JP2016085213A - 干渉型光ファイバージャイロのためのジャイロ率の計算 - Google Patents

Abstract

【課題】干渉型光ファイバージャイロ（ＩＦＯＧ）の継時的に生じたドリフトに関する誤差を修正するための、倍率再調整の方法とシステムを提供する。【解決手段】始めに第１の光周波数で、その後、異なる第２の光周波数で、ファイバー光源１２０から光入力を干渉型光ファイバージャイロ（ＩＦＯＧ）１１０に供給し、第１の光周波数及び第２の光周波数での光入力に対するＩＦＯＧ１１０の応答における差異を検出し。ジャイロ率を差異及び補正項の関数として計算する。【選択図】図１

Description

干渉型光ファイバージャイロ（ＩＦＯＧ）の動作の間に、時を経て、ドリフトに関する誤差が生じ得る。ドリフトに関する誤差を修正するために、ＩＦＯＧの倍率が再調整され得る。

動作の間に、ＩＦＯＧの性能を劣化させるイベントが生じ得る。例えば、イベントは、ＩＦＯＧの光ファイバーコイルが暗くなることをもたらす。そのような劣化を埋め合わせるために、ＩＦＯＧの倍率が再調整され得る。

本明細書の実施形態によれば、方法は、第１の周波数で、その後、異なる第２の周波数で、光入力を干渉型光ファイバージャイロ（ＩＦＯＧ）に供給すること、第１の周波数及び第２の周波数での光入力に対するＩＦＯＧの応答における差異を検出すること、及びジャイロ率を差異及び補正項の関数として計算することを含む。

本明細書の別の実施形態によれば、システムは、干渉型光ファイバージャイロ（ＩＦＯＧ）、第１の周波数で、その後、異なる第２の周波数で、光入力をＩＦＯＧに供給するための光ファイバー光源、第１の周波数及び第２の周波数での光入力に対するＩＦＯＧの応答を検出するための光検出器、及びジャイロ率を応答の差異及び補正項の関数として計算するためのプロセッサを備える。

本明細書の別の実施形態によれば、干渉型光ファイバージャイロ（ＩＦＯＧ）のための方法は、既知の率をＩＦＯＧに適用し、かつ第１の周波数及び第２の周波数での光入力に対するＩＦＯＧの倍率を決定すること、第１の周波数でＩＦＯＧに光入力を提供し、かつＩＦＯＧの第１の応答を検出すること、光入力を第２の周波数にスイッチングし、かつＩＦＯＧの第２の応答を検出すること、並びに第１の応答と第２の応答との間の差異、既知の率、及び倍率を使用して、ＩＦＯＧの補正項を決定することを含む。補正項は、第１のＩＦＯＧの応答及び第２のＩＦＯＧの応答における時間依存性の誤差の合計を表す。

これらの特徴および機能は、種々の実施形態において単独で達成することも、他の実施形態において組み合わせることもできる。実施形態のさらなる詳細は、下記の説明及び図面を参照することによって理解することができる。

干渉型光ファイバージャイロを含んだシステムの図である。 渉型光ファイバージャイロにおけるジャイロ率を計算する方法の図である。 干渉型光ファイバージャイロの動作の間の時間依存性の誤差を推定する方法の図である。

図１を参照すると、干渉型光ファイバージャイロシステム１００は、干渉型光ファイバージャイロ（ＩＦＯＧ）１１０を含む。ＩＦＯＧ１１０は、光ファイバー検出コイル１１２、ビームスプリッティング光学素子１１４、及びカプラー１１６を含み得る。システム１００は、ファイバー光源１２０を更に含み得、ファイバー光源１２０は、ＩＦＯＧ１１０に光入力を提供する。ビームスプリッティング光学素子１１４は、光入力を、検出コイル１１２を介して反対の方向に伝播する２つの光ビームへ分割する。入射点への復帰において、これらの２つの逆伝播光ビームは、検出コイル１１２を出て、ビームスプリッティング光学素子１１４によって再組み合わせされ、かつ干渉を受ける。検出コイル１１２の軸の周りの回転が存在する場合に、２つの出て行くビームの相対位相、及び、それ故、それらの干渉縞の位置は、回転の角速度に従ってシフトされる。これは、サニャック位相シフト（ａ Ｓａｇｎａｃ ｐｈａｓｅ ｓｈｉｆｔ）として知られる。サニャック位相シフト（Φ）は、Φ＝２πＬＤ／λｃ・Ωとして表され、ここで、Ｌ及びＤは、検出コイルの１１２の長さ及び直径であり、λは真空中の光源光の平均波長であり、かつΩはジャイロ率である。

システム１００は、サニャック位相シフトを検出するための光検出器１３０を更に含む。光検出器１３０は、光度と共に変化する誘導電圧を有する。光検出器１３０の出力信号（例えば、誘導電圧）は、典型的には、検出コイル１１２を出て行く２つのビーム間の位相変化のコサインに従う。

ファイバー光源１２０は、ＩＦＯＧ１１０に対して第１の周波数で光入力を提供し、その後、第２の周波数にスイッチングするように構成される。例えば、ファイバー光源１２０は、第１の周波数で光を提供するための第１の光源、第２の周波数で光を提供するための第２の光源、及び第１の光源と第２の光源との間で光入力をスイッチングするための光スイッチを含み得る。光検出器１３０は、２つの異なる位相シフト（ＩＦＯＧの応答）を検出する。

システム１００は、光検出器１３０の出力に応答してジャイロ率を計算するためのプロセッサ１４０を更に含む。プロセッサ１４０は、また、第１の周波数と第２の周波数との間で光入力をスイッチングするようにファイバー光源１２０に指示命令し得る。

付加的に図２を参照すると、図２は、システム１００を使用してジャイロ率を感知する方法を示す。ブロック２１０で、ファイバー光源１２０は、第１の周波数で光入力をＩＦＯＧ１１０に供給し、その後、異なる第２の周波数にスイッチングする。２つの異なるサニャック位相シフトが生み出される。光検出器１３０は、ＩＦＯＧ１１０のこれらの第１の応答及び第２の応答を検出する。

ブロック２２０で、プロセッサ１４０は、光入力に対するＩＦＯＧの応答における差異を決定する。差異は、第１の応答及び第２の応答を表す電圧における差異を測定することによって決定され得る。

ブロック２３０で、プロセッサ１４０は、ジャイロ率を差異及び補正項の関数として計算する。ジャイロ率を計算するための数式の実施例は、以下の数式４において提供される。

補正項は、ＩＦＯＧ１１０に対する第１の周波数及び第２の周波数における所定の第１の倍率及び所定の第２の倍率によって予め計算される。例えば、倍率及び補正項は、ＩＦＯＧ１１０が使用される前に工場で予め計算され得る。

ＩＦＯＧ１１０の動作の間に、時を経て、バイアス並びに第１の倍率及び第２の倍率が変化する。要因は、入力軸における変化、ファイバー劣化、及び温度変化を含む。従来のＩＦＯＧに対して、これらの時間依存性の誤差は再調整を必要とする。ＩＦＯＧ１１０にとってはそうではない。第１の倍率及び第２の倍率におけるシフトが大まかに同じである限りにおいて、補正項は安定し、ジャイロ率は未だ差異及び補正項の関数として計算され得る。すなわち、ブロック２３０における機能は、ＩＦＯＧ１１０の再調整を必要とすることなしに反復され得る。

ＩＦＯＧ１１０の動作の間に、ＩＦＯＧ１１０の性能を劣化させるイベントが生じ得る。例えば、イベントは、検出コイル１１２が暗くなることをもたらす。このイベントは、第１の倍率及び第２の倍率が等しくシフトすることをもたらす。従来のＩＦＯＧに対して、イベントは再調整の必要性をもたらす。ＩＦＯＧ１１０にとってはそうではない。ブロック２３０における機能は、ＩＦＯＧ１１０の再調整を必要とすることなしに反復され得る。

図３を参照する。補正項（Ｃ）を決定する方法が、今度は、説明される。システム１００は、それ自身の補正項（Ｃ）を決定するために使用され得る。

ブロック３１０で、ＩＦＯＧ１１０に対する第１の倍率及び第２の倍率（ＳＦ_１及びＳＦ_２）が決定される。既知の率がＩＦＯＧ１１０に適用され得、ファイバー光源１２０は、第１の周波数又は第２の周波数（ｆ_１又はｆ_２）で光入力をＩＦＯＧ１１０に供給し、光検出器１３０はＩＦＯＧ応答を測定し、かつプロセッサ１４０は、あるモデルを使用して倍率（ＳＦ_１又はＳＦ_２）を決定する。実施例に対して、倍率は、Φ＝２πＬＤ／λｃ・Ωから導き出され得る。

ブロック３２０で、ファイバー光源１２０は、第１の周波数（ｆ_１）で光入力をＩＦＯＧ１１０に提供し、光検出器１３０はＩＦＯＧ１１０の第１の応答を検出する。その後、ファイバー光源１２０は、光入力を第２の周波数（ｆ_２）にスイッチングし、光検出器１３０は、ＩＦＯＧ１１０の第２の応答を検出する。それ故、光検出器１３０は、２つの異なる倍率（ＳＦ_１及びＳＦ_２）で、２つの異なるサニャック位相シフトを検出する。

ブロック３３０で、プロセッサ１４０は、第１の応答と第２の応答との間の差異、既知の率、及び倍率を使用して、ＩＦＯＧ１１０に対する補正項（Ｃ）を決定する。補正項（Ｃ）を計算するためのモデルは、以下のようにして導き出され得る。

ＩＥＥＥ標準９５２〜１９９７（「ＩＥＥＥ Ｓｔａｎｄａｒｄ Ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎ Ｆｏｒｍａｔ Ｇｕｉｄｅ ａｎｄ Ｔｅｓｔ Ｐｒｏｃｅｄｕｒｅ ｆｏｒ Ｓｉｎｇｌｅ‐Ａｘｉｓ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｉｃ Ｆｉｂｅｒ Ｏｐｔｉｃ Ｇｙｒｏｓ」）からの以下のモデルを考慮する。

ここで、ｓ０は倍率で、（Δｎ／Δｔ）はＩＦＯＧ１１０の出力応答で、ＩはＩＦＯＧ１１０に対する光入力（°／ｈｒ）で、ＥはＩＦＯＧ１１０の環境感度（°／ｈｒ）で、Ｄはドリフト率（°／ｈｒ）で、かつｓＯｅｒは倍率誤差項である。

項（Δｎ_１／Δｔ）は、Ω＋Ｄｆとして書き直され得る。項Ｄｆは、時間依存性の誤差を表し、それは、他の環境感度（Ｅ）のみならずドリフト率（Ｄ）も含み得る。それ故、第１の周波数及び第２の周波数ｆ_１及びｆ_２での光入力に対する第１の応答及び第２の応答は、数式２及び数式３において提示される。

数式４は、測定されたＩＦＯＧの応答、測定された倍率（ＳＦ_１及びＳＦ_２）、及び補正項（Ｃ）によって、既知のジャイロ率（Ω）を表す。

ここで、Ｄｆ_１＋Ｄｆ_２＝Ｃである。補正項（Ｃ）は、第１のＩＦＯＧの応答及び第２のＩＦＯＧの応答における時間依存性の誤差の合計を表す。補正項（Ｃ）は、数式４から計算され得る。

ブロック３４０で、プロセッサ１４０は、後でジャイロ率を計算するときに使用するために、補正項（Ｃ）を記憶し得る。倍率（ＳＦ_１及びＳＦ_２）は、一定の値に簡略化され得る。例えば、（１／ＳＦ_１−１／ＳＦ_２）＝２である場合に、プロセッサ１４０は、数式５を使用してジャイロ率を計算し得る。

両方の周波数がジャイロ率を正確に測定することができる限り、第１の周波数と第２の周波数との間に最小又は最大差異は存在しない。各々の周波数は、ファイバータイプ、位相変調、コイルの屈曲、及びコイル長さに応じる。周波数は、赤外線周波数であり得る。

本明細書におけるシステム及び方法は、上の実施例に限定されない。例えば、ファイバー光源は、２より多い数の入力周波数で光を提供し得る。各々の付加的な周波数が、第１の周波数及び第２の周波数で実行された調整を有効にするために使用され得る。

ＩＦＯＧ１１０は、開ループ構成又は閉ループ構成のいずれかを有し得る。ＩＦＯＧ１１０は、アクティブ又はパッシブであり得、マルチモード又はシングルモードであり得、デジタル又はアナログであり得る。システム１００に対する典型的な用途は、測量システム、安定化システム、及び慣性航行システムを含む。

単一のＩＦＯＧ１１０を有するシステム１００が上述されたが、本明細書のシステムはそれに限定されない。多軸システムは、各々の軸に対してＩＦＯＧ１１０を有し得る。各々のＩＦＯＧ１１０は、それ自身の補正項を有し得る。

Claims (14)

1. 第１の周波数で、その後、異なる第２の周波数で、光入力を干渉型光ファイバージャイロ（ＩＦＯＧ）に供給すること、
   前記第１の周波数及び前記第２の周波数での前記光入力に対する前記ＩＦＯＧの応答における差異を検出すること、及び
   ジャイロ率を前記差異及び補正項の関数として計算することを含む、方法。
2. 前記補正項は、前記ＩＦＯＧの応答における時間依存性の誤差の合計を表す、請求項１に記載の方法。
3. 前記ジャイロ率は、調整された倍率の関数として計算されない、請求項１に記載の方法。
4. 前記補正項は、前記第１の周波数及び前記第２の周波数に対応する最初の第１の倍率及び最初の第２の倍率によって予め計算される、請求項１に記載の方法。
5. 両方の倍率が等しくシフトすることをもたらす時間依存性の誤差又はイベントが生じた場合に、両方の倍率を調整することなしに、前記ジャイロ率を計算することを反復し続けることを更に含む、請求項４に記載の方法。
6. 前記ジャイロ率（Ω）が、
   

   

   として計算され、
   ＳＦ_１及びＳＦ_２は、前記第１の周波数及び前記第２の周波数に対応する所定のＩＦＯＧの倍率であり、Ｃは前記補正項であり、かつ（Δｎ_１／Δｔ）−（Δｎ_２／Δｔ）は、前記第１の周波数及び前記第２の周波数での前記光入力に対する前記ＩＦＯＧの応答における前記差異である、請求項１に記載の方法。
7. 干渉型光ファイバージャイロ（ＩＦＯＧ）、
   第１の周波数で、その後、異なる第２の周波数で、光入力を前記ＩＦＯＧに供給するための光ファイバー光源、
   前記第１の周波数及び前記第２の周波数での前記光入力に対する前記ＩＦＯＧの応答を検出するための光検出器、及び
   ジャイロ率を前記応答の差異及び補正項の関数として計算するためのプロセッサを備える、システム。
8. 前記補正項は、前記ＩＦＯＧの応答における時間依存性の誤差の合計を表す、請求項７に記載のシステム。
9. 前記ジャイロ率は、調整された倍率の関数として計算されない、請求項７に記載のシステム。
10. 前記補正項は、前記第１の周波数及び前記第２の周波数における元々の第１の倍率及び元々の第２の倍率によって予め計算される、請求項７に記載のシステム。
11. 両方の倍率が等しくシフトすることをもたらす時間依存性の誤差又はイベントが生じた場合に、両方の倍率を調整することなしに、前記ジャイロ率を反復して計算することを更に含む、請求項１０に記載のシステム。
12. 前記ジャイロ率（Ω）が、
    

    

    として計算され、
    ＳＦ_１及びＳＦ_２は、前記第１の周波数及び前記第２の周波数に対応する所定のＩＦＯＧの倍率であり、Ｃは前記補正項であり、かつ（Δｎ_１／Δｔ）−（Δｎ_２／Δｔ）は、前記第１の周波数及び前記第２の周波数での前記光入力に対する前記ＩＦＯＧの応答における前記差異である、請求項７に記載のシステム。
13. 干渉型光ファイバージャイロ（ＩＦＯＧ）のための方法であって、
    既知の率を前記ＩＦＯＧに適用し、かつ第１の周波数及び第２の周波数での光入力に対するＩＦＯＧの倍率を決定すること、
    前記第１の周波数で前記ＩＦＯＧに光入力を提供し、かつ前記ＩＦＯＧの第１の応答を検出すること、
    前記光入力を前記第２の周波数にスイッチングし、かつ前記ＩＦＯＧの第２の応答を検出すること、並びに
    前記第１の応答と前記第２の応答との間の差異、前記既知の率、及び前記倍率を使用して、前記第１のＩＦＯＧの応答及び前記第２のＩＦＯＧの応答における時間依存性の誤差の合計を表すＩＦＯＧの補正項を決定することを含む、方法。
14. 前記補正項（Ｃ）が、
    

    

    から計算され、
    Ωは前記既知の率であり、ＳＦ_１及びＳＦ_２は、前記光入力の前記第１の周波数及び前記第２の周波数に対応する前記倍率であり、かつ（Δｎ_１／Δｔ）−（Δｎ_２／Δｔ）は、前記第１のＩＦＯＧの応答及び前記第２のＩＦＯＧの応答の前記差異である、請求項１３に記載の方法。
    

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