JP2510571B2 - Fiber optic gyro - Google Patents

Fiber optic gyro

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JP2510571B2
JP2510571B2 JP62097361A JP9736187A JP2510571B2 JP 2510571 B2 JP2510571 B2 JP 2510571B2 JP 62097361 A JP62097361 A JP 62097361A JP 9736187 A JP9736187 A JP 9736187A JP 2510571 B2 JP2510571 B2 JP 2510571B2
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淳一 牧野
茂 於保
久雄 園部
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、移動体の位置及び姿勢検出及び経路誘導シ
ステムに好適な光ファイバジャイロに関する。
The present invention relates to an optical fiber gyro suitable for a position / orientation detection and route guidance system of a moving body.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

従来、位相変調方式の光ファイバジャイロでは、光信
号は光電変換された後、そのままAD変換器を介して信号
処理されていた。
Conventionally, in a phase modulation type optical fiber gyro, an optical signal is photoelectrically converted and then directly processed through an AD converter.

〔発明が解決しようとする問題点〕 従来技術は広いダイナミツクレンジに対しては、高精
度のAD変換器(14〜16ビツト)を用い1つのレンジで対
応しており、ジヤイロのダイナミツクレンジがこのAD変
換ビツト数が限られていたこと及び小さいレベルの入力
に対してはAD変換の量子化誤差のため精度が著しく低下
するという問題点があつた。本発明の目的はこのような
問題に対処して広いレンジにわたつて高い精度を保証す
ることにある。
[Problems to be solved by the invention] The conventional technology is compatible with a wide dynamic range by using a high-precision AD converter (14 to 16 bits) in one range. However, there are problems that the number of AD conversion bits is limited and the accuracy is remarkably deteriorated due to the quantization error of AD conversion for a small level input. An object of the present invention is to address such problems and ensure high accuracy over a wide range.

〔問題点を解決するための手段〕[Means for solving problems]

上記目的は、位相変調方式の光ファイバジャイロの光
信号を電気信号に変える光電変換手段と、 前記電気信号の基本波成分を検出する基本波検出手段
と、前記電気信号の第二調波成分を検出する第二調波検
出手段と、前記基本波成分を増幅する基本波増幅手段と
を備えた光ファイバジャイロにおいて、前記基本波成分
の大きさを検出する基本波レベル検出手段と、検出され
た前記基本波成分の大きさに基づいて、前記基本波増幅
手段の増幅ゲインを演算する増幅ゲイン演算手段と、前
記基本波増幅手段により増幅された前記基本波成分と前
記第二調波成分とを入力し、これをデジタル変換するデ
ジタル変換手段と、デジタル変換された前記第二調波成
分を前記増幅ゲイン演算手段で演算された増幅ゲインで
増幅する第二調波成分増幅手段とを備えたことによって
達成される。
The above-mentioned object is a photoelectric conversion means for converting an optical signal of a phase modulation type optical fiber gyro into an electric signal, a fundamental wave detecting means for detecting a fundamental wave component of the electric signal, and a second harmonic component of the electric signal. In a fiber optic gyroscope equipped with a second harmonic detecting means for detecting and a fundamental wave amplifying means for amplifying the fundamental wave component, a fundamental wave level detecting means for detecting the magnitude of the fundamental wave component, and a detected Based on the magnitude of the fundamental wave component, an amplification gain computing means for computing the amplification gain of the fundamental wave amplifying means, the fundamental wave component amplified by the fundamental wave amplifying means, and the second harmonic component. A digital conversion means for inputting and digitally converting this, and a second harmonic component amplification means for amplifying the digitally converted second harmonic component with the amplification gain calculated by the amplification gain calculation means. Achieved by having.

〔作用〕[Action]

基本波成分を増幅する増幅器のゲインを可変すること
により、A/D変換による量子化誤差を低減できる。
By varying the gain of the amplifier that amplifies the fundamental wave component, the quantization error due to A / D conversion can be reduced.

〔実施例〕〔Example〕

第1図は位相変調型光フアイバジヤイロ方式の原理を
示す。第2図のハードウエア構成のうち電子回路系の入
力部分を拡大したものが第2図である。第3図では基本
波成分の大きさ(4)で検出し、これがどのレベルにあ
るかを(5)で判定し、(6)のプログラマブルアンプ
の倍率設定用抵抗をそのレベルに応じて調整し、AD変換
する。ジヤイロの出力を式で表わすと次のようになる。
フアイバーループを時計方向回りに進む光を Ecw=A・cos(ωt+φ(t)+ψcw) …(1) 反時計回りを Eccw=A・cos(ωt+φ(t−τ)+ψccw)…(2) とする。ここでωは光源の角周波数φ(t)は位相変調
器による位相変調信号であり、 φ(t)=φsinωt …(3) である。ここでφ:位相変調度 ω:角周波数。
FIG. 1 shows the principle of the phase modulation type optical fiber gyro system. FIG. 2 is an enlarged view of the input part of the electronic circuit system in the hardware configuration of FIG. In FIG. 3, the magnitude of the fundamental wave component (4) is detected, the level at which this is detected is determined at (5), and the magnification setting resistance of the programmable amplifier at (6) is adjusted according to that level. , AD conversion. The output of the gyro is expressed as follows.
E light traveling the full Ivor loop clockwise around cw = A · cos (ωt + φ (t) + ψ cw) ... (1) counterclockwise E ccw = A · cos (ωt + φ (t-τ) + ψ ccw) ... ( 2) Here, ω is the angular frequency of the light source φ (t) is the phase modulation signal by the phase modulator, and φ (t) = φ m sinω mt (3) Here, φ m : degree of phase modulation ω m : angular frequency.

(1),(2)で表わされる光が干渉した後の出力つ
まり光検出器の信号は光パワであり、 P=(Ecw+Eccw)2 …(4) で表わされる。
(1), represented by signal output that is light detector after the light interference represented by (2) is the optical power, P = (E cw + E ccw) 2 ... (4).

この時を展開し、まとめると次のように表わされる。 This time is expanded and summarized as follows.

ここでΩは角速度J2n,J2n+1はベツセル関数で正確に
であり、φ,ωτが一定ならJ2n,J2n+1は定数とな
る。ここでΩは角速度φは第1図位相変調器の変調
度、ωは位相変調器の角周波数、τは光がフアイバー
ループを伝搬するに要する時間nL/c(cは光速、Lはフ
アイバー長、nは屈折率)である。Aは定数である。
Where Ω is the angular velocity J 2n and J 2n + 1 is the Bessel function, to be exact And if φ m and ω m τ are constant, J 2n and J 2n + 1 are constants. Here, Ω is the angular velocity φ m , the modulation factor of the phase modulator in FIG. 1, ω m is the angular frequency of the phase modulator, τ is the time nL / c required for light to propagate through the fiber loop (c is the speed of light, L is the speed of light) Fiber length, n is a refractive index). A is a constant.

(5)式からΩは次のようにして求める。 From equation (5), Ω is obtained as follows.

ここで、回転角速度Ωは小さいときはsin Ωが小さい
のでF1(即ち、J1sinΩ)が小さくなり逆にF2はcos Ω
に比例するので大きくなる。Ωが大きくなるとF2は小さ
くなりΩは大きくなる。
Here, when the rotational angular velocity Ω is small, sin Ω is small, so F 1 (that is, J 1 sin Ω) becomes small and conversely F 2 is cos Ω.
It is proportional to and becomes larger. As Ω increases, F 2 decreases and Ω increases.

F1及びF2が小さくなると相対的にAD変換の量子化誤差
が大きくなり(6)式の誤差が大となるので、これをさ
けるためF1又はF2があるレベル以下になつたときに増幅
器のゲインをあげて数倍に増幅し、AD変換することによ
り量子化誤差を低減できる。このときもしF1を2倍に増
幅し、F2を増幅せずに取込む場合にはAD変換後、F2の値
を処理装置で2倍にし全体のゲインをあわせておくこと
が必要である。
When F 1 and F 2 become small, the quantization error of AD conversion becomes relatively large and the error of equation (6) becomes large, so to avoid this, when F 1 or F 2 falls below a certain level, Quantization error can be reduced by increasing the gain of the amplifier and amplifying it several times, and performing AD conversion. At this time, if F 1 is doubled and F 2 is taken in without being amplified, it is necessary to double the value of F 2 in the processor after AD conversion and match the overall gain. is there.

第4図にレンジ切替の入力対AD変換出力の関係を示
す。レンジが1つの場合にはたとえば入力▲▼に対
して出力▲▼のようになり入力が小さい場合、たと
えば▲▼のときの出力は▲▼のようになる。一
方、入力が▲▼のときに出力を▲▼になるよう
に、又▲▼に対しては▲▼になるように切替え
た場合、入力▲▼に対しての出力レベルは▲
▼のような折線となり1レンジの場合の▲
▼よりはるかに高くなつており相対誤差(=AD変換の
量子化誤差/入力レベル×100%)が小さくなることが
予想できる。
Fig. 4 shows the relationship between range switching input and AD conversion output. When the range is one, the output ▲ ▼ is obtained with respect to the input ▲ ▼, and when the input is small, the output when the input is ▲ ▼ is shown as ▲ ▼. On the other hand, if the output is switched to ▲ ▼ when the input is ▲ ▼, or to ▲ ▼ for ▲ ▼, the output level for the input ▲ ▼ is ▲
It becomes a broken line like ▼ and ▲ in case of 1 range ▲
Since it is much higher than ▼, it can be expected that the relative error (= quantization error of AD conversion / input level × 100%) will be small.

第5図に相対誤差カーブを示す。カーブBGILは入力▲
▼に対する誤差カーブでAD変換ビツト数をXとし、
量子化誤差ビツトをYプログラマブルゲインの倍数をM
とすると、 2X−1:AD変換入力のフルスケール(FUL)=AD出力ビツ
ト:AD変換の入力レベル (4) (4)より ここで、PGA入力とはプログラマブルゲインアンプの
入力KはA。
The relative error curve is shown in FIG. Enter curve BGIL ▲
In the error curve for ▼, let X be the number of AD conversion bits,
Quantization error bit is a multiple of Y programmable gain M
Then, 2 X −1: Full scale (FUL) of AD conversion input = AD output bit: Input level of AD conversion (4) (4) Here, the PGA input is the input K of the programmable gain amplifier.

第5図でA点の入力はM=1.0,PGA入力=FULであるか
ら相対誤差 となる。
In Fig. 5, the input at point A is M = 1.0, PGA input = FUL, so the relative error Becomes

又c点,F点もM・(PGA入力)=(FUL)になるように
Mが設定されるはB点の誤差と等しくなる。
Also, if M is set so that C point and F point are also M · (PGA input) = (FUL), it is equal to the error at point B.

入力OAの場合は(6)式のM=1であるからPGA入力
が小さくなると双曲線的に(6)式の誤差が増大する。
レンジを▲▼に切替えたときもMがある値となるほ
かは変りなく、又▲▼入力に対しても全く同じであ
る。それぞれカーブはCHK,FJとなり、以上よりレンジを
3段階に切替えたときには誤差カーブはBGCHFJとなり1
レンジのBGILより大幅に小さくなつていることがわか
る。
In the case of the input OA, since M = 1 in the equation (6), the error in the equation (6) increases in a hyperbolic manner when the PGA input becomes small.
Even when the range is switched to ▲ ▼, there is no change except that M has a certain value, and the same applies to ▲ ▼ input. The curves are CHK and FJ, respectively. From the above, when the range is switched to 3 steps, the error curve becomes BGCHFJ 1
It can be seen that it is much smaller than the range BGIL.

〔発明の効果〕〔The invention's effect〕

本発明によれば、比較的低ビツト(10〜12ビツト)の
AD変換器で非常に広いダイナミツクレンジを確保でき精
度の高いジヤイロが可能となる。
According to the present invention, a relatively low bit (10-12 bits)
With the AD converter, a very wide dynamic range can be secured and a highly accurate gyro becomes possible.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

第1図は位相変調方式光フアイバージヤイロの原理図、
第2図はハードウエア構成図、第3図は入力回路図、第
4図はレンジ切替法によるAD変換の入力対出力関係を示
す図、第5図はレンジ切替による相対誤差を示す図であ
る。 1…フオトダイオード、2…基本波検出回路、3…第2
調波回路、4…レベル検出回路、5…レベル判定回路、
6…プログラマブルアンプ、7…アンプ、8…マルチプ
レクサ、9…S4H、10…A/D変換、11…処理回路。
Figure 1 shows the principle of the phase modulation type optical fiber gyro.
2 is a hardware configuration diagram, FIG. 3 is an input circuit diagram, FIG. 4 is a diagram showing an input-output relationship of AD conversion by the range switching method, and FIG. 5 is a diagram showing a relative error due to range switching. . 1 ... Photodiode, 2 ... Fundamental wave detection circuit, 3 ... Second
Harmonic circuit, 4 ... Level detection circuit, 5 ... Level determination circuit,
6 ... Programmable amplifier, 7 ... Amplifier, 8 ... Multiplexer, 9 ... S4H, 10 ... A / D conversion, 11 ... Processing circuit.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 松本 昌大 日立市久慈町4026番地 株式会社日立製 作所日立研究所内 (56)参考文献 特開 昭61−217718(JP,A) 特開 昭61−155706(JP,A) ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Inventor Masahiro Matsumoto 4026 Kujimachi, Hitachi City Hitachi Ltd. Hitachi Research Laboratory (56) References JP-A 61-217718 (JP, A) JP-A 61 -155706 (JP, A)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】位相変調方式の光ファイバジャイロの光信
号を電気信号に変える光電変換手段と、 前記電気信号の基本波成分を検出する基本波検出手段
と、 前記電気信号の第二調波成分を検出する第二調波検出手
段と、 前記基本波成分を増幅する基本波増幅手段と を備えた光ファイバジャイロにおいて、 前記基本波成分の大きさを検出する基本波レベル検出手
段と、 検出された前記基本波成分の大きさに基づいて、前記基
本波増幅手段の増幅ゲインを演算する増幅ゲイン演算手
段と、 前記基本波増幅手段により増幅された前記基本波成分と
前記第二調波成分とを入力し、これをデジタル変換する
デジタル変換手段と、 デジタル変換された前記第二調波成分を前記増幅ゲイン
演算手段で演算された増幅ゲインで増幅する第二調波成
分増幅手段と を備えたことを特徴とする光ファイバジャイロ。
1. A photoelectric conversion means for converting an optical signal of a phase modulation type optical fiber gyro into an electric signal, a fundamental wave detecting means for detecting a fundamental wave component of the electric signal, and a second harmonic component of the electric signal. In a fiber optic gyroscope equipped with a second harmonic detecting means for detecting the fundamental wave component and a fundamental wave amplifying means for amplifying the fundamental wave component, a fundamental wave level detecting means for detecting the magnitude of the fundamental wave component, Based on the magnitude of the fundamental wave component, an amplification gain computing means for computing the amplification gain of the fundamental wave amplifying means, the fundamental wave component and the second harmonic component amplified by the fundamental wave amplifying means. And a digital conversion means for digitally converting the same, and a second harmonic component amplifying means for amplifying the digitally converted second harmonic component with the amplification gain calculated by the amplification gain calculation means. Optical fiber gyro characterized by comprising and.
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