JP2007147628A

JP2007147628A - 光ファイバ・ジャイロスコープを校正する方法およびシステム

Info

Publication number: JP2007147628A
Application number: JP2006321069A
Authority: JP
Inventors: Chung-Jen Chen; チュン−イェン・チェン
Original assignee: Honeywell International Inc
Current assignee: Honeywell International Inc
Priority date: 2005-11-29
Filing date: 2006-11-29
Publication date: 2007-06-14
Also published as: US7453576B2; US20070121117A1; EP1790943A2; EP1790943A3

Abstract

【課題】光ファイバ・ジャイロスコープを校正する方法を提供する。
【解決手段】光ファイバ・ジャイロスコープを校正する方法が提供される。第１の光源からの光の第１部分および第２部分は、光ファイバ・ラインを通り、それぞれ、第１の方向および第２の方向に伝搬する。第１の光源からの光の第１部分と第２部分との間の所定の位相シフトを生じさせる第１の電圧が計算される。第２の光源からの光の第１部分および第２部分は、光ファイバ・ラインを通り、それぞれ、第１の方向および第２の方向に伝搬する。第２の光からの光の第１部分と第２部分との間の所定の位相シフトを生じさせる第２の電圧が計算される。次いで、第１の電圧と第２の電圧との間の差が計算される。
【選択図】図１

Description

本発明は、一般に光ファイバ・ジャイロスコープを校正する方法およびシステムに関し、より詳細には、波長が知られている基準光源を使用して光ファイバ・ジャイロスコープを校正する方法およびシステムに関する。

近年、光ファイバ・ジャイロスコープ（ＦＯＧ）は、航空宇宙船などのような様々な対象物の回転および角度の方向を検知するために、いくつもの技術において広く使用されるようになってきた。ＦＯＧは、典型的には、しばしば長さが数キロメートルあり、回転（即ち、検知すべき回転）の軸の周りにコイル状に巻かれる光ファイバを備える。光は、互いに反対の方向にコイル中へ注入されて、光検出器へ送られる。コイルが軸の周りで回転する場合、コイル内の１つの方向に進む光の有効光路長は増大され、その反対方向に進む光の経路長は減少される。

経路長における差は、互いに反対方向に進む光の波の間の位相シフトをもたらし、これはサニャック効果として知られている。その結果、光検出器によって干渉パターンが検出され、それは、ＦＯＧが回転されていることを示す。光検出器からの出力信号は、典型的にはコサイン関数に従う。即ち、出力信号は、２つの波の間の位相差のコサインに依存する。従って、コサイン関数は一様であるため、ゼロ付近の変化率は非常に小さくなり、その結果として、低い回転レートに対しては感度が鈍くなる。感度を改善するために、波はしばしば特定の電圧によって変調されて、ゼロからはずれた位相差を生成するようにする。変調電圧によって生成される実際の位相は、光の位相を１８０°（即ちπラジアン）変化させる電圧Ｖπを基準とする。位相変調器の基準電圧Ｖπは、波長と、温度、湿度、圧力などの環境要因とに依存する。

回転レートに起因するサニャック位相シフトの振幅はＦＯＧの「スケール・ファクタ」を決定し、これは、検出された位相差と、ＦＯＧが経験している実際の回転とを数値的に関係づける。ファイバ感知コイルの長さおよび直径が増大されるほど、スケール・ファクタも増大し、その結果、ＦＯＧは回転に対してより敏感になる。ＦＯＧのスケール・ファクタは、ファイバ感知コイル中を伝搬する光の波長にも依存する。光源における不完全性およびＦＯＧの構成部品における劣化、ならびに環境変数が原因で、使用中の光の正確な波長は知られていない。従って、正確なスケール・ファクタを決定することはできず、従って、ＦＯＧは正確に動作しない。

従って、使用される光の波長および位相変調器の基準電圧Ｖπの環境の寄与を正確に測定することにより、光ファイバ・ジャイロスコープのスケール・ファクタを校正する方法を提供することが望ましい。更に、添付図ならびに前述の技術分野および背景と関連して、後続の詳細な説明および特許請求の範囲を解釈することで、本発明の他の望まれる特徴および特性が明白になるであろう。

光ファイバ・ジャイロスコープを校正する方法が提供される。第１の光源からの光の第１部分および第２部分は、光ファイバ・ラインを介して、それぞれ第１方向および第２方向に伝搬させられる。第１の光源からの光の第１部分と第２部分との間の所定の位相シフトを生ずる第１の電圧が計算される。第２の光源からの光の第１部分および第２部分は、光ファイバ・ラインを介して、それぞれ第１方向および第２方向に伝搬させられる。第２の光源からの光の第１部分と第２部分との間の所定の位相シフトを生ずる第２の電圧が計算される。次いで、第１の電圧と第２の電圧の間の差が計算される。

添付の図面と関連して本発明が以下に説明される。図面では、同様の番号は同様の要素を表す。

以下の詳細な記述は、事実上、単に例示的なものであり、本発明、あるいは本発明の用途および使用法を制限するものではない。更に、前述の技術分野、背景、概要、または以下の詳細な記述の中で提示される、いかなる明示されたまたは暗黙の理論によっても制約される意図はない。図１〜４は、単に例示的なものであり、縮尺通りに描かれていないことにも留意されたい。

図１から図３には、光ファイバ・ジャイロスコープ（ＦＯＧ）を校正する方法およびシステムが示してある。一般に、また以下でより詳細に論じるように、光は、第１の光源から伝搬させられ、２つの部分に分割され、光ファイバ・ラインのコイルを通じて送られ、光の一方の部分はコイルを通じて時計回りに進み、他方の部分は反時計回りに進む。次いで、第１の光源からの光の第１部分と第２部分との間の位相シフトが選択された角度となるようにする、第１の電圧（即ち、合計基準電圧）が計算される。次いで、波長が知られている第２の光源からの光は、第１部分と第２部分とに分割された後に、コイルへ送られる。同様に、第２の光源からの光の第１部分および第２部分は、光ファイバ・ラインを通じて、それぞれ時計回りおよび反時計回りに伝搬させられる。次いで、第２の光源からの光の第１部分と第２部分との間の位相シフトが選択された角度となるようにする、第２の電圧（即ち、校正基準電圧）が計算される。次いで、第１の電圧と第２の電圧との間の差が計算され、その差を用いて、第１の光源からの光の実際の波長と、ＦＯＧについてのスケール・ファクタとが決定される。

図１は、本発明の一実施形態による光ファイバ・ジャイロスコープ・システム１０を示す。システム１０は、光源１２、基準光源１４、光スイッチ１６、光カプラ１８、光検出器２０、感知ループ・アセンブリ２２、処理サブシステム２４、およびシステム１０の様々な構成部品を相互接続する光ファイバ・ライン２６を備える。

光源（即ち、第１の光源）１２は、ファイバ光源（ＦＬＳ）アセンブリなどのような、典型的に光ファイバ・ジャイロスコープで使用される任意の光源である。一実施形態では、光源は、帯域幅が約３５ｎｍで波長が約１５３２ｎｍの光を生成することができるエルビウム・ドープ・ファイバ（ＥＤＦ）を含む、９８０ｎｍの半導体ポンプ・レーザを備える。しかし、以下でより詳細に述べるように、光がシステム１０を通して伝搬するときの光の実際の波長は知られていない。逆に、やはり以下でより詳細に述べるように、基準光源（即ち、第２の光源）１４は、波長が知られている光を生成することができる。それぞれの光源１２および１４が具体的にどのように実装されようとも、生成される光は、光ファイバ・ライン２６を経由して、光スイッチ１６へ送られる。

当技術分野では一般に理解されているように、一実施形態では、光スイッチ１６は、２つの入力および１つの出力を備える２×１光スイッチである。光スイッチ入力は、それぞれ、光源１２および基準光源１４からの光を受け取るように結合される。光スイッチ１６は、光源１２からの光がカプラ１８へ送られるようにする第１の位置と、基準光源１４からの光がカプラ１８へ送られるようにする第２の位置との間で、制御して動かすことができる。

当技術分野では一般に理解されているように、記述された実施形態において、光カプラ１８は、５０／５０カプラ、即ち、スプリッタである。カプラ１８は、光ファイバ・ライン２６を介して、光スイッチ１６の出力、光検出器２０、および感知ループ・アセンブリ２２に結合される。一般に理解されているように、カプラ１８は、その１つの端子（即ち、入力）から光を受け取り、その光を少なくとも２つの他の端子（即ち、出力）へ与えるように分割する。図１に示された例では、カプラ１８を介して光スイッチ１６から送られる光は、２つの「部分」に分割され、一方の部分は感知ループ・アセンブリ２２へ送られ、他方の部分は使用されない。反対方向に進む光（即ち、感知ループ・アセンブリ２２から）は、一方の部分が光スイッチ１６へ返され、他方が光検出器２０へ送られるように、分割される。一般に理解されているように、光検出器２０は、カプラ１８と処理サブシステム２４との間に接続され、フォトダイオードを含む。

感知ループ・アセンブリ２２は、集積光学チップ（ＩＯＣ）２８およびファイバ感知コイル３０を備える。一般に理解されているように、ＩＯＣ２８は電子光学結晶位相変調器（ｅｌｅｃｔｒｏ−ｏｐｔｉｃｃｒｙｓｔａｌｐｈａｓｅｍｏｄｕｌａｔｏｒ）である。ＩＯＣ２８は、光ファイバ・ライン２６および一連の電極３２を介してカプラ１８に接続される「Ｙ」スプリッタを含む。Ｙスプリッタは、光ファイバ・ライン２６をファイバ・コイル３０内の光ファイバ・セグメントへと分割し、電極３２は、カプラ１８から受け取る光信号を変調するために使用される。本発明は、様々なタイプの位相変調器を用いて実施されてもよいが、好ましい一実施形態では、ＩＯＣ２８は、「矩形波」バイアス変調を使用し、ＬｉＮｂＯ_３を使用して製造される。ファイバ感知コイル３０、即ち、ループは、たとえば、長さが１ｋｍから６ｋｍの間の光ファイバ・ケーブルの巻線である。

当業者には理解されるように、処理サブシステム２４は、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）などのような様々な回路および集積回路を含む電子構成部品、および／またはコンピューティング・システムによって実行されるようにコンピュータ読取り可能な媒体に記憶される命令を含んでもよく、後述の方法およびプロセスを実行する。図１に示された実施形態では、処理サブシステム２４は、アナログ・デジタル変換器（ＡＤＣ）３４、マイクロプロセッサ３６、およびデジタル・アナログ変換器（ＤＡＣ）３８を備える。具体的には示されていないが、処理サブシステム２４はいくつかの増幅器を備え得る。適当な信号バッファを提供するために、また、光検出器から受け取る出力信号の総合利得を増大または減少させるために、第１の増幅器が光検出器２０の出力に接続されてもよい。ＡＤＣ３４は、第１の増幅器が含まれる場合はその第１の増幅器か、または光検出器２０の何れかから受け取るアナログ信号を、それを表すデジタル・データに変換し、そのデジタル・データをマイクロプロセッサ３６へ供給する。ＤＡＣ３８、および第２の増幅器が含まれる場合はその第２の増幅器は、マイクロプロセッサ３６の出力へ順次接続される。一般的に知られているように、ＤＡＣ３８は、マイクロプロセッサ３６から供給されるデジタル・データを、それを表すアナログ信号に変換する。第２の増幅器が含まれる場合にはその出力は、感知ループ・アセンブリ２２内のＩＯＣ２８に接続される。マイクロプロセッサ３６は、ＡＤＣ３４とＤＡＣ３８との間に結合され、光スイッチ１６と通信することが好ましい。

動作時に、マイクロプロセッサ３６は、光スイッチ１６の位置を制御して、光源１２または基準光源１４からの光をシステム１０の後続の部分へ供給して、「合計基準電圧」および「校正基準電圧」をそれぞれ決定する。異なった光源が使用されるので、それらの電圧は、光の波を適切に変調するために必要とされる。合計基準電圧と校正基準電圧との間の差が判定され、後述されるように、システム１０のスケール・ファクタを調整するために使用される。

当業者には理解されるように、ＦＯＧのスケール・ファクタ（ＳＦ）は、下記の式で定義することができる。

上記の式で、φは互いに逆方向に伝搬する光波の位相差であり、Ωはコイルの回転レートであり、λは伝搬する光波の波長であり、ｃは光の速度であり、ＬおよびＤは、それぞれ、ファイバ感知コイルの長さおよび直径である。式（１）で明らかなように、スケール・ファクタは、ファイバ感知コイル中を互いに逆方向に伝搬する光波の波長に反比例する。従って、波長における不安定性は、スケール・ファクタの精度に直接に影響を及ぼす。

波長の不安定性、即ち、ドリフトは、光カプラ１８などのような受動的光学構成部品、および光源１２などのような能動的光学構成部品の両方から生じる。なぜなら、それらの構成部品は、環境の変化（即ち、温度、圧力、および湿度）、ならびに劣化に敏感であることがあるためである。更に、光源１２の電源の性能に一貫性がないことが原因で、光源１２は、波長の不安定性を増大させることがある。更に、偏光を解消されたＦＯＧでは、波長分割技法を使用する光のデポラリゼーションは、単一モード（ＳＭ）感知ファイバ・コイルにおける偏光された光がランダムにゆらぐことにより、波長ドリフトを生じさせることもある。この不安定さが、光波を変調するために使用されることになる基準電圧の不確実性につながる。

波長の関数としての基準電圧Ｖπ（即ち、Ｖπの波長感度）は、下記の式で表され得る。

上記の式で、λは伝搬する波の波長であり、ｎ_０は位相変調器の基板の常光線屈折率（ordinary refractive index）であり、γ_３３は電気光学係数であり、ｄは電極距離であり、ｌは位相変調器のチャネル長である。波長感度が原因で、基準電圧Ｖπは、監視され、波長によって誘導されるスケール・ファクタの不正確性を修正するのために使用され得る。しかし、位相変調器の基準電圧の環境に関する感度については、性能が低下するので、ＦＯＧの機器の寿命の期間に対してモデル化することが不可能である。

再度図１を参照すると、光は、光スイッチ１６から、カプラ１８を通じて、ＩＯＣ２８に至る。一般に理解されているように、ＩＯＣ２８は、感知コイル３０内を互いに反対方向に伝搬する波へと光を分割し、光を偏光し、光の位相を変調する。前述のように、一実施形態では、ＩＯＣ２８は、矩形波バイアス変調技法を実施して、ゼロ位相ポイントからシフトさせるようにして、インターフェログラムでの位相感度を増大させる。具体的な用途に応じて、様々な位相ポイントで変調度を選択することができる。例としては、±π／２、±３π／４、±７π／８、および±１５π／１６が含まれる。

位相変調器の基準電圧Ｖπ（即ち、位相変調器が光の位相を１８０度変えるのに必要とされる電圧）は、変調技法によって測定することができる。図２は、Ｖπを測定する１つの方法を示す。±π／２および±３π／２で変調ポイントを提供するために使用される電圧が、実際の位相変調器の基準電圧と一致する場合、光検出器２０によって検出される信号は、円形の点で示される平坦な線である。電圧が位相変調器の基準電圧と一致しない場合、変調パターンを有する信号（即ち、×で示される矩形波）が光検出器２０によって検出されることになる。光検出器の信号の振幅は、ＡＤＣ３４を通過した後にマイクロプロセッサ３６で処理され、更新された基準電圧とともにＤＡＣへ３８へ出力される。適切な帰還利得を有するサーボ動作と同様に、このプロセスは、変調パターンがなくなるまで継続する。

再び図１を参照すると、標準動作時には、光スイッチ１６は、光源１２からの光を感知ループ・アセンブリ２２へ送るように切り替えられる。前述のように、光源１２からの光を使用して、合計基準電圧が決定され、下記の式で表され得る。

上記の式で、デフォルト値Ｖ_π ^０に加えて、Ｖ_π ^ENVは環境の寄与であり、Ｖ_π ^λはＶ_π ^TOTALの波長寄与である。システム１０を校正するために、光スイッチ１６は、マイクロプロセッサ３６によって切り替えられて、基準光源１４からの光が感知ループ・アセンブリ２２へ送られるようにする。基準光源１４からの光は、校正基準電圧を決定するために使用される。基準光源の波長は知られているので、校正基準電圧は、基準電圧のデフォルト値および環境の寄与（即ち、Ｖ_π ⁰＋Ｖ_π ^ENV）のみを含む。

次いで、合計基準電圧から校正基準電圧を引くことにより、波長の寄与Ｖ_π ^λが計算される。次いで、式（２）より、光源１２からの光の実際の波長が決定され、次いで、決定された実際の波長を用いて、式（１）を使用してスケール・ファクタが決定される。

再び図１を参照すると、前述のように、光スイッチ１８を介して動作モードと校正モードとの間で切り替えを行うことにより、システム１０を再校正することができる。校正と校正との間の時間は、システム１０が使用される頻度などのような係数および環境の変化によって、決定され得る。典型的には、環境に関する変数は、数分にも満たない期間で著しく変化することはない。従って、光スイッチ１６は、標準動作の妨げを最小限に抑えるための高速のものである必要はない。光源および／または基準光源からの光を更に変調することにより、校正時の妨げを排除することができることに留意されたい。変調された光源の信号を検出して、それを、マイクロプロセッサ３６においてＶπの寄与を他の光源のものから分離するために使用することができる。

図３は、システム１０についての、約１６時間にわたっての、Ｖπ、ＳＦ、および補償されたＳＦの試験結果をグラフィック的に比較するものである。式（２）に示されるように、ＶπとＳＦとの間には強い相関がある。Ｖπの波長の寄与に基づく補償されたＳＦは、補償されていないＳＦの不正確性の量を示す。

図４は、図１に示されたシステムと類似の、本発明の一つの代替実施形態による光ファイバ・ジャイロスコープ・システム４０を示す。図４に示されるシステム４０は、光源４２、第１のカプラ４４、反射型ファイバ・ブラッグ・グレーティング（ＦｉｂｅｒＢｒａｇｇＧｒａｔｉｎｇ）４６、光スイッチ４８、第２のカプラ５０、光検出器５２、感知ループ・アセンブリ５４、処理サブシステム５６、および様々な構成部品を相互接続する様々な光ファイバ・ライン５８を備える。光源４２、光スイッチ４８、第２のカプラ５０、光検出器５２、および感知ループ・アセンブリ５４は、図１に示す同様の名前がつけられた構成部品と実質上同一でもよいことに留意されたい。従って、感知ループ・アセンブリ５４は、ＩＯＣ６０およびファイバ・コイル６２を含む。

当業者には理解されるように、図４に示された実施形態では、第１のカプラ４４およびファイバ・ブラッグ・グレーティング４６は、図１に示す基準光源１４と代わるものである。一実施形態では、第１のカプラ４４は、光源４２と光スイッチ４８との間に接続された９０／１０カプラである。ファイバ・ブラッグ・グレーティング４６は、第１のカプラ４４の、光源４２と反対の側に接続される。具体的には示されていないが、ファイバ・ブラッグ・グレーティング４６は、屈折率が変わる複数の部分を有する光ファイバ・ラインのセグメントを含む。その結果、このグレーティングは、ほとんどの波長の光を送出するが、ある特定の波長を反射することになる。従って、非常に特定の波長の光のみが、第１のカプラ４４を通り、光スイッチ４８および第２のカプラ５０を通り、感知ループ・アセンブリ５４へ、反射して戻される。前述のように、この知られている波長を使用して、合計基準電圧に対する波長の寄与Ｖ_π ^λを決定し、続いてスケール・ファクタを調整する。

前述の方法およびシステムの１つの利点は、波長の不安定性および環境要因が説明されるので、基準電圧、光の波長、従って、ＦＯＧのスケール・ファクタが正確に決定されることである。従って、ＦＯＧの性能の精度が改善される。他の利点は、前述の基準光源を使用することにより、ＦＯＧを容易に再び校正できることである。

前述の詳細な記述においては、少なくとも１つの例示的な実施形態が提示されてきたが、膨大な数の変形形態が存在することを理解すべきである。この１または複数の例示的な実施形態は例に過ぎず、本発明の範囲、適用範囲、または構成を限定するものではないことも理解すべきである。前述の詳細な記述は、この１または複数の例示的な実施形態を実施するための便利な手引きを当業者に提供する。特許請求の範囲およびその法的な均等物に記載の本発明の範囲から逸脱することなく、それぞれの要素の機能および構成において様々な変更を加えることができることを理解されたい。

図１は、本発明の一実施形態による光ファイバ・ジャイロスコープ・システムの概略図である。図２は、図１のシステム内の光の波の変調を示す図である。図３は、図１のシステムで使用される変調基準電圧、スケール・ファクタ、および補償されたスケール・ファクタを比較する図である。図４は、本発明の一つの代替実施形態による光ファイバ・ジャイロスコープ・システムの概略図である。

Claims

光ファイバ・ジャイロスコープ（１０）を校正する方法であって、
第１の光源（１２）からの光の第１部分および第２部分を光ファイバ・ライン（３０）を通して第１方向および第２方向にそれぞれ伝搬させるステップと、
前記第１の光源（１２）からの前記光の前記第１部分と前記第２部分との間に所定の位相シフトを生じさせる第１電圧を計算するステップと、
第２の光源（１４）からの光の第１部分および第２部分を前記光ファイバ・ライン（３０）を通して前記第１方向および前記第２方向にそれぞれ伝搬させるステップと、
前記第２の光源（１４）からの前記光の前記第１部分と前記第２部分との間に前記所定の位相シフトを生じさせる第２電圧を計算するステップと、
前記第１電圧と前記第２電圧との間の差を計算するステップと
を備える方法。
光ファイバ・ジャイロスコープ（１０）を校正する方法であって、
第１の光源（１２）からの光の第１部分および第２部分を光ファイバ・ライン（３０）を通して第１方向および第２方向にそれぞれ伝搬させるステップと、
前記第１の光源（１２）からの前記光の前記第１部分および前記第２部分を光検出器（２０）へ送るステップと、
前記光検出器（２０）において、前記第１の光源（１２）からの前記光の前記第１部分と前記第２部分との間に所定の位相シフトを生じさせる第１電圧を計算するステップと、
第２の光源（１４）からの光の第１部分および第２部分を前記光ファイバ・ライン（３０）を通して前記第１方向および前記第２方向にそれぞれ伝搬させるステップと、
前記第２の光源（１４）からの前記光の前記第１部分および前記第２部分を前記光検出器（２０）へ送るステップと、
前記光検出器（２０）において、前記第２の光源（１４）からの前記光の前記第１部分と前記第２部分との間に前記所定の位相シフトを生じさせる第２電圧を計算するステップと、
前記第１電圧と前記第２電圧との間の差を計算するステップと、
前記第１電圧と前記第２電圧との間の前記差を用いて、光ファイバ・ジャイロスコープ（１０）に対するスケール・ファクタを計算するステップと
を備える方法。
光ファイバ・ジャイロスコープ（１０）であって、
光を受け取り、受け取った前記光の第１部分と第２部分とを互いに反対方向に伝搬させるように構成された、光ファイバ感知コイル（３０）と、
光を供給するように動作する第１光源（１２）と、
光を供給するように動作する第２光源（１４）と、
前記第１光源および第２光源（１２、１４）と、前記感知コイル（３０）との間に光学的に結合され、前記第１光源（１２）からの光が前記感知コイル（３０）へ供給されるようにする第１位置と、前記第２光源（１４）からの光が前記感知コイル（３０）へ供給されるようにする第２位置との間で動かすことができるスイッチ（１６）と、
前記スイッチ（１６）と通信し、前記第１位置と前記第２位置との間で前記スイッチ（１６）を切り替えるように構成されるプロセッサ（３６）であって、それにより、前記第１光源および前記第２光源（１２、１４）からの光の第１部分および第２部分が、それぞれ、前記感知コイル（３０）を通して互いに反対方向に伝搬するようにし、かつ、前記第１光源（１２）からの前記光の前記第１部分と前記第２部分との間に所定の位相シフトを生じさせる第１の電圧と、前記第２光源（１４）からの前記光の前記第１部分と前記第２部分との間に前記所定の位相シフトを生じさせる第２の電圧と、前記第１電圧と前記第２電圧との間の差とを求めるように構成されたプロセッサ（３６）と
を備える光ファイバ・ジャイロスコープ。