JP2664271B2 - 光ファイバジャイロ - Google Patents

光ファイバジャイロ

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JP2664271B2 JP2138489A JP13848990A JP2664271B2 JP 2664271 B2 JP2664271 B2 JP 2664271B2 JP 2138489 A JP2138489 A JP 2138489A JP 13848990 A JP13848990 A JP 13848990A JP 2664271 B2 JP2664271 B2 JP 2664271B2
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は移動体に搭載し、方位等を検出する小形の光
ファイバジャイロに関するものである。
〔従来の技術〕
従来の光フアイバジヤイロは光学系を構成するレンズ
等のガラス材や保持部材が温度変化によつて変形し、ド
リフトが生じ検出精度が十分得られないという欠点があ
つた。そこで、特開昭61−48714号公報に記載されてい
るように、光フアイバジヤイロを機械的に表裏を反転す
ることによつて入力角速度の極性を反転し、正入力のと
きの値と負入力のときの値を加算し、その値の1/2の値
を零点とすることによつてドリフトを補正していた。
〔発明が解決しようとする課題〕
上記従来技術は機械式の反転機構を必要とするため、
小形軽量化が困難であつた。
本発明の目的は小形軽量でかつ、オフセツトとドリフ
トの小さな光フアイバジヤイロを提供することにある。
〔問題を解決するための手段〕
上記目的は、可干渉性光源からの光を分岐合成する光
分岐と、前記分岐された光を逆回転で伝ぱんする光ファ
イバループと、前記分岐された光を所定の交流電圧で駆
動する位相変調器を内部に有する光位相差バイアス手段
とからなる光学系と、前記光学系の光出力を電気信号に
変換し処理する信号処理系と、その処理結果に基づいて
角速度を検出する検出部とからなる光ファイバジャイロ
において、前記位相変調器の駆動源を一時逆極性の電圧
を与え、その時の前記信号処理系の出力信号と前記逆極
性の電圧を与える前の値からオフセット値を求めて記憶
する記憶手段と、前記位相変調器の駆動源が正極性の時
の出力信号を前記オフセットの値で補正する検出手段
と、を備えたことによって達成される。
〔作用〕
光出力又は位相変調器の駆動源のオンオフ手段によつ
て入力角速度に関係する入力を一時的に零にし、その時
の信号処理系のオフセツト値を記憶し、平常時にオフセ
ツト値を差し引いて出力することにより、信号処理系の
オフセツトとドリフトを等価的に零にすることができ
る。また、機械的な可動部分がないため、小形軽量化を
図ることができる。
また、前記オフセツトキヤンセル指令を移動体の方向
変化の少ない状態で与えることにより、ナビゲーシヨン
システムの精度向上を図ることができる。
〔実施例〕
以下、本発明の一実施例を第1図及び第2図によつて
詳細に説明する。
第1図において、可干渉性光源1と光分岐器2a,2bと
偏光子3と光フアイバループ4と位相変調器5の部分が
光学系であり、例えば可干渉性光源1は一般のレーザダ
イオード又は超発光形ダイオードを使用し、光分岐器2
a,2bは光フアイバを用いたエバネツセント効果によるビ
ームスプリツタである。偏光子3は偏光特性を有する特
殊な光フアイバをコイル状に巻いたものである。光フア
イバループ4は全長数百メートルの光フアイバをコイル
状に巻いたものである。
位相変調器5はシリンダ状の電歪素子に全長数メート
ルの光フアイバを巻きつけ、電気信号で光路長を変える
ものであり、交流的な光位相差バイアス手段である。こ
れらの部品の接続は光フアイバどうしを融着している。
なお、光フアイバは例えば単一モードの偏波面保存光フ
アイバを用いている。
これ以外の部分は信号処理系であり、光電変換器6a,6
bは光出力を電圧に変換するものであり、主としてホト
ダイオードと電流電圧変換部からなるものである。
光電変換器6aの交流信号E2は入力角速度Ωinに関係し
た交流信号である。光電変換器6bのモニタ出力E7は可干
渉性光源1の光出力をモニタするためのものであり、光
分岐器2aの光出力に比例した直流信号である。電流制御
器7aはモニタ出力E7とスイツチ回路8の出力である指令
値E′を比較して可干渉性光源1に加える直流信号E8
を微調整し、モニタ出力E7、すなわち光分岐器2aの光出
力を一定に保つものである。
信号発生器12は一般に水晶発振器,分周器,移送器,
ローパスフイルタ,アツテネータなどから成り、移送変
調器5を駆動する所定の周波数(fmとする)の正弦波の
駆動信号E1を発生し、さらに、複数の同期検波器9の同
期信号E′として基本波がfmの整数倍の何種類かのパ
ルス信号を発生する多周波の発振器のようなものであ
る。ここでは説明を容易にするために、信号発生器12の
位相変調5の駆動信号E1と、これと同一の周波数の同期
信号E′のみを発生するものとする。
同期検波器9は交流増幅器、アナログスイツチ、又は
アナログ乗算器,ローパスフイルタ,直流増幅器などか
ら成り、交流信号E2に含まれる入力角速度Ωinに関係し
た信号成分を同期信号E′で同期検波し、直流の出力
信号E3に変換するものである。
A/D変換器10は出力信号E3をパラレルあるいはシリア
ルのデジタル信号E4に変換するものである。
演算処理部11はマイクロコンピユータや入出力インタ
ーフエイスなどから成り、各種の演算及び他の部分、例
えばA/D変換器10などに変換指令信号を出し、さらに、
入力角速度Ωinの検出値としてΩoutを出力するもので
ある。検出値Ωoutの出力形態は、次に接続する機器の
入力形態に合わせたパラレル又はシリアルのデジタル信
号あるいはアナログ信号等である。
以上の構成は最も代表的な位相変調方式の光フアイバ
ジヤイロの基本構成であり、本発明を実施するのに好適
な構成である。スイツチ8は本発明における主要な部品
である。スイツチ8は例えばトランジスタを使つたアナ
ログスイツチであり、演算処理部11の指令信号E6に応じ
てオンオフし、指令値E′をEpにしたり零にするもの
である。
以上の構成において、まず、従来の検出方法を用いた
場合、すなわち、光分岐器2aの光出力が指令値E′
Epに沿つた値でかつ、一定の場合について説明すると、
以下のようになる。
ここで、入力角速度Ωinと同期検波器9の出力信号E3
の関係を近似式で表すと、 E3=Kp・Km・sinKsΩin+E0+Ee ……(1) Ωin=(1/Ks)〔sin-1{(E3−E0−Ee)/Kp・Km}] ……(2) になる。ここに、Kpは光電変換器6aに入る光出力の大き
さや、光電変換器6aと同期検波器9の総合増幅度などに
関係する定数である。Kmは交流的な光位相差バイアスの
深さの度合いに関係する定数、Ksはサグナツク効果すな
わち光学系の感度に関する定数、E0は光学系の不完全さ
に起因する光学系のオフセツト値、Eeは信号処理系の電
気的なオフセツト値である。従つて、出力信号E3に含ま
れているオフセツト値E0とEeの合計値を何らかの方法で
求め、出力信号E3から差し引かない場合には正確な入力
角速度Ωinが求まらず、検出値Ωoutに誤差を生じるこ
とが分かる。
オフセツト値の合計値はフルスケールの約1%程度に
なる場合もあり、その値は周囲温度の変化に伴つて変動
し、大きなドリフトの原因になつている。
以上の従来方法におけるオフセツト値について実験に
より検討したところ、光学的なオフセツト値E0は、光学
系に適正な部品を使用した場合非常に小さく、フルスケ
ールの約0.001%以下であり、電気的なオフセツト値Ee
に比べて十分小さいことが分かつた。すなわち、光学的
なオフセツト値の影響は使用部品を適正に選定すれば除
去できるため、この項を無視することにより(1)式と
(2)を次のように改める。
E3=Kp・Km・sinKsΩin+Ee ……(3) Ωin=(1/Ks)〔sin-1{(E3−Ee)/Kp・Km}] ……(4) また、電気的なオフセツト値Eeの原因を実験的に追及
したところ、位相変調器5の駆動信号E1の誘導による光
電変換器6a側へのもれ込みと、同期検波器9の直流増幅
部のオフセツトであり、光出力の大小とは全く無関係で
あることが分かつた。
以上の実験結果に基づいて、光出力を零にして(3)
式のKpを零にすることにより(3)式は、 E3=Ee ……(5) になり、A/D変換器10の出力E4は通常前記E3と等しい値
であることから演算処理部11においてA/D変換器10のオ
フセツト値も含んだ真の電気的オフセツト値Eeを容易に
求めることができる。その結果、(4)式により求めた
入力角速度Ωinは正確になり、最終的に誤差の小さな検
出値Ωoutを出力することができる。
以上のことを実現する動作について、上記で説明した
第1図と、第2図に示した動作図を用いて具体的に説明
する。
ここで、第2図に示したように入力角速度Ωinは一
定、オフセツト値は破線で示したように時間経過に伴つ
て直線的に増加すると仮定する(通常オフセツト値は周
囲の環境の変動に基づいて振動的に変動する)。
まず、指令信号E6をT2の周囲でT1の間を零にすると、
指令信号E6が1の間は第1図のスイツチ8がオンして指
定値E′がEpになり、可干渉性光源1に直流信号E8
加わり、光分岐器2aの光出力が所定値になる。
一方、指令信号E6が零の間(T1の期間)はスイツチ8
がオフし指令値E′は零と成り、最終的に光分岐器2a
の光出力が零になる。従つて、同期検波器9の出力信号
E3は第2図の実線のように入力角速度Ωinによる変動分
は零となり、指令信号E6が零の間の値は電気的なオフセ
ツト値Eeのみになる。
このオフセツト値を演算処理部11で検出して記憶し、
同じ演算処理部11で指令信号E6が1の間の出力信号E3
値から先に記憶したオフセツト値を差し引いて入力角速
度Ωinを求めることにより、検出値Ωoutに含まれるオ
フセツトによる誤差が補正される。すなわち、検出値Ω
outは誤差が周期T2の間のオフセツトの変動分のみに成
り、ほぼ入力角速度Ωinに近い値になる。これは観点を
変えると、本発明の光フアイバジヤイロは入力角速度Ω
inが零のときに検出値Ωoutを零にする調整、すなわち
零点調節を入力角速度Ωinが零でないときに実施できる
機能を有するものである。また、長期的に見ると、零点
調節を周期的に行つているため、オフセツトとドリフト
を等価的に零にできる。ただし、指令信号E6が零の間は
入力角速度Ωinの検出が全くできないため、入力角速度
Ωinと無関係な値、例えばオフセツト値を出力する以外
になく、検出値Ωoutは図の破線のように誤差が大きく
なる。
ここで、T1の間に入力角速度Ωinが大きく変化しない
ものと仮定するとT1の間の検出値Ωoutの値を指令信号E
6を零にする直前の値に保持し、実線のように修正する
ことが有効である。しかし、T1の間が検出不能であるこ
とに変りがなく、この検出値Ωoutを積分して角度を求
める場合、検出不能の時間が長いほど大きな誤差要因に
なる。よつて、T1は極力短く、T2は極力長くする法がよ
い。
なお、本発明を実施しない場合、すなわち、オフセツ
ト補正無しの場合、同期検波器9の出力信号をE3と検出
値Ωoutは第2図の2点鎖線のようにオフセツトによつ
て大きな誤差を生じる。
以上のように本実施例によると、従来装置にスイツチ
8を1個付加し、演算処理に工夫を施すのみで、光フア
イバジヤイロに対してオフセツトとドリフトを小さくす
る効果や、入力角速度が加わつている状態で零点調節を
実施できる機能を付加する効果、及び機械的な反転機構
がないので小形軽量化できる効果がある。
なお、第1図において説明を容易にするために信号発
生器12の出力は駆動信号E1と同期信号E′のみにし、
同期検波器9を1個にしているが、これに限らず複数の
同期検波器を備えるものであつても本発明を実施でき
る。
ただし、同期信号E′の周波数が駆動信号E1の周波
数の偶数倍のとき(3)式は E3=Kp・K′・cosKsΩin+Ee ……(6) になり、入力角速度Ωinが零のときに同期検波器9の出
力信号E3が最大であるが、Kpを零にすることにより、電
気的なオフセツト値を求められることに変りがなく、オ
フセツトとドリフト(この場合出力変動)を小さくする
効果は上記した実施例の効果と全く変りない。
また、第1図において電流制御器7aは光分岐器2aの光
出力をモニタし、その光出力を一定に制御するものであ
るが、これに限らず例えば可干渉性光源1の光出力を直
接モニタするもの、あるいは、可干渉性光源1の駆動電
流をモニタし、駆動電流を一定に保つものであつてもよ
く、その場合も実施例の効果は変わらない。
また、以上の説明は、変干渉性光源1を一時的に零に
して(3)式の定数Kpを零にして、 Kp・Km・sinKsΩin=0 ……(7) にしているが、交流的な光位相差バイアスの大きさの度
合いに関する定数Kmを一時的に零にしてもよい。その具
体的手段について説明すると、まず、KpとKmの両方を零
にしても支障無いが、どちらか一方を零にすればよく、
第1図に示したスイツチ8を位相変調器5側に移動して
駆動信号E1をオンオフし、一方電流制御器7aには指令値
Epを直接加えてもよく、このような構成にした場合も上
記実施例の効果と全く変らない。
また、駆動信号E1をオンオフする手段はどのようなも
のでもよく、例えば、スイツチ8を用いずに信号発生器
12に指令信号E6を直接送り、駆動信号E1の発振を停止し
てもよい。この極端な例として、演算処理部11に信号発
生器12が内蔵されたものでもよく、この場合上記した実
施例の効果の他、構成が簡単になるという効果が加わ
る。
また、位相変調器5の駆動信号E1をオフしないで極性
をアナログスイツチなどによつて一時的に反転し、その
時の直流信号E′を記憶し、その値と反転しないとき
の直流信号E3を加算し、その加算値を1/2にすることに
より電気的なオフセツト値Eeを求めることができる。す
なわち、(3)式のKmの値を一時的に−Kmにして加算す
ると次のようになり、 E3+E′=Kp・Km・sinKsΩin+Ee +Ep・(−Km)・sinKsΩin+Ee=2Ee ……(8) (E3+E′)/2=Ee ……(9) オフセツト値Eeを求めることができる。この値を平常時
の直流信号E3より差し引くことによつてオフセツトを補
正することができる。この実施例によると、駆動信号E1
の極性を反転している最中の短い間(スイツチのデツド
タイムに相当する時間)のみ入力角速度Ωinが検出不能
になるが、その期間は上記した駆動源をオフする実施例
の検出不能になる時間の1/10〜1/100程度であり、検出
不能期間の検出値Ωoutの誤差を最も小さくする効果が
ある。
次に、第3図は光分岐器2Cに3×3光分岐器を使用し
た位相差バイアス方式の光ファイバジャイロの参考例を
示す構成図である。図において、第1図と同一符号の部
品は第1図で説明した部品と同様であり、ここでの説明
は省略し、それら以外の部品について説明する。まず、
光分岐器2Cは前記したように3×3光分岐器であり、入
出力端がそれぞれ3箇所あり、可干渉性光源1の光出力
を分岐して、光フアイバループ4にいれ、光フアイバル
ープ4を一巡した時計回りと反時計回りの光波に対して
3×3光分岐器により光位相差バイアスを付加して、2
つの出力端から光出力を出すものである。理想的には光
位相差バイアス量が1/4波長になるものである。電流制
御器7bは光電変換器6aの各出力信号E9とE10の和の値と
指令値E′を比較して直流信号E8を調節し、出力信号
E9とE10の和の値を一定に保つものである。増幅器13は
出力信号E9とE10の差を増幅する直流増幅器である。こ
のような構成において、入力角速度Ωinと出力信号E9,E
10及びE3の関係式は、光位相差バイアス量を1/4波長
(光位相差で90゜)とすると次のようになる。
E9=Kp(1+sinKsΩin)+Ee1 ……(10) E10=Kp(1−sinKsΩin)+Ee2 ……(11) E3=Kg(E9−E10)=Kg(2Kp・sinKsΩin) +Kg(Ee1−Ee2)+Ee3 ……(12) Ωin=(1/Ks)[sin-1{(E3−Kg(Ee1−Ee2) −Ee3)/2Kp・Kg] ……(13) Ez=E9+E10=2Kp+Ee1+Ee2 ……(14) ここに、Kpは光電変換器6aに入る光出力の大きさ及び
光電変換器6aの増幅度に関係する定数Ksは光学系の感度
に関係する定数、Kgは増幅器13の増幅度に関係する定
数、Ee1,Ee2は光電変換器6aのオフセツト値、Ee3は増幅
器13のオフセツト値である。
まず、(14)式に示すように出力信号E9とE10の和Ez
はオフセツト値Ee1,Ee2を無視すると入力角速度Ωin
大きさに無関係かつ、光出力に比例した値になるため、
指令信号E6を1にしてスイツチ8をオンして指令値E′
をEpにし、電流制御器7bで指令値E′との和の値Ez
を比較して直流信号E8を微調節し、Ezを一定に保つこと
により光フアイバループ4を一巡する光出力を一定に保
つことができる。
次に、第1図に示した実施例で詳しく説明したよう
に、指令信号E6を零にしてスイツチ8をオフし、可干渉
性光源1の光出力を零にしてKpを零にすることにより、
(12)式に示したようにオフセツト値Kg(Ee1−Ee2)+
Ee3を求めることができ、その結果(13)式によつて求
めた入力角速度Ωinは電気的なオフセツトの影響を受け
ない正確な値になり、最終的にオフセツトとドリフトの
小さな検出値Ωoutを出力することができる。ここで、
(14)式ではオフセツト値Ee1とEe2を無視し、(12)式
ではオフセツト値Kg(Ee1−Ee2)をEe3を問題視してい
る理由は、Kgが50〜100倍の増幅度であり、オフセツト
が増幅され増大するためである。なお、入力角速度Ωin
が一定でオフセツト値が時間経過に伴つて直線的に増加
するものと仮定したときの動作状況は、上記した先の実
施例の動作と全く同じであり、第2図に示すようにな
る。
また、本実施例では光位相差バイアス量が正確に1/4
波長でない場合(10)式と(11)式にcosKsΩinの項が
入り、その項は本実施例で補正できない光学的なオフセ
ツト値と成り、また入力角速度Ωinと検出値Ωoutの比
例関係がくずれるため、光位相差バイアス量を正確に1/
4波長にすることが重要である。また、(10)式のKp
(11)式のKpは光出力の大きさや各光電変換器6aの増幅
度の違いなどによつて一致しなくなり、その結果、光学
的なものと区別できないオフセツト値になり、また、
(14)式にsinKsΩinの項が入り、可干渉性光源1の光
出力を一定に保つことができなくなる。よつて、本実施
例を有効にするためには光電変換器6aの増幅度等を微調
節することが重要である。
以上のように本実施例によると、発明の対象となる光
フアイバジヤイロの光学系が直流的な光位相差バイアス
方式であつても、本実施例の効果は第1図に示した実施
例の効果とほとんど変わりない。
また、発明の対象となる光学系はこれらに限られず、
第3図に示した光学系と同様に直流的に光位相差バイア
スを1/4波長板によつて与える通称直交偏波方式であつ
てもよく、その実施例の効果は第3図に示した実施例の
効果と同じである。
また、第2図によると、指令信号E6を周期的に零にし
ているが、これは発明を理解しやすくするための想定で
あり、実際には必要に応じて零にし、オフセツト補正を
実施すればよい。オフセツト値の検出期間T1は入力角速
度Ωinの検出不能期間であることを考慮し、例えば検出
値Ωoutが小さくかつ一定であるときにオフセツト補正
を実施するのもよい方法である。
また、第1図と第3図においてスイツチ8によつて指
令値E′をEpまたは零にする部分は、これに限らず例
えば指令信号E6を減衰器等を介して電流制御器7aに直接
加えても良くその場合、構成が簡単になる効果がある。
また、以上の実施例では定数Kpまたは定数Kmのどちら
か一方を零にして電気的なオフセツト値を検出している
が、例えば定数Kpを1/2にしたときの出力信号E3の変化
量から電気的なオフセツト値を数値演算を求めても良
い。
次に、ナビゲーシヨンシステムに上記光フアイバジヤ
イロを用いたときの実施例を第4図に示す。本発明の光
フアイバジヤイロ51の検出値Ωoutにより、車体の相対
的な回転角を高精度に検出することができる。さらに、
絶対方位センサ50からの方位信号E50と距離センサ52か
らの距離信号E63を用いて、主制御装置である位置演算
用コンピユータ54において位置を算出することができ
る。その結果を地図メモリ53の道路データを用いて表示
装置55に示すことができる。
本システムにおいて、上記光フアイバジヤイロのオフ
セツトを補正するためのオフセツトキヤンセル指令E60
を位置演算用コンピユータ54から発生するようにしたも
のである。この位置演算用コンピユータ54では移動体の
状態を判定して上記オフセツトキヤンセル指令E60を発
生する。信号E60発生の状態は次の状態のときが最適で
ある。
(1)停車状態のとき。
(2)入力角速度が小さく直線走行か、それに近い状態
のとき。
(3)一定角速度による回転時。
上記のように位置演算用コンピユータ54からのオフセ
ツトキヤンセル指令E60を光フアイバジヤイロ51へ送信
し、光フアイバジヤイロ51で指令信号E6を発生すること
により、それまで蓄積していた角速度のオフセツトをキ
ヤンセルすることができ、より高精度のナビゲーシヨン
システムを実現できるものである。
〔発明の効果〕
以上のように本発明によれば、機械式の反転機構を用
いることがないので、小形軽量になり、かつ、オフセツ
トが補正されるのでオフセツトとドリフトの小さな光フ
アイバジヤイロを実現することができる。さらに、ナビ
ゲーシヨンシステムに光フアイバジヤイロを用いる場
合、オフセツトキヤンセル指令をシステムの主制御装置
から発生するようにすることにより、移動体の状況に応
じた補正が可能となり高精度のナビゲーシヨンシステム
を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例のブロツク図、第2図は動作
説明図、第3図は本発明の参考例のブロック図、第4図
はナビゲーシヨンシステムの一実施例の構成図である。 1……可干渉性光源、2a,2b,2c……光分岐器、4……光
フアイバループ、5……位相変調器、6a,6b……光電変
換器、7a,7b……電流制御器。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 牧野 淳一 茨城県日立市久慈町4026番地 株式会社 日立製作所日立研究所内 (72)発明者 郡司 康弘 茨城県日立市久慈町4026番地 株式会社 日立製作所日立研究所内 (72)発明者 梶岡 博 茨城県日立市日高町5丁目1番1号 日 立電線株式会社日高工場内 (72)発明者 熊谷 達也 茨城県日立市日高町5丁目1番1号 日 立電線株式会社日高工場内 (56)参考文献 特開 平2−134513(JP,A) 特開 昭58−82113(JP,A) 特開 昭63−182519(JP,A)

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】可干渉性光源からの光を分岐合成する光分
    岐と、前記分岐された光を逆回転で伝ぱんする光ファイ
    バループと、前記分岐された光を所定の交流電圧で駆動
    する位相変調器を内部に有する光位相差バイアス手段と
    からなる光学系と、前記光学系の光出力を電気信号に変
    換し処理する信号処理系と、その処理結果に基づいて角
    速度を検出する検出部とからなる光ファイバジャイロに
    おいて、前記位相変調器の駆動源を一時逆極性の電圧を
    与え、その時の前記信号処理系の出力信号と前記逆極性
    の電圧を与える前の値からオフセット値を求めて記憶す
    る記憶手段と、前記位相変調器の駆動源が正極性の時の
    出力信号を前記オフセットの値で補正する検出手段と、
    を備えたことを特徴とする光ファイバジャイロ。
  2. 【請求項2】請求項第1項において、前記オフセット値
    は前記逆極性の電圧を与える前の前記信号処理系の出力
    信号と前記逆極性の電圧を与えたとき前記信号処理系の
    出力信号の和の1/2の値であることを特徴とする光ファ
    イバジャイロ。
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