器 ２……受光器 ３……ＣＷ光信号処理部 ３ａ……Ａ／Ｄコンバータ ３ｂ……デジタルインタフェース ３ｃ……同期検波部 ３ｄ……主制御部 ３ｅ……ＡＤＣ制御部 ３ｆ……セロダイン・ジェネレータ ４……ジャイロチップ ａ……セロダイン信号 ｂ……検出信号 ｃ……サンプリング信号 ｄ……符号化検出信号 ｅ……データ取込指示信号 ｆ……伝送信号 ｇ1……デバイス選択信号 ｇ2……データ取込信号 ｈ……包絡線データ ｉ……ＡＤＣ制御信号 ｊ……駆動信号 ｋ……波長目標値（周波数目標値）

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 航走体に所定姿勢で備えられた光共振器
   （１）にセロダイン信号ａで周波数変調したレーザ光を
   入射させ、当該光共振器（１）から出射されたレーザ光
   の検出信号ｂに基づいて光共振器（１）の共振周波数を
   検知して航走体の角速度を測定する光共振型ジャイロで
   あって、 前記検出信号ｂをＡ／Ｄコンバータ（３ａ）を用いてデ
   ジタルの符号化検出信号ｄに変換して光共振器（１）の
   共振周波数を検出する場合に、セロダイン信号ａの遷移
   点後方近傍に該当する検出信号ｂの部位を除外して符号
   化検出信号ｄを生成することを特徴とする光共振型ジャ
   イロ。
2. 【請求項２】 Ａ／Ｄコンバータ（３ａ）においてセロ
   ダイン信号ａの遷移点後方近傍に該当する部位を除外す
   るように検出信号ｂを量子化し、さらに符号化して符号
   化検出信号ｄに変換することを特徴とする請求項１記載
   の光共振型ジャイロ。