JP2011022145A - 干渉型光ファイバジャイロスコープの交互変調方式 - Google Patents

Abstract

【課題】方形波変調のような良性のフロントエンドグリッチパターンを作り出すと同時に、デュアルランプ変調の利益を保持する高い正確度の干渉型光ファイバジャイロスコープ（ＩＦＯＧ）のための変調方式を提供する。
【解決手段】高い正確度の検知のための干渉型光ファイバジャイロ（ＩＦＯＧ）デバイス。一例のＩＦＯＧは、集積光チップ（ＩＯＣ）、及びＩＯＣを通過する１つ又は複数の光信号をバイアス変調波形に従って変調する変調コンポーネントを備える。ＩＦＯＧのフロントエンドコンポーネントで経験されるグリッチパターンは、所定の検知高調波においてほぼゼロ振幅を有する周波数コンテンツを含む。バイアス変調波形の周波数コンテンツは、所定の検知高調波において所定のしきい値未満である。
【選択図】図３

Description

本発明は、干渉型光ファイバジャイロスコープの交互変調方式に関する。

一般に、方形波変調又はデュアルランプ変調（Dual Ramp modulation）の２つの変調方式の一方が高い正確度の干渉型光ファイバジャイロスコープ（ＩＦＯＧ）に使用される。デュアルランプ変調は、ＩＦＯＧの集積光チップ（ＩＯＣ）のＶ_ｐｉ値をサーボすることを可能にする。これによって、非常に正確なスケールファクタが提供される。この変調方式の犠牲としては、この変調方式が、固有周波数第１次高調波コンテンツを有するグリッチパターンをフロントエンドにおいて作り出すということである。これは、ＩＦＯＧに追加のバイアスを導入するという望ましくない影響を有する。方形波変調方式は、主として固有周波数第２次高調波コンテンツを含む良性のグリッチパターンをフロントエンドにおいて提供する。ＩＦＯＧは、この良性のグリッチパターンの影響を受けない。しかしながら、方形波変調は、Ｖ_ｐｉをサーボするための手段を提供していない。

図１−１及び図２−１は、２つの従来技術のバイアス変調波形及びそれらの結果としてのグリッチパターンのプロットである。これらのバイアス変調波形は、高精度ＩＦＯＧアプリケーションで現在使用されている。

図１−２及び図２−２は、図１−１及び図２−１に示すグリッチパターンの周波数コンテンツを示す。方形波変調グリッチパターンは、奇数次固有周波数高調波において周波数スパイクを一切有せず、したがって、（理想的には）フロントエンドサンプリング中、グリッチのピックアップに起因したバイアスをもたらすことはない。デュアルランプ変調グリッチパターンは、実質的な奇数次高調波コンテンツを示し、十分なグリッチマスキングがない状態ではかなりのバイアス誤差をもたらすことになる。

デュアルランプ変調が方形波変調を上回る別の利点は、一定の変調深さが使用されるときに、ＩＯＣ駆動波形にわたって固有周波数コンテンツが減少することである。ここでは、一般に使用される２つの変調深さ（π／２及び３π／４）を調べた。図５−１、図５−２、図６−１、及び図６−２は、π／２の変調深さ及び３π／４の変調深さの場合の周波数コンテンツをそれぞれ示す。図５−１及び図５−２に示すように、π／２の変調深さでは、デュアルランプ変調波形は、方形波変調と同じ第１次高調波固有周波数コンテンツを有する。図６−１及び図６−２に示すように、デュアルランプ変調波形は、ここで、方形波変調の３分の１の第１次高調波固有周波数コンテンツを有する。しかし、本発明は、方形波変調の９分の１の信号レベルを有する。これらの結果、本発明の変調方式が、ＩＯＣ駆動電子機器とフロントエンド電子機器との間の電気結合の観点から、方形波変調及びデュアルランプ変調の双方よりも好都合であることが示される。

本発明は、方形波変調のような良性のフロントエンドグリッチパターンを作り出すと同時に、デュアルランプ変調の利益を保持する高い正確度の干渉型光ファイバジャイロスコープ（ＩＦＯＧ）のための変調方式を提供する。

高い正確度の検知のための干渉型光ファイバジャイロ（ＩＦＯＧ）デバイス。一例のＩＦＯＧは、集積光チップ（ＩＯＣ）、及びＩＯＣを通過する１つ又は複数の光信号をバイアス変調波形に従って変調する変調コンポーネントを備える。ＩＦＯＧのフロントエンドコンポーネントで経験されるグリッチパターンは、所定の検知高調波においてほぼゼロ振幅を有する周波数コンテンツを含む。バイアス変調波形の周波数コンテンツは、所定の検知高調波において所定のしきい値未満である。

本発明は、電気的に結合された信号がそれほど大きな誤差を引き起こさないので、電気的分離の要件の厳しさを低減する。
以下の図面を参照して、本発明の好ましい実施形態及び代替的な実施形態を以下で詳細に説明する。

従来技術の変調方式及びフロントエンドグリッチパターンを示す図である。 図１−１に示すグリッチパターンの周波数コンテンツを示す図である。 従来技術の変調方式及びフロントエンドグリッチパターンを示す図である。 図２−１に示すグリッチパターンの周波数コンテンツを示す図である。 本発明の一実施形態に従って形成された干渉型光ファイバジャイロスコープ（ＩＦＯＧ）である。 図３のＩＦＯＧによって使用される変調方式及びグリッチパターンを示す図である。 図４−１に示されるグリッチパターンの高調波プロットである。 異なるバイアス変調深さにおける図１−１及び図２−１の従来技術の変調方式の場合の周波数コンテンツを示す図である。 異なるバイアス変調深さにおける図１−１及び図２−１の従来技術の変調方式の場合の周波数コンテンツを示す図である。 異なるバイアス変調深さにおける図４−１に示す変調方式に関連した周波数コンテンツを示す図である。 異なるバイアス変調深さにおける図１−１及び図２−１の従来技術の変調方式の場合の周波数コンテンツを示す図である。 異なるバイアス変調深さにおける図１−１及び図２−１の従来技術の変調方式の場合の周波数コンテンツを示す図である。 異なるバイアス変調深さにおける図４−１に示す変調方式に関連した周波数コンテンツを示す図である。

図３は、フロントエンド電子機器において良性のグリッチパターンを作り出し、改善された電気的分離を有する干渉型光ファイバジャイロスコープ（ＩＦＯＧ）１００を示す。ＩＦＯＧ１００は、光源１０２、サーキュレータ／カプラ１０４、光検出器１０６、増幅器１０８、アナログ／デジタル変換器（ＡＤＣ）１１０、フロントエンド電子機器／変調モジュール１３０、デジタル／アナログ変換器（ＤＡＣ）１７０、第２の増幅器１７３、並びに集積光チップ（ＩＯＣ）１４２及び光ファイバループ１４４を含む。光源１０２は、光波をサーキュレータ／カプラ１０４へ送信する。ＩＯＣ１４２は、サーキュレータ／カプラ１０４から光波を受信し、フロントエンド電子機器／変調モジュール１３０により生成されてＤＡＣ１７０及び第２の増幅器１７３を介した変調方式に基づいて、モジュラーコンポーネント１４６で光波を変調する。変調された光波は、光ファイバループ１４４を時計回り（ＣＷ）方向及び半時計回り（ＣＣＷ）方向に回る。ＣＷ光波及びＣＣＷ光波は、光ファイバループ１４４から返されて、ＩＯＣ１４２により結合され、その後、サーキュレータ／カプラ１０４へ送信される。結合されたＣＷ光波及びＣＣＷ光波は、サーキュレータ／カプラ１０４によって光検出器１０６に渡される。光検出器１０６は、検知電圧（又は電流）値を生成する。この検知電圧（又は電流）値は、第１の増幅器１０８によって増幅され、ＡＣＤ１１０においてデジタル信号に変換され、フロントエンド電子機器／変調モジュール１３０へ送信される。モジュール１３０は、このデジタル信号を復調し、この復調された信号に基づいて出力信号を生成し、サーボされたＶ_ｐｉ値及び変調深さに基づいて変調信号を生成する。この変調信号は、Ｖ_ｐｉが変化するにつれてその振幅が変化する点を除いて同じままである。

駆動信号は、角速度の影響をキャンセルし、したがって、ジャイロスコープが経験する速度が変化するにつれて変化する。出力信号は、データ出力デバイス１７４へ送信される。

変調モジュール１３０によって作り出された変調方式は、検出されている信号に対して良性である、変調モジュール１３０の入力で見えるグリッチパターンを提供する。グリッチパターンは、光検出器１０６の出力で経験され、そこから、グリッチパターンは、ＡＤＣ１００の入力へ伝播する。換言すれば、フロントエンド電子機器／変調モジュール１３０で経験されるグリッチパターンは、光検出器１０６によって検知される光波の高調波成分と衝突しない高調波コンテンツを有する。また、本変調方式によって、変調深さ誤差（Ｖ_ｐｉ）をサーボすることが可能になり、これによって、非常に正確なスケールファクタが提供される。Ｖ_ｐｉは、ＩＯＣ変調コンポーネント上で、コイルループ１４４の２つの逆伝播光波間のπラジアン（１８０°）の位相シフトを作成するのに必要とされる電圧である。スケールファクタは、ＡＤＣ１１０から変調モジュール１３０によって受信された測定信号を角度又は速度に変換するのに使用される定数である。

図４−１は、変調モジュール１３０によって生成される一例のバイアス変調波形１９０を示す。バイアス変調波形１９０の下には、フロントエンド電子機器／変調モジュール１３０で経験されるグリッチパターン１９２が示されている。Ｖ_ｐｉをサーボするには、バイアス波形は、θ_ｍ、２π−θ_ｍ、−θ_ｍ、及び−２π＋θ_ｍ（ここで、θ_ｍ＝変調深さ）の少なくとも４つの状態を有しなければならない。πは、ＩＯＣ１４２における位相シフト電圧値Ｖ_ｐｉである。

バイアス変調波形の固有周波数奇数次高調波コンテンツは、π／３〜５π／６の変調深さの範囲にわたって方形波変調及びデュアルランプ変調（従来技術）双方の固有周波数奇数次高調波コンテンツを下回っており、それによって、他のコンポーネントとの電気的結合が低減される。

良性のグリッチパターンを作り出すために、パターンは、固有周波数の奇数次高調波のおける周波数コンテンツを含まない。他の変調方式は、それら変調方式が、検知周波数成分と一致する高調波成分をほとんど有しないか又は全く有しないグリッチパターンを有するという条件で、使用することができる。

図４−２は、グリッチパターン１９２の周波数コンテンツ信号２００を示す。グリッチパターン１９２の周波数コンテンツ信号２００は、ＩＦＯＧ１００の検知高調波に対応する奇数次高調波においてゼロ振幅を有する固有周波数高調波を有する。図４−２に示される結果を作り出すのに使用されたバイアス変調波形１９０のバイアス変調深さは、π／２である。

図５−３は、従来技術の変調方式（図５−１及び図５−２）の奇数次高調波の信号レベルよりも３倍低い奇数次高調波の信号レベルを有するπ／２のバイアス変調深さにおけるバイアス変調波形１９０の周波数コンテンツ信号を示す。

図６−３は、デュアルランプ変調方式（図６−２）の奇数次高調波の信号レベルの９分の１の奇数次高調波の信号レベル、及び方形波変調方式（図６−１）の奇数次高調波の信号レベルの３分の１の奇数次高調波の信号レベルを有する３π／４のバイアス変調深さにおけるバイアス変調波形１９０の周波数コンテンツ信号を示す。図５及び図６の結果は、？を示す。

一例のバイアス変調波形１９０又は同等の利益を提供する変調方式を実行するように修正できる一例のＩＦＯＧシステムは、米国特許第７，１６７，２５０号明細書に図示及び説明されている。この米国特許は、参照により本明細書によって援用される。

上に述べたように、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、本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく、多くの変更を行うことができる。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るものではない。それよりも、本発明は、専ら以下の特許請求の範囲を参照することによって判断されるべきである。

Claims (3)

1. フロントエンドコンポーネント（１３０）を有する干渉型光ファイバジャイロ（ＩＦＯＧ）デバイス（１００）であって、
   バイアス変調波形（すなわち、１９０）を生成するように構成される変調コンポーネント（１３０）と、
   通過する１つ又は複数の光信号を、前記生成されたバイアス変調波形（すなわち、１９０）に従って変調するように構成される集積光チップ（ＩＯＣ）（１４２）と
   を備え、
   前記フロントエンドコンポーネント（１３０）で経験されるグリッチパターン（すなわち、１９２）は、所定の検知高調波において実質的にゼロ振幅である周波数コンテンツを有するデバイス。
2. 前記変調コンポーネント（１３０）は、変調深さ誤差（Ｖ_ｐｉ）をサーボするようにさらに構成される請求項１に記載のデバイス。
3. フロントエンドコンポーネント（１３０）を有する干渉型光ファイバジャイロ（ＩＦＯＧ）デバイス（１００）の集積光チップ（ＩＯＣ）（１４２）へ光信号を送信するステップと、
   前記ＩＯＣ（１４２）を通過する前記光信号をバイアス変調波形（すなわち、１９０）に従って変調するステップと、
   変調及びファイバコイル（１４４）を通じた走行後に前記光信号を検知すると、
   前記検知された光信号及び前記バイアス変調波形（すなわち、１９０）に基づいて出力信号を生成するステップであって、前記フロントエンドコンポーネント（１３０）で経験されるグリッチパターン（すなわち、１９２）が、所定の検知高調波において実質的にゼロ振幅である周波数コンテンツを有する、生成するステップと
   を含む方法。

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