JP2660573B2 - 光干渉角速度計 - Google Patents
光干渉角速度計Info
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- JP2660573B2 JP2660573B2 JP1102188A JP10218889A JP2660573B2 JP 2660573 B2 JP2660573 B2 JP 2660573B2 JP 1102188 A JP1102188 A JP 1102188A JP 10218889 A JP10218889 A JP 10218889A JP 2660573 B2 JP2660573 B2 JP 2660573B2
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- Japan
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- light
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- phase difference
- counterclockwise
- clockwise
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-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
- G01C19/00—Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
- G01C19/58—Turn-sensitive devices without moving masses
- G01C19/64—Gyrometers using the Sagnac effect, i.e. rotation-induced shifts between counter-rotating electromagnetic beams
- G01C19/72—Gyrometers using the Sagnac effect, i.e. rotation-induced shifts between counter-rotating electromagnetic beams with counter-rotating light beams in a passive ring, e.g. fibre laser gyrometers
- G01C19/726—Phase nulling gyrometers, i.e. compensating the Sagnac phase shift in a closed loop system
Description
【発明の詳細な説明】 「産業上の利用分野」 この発明は光学路を伝搬してきた右回り光と左回り光
とを干渉手段で干渉させ、その干渉手段と光学路の一端
との間に設けた位相差発生手段で右回り光と左回り光と
に位相差を与え、干渉手段より得られた干渉光を電気信
号に変換し、その電気信号に含まれている右回り光と左
回り光との位相差情報を検出し、その位相差情報に応じ
た周波数の鋸歯状波出力を発生し、その鋸歯状波出力を
右回り光と左回り光との位相差が零になるように位相差
発生手段に負帰還制御するクローズドループ形光干渉角
速度計に関する。
とを干渉手段で干渉させ、その干渉手段と光学路の一端
との間に設けた位相差発生手段で右回り光と左回り光と
に位相差を与え、干渉手段より得られた干渉光を電気信
号に変換し、その電気信号に含まれている右回り光と左
回り光との位相差情報を検出し、その位相差情報に応じ
た周波数の鋸歯状波出力を発生し、その鋸歯状波出力を
右回り光と左回り光との位相差が零になるように位相差
発生手段に負帰還制御するクローズドループ形光干渉角
速度計に関する。
「従来の技術」 第３図に従来のクローズドループ形光干渉角速度計を
示す。光源11からの光は光カプラ12、偏光子13、光カプ
ラ14を経て、光学路としての光ファイバコイル15の両端
に右回り光、左回り光として入射される。光ファイバコ
イル15を伝搬する右回り光、左回り光は、光ファイバコ
イル15の一端と光カプラ14との間に配した位相変調器16
で発振器17の出力により位相変調される。位相変調を受
けた右回り光、左回り光は光カプラ14で結合され干渉
し、再び偏光子13、光カプラ12を通って光電変換手段と
しての受光器18へ到達する。受光器18に到達した干渉光
は光電変換される。光電変換された信号は同期検波回路
19で位相変調周波数と同じ成分が取り出される。同期検
波回路19の出力は積分器21で積分され、その積分出力に
応じた周波数の鋸歯状波出力が鋸歯状波発生回路22で発
生される。この鋸歯状波出力により、光カプラ14と光フ
ァイバコイル15の他端との間に配された位相差発生手段
としての帰還位相発生路23が制御される。帰還位相発生
器23は右回り光と左回り光とに位相差を与え、これら両
光の位相差が零となるように鋸歯状波出力により負帰還
制御される。
示す。光源11からの光は光カプラ12、偏光子13、光カプ
ラ14を経て、光学路としての光ファイバコイル15の両端
に右回り光、左回り光として入射される。光ファイバコ
イル15を伝搬する右回り光、左回り光は、光ファイバコ
イル15の一端と光カプラ14との間に配した位相変調器16
で発振器17の出力により位相変調される。位相変調を受
けた右回り光、左回り光は光カプラ14で結合され干渉
し、再び偏光子13、光カプラ12を通って光電変換手段と
しての受光器18へ到達する。受光器18に到達した干渉光
は光電変換される。光電変換された信号は同期検波回路
19で位相変調周波数と同じ成分が取り出される。同期検
波回路19の出力は積分器21で積分され、その積分出力に
応じた周波数の鋸歯状波出力が鋸歯状波発生回路22で発
生される。この鋸歯状波出力により、光カプラ14と光フ
ァイバコイル15の他端との間に配された位相差発生手段
としての帰還位相発生路23が制御される。帰還位相発生
器23は右回り光と左回り光とに位相差を与え、これら両
光の位相差が零となるように鋸歯状波出力により負帰還
制御される。
同期検波回路19から右回り光と左回り光との位相差情
報が検出される。つまり右回り光と左回り光との位相差
をΔφとすると、同期検波回路19の出力Ｖは Ｖ＝Ｋ・simΔφ （１） となる。Ｋは定数である。位相差Δφは Δφ＝ΔφΩ＋Δφｆ （２） で表わされる。ΔφΩは光ファイバコイル15に角速度を
印加した時に生じるSagnac位相差を示し、次式で表わさ
れる。
報が検出される。つまり右回り光と左回り光との位相差
をΔφとすると、同期検波回路19の出力Ｖは Ｖ＝Ｋ・simΔφ （１） となる。Ｋは定数である。位相差Δφは Δφ＝ΔφΩ＋Δφｆ （２） で表わされる。ΔφΩは光ファイバコイル15に角速度を
印加した時に生じるSagnac位相差を示し、次式で表わさ
れる。
R:光ファイバコイル15の半径、L:光ファイバコイル15の
光ファイバ長、C:速度、λ：真空中における光の波長、
Ω：入力角速度 Δφｆは帰還位相発生器23により発生した位相差であ
る。帰還位相発生器23に鋸歯状波出力が印加され、右回
り光（CW光）は第４図（ａ）の実線で示すような位相偏
移が生じ、左回り光（CCW光）は破線で示すような位相
偏移が生じ、これは光ファイバコイル15を伝搬する光の
伝搬時間τだけ遅れている。この結果、右回り光と左回
り光との位相差Δφｆは第４図（ｂ）に示すようにな
る。ここで鋸歯状位相偏移の最大偏移が２πｋ（k:整
数）となるようにすると、右回り光と左回り光との位相
差Δφｆは次式で表わされる。
光ファイバ長、C:速度、λ：真空中における光の波長、
Ω：入力角速度 Δφｆは帰還位相発生器23により発生した位相差であ
る。帰還位相発生器23に鋸歯状波出力が印加され、右回
り光（CW光）は第４図（ａ）の実線で示すような位相偏
移が生じ、左回り光（CCW光）は破線で示すような位相
偏移が生じ、これは光ファイバコイル15を伝搬する光の
伝搬時間τだけ遅れている。この結果、右回り光と左回
り光との位相差Δφｆは第４図（ｂ）に示すようにな
る。ここで鋸歯状位相偏移の最大偏移が２πｋ（k:整
数）となるようにすると、右回り光と左回り光との位相
差Δφｆは次式で表わされる。
f:鋸歯状波の周波数、n:光の屈折率 光ファイバコイル15におけるSagnac位相差ΔφΩを打
消すように、つまり右回り光と左回り光との位相差Δφ
が零になるように帰還位相発生器23が制御されるクロー
ズループが違成されているから、この時の鋸歯状波の周
波数ｆは（２），（３），（４）式より で表わされる。（５）式より鋸歯状波の周波数ｆを計測
すれば2R/nλｋを比例定数として与えられた入力角度速
度Ωを知ることができる。
消すように、つまり右回り光と左回り光との位相差Δφ
が零になるように帰還位相発生器23が制御されるクロー
ズループが違成されているから、この時の鋸歯状波の周
波数ｆは（２），（３），（４）式より で表わされる。（５）式より鋸歯状波の周波数ｆを計測
すれば2R/nλｋを比例定数として与えられた入力角度速
度Ωを知ることができる。
このクローズドループ形光干渉角速度計は出力形態が
（５）式に示したようにパルス出力である。所でパルス
ウエイト、即ち１パルス辺りの角度増分は（５）式よ
り、 で求めることができる。ここで短期バイアス安定成が１
゜/HR近辺（たヾし角速度出力データのサンプリング時
間を100秒程度とした場合）の中精度程度の光干渉角速
度計の実例（Ｌ≒300md、Ｒ≒0.020m程度）についてパ
ルスウエイトPWを計算するとPW≒6arc−sec/pulseとな
る。但し通常ｋ＝１に設定される。
（５）式に示したようにパルス出力である。所でパルス
ウエイト、即ち１パルス辺りの角度増分は（５）式よ
り、 で求めることができる。ここで短期バイアス安定成が１
゜/HR近辺（たヾし角速度出力データのサンプリング時
間を100秒程度とした場合）の中精度程度の光干渉角速
度計の実例（Ｌ≒300md、Ｒ≒0.020m程度）についてパ
ルスウエイトPWを計算するとPW≒6arc−sec/pulseとな
る。但し通常ｋ＝１に設定される。
「発明が解決しようとする課題」 以上述べたように中精度光干渉速度計のパルスウエイ
トがPW≒6arc−sec/pulse程度である場合、鋸歯状波よ
り得たパルスを積分して飛しよう体などの姿勢を計測す
るような用途では量子化エラー（１ビットエラー）の影
響は時間とともに小さくなり問題とならないが、飛しよ
う体などに印加される角速度を精度よく計測しようとす
る場合に問題となってくる。
トがPW≒6arc−sec/pulse程度である場合、鋸歯状波よ
り得たパルスを積分して飛しよう体などの姿勢を計測す
るような用途では量子化エラー（１ビットエラー）の影
響は時間とともに小さくなり問題とならないが、飛しよ
う体などに印加される角速度を精度よく計測しようとす
る場合に問題となってくる。
例えば0.01秒ごとに角速度出力データをサンプリング
し、印加された角速度を求める場合は、１パルスがある
のと無いのとで0.33゜/secp-pの角速度ノイズ（量子化
ノイズ又は１パルスノイズ）が発生する。これはかなり
大きな値である。
し、印加された角速度を求める場合は、１パルスがある
のと無いのとで0.33゜/secp-pの角速度ノイズ（量子化
ノイズ又は１パルスノイズ）が発生する。これはかなり
大きな値である。
またパルスウエイトPWは（６）式に示すように光ファ
イバコイル15の半径Ｒに反比例しているため、光干渉角
速度計の光学系及び電気系の性能を向上して光ファイバ
コイルの半径を小さくし、小形化をはかろうとする努力
に対して逆行し、パルスウエイトPWが大きくなるため、
角速度ノイズは更に大きくなり、この方式の光干渉角速
度計の応用範囲を狭くしていた。
イバコイル15の半径Ｒに反比例しているため、光干渉角
速度計の光学系及び電気系の性能を向上して光ファイバ
コイルの半径を小さくし、小形化をはかろうとする努力
に対して逆行し、パルスウエイトPWが大きくなるため、
角速度ノイズは更に大きくなり、この方式の光干渉角速
度計の応用範囲を狭くしていた。
この発明の目的は角速度ノイズを小さく抑えたクロー
ズドループ形光干渉角速度計を提供することにある。
ズドループ形光干渉角速度計を提供することにある。
「課題を解決するための手段」 この発明によればクローズドループ形の光干渉角速度
計において、位相差発生手段としての帰還位相発生器に
印加する鋸歯状波信号をA/D変換手段でデジタル信号に
変換して出力する。このデジタル信号により次にパルス
が来るまでの間の角度変化を細かく知ることができる。
計において、位相差発生手段としての帰還位相発生器に
印加する鋸歯状波信号をA/D変換手段でデジタル信号に
変換して出力する。このデジタル信号により次にパルス
が来るまでの間の角度変化を細かく知ることができる。
「実施例」 第１図にこの発明の実施例の要部を示す。入力端子24
に第３図中の積分器21の出力電圧が供給される。入力端
子24に入力された正及び負の電圧は正及び負の電流に電
圧電流変換回路25で変換される。この変換された電流で
コンデンサ26が充電される。充電されたコンデンサ26の
電圧はコンパレータ27,28で正の基準電源29の基準電圧V
+,負の基準電源31の基準電圧−とそれぞれ比較される。
コンパレータ27はコンデンサ26の電圧が基準電圧V+より
小さい場合は“L"レベルを出力し、コンデンサ26の電圧
が基準電圧V+より大きい場合は“H"レベルを出力する。
コンパレータ28はコンデンサ26の電圧が基準電圧V-より
絶対値として小さい場合は“L"レベルを出力し、コンデ
ンサ26の電圧が基準電圧V-より絶対値として大きい場合
は“H"レベルを出力する。
に第３図中の積分器21の出力電圧が供給される。入力端
子24に入力された正及び負の電圧は正及び負の電流に電
圧電流変換回路25で変換される。この変換された電流で
コンデンサ26が充電される。充電されたコンデンサ26の
電圧はコンパレータ27,28で正の基準電源29の基準電圧V
+,負の基準電源31の基準電圧−とそれぞれ比較される。
コンパレータ27はコンデンサ26の電圧が基準電圧V+より
小さい場合は“L"レベルを出力し、コンデンサ26の電圧
が基準電圧V+より大きい場合は“H"レベルを出力する。
コンパレータ28はコンデンサ26の電圧が基準電圧V-より
絶対値として小さい場合は“L"レベルを出力し、コンデ
ンサ26の電圧が基準電圧V-より絶対値として大きい場合
は“H"レベルを出力する。
コンパレータ27,28の出力はリセット信号発生回路32
へ供給され、リセット信号発生回路32は“H"レベルを受
けるとスイッチ33を作動させてコンデンサ26に充電され
た電荷を放電させる。スイッチ33はリセット信号発生回
路32の信号を受けてコンデンサ26の電荷を急速に放電さ
せるため、一般に高速でリーク電流の小さい、FETスイ
ッチなどが用いられる。正の基準電圧V+は正の鋸歯状波
の最大電圧＋VRを決定する電圧で、鋸歯状位相偏移の正
の最大偏移が２πｋとなるように調整される。一方負の
基準電圧V-は負の鋸歯状波の最大電圧−VRを決定する電
圧で、鋸歯状位相偏移の負の最大偏移が−２πｋとなる
ように調整される。コンデンサ26の電圧は電圧電流変換
回路25の正、負の電流に応じた周波数の正、負の鋸歯状
波となる。この鋸歯状波電圧は出力端子34を通じて第３
図中の帰還位相発生器23へ供給される。コンパレータ2
7,28の各出力はそれぞれパルス整形回路35,36へ供給さ
れ、コンデンサ26の鋸歯状波電圧の周波数と同一周波数
をもち、パルス幅、パルス高さなどがインターフェイス
要求に応じたパルスを端子37,38に出力する。図に示し
てないが、例えば端子37のパルスをアップダウンカウン
タでアップカウントし、端子38のパルスでダウンカウン
トすると、そのアップダウンカウンタの計数値は、入力
角度を示し、その変化率は、入力角速度を示すことにな
る。
へ供給され、リセット信号発生回路32は“H"レベルを受
けるとスイッチ33を作動させてコンデンサ26に充電され
た電荷を放電させる。スイッチ33はリセット信号発生回
路32の信号を受けてコンデンサ26の電荷を急速に放電さ
せるため、一般に高速でリーク電流の小さい、FETスイ
ッチなどが用いられる。正の基準電圧V+は正の鋸歯状波
の最大電圧＋VRを決定する電圧で、鋸歯状位相偏移の正
の最大偏移が２πｋとなるように調整される。一方負の
基準電圧V-は負の鋸歯状波の最大電圧−VRを決定する電
圧で、鋸歯状位相偏移の負の最大偏移が−２πｋとなる
ように調整される。コンデンサ26の電圧は電圧電流変換
回路25の正、負の電流に応じた周波数の正、負の鋸歯状
波となる。この鋸歯状波電圧は出力端子34を通じて第３
図中の帰還位相発生器23へ供給される。コンパレータ2
7,28の各出力はそれぞれパルス整形回路35,36へ供給さ
れ、コンデンサ26の鋸歯状波電圧の周波数と同一周波数
をもち、パルス幅、パルス高さなどがインターフェイス
要求に応じたパルスを端子37,38に出力する。図に示し
てないが、例えば端子37のパルスをアップダウンカウン
タでアップカウントし、端子38のパルスでダウンカウン
トすると、そのアップダウンカウンタの計数値は、入力
角度を示し、その変化率は、入力角速度を示すことにな
る。
この発明ではコンデンサ26の鋸歯状波電圧がA/D変換
器39でデジタル信号に変換され、そのデジタル信号が端
子41に出力される。A/D変換器39の入出力の関係例を第
２図に示す。この図のようにA/D変換器39は入力0Vの時
に“1000"のデジタル信号を出力し、正の最大電圧＋VR
の時“1111"のデジタル信号を出力し、負の最大電圧−V
Rの時、“0000"のデジタル信号を出力するようにA/D変
換器39の利得が設定される。
器39でデジタル信号に変換され、そのデジタル信号が端
子41に出力される。A/D変換器39の入出力の関係例を第
２図に示す。この図のようにA/D変換器39は入力0Vの時
に“1000"のデジタル信号を出力し、正の最大電圧＋VR
の時“1111"のデジタル信号を出力し、負の最大電圧−V
Rの時、“0000"のデジタル信号を出力するようにA/D変
換器39の利得が設定される。
「発明の効果」 以上述べたようにこの発明によればA/D変換器39を設
け、鋸歯状波電圧をデジタル信号に変換することによ
り、鋸歯状波電圧が一周期する間、即ち光干渉角速度計
のパルス出力が１パルス出力される間の角度の変化を細
かく読取ることができる。実施例の場合鋸歯状波を８分
割しているので、１パルスウエイトPW≒6arc−sec/puls
eの1/8まで細かく読むことができる。従って角速度出力
データのサンプリング時間0.01秒における１パルスの角
速度ノイズも８倍改善され、0.04゜/secp-pとなり、小
さく抑えることができる。A/D変換器39のビット数を増
やしてやれば更に細かく読むことができ、角速度ノイズ
も減らすことができる。
け、鋸歯状波電圧をデジタル信号に変換することによ
り、鋸歯状波電圧が一周期する間、即ち光干渉角速度計
のパルス出力が１パルス出力される間の角度の変化を細
かく読取ることができる。実施例の場合鋸歯状波を８分
割しているので、１パルスウエイトPW≒6arc−sec/puls
eの1/8まで細かく読むことができる。従って角速度出力
データのサンプリング時間0.01秒における１パルスの角
速度ノイズも８倍改善され、0.04゜/secp-pとなり、小
さく抑えることができる。A/D変換器39のビット数を増
やしてやれば更に細かく読むことができ、角速度ノイズ
も減らすことができる。
第１図はこの発明の実施例の要部を示すブロック図、第
２図はA/D変換器39の入出力の関係例を示す図、第３図
は従来のクローズドループ形光干渉角速度計を示すブロ
ック図、第４図は帰還位相発生器による右回り光と左回
り光との位相偏移と位相差とを示す図である。
２図はA/D変換器39の入出力の関係例を示す図、第３図
は従来のクローズドループ形光干渉角速度計を示すブロ
ック図、第４図は帰還位相発生器による右回り光と左回
り光との位相偏移と位相差とを示す図である。
フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭61−29715（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−145911（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−193013（ＪＰ，Ａ)
Claims (1)
- 【請求項１】少なくとも一周する光学路と、 その光学路に対して右回り光及び左回り光を通す手段
と、 その光学路を伝搬してきた右回り光と左回り光とを干渉
させる干渉手段と、 その干渉手段と上記光学路の一端との間に、これらに継
続的に配され、右回り光と左回り光とに位相差を与える
位相差発生手段と、 上記干渉手段より得られる干渉光の光強度を電気信号と
して検出する光電変換手段と、 その光電変換手段の出力電気信号に含まれている上記右
回り光と左回り光との位相差情報を検出する位相検出手
段と、 その位相検出手段の出力に応じた周波数の鋸歯状波出力
を発生し、その鋸歯状波出力を、上記右回り光と左回り
光との間の位相差が零となるように上記位相差発生手段
に負帰還制御する鋸歯状波発生手段と、 その鋸歯状波発生手段の鋸歯状波出力のデジタル信号に
変換するA/D変換手段とを有し、 上記鋸歯状波出力の周波数成分及び上記デジタル信号を
角速度出力とする光干渉角速度計。
Priority Applications (5)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1102188A JP2660573B2 (ja) | 1989-04-20 | 1989-04-20 | 光干渉角速度計 |
| DE90107379T DE69003157T2 (de) | 1989-04-20 | 1990-04-18 | Faseroptischer Kreisel. |
| EP90107379A EP0393643B1 (en) | 1989-04-20 | 1990-04-18 | Fiber optic gyro |
| CA002014783A CA2014783C (en) | 1989-04-20 | 1990-04-18 | Fiber optic gyro with slow clocked counter enhanced digital output |
| US07/510,846 US5062710A (en) | 1989-04-20 | 1990-04-18 | Linear phase ramp fiber optic gyro |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1102188A JP2660573B2 (ja) | 1989-04-20 | 1989-04-20 | 光干渉角速度計 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH02280005A JPH02280005A (ja) | 1990-11-16 |
| JP2660573B2 true JP2660573B2 (ja) | 1997-10-08 |
Family
ID=14320692
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1102188A Expired - Lifetime JP2660573B2 (ja) | 1989-04-20 | 1989-04-20 | 光干渉角速度計 |
Country Status (5)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5062710A (ja) |
| EP (1) | EP0393643B1 (ja) |
| JP (1) | JP2660573B2 (ja) |
| CA (1) | CA2014783C (ja) |
| DE (1) | DE69003157T2 (ja) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5777737A (en) * | 1994-07-22 | 1998-07-07 | Litton Systems, Inc. | Apparatus and method for processing signals output from fiber optic rate gyroscope having 3×3 coupler |
| US5636022A (en) * | 1994-07-29 | 1997-06-03 | Litton Systems, Inc. | Closed loop unmodulated fiber optic rate gyroscope with 3×3 coupler and method |
| CN103453898B (zh) * | 2013-09-09 | 2015-10-21 | 无锡慧联信息科技有限公司 | 在恶劣环境下提高光纤陀螺寻北精度的方法 |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR2555739B1 (fr) * | 1980-11-07 | 1986-04-04 | Thomson Csf | Dispositif de mesure d'un dephasage non reciproque engendre dans un interferometre en anneau |
| DE3244010A1 (de) * | 1982-11-27 | 1984-05-30 | Standard Elektrik Lorenz Ag, 7000 Stuttgart | Einrichtung zur messung der rotationsgeschwindigkeit |
| US4981358A (en) * | 1988-09-09 | 1991-01-01 | United Technologies Corporation | Measuring the relative effective lengths traversed by counterpropagating beams of light |
-
1989
- 1989-04-20 JP JP1102188A patent/JP2660573B2/ja not_active Expired - Lifetime
-
1990
- 1990-04-18 EP EP90107379A patent/EP0393643B1/en not_active Expired - Lifetime
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