JP2023540261A - サニャック干渉用のシステムおよび方法 - Google Patents

Abstract

光ファイバサニャック干渉用のシステムであって、光源と、前記光源からの光を第１の光ビームおよび第２の光ビームとに分割するように構成された光スプリッタと、第１の変調ユニットおよび第２の変調ユニット、前記第１の変調ユニットおよび前記第２の変調ユニットの間に動作可能に結合された光ファイバを含む光回路であって、前記光回路は、前記第１の光ビームおよび前記第２の光ビームが、前記光学回路中を反対方向に横断するように前記光スプリッタに動作可能に結合され、前記第１の光ビームは、前記第２の変調ユニットによって変調される前に前記第１の変調ユニットによって変調され、前記第２の光ビームは、前記第１の変調ユニットによって変調される前に、前記第２の変調ユニットによって変調され、前記第１の変調ユニットは、第１の変調コードによって、それを通過する光を変調するように構成され、前記第２の変調ユニットは、前記第１の変調コードとは異なる第２の変調コードによって、そこを通過する光を変調するように構成されている、ところの光回路と、前記第１の光ビームおよび前記第２の光ビームが前記光学回路を通過した後、前記第１および前記第２の光ビームを検出するように構成された光検出器と、前記第１および第２の光ビーム間の光位相差を示す干渉信号を前記光検出器から受信し、かつ、前記第１および第２の変調コードに基づいて、前記干渉信号を復調することにより、前記光位相差を決定するように構成された処理システムとを備え、前記第１の変調コードと、それ自身の時間シフトされたバージョンとの相関は、ゼロ時間シフトに対して最大であり、前記第２の変調コードと、それ自身の時間シフトされたバージョンとの相関は、ゼロ時間シフトに対して最大である、ことを特徴とするシステム。

Description

この完全な出願は、オーストラリア仮特許出願第２０２０９０３０７３号に関連し、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。

本開示は、回転を感知することを含む、サニャック干渉用のシステムおよび方法に関する。

サニャック干渉計は、同じ光学媒質を介して逆方向に伝搬した後の２つの光ビーム間の干渉を測定する。干渉計が非回転フレームに対して回転されると、２つのビームの相対位相が変化し、それらの干渉が変化する。

光ファイバサニャック干渉計は、自己ナビゲーションおよび位置認識を必要とするアプリケーションにおいて重要な機能を果たすジャイロスコープおよび慣性計測システムにおける回転感知のために使用することができる。そのようなアプリケーションには、航空機ナビゲーションおよびアビオニクス、宇宙技術、ロボット工学、および自律車両が含まれる。

サニャックファイバー干渉計の感度は、主に、光ファイバ内の分子レベルでの不均一な構造変化によって引き起こされるレイリー散乱によって制限される。ファイバ中のこれらの小さな欠陥との光ビームの相互作用により、少量の光が等方的に散乱される。散乱光の一部は、光ファイバに沿って導かれ、検出される。散乱光は、コヒーレントおよびインコヒーレントの２つの別個のカテゴリに分割することができる。レイリー散乱によるコヒーレントバック散乱は、サニャック干渉計における位相雑音に対する支配的な投稿者である。散乱経路長が光ビームのコヒーレンス長内にあるときに生じる。

サニャック干渉計におけるコヒーレントレイリー後方散乱を低減する方法は、スーパールミネッセントダイオードまたはＬＥＤなどの低コヒーレンスの光源を使用することである。しかしながら、これにもかかわらず、以下のようにしてもよい。レイリー後方散乱位相雑音の残留寄与は、干渉計の感度に対する技術的限界を依然として示している。

発明が解決しようとする課題および課題を解決するための手段

従来技術に関連する１つ以上の欠点または制限、または少なくとも有用な代替案を提供することが望まれる。

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態を、非限定的な例として説明する。

図１は、光ファイバサニャック干渉のための例示的なシステムである。 図２は、システムのサニャックループ内を逆伝播する第１および第２の光ビームを変調するために使用される変調コードのチップ周波数に対する、光位相差の測定における信号対雑音比のプロットである。 図３は、周波数変調された光源を含む光ファイバサニャック干渉の別の例示的なシステムである。 図４は、較正干渉計を含む光ファイバサニャック干渉の別の例示的なシステムである。 図５は、並列に接続された複数の変調ユニットを含む光ファイバサニャック干渉の別の例示的なシステムである。 図６は、光ファイバサニャック干渉の例示的な方法である。 図７は、ＱＰＳＫ変調のための例示的な位相コンステレーションである。 図８は、２つの例示的なバイナリコードの４レベルＱＰＳＫコードへの組み合わせの概略図である。 図９は、復調コードによる信号の復調に起因する出力の例示的な分類の概略図である。 図１０は、差動遅延復調コードを用いて信号を二重復調するための例示的なアーキテクチャの概略図である。 図１１は、２つの対称変調器によって実行される２つの連続したＱＰＳＫ変調のための例示的な位相コンステレーションである。 図１２は、２つの反対称変調器によって実行される２つの連続したＱＰＳＫ変調のための例示的な位相コンステレーションである。

一次後方散乱低減
図１は、光ファイバサニャック干渉のための例示的なシステム１００を示す。システム１００は、光源１１０と、光源１１０からの光を第１の光ビームと第２の光ビームとに分割するように構成された光スプリッタ１２０とを備える。

システム１００は、光回路１３０をさらに含み、光回路１３０は、第１の変調ユニット１４０と、第２の変調ユニット１５０と、第１の変調ユニット１４０と第２の変調ユニット１５０との間に動作可能に結合された光ファイバ１６０とを備え、光回路１３０は、第１および第２の光ビームが光回路１３０を反対方向に横切るように、光スプリッタ１２０に動作可能に結合されている。

第１の光ビームは、第１の変調ユニット１４０を介して光回路１３０に入射し、第２の変調ユニット１５０を介して出射される。このように、第１の変調ユニット１４０（光ファイバ１６０に入射する前）と第２の変調ユニット１５０（光ファイバ１６０を出射した後）とによって、第１の光ビームが先に変調される。逆に、第２の光ビームは、第２の変調ユニット１５０を介して光回路１３０に入射し、第１の変調ユニット１４０を介して出射されるので、第２の変調ユニット１５０（光ファイバ１６０に入射する前）と第２の変調ユニット１４０（光ファイバ１６０を出射した後）とによって、第２の光ビームが先に変調される。

第１の変調ユニット１４０は、第１の信号生成ユニット１８０によって生成された第１の変調コードで通過する光（例えば、第１または第２の光ビーム）を変調するとともに、第２の変調ユニット１５０は、それを通過する光（例えば、第１または第２の光ビーム）を、第２の信号生成ユニット１９０によって生成された第２の変調コードで変調するように構成され、第２の変調コードは、第１の変調コードとは異なる。第１の信号生成器１８０は、第１の変調コードを生成するように構成され、第２の信号生成ユニット１９０は、後述するように、第２の変調コードを生成するように構成される。

システム１００は、第１および第２のビームが光回路１３０を横切って射出された後に第１および第２の光ビームを検出するように構成された光検出器１７０（例えば、第１の光検出器）をさらに備える。

システム１００は、光検出器１７０からの干渉信号を受信するように構成された処理システム（図示せず）をさらに含み、干渉信号は、第１および第２の光ビームの重畳または組み合わせを含むことができ、したがって、第１および第２の光ビームの間の光位相差を示すか、または表すことができる。処理システムは、第１および第２の変調コードに基づいて干渉信号を復調することによって、第１および第２の光ビーム間の光位相差を決定するようにさらに構成される。

第１の変調コードとそれ自体のタイムシフトされたバージョン（すなわち自己相関）との相関は、ゼロ時間シフトのために最大であり、その結果、第１の変調コードは実質的に無相関であるか、またはいくつかの例では、それ自体の非ゼロのタイムシフトされたバージョンと直交して相関される。同様に、第２の変調コードは、ゼロ時間シフトのために最大であり、その結果、第２の変調コードは実質的に無相関であるか、またはいくつかの例では、それ自体の非ゼロのタイムシフトされたバージョンと直交して相関される。例えば、第１の変調コードまたは第２の変調コードの自己相関は、クロネッカーデルタ関数であってもよいし、単一のピークまたは単一のグローバル最大値を有する任意の他の機能であってもよい。用語「実質的に無相関」とは、第１の変調コードと第２の変調コードとの相互相関が、検出された干渉信号内のノイズに対して実質的に第１の変調コードの自己相関および／または第２の変調コードの自己相関よりも実質的に小さいので、自己相関は、本明細書に開示される復調プロセス（復号化を含む）を使用して相互相関から区別することができる。

システム１００の構成は、光回路１３０内で生成された１次のレイリー散乱が、実質的に無相関であり、いくつかの例では、第１および第２のビームの符号化に直交する符号結合で符号化されるような構成である。したがって、１次のレイリー散乱は、測定された第１および第２の光ビームによってインコヒーレント化され得る。インコヒーレントなレイリー散乱は、コヒーレントレイリー散乱よりも位相感度に著しく低い影響を有し得る。

このようにして、システム１００は、光ファイバ１６０（すなわち、サニャックループ）に生じる１次コヒーレントレイリー後方散乱ノイズを抑制または低減することができる。１次レイリー後方散乱の除去または低減によって得られる位相感度の向上は、回転感度を依然として改善しながら、光ファイバ１６０の長さを減少させるために使用することができる。光路長が短いほど、光回路１３０に用いられるファイバ光ファイバの軽量化及び低コスト化に加えて、シュッペ効果（光路に沿った熱揺らぎが反伝搬する第１及び第２の光ビーム間の対称性を損なう）の影響を低減することができる。

例えば、２桁の大きさの位相感度向上により、光回路１３０における光路長を短くすることができ、信号対雑音比およびシュッペ効果性能の両方を向上させることができる。さらに、より短い経路長は、サニャックループの光減衰を低減し、それによって、ショットノイズを、いくつかの例では、２次レイリー後方散乱などの他の基本雑音源の下で良好に低減する。

光源１１０は、白色光源、発光ダイオード（ＬＥＤ）、スーパールミネッセントダイオード（ＳＬＤ）などのレーザまたは広帯域光源であってもよい。いくつかの例では、第１および第２の光ビームは、光源１１０の線幅よりも小さい変調帯域幅で変調され、干渉信号の時間分解能は、光源１１０の光波長によって決定され得る。

システム１００は、光回路１３０に動作可能に結合され、第１および第２の光ビームが光回路１３０を通過した後に第１および第２の光ビームを結合するように構成された光コンバイナをさらに備えてもよく、光スプリッタ１２０は、（光の進行方向に基づいて）光学分割および光学再結合機能の両方を実行するように構成されてもよい。

光スプリッタ１２０は、３つ以上のポートを備える光カプラであってもよい。図示される例では、光スプリッタ１２０は、４つのポートを備える光カプラであり、第１のポート１２２は、光源１１０に動作可能に結合され、第２のポート１２４は、光検出器１７０に動作可能に結合され、第３のポート１２６は、第１の変調ユニット１４０に動作可能に結合され、第４のポート１２８は、第２の変調ユニット１５０に動作可能に結合される。光スプリッタ１２０は、第１のポート１２２または第２のポート１２４を通って光スプリッタ１２０に入射する光が、第３のポート１２６および第４のポート１２８の両方を通って光スプリッタ１２０から退出する一方で、第３のポート１２６または第４のポート１２８を通して光スプリッタ１２０に入射する光は、少なくとも第２のポート１２４を介して、またはいくつかの例では、第１のポート１２２および第２のポート１２４の両方を通して光スプリッタ１２０から退出するように構成され得る。したがって、第１のポート１２２を介して光スプリッタ１２０に入射した光源１１０からの光は、第３のポート１２６を介して出力される第１の光ビームと、第４のポート１２８から出射される第２の光ビームとに分離され、さらに、光回路１３０から出射された後に第４のポート１２８および第３のポート１２６に入射する第１および第２の光ビームは、第２のポート１２４から出力され、光検出器１７０に送られる。

他の例では、光検出器１７０は、光源１１０からの光が光スプリッタ１２０（例えば、第１のポート１２２）に入射する光スプリッタ１２０の同じポートに動作可能に結合される。光サーキュレータは、光源１１０からの光を光スプリッタ１２０（例えば、第１のポート１２２）に導くために使用され得、次いで、光スプリッタからの光（例えば、第１のポート１２２から）を光検出器１７０に向けることができる。したがって、いくつかの例では、光源１１０および光検出器１７０は、例えば、光サーキュレータを介して、または別の光カプラと光アイソレータとの組み合わせによって、光スプリッタ１２０の同じポートに動作可能に結合される。他の例では、システム１００は、第１のポート１２２に動作可能に結合された第１の光検出器、および第２のポート１２４に動作可能に結合された第２の検出器などの複数の光検出器を含む。したがって、光回路１３０を通過した後の第１および第２の光ビームの組み合わせは、第１のポート１２２または第２のポート１２４から、または第１のポート１２２および第２のポート１２４の両方から検出され得る。

第１の変調ユニット１４０および第２の変調ユニット１５０の各々は、電気光学変調器（ＥＯＭ）または音響光学変調器（ＡＰＭ）などの１つまたは複数の光変調器を含み得る。第１変調ユニット１４０および第２変調ユニット１５０のそれぞれは、例えば、ＱＰＳＫ（直交位相偏移）変調を行うことにより、それを通過する光（例えば、第１または第２光ビーム）の位相を変調するように構成されてもよい。

いくつかの例では、システム１００は、ジャイロスコープまたは慣性計測システムなどの回転センサをさらに備え得る。他の例では、システム１００は、回転センサシステムの一部を形成する。回転センサは、光回路１３０が（システム１００の他の任意の構成要素に加えて）回転することを可能にするように構成され得る。いくつかの例では、回転検出を容易にするために、光回路１３０（システム１００の他の任意の構成要素に加えて）は、光回路１３０の平面に直交する軸などの軸を中心に回転するように構成されたプラットフォーム、平面、またはジンバルに固定され、回転センサは、第１および第２の光ビームの間の光位相差に基づいて、光回路１３０の回転運動（例えば、回転速度および方向）を感知し得る。したがって、いくつかの例では、処理システムは、光学位相差に基づいて光回路１３０の回転運動を決定するようにさらに構成される。

光ファイバ１６０は、第１の変調ユニット１４０に動作可能に結合された第１の端と、第２の変調ユニット１６０に動作可能に結合された第２の端とを含み、光ファイバ１６０は、コイルにループされてもよく、したがって、光ファイバ１６０は、光ファイバコイルである。いくつかの例では、光学媒体は、第１の変調ユニット１４０と、第１の変調ユニット１４０との間に動作可能に結合される。第１の変調ユニット１４０から第２の変調ユニットに光媒体を介して第１の光ビームが伝搬し、第２の変調ユニット１５０から第１の変調ユニット１４０に光媒体を介して第２の光ビームが伝搬するように、第２の変調ユニット１５０を制御する。光学媒体は、光ファイバ（例えば、光ファイバ１６０）と、他の任意の光学部品（例えば、偏光コントローラ、光カプラ）とを含むことができる。

光ファイバ１６０の長さによって実質的に定義され得る光回路１３０の長さは、第１および第２の光ビームの伝搬時間を決定し、これは、回転するシステム１００の感度に影響を及ぼす。したがって、システムの感度を変化させるために、光ファイバ１６０の長さを設定または調整することができる。いくつかの例では、光ファイバ１６０の長さは、１００ｍから１０ｋｍの間である。

第１の変調コードと第２の変調コードとの自己相関特性によって、第１の変調コードが第２の変調コードと異なるため、第１の変調コードは実質的に無相関であるか、またはいくつかの例では、第２の変調コードと相関的に直交する。

第１および第２の変調コードは、擬似ランダムノイズコードまたは擬似ランダムノイズコードと同様の相関および直交性を有する他のタイプのコードであってもよい。いくつかの例では、第１の変調コードおよび第２の変調コードは、最大長さシーケンス（ＭＬＳ）であり、また、ｍシーケンスまたはｎシーケンスとしても知られている。第１及び第２の変調コードの各々は、符号要素又はチップとも呼ばれる一連のシンボルを含んでもよい。各シンボルは、有限セットのシンボルのうちの１つである（例えば、ハイおよびロー、または１および０）。いくつかの例では、第１および第２の変調コードの各々は、４レベルの擬似ランダムノイズコードであり、各コードシンボルは、４つの状態のうちのいずれか１つをとることができる。他の例では、第１および第２の変調コードの各々は、４つ以上のレベルを有する擬似ランダムノイズコード、例えば、８８レベルコードである。

第１および第２の変調コードは、デジタルまたは離散時間信号であってもよい。第１及び第２の変調コードのコード周波数は、１Ｈｚから１ＧＨｚの間であってもよく、一方で、第１及び第２の変調コードのチップ周波数（変調率又はデジタル変調率としても知られている）は、１ｋＨｚから１ＴＨｚの間であってもよい。第１および第２の変調コードのチップ周波数は、互いに同じ、すなわち、等しくてもよい。第１および第２の変調コードの時間分解能は、相関条件を課す、または修正するために使用されてもよく、チップ周波数によって決定されてもよい。

第１および第２の変調コードのチップ周波数は、光学位相差の測定において、光源１１０からの相対強度ノイズ（ＲＩＮ）などの付加的ノイズの影響を低減または抑制するために制御されてもよい。いくつかの例では、第１および第２の変調コードのチップ周波数は、光源１１０の相対強度ノイズの帯域幅以上である。

図２を参照すると、変調コードのチップ周波数に対する光位相差の測定の信号対雑音比（ＳＮＲ）の例示的なプロットが示されている。プロットは、システム１００に類似しているが、第２の変調ユニット１５０を有さない、光ファイバサニャック干渉のためのシステムのモデルから得られた予測曲線を含み、プロットは、システムの実験設定で測定されたデータ点も含む。実験的セットアップでは、光源は、帯域制限された白色強度雑音変調を６。５６ＭＨｚの帯域幅まで適用することによってＲＩＮ特性が整形されたスーパールミ香りダイオードであり、逆周波数（すなわち、１／ｆ）ロールは、コーナー周波数を超えている。強度雑音スペクトルは、６４ビット白色雑音発生器を使用して生成され、一定のデシメーションを有する二次カスケード積分器コムフィルタを使用して成形された。図２のモデル曲線は、チップ周波数を増加させた位相ＳＮＲの進化において２つのレジメンを示す：ＲＩＮ帯域幅（６．５６ＭＨｚ）までのチップ周波数に対するＳＮＲにおいては、急激な利得があり、その後、ＳＮＲはよりゆっくりとより線形に増加する。

再び図１を参照すると、第２の変調コード（第１の変調コードとは異なる）は、第１の変調コードの時間シフトされたバージョンであってもよい。したがって、いくつかの例では、第１および第２の変調コードは、同じ信号発生器によって生成され、遅延要素は、第１または第２の変調コードを他方に対して遅延させるために使用される。時間シフトの長さまたは持続時間は、第１の変調コードが第２の変調コードに実質的に無相関または相関的に直交するようにすることができる。いくつかの例では、タイムシフトの持続時間は、第１の変調コードのシンボルの持続時間または期間以上である。いくつかの例では、タイムシフトの持続時間は、光源１１０のコヒーレンス時間よりも大きい。いくつかの例では、時間シフトの持続時間は、第１の変調ユニット１４０と第２の変調ユニット１５０との間で光が伝搬するのに必要な時間よりも大きい。

相関の実質的な欠如およびいくつかの例では、差動遅延された第１および第２の変調コード間の直交性は、時間遅延に依存する一意のコード組合せを提供する。選択された差分時間遅延により、検出器１７０における第１の光ビームと第２の光ビームとの間の干渉は、コード整合遅延を伴う復号化操作をカスケードすることによって決定されることを可能にする。検出器１７０における第１の光ビームと第２の光ビームとの間の干渉は、カスケードされた復号動作の適切な遅延一致セットで回復され得る。干渉信号によって表される第１の光ビームと第２の光ビームとの間の決定された干渉は、光回路１３０の回転運動を検出するために使用され得る。

さらに、一次コヒーレントレイリー後方散乱は、例えば、遅延が光源１１０のコヒーレンス長よりも大きくなるように、第１および第２の変調コード間の相対的なコード遅延を選択することによってインコヒーレント化され得る。代替的に、光源が高コヒーレント性である場合、１次コヒーレントレイリー後方散乱は、差分時間遅延（第２の変調符号におけるタイムシフトの遅延時間または時間シフトの持続時間とも呼ばれる）をサニャックコイルの光遅延よりも大きくすることによってインコヒーレント化することができる。選択された差分時間遅延は、第１の変調ユニット１４０と第２の変調ユニット１５０との間で光が伝搬するために必要な時間（すなわち、光ファイバ１６０を伝搬するために必要な時間、ならびに第１の変調ユニット１４０と第２の変調ユニット１５０との間に接続された任意の他の構成要素を通って伝搬するために必要な時間）よりも大きくてもよい。

他の例では、第２の変調コードは、第１の変調コードの反転バージョン、すなわち、第１の変調コードＭ_１と第２の変調コードＭ_２の間の関係は、Ｍ_１＝－Ｍ_２であり、その結果、第１の変調コードと第２の変調コードとが逆相関となる。したがって、いくつかの例では、第１および第２の変調コードは、同じ信号発生器によって生成され、インバータは、第１または第２の変調コードを反転させるために使用される、他の例では、第１の変調ユニット１４０及び第２の変調ユニット１５０は、反対称な変調器を備え、第１の変調ユニット１４０及び第２の変調ユニット１５０は、それらを通過する光を互いに逆又は反対称の関係で変調するように構成される。このような構成では、第１の変調ユニット１４０および第２の変調ユニット１５０の内部構成により、第１の変調コードに対する第２の変調コードの反転が行われ、一実装形態では、第１の変調ユニット１４０および第２の変調ユニット１５０は、統合されたインバータを有する単一の集積装置に設けられてもよく、単一の集積装置は、第１の変調コードのみを入力とし、第２の変調を必要とする。符号は、反転された第１の変調コードの形で、統合されたインバータによって単一の集積デバイス内に形成される。

光検出器１７０による検出に続いて、干渉信号をデジタル化することができる。次いで、第１および第２の光ビーム上の符号化は、遅延一致デジタル復調コードとの相関を介して回復され得る。復元された干渉信号からの位相情報は、逆正接を使用して直線座標から変換され、その演算は、リアルタイムまたは後処理で計算することができる。処理システムは、リアルタイムでこれらの計算を実行するように構成された１つまたは複数のフィールドプログラマブルアレイ（ＦＰＧＡ）または他の高速デジタル信号処理モジュールを含み得る。

いくつかの例では、処理システムは、干渉信号と第１の復調コードとの相互相関を実行して第１の復調信号を取得し、第１の復調信号と第２の復調コードとの相互相関を実行して第２の復調信号を得ることによって、第１のビームと第２のビームとの間の光位相差を決定する。第１の復調コードは、第１の時間シフト時間だけ時間シフトされた第１および第２の変調コードの線形および／またはスケーリングされた組み合わせであってもよく、一方、第２の復調コードは、第２の時間シフト時間だけ時間シフトされた第１および第２の変調コードの線形および／またはスケーリングされた組み合わせであってもよい。第１の時間シフト時間と第２の時間シフト時間は、第１の変調ユニット１４０と第２の変調ユニット１５０との間で光が伝搬するのに必要な時間により異なる。次いで、処理システムは、第２の復調信号から第１の光ビームと第２の光ビームとの間の光位相差を決定することができる。

第１の復調コードと干渉信号との相互相関、または第２の復調コードと第１の復調信号との間の相互相関は、相関する２つのコードが時間同期されるときに相関ピークを有することができる。他の遅延における相関に対する相関ピークの大きさは、他の遅延からのノイズの効果的な除去を決定する。いくつかの例では、例えば、第１及び第２の変調符号がｍ系列である場合には、第１及び第２の変調符号の符号長を長くすることで、相関ピークと他の遅延における相関とのコントラストを高めることができる。

システム１００は、デジタル強化ホモダイン干渉法（ＤＥＨｏＩ）システムと呼ばれることがある。デジタル強化ヘテロダイン干渉法（ＤＥＨｅｌ）システムとは異なり、ＤＥＨｏＩシステムは、周波数シフトされた局部発振器を必要とせず、信号フィールドの位相を走査し、システム１００が一例である、回転検知用途に使用されるサニャック干渉計を含む単一周波数干渉計に適合する。

さらに、周波数シフトされた局部発振器の必要性を除去することによって、ＤＥＨｏＩアーキテクチャは、通常、等価ヘテロダインベースのアーキテクチャよりも少ないハードウェア構成要素を必要とし、いくつかの例では、光学的に単純で、よりコンパクトで安価なシステムの構築を可能にする。

ＤＥＨｏＩシステムにおける光学的検出は、例えば、ＱＰＳＫコードのようなＩＱ空間内の４つの離散点でキャリア位相を符号化する４レベルの擬似ランダム符号で光キャリアを符号化することによって達成される。ＤＥＨｅｌと同様に、ホモダインバリアントはまた、完全な干渉読み出しを保持しながら、コードタイムオブフライトに基づく信号のゲーティングを可能にする。これにより、複数のインラインセンサーからの多重化された読み出し、散乱によるスプリアス電界の除去、および粗測距情報の抽出を含む、ＤＥＨｅｌによる改善された同一の改良が可能になる。

二次後方散乱低減
図３は、光ファイバサニャック干渉のための別の例示的なシステム２００を示す。システム１００の要素に加えて、システム２００は、レーザまたは他の狭帯域光源であってもよい光源１１０の代わりに光源２１０と、信号発生器２１２（例えば、第３の信号発生器）とを備える。光源２１０からの光は、信号発生器２１２によって生成された信号によって周波数変調されてもよい。光源２１０の周波数は、間接的に（例えば、光源２１０の出力に結合された光変調器によって）、または直接的に（例えば、光源２１２の動作パラメータを制御する信号発生器２１２によって）変調され得る。

システム２００の他の構成要素は、上述したシステム１００と同様である。

光源２１０の周波数を変調することは、二次レイリー後方散乱光または２重レイリー後方散乱（ＤＲＢＳ）を低減または抑制し得る。本明細書で説明される一次のレイリー散乱の除去により、光回路１３０におけるＤＲＢＳ干渉の飛行時間は、所望の信号経路から小さい方の遅延またはソースコヒーレンス長で、１つのコード要素内のいずれかに低減され得る。低減されたＤＲＢＳは、残留ＤＢＳと呼ばれる。

残留ＤＢＳを除去するために、光源２１０からの光のキャリア周波数（すなわち、中心光周波数）は、第１および第２の光ビームに分割される前に光周波数を離調することによって変調され、光回路１３０に入射し、光源２１０の周波数離調は、所望の信号に対してＤＲＢＳの位相ランプを生じさせ、測定帯域からＤＲＢＳをアップシフトさせて平均化し、干渉信号に対するその影響を抑制または低減する。

光源２１０の周波数を変調する信号生成ユニット２１２が生成する信号は、単一周波数の信号であってもよいし、トーンであってもよい。いくつかの例では、システム２００が、図４を参照して以下に説明されるような較正干渉計を備える場合など、光源２１０からの光は、光回路１３０（すなわちサニャックコイル）を伝搬するために必要な時間（τ_{Ｓａｇｎａｃ}）の逆数に対応する周波数（ｆ_ｍｏｄ）、すなわち、ｆ_ｍｏｄ＝１／τ_{Ｓａｇｎａｃ}により周波数変調される。他の例では、スペクトル幅を実質的に拡張し、光源からの光のコヒーレンス長を減少させる任意の変調周波数を使用して、光源２１０の周波数を変調することができる。

回転較正
図１に戻って参照すると、システム１００は、光回路１３０を伝搬する光の周波数（すなわち、第１および第２の光ビームの周波数）に対する光源１１０の光の周波数のシフトまたはドリフトを検出するように構成された較正干渉計をさらに備え得る。較正干渉計は、以下に説明するようなアーム長差干渉計であってもよい。処理システムは、第１の光ビームと第２の光ビームとの間の光位相差に基づいて、さらに、検出された光源１１０の光の周波数のシフトに基づいて、光回路１３０の回転運動を決定するように構成されてもよい。

ジャイロスコープスケールファクタは、光位相差と光回路１３０の回転運動との間の関係を較正するために使用され、ジャイロスコープスケールファクタは、両方が変化する可能性がある光回路１３０の光路長および光源１１０の中心周波数に依存し得る。長いアーム長差干渉計であってもよい較正干渉計をシステム１００に統合することによって、ジャイロスコープスケールファクタの独立した尺度が得られ、サニャックコイルの中心光周波数および／または光路長の変化によるドリフトの補償を可能にする。

図４は、光ファイバサニャック干渉法のための別の例示的なシステム３００を示す。システム３００は、上述したシステム１００の同じ構成要素を含む。システム３００はさらに、光源１１０の光の周波数のシフトを検出するように構成されたアーム長差干渉計であってもよい較正干渉計３１０を備える。

較正干渉計３１０は、光カプラ３２０と、第１の光導波路３３０と、第２の光導波路３４０と、光コンバイナ３５０とを備え、光カプラ３２０は、２つの入力ポートと２つの出力ポートとを備える。光カプラ３２０の第１の入力ポートは、光源１１０に動作可能に結合され、光源１１０からの光の一部を含む第１の基準信号を受信するように構成される。光カプラ３２０の第２の入力ポートは、光スプリッタ１２０に動作可能に結合され、光回路１３０を通過した第１および第２の光ビームの一部を含む第２の基準信号を受信するように構成され、光カプラ３２０の第１の出力ポートは、第１の光導波路３３０に動作可能に結合され、一方、光カプラ３２０の第２の出力ポートは、第２の光導波路３４０に動作可能に結合される。

第１の光導波路３３０及び第２の光導波路３４０は、それぞれ、第１の端部において、第１の光導波路３３０が第１の基準信号を導波し、第２の光導波路３４０が第２の基準信号をガイドするように、光カプラ３２０に動作可能に結合される。第１の光導波路３３０および第２の光導波路３４０は、それぞれ、第２の端部において、第１および第２の基準信号を結合するように構成された光コンバイナ３５０に動作可能に結合される。

較正干渉計３１０は、第１の光導波路３３０および第２の光導波路３４０に光コンバイナ３５０を介して動作可能に結合された光検出器３６０（例えば、第２の光検出器または較正検出器）をさらに含み、検出器３６０は、第１および第２の基準信号がそれぞれ第１の光導波路３３０および第２の光導波路を通過した後に、第１および第２の基準信号を検出するように構成されている。

処理システムは、較正信号を光検出器３６０から受信するようにさらに構成される。較正信号は、光検出器３６０における干渉による第１および第２の基準信号の重畳または組み合わせを含み得、したがって、第１の基準信号と第２の基準信号との間の周波数差（または周波数ドリフトによる位相差）を示すか、または表すことができる。処理システムは、較正信号に基づいて光源１１０の光の周波数のシフトを決定するようにさらに構成される。

較正干渉計３１０は、第１および第２の基準信号の周波数を比較することを可能にする。これらの信号の両方が同じ光源１１０から発生するが、それらは異なる時間に発生する。これらは、２つの信号のうちの最近である第１の基準信号と異なる距離を移動するので、同時に光検出器３６０に到達することができる。第１の光導波路３３０を介して光源１１０から光検出器３６０に進み、第２の基準信号は、光源１１０から光回路１３０及び第２の光導波路３４０を介して光検出器３６０に向かう。第１および第２の基準信号によって移動される経路の差は、較正干渉計３１０がアーム長差干渉計と呼ばれ得る理由であるが、較正干渉計３１０のアームは第１の光導波路３３０および第２の光導波路３４０に限定されない。光検出器３６０に到達するために第１および第２の基準信号が伝播する光学回路１３０およびシステム３００の任意の他の要素を含むが、第２の基準信号は、光検出器３６０に到達する前に長い経路を移動するので、第１の基準信号に対して遅延しているとして見ることができる。遅延の大きさは、いくつかの例では、光が光回路１３０を横切るのに必要な時間と実質的に等しい。光源１１０による第１の基準信号と第２の基準信号の生成の間の時間間隔にわたって生じる光源１１０の周波数における任意のシフトまたはドリフトは、較正干渉計３１０によって検出され得る。

いくつかの例では、第１の光導波路３３０および第２の光導波路３４０は、同じ長さを有する。例えば、長さが１０ｃｍ以下であってもよい。他の例では、第１の光導波路３３０と第２の光導波路３４０とは、長さが異なる。

したがって、光検出器３６０は、２つの基準信号の間の位相進化を測定するために使用され得る、第１および第２の基準信号の代数和を測定する。光検出器３６０における位相の変化は、第１および第２の基準信号によって走行される周波数および光路長の変化の両方に線形に比例する。いくつかの例では、第２の基準信号が通過する経路と比較して、第１の基準信号によって横断される経路の無視できる長さのため、光路長の差は、主に、光回路１３０または光ファイバ１６０の長さに起因する。周波数及び光路長の組み合わせ効果は、ジャイロスコープスケールファクタをリアルタイムで調整し、サニャックコイル長に対する光源１１０の中心周波数ドリフトを補償するために使用され得る。

較正干渉計３１０は、レーザ周波数ノイズに起因し得る光源１１０の周波数のシフトを測定するために使用され得る。第１および第２の基準信号によって横断される経路間の長さ差ΔＬ（ｔ）に依存する周波数シフトΔｆ（ｔ）の結合は、以下のように、スケールファクタ干渉計位相Δφ_ＳＦに関して記述され得る。

ここで、ｎは光ファイバ１６０の屈折率である。

ジャイロスコープスケールファクタは、以下のように表すことができる。

ここで、Ａは光ファイバ１６０のループまたはコイルによって規定される領域であり、Ｎは光ファイバ１６０のループ数であり、Ω（ｔ）は光回路１３０の回転運動（例えば回転速度）であり、Δφ_{ｓａｇｎａｃ}は第１および第２の光ビーム間の測定された光位相差であり、λは光源１１０からの光の光波長である。

第１および第２の基準信号が通過する経路間の長さ差ΔＬ（ｔ）が、光ファイバ１６０の長さＬ_ｃｏｉｌと実質的に等しい場合、ファイバループの数ＮをＬ_ｃｏｉｌ／２πｒで置き換えることができる。そうして式２を次のように書き換えることができる。

回転運動の測定における光周波数ドリフトの影響は、式１および式３を組み合わせることによって考慮することができる。

式１は、ΔＬ（ｔ）に対する動的変化の関数であるので、この補正は、光源１１０の光周波数の変化だけでなく、光ファイバ１６０、Ｌ_ｃｏｉｌ、及び屈折率ｎの長さの変化を含む光路長の変化に対しても考慮される。

実装的には、このプロセスは、リアルタイムで実行することができ、または後処理補正のためのデータを記憶することによって実行することができる。前者の場合、スケールファクタ干渉計位相Δφ_ＳＦの測定を処理してΔｆ（ｔ）の測定を提供することができる。これは、ΔＬ＝Ｌ_ｃｏｉｌを用いた式１によってである。得られた周波数シフトは、式４に従って光源１１０の既知の中心周波数ｆに加えることができる。

後処理が好ましい場合、スケールファクタ位相およびサニャック位相の時間同期測定を記録することができ、その後、回転運動をオフラインで計算することができる。いずれの場合においても、主要要件は、２つの位相測定値が時間同期化されることである。

偏光補償
図５は、光ファイバサニャック干渉法のための別の例示的なシステム４００を示す。システム４００は、光源４１０と、光源４１０からの光を第１の光ビームと第２の光ビームとに分割するように構成された光スプリッタ４２０とを備える。

システム４００は、第１変調ユニット４４０と、第２変調ユニット４５０と、第１変調ユニット４４０に並列に接続された第３変調ユニット４４５と、第２変調ユニット４５０と並列に接続された第４変調ユニット４５５と、光ファイバ４６０とを含む光回路４３０をさらに備える。光ファイバ４６０の第１の端部は、第１の変調ユニット４４０および第３の変調ユニット４４５に動作可能に結合され、一方、光ファイバ４６０の第２の端は、第２の変調ユニット４５０および第４の変調ユニット４５に動作可能に結合され、光回路４３０は、第１および第２の光ビームが光回路４３０を反対方向に横切るように、光スプリッタ４２０に動作可能に結合される。

光回路４３０は、第１および第２の光ビームの一部の偏光を第１の偏光状態に制御し、第１および第２のビームの他の部分の偏光を第２の偏光状態に制御するように構成された偏光制御素子４７０をさらに含む。このようにして、第１の光ビームは、２つの偏光状態（すなわち、第１および第２の偏光状態）で光回路４３０を横切り、同様に、第２の光ビームは、２つの偏光状態で光回路４３０を横切る。

第１の偏光状態の第１の光ビーム及び第２の光ビームの一部は、第１及び第２の光ビームのパワーの分数（例えば、半分又は第３の又は任意の他の実質的な分数）を含んでもよい。次いで、第２の偏光状態の第１および第２の光ビームの一部は、第１および第２の光ビームの残りの電力を含む。

第１変調ユニット４４０及び第２変調ユニット４５０は、第１偏光状態の第１及び第２光ビームの一部を変調するように構成されている。第１の変調ユニット４４０は、第１の信号生成ユニット４８０により生成された第１の変調コードで通過する光を変調するものであり、第２の変調ユニット４５０は、第２の信号生成ユニット４８２により生成された第２の変調コードで通過する光を変調するように構成されている。

第３変調ユニット４４５及び第４変調ユニット４５５は、第２偏光状態の第１及び第２ビームの一部を変調するように構成されている。第３の変調ユニット４４５は、第３の信号生成ユニット４８４によって生成された第３の変調コードで通過する光を変調するとともに、第４の変調ユニット４５５は、第４の信号生成ユニット４８６によって生成された第４の変調コードで通過する光を変調する。

第１、第２、第３、第４の変調コードは、それぞれ、第１、第２、第３、第４の変調コードの他の変調コードと異なっていてもよい。

システム４００は、第１および第２の光ビームが光回路４３０を横切って射出された後に、第１および第２の光ビーム（両方の偏光状態）を検出するように構成された光検出器４９０をさらに備える。

システム４００は、光検出器４９０からの干渉信号を受信するように構成された処理システム（図示せず）をさらに含み、干渉信号は、第１および第２の光ビームの重畳または組み合わせを含む場合があり、したがって、第１の光ビームと第２の光ビームとの間の光位相差を示すか、または表すことができる。処理システムは、第１、第２、第３および第４の変調コードに基づいて干渉信号を復調することによって、光回路４３０の偏光伝達関数または特性を決定し、偏光伝達関数に基づいて第１および第２の光ビーム間の光学位相差を決定するようにさらに構成される。

図１のシステム１００を参照して上述したように、ゼロ時間シフトのために、第１の変調コード、または第２の変調コード、または第３の変調コード、またはそれ自体の時間シフトされたバージョンとの第４の変調コードの相関が最大である。したがって、各変調コードは、実質的に無相関であるか、またはいくつかの例では、それ自体の非ゼロ時間シフトされたバージョンと直交して相関される。

いくつかの例では、第１の偏光状態と第２の偏光状態とは、互いに直交する。他の例では、第１の偏光状態と第２の偏光状態とは、互いに直交しない。

偏光制御素子４７０は、１つ以上の偏光制御器、偏光スプリッタ、および偏光結合器を含むことができる。偏光制御要素４７０は、入力ポート、出力ポート、または変調ユニットの入力ポートおよび出力ポートの両方に動作可能に結合され得る。偏光制御素子４７０は、第１の偏光状態の光を第３の変調ユニット４４５および第４の変調ユニット４５５に入射させ、第２の偏光状態の光を第１の変調ユニット４４０および第２の変調ユニット４５０に入射させる。

いくつかの例では、偏光伝達関数は、光回路４３０のためのジョーンズ行列を含み、第１、第２、第３および第４の変調コードに基づく干渉信号の復調は、２つの光ビームのそれぞれの２つの偏光状態の順列である４つの別個の値または測定値をもたらす（例えば、第１の光ビームの２つの偏光状態をＳＩ及びＰｌとし、第２の光ビームの２つの偏光状態をＳ２及びＰ２とすると、光検出によって生成される４つの順列は、Ｓ１Ｓ２、Ｓ１Ｐ２、Ｐ１Ｓ２及びＰ１Ｐ２を含む。）次いで、処理システムは、これらの測定値のそれぞれを復調し、光回路４３０のためのジョーンズ行列の行列式の位相を計算することもできる。

システム４００は、光回路４３０にわたる偏光変化のリアルタイム測定を提供し、これらの偏光変化の集合は、第２の光ビームの経路に対する第１の光ビームの経路のジョーンズ行列（または別の偏光伝達関数）によって表される。４つの可能な出力コードの組み合わせで復調することによって、システム４００は、すべての関連する変化を入力偏光状態に回復する。

ジョーンズ行列式行列式角度（ａ．ｄ－ｂ．ｃ）の位相を測定することによって、システム４００は、干渉信号からの偏光変化を除去または緩和し、したがって、偏光雑音および偏光フェージングを実質的に含まない光検出器４９０における干渉信号を回復する。ジョーンズ行列式行列式位相測定は、光の偏光状態を変化させるスプリアス磁界に起因する任意のファラデー効果と代数的に独立している。

システム４００は、光回路４３０内に偏光維持光ファイバの使用を必要としないが、標準的なシングルモードファイバコイルが光回路４３０に使用されている場合であっても、ジョーンズ行列決定相を測定する際に、すべての偏光変動または進化を後処理で追跡および除去することができる。

光ファイバサニャック干渉のための方法
図６を参照すると、光ファイバサニャック干渉のための例示的な方法６００が示されている。方法６００は、光源から光を取得するステップ６１０と、光源からの光を第１の光ビームと第２の光ビームとに分割するステップ６２０とを含む。

方法６００は、第１の光ビームを第１の変調コードで変調し、第２の光ビームを第２の変調コードで変調することによって第１の変調処理を実行するステップ６３０をさらに含む。第２の変調コードは、第１の変調コードとは異なる。

第１の変調コードとそれ自体のタイムシフトされたバージョンとの相関は、ゼロ時間シフトのために最大である。第２の変調コードとそれ自体のタイムシフトされたバージョンとの相関は、ゼロ時間シフトのために最大である。

ステップ６３０の後、方法６００は、第１および第２のビームを同時に反対方向に光ファイバを横断させるステップ６４０を含む。

ステップ６４０の後、方法６００は、第１の光ビームを第２の変調コードで変調し、第２の光ビームを第１の変調コードで変調することによって第２の変調プロセスを実行するステップ６５０を含む。

ステップ６５０の後、方法６００は、第１及び第２の光ビームを光検出器で検出し、第１及び第２の光ビーム間の光位相差を示す干渉信号を生成するステップ６６０を含む。

方法６００は、第１および第２の変調コードに基づいて干渉信号を復調することによって光位相差を決定するステップ６７０をさらに含む。ステップ６７０は、処理システムによって実行され得る。

ＱＰＳＫ－干渉信号を用いた実装
本セクション及び以下のセクションは、図１に示すシステム１００が、光回路を横断した後に第１及び第２の光ビームによって取得された位相差を測定するために、直交する擬似ランダムＱＰＳＫコード及び光検出器でどのように復号化されてもよいかを説明する。

ＱＰＳＫは、ＱＰＳＫ変調符号の状態に基づいて、光キャリアの位相を４つの位相値のうちの１つずつシフトさせる位相変調技術である。４つの位相値は、π／２ラジアンだけ離れていてもよい。図７は、π／４、３π／４、－３π／４、および－π／４の位相値を含む、ＱＰＳＫ変調のための例示的な位相コンステレーションを示す。

単一の擬似ランダムＱＰＳＫコードは、２つのバイナリ擬似ランダムコードまたはシーケンス、Ｐ_Ｉ（ｔ）およびＰ_Ｑ（ｔ）によって表され得る。以下の表１は、光キャリアのＱＰＳＫ位相値に、例示的なマッピングバイナリ列Ｐ_Ｉ（ｔ）およびＰ_Ｑ（ｔ）を提示する。

ＱＰＳＫ符号は、それを構成する２つのバイナリコードと同じチップ周波数および長さを保持する。ＱＰＳＫ（またはバイナリ）符号の長さは、Ｎがビット数である２^Ｎ－１によって与えられる。例えば、図８は、それぞれ３ビットの長さを有する２つの例示的なバイナリコード、Ｐ_Ｉ（ｔ）およびＰ_Ｑ（ｔ）、および２つのバイナリコードに起因する対応するＱＰＳＫコードを示す。得られたＱＰＳＫ符号も３ビット長である。さらに、２つの擬似ランダム２進シーケンスによって生成されるＱＰＳＫコードもまた、擬似ランダムであり、２つのバイナリシーケンスのように、それ自体のタイムシフトされたバージョンとは無相関である。

光キャリアのＱＰＳＫ変調は、電気光学変調器、音響光学変調器などの変調器で行うことができる。

電気光学変調器は、１００ＭＨｚ以上の順序で高速変調周波数を可能にし得る。位相シフトの大きさは、変調器に印加される電圧に比例し、それは、特定の変調器の伝達関数に較正されて、その変調が光キャリア内で正確な位相シフトを生成することを確実にする。電気光学変調器は、多機能集積光学チップなどの集積フォトニックデバイスによって実装され得る。

音響光学変調器は、通常、周波数シフトを導入するために使用され、名目上、これらの変調器の駆動周波数は固定され、固定された周波数シフトを光キャリアに与える。しかし、駆動周波数の位相を制御することで、周波数シフトに加えて正確な位相シフトを適用することができる。

システム１００の動作を考慮する前に、第２の変調ユニットの存在を除いてシステム１００に相当する簡略化されたシステムが考えられる。すなわち、簡略化されたシステムでは、第１及び第２の光ビームは、第１の変調ユニットのみによって変調される。第２の変調器の効果についてさらに説明する。

ＱＰＳＫ変調に続く連続波（ＣＷ）電界Ｅ（ｔ）は、以下のように表すことができる。

ここで、Ｃ_Ｉ（ｔ）およびＣ_Ｑ（ｔ）は、ＱＰＳＫ変調符号の状態に応じて１または－１の値をとることができる。

システム１００では、第１及び第２の光ビームの両方が第１の変調ユニットによって変調される。しかしながら、２つのビームは、光回路を逆方向に移動するため、変調の時間は、２つのビームの間で異なる。具体的には、第２の光ビームは、光回路に入る直前に変調され、一方、第１のビームは、光回路に入射するとすぐに変調され、光回路（すなわち、サニャックコイル）を横断する際に、τ_Ｓの時間遅延をそのまま蓄積する。したがって、第１のビームＥ_１（ｔ）および第２のビームＥ_２（ｔ）の電界は、以下のように表すことができる。

ここで、２つの変調コードは、光回路の光ファイバの長さの関数である一定の飛行時間遅延τ_Ｓだけ遅延している。２つのフィールド間の対応するコード遅延は、光検出器に存在する２つの一意のＱＰＳＫコードをもたらし、ひとつは第１の光ビーム用、もうひとつは第２の光ビーム用である。

光検出器、ＰＤ上の光パワーは、２つのフィールドの重ね合わせのモジュラス二乗によって与えられる。信号または局部発振器フィールド上に変調されたＩおよびＱバイナリコードの組み合わせを表す、復調プロセスに使用される１次コード項は、以下に示される。

上記の式から分かるように、光検出器の出力は二重に変調される。したがって、第１光ビームと第２光ビームの間の光位相差Δφ（ｔ）を抽出するには、２段階、すなわち二重復調のプロセスが必要である。

単一変調器実装のための二重復調
デジタル化に続いて、干渉信号は、元のＱＰＳＫ変調コードの２つのコピーに相関することによって復号される。２つの復調コードは、２つの固有の遅延τ_ｉ、τ_ｊによってタイムシフトされる。ＱＰＳＫ符号は、Ｉ、Ｑの直交位相で２つのバイナリコードに分解することができ、２つの復調遅延が存在するため、以下に列挙するように、復号化操作の４つの順列が存在する。

本例では、τ_ｉ＝０、τ_ｊはコイル遅延、τは光が光回路の光ファイバを横切る時間である。これらの符号の組み合わせから、復調処理の物理的意味を推定することができる。ＩＩ及びＱＱコードによる復調は、時間シフトされたバージョンと干渉するＩ及びＱコードを表す。換言すれば、それらの間に相対的な位相シフトを有さず、したがって、干渉信号の同相成分を表す。残りの２項、ＩＱおよびＱＩは、１つのコードの別の干渉を表す。これらの断面は、π／２の相対的な位相シフトを伴って互いに干渉し、したがって干渉信号の直交成分を表す。

復調コードをデジタル化された光検出器出力に適用することは、可能な投影の各々を表す以下の４つの自己相関関数の結果をもたらす

ここで、Ｌ_ｃｏｄｅは、ＱＰＳＫ符号の符号長であり、Ｐ_Ｄ１（ｔ）は、光検出器が出力するデジタル化された干渉信号である。

４つのＩＱ投影のそれぞれについての次の式は、符号長で積分することによって自己相関を計算することによって得ることができる。

ここで、Ａ_ｉｊは、遅延τ_ｉとτ_ｊの符号の自己相関の大きさを表す。係数βは、各サンプルのデジタル化された振幅によって与えられる。この相関は、２つの復調遅延が２つの検出符号の遅延に等しい場合、すなわちτ_ｉ＝０、かつ、τ_ｊがコイル遅延τである場合に最大化される。他の遅延については、時間遅延コードの相関特性は相関が小さく、その遅延でのノイズは最小化される。

この相関処理をデジタル信号処理で実現するために、ビニングビニングと呼ばれる手法を用いてもよい。ビニング方法は、図９に示すように、上記の表１に記載された事前に決定されたＱＰＳＫロジックを使用して、受信したサンプルを特定の測定直交位相に相関させ、その後、サンプルは、後に結合され、または特定の直交位相に関連付けられる。

ビニングアーキテクチャは、入力された復調ＱＰＳＫコードを使用して、入射サンプルをＩＱ投影に分類する。ビニング処理に続いて、各チャネル内のサンプルは、符号長にわたって積分され、４つの投影のそれぞれについて平均値をもたらす。復調コードの遅延が光遅延と一致する場合、変調コードによって与えられた投影は、正確に識別され、適切にソートされ、積分は、各直交位相についての平均値をもたらす。遅延が受信されたコードと一致しない場合、ビニング処理は、受信されたコードによって与えられる位相投影と相関せず、積分平均後の結果の出力は、変調符号がｍ系列であると仮定して、Ｌ_ｃｏｄｅは符号長であり、１／Ｌ_ｃｏｄｅに平均化される。

図９に示すように、復調コードが受信されたコードに一致する場合、このプロセスは、サンプルを正確に分離する。復調符号が受信符号と位相がずれている場合、同じ処理は他のＱＰＳＫ符号との再符号化に相当し、復調処理は誤って復号された信号を広帯域ノイズとして拡散させる。

復調コードを定義する１つの方法は、位相投影におけるπ／４位相シフトの整数倍である。例えば、Ｉ直交における測定に係るサンプルは、＋π／４位相シフトに相当し、＋π／４位相シフトは＋１シフトと定義される。単一変調器システムに使用される４つの投影は、以下のものである。

ビニング動作は、一度に１つの符号を復調することができる。ダブル復調を行うためには、これらのビニング動作の２つをカスケード接続する。完全なアーキテクチャは、図１０に示されており、第１のビニング段階の出力は、各矩形波に対して１つずつ、４つの項を生成する。Ｉ項および－Ｉ項を減算すると、第１の復調段の全同相成分が返される。全直交位相成分も、同様に計算することができる。Ｉ／Ｑデータストリームは、第２の復調段の２つの並列ビニング動作に入力される。並列の第２段階の両方は、上述のようにＩＩ、ＩＱ、ＱＩ及びＱＱの４つの組み合わせを表すＩ及びＱ出力を生成する。

復調処理の最終段階は、平均化処理であり、平均化処理は、符号長にわたって統合される平均化フィルタによって実施され得る。例示的な平均化フィルタは、デシメーションフィルタを含むが、これらに限定されない。これは、上述したように相関を決定するために必要な符号長の総和として機能する。

二重復調処理における最終ステップは、全位相投影の回復である。位相器の同相Ｉ成分またはＩ成分は、ＩＩおよびＱＱ投影で表され、一方、残りのクロス項、ＩＱおよびＱＩ投影によって表される直交位相またはＱ成分で表される。これらの成分のベクトル和を計算することにより、以下の位相投影を得ることができる。

したがって、直交位相成分および同相成分の逆正接は、２つの構成要素の間の位相差Δφ（ｔ）をもたらす。

図１０は、二重復調処理を実行するために、対応する構成されたリアルタイム処理モジュール（例えば、ＦＰＧＡ）によって実装され得る信号プロセッサのアーキテクチャを示す。デジタル化に続いて、入力は、図９の例に示されるように、基準遅延ＱＰＳＫコードに従って結合され、第１の復調は、位相器を基準フィールドのフレームに回転させることに相当する。第２の復調は、参照フィールドのＩＱ投影に対する信号フィールドの投影を計算する。得られた４つの投影（ＩＩ、ＱＱ、ＩＱ、ＱＩ）を用いて、式（２１）に従って、２つのフィールド間の位相差の最終的なＩＱ投影を再構成し、次に、式（２２）を用いて位相を計算する。

デュアル変調器実装のための二重復調
デュアル変調型ジャイロスコープでは、サニャックコイル内に２つの変調ユニットが存在する。２つの光ビーム（第１及び第２の光ビーム又はＣＷ及びＣＣＷ）があるので、各符号化された２つの光ビームは、４つの直交ＱＰＳＫ符号が検出され、復号を必要とする。２つの変調コードは、一方の変調コードを他方の変調コードに対してデジタル的に遅延させることによって作成することができる。

４つのコードの全てを別々に復調するアーキテクチャを開発する代わりに、第１および第２のビームのそれぞれについて、２つの複合コードを考慮することができる。２つのＱＰＳＫ変調コードについては、Ｍ_ｃｗ（ｔ）およびＭ_ｃｃｗ（ｔ）については、第１および第２の光ビームのための複合変調コードを次のように書くことができる。

ここで、τは、第１の変調ユニットと第２の変調ユニットとの間の光遅延（すなわち、コイル遅延）である。干渉計は、４つの変調コードの各々からの寄与を含む第１および第２の光ビーム間の光位相差を測定する。

これらの複合コードを復調するために、デジタルコードが生成され（上述した単一変調器のケースと同様）、これを使用して、サンプルを所望の測定直交度にビニングすることができる。ビニング操作を成功させるためには、２つの変調コードのすべての組み合わせによって与えられる位相シフトを決定しなければならない。

図１１は、第１および第２の変調ユニットの組み合わせによって与えられる可能な位相シフトの位相コンステレーションを示す。第１の変調ユニットは、図７と同じ４点位相コンステレーションを与え、次に、第２の変調ユニットは、これをπ／４の奇数整数倍で回転させ、ｎ／２の整数倍である全位相回転をもたらす。正および負の位相シフトを考慮すると、位相シフトの可能な組み合わせが７通りある。しかしながら、これらの組み合わせは、縮退ペア（例えば、ｎ／２と－３π／２、πと－π）である。

二重変調処理によって生成されたｎ／２位相シフトの総数を追跡するようにビナーロジックを変更する場合、生成コードＭ_ｃｗ（ｔ）およびＭ_ｃｃｗ（ｔ）のスケーリングされた線形結合を、論理スイッチの入力として使用することができる。これらの符号の各々がπ／４の整数倍の位相シフトを有するので、復調用のπ／２スケーリング複合コードは、次のように記述することができる。

また、Ｄｅｍｏｄ_２（ｔ）についても同様である。次いで、復調コードの値を使用して、全ての７つの位相投影組合せを復調するために、以下の論理演算を定義することができる。

上記ビニング論理に続いて、復調アーキテクチャの残りの部分は、図１０に示されるものに続く。

デュアル反対称変調器の実装
ジャイロスコープ変調器は、多機能光チップ（ＭＩＯＣｓ）として知られているフォトニックチップに埋め込まれてもよい。これらのチップは、共通の電気的接続を共有する導波路カプラ／スプリッタおよび２つの変調器を収容する。結果として、差動方式で変調するように構成されており、一方の変調器の位相シフトは、他方の位相シフトの負である。このセクションは、システム１００内のＤＥＨｏＩコンステレーションがこの構成で機能させる方法について概説する。

サニャックループに２つの反対称変調ユニットを有するシステムのためのＣＷおよびＣＣＷ複合変調コードは、以下のように記述することができる。

したがって、第１の光ビームＣＷ_ＱＰＳＫ（ｔ）の変調は、第２の光ビームＣＣＷ_ＱＰＳＫ（ｔ）の変調を反転コピーしたもの、すなわち、ＣＷ_ＱＰＳＫ（ｔ）＝－ＣＣＷ_ＱＰＳＫ（ｔ）である。

干渉計が第１のビームと第２のビームとの間の光位相差を測定すると、この場合のＱＰＳＫ変調に起因する位相差は、π深度変調をもたらす。これは、第１の光ビームと第２の光ビームとの間のＱＰＳＫ位相差を計算することによってわかる。

式２９の係数２を補償するためには、変調深度をπ／４の倍数からπ／８の倍数に半減する必要がある。変調単位ごとにπ／８変調深度を用いることにより、π／４変調深度をもたらす複合コードを構築することができ、干渉計の差は、４つの全ての矩形を再びマップすることになる。しかし、図１２に示されるように、位相コンステレーションは７点コンステレーションとなる。８番目の固有位相点は存在せず、最大位相変動は、±３π／８±３π／８となり、π位相まで到達していない。

前述のデュアル変調器のケースと同様に、ＣＷ_ＱＰＳＫ（ｔ）およびＣＣＷ_ＱＰＳＫ（ｔ）変調されたフィールドのための複合復調コードを構築することができる。復調コードは、変調コードのスケーリングされた線形結合に関して記述することができる。これにより、整数のπ／４位相ステップをマッピングする復調コードが得られる。

このシステムのビニングアーキテクチャを策定するために、まず復調のための基礎を選ぶ。事前に考慮されたデュアル変調器システムと同じ基底を続けると、ｘ軸はＩ直交とみなることができ、ｙ軸はＱ直交とみなすことができる。基底軸（０、π／２、３π／２）に沿ったコンステレーションについては、それぞれの直交位相に直接ビニングすることができる。ｎ／４シフトに換算すると、この量は、以下の論理演算になる。

軸外コンステレーション点は、２つの寄与する直交位相間で均等に分割することができる。これにより、軸外コンステレーション点について以下のビニング条件が生成される。

これらの投影を収容するように設計されたビナーでは、復調プロセスの残りは、前のセクションに記載された他のプロセスと同じプロセスに従う。

デュアル変調器実装およびデュアル反対称変調器実装における復号化プロセスは、２つの複合復調コードを用いた相関を伴うものとして説明されているが、代わりに、数学的に同等の代替の複合コードが使用されてもよい。あるいは、複合コードの代わりに追加の復調ステージを使用してもよい。いくつかの例では、上記の動作の任意の組み合わせを使用して、同じ符号化または復号結果を得ることができる。

インタープリテーション
本発明の範囲から逸脱することなく、当業者には多くの修正が明らかであろう。

本明細書の図またはテキスト中の「／」の存在は、特に断りのない限り、「および／または」を意味することが理解される。本明細書の特定の数値または値範囲の記載は、例えば、±２０％、±１５％、±１０％、±５％、±２，５％、±２％、±１％、±０．５％、また±０％以内といった近似数値または値域の記載を含むかまたは記載であると理解される。用語「本質的に全て」又は「実質的に」は、９０％以上、例えば、９２．５％、９５％、９７．５％、９９％、又は１００％の割合を示すことができる。

本明細書における、任意の先行出版物（またはそれに由来する情報）、または既知の事項への言及は、先行出版物（またはそれに由来する情報）または既知の事項が、本明細書が関連する努力の分野における一般的な技術知識の一部を形成することを認めるものではなく、また認めるとみなすべきではなく、いかなる形態の示唆もない。

本明細書および以下の特許請求の範囲を通じて、文脈がそうでないことを要求しない限り、「ｃｏｍｐｒｉｓｅ」、「ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ」「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ」などの変形は、記載された整数またはステップまたは整数またはステップのグループを含むことを意味し、他の整数またはステップまたは整数またはステップのグループを排除しないものと理解することができる。

Claims (21)

1. 光ファイバサニャック干渉用のシステムであって、
   光源と、
   前記光源からの光を第１の光ビームと第２の光ビームとに分割するように構成された光スプリッタと、
   第１の変調ユニットおよび第２の変調ユニット、前記第１の変調ユニットおよび前記第２の変調ユニットの間に動作可能に結合された光ファイバを含む光回路であって、前記光回路は、前記第１の光ビームおよび前記第２の光ビームが、前記光学回路を反対方向に横切るように前記光スプリッタに動作可能に結合され、前記第１の光ビームは、前記第２の変調ユニットによって変調される前に前記第１の変調ユニットによって変調され、前記第２の光ビームは、前記第１の変調ユニットによって変調される前に、前記第２の変調ユニットによって変調され、前記第１の変調ユニットは、第１の変調コードによって、それを通過する光を変調するように構成され、前記第２の変調ユニットは、前記第１の変調コードとは異なる第２の変調コードによって、そこを通過する光を変調するように構成されている、ところの光回路と、
   前記第１および第２の光ビームが前記光学回路を横切った後、前記第１および第２の光ビームを検出するように構成された光検出器と、
   前記第１および第２の光ビーム間の光位相差を示す干渉信号を前記光検出器から受信し、かつ、前記第１および第２の変調コードに基づいて、前記干渉信号を復調することにより、前記光位相差を決定するように構成された処理システムと
   を備え、
   前記第１の変調コードと、それ自身の時間シフトされたバージョンとの相関は、ゼロ時間シフトに対して最大であり、
   前記第２の変調コードと、それ自身の時間シフトされたバージョンとの相関は、ゼロ時間シフトに対して最大である
   ことを特徴とするシステム。
2. 前記第２の変調コードは、前記第１の変調コードと実質的に相関せず、前記第２の変調コードは前記第１の変調コードの時間シフトされたバージョンである、ことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
3. 前記時間シフトの前記間隔は、前記第１の変調コードの記号の間隔と等しいか、または長い、ことを特徴とする請求項２に記載のシステム。
4. 前記時間シフトの前記間隔は、前記光源のコヒーレンス時間より長い、ことを特徴とする請求項２に記載のシステム。
5. 前記時間シフトの前記間隔は、前記第１の変調ユニットと前記第２の変調ユニットとの間で伝搬する光に要求される量の時間より長い、ことを特徴とする請求項２に記載のシステム。
6. 前記第２の変調コードは、前記第１の変調コードの反転バージョンである、ことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
7. 前記第１および第２の変調コードは、疑似ランダムノイズコードである、ことを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載のシステム。
8. 前記第１および第２の変調コードは、４つのレベルの疑似ランダムノイズコードである、ことを特徴とする請求項７記載のシステム。
9. 前記第１および第２の変調ユニットは、そこを通過する光に直交位相偏移（ＱＰＳＫ）変調を実行するように構成されている、ことを特徴とする請求項８に記載のシステム。
10. 前記第１および第２の変調コードのチップ周波数は、前記光源の相対的強度ノイズの帯域幅と等しいか、または高い、ことを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載のシステム。
11. 前記処理システムが、
    第１の復調信号を得るために、前記第１の復調コードによって前記干渉信号のクロス相関を実行し、
    第２の復調信号を得るために、第２の復調コードによって前記第１の復調信号のクロス相関を実行し、
    前記第２の復調信号から前記第１および第２の光ビームの間の前記光位相差を決定する、
    ようにさらに構成されることにより、前記光位相差を決定するように構成され、
    前記第１の復調コードは、第１の時間シフト間隔によって時間シフトされた前記第１および第２変調コードの線形組み合わせであり、
    前記第２の復調コードは、第２の時間シフト間隔によって時間シフトされた前記第１および第２の変調コードの線形組み合わせであり、
    前記第１の時間シフト間隔および前記第２の時間シフト間隔は、前記第１の変調ユニットおよび前記第２の変調ユニットとの間を伝搬するのに光に必要な量の時間だけ異なる
    ことを特徴とする請求項１から１０のいずれか一項に記載のシステム。
12. 前記光回路が回転可能であるように構成された回転センサをさらに備え、前記処理システムは、前記光位相差に基づいて、前記光回路の回転移動を決定するようにさらに構成されている、ことを特徴とする請求項１から１１のいずれか一項に記載のシステム。
13. 前記光回路内を伝搬する光の周波数に対する、前記光源の前記光の周波数のシフトを検出するように構成された較正干渉計をさらに備え、前記処理システムは、前記光源の前記光の周波数の検出されたシフトおよび前記光位相差に基づいて、前記回転移動を決定するようにさらに構成されている、ことを特徴とする請求項１２に記載のシステム。
14. 前記較正干渉計は、
    第１の基準信号および第２の基準信号を受信するように構成された光カプラであって、前記第１の基準信号は、前記光源からの前記光の一部からなり、前記第２の基準信号は、前記光回路を横切った前記第１および第２の光ビームの一部からなる、ところの光カプラと、
    前記光カプラと動作可能にそれぞれ結合された第１の光導波路および第２の光導波路であって、前記第１の光導波路は、前記第１の基準信号を案内し、前記第２の光導波路は前記第２の基準信号を案内する、ところの第１の光導波路および第２の光導波路と、
    前記第１および第２の基準信号が前記第１および第２の光導波路をそれぞれ横切った後、前記第１および第２の基準信号を検出するように構成された光検出器と
    を備え、
    前記処理システムは、前記第１および第２の基準信号の間の周波数差を示す較正信号を前記較正干渉計の前記光検出器から受信し、かつ、前記較正信号に基づいて前記光回路内を伝搬する光の周波数に対する、前記光源の前記光の前記周波数のシフトを決定するようにさらに構成される、ことを特徴とする請求項１３に記載のシステム。
15. 前記光源からの前記光は、周波数変調されている、ことを特徴とする請求項１から１４のいずれか一項に記載のシステム。
16. 前記光源からの前記光は、前記光回路を光が横切るのに必要な時間の逆数に対応する周波数によって、周波数変調される、ことを特徴とする請求項１４を引用する場合の請求項１５に記載のシステム。
17. 前記光源は広帯域光源である、ことを特徴とする請求項１から１２のいずれか一項に記載のシステム。
18. 前記光源はレーザである、ことを特徴とする請求項１から１６のいずれか一項に記載のシステム。
19. 前記光回路は、さらに
    前記第１の変調ユニットと並列に接続され、かつ、そこを通過する光を第３の変調コードによって変調するように構成された第３の変調ユニットと、
    前記第２の変調ユニットと並列に接続され、かつ、そこを通過する光を前記第３のコードとは異なる第４の変調コードによって変調するように構成された第４の変調ユニットと、
    前記第１および第２の光ビームの一部の第１の偏光状態への偏光を制御し、かつ、前記第１および第２の光ビームの他の部分の第２の偏光状態への偏光を制御するように構成された偏光制御エレメントと
    をさらに備え、
    前記第１および第２変調ユニットは、前記第１および第２ビームの前記一部を前記第１の偏光状態で変調するように構成され、
    前記第３および第４変調ユニットは、前記第１および第２ビームの前記部分を前記第２の偏光状態で変調するように構成され、
    前記処理システムは、前記第１、第２、第３、および第４の変調コードに基づいて、前記干渉信号を復調することにより、前記光回路の偏光伝達関数を決定し、かつ、前記偏光伝達関数に基づいて、前記第１および第２のビームの間の前記光位相差を決定するようにさらに構成されており、
    前記第３の変調コードと、それ自身の時間シフトされたバージョンとの間の相関は、ゼロ時間シフトに対して最大であり、
    前記第４の変調コードと、それ自身の時間シフトされたバージョンとの間の相関は、ゼロ時間シフトに対して最大である、
    ことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
20. 前記偏光伝達関数は、前記光回路用のジョーンズ行列からなる、ことを特徴とする請求項１９に記載のシステム。
21. 光ファイバサニャック干渉用の方法であって、
    光源から光を取得することと、
    前記光源からの前記光を、第１の光ビームと第２の光ビームとに分割することと、
    第１の変調コードによって前記第１の光ビームを変調し、かつ、前記第１の変調コードとは異なる第２の変調コードによって、前記第２の光ビームを変調することによって、第１変調プロセスを実行することと、
    前記第１変調プロセスの後、前記第１および第２のビームに、光ファイバを同時に反対方向に横切らせることと、
    前記第１および第２ビームが前記光ファイバを横切った後、前記第２の変調コードによって前記第１の光ビームを変調し、かつ、前記第１の変調コードによって前記第２の光ビームを変調することにより、第２変調プロセスを実行することと、
    前記第２変調プロセスの後、前記第１および第２の光ビームの間の光位相差を示す干渉信号を生成するべく、光検出器によって前記第１および第２の光ビームを検出することと、
    前記第１および第２の変調コードに基づいて、前記干渉信号を復調することによって、前記光位相差を決定することと
    を備え、
    前記第１の変調コードと、それ自身の時間シフトされたバージョンとの相関は、ゼロ時間シフトに対して最大であり、
    前記第２の変調コードと、それ自身の時間シフトされたバージョンとの相関は、ゼロ時間シフトに対して最大である
    ことを特徴とする方法。

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