JP2016224032A

JP2016224032A - 回転によりバイアスされる光ファイバジャイロスコープ

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Publication number: JP2016224032A
Application number: JP2016082639A
Authority: JP
Inventors: オースティン・タランタ; Taranta Austin
Original assignee: Honeywell International Inc
Current assignee: Honeywell International Inc
Priority date: 2015-04-22
Filing date: 2016-04-18
Publication date: 2016-12-28
Also published as: EP3086091B1; US20160313125A1; EP3086091A1; US9568318B2

Abstract

【課題】直接的な光位相変調器による副次的影響を有しない光ファイバジャイロスコープを提供する。【解決手段】光ファイバコイル２１８は、光カプラ２１６を通じて光源２１２からの光信号を受け取り、回転に比例した位相シフトを付与する。光ファイバコイル２１８と光学的に通信可能な速度検知検出器２１４が、光カプラ２１６を通じて光ファイバコイル２１８から光信号を受け取る。光ファイバコイル２１８に結合されたモータ２３２が、光ファイバコイル２１８に周期的な回転を印加してバイアス位相変調を光信号に付与する。信号処理ユニットは、光信号の測定強度を回転速度データに変換する。【選択図】図２

Description

[0001] 標準的な干渉光ファイバジャイロスコープ（ＩＦＯＧ）は、干渉計の動作点を位相対強度曲線のより鋭敏な点であり符号の差異も存在する点に移動させるために、位相変調するための何らかのメカニズムを必要とする。ＩＦＯＧ内の対向伝搬する光波にバイアス位相変調を与える標準的な方法は、ニオブ酸リチウム電気光学変調器又はファイバ伸長型圧電変調器などの光位相変調器を用いることである。これらの技術は両方とも直接的な光位相変調器であるので、それらは光路中において動作し、残留強度変調、光学減衰、波長依存損失等といった望まれない副次的影響を有し得る。

[0002] 光ファイバジャイロスコープを回転によりバイアスするためのシステムが提供される。前記システムは、光信号を放出するように構成された光源と、前記光源と光学的に通信可能な光カプラと、前記光源と光学的に通信可能な光ファイバコイルとを備えた光ファイバジャイロスコープアセンブリを含む。前記光ファイバコイルは、前記光カプラを通じて前記光信号を受け取り、回転に比例した位相シフトを付与するように構成される。前記光ファイバコイルと光学的に通信可能な速度検知検出器が、前記光カプラを通じて前記光ファイバコイルから前記光信号を受け取るように構成される。前記光ファイバコイルに動作的に結合されたモータが、前記光ファイバコイルに周期的な回転を印加してバイアス位相変調を前記光信号に付与するように構成される。信号処理ユニットが、前記光ファイバジャイロスコープアセンブリ及び前記モータに動作的に結合される。前記信号処理ユニットは、前記光信号の測定強度を回転速度データに変換するように構成される。

[0003] 本発明の特徴は、図面を参照して以下の説明から当業者に明らかとなるだろう。図面は典型的な実施態様のみを表し、したがって適用範囲において限定的であるものと見做されてはならないということを理解して、本発明が、添付図面の使用を通じてより一層の具体性と詳細さをもって説明される。

[0004] 図１は、一実施態様による、光ファイバジャイロスコープを回転によりバイアスするためのシステムの模式図である。 [0005] 図２は、一実施態様による、光ファイバジャイロスコープを回転によりバイアスするためのシステムのブロック図である。 [0006] 図３は、別の実施態様による、光ファイバジャイロスコープを回転によりバイアスするためのシステムの模式図である。 [0007] 図４は、別の実施態様による、光ファイバジャイロスコープを回転によりバイアスするためのシステムのブロック図である。 [0008] 図５Ａは、更なる実施態様による、光ファイバジャイロスコープを回転によりバイアスするためのシステムを示すブロック図である。 [0009] 図５Ｂは、代替的な実施態様による、光ファイバジャイロスコープを回転によりバイアスするためのシステムを示すブロック図である。 [0010] 図６Ａは、別の実施態様による、光ファイバジャイロスコープを回転によりバイアスするためのシステムを示すブロック図である。 [0011] 図６Ｂは、代替的な実施態様による、光ファイバジャイロスコープを回転によりバイアスするためのシステムを示すブロック図である。 [0012] 図７は、更なる実施態様による、光ファイバジャイロスコープを回転によりバイアスするためのシステムを示すブロック図である。 [0013] 図８は、光ファイバジャイロスコープにおける最大の信号強度を達成するために変調周波数に対して必要なディザ角度振幅を示すグラフである。

[0014] 以下の詳細な説明では、当業者が本発明を実施することを可能にするように十分詳しく実施態様が説明される。本発明の適用範囲から逸脱することなく他の実施態様が利用されてよい、ということが理解されなければならない。したがって、以下の詳細な説明は、限定的な意味に捉えられてはならない。

[0015] 光ファイバジャイロスコープを回転によりバイアスするためのシステム及び方法が提供され、光ファイバジャイロスコープの感度を増大させる。本システム及び方法は、回転（サニャック効果）を通じた位相バイアスを利用する、ＩＦＯＧなどの光ファイバジャイロスコープのための機械的なバイアス変調手法を提供する。

[0016] １つのアプローチでは、測定中の未知の回転速度に対する感度を増大させるために、ＩＦＯＧの光ファイバコイルが既知の周期的な角度で物理的に回転又はディザされる。光ファイバコイルを物理的に回転又はディザすることは、例えば光位相変調器を用いることなどによる、光路への割り込みを必要とせず、したがって過剰な光損失と副次的効果を有しない。

[0017] 別のアプローチでは、慣性測定装置（ＩＭＵ）などにおける直交する入力軸を有した複数の光ファイバコイルを同時にバイアスするために、単一の回転が、当該回転を共通の取り付け台に印加することによって用いられることが可能である。これは、単一の光ファイバコイルに対して単一の位相変調器が用いられなければならない最新技術と対照的である。

[0018] 本システムは、概して、光信号を発生させる光源と、前記光源に光学的に結合され、回転に比例するサニャック位相シフトを付与するように構成された光ファイバコイルと、前記光ファイバコイルを周期的に回転、振動、又はディザしてバイアス位相変調を前記光信号に付与するモータとを含む。システムはまた、（対向伝搬する光波のための）スプリッタ／再コンバイナと、（信号を干渉させるための）光検出器と、測定された強度を等価な回転に変換するための信号処理電子回路とからなる光ファイバジャイロスコープフロント／バックエンドを含む。

[0019] 一実施態様では、ＩＦＯＧのバイアス回転は、ファイバコイルハブ上に取り付けられたディザモータによって達成されることが可能である。代替的に、ディザモータは、複数の光ファイバコイル又はＩＭＵ全体を同時にバイアスするために共通の台上に取り付けられることが可能である。回転を受けた台からバイアス回転角を検出するために光学エンコーダ、圧電トランスデューサ、又は他のメカニズムを用いることによって、及び検出された強度を復調するのに当該測定された回転角信号を用いることによって、更なる改善が実現されることができる。

[0020] 本システム及び方法の更なる詳細は、図面を参照しながら以下に説明される。

[0021] 図１は、ＩＦＯＧの一部分又は全部などの光ファイバジャイロスコープアセンブリ１１０を回転によりバイアスするためのシステム１００を概略的に示す。例えば、ジャイロスコープアセンブリ１１０は、ＩＦＯＧの一部分として円筒シェルに収納された光ファイバコイルを含むことが可能であり、又は、ＩＦＯＧアセンブリ全体を含むことが可能である。一実施態様では、ジャイロスコープアセンブリ１１０は、ジャイロ入力軸１４０の周りのディザ運動１３０が印加されるモータ駆動台１２０上に取り付けられ、それにより、ジャイロスコープアセンブリ１１０の光ファイバコイル中の対向伝搬する光信号にバイアス位相変調を付与する。

[0022] 図２は、一実施態様による、ＩＦＯＧ２１０などの光ファイバジャイロスコープを回転によりバイアスするためのシステム２００の更なる詳細を示す。ＩＦＯＧ２１０の基本アーキテクチャは、レーザ、ファイバ光源、又はスーパールミネッセントダイオード（ＳＬＤ）などの光源２１２と、速度検知検出器２１４と、２×２光カプラなどの光カプラ２１６と、光ファイバコイル２１８とを含む。光源２１２及び速度検知検出器２１４はそれぞれ、光カプラ２１６に結合された光ファイバ又は光導波路を通じて光ファイバコイル２１８と光学的に通信可能である。光ファイバコイル２１８は、回転に比例した位相シフトを付与するように構成される。

[0023] 動作中において、光源２１２は、光カプラ２１６を通じて光ファイバコイル２１８へ光信号を送信する。戻り光信号が光カプラ２１６を通じて光ファイバコイル２１８から送られ、光カプラ２１６は、当該戻り光信号を速度検知検出器２１４へ導く。速度検知検出器２１４は、その光信号を電気増幅器２２０へ送られる電気信号に変換し、電気増幅器２２０は、増幅された電気信号を回転速度の計算のためにプロセッサへ導く。

[0024] ＩＦＯＧ２１０は、ディザされる台２３０上に取り付けられ、台２３０は、周期的なバイアス回転角をＩＦＯＧ２１０に付与するように構成される。台２３０は、光ファイバコイル２１８に適切な周波数で周期的な機械的ディザを与える、ステッパモータ又は圧電モータなどのディザモータ２３２に結合されることが可能である。例えば、ディザモータ２３２は、音響又は超音波振動を通じて光ファイバコイル２１８の高周波数変位を生じさせることが可能である。

[0025] 図３は、三軸ＩＭＵの一部分である複数のＩＦＯＧアセンブリの一部分又は全部を含むことが可能な、複数の光ファイバジャイロスコープアセンブリ３１０、３１２、及び３１４を回転によりバイアスするためのシステム３００を概略的に示す。例えば、ジャイロスコープアセンブリ３１０、３１２、及び３１４は、それぞれのＩＦＯＧの一部分として円筒シェルに収納されたそれぞれの光ファイバコイルを各々含むことが可能であり、又は、ＩＦＯＧアセンブリ全体を含むことが可能である。一実施態様では、実質的に直交する入力軸３４０、３４２、及び３４４をそれぞれ有するジャイロスコープアセンブリ３１０、３１２、及び３１４は、共通のモータ駆動台３２０上に取り付けられる。ディザ運動３３０が、ジャイロスコープアセンブリ３１０、３１２、及び３１４にバイアス回転角を付与するように台３２０に印加される。台３２０のバイアス回転角は、光学エンコーダ、圧電トランスデューサ等を用いて測定されることが可能である。

[0026] 図４は、一実施態様による、三軸ＩＭＵなどの完全姿勢基準（full attitude reference）装置４１０内の複数の光ファイバジャイロスコープアセンブリを回転によりバイアスするためのシステム４００の更なる詳細を示す。基準装置４１０の基本アーキテクチャは、レーザファイバ光源又はＳＬＤなどの光源４１２と、１×３光スプリッタなどの光スプリッタ４１３と、２×２光カプラなどの一組の光カプラ４１４ａ、４１４ｂ、４１４ｃと、ｘ軸コイル、ｙ軸コイル、及びｚ軸コイルなどの一組の光ファイバコイル４１６ａ、４１６ｂ、４１６ｃと、ｘ軸検出器、ｙ軸検出器、及びｚ軸検出器などの一組の速度検知検出器４１８ａ、４１８ｂ、４１８ｃとを含む。光源及び速度検知検出器は各々、それぞれの光カプラに結合された光ファイバ又は光導波路を通じて光ファイバコイルと光学的に通信可能である。

[0027] 動作中において、光源４１２は、光スプリッタ４１３へ光信号を送信し、光スプリッタ４１３は、当該光信号の一部を光カプラ４１４ａ、４１４ｂ、４１４ｃの各々へ送信し、今度は光カプラ４１４ａ、４１４ｂ、４１４ｃが、光信号の当該それぞれの一部を光ファイバコイル４１６ａ、４１６ｂ、４１６ｃへ送信する。戻り光信号が光ファイバコイル４１６ａ、４１６ｂ、４１６ｃの各々からそれぞれの光カプラ４１４ａ、４１４ｂ、４１４ｃを通じて送られ、光カプラ４１４ａ、４１４ｂ、４１４ｃは、当該戻り光信号をそれぞれの速度検知検出器４１８ａ、４１８ｂ、４１８ｃへ導く。次いで速度検知検出器は、当該それぞれの光信号を各個別軸の速度計算に用いられる電気信号に変換する。

[0028] 基準装置４１０は、ディザされる台４３０上に取り付けられ、台４３０は、ディザ回転角を基準装置４１０に付与するように構成される。台４３０は、ステッパモータ又は圧電モータなどのディザモータ４３２に結合されることが可能であり、ディザ回転がファイバコイルの各々の入力軸に平行な成分を有するように配向される。一実施態様では、台４３０は、ディザ回転が各コイルの入力軸におよそ４５度で印加されるよう、三軸角錐の頂点にあるように配向されることが可能である。

[0029] 図５Ａは、一実施態様による、ＩＦＯＧ５１０などの光ファイバジャイロスコープを回転によりバイアスするためのシステム５００を示すブロック図である。システム５００は、単一の軸の処理のためにＩＦＯＧ５１０と共に利用されることが可能な信号処理ユニット５２０を含む。一般に、ＩＦＯＧ５１０からの速度信号は、ディザを生成するのに用いられるのと同じ波形発生器を用いて復調される。ＩＦＯＧ５１０は、ディザされる台５１２上に取り付けられ、台５１２は、バイアス回転角をＩＦＯＧ５１０に付与するように構成される。ディザされる台５１２は、信号処理ユニット５２０と結合されたディザアクチュエータ５１４に応答する。信号処理ユニット５２０は、ＩＦＯＧ５１０からの光信号の測定強度を回転速度データに変換するように構成される。

[0030] 信号処理ユニット５２０は、測定電子回路部５２２と、例えばファームウェアにより実装されることが可能なデジタル部５２４とを含む。デジタル部５２４のディザ駆動発生器５３０は、デジタル駆動信号をデジタルアナログ（Ｄ／Ａ）変換器５３１へ送り、デジタルアナログ変換器５３１は、アナログ駆動信号を測定電子回路部５２２の駆動増幅器５３２へ送る。増幅された駆動信号が、駆動増幅器５３２からディザアクチュエータ５１４へ出力される。

[0031] ＩＦＯＧ５１０上の速度検知光検出器５１６は、速度信号を測定電子回路部５２２のトランスインピーダンス増幅器５３４へ出力する。トランスインピーダンス増幅器５３４からの増幅された速度信号は、アナログデジタル（Ａ／Ｄ）変換器５３６へ送られ、アナログデジタル変換器５３６は、デジタル速度信号をデジタル部５２４の速度信号復調ユニット５３８へ送る。速度信号復調ユニット５３８はまた、駆動信号をディザ駆動発生器５３０から受け取る。ＩＦＯＧ５１０からの速度信号が、速度信号復調ユニット５３８においてディザ信号によって復調される。次いでジャイロ速度が、更なる使用のために信号処理ユニット５２０から処理システムへ出力される。

[0032] 図５Ｂは、信号処理ユニット５６０が単一の軸の処理のためのアナログコンポーネントを用いて実装される代替的な実施態様による、ＩＦＯＧ５１０などの光ファイバジャイロスコープを回転によりバイアスするためのシステム５５０を示す。一般に、ＩＦＯＧ５１０からの速度信号は、ここでも、ディザを生成するのに用いられるのと同じ波形発生器を用いて復調される。この場合もやはり、ＩＦＯＧ５１０は、ディザされる台５１２上に取り付けられ、台５１２は、バイアス回転角をＩＦＯＧ５１０に付与するように構成され、ディザされる台５１２は、信号処理ユニット５６０と結合されたディザアクチュエータ５１４に応答する。

[0033] 信号処理ユニット５６０は、アナログ測定駆動電子回路部５６２と速度信号復調部５７０を含む。駆動電子回路部５６２は、ディザ駆動発生器５６４を含み、ディザ駆動発生器５６４は、ディザ駆動信号を駆動増幅器５６６と速度信号復調部５７０へ送る。増幅されたディザ駆動信号が、駆動増幅器５６６からディザアクチュエータ５１４へ出力される。

[0034] ＩＦＯＧ５１０上の速度検知光検出器５１６は、速度信号を駆動電子回路部５６２のトランスインピーダンス増幅器５６８へ出力する。トランスインピーダンス増幅器５６８からの増幅された速度信号は、速度信号復調部５７０のミキサ５７２へ送られる。ミキサ５７２はまた、ディザ駆動信号をディザ駆動発生器５６４から受け取る。次いでミキサ５７２からの混合された速度信号が、低域通過フィルタ５７４へ送られ、低域通過フィルタ５７４は、速度信号復調部５７０からジャイロ速度を出力するのに用いられる復調された速度信号を出力する。

[0035] 図６Ａは、別の実施態様による、ＩＦＯＧ６１０などの光ファイバジャイロスコープを回転によりバイアスするためのシステム６００を示すブロック図である。システム６００は、単一の軸の処理のためにＩＦＯＧ６１０と共に利用されることが可能な信号処理ユニット６２０を含む。一般に、ＩＦＯＧ６１０からの速度信号は、測定されたディザ信号によって復調される。ＩＦＯＧ６１０は、ディザされる台６１２上に取り付けられ、台６１２は、バイアス回転角をＩＦＯＧ６１０に付与するように構成される。ディザされる台６１２は、信号処理ユニット６２０と結合されたディザアクチュエータ６１４に応答する。圧電トランスデューサ又は光学エンコーダなどの角度センサ６１６が、ディザされる台６１２上に取り付けられる。角度センサ６１６は、ディザされる台６１２が取り付けられている面に対するディザされる台６１２の局所的な角度を測定するために用いられる。

[0036] 信号処理ユニット６２０は、測定電子回路部６２２と、例えばファームウェアにより実装されることが可能なデジタル部６２４とを含む。デジタル部６２４のディザ駆動発生器６３０は、デジタル駆動信号をＤ／Ａ変換器６３１へ送り、Ｄ／Ａ変換器６３１は、アナログ駆動信号を測定電子回路部６２２の駆動増幅器６３２へ送る。増幅された駆動信号が、駆動増幅器６３２からディザアクチュエータ６１４へ出力される。

[0037] ＩＦＯＧ６１０上の速度検知光検出器６１８は、速度信号を測定電子回路部６２２のトランスインピーダンス増幅器６３４へ出力する。トランスインピーダンス増幅器６３４からの増幅された速度信号は、第１Ａ／Ｄ変換器６３６へ送られ、第１Ａ／Ｄ変換器６３６は、デジタル速度信号を速度信号復調ユニット６３８へ出力する。

[0038] ディザされる台６１２上の角度センサ６１６は、ディザ角度信号を測定電子回路部６２２の角度増幅器６４２へ出力する。角度増幅器６４２は、増幅されたディザ角度信号を第２Ａ／Ｄ変換器６４４へ送り、第２Ａ／Ｄ変換器６４４は、デジタルディザ信号をディザ角度計算モジュール６４６へ出力する。Ａ／Ｄ変換器６３６を介した速度検知光検出器６１８からの増幅信号速度は、ディザ角度計算モジュール６４６からの計算されたディザ角度を用いて、速度信号復調ユニット６３８において修正される。次いでジャイロ速度が、更なる使用のために信号処理ユニット６２０から出力される。

[0039] 図６Ｂは、信号処理ユニット６６０が単一の軸の処理のためのアナログコンポーネントを用いて実装される代替的な実施態様による、ＩＦＯＧ６１０などの光ファイバジャイロスコープを回転によりバイアスするためのシステム６５０を示す。一般に、ＩＦＯＧ６１０からの速度信号は、ここでも、測定されたディザ信号を用いて復調される。ＩＦＯＧ６１０は、ディザされる台６１２上に取り付けられ、台６１２は、バイアス回転角をＩＦＯＧ６１０に付与するように構成され、ディザされる台６１２は、信号処理ユニット６６０と結合されたディザアクチュエータ６１４に応答する。ディザされる台６１２上に取り付けられた角度センサ６１６は、ここでも、ディザされる台６１２の角度を測定するために用いられる。

[0040] 信号処理ユニット６６０は、アナログ測定駆動電子回路部６６２と速度信号復調部６７０を含む。駆動電子回路部６６２は、ディザ駆動発生器６６４を含み、ディザ駆動発生器６６４は、ディザ駆動信号を駆動増幅器６６６へ送る。増幅されたディザ駆動信号が、駆動増幅器６６６からディザアクチュエータ６１４へ出力される。

[0041] ＩＦＯＧ６１０上の速度検知光検出器６１８は、速度信号を駆動電子回路部６６２のトランスインピーダンス増幅器６６８へ出力する。トランスインピーダンス増幅器６６８からの増幅された速度信号は、速度信号復調部６７０のミキサ６７２へ送られる。ディザされる台６１２上の角度センサ６１６は、ディザ信号を測定電子回路部６６２の角度増幅器６６９へ出力する。角度増幅器６６９は、増幅されたディザ信号をミキサ６７２へ送る。次いでミキサ６７２からの混合された速度信号が、低域通過フィルタ６７４へ送られ、低域通過フィルタ６７４は、速度信号復調部６７０からジャイロ速度信号を出力するのに用いられる復調された速度信号を出力する。速度信号復調部６７０は、ディザアクチュエータ６１４と角度増幅器６６９における不完全性を取り除く。

[0042] 図７は、別の実施態様による、ＩＦＯＧ６１０などの光ファイバジャイロスコープを回転によりバイアスするためのシステム７００を示すブロック図である。システム７００は、単一の軸の処理のためにＩＦＯＧ６１０と共に利用されることが可能な信号処理ユニット７２０を含む。ＩＦＯＧ６１０は、ここでもディザされる台６１２上に取り付けられ、台６１２は、バイアス回転角をＩＦＯＧ６１０に付与するように構成され、ディザされる台６１２は、信号処理ユニット７２０と結合されたディザアクチュエータ６１４に応答する。ディザされる台６１２上に取り付けられた角度センサ６１６は、ここでも、ディザされる台６１２の角度を測定するために用いられる。

[0043] 信号処理ユニット７２０は、測定電子回路部７２２と、例えばファームウェアにより実装されることが可能なデジタル部７２４とを含む。デジタル部７２４において、ディザ駆動発生器７３０は、静的ディザ発生器７３２からの信号を受け取ってデジタル駆動信号をＤ／Ａ変換器７３３へ出力し、Ｄ／Ａ変換器７３３は、アナログ駆動信号を測定電子回路部７２２の駆動増幅器７３４へ送る。増幅された駆動信号が、駆動増幅器７３４からディザアクチュエータ６１４へ出力される。

[0044] ＩＦＯＧ６１０上の速度検知光検出器６１８は、速度信号を測定電子回路部７２２のトランスインピーダンス増幅器７３５へ出力する。トランスインピーダンス増幅器７３５からの増幅された速度信号は、Ａ／Ｄ変換器７３６へ送られ、Ａ／Ｄ変換器７３６は、デジタル速度信号をデジタル部７２４の速度信号復調ユニット７３８と強度信号復調ユニット７４０へ出力する。

[0045] ディザされる台６１２上の角度センサ６１６は、ディザ信号を測定電子回路部７２２の角度増幅器７４２へ出力する。角度増幅器７４２は、増幅されたディザ信号をＡ／Ｄ変換器７４４へ送り、Ａ／Ｄ変換器７４４は、デジタルディザ信号をディザ角度計算モジュール７４６へ出力する。Ａ／Ｄ変換器７３６を介して速度検知光検出器６１８から戻る増幅信号の速度及び強度は、ディザ角度計算モジュール７４６からの計算されたディザ角度を用いて、信号復調ユニット７３８及び７４０において修正される。

[0046] ＩＦＯＧ６１０からの速度信号は速度信号復調ユニット７３８において復調され、ＩＦＯＧ６１０からの強度信号は強度信号復調ユニット７４０において復調される。計算されたディザ角度を用いた信号の復調によって、ディザに誘発されるノイズが効果的にキャンセルされる。

[0047] 変調度計算モジュール７５２は、信号復調ユニット７３８及び７４０の両方から復調された速度信号を受け取る。当該復調信号は、ディザ振幅を最適動作値の近傍に保持するために効果的な変調度を計算するのに用いられる。次いで変調度計算モジュール７５２は、変調度信号を駆動誤差補正モジュール７５４へ出力する。ディザ駆動発生器７３０は誤差補正モジュール７５４からの変調度誤差信号で更新され、どんな駆動不安定性も補正する閉ループサーボを効果的に形成する。ジャイロ速度信号が、更なる使用のために信号処理ユニット７２０のデジタル部７２４から出力される。

[0048] 以下の式は、本アプローチに従ってＩＦＯＧを回転によりバイアスするのに用いられる信号処理機能を示す。速度検知検出器における干渉パターンの位相依存部分は、光コイルの２つの分岐間でパワーが均等に分割される最も簡単な場合について、以下の式によって定義されることが可能である。

ここで、Ｉは速度検知検出器における検出された強度であり、Δφはディザされる台の回転とセンサの回転を両方バイアスすることに起因する全位相シフトである。回転に起因するサニャック位相シフトは、次のように定義されることが可能である。

ここで、Ｌはファイバコイルの長手方向の長さであり、Ｄはファイバコイルの直径であり、λはファイバコイル内を伝搬する光の平均波長であり、ｃは光の速さであり、Ωは全回転速度であり、ＳＦはジャイロのスケールファクタを表す。全回転速度Ωは、バイアス回転Ω_Ｂと測定されるべき回転速度Ω_０との和であり、次のように表される。

ループ通過時間τは、ファイバコイルの一端から他端までの光波の通過の時間であり、次の式によって定義される。

ここで、ｎはファイバの屈折率である。時間的に変化する回転（したがって角度）に対しては、バイアス回転（ディザ）に起因する干渉計の位相シフトΔφ_Ｂは、次のように表されることができる。

ここで、θ（ｔ）はディザ角度であり、ｔは時間である。次の式にしたがって正弦波ディザ角度が仮定される。

ここで、ω_Ｂはディザ周波数（ｒａｄ／ｓｅｃ）であり、Ａ_θはディザ角度振幅である。バイアスに起因する位相はその結果次のように表される。

次いで式（７）を簡単にするために定数α及びδが次のように定義される。

その結果、位相バイアスは次の式によって定義されることが可能である。

式（１０）を干渉の式（１）と組み合わせてベッセル関数展開を用いることで、次の式（１１）を得る。

ここで、Δφ_Ｓは測定される回転に起因するサニャック位相シフトであり、Ｊ_ｎは第１種のｎ次ベッセル関数を表す。ディザ周波数における復調は、次のように第一高調波強度信号Ｓ_ωをもたらす。

式１２は、速度に対して正弦波的である（即ち、符号の区別と最大の感度を有する）ことから、測定される搬送波周波数の信号を定義する。式１３は、強度復調ユニットにおける復調信号を定義し、ディザ周波数の第二高調波が、サニャック位相シフトの余弦に比例する項Ｓ_２ωを与える。

小さい回転速度に対しては、ｃｏｓΔφ_Ｓの項は近似的に１に等しくなり、復調信号は事実上、光強度と変調度の２次ベッセル関数のみに比例する。一定の光強度では、この信号は、ディザの有効な位相変調度を計算するのに利用されることができる。

[0049] 図８は、様々なファイバコイルの長さ及び直径について、最大の信号強度（Ｊ_１のピーク）を達成するために変調周波数に対して必要なディザ角度振幅を示すグラフである。図８は、ファイバの多くの実際的な長さに対して、最適なディザ周波数は回転運動を付与する能力のある標準的な圧電トランスデューサ及びモータの使用可能範囲内にあることを示している。

[0050] 本システム及び方法において用いられるコンピュータ又はプロセッサは、当業者に知られているように、ソフトウェア、ファームウェア、ハードウェア、又はそれらの任意の適切な組み合わせを用いて実装されることが可能である。これらは、特別に設計された特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）若しくはフィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）によって補完され、又はそれらに組み込まれることができる。コンピュータ又はプロセッサはまた、本方法及びシステムにおいて用いられる様々な処理タスク、計算、並びに制御機能を実行するためのソフトウェアプログラム、ファームウェア、又は他のコンピュータ可読命令による機能を含むことが可能である。

[0051] 本方法は、少なくとも１つのプロセッサによって実行される、プログラムモジュール又はコンポーネントなどのコンピュータ実行可能命令によって実装されることが可能である。一般に、プログラムモジュールは、特定のタスクを実施し又は特定の抽象データ型を具現する、ルーチン、プログラム、オブジェクト、データコンポーネント、データ構造、アルゴリズム等を含む。

[0052] 本明細書において説明された方法の動作において用いられる様々な処理タスク、計算、及び他のデータの生成を実行するための命令は、ソフトウェア、ファームウェア、又は他のコンピュータ若しくはプロセッサ可読命令により実装されることが可能である。これらの命令は、典型的に、コンピュータ可読命令又はデータ構造の記憶のために用いられるコンピュータ可読媒体を含む、任意の適切なコンピュータプログラム製品上に格納される。そのようなコンピュータ可読媒体は、汎用若しくは専用のコンピュータ若しくはプロセッサによってアクセスされることが可能な任意の入手可能な媒体、又は任意のプログラマブル論理デバイスであり得る。

[0053] 適切なプロセッサ可読媒体は、磁気若しくは光媒体などの記憶又はメモリ媒体を含むことができる。例えば、記憶又はメモリ媒体は、従来型のハードディスク、コンパクトディスク、ＤＶＤ、Ｂｌｕ−ｒａｙ（登録商標）ディスク、若しくは他の光記憶ディスク、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、リードオンリメモリ（ＲＯＭ）、電気的消去可能プログラマブルＲＯＭ（ＥＥＰＲＯＭ）、フラッシュメモリ等などの揮発性若しくは不揮発性媒体、又はコンピュータ実行可能命令若しくはデータ構造の形態の所望のプログラムコードを運搬し若しくは格納するのに用いられることが可能な任意の他の媒体を含むことができる。

＜例示的実施態様＞
[0054] 例１は、光ファイバジャイロスコープを回転によりバイアスするためのシステムであって、光信号を放出するように構成された光源、前記光源と光学的に通信可能な少なくとも１つの光カプラ、前記光源と光学的に通信可能であり、前記光カプラを通じて前記光信号を受け取り、回転に比例した位相シフトを付与するように構成された少なくとも１つの光ファイバコイル、及び前記光ファイバコイルと光学的に通信可能であり、前記光カプラを通じて前記光ファイバコイルから前記光信号を受け取るように構成された少なくとも１つの速度検知検出器を備える光ファイバジャイロスコープアセンブリと、前記光ファイバコイルに動作的に結合され、前記光ファイバコイルに周期的な回転を印加してバイアス位相変調を前記光信号に付与するように構成されたモータと、前記光ファイバジャイロスコープアセンブリ及び前記モータに動作的に結合され、前記光信号の測定強度を回転速度データに変換するように構成された信号処理ユニットと、を備えるシステムを含む。

[0055] 例２は、前記モータに動作的に結合された台を更に備え、前記光ファイバコイルを含む前記光ファイバジャイロスコープアセンブリの少なくとも一部分は、前記台上に取り付けられる、例１のシステムを含む。

[0056] 例３は、前記光源は、レーザ、ファイバ光源、又はスーパールミネッセントダイオードを含む、例１−２のいずれかのシステムを含む。

[0057] 例４は、前記光ファイバジャイロスコープアセンブリは、干渉光ファイバジャイロスコープ（ＩＦＯＧ）を含む、例１−３のいずれかのシステムを含む。

[0058] 例５は、前記モータは、周期的な回転運動を前記台に付与する、例１−４のいずれかのシステムを含む。

[0059] 例６は、前記モータは、ステッパモータ又は圧電モータを含む、例１−５のいずれかのシステムを含む。

[0060] 例７は、前記速度検知検出器は、前記光ファイバコイルからの前記光信号を回転速度の計算のために前記信号処理ユニットへ送られる電気的な速度信号に変換する、例１−６のいずれかのシステムを含む。

[0061] 例８は、前記信号処理ユニットは、ディザ駆動発生器と、前記ディザ駆動発生器からディザ駆動信号を受け取るように構成され、前記モータ上のディザアクチュエータに動作的に結合された駆動増幅器と、前記速度検知検出器から前記電気的な速度信号を受け取るように構成されたトランスインピーダンス増幅器と、前記トランスインピーダンス増幅器から増幅された速度信号を受け取り、復調された速度信号を出力するように構成された速度信号復調ユニットと、を備える、例７のシステムを含む。

[0062] 例９は、前記ディザ駆動発生器は、デジタル駆動信号をデジタルアナログ変換器へ送り、前記デジタルアナログ変換器は、アナログ駆動信号を前記駆動増幅器へ出力し、前記トランスインピーダンス増幅器は、増幅された速度信号をアナログデジタル変換器へ送り、前記アナログデジタル変換器は、前記ディザ駆動信号を用いて前記速度信号を復調するためにデジタル速度信号を前記速度信号復調ユニットへ出力する、例８のシステムを含む。

[0063] 例１０は、前記速度信号復調ユニットは、前記ディザ駆動発生器からの前記ディザ駆動信号と前記トランスインピーダンス増幅器からの前記増幅された速度信号を受け取るように構成されたミキサと、前記ミキサから混合された速度信号を受け取り、前記ディザ駆動信号を用いて復調された前記速度信号を出力するように構成された低域通過フィルタと、を備える、例８のシステムを含む。

[0064] 例１１は、前記台上に取り付けられた角度センサを更に備え、前記信号処理ユニットは、更に、前記角度センサからディザ角度信号を受け取るように構成された角度増幅器を備える、例８のシステムを含む。

[0065] 例１２は、前記ディザ駆動発生器は、デジタル駆動信号をデジタルアナログ変換器へ送り、前記デジタルアナログ変換器は、アナログ駆動信号を前記駆動増幅器へ出力し、前記トランスインピーダンス増幅器は、増幅された速度信号を第１アナログデジタル変換器へ送り、前記第１アナログデジタル変換器は、デジタル速度信号を前記速度信号復調ユニットへ出力し、前記角度増幅器は、増幅されたディザ角度信号を第２アナログデジタル変換器へ送り、前記第２アナログデジタル変換器は、デジタルディザ角度信号をディザ角度計算モジュールへ出力し、前記速度信号復調ユニットは、前記ディザ角度計算モジュールから計算されたディザ角度信号を受け取り、前記計算されたディザ角度を用いて前記デジタル速度信号を修正する、例１１のシステムを含む。

[0066] 例１３は、前記速度信号復調ユニットは、前記トランスインピーダンス増幅器からの前記増幅された速度信号と前記角度増幅器からの増幅されたディザ角度信号を受け取るように構成されたミキサと、前記ミキサから混合された速度信号を受け取り、前記ディザ角度信号を用いて復調された前記速度信号を出力するように構成された低域通過フィルタと、を備える、例１１のシステムを含む。

[0067] 例１４は、前記信号処理ユニットは、更に、前記第１アナログデジタル変換器からの前記デジタル速度信号と前記ディザ角度計算モジュールからの前記ディザ角度信号を受け取るように構成された強度信号復調ユニットと、前記信号復調ユニットからの前記復調された速度信号と前記強度信号復調ユニットからの復調された強度信号を受け取るように構成された変調度計算モジュールと、前記変調度計算モジュールから変調度信号を受け取るように構成された駆動誤差補正モジュールと、を備え、前記ディザ駆動発生器は、ディザ振幅を最適動作値の近傍に保持するように前記駆動誤差補正モジュールからの誤差補正信号で更新される、例１２のシステムを含む。

[0068] 例１５は、複数の光ファイバジャイロスコープを回転によりバイアスするためのシステムであって、光信号を放出するように構成された少なくとも１つの光源、各々が前記光源と光学的に通信可能な一組の光カプラ、各々が前記光源と光学的に通信可能であり、前記光カプラのうちのそれぞれの１つを通じて前記光信号を受け取り、回転に比例した位相シフトを付与するように各々が構成された一組の光ファイバコイル、及び各々が前記光ファイバコイルのうちのそれぞれの１つと光学的に通信可能であり、前記光カプラのうちのそれぞれの１つを通じて前記光ファイバコイルのうちの前記それぞれの１つから前記光信号を受け取るように各々が構成された一組の速度検知検出器を備える、多軸光ファイバジャイロスコープアセンブリと、前記光ファイバコイルを含む前記多軸光ファイバジャイロスコープアセンブリの少なくとも一部分が取り付けられる台と、前記台に動作的に結合され、前記台にディザ運動を印加して前記光ファイバコイルの各々の入力軸に沿った回転成分を有する周期的な回転を付与し、それによってバイアス位相変調を前記光信号の各々に付与するように構成されたディザモータと、前記多軸光ファイバジャイロスコープアセンブリ及び前記ディザモータに動作的に結合され、前記光信号の測定強度を回転速度データに変換するように構成された信号処理ユニットと、を備えるシステムを含む。

[0069] 例１６は、前記多軸光ファイバジャイロスコープアセンブリは、複数の干渉光ファイバジャイロスコープを含む、例１５のシステムを含む。

[0070] 例１７は、前記光ファイバコイルは、前記多軸光ファイバジャイロスコープアセンブリが完全姿勢基準装置を備えるように、実質的に直交する入力軸を有する、例１５−１６のいずれかのシステムを含む。

[0071] 例１８は、前記台は、前記ディザ運動が各コイル軸におよそ４５度の角度で印加されるように構成される、例１７のシステムを含む。

[0072] 例１９は、１又は複数の光ファイバジャイロスコープを回転によりバイアスするための方法であって、前記１又は複数の光ファイバジャイロスコープの光ファイバコイルを予め定められた周期的な角度で回転して、前記光ファイバコイル内の光信号にバイアス位相変調を付与するステップと、前記光信号の測定強度を回転速度データに変換するステップと、を含む方法を含む。

[0073] 例２０は、前記光ファイバジャイロスコープは、前記光ファイバコイルが実質的に直交する入力軸を有している多軸光ファイバジャイロスコープアセンブリの一部分である、例１９の方法を含む。

[0074] 本発明は、その本質的な特徴から逸脱することなく他の特定の形で具現化されることができる。説明された実施態様は、あらゆる面において、例示的であるにすぎず限定的ではないと見做されなければならない。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されたクレームによって表される。クレームの均等の意味及び範囲に入るあらゆる変更は、その適用範囲の中に包含されなければならない。

Claims

光ファイバジャイロスコープを回転によりバイアスするためのシステムであって、
光信号を放出するように構成された光源、
前記光源と光学的に通信可能な少なくとも１つの光カプラ、
前記光源と光学的に通信可能であり、前記光カプラを通じて前記光信号を受け取り、回転に比例した位相シフトを付与するように構成された少なくとも１つの光ファイバコイル、及び
前記光ファイバコイルと光学的に通信可能であり、前記光カプラを通じて前記光ファイバコイルから前記光信号を受け取るように構成された少なくとも１つの速度検知検出器
を備える光ファイバジャイロスコープアセンブリと、
前記光ファイバコイルに動作的に結合され、前記光ファイバコイルに周期的な回転を印加してバイアス位相変調を前記光信号に付与するように構成されたモータと、
前記光ファイバジャイロスコープアセンブリ及び前記モータに動作的に結合され、前記光信号の測定強度を回転速度データに変換するように構成された信号処理ユニットと、
を備えるシステム。
前記光ファイバジャイロスコープアセンブリは、互いに対して実質的に直交する入力軸を有する複数の光ファイバコイルを備える、請求項１に記載のシステム。
１又は複数の光ファイバジャイロスコープを回転によりバイアスするための方法であって、
前記１又は複数の光ファイバジャイロスコープの光ファイバコイルを予め定められた周期的な角度で回転して、前記光ファイバコイル内の光信号にバイアス位相変調を付与するステップと、
前記光信号の測定強度を回転速度データに変換するステップと、
を含む方法。