JP2011154019A - 同期放射線耐性強化光ファイバジャイロスコープ - Google Patents

Abstract

【課題】同期放射線耐性強化光ファイバジャイロスコープを提供する。
【解決手段】同期光ファイバジャイロスコープ１００は、光源１０２と、光源と光通信する光カプラ１０４と、光カプラと光通信する光学変調器１０６と、光学変調器と光通信する光ファイバコイル１１６とを含む。検出器１１８は、光カプラからの光信号を受け取り、光信号を電気信号に変換する。ループクロージャ信号プロセッサ１２４は、検出器からの電気信号を受け取る第１の入力部を有する。位相ロックループ１３０は、プロセッサの第２の入力部に動作可能に接続される出力部を有する。直接デジタル合成器は位相ロックループの入力部に動作可能に結合され、合成器は位相ロックループに送出される低周波信号を生成する。位相ロックループは、低周波信号を、プロセッサの第２の入力部に送出される高周波信号に変換し、位相ロックループは信号復調と同期する信号変調を行う。
【選択図】図１

Description

連邦政府による資金提供を受けた研究開発の記載

本発明は、空軍研究所（ＡＦＲＬ）によって与えられた契約番号ＦＡ９４５３−０８−Ｃ−０２６３の下で政府の支援により行われた。政府は本発明に一定の権利を有する。

光ファイバコイル中を反対方向に伝搬する電磁波による光ファイバジャイロスコープはコイルを中心とする回転を感知する。そのような光ファイバジャイロスコープはバイアス変調を使用して、回転速度を測定し伝達するためにジャイロスコープのインターフェログラムおよび復調の速度感知部分にバイアスをかける。復調回路と同期するバイアス変調は、最も高いサンプリング効率および最も良好なジャイロスコープ性能を可能にする。同期光ファイバジャイロスコープは、３０ＭＨｚを超える調整可能システムクロックを必要とする。そのようなクロックは、一般に、商用の既製直接デジタル合成器を使用して生成される。

放射線耐性強化高性能光ファイバジャイロスコープは宇宙空間などの厳しい環境における戦略的用途で必要とされる。残念ながら、放射線耐性強化電気構成要素は商用部品ほど速く動作することができず、したがって、放射線耐性強化光ファイバジャイロスコープは非同期で作動する変調／復調回路を必要とし、それにより性能低下がもたらされる。

さらに、放射線耐性強化直接デジタル合成器は、現在、使用可能でなく、デジタルドメインで個別の直接デジタル合成器を生成するのに必要とされる高速放射線耐性強化デジタル／アナログ変換器も使用可能でない。そのため、従来の放射線耐性強化光ファイバジャイロスコープは一般に非同期であり、アナログ／デジタル変換器で信号をサンプリングするのに使用されるシステムクロックと非同期である低周波変調信号を生成するのに低速の個別の直接デジタル合成器が使用される。

同期光ファイバジャイロスコープは、光源と、光源と光通信し、光源からの光信号を受け取るように構成された光カプラと、光カプラと光通信する光学変調器と、光学変調器と光通信する光ファイバコイルと、光カプラからの光信号を受け取り、光信号を電気信号に変換するように構成された検出器とを含む。ループクロージャ信号プロセッサは第１の入力部、第２の入力部、および出力部を有し、ループクロージャ信号プロセッサの第１の入力部は検出器からの電気信号を受け取るように構成される。位相ロックループは入力部および出力部を有し、位相ロックループの出力部はループクロージャ信号プロセッサの第２の入力部に動作可能に接続される。直接デジタル合成器は位相ロックループの入力部に動作可能に結合され、直接デジタル合成器は位相ロックループに送出される低周波信号を生成するように構成される。位相ロックループは、低周波信号を、ループクロージャ信号プロセッサの第２の入力部に送出される高周波信号に変換し、位相ロックループは信号復調と同期する信号変調を行う。光ファイバジャイロスコープの１つまたは複数の構成要素は放射線耐性強化することができる。

図面は本発明の代表的実施形態だけを示し、範囲を限定すると見なされるべきでない。これらの実施形態は参照図面を使用して以下の説明で付加的特定性および詳細と共に記述される。

一実施形態による位相ロックループを用いて実施される光ファイバジャイロスコープのブロック図である。 図１の光ファイバジャイロスコープのシステムクロック動作の例示的タイミング図である。

以下の詳細な説明において、実施形態は、当業者が本発明を実施できるように十分に詳細に説明される。本発明の範囲から逸脱することなく他の実施形態を利用できることが理解されるべきである。したがって、以下の詳細な説明は限定の意味に取られるべきでない。

本発明は、位相ロックループを用いて実施された同期光ファイバジャイロスコープに関する。位相ロックループは同期変調および復調を可能にし、光ファイバジャイロスコープの高性能をもたらす。これにより、厳しい放射線環境での動作用の放射線耐性強化構成要素を用いて光ファイバジャイロスコープを構築することができる。

本光ファイバジャイロスコープは復調サンプリング効率の向上を可能にし、それにより、より低い角度ランダムウォーク（ＡＲＷ）およびより低い速度／角度白色ノイズがもたらされ、一方、バイアス安定性が向上する。ＡＲＷは、光ファイバジャイロスコープ出力のノイズ成分（例えばドリフト）を意味する。高性能光ファイバジャイロスコープでは、ＡＲＷは、主に、回転を感知するのに使用される光の不規則な強度変動に起因する相対強度ノイズ（ＲＩＮ）によって影響を受ける。

動作中、本光ファイバジャイロスコープは、例えば放射線耐性強化された個別の直接デジタル合成器などによって調整可能な低周波信号（正弦波）を生成し、次に、位相ロックループを使用して低周波信号を高周波信号にアップサンプリングし、それにより、さらに、放射線耐性強化することができる。位相ロックループは約３０ＭＨｚを超える信号を出力し、その信号はシステムクロックとして使用され、さらに、システムクロックを使用してサンプリングされる同期低周波変調信号を生成するのに使用される。位相ロックループは、さらに、信号変調と同期する信号復調を行う。

本手法は、デジタルおよびアナログドメイン、または完全デジタルドメインで統合することができる。
図１は、一実施形態による位相ロックループを用いて実施される光ファイバジャイロスコープ（ＦＯＧ）１００を示す。ＦＯＧ１００は、一般に、光源１０２、光カプラ１０４、光学変調器１０６、光ファイバコイル１１６、検出器１１８、ループクロージャ信号プロセッサ１２４、位相ロックループ１３０、および直接デジタル合成器１４４を含む。これらの構成要素の各々はさらに詳細に以下で説明される。

光源１０２は、ＦＯＧ１００を通して電磁波を伝搬させるのに好適な任意の光源とすることができる。例えば、光源１０２はポンプレーザとすることができる。光源１０２は、光ファイバなどの好適な光路を使用して光カプラ１０４と光通信する。光源１０２は光を光カプラ１０４に送出し、光カプラ１０４は送出された光を分割し、さらに、光ファイバまたは他の好適な機構を介して光の一部を光学変調器１０６に送出する。

集積化光学チップとすることができる光学変調器１０６はＹ接合部１０８および１対の導波路１１０、１１２を含む。さらに、光学変調器１０６は導波路１１０、１１２と集積化された複数の光学位相変調器電極１１４を含む。光が光学変調器１０６の内部にあるとき、光はＹ接合部１０８でさらに分割され、導波路１１０、１１２に供給される。導波路１１０中の光は光ファイバコイル１１６に送出され、光ファイバコイル１１６の長さのまわりを右回りに伝搬し、導波路１１２に戻る。同様に、導波路１１２中の光は光ファイバコイル１１６に送出され、光ファイバコイル１１６の長さのまわりを左回りに伝搬し、光カプラ１０６の導波路１１０に戻る。

光ファイバコイル１１６は、一般に、コアのまわりに、および回転が感知される軸を中心として巻かれる。光ファイバコイル１１６は閉じた光路を与え、その中を光は反対方向に伝搬し、最終的に検出器１１８に当たる。感知軸を中心としたある方向の回転により、ある方向に対する光路長の実効的増加が引き起こされ、他方向に対する光路長の減少が引き起こされる。光路長差は、光波間の位相シフト、すなわちサニャック効果として知られる結果を導入する。

光波は、光ファイバコイル１１６から送出され、それぞれの導波路を通過した後、Ｙ接合部１０８で組み合わされ、光カプラ１０４に伝搬する。次に、組み合わされた光波は分割され、検出器１１８に出力される。検出器１１８は、適切なフォトダイオードおよび好適な増幅器などの光検出器、または光波の光信号を電気信号に変換する他の好適な検出器とすることができる。検出器１１８は、検出器１１８に当たる２つの光波の強度に比例する電気信号を出力する。

検出器１１８からの電気信号出力は、増幅器１２０によって増強することができ、アナログ／デジタル変換器（ＡＤＣ）１２２によってデジタル信号に変換される。デジタル信号は、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）または特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）とすることができるループクロージャ信号プロセッサ１２４の第１の入力部に送出される。デジタル／アナログ変換器（ＤＡＣ）１２６はループクロージャ信号プロセッサ１２４の出力部に結合され、アナログ信号を光学変調器１０６に送り戻す。一般に、信号プロセッサ１２４は、２つの測定値の放出強度差をゼロに維持するのに必要とされるフィードバック位相シフトの方に光学変調器１０６を駆動する。したがって、回転速度測定はフィードバック位相から計算し、出力として伝えることができる。

位相ロックループ１３０は、混合器１３２、アキュムレータ１３４、および電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）などの発振器１３６を含む。周波数分周器１３９を含むフィードバックループ１３８は、発振器１３６の第１の出力部を混合器１３２の第１の入力部に動作可能に結合する。発振器１３６の高周波出力は周波数分周器１３９を使用して低周波信号に分周される。この低周波信号は、直接デジタル合成器１４４によって生成された低周波信号に位相ロックおよび周波数ロックされる。発振器１３６の第２の出力部は、位相ロックループ１３０からの正弦波を矩形波に変換するオプションのコンパレータ１４０を通してループクロージャ信号プロセッサ１２４の第２の入力部に動作可能に結合される。ループクロージャ信号プロセッサ１２４が正弦波を受け入れる入力部を備えている場合、コンパレータ１４０は必要とされない。位相ロックループは、容易に使用可能な放射線耐性強化構成要素で構築することができる。

調整可能な低周波信号（正弦波）は個別の直接デジタル合成器１４４によってＦＯＧ１００に供給される。直接デジタル合成器１４４は、温度補償水晶発振器（ＴＣＸＯ）などの安定化されたクロック出力部１５０、クロック出力部１５０に動作可能に結合されたコーデック（コーダ−デコーダ）１５２、およびコーデック１５２の出力部に動作可能に結合されたデジタル／アナログ変換器（ＤＡＣ）１５４を含むことができる。コーデック１５２は一実施形態ではＦＰＧＡに組み込むことができる。楕円型５極低域フィルタなどの低域フィルタ１５６はＤＡＣ１５４の出力部に動作可能に結合される。

動作中、直接デジタル合成器１４４は調整可能な低周波信号を生成し、それは低域フィルタ１５６を通して位相ロックループ１３０の混合器１３２の第２の入力部に通される。低周波信号は、位相ロックループ１３０内で発振器１３６によって生成され、周波数分周器１３９を使用して分周された周波数と混合され、それにより、ループクロージャ信号プロセッサ１２４の第２の入力部に供給される約３０ＭＨｚを超える出力信号が生成される。この出力信号はＦＯＧ１００のシステムクロックとして使用され、さらに、システムクロックを使用してアナログ／デジタル変換器１２２によってサンプリングされる同期低周波変調信号を生成するために使用される。

図２は、本明細書で開示される光ファイバジャイロスコープのシステムクロック動作の例示的タイミング図２００である。タイミング図２００は、デジタル／アナログ変換器１５４の出力（ＤＡＣ ＯＵＴ）、低域フィルタ１５６の出力（ＬＰＦ ＯＵＴ）、周波数分周器１３９の出力（／ｎ ＯＵＴ）、電圧制御水晶発振器１３６の出力（ＶＣＸＯ ＯＵＴ）、およびコンパレータ１４０の出力（ＣＯＭＰ ＯＵＴ）の信号を示す。タイミング図２００は、さらに、アナログ／デジタル変換器１２２のクロック（Ａ２Ｄ ＣＬＯＣＫ）の信号および変調周期（ＭＯＤ ＰＥＲ）を示す。図２に示されるように、変調周期はアナログ／デジタル変換器のクロックに同期される。

本発明はその本質的特徴から逸脱することなく他の特定の形態で具現することができる。説明した実施形態は、あらゆる点で、単に例示であって限定ではないと見なされるべきである。したがって、本発明の範囲は、前述の説明によってではなく添付の特許請求の範囲によって示される。特許請求の範囲の均等物の趣意および範囲内にある変更はすべてその範囲に包含されるべきである。

１００ 光ファイバジャイロスコープ
１０２ 光源
１０４ 光カプラ
１０６ 光学変調器
１０６ 光カプラ
１０８ Ｙ接合部
１１０、１１２ 導波路
１１４ 光学位相変調器電極
１１６ 光ファイバコイル
１１８ 検出器
１２０ 増幅器
１２２ アナログ／デジタル変換器
１２４ ループクロージャ信号プロセッサ
１２６ デジタル／アナログ変換器
１３０ 位相ロックループ
１３２ 混合器
１３４ アキュムレータ
１３６ 電圧制御水晶発振器
１３８ フィードバックループ
１３９ 周波数分周器
１４０ コンパレータ
１４４ 直接デジタル合成器
１５０ クロック出力部
１５２ コーデック
１５４ デジタル／アナログ変換器
１５６ 低域フィルタ

Claims (10)

1. 光源と、
   前記光源と光通信し、前記光源からの光信号を受け取るように構成された光カプラと、
   前記光カプラと光通信する光学変調器と、
   前記光学変調器と光通信する光ファイバコイルと、
   前記光カプラからの光信号を受け取り、前記光信号を電気信号に変換するように構成された検出器と
   第１の入力部、第２の入力部、および出力部を有し、前記第１の入力部は前記検出器からの前記電気信号を受け取るように構成される、ループクロージャ信号プロセッサと、
   入力部および出力部を有し、前記出力部は前記ループクロージャ信号プロセッサの前記第２の入力部に動作可能に接続される、位相ロックループと、
   前記位相ロックループの前記入力部に動作可能に結合され、前記位相ロックループに送出される低周波信号を生成するように構成される、直接デジタル合成器と、
   を含み、
   前記位相ロックループは、前記低周波信号を、前記ループクロージャ信号プロセッサの前記第２の入力部に送出される高周波信号に変換し、信号復調と同期する信号変調を行う、光ファイバジャイロスコープ。
2. 前記光ファイバジャイロスコープの１つまたは複数の構成要素が放射線耐性強化される、請求項１に記載の光ファイバジャイロスコープ。
3. 前記ループクロージャ信号プロセッサは特定用途向け集積回路またはフィールドプログラマブルゲートアレイを含む、請求項１に記載の光ファイバジャイロスコープ。
4. 前記位相ロックループは、
   第１の入力部、第２の入力部、および出力部を有する混合器と、
   入力部および出力部を有し、前記入力部は前記混合器の前記出力部に動作可能に結合される、アキュムレータと、
   入力部、第１の出力部、および第２の出力部を有し、前記発振器の前記入力部は前記アキュムレータの前記出力部に動作可能に結合される、発振器と、
   前記発振器の前記第１の出力部を前記混合器の前記第１の入力部に動作可能に接続する、周波数分周器を含むフィードバックループと、
   を含む、請求項１に記載の光ファイバジャイロスコープ。
5. 前記発振器の前記第２の出力部に結合されたコンパレータをさらに含む、請求項４に記載の光ファイバジャイロスコープ。
6. 前記検出器からの前記電気信号をデジタル信号に変換するように構成されたアナログ／デジタル変換器をさらに含む、請求項１に記載の光ファイバジャイロスコープ。
7. 前記検出器からの前記電気信号は前記デジタル信号に変換される前に増幅器によって増強される、請求項７に記載の光ファイバジャイロスコープ。
8. 前記ループクロージャ信号プロセッサの前記出力部と前記光学変調器の入力部との間に結合されたデジタル／アナログ変換器をさらに含む、請求項１に記載の光ファイバジャイロスコープ。
9. 前記直接デジタル合成器は、
   クロック出力部と、
   前記クロック出力部に動作可能に結合されたコーデックと、
   前記コーデックの出力部に動作可能に結合されたデジタル／アナログ変換器と
   を含む、請求項１に記載の光ファイバジャイロスコープ。
10. 前記直接デジタル合成器の出力部および前記混合器の前記第２の入力部に動作可能に結合された低域フィルタをさらに含む、請求項１に記載の光ファイバジャイロスコープ。

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