JP2009216699A - 光ファイバジャイロスコープの角度ランダムウォークをモニタするための方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光ファイバジャイロスコープのＡＲＷをモニタする方法及び装置を提供する。
【解決手段】光ファイバジャイロスコープ（ＦＯＧ）に関連付けられる角度ランダムウォーク（ＡＲＷ）のレベルを決定するシステムは第１及び第２のフォトダイオード１１５、１３５を備える。第１のフォトダイオード１１５はＦＯＧに関連する光源１０５から第１の光信号を受信する。第２のフォトダイオード１３５はＦＯＧに関連する光ファイバコイルから第２の光信号を受信する。第１及び第２のアナログ／デジタルコンバータ（ＡＤＣ）１４０は第１及び第２の光信号をそれぞれ対応する第１及び第２のデジタル信号に変換する。デジタル相対強度雑音（ＲＩＮ）減算素子１５０は第１及び第２のデジタル信号を受信し、第１及び第２のデジタル信号に基づいて第３の信号を出力する。電子デバイスは第３の信号に関連する第１の雑音レベルを決定して該第１の雑音レベルからＡＲＷレベルを決定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、光ファイバジャイロスコープの角度ランダムウォークをモニタするための方法及び装置に関する。
［連邦政府によって支援される研究又は開発に関する記載］
本発明は、合衆国海軍によって与えられる補助金交付番号Ｎ０００３０−０５−Ｃ−００６３の下で合衆国政府からの支援によって行なわれた。合衆国政府は本発明において一定の権利を有する。

光ファイバジャイロスコープ（ＦＯＧ）は、光の干渉を利用して、角速度を測定する。ＦＯＧは、光ファイバの大きなコイルから成る。回転を測定するために、２つの光ビームが、互いに反対の方向からコイルの中に照射される。センサが回転を受けている場合には、回転の方向に進行しているビームは、回転に逆らって進行しているビームよりも、ファイバの他端に達するまでの光路が長くなる。これは、サニャック効果として知られている。ビームがファイバから出るとき、それらのビームは合成され、サニャック効果に起因して導入される位相シフトによって、ビームが干渉し、その結果として、強度が角速度に依存する合成ビームが生成される。

角度ランダムウォーク（ＡＲＷ）は、ＦＯＧの重要な性能パラメータのうちの１つである。ＡＲＷは、ランダムな測定雑音であり、最終的に、ＦＯＧの精度を制限し、航行誤差につながる。ジャイロスコープのＡＲＷは、製造業者によって指定することができるが、障害、経年変化又は他の原因に起因して、時間と共に劣化することがある。

一つの実施例では、ＦＯＧに関連付けられるＡＲＷのレベルを決定するためのシステムは、第１のフォトダイオード及び第２のフォトダイオードを備える。第１のフォトダイオードは、ＦＯＧに関連付けられる光源から第１の光信号を受信するように構成される。第２のフォトダイオードは、ＦＯＧに関連付けられる光ファイバコイルから第２の光信号を受信するように構成される。第１のアナログ／デジタルコンバータ（ＡＤＣ）及び第２のアナログ／デジタルコンバータ（ＡＤＣ）はそれぞれ、第１の光信号及び第２の光信号を、それぞれ対応する第１のデジタル信号及び第２のデジタル信号に変換するように動作することができる。デジタル相対強度雑音（ＲＩＮ）減算素子（subtraction element）が、第１のデジタル信号及び第２のデジタル信号を受信すると共に、当該第１のデジタル信号及び当該第２のデジタル信号に基づいて第３の信号を出力するように構成され、これによって、ＩＦＯＧ出力において雑音を低減するための役割を果たすことができる。電子デバイスが、第３の信号に関連付けられる第１の雑音レベルを決定すると共に、当該第１の雑音レベルからＡＲＷレベルを決定するように構成される。

本発明の好ましい実施形態及び代替的な実施形態が、以下の図面を参照しながら以下に詳細に説明される。

本発明の一実施形態による原理を示す機能ブロック図である。 本発明の一実施形態による信号解析のグラフである。 本発明の代替的な実施形態による原理を示す機能ブロック図である。

これ以降にさらに十分に説明されるように、図１を参照すると最もわかりやすく例示されるような一実施形態によるシステム及び方法は、ＦＯＧのバイアス変調の１／２の間に収集される高速フォトダイオードデータを用いる。この方法は、たとえば、実効値（ＲＭＳ）、ａｖｇ（ａｂｓ（））、又はピーク・ツー・ピークのような雑音推定技法を用いて、データ上の雑音を測定することを含み、そのような雑音をＡＲＷの代理指標（proxy）として用いる。雑音が「白色雑音」であると仮定すると、比例関係があり、その関係は雑音モニタ対出力帯域の相対的な帯域幅によって与えられる。

図３を参照すると最もわかりやすく例示されるような一実施形態による代替的なシステム及び方法は、復調器の出力において、低速データを用いる。復調された信号は、ローパスフィルタ処理され、ＦＯＧ出力を生成するためにダウンサンプリングされてもよい。フィルタによって除去されるＲＭＳ雑音エネルギーは、ＡＲＷの代理指標として処理することができる。雑音が「白色雑音」であると仮定すると、比例関係が計算され、その関係は雑音モニタ対出力帯域の相対的な帯域幅によって与えられる。

図１は、本発明の一実施形態の原理を利用するＦＯＧシステム１００を示す。光源１０５が結合器１１０に光信号又はビームを与え、結合器１１０は、ビームの一部を検出器１２０の相対強度雑音（ＲＩＮ）フォトダイオード１１５に向けて誘導し直すための役割を果たすことができる。ビームの残りの部分は、サーキュレータ素子１３０を介して、センシングループアセンブリ１２５に供給することができ、サーキュレータ素子１３０はさらに、検出器１２０のシステムフォトダイオード１３５に結合される。

検出器１２０は、ＲＩＮフォトダイオード１１５及びシステムフォトダイオード１３５から光信号を受信するように構成される少なくとも１つのアナログ／デジタルコンバータ（ＡＤＣ）１４０をさらに含む。ＡＤＣ１４０の出力は処理デバイスに向けられ、例示される実施形態では、処理デバイスはフィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）１４５を含む。一実施形態では、ＦＰＧＡ１４５は、デジタルＲＩＮ減算素子１５０及びループ閉鎖処理素子１５５を含む。

本発明の一実施形態は、ＲＩＮフォトダイオード及びシステムフォトダイオードＡＤＣ１４０によって生成される高サンプリングレートデータ、及び２つの差から導出されるデジタルＲＩＮ減算（ＤＲＳ）信号を利用する。したがって、図１に示される実施形態では、ＲＩＮ雑音モニタリング位置１６０、レート雑音モニタリング位置１６５、及び／又はＤＲＳ雑音モニタリング位置１７０からデータをサンプリングして、システム１００内に存在するＡＲＷレベルを決定することができる。そのようにしてレベルを決定することは、システム１００の内部又は外部に含まれるプロセッサ（図示せず）によって、又はＦＰＧＡ１４５の処理素子（図示せず）によって行なうことができる。ＤＲＳ雑音モニタリング位置１７０は、最終的な回転計算に最も近く、それゆえ最良のＡＲＷ推定値を提供することができるため、選択する上で好都合の位置である。しかしながら、レート雑音モニタリング位置１６５及びＲＩＮ雑音モニタリング位置１６０も、雑音問題を分離するために選択する上で好都合である。

図１に示される高速ＡＲＷモニタリング手法は、方形波で変調されたフォトダイオード信号の１／２サイクル内のＲＭＳ雑音を測定する。一実施形態では、図２に示されるように、システムフォトダイオード信号内で、フォトダイオード信号は、４０メガサンプル／秒（Ｍｓｐｓ）でデジタル化される。グリッチが終わると、フォトダイオード信号は、確率的雑音を除いて、基本的に平坦である。モニタ（たとえば、レート雑音モニタリング位置１６５）は、グリッチ後の信号の平坦な部分におけるＲＭＳ雑音を測定する。図２は、１本の線に対する直線の当てはめに依存する測定を示す。代替的な手法は、当てはめの代わりに、ハイパスフィルタを利用して、任意のオフセット又は低速傾向から雑音を分離する。

図３は、一実施形態によるＡＲＷ決定のための代替的な手法を示す。ループ閉鎖処理素子１５５は、レート復調器３１０及びレート累算器３１５を含んでもよく、これらはデジタルＲＩＮ減算素子１５０からデジタル信号を受信する。したがって、図３に示される実施形態では、レート復調器３１０及びレート累算器３１５の下流にある「Ω残留雑音」モニタリング位置３２０からのデータをサンプリングして、システム１００内に存在するＡＲＷレベルを決定することができる。そのようにしてレベルを決定することは、システム１００の内部又は外部に含まれるプロセッサ（図示せず）によって、又はＦＰＧＡ１４５の処理素子（図示せず）によって行なうことができる。Ω残留雑音モニタリング位置３２０によってサンプリングされた信号は、ＡＲＷの代理指標であり、これは、ジャイロが内部で、たとえばバイアス変調周波数２０ｋｓｐｓほどの高い周波数において回転を測定し、その後、その測定値をフィルタリングし、出力サンプリングレート、たとえば、１０２４ｓｐｓにダウンサンプリングするという事実に依ることができる。たとえば、ローパスフィルタ３２５によってフィルタ除去されたエネルギーは、以下の仮定に基づいて、ＡＲＷの代理指標としての役割を果たすことができる。

・出力周波数と、変調周波数の１／２との間の「中間」帯域内のエネルギーも、ジャイロ出力帯域内の雑音のような或る兆候をもつ。
・ＡＲＷ、さらに正確に言うと、ＡＲＷへの支配的な寄与は、低速モニタがＡＲＷの測定値としての役割を果たすことができるようにする「中間」帯域において測定されるエネルギーに比例するものと仮定される。

・雑音が白色雑音である場合には、その釣り合いは、ジャイロ出力及び雑音モニタの相対的な帯域幅によって決定される。
・モニタ帯域内に上記の仮定に反する既知の干渉源が存在する場合には、そのような仮定に十分な有効性を与えるために、さらなるフィルタリングが必要とされることがある。

一実施形態では、レート雑音モニタリング位置１６５及びΩ残留雑音モニタリング位置３２０を用いて、システムフォトダイオード１３５を介して受信される信号のみを処理し、データをサンプリングすることによって、ＡＲＷを決定する。他の実施形態でも、ＲＩＮ雑音モニタリング位置１６０及びＤＲＳ雑音モニタリング位置１７０を用いて、ＲＩＮフォトダイオード１１５を介して受信される信号を処理し、データをサンプリングすることによってＡＲＷを決定する。

一実施形態では、ＡＲＷに対する影響を必ずしも定量化することなく、本発明における雑音モニタのうちの１つ又は複数を状態インジケータ（健全指標、health indicator）として用いることができる。名目値を超える過度の雑音は、不調の（unhealthy）ジャイロを示す。

本明細書において説明される実施形態は、雑音モニタの測定帯域内のいくつかの部分帯域（サブバンド）を測定することによって改良することができる。各部分帯域内の相対的なエネルギーを用いて、正常なＦＯＧの場合に雑音が適切な分布を有することが検証される。たとえば、白色雑音を、正常なＦＯＧのための判定基準として用いることができる。これは、各部分帯域内の雑音エネルギーが部分帯域の幅に概ね比例することを検証することによって確認される。代替的に、異なる部分帯域からＡＲＷへの別個の寄与を定義することができる。

本発明の好ましい実施形態が図示及び説明されてきたが、上述されたように、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、多くの変更を加えることができる。したがって、本発明の範囲は、好ましい実施形態の開示によって限定されない。代わりに、本発明は全体として、以下の特許請求の範囲を参照することによって確定されるべきである。

独占的な所有権又は独占権が請求される本発明の実施形態は、添付の特許請求の範囲によって定められる。

Claims (3)

1. 光ファイバジャイロスコープ（ＦＯＧ）に関連付けられる角度ランダムウォーク（ＡＲＷ）のレベルを決定するためのシステムであって、
   第１のフォトダイオード（１１５）及び第２のフォトダイオード（１３５）であって、該第１のフォトダイオード（１１５）は前記ＦＯＧに関連付けられる光源（１０５）から第１の光信号を受信するように構成され、該第２のフォトダイオード（１３５）は、前記ＦＯＧに関連付けられる光ファイバコイルから第２の光信号を受信するように構成される、第１のフォトダイオード及び第２のフォトダイオードと、
   前記第１の光信号及び前記第２の光信号を、それぞれ対応する第１のデジタル信号及び第２のデジタル信号に変換するように動作することができる、少なくとも１つのアナログ／デジタルコンバータ（ＡＤＣ）（１４０）と、
   前記第１のデジタル信号及び前記第２のデジタル信号を受信すると共に、該第１のデジタル信号及び該第２のデジタル信号に基づいて第３の信号を出力するように構成される、デジタル相対強度雑音（ＲＩＮ）減算素子（１５０）と、
   前記減算素子に信号伝達可能に接続される電子デバイスであって、前記第３の信号に関連付けられる第１の雑音レベルを決定すると共に、該第１の雑音レベルからＡＲＷレベルを決定するように構成される、電子デバイスと、
   を備えるシステム。
2. 前記電子デバイスはさらに、前記少なくとも１つのＡＤＣ（１４０）のうちの第１のＡＤＣに結合され、前記第１のデジタル信号に関連付けられる第２の雑音レベルを決定すると共に、該第２の雑音レベルから前記ＡＲＷレベルを決定するように構成される、請求項１に記載のシステム。
3. 光ファイバジャイロスコープ（ＦＯＧ）に関連付けられる角度ランダムウォーク（ＡＲＷ）のレベルを決定するためのシステムであって、
   第１のフォトダイオード（１１５）及び第２のフォトダイオード（１３５）であって、該第１のフォトダイオード（１１５）は前記ＦＯＧに関連付けられる光源（１０５）から第１の光信号を受信するように構成され、該第２のフォトダイオード（１３５）は、前記ＦＯＧに関連付けられる光ファイバコイルから第２の光信号を受信するように構成される、第１のフォトダイオード及び第２のフォトダイオードと、
   前記第１の光信号及び前記第２の光信号を、それぞれ対応する第１のデジタル信号及び第２のデジタル信号に変換するように動作することができる、少なくとも１つのアナログ／デジタルコンバータ（ＡＤＣ）（１４０）と、
   前記第１のデジタル信号及び前記第２のデジタル信号を受信すると共に、該第１のデジタル信号及び該第２のデジタル信号に基づいて第３の信号を出力するように構成される、デジタル相対強度雑音（ＲＩＮ）減算素子（１５０）と、
   前記第３の信号を受信すると共に、該第３の信号に基づいて第４の信号を出力するように構成される、レート復調器素子（３１０）と、
   前記第４の信号を受信すると共に、該第４の信号に基づいて第５の信号を出力するように構成される、レート累算器素子（３１５）と、
   前記レート累算器素子に信号伝達可能に接続される電子デバイスであって、前記第５の信号に関連付けられる第１の雑音レベルを決定すると共に、該第１の雑音レベルからＡＲＷレベルを決定するように構成される、電子デバイスと、
   を備える、光ファイバジャイロスコープに関連付けられる角度ランダムウォークのレベルを決定するためのシステム。

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