JP2001514378A - 光ファイバー・インターフェロメトリック・センサー用の開ループ信号処理回路及び方法 - Google Patents

光ファイバー・インターフェロメトリック・センサー用の開ループ信号処理回路及び方法

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JP2001514378A
JP2001514378A JP2000507981A JP2000507981A JP2001514378A JP 2001514378 A JP2001514378 A JP 2001514378A JP 2000507981 A JP2000507981 A JP 2000507981A JP 2000507981 A JP2000507981 A JP 2000507981A JP 2001514378 A JP2001514378 A JP 2001514378A
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ブレイク，ジェイムズ，エヌ
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ザ、テクサス、エイ、アンド、エム、ユーニヴァーサティ、システィム
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Abstract

(57)【要約】 光ファイバーセンサー（１２）用の信号処理回路（１０）は、光ファイバーセンサー出力信号からd.c.成分を取り除くため光ファイバーセンサー（１２）に結合されたd.c.ブロック（１４）と、光ファイバーセンサー出力信号におけるノイズを減少させるためd.c.ブロック（１４）に結合されて、ろ波信号を発生するローパスフィルター（１６）とを含んでいる。比較器（１８）は、ローパスフィルター（１６）に結合され、かつろ波信号におけるゼロ交差を示す矩形化信号を発生する。ロックイン増幅器又は同期復調器（２０）が、比較器（１８）に結合され、かつ光ファイバーセンサー（１２）内を伝搬する２つの光波における位相シフトを示す出力信号を発生する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の技術分野】
本発明は、光ファイバージャイロスコープ(fiber optic gyroscope)及び光フ ァイバー電流センサーを含む光ファイバーセンサーの分野に関する。特に、本発
明は、光ファイバー・インターフェロメトリック・センサー(fiber optic inter
ferometric sensor)用の開ループ信号処理回路及び方法に関する。
【０００２】
【発明の背景】
商業的に生産され、或いは現在開発中の多数の光ファイバーセンサーが、正弦波
状に変調された光ファイバーインターフェロメーターに基づいている。これらは
、ファイバージャイロスコープ、電流センサー、フローセンサー、及び音響セン
サーを含んでいる。光ファイバー・インターフェロメトリック・センサーの一例
は、「光ファイバー・インターフェロメーター・回路及び磁界センサー」という
名称で、１９９７年７月１日に"ブレーク"に発行され、参照によりここに組み入
れられる米国特許第５，６４４，３９７号に記載されている。例えば、ファイバ
ージャイロスコープは、サグナック（Sagnac）効果により光波内に誘起された位
相シフトとしてローテーションを検出する。電流及び磁界センサーにおいて、光
波内の位相シフトは、ファラディ効果により誘起される。
【０００３】 センサー出力から所望の情報を抽出する通常の方法は、"開ループ"信号処理技術
を使用することである。"閉ループ"信号処理技術は、開ループ技術よりも優れた
性能を生じることが知られているけれども、開ループ技術は、閉ループ技術にお
いて必要とされる広帯域幅変調器よりもむしろ単一周波変調器を必要とするのみ
という利点を有している。
【０００４】 正弦波変調インターフェロメトリック・センサーからの出力、Ｉoutは、次の式 によって表すことができる。 Ｉout＝（Ｉo／２）・｛１＋cos［ΦR＋Φm・cosωt＋θ］｝ （１）
【０００５】 ここで、ωは、バイアス変調周波数であり、ΦRは、測定されるべき位相シフト であり、Φmは、変調深さであり、θは変調駆動信号と出力信号の間の位相遅延 不確実性である。ΦRを決定するために最も広く使用される方法は、Ｉoutの第一
高調波成分を同期して検出することである。その結果の電流は、ＩoＪ1（Φm）c
osθsinΦRである。この信号から、ΦRを決定するために、他の３つの変数、Ｉo
、Φm、及びθのいずれかを測定し、或いは安定化させることが必要である。従 って、開ループ信号処理スキームは、通常、これら４つのパラメータを決定する
ための４つの基本回路を共通に包含する。これらの回路の３つは、出力信号にお
ける３つの異なる高調波レベルの測定のための同期復調器であり、かつその第４
の回路は、θを決定するためのゼロクロス、或いはレベルクロス回路である。安
定した高Ｑフィルターが、同期復調器のそれぞれのために必要であり、かつ比率
回路が、種々の高調波レベルを比較するために必要とされる。実際上、このタイ
プの完全な復調回路は、１００を充分に越える個々の電子要素を必要とし、かつ
、かなり高価である。それ故、復調回路を簡単化することが望まれる。
【０００６】
【発明の概要】
従って、従来の閉ループ及び開ループ回路及び方法よりも、実施及び製造が安価
で、複雑でない正確な信号処理回路及び方法に対する必要性がある。本発明に従
い、従来回路と関連した欠点を除去し、或いはかなり減少させる信号処理回路及
び方法が提供される。
【０００７】 本発明の１つの観点において、光ファイバーセンサー用の信号処理回路は、光フ
ァイバーセンサー出力信号からd.c.成分を除去するために光ファイバーセンサー
に結合されたd.c.ブロック、及び光ファイバーセンサー出力信号におけるノイズ
を減少させ、かつ、ろ波信号を発生するためd.c.ブロックに結合されたローパス
フィルターを含んでいる。比較器がローパスフィルターに結合され、かつろ波信
号におけるゼロ交差を示す矩形信号を発生する。ロックイン増幅器又は同期復調
器が、比較器に結合され、かつ光ファイバーセンサーにおける位相シフトを示す
信号を発生する。
【０００８】 本発明の別の観点において、光ファイバー・インターフェロメーターからの出力
信号を処理するための方法が、提供される。本発明は、出力信号からd.c.成分を
取り除くステップ、出力信号からノイズをフィルターして、ろ波信号を発生する
ステップ、及びこのろ波信号をゼロと比較して、矩形信号を発生するステップを
含んでいる。矩形信号は、光ファイバーインターフェロメーターにおける位相シ
フトを示す信号を発生するために同期して復調される。
【０００９】 本発明のさらに別の観点において、光ファイバーセンサー出力信号を処理する方
法は、ノイズを除去するためにセンサー出力信号をフィルターするステップ、ろ
波信号におけるゼロ交差に基づいて、このろ波信号を矩形化するステップ、及び
矩形信号を同期して復調するステップを含んでいる。
【００１０】 発明の詳細な説明 図１は、光ファイバー・インターフェロメトリック・センサー１２用の開ループ
信号処理回路１０及び方法の簡単化されたブロック図である。光ファイバーセン
サー１２は、正弦波変調光ファイバーセンサーであり、ファイバージャイロスコ
ープ、電流センサー、フローセンサー、及び音響センサーを含んでいる。光ファ
イバーセンサー１２からの検出出力は、（d.c.ブロックとして作用する）キャパ
シター１４を通して結合され、かつ変調周波数の約２倍のコーナー、即ち３ｄＢ
周波数を有するローパスフィルター（ＬＰＦ Ａ）１６に供給されるa.c.である
。ローパスフィルター１６は、信号内のノイズを減少させる重要な機能を果たす
。キャパシター１４及びローパスフィルター１６は、ホトディテクターからの出
力を受け、かつ演算増幅器のフィードバックパス内に所定のＲＣ定数を有する演
算増幅器（図示せず）、及びその入力パス内にd.c.ブロッキングキャパシターを
使用することによって、光ファイバーセンサー１２のホトディテクター内に一体
化することができるということを理解できよう。ローパスフィルター１６からの
出力信号は、元の光ファイバーセンサー出力信号の最初の４つの高調波を、主と
して包含する。残りの高調波の相対的振幅及び位相が、元の光ファイバーセンサ
ー出力から明白に変更された。ろ波信号を表す典型的波形が、図２Ａに示され、
かつここで、ΦR≠０である。
【００１１】 次に、ローパスフィルター出力信号が、比較器１８に提供される。比較器１８は
、例えば、反転入力にろ波信号を受け、非反転入力をアースに結合した演算増幅
器（図示せず）によって、実施することができる。比較器１８の典型的出力は、
図２Ｂに示されている。ろ波信号がゼロに交差する毎に、比較器出力信号の論理
状態は、変化する。或いは、上述のように、演算増幅器によって実施されるとき
、ろ波信号がゼロに交差しかつ負でないときはいつでも、比較器１８からの出力
は、低になり、そして、ろ波入力がゼロに交差しかつ負になるときはいつでも、
比較器１８からの出力は高である。比較器の出力は、今後、"矩形"信号（数学的
意味ではなく、波形形状の意味）として示される。このような信号の"矩形化"は
、光ファイバーセンサー出力の強度、Ｉoの依存を取り除く。矩形信号の主要周 波数は、変調周波数の２倍である。小さな位相シフトが、光ファイバーセンサー
１２内に存在するとき、矩形信号は、変調周波数の第一高調波を包含する。この
第一高調波成分の値は、位相シフト、ΦRに正比例している。比較器１８の出力 は、位相シフトに正比例した出力を発生するロックイン増幅器又は同期復調器２
０に結合されている。
【００１２】 ロックイン増幅器２０の典型的実施が、図３に示されている。比較器出力の連続
高状態は、低オフセット差働増幅器３６の２つの入力を供給する２本のライン３
１及び３２上に、二極双投スイッチ３０によって分割される。比較器からの入力
がラインに接続されていないときはいつでも、そのラインは、アースに結合され
る。スイッチ３０は、光ファイバーセンサー１２のための変調信号を発生するた
めに使用される発振器２６から発生した制御信号により制御される。制御論理回
路３５は発振器出力を受けて、かつ適切な時にスイッチ３０を切り替えるのに必
要な制御信号を発生する。それ故、スイッチ３０は、図２Ｃに示されるように、
ライン３１及び３２上に２つの信号又は２つのシーケンシャル成分を生じるため
に、その２つの位置の間で揺れ動く。
【００１３】 ローパスフィルター３８及び３９は、差働増幅器３６の入力に供給される。ロー
パスフィルター３８及び３９は、分割信号の不所望の高周波成分を取り除き、か
つまた、このシステムの全周波数応答を決定する。差働増幅器３６はそれから、
２つの分割信号の平均値における差に応答してシステム出力を発生する。言い換
えると、このシステム出力は、２つのシーケンシャル成分の間の持続期間の差を
示している。このようにして、比較器１８からの矩形信号におけるいかなる非対
称も、差働増幅器３６の出力にD.C.電圧を生じる。従って、差働増幅器３６の出
力におけるD.C.電圧は、位相シフト、ΦRに比例している。ロックイン増幅器２ ０は、θにおける比較的大きな変動にさえ、不感知であるという特に良好な特徴
を有している。
【００１４】 ピエゾエレクトリック（ＰＺＴ）変調器を使用する開ループ光ファイバーセンサ
ーにおいて、ＰＺＴの応答は、完全に温度及び時間依存性であるので、変調深さ
、Фmを制御することが不可欠である。これは、比較器１８からローパスフィル ター（ＬＰＦ Ｂ）２２に出力を供給することによりなされ、かつそれから、図
１に示されるように、ピエゾエレクトリックサーボ２４に供給される。ローパス
フィルター２２からのD.C.出力は、位相シフト、ФRに一次独立しており、変調 深さにのみ依存する。このように、ピエゾエレクトリックサーボ２４は、このD.
C.電圧が、その目標値に残るようにピエゾエレクトリックドライブ（図示せず）
の値をセットする。
【００１５】 ローパスフィルター１６は、ノイズ低減の重要な機能を果たすということが理解
できるであろう。比較器１８からの矩形信号における非対称は、変調周波数の全
ての奇数高調波からのノイズに略等しく感知する。しかしながら、ローテーショ
ン率信号は、主に、第一及び第三高調波内に存在する。これは、高次高調波をロ
ールオフすることを必要にする。光ファイバーセンサー出力信号をフィルターす
るためのローパスフィルター１６の使用は、ピエゾエレクトリックにおける偏光
変調及び他の擬似変調器効果によって生じたもののような、直角位相に感度を生
じることができ、かつまた、フィルター成分値がドリフトするときメモリ係数の
変化を生じることがある。
【００１６】 光ファイバーセンサー１２におけるホトディテクター（図示せず）の帯域幅が、
光ファイバーセンサー出力信号に存在する種々の意味ある高調波の相対的振幅及
び位相を維持するのに十分に広いとき、そのとき、矩形信号処理は、検出される
べき信号に直角位相で存在するいかなる擬似信号からも独立している出力を生じ
る。しかしながら、ローパスフィルター１６の導入は、種々の高調波の間の相対
位相関係を変化させ、かつ、それによって、直角位相エラーを不所望に感知する
。変調周波数の二倍の好適フィルターロールオフ周波数は、同期復調器の位相セ
ッティングにおける７゜のエラーに等価な直角位相感度を生じるということが示
された。
【００１７】 矩形信号処理を使用する光ファイバーセンサー１２の目盛り係数は、光ファイバ
ーセンサー出力信号に存在する種々の高調波に対するエレクトロニクスの応答間
の関係に依存する。ローパスフィルター１６が、気づかずに変化するとき、エラ
ーが、ピエゾエレクトリックサーボ２４と、比較器１８からの矩形信号の目盛り
係数応答の両方において生じる。幸運にも、これら２つのエラーが、ローパスフ
ィルター１６の安定性に対する全要求が重要なものにならないように幾分自己補
償している。例えば、変調周波数の２倍のフィルターロールオフ周波数及び２．
５ラジアンの変調深さに対して、目盛り係数は、ロールオフ周波数における１％
毎の変化に対して０．１３％だけ変化する。一般的に、フィルターロールオフ周
波数は、変調周波数の１〜５倍の間にすることが望ましい。
【００１８】 開ループ信号処理回路１０のダイナミックレンジ及び本発明のスキームは、ろ波
された光ファイバーセンサー信号のあるゼロ交差が、大きな位相シフトの存在に
おいて、存続を停止するという事実によって制限される。２．５ラジアンの変調
深さ及び上述した変調周波数の２倍のフィルターを使うと、最大検出可能の位相
シフトは、約０．７ラジアンである。１マイクロラジアンよりも十分低い位相シ
フトが、この技術を使って検出可能であるので、このシステムは、有用なダイナ
ミックレンジの６桁の値以上であり、そして、これは非常に多数の応用に対して
適している。
【００１９】 ロックイン増幅器２０によって実行される機能はまた、位相感知ディテクターに
おいてまた実施することができるということを理解できよう。位相感知ディテク
ターは、比較器１８からの矩形信号を受け、かつ、それをサイン波と掛け算して
、積分する。位相感知ディテクターの出力は、測定した信号に比例している。
【００２０】 さらに、ローパスフィルター２２はまた、通常、予め定められた積分時定数を持
つ２つの連結演算増幅器（図示せず）として構成された、二重積分器回路によっ
て実施することができる。
【００２１】 実際には、本発明は、ノイズを除去するためにセンサー出力信号を予めフィルタ
ーし、このろ波された信号を矩形化し、そして、（変化する持続期間の２つの矩
形波形を生じる）矩形信号における少なくとも４つのゼロ交差に基づいて、矩形
化信号を同期して復調する。この結果は、ローテーション、電流、磁界、音、圧
力等のある周囲影響によって生じた光ファイバーセンサー内を伝搬する２つの光
波間で生じる位相シフトを示すシステム出力信号である。
【００２２】 本発明は、開ループ光ファイバーセンサー用の新規なローコスト、低要素数復調
スキームを生じる。このスキームは、ノイズ強度を制限した正弦波変調光ファイ
バーセンサー用に最適に得ることができるものの５０％以内である。バイアスド
リフトにおける顕著な低下が、エレクトロニクスによって誘起されるようには見
えなかった。最後に、入力フィルターエラーに対するシステムの感度の計算され
た値に基づいて、１０００ｐｐｍ或いはそれよりも良好な温度補償した目盛り係
数安定性が、この技術を使って容易に達成可能である。
【００２３】 本発明のいくつかの具体例及びその利点を詳細に説明したけれども、変種、変化
、代換え、変形、修正、及び変更が、本発明の教示、特許請求の範囲に表されて
いる本発明の精神及び範囲から離れることなく、可能であるということを理解す
べきである。
【図面の簡単な説明】
本発明のより良い理解のために、添付図面を参照することができる。
【図１】 本発明の一具体例に従う光ファイバー・インターフェロメトリック・センサー
用の、開ループ信号処理回路及び方法の簡単化されたブロック図である。
【図２】 本発明の教示に従い比較器回路の典型的出力を示す図である。
【図３】 本発明の教示に従いロックイン増幅器回路の一具体例のより詳細な図である。

Claims (26)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 光ファイバーセンサー出力信号からのd.c.成分を除去するの
    に適した光ファイバーセンサーに結合されたd.c.ブロックと、 該d.c.ブロックに結合され、かつ光ファイバーセンサー出力信号におけるノイズ
    を減少させて、ろ波された信号を発生するのに適したローパスフィルターと、 該ろ波信号におけるゼロ交差を示す矩形信号を発生するのに適したローパスフィ
    ルターに結合された比較器と、 該比較器に結合され、かつ矩形信号に応答して光ファイバーセンサーにおける位
    相シフトを示すシステム出力信号を発生するのに適したロックイン増幅器と、 から成る光ファイバーセンサー用の信号処理回路。
  2. 【請求項２】 前記ロックイン増幅器が、 矩形信号を受け、かつ該矩形信号の第一と第二のシーケンシャル成分の間で区別
    するのに適したスイッチと、 第一の入力に矩形信号の第一のシーケンシャル成分を受け、かつ第二の入力に矩
    形信号の第二のシーケンシャル成分を受け、そして、この第一及び第二のシーケ
    ンシャル成分の間の持続期間の差に応答してシステム出力信号を発生する差動増
    幅器と、 から成る請求項１に記載の信号処理回路。
  3. 【請求項３】 さらに、比較器から矩形信号を受け、かつ光ファイバーセンサ
    ーにおける位相変調器を制御するために使用される変調深さを示す第二のろ波出
    力を発生する第二のローパスフィルターを備える請求項１に記載の信号処理回路
    。
  4. 【請求項４】 前記d.c.ブロックが、キャパシターである請求項１に記載の信
    号処理回路。
  5. 【請求項５】 前記d.c.ブロック及びローパスフィルターが、光ファイバーセ
    ンサー内のホトディテクターと一体化される請求項１に記載の信号処理回路。
  6. 【請求項６】 前記ローパスフィルターが、入力と出力間にキャパシターと抵
    抗器が並列に結合された演算増幅器からなり、かつ前記d.c.ブロックが、該演算
    増幅器の入力に結合されたキャパシターからなる請求項５に記載の信号処理回路
    。
  7. 【請求項７】 前記ローパスフィルターが、光ファイバーセンサーにおける位
    相変調器の変調周波数の略２倍の３ｄＢ周波数を有する請求項１に記載の信号処
    理回路。
  8. 【請求項８】 前記ローパスフィルターが、光ファイバーセンサーにおける位
    相変調器の変調周波数の１〜５倍の間の３ｄＢ周波数を有する請求項１に記載の
    信号処理回路。
  9. 【請求項９】 前記ロックイン増幅器が、サグナック効果による光ファイバー
    センサーにおける位相シフトを示すシステム出力信号を発生する請求項１に記載
    の信号処理回路。
  10. 【請求項１０】 前記ロックイン増幅器が、ファラディ効果による光ファイバ
    ーセンサーにおける位相シフトを示すシステム出力信号を発生する請求項１に記
    載の信号処理回路。
  11. 【請求項１１】 ロックイン増幅器が、磁界によって生じた光ファイバーセン
    サーにおける位相シフトを示すシステム出力信号を発生する請求項１に記載の信
    号処理回路。
  12. 【請求項１２】 検出された信号からd.c.成分を除去し、 出力信号からノイズをローパスフィルターして、ろ波信号を発生し、 該ろ波信号をゼロと比較して、矩形信号を発生し、 該矩形信号を同期復調して、光ファイバー・インターフェロメーターにおける位
    相シフトを示すシステム出力信号を発生する、 各ステップから成る、光ファイバー・インターフェロメーターから検出信号を処
    理する方法。
  13. 【請求項１３】 前記フィルターするステップが、検出信号から高周波数信号
    を取り除くステップから成る請求項１２に記載の方法。
  14. 【請求項１４】 前記フィルターするステップが、検出信号の最初のわずかの
    高調波のみを通過させるステップから成る請求項１２に記載の方法。
  15. 【請求項１５】 前記フィルターするステップが、検出信号の最初の４つの高
    調波のみを通過させるステップから成る請求項９に記載の方法。
  16. 【請求項１６】 前記同期復調ステップが、 矩形信号の２つのシーケンシャル成分を区別し、 該矩形信号の２つのシーケンシャル成分の間で持続期間の差を比較し、 該持続期間の差に応答してシステム出力信号を発生する、 各ステップから成る請求項９に記載の方法。
  17. 【請求項１７】 さらに、矩形化信号をローパスフィルターして、光ファイバ
    ー・インターフェロメーターにおける位相変調器を制御するための変調深さ信号
    を発生するステップを備える請求項１２に記載の方法。
  18. 【請求項１８】 さらに、矩形信号をローパスフィルターして、光ファイバー
    ・インターフェロメーターにおけるピエゾエレクトリック変調器を制御するため
    の変調深さ信号を発生するステップを備える請求項１２に記載の方法。
  19. 【請求項１９】 前記同期復調ステップが、サグナック効果による光ファイバ
    ー・インターフェロメーターにおける位相シフトに応答してシステム出力信号を
    発生するステップから成る請求項１２に記載の方法。
  20. 【請求項２０】 前記同期復調ステップが、ファラディ効果による光ファイバ
    ー・インターフェロメーターにおける位相シフトに応答してシステム出力信号を
    発生するステップから成る請求項１２に記載の方法。
  21. 【請求項２１】 前記同期復調ステップが、磁界によって生じた光ファイバー
    ・インターフェロメーターにおける位相シフトに応答してシステム出力信号を発
    生するステップから成る請求項１２に記載の方法。
  22. 【請求項２２】 ノイズを除去するためにセンサー出力信号をローパスフィル
    ターし、 このろ波された信号におけるゼロ交差に基づいて、ろ波信号から矩形信号を発生
    し、 この矩形信号を同期復調する、 各ステップから成る、光ファイバーセンサー出力信号を処理する方法。
  23. 【請求項２３】 前記矩形信号発生ステップが、 ろ波信号における第一のゼロ交差を検出し、かつそれに応答して、第一の論理状
    態を有する矩形信号を発生し、 ろ波信号における第二のゼロ交差を検出し、かつそれに応答して、第二の論理状
    態に矩形信号を変化させ、そして、この矩形信号が第一の幅を有する第一の矩形
    波形を形成し、 ろ波信号における第三のゼロ交差を検出し、かつそれに応答して、第一の論理状
    態に矩形信号を変化させ、 ろ波信号における第四のゼロ交差を検出し、かつそれに応答して、第二の論理状
    態に矩形信号を変化させ、そして、この矩形信号が第二の幅を有する第二の矩形
    波形を形成する、 各ステップから成る請求項２２に記載の方法。
  24. 【請求項２４】 前記同期復調ステップが、第一及び第二の矩形波形の平均値
    の差を決定するステップから成る請求項２３に記載の方法。
  25. 【請求項２５】 同期復調ステップが、第一及び第二の矩形波形の第一及び第
    二の幅の差を決定するステップから成る請求項２３に記載の方法。
  26. 【請求項２６】 さらに、矩形信号をローパスフィルターして、光ファイバー
    センサーにおけるピエゾエレクトリック変調器を制御するための変調深さ信号を
    発生する請求項２２に記載の方法。
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