JP2675165B2 - Optical fiber gyro signal processing circuit - Google Patents

Optical fiber gyro signal processing circuit

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JP2675165B2
JP2675165B2 JP29550089A JP29550089A JP2675165B2 JP 2675165 B2 JP2675165 B2 JP 2675165B2 JP 29550089 A JP29550089 A JP 29550089A JP 29550089 A JP29550089 A JP 29550089A JP 2675165 B2 JP2675165 B2 JP 2675165B2
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phase modulation
optical fiber
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multiplier
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公一 鷲見
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION 【産業上の利用分野】[Industrial applications]

この発明は、位相変調方式の光ファイバジャイロに関
する。 光ファイバジャイロは、運動体の角速度を測定する装
置である。 シングルモード光ファイバをコイル状に多数回巻き回
し、単色光を光ファイバの両端に入れこの中を、左回
り、右回りに伝搬させて、両端から出た光を干渉させ
る。もしも、光ファイバコイルが軸まわりに回転してい
ると、左回り光、右回り光の間に位相差が現れる。この
位相差が回転角速度に比例するので、位相差が分かれ
ば、回転角速度が求められる。 位相差をΔθ、角速度をΩとすると、次の関係があ
る。 ここで、Lはセンサコイルのファイバ長、aはコイル
の直径、cは真空中の光速、λは真空中での光の波長で
ある。これをサニャック効果といいこれ自体は周知であ
る。 光ファイバジャイロには、周波数変調、位相変調、位
相シフト方式光ファイバジャイロ等の方式が提案されて
いる。 本発明は、このうち位相変調方式光ファイバジャイロ
に関する。
The present invention relates to a phase modulation type optical fiber gyro. An optical fiber gyro is a device that measures the angular velocity of a moving body. A single-mode optical fiber is wound in a coil shape many times, and monochromatic light is introduced into both ends of the optical fiber and propagates counterclockwise and clockwise in the optical fiber so that the lights emitted from both ends interfere with each other. If the optical fiber coil rotates around the axis, a phase difference appears between the counterclockwise light and the clockwise light. Since this phase difference is proportional to the rotation angular velocity, if the phase difference is known, the rotation angular velocity can be obtained. When the phase difference is Δθ and the angular velocity is Ω f , the following relationships are established. Here, L is the fiber length of the sensor coil, a is the diameter of the coil, c is the speed of light in vacuum, and λ is the wavelength of light in vacuum. This is called the Sagnac effect and is known per se. As the optical fiber gyro, methods such as frequency modulation, phase modulation, and phase shift optical fiber gyro have been proposed. The present invention relates to a phase modulation type optical fiber gyro.

【従来の技術】[Prior art]

位相変調方式光ファイバジャイロの基本形について、
第2図によって説明する。 これは、光ファイバセンサコイルの一方の端部の光フ
ァイバを圧電素子に巻き付け位相変調を掛けるようにし
たものである。変調波の一次の項を取ると、位相差がsi
nΔθの形で、求められる。 発光素子1から出た可干渉光が、ビームスプリッタ2
で二つの光線に分けられる。 ひとつは、結合レンズ4によって絞られて、光ファイ
バ5のB端に入射する。これは、センサコイル6の中を
左回りに伝搬する。 もうひとつの光線は、結合レンズ3によって絞られ
て、A端から光ファイバ5に入射し、センサコイル6の
中を、右回りに伝搬する。 光ファイバ5は大部分がセンサコイル6になっている
が、A端に近い部分が圧電素子などに巻き付けられ、位
相変調素子7を構成している。 励振交流電源10が、圧電素子に振動電圧を与えるか
ら、圧電素子が膨縮する。光ファイバの位相変調部8は
圧電素子に巻き付けられているので、圧電素子と共に膨
縮し、光信号に変調成分が含まれる事になる。 右回り光、左回り光は、位相変調素子7の位相変調部
8とセンサコイル6とを通り、他端から出射する。これ
等はビームスプリッタ2で合一し、受光素子9に入射す
る。受光素子9は、干渉光を二乗検波する。 位相変調素子7が、光ファイバ5の全体からみて非対
称の位置に設けられているので、左回り光と、右回り光
とが、位相変調を受けるタイミングが異なる。 センサコイル9の光ファイバ長をLとし、光ファイバ
コアの屈折率をnとする。光がセンサコイル6を通過す
るのに要する時間τは、 で与えられる。 位相変調素子7を、A端の近くに設けると、右回り光
は、先に位相変調を受け、それからセンサコイル6に入
る。左回り光は、センサコイル6を通ってから、位相変
調素子7に入る。 変調信号の角周波数をΩとする。位相変調素子7で位
相変調を受けてから、受光素子9にはいるまでの時間に
違いがτであるので、干渉光に含まれる変調信号の位相
差φは φ=Ωτ (3) となる。 前述のように、サニャック効果によって、右回り光
と、左回り光とが、Δθの位相差を持つが、位相変調に
よってさらに、位相変調の部分が、φの位相差を持つの
である。位相変調素子7の作用による振幅をbとする。 左回り光、右回り光の電界強度を、EL、ERとすると、 となる。 このような電界強度を持つ左回り光、右回り光が受光
素子9で二乗検波される。受光素子9の出力はS(Δ
θ,t)は となる。ここで、D.C.は、直流成分を意味する。ωは、
光の振動数で、2ωはこの2倍の振動数成分を意味す
る。このように速い信号は受光素子9が検出できないの
で0である。 こうして得られる信号の中に位相変調のφが含まれる
ので、位相差Δθを変調信号の振幅に関連づけて求める
ことができる。 直流成分を除き、S(Δθ,t)を和の形に書き換える
と、 となる。これらを、ベッセル関数によって展開する。ベ
ッセル関数の母関数展開から、 である。t=exp(iθ)と置くと、 となる。この式の実数部虚数部の展開から、S(Δθ,
t)のsin、cosの部分Ss,Scの級数展開を得る。 S(Δθ,t) =(Sc cos Δθ+Ss sin Δθ)E0 2 (10) というように定義する。 θ→θ+π/2という変換をし、ベッセル関数の良く知
られた性質、 J-n(x)=(−1)nJn(x) (11) (但し、nは正の整数)を使い、 と置くと、 となる。これらの式を使って書き換えると、信号S(Δ
θ,t)は、 となる。これは変調周波数Ωの高調波による展開であ
る。同期検波することによって、任意の高調波成分を求
める事ができる。これらのうち、1次の項を基本波成分
Pとし、2次の項を2倍高調波成分Qとする。 P(t)=2E0 2J1(ξ)cosΩ t sin Δθ (16) Q(t)=2E0 2J2(ξ)cos 2Ωt cos Δθ (17) となる。多くの場合、基本波Pを検出して、Δθを求め
る。Pの感度が最大になるように、J1(ξ)を最大にす
る。このため、ξ=1.8になるよう変調度を設定する。
このときJ0(ξ)は約0.3である。 以上が、位相変調方式光ファイバジャイロの基本構成
である。 この方式においても光量変動、反射光、位相変調度変
動等の問題があるので、様々の提案がなされている。例
えば、直流成分を一定にし、基本波PからΔθを求める
(特開昭61−147106)方法がある。また、特開昭60−13
5816は基本波Pを直流成分Dで割り、光量変動の問題を
解決しようとしている。これらの方式は反射光、光量変
動、位相変調度変動などの問題を完全に解決することが
出来ない。 そこで、基本波Pを、4倍高調波Tで割って、その商
P/Tからtan Δθの形で位相差Δθを求める方式の発明
がある(特願平1−57637、H1.3.8)。 基本波Pは(16)の変調周波数成分を除き、E0 2
E1、E2と書き換えて P=2E1E2J1(ξ)sinΔθ (18) となる。 4倍高調波Tは、 T=2E1E2J4(ξ)cos Δθ (19) となり、基本波Pを4倍高調波Tで割ると、 となる。このようにP/Tにより、反射光量や、発光素子
出力変動などの影響がない出力が得られる。出力とΔθ
の関係が、安定しており、しかも簡単である。
About the basic form of phase modulation optical fiber gyro,
This will be described with reference to FIG. This is one in which an optical fiber at one end of an optical fiber sensor coil is wound around a piezoelectric element to apply phase modulation. Taking the first-order term of the modulated wave, the phase difference is si
It is calculated in the form of nΔθ. The coherent light emitted from the light emitting element 1 is reflected by the beam splitter 2
Is divided into two rays. One is focused by the coupling lens 4 and is incident on the B end of the optical fiber 5. This propagates counterclockwise in the sensor coil 6. The other light beam is focused by the coupling lens 3, enters the optical fiber 5 from the A end, and propagates clockwise in the sensor coil 6. Most of the optical fiber 5 is the sensor coil 6, but a portion near the A end is wound around a piezoelectric element or the like to form a phase modulation element 7. Since the excitation AC power supply 10 gives an oscillating voltage to the piezoelectric element, the piezoelectric element expands and contracts. Since the phase modulator 8 of the optical fiber is wound around the piezoelectric element, it expands and contracts together with the piezoelectric element, and the optical signal contains the modulation component. The clockwise light and the counterclockwise light pass through the phase modulator 8 of the phase modulator 7 and the sensor coil 6, and are emitted from the other end. These are combined by the beam splitter 2 and are incident on the light receiving element 9. The light receiving element 9 square-detects the interference light. Since the phase modulation element 7 is provided at an asymmetrical position when viewed from the entire optical fiber 5, the counterclockwise light and the clockwise light have different timings of receiving the phase modulation. The optical fiber length of the sensor coil 9 is L, and the refractive index of the optical fiber core is n. The time τ required for light to pass through the sensor coil 6 is Given by When the phase modulation element 7 is provided near the A end, the clockwise light is first phase-modulated and then enters the sensor coil 6. The counterclockwise light passes through the sensor coil 6 and then enters the phase modulation element 7. The angular frequency of the modulation signal is Ω. Since the difference between the time when the phase modulation element 7 receives the phase modulation and the time when it enters the light receiving element 9 is τ, the phase difference φ of the modulation signal included in the interference light is φ = Ωτ (3). As described above, due to the Sagnac effect, the clockwise light and the counterclockwise light have a phase difference of Δθ, but the phase modulation part further has a phase difference of φ due to the phase modulation. The amplitude due to the action of the phase modulation element 7 is b. If the electric field strengths of the counterclockwise light and the clockwise light are E L and E R , Becomes Left-handed light and right-handed light having such an electric field intensity are square-law detected by the light receiving element 9. The output of the light receiving element 9 is S (Δ
θ, t) is Becomes Here, DC means a direct current component. ω is
In the frequency of light, 2ω means a frequency component that is twice this frequency. Such a fast signal is 0 because the light receiving element 9 cannot detect it. Since the phase modulation φ is included in the signal thus obtained, the phase difference Δθ can be obtained in association with the amplitude of the modulation signal. If the direct current component is removed and S (Δθ, t) is rewritten in the form of sum, Becomes These are expanded by the Bessel function. From the generating function expansion of the Bessel function, It is. Putting t = exp (iθ), Becomes From the expansion of the real part and imaginary part of this equation, S (Δθ,
Obtain the series expansion of the Ss and Sc parts of sin and cos of t). S (Δθ, t) = (S c cos Δθ + S s sin Δθ) E 0 2 (10) is defined. Using the well-known property of the Bessel function, J -n (x) = (-1) n J n (x) (11) (where n is a positive integer) , And put Becomes Rewriting using these equations, the signal S (Δ
θ, t) is Becomes This is a development due to harmonics of the modulation frequency Ω. By performing synchronous detection, an arbitrary harmonic component can be obtained. Of these, the first-order term is the fundamental wave component P and the second-order term is the second harmonic component Q. P (t) = 2E 0 2 J 1 (ξ) cosΩt sin Δθ (16) Q (t) = 2E 0 2 J 2 (ξ) cos 2Ωt cos Δθ (17) In many cases, the fundamental wave P is detected and Δθ is obtained. Maximize J 1 (ξ) so that the sensitivity of P is maximized. Therefore, the modulation factor is set so that ξ = 1.8.
Then J 0 (ξ) is about 0.3. The above is the basic configuration of the phase modulation optical fiber gyro. Since this system also has problems such as light amount fluctuation, reflected light, and phase modulation degree fluctuation, various proposals have been made. For example, there is a method for determining Δθ from the fundamental wave P while keeping the DC component constant (Japanese Patent Laid-Open No. 61-147106). In addition, JP-A-60-13
The 5816 divides the fundamental wave P by the DC component D and tries to solve the problem of light quantity variation. These methods cannot completely solve the problems such as reflected light, light quantity fluctuation, and phase modulation degree fluctuation. Therefore, the fundamental wave P is divided by the fourth harmonic T, and the quotient
There is an invention of a method for obtaining the phase difference Δθ from P / T in the form of tan Δθ (Japanese Patent Application No. 1-57637, H1.3.8). The fundamental wave P excludes the modulation frequency component of (16) and E 0 2 is
Rewriting as E 1 and E 2 , P = 2E 1 E 2 J 1 (ξ) sin Δθ (18). The 4th harmonic T becomes T = 2E 1 E 2 J 4 (ξ) cos Δθ (19), and when the fundamental wave P is divided by the 4th harmonic T, Becomes In this way, the P / T can provide an output that is not affected by the amount of reflected light or the output variation of the light emitting element. Output and Δθ
The relationship is stable and easy.

【発明が解決しようとする課題】[Problems to be solved by the invention]

このように奇数次高調波成分(基本波を含む)を偶数
次高調波成分で割れば、光量変動を捨象したΔθに関す
る表現を得る。あるいは直流成分で基本波を割って、光
量変動の項のないΔθに関する表現を得る。 これらの表現の中には,ξをパラメータとするベッセ
ル関数が含まれる。 である。bは位相変調の振幅、nは光ファイバコアの屈
折率、Lは光ファイバコイルを構成する光ファイバの長
さである。 位相変調素子として、例えば圧電素子よりなる円筒に
光ファイバを巻きつけたものを用いる。この場合、bは
励振交流電源の駆動電圧によって増減することができ
る。 駆動電圧が一定であれば位相変調度bは一定であるよ
うに見えるがそうではない。位相変調素子はかなりの温
度特性を持っている。温度変動により位相変調度bは変
化する。当然ξも変動する。 前述のΔθに関する表式はベッセル関数を含むので、
これらの値が予め分かっているのでなければならない。
このためベッセル関数のパラメータξが、ある一定値を
採るのでなければならない。 ξが一定であるためには、適当な次数のベッセル関数
の値を一定値に保つようにすれば良い。 既に説明したように、受光素子出力に含まれるn次の
奇数次または偶数次高調波成分はJn(ξ)と、Δθのsi
nまたはcos成分を含んでいる。そこで、n次の高調波成
分を0とするようにすればJn(ξ)=0とすることがで
きる。 ところが奇数次高調波はsin Δθを含み、ジャイロが
静止しているときはsin Δθ=0となるので、これを0
としても、Jn(ξ)=0なのかΔθ=0なのか区別でき
ない。 偶数次高調波はcos Δθの形でΔθを含み、これは0
にならない。偶数次高調波成分を0とすれば、J
2n(ξ)=0となり、ξは2n次のベッセル関数の零点と
して確定する。 2n次ベッセル関数の零点は勿論無数にあるが此のうち
の一つになるようにξを決めておく。そしてJ2n(ξ)
=0となるように圧電素子に加える電圧を増減すること
によりξを一定に保持できる。 例えば2次ベッセル関数J2(ξ)を0にするようにす
る。第1の零点を採ると言うことにすればξ=5.1とい
うことになる。こうするには2倍高調波Qを0にすれば
よいのである。 あるいは4次ベッセル関数J4(ξ)を0にするように
する。第1の零点を採ると言うことにすればξ=7.6に
保たれる。こうするには4倍高調波成分Tを0にすれば
良い。 どの偶数次高調波成分を選んでも良いが、角速度測定
のために基本波Pを4倍高調波Tで割った商を用いる場
合は、2倍高調波成分Qを0にしてξを一定値に保つの
が良い。 あるいは基本波Pと直流分DとからΔθを求めようと
する場合も2倍高調波成分Qを0にしてξを一定値(例
えばξ=5.1)にすれば良い。 基本波Pと2倍高調波QとからΔθを求めようとする
場合は4倍高調波Tを0にするようにすれば良い。 本発明は、温度変動があっても位相変調度bあるいは
ξを一定値に保つことのできる光ファイバジャイロ信号
処理回路を提供することを目的とする。
In this way, by dividing the odd-order harmonic component (including the fundamental wave) by the even-order harmonic component, an expression relating to Δθ in which the fluctuation of the light quantity is eliminated can be obtained. Alternatively, the fundamental wave is divided by the DC component to obtain an expression regarding Δθ without the term of the light amount variation. Bessel functions with ξ as a parameter are included in these expressions. It is. b is the amplitude of phase modulation, n is the refractive index of the optical fiber core, and L is the length of the optical fiber forming the optical fiber coil. As the phase modulation element, for example, an optical fiber wound around a cylinder made of a piezoelectric element is used. In this case, b can be increased or decreased by the drive voltage of the excitation AC power supply. If the drive voltage is constant, the phase modulation degree b seems to be constant, but this is not the case. The phase modulation element has a considerable temperature characteristic. The phase modulation degree b changes due to temperature fluctuations. Of course, ξ also changes. Since the expression for Δθ above includes the Bessel function,
These values must be known in advance.
For this reason, the parameter ξ of the Bessel function must take a certain constant value. In order for ξ to be constant, the value of the Bessel function of an appropriate degree may be kept constant. As described above, the nth-order odd-order or even-order harmonic component contained in the light-receiving element output is J n (ξ) and Δθ si
Contains n or cos components. Therefore, if the nth harmonic component is set to 0, J n (ξ) = 0 can be set. However, the odd harmonics include sin Δθ, and sin Δθ = 0 when the gyro is stationary.
However, it cannot be distinguished whether J n (ξ) = 0 or Δθ = 0. The even harmonics include Δθ in the form of cos Δθ, which is 0
do not become. If the even harmonic components are 0, then J
2n (ξ) = 0, and ξ is defined as the zero point of the 2n-th order Bessel function. There are, of course, innumerable zeros of the 2n-order Bessel function, but ξ is determined so that it becomes one of them. And J 2n (ξ)
Ξ can be held constant by increasing or decreasing the voltage applied to the piezoelectric element so that = 0. For example, the quadratic Bessel function J 2 (ξ) is set to 0. If we decide to take the first zero, then ξ = 5.1. To do this, the second harmonic Q should be set to zero. Alternatively, the fourth-order Bessel function J 4 (ξ) is set to 0. If we take the first zero, we keep ξ = 7.6. To do so, the fourth harmonic component T may be set to zero. Although any even harmonic component may be selected, if the quotient obtained by dividing the fundamental wave P by the fourth harmonic T is used to measure the angular velocity, the second harmonic component Q is set to 0 and ξ is set to a constant value. Good to keep. Alternatively, also in the case of obtaining Δθ from the fundamental wave P and the DC component D, the double harmonic component Q may be set to 0 and ξ may be set to a constant value (for example, ξ = 5.1). When it is desired to obtain Δθ from the fundamental wave P and the second harmonic wave Q, the fourth harmonic wave T may be set to zero. It is an object of the present invention to provide an optical fiber gyro signal processing circuit that can maintain the phase modulation degree b or ξ at a constant value even if the temperature changes.

【課題を解決するための手段】[Means for Solving the Problems]

本発明においては、受光素子出力に含まれる適当な偶
数次高調波成分Xを0に近づけることにより、位相変調
度bを一定に保つ。そのため一定振幅の位相変調周波数
信号を生ずる位相変調周波数発振器の出力Gに、乗算器
によって乗数Mを乗じて、位相変調素子駆動電圧Hを得
るようにしている。ここで乗数M、は基準電圧発生部の
基準電圧V0と、偶数次高調波成分Xを積分回路により積
分した値V2と和に比例する値として与えることにする。 基準電圧というのは、ある基準温度T0(例えば30℃)
において、乗数MがV0だけを含む時にその偶数次高調波
成分が0になるような電圧である。 ただし、偶数次高調波成分Xが、その零点J
2n(ξ)=0において、微分J2n′(ξ)>0であ
れば前記の積分は、負符号を付けるものとし、J2n
(ξ)<0であれば前記の積分は正符号をつけるもの
とする。 つまり本発明の光ファイバジャイロ信号処理回路は角
速度測定形以外に、次のような構成要素を含んでいる。
第1図に本発明の略構成図を示す。 A.偶数次高調波成分検出部 受光素子の出力の電気信号を増幅した後、同期検波し
て2n次の偶数次高調波成分を求めるものである。これは
ある基準温度T0では0である。 B.積分回路 偶数次高調波成分Xを時間積分するもの。基準温度T0
でこの次数のベッセル関数J2n(ξ)が0になってい
る。この零点で微分J2n′(ξ)が負であれば、積分
には正符号を付し、微分J2n′(ξ)が正であれば、
積分には負符号を付す。この積分回路の出力をV2とす
る。 C.基準電圧発生部 ある一定の基準電圧V0を発生する。 D.足し算器 基準電圧V0と、積分回路の出力V2を足し算して和(V0
+V2)を作り、これに比例する値を乗数Mとする。 E.位相変調素子周波数発振器 一定振幅で、角周波数がΩの位相変調信号を生ずる。 F.乗算器 一定振幅の変調信号Gに、足し算器の出力である乗数
Mを乗ずる。この信号を電流増幅して、位相変調素子7
に印加する。 本発明は、このような構成になっているが、基準電圧
V0というのは、ある基準温度T0で、偶数次高調波成分X
が0になるように決定するのが望ましい。構成を全て書
くと次のようになる。 本発明の光ファイバジャイロ信号処理回路は、センサ
コイルを構成する部分と位相変調素子が設けられた部分
を有する光ファイバと、可干渉光を発生する発光素子
と、該発光素子からの光、あるいは該発光素子から光フ
ァイバを介した光を分割して前記光ファイバの両端に供
給する光分岐装置と、前記光ファイバを右回り、左回り
に伝搬しその両端から出た光を前記光分岐装置によって
結合して受光する受光素子とを含み、受光素子の出力を
受けて位相変調周波数の奇数次の高調波成分(基本波を
含む)P2m+1と偶数次の高調波成分T2nを検出し、奇数次
高調波成分P2m+1を偶数次高調波成分T2nで割り算し、そ
の商から位相差Δθを求める光ファイバジャイロであっ
て、位相変調度bを一定に保つために、Δθを求めるた
めに用いられたもの以外の偶数次高調波成分であって位
相変調のパラメータξがその次数のベッセル関数の零点
になるよう設定されているものの成分を検出する偶数次
高調波成分検出部と、前記偶数次高調波成分を時間的に
積分し前記零点でのベッセル関数の微分が負であるとき
は正、微分が正であるときは負の符号を付す積分回路
と、基準電圧V0を発生する基準電圧発生部と、積分回路
の出力V2と基準電圧V0とを加えてその和に比例する乗数
Mを生ずる足し算器と、一定振幅の位相変調信号Gを生
ずる位相変調素子周波数発振器と、位相変調信号Gに乗
数Mを乗じた信号Hを求め、この信号Hによって位相変
調素子を駆動する乗算器とよりなり、前記偶数次高調波
成分Xを0に近づけるようにした事を特徴とする。
In the present invention, the phase modulation degree b is kept constant by bringing the appropriate even-order harmonic component X included in the output of the light receiving element close to zero. Therefore, the output G of the phase modulation frequency oscillator that generates the phase modulation frequency signal having a constant amplitude is multiplied by the multiplier M by the multiplier to obtain the phase modulation element drive voltage H. Here, the multiplier M is given as a value proportional to the sum of the reference voltage V 0 of the reference voltage generator and the value V 2 obtained by integrating the even harmonic component X by the integrating circuit. The reference voltage is a reference temperature T 0 (for example, 30 ° C)
In, the voltage is such that the even harmonic component becomes 0 when the multiplier M includes only V 0 . However, the even harmonic component X has its zero point J
At 2n0 ) = 0, if the derivative J 2n ′ (ξ 0 )> 0, then the integral is given a negative sign, and J 2n
If (ξ 0 ) <0, the integral is given a positive sign. That is, the optical fiber gyro signal processing circuit of the present invention includes the following components in addition to the angular velocity measurement type.
FIG. 1 shows a schematic configuration diagram of the present invention. A. Even harmonic component detection unit This is a circuit that amplifies the electrical signal output from the light receiving element and then performs synchronous detection to find the 2n-th even harmonic component. It is zero at some reference temperature T 0 . B. Integrator circuit A circuit that integrates even harmonic components X with time. Reference temperature T 0
And the Bessel function J 2n (ξ) of this order is zero. If the derivative J 2n ′ (ξ 0 ) is negative at this zero point, the integral is given a positive sign, and if the derivative J 2n ′ (ξ 0 ) is positive,
A negative sign is added to the integration. The output of this integrating circuit is V 2 . C. Reference voltage generator Generates a certain reference voltage V 0 . D. Adder The reference voltage V 0 and the output V 2 of the integrating circuit are added and the sum (V 0
+ V 2 ), and a value proportional to this is taken as the multiplier M. E. Phase modulation element frequency oscillator Generates a phase modulation signal with constant amplitude and angular frequency Ω. F. Multiplier The modulated signal G having a constant amplitude is multiplied by the multiplier M which is the output of the adder. This signal is current-amplified and the phase modulation element 7
Is applied. Although the present invention has such a structure,
V 0 is an even harmonic component X at a certain reference temperature T 0.
It is desirable to determine so that The whole structure is as follows. The optical fiber gyro signal processing circuit of the present invention is an optical fiber having a portion forming a sensor coil and a portion provided with a phase modulation element, a light emitting element that generates coherent light, and light from the light emitting element, or An optical branching device that splits light from the light emitting element through an optical fiber and supplies the split light to both ends of the optical fiber, and a light branching device that propagates the optical fiber clockwise and counterclockwise and outputs from both ends thereof. And a light receiving element that receives light by combining with the light receiving element, and receives the output of the light receiving element to detect the odd harmonic component (including the fundamental wave) P 2m + 1 and the even harmonic component T 2n of the phase modulation frequency. In the optical fiber gyro, the odd harmonic component P 2m + 1 is divided by the even harmonic component T 2n , and the phase difference Δθ is obtained from the quotient thereof. An even other than the one used to ask for An even-order harmonic component detection unit that detects a component of a number-order harmonic component whose phase modulation parameter ξ is set to be the zero point of the Bessel function of that order, and the even-order harmonic component Integrated and positive when the differentiation of the Bessel function at the zero point is negative, and a negative sign when the differentiation is positive, a reference voltage generator that generates a reference voltage V 0 , and an integral An adder for adding the output V 2 of the circuit and the reference voltage V 0 to generate a multiplier M proportional to the sum thereof, a phase modulator frequency oscillator for generating a phase modulation signal G having a constant amplitude, and a multiplier M for the phase modulation signal G. It is characterized in that it is composed of a multiplier for driving the phase modulation element by the signal H obtained by multiplying by the signal H to bring the even harmonic component X close to zero.

【作 用】[Operation]

偶数次高調波成分検出部Aの出力をXとする。これは
2E1E2J2n(ξ)cosΔθに比例する値である。同期検波
した後であるので、直流になっている。もちろん正負の
区別がある。 これを積分回路で積分する。この符号は、J2n′(ξ
)が正であれば負、J2n′(ξ)が負であれば正で
ある。このような符号をεで表現すると積分回路の出力
V2は、 となる。CRは積分回路の時定数である。 基準電圧V0は一定であるが、足し算器Dで、V0とV2
足し合わせるので、その出力である乗数Mは、 M=k(V0+V2) (23) となる。ただしkは比例定数である。 位相変調素子周波数発振器Eでは、振幅が一定の変調
信号Gを生ずるので、これは振幅をG0として、 G=G0 sin(Ωt) (24) と書くことができる。 乗算器Eでは(24)の一定振幅信号Gに、(23)の乗
数Mを乗ずるので、MGの信号を生ずる。さらにこれを電
流増幅あるいは電圧増幅して位相変調素子の駆動電圧H
とする。この電圧増幅率をaとすると、駆動電圧は、 H=ka(V0+V2)sin(Ωt) (25) となる。 駆動電圧が大きければ、これに正比例して位相変調度
bも大きくなる。当然bに比例するパラメータξもHに
比例して増減する。bとξの関係は(21)によって決ま
る。 基準温度T0おいては、基準電圧V0のみが足し算器Dに
加えられるだけで、このとき、 ξ=ξ (26) X=0 (27) となるようにしてある。 ただしξはその偶数次高調波成のある特定の零点
で、J2n(ξ)=0となる。 (26)の意味は、温度T=T0において、 H0=kaV0sin(Ωt) (28) の変調電圧が位相変調素子に与えられるが、このときの
変調パラメータξはξに等しくなるということであ
る。ξ=ξであればJ2n(ξ)を含むこの偶数次高調
波成Xは0である。(26)、(27)は等価なことを表現
している。 さて温度変動により、同じ駆動電圧H0であるにも拘ら
ず、変調度b、変調パラメータξが増加したと仮定す
る。 第3図は第1の零点(ξ=5.1)の近傍での2次ベ
ッセル関数J2(ξ)を示している。温度がT=T0のとき
はU点に動作点がある。 温度変動により、ξが増加し、動作点がWに移動した
とする。J2′(ξ)はここでは負であるので、ε=+
1である。Xが負になるので、積分V2は負になる。(2
2)からXが負である限りV2は負の値として減少し続け
る。 すると(23)から乗数Mが減少する。このため(25)
の駆動電圧Hが減少する。これにより位相変調度b、位
相変調パラメータξが減少する。つまり第4図で動作点
がWからUに近づいて行く。そしてU点に達すると、ξ
=ξになり、X=0となる。つまりこの高調波成分は
0となり、積分回路の出力V2はこれ以上増えなくなる。
乗数Mは一定値となり、駆動電圧Hの振幅も一定値とな
る。 以上はξがξより大きくなった場合に、ξがξ
戻ると言うことを説明したものである。反対の場合も同
様であり、結局何れにしても、ξがξに戻る回復運動
を行う。 この回復運動についてより詳しく説明する。 (25)に(22)を代入すると、 となる。HはΩで振動する位相変調の駆動電圧であるか
ら、位相変調度ξはHの振幅に比例するはずである。こ
の比例定数をwとすると、 となる。足し算器の入力がV0のみの時に、ξがξとな
るように設定してあるので、 ξ=wkaG0V0 (31) である。問題にしている偶数次高調波成Xは、 X=2E1E2J2n(ξ)cosΔθ (32) で与えられるが、零点近傍での話であるから、 J2n(ξ)=(ξ−ξ)J′2n(ξ) (33) と書くことが出来る。つまりXは、 X=u(ξ−ξ)J′2n(ξ) (34) となる。uは正の定数である(cos Δθを含むがこれは
ほぼ1である)。 (30)に(31)、(34)を代入すると、 となる。εJ′2n(ξ)は負である。 もしもξがξからずれてξになったする。この後
の運動は、 ξ−ξ=(ξ−ξ)exp−t/τ (36) となる。τは回復運動の時定数を与え、正の定数であ
る。ξからξへの回復運動は積分回路の時定数CRが大
きいと遅くなる。 しかしこの積分回路の時定数そのものが、回復運動の
時定数そのものではない。位相変調素子の性能w、乗数
を与える係数k、電圧増幅率a、光量を与えるu、発振
器の振幅G0等が大きければ回復運動が迅速に行われる。 また積分回路の出力V2は、このとき、 となる。
Let X be the output of the even harmonic component detection unit A. this is
2E 1 E 2 J 2n (ξ) A value proportional to cos Δθ. Since it is after synchronous detection, it is DC. Of course there are positive and negative distinctions. This is integrated by the integrating circuit. This sign is J 2n ′ (ξ
0 ) is positive if J 2n ′ (ξ 0 ) is negative and positive. If such a sign is represented by ε, the output of the integrator circuit
V 2 is Becomes CR is the time constant of the integrating circuit. Although the reference voltage V 0 is constant, V 0 and V 2 are added by the adder D, so that the output multiplier M is M = k (V 0 + V 2 ) (23). However, k is a proportional constant. Since the phase modulation element frequency oscillator E produces a modulation signal G having a constant amplitude, this can be written as G = G 0 sin (Ωt) (24) where G 0 is the amplitude. In the multiplier E, the constant amplitude signal G of (24) is multiplied by the multiplier M of (23), so that the signal of MG is generated. Further, this is current-amplified or voltage-amplified to drive the phase modulation element drive voltage
And When this voltage amplification factor is a, the drive voltage is H = ka (V 0 + V 2 ) sin (Ωt) (25). If the drive voltage is large, the phase modulation degree b is also directly proportional to this. Of course, the parameter ξ proportional to b also increases or decreases in proportion to H. The relationship between b and ξ is determined by (21). At the reference temperature T 0 , only the reference voltage V 0 is added to the adder D, and at this time, ξ = ξ 0 (26) X = 0 (27). However, ξ 0 is a specific zero point of the even harmonic generation, and J 2n0 ) = 0. The meaning of (26) is that at the temperature T = T 0 , a modulation voltage of H 0 = kaV 0 sin (Ωt) (28) is given to the phase modulation element, but the modulation parameter ξ at this time becomes equal to ξ 0. That's what it means. If ξ = ξ 0 , this even harmonic generation X including J 2n (ξ) is 0. (26) and (27) express the equivalent. Now, it is assumed that the modulation degree b and the modulation parameter ξ are increased due to the temperature variation even though the driving voltage H 0 is the same. FIG. 3 shows the quadratic Bessel function J 2 (ξ) near the first zero point (ξ 0 = 5.1). When the temperature is T = T 0 , there is an operating point at the U point. It is assumed that ξ increases due to the temperature change and the operating point moves to W. J 2 ′ (ξ 0 ) is negative here, so ε = +
It is one. Since X becomes negative, the integral V 2 becomes negative. (2
From 2), V 2 continues to decrease as a negative value as long as X is negative. Then, the multiplier M decreases from (23). For this reason (25)
The drive voltage H of is decreased. As a result, the phase modulation degree b and the phase modulation parameter ξ decrease. That is, in FIG. 4, the operating point approaches W to U. And when U point is reached, ξ
= Ξ 0 and X = 0. That is, this harmonic component becomes 0, and the output V 2 of the integrating circuit does not increase any more.
The multiplier M has a constant value, and the amplitude of the drive voltage H also has a constant value. The above has explained that ξ returns to ξ 0 when ξ becomes larger than ξ 0 . The same is true for the opposite case, and in any case, the recovery motion in which ξ returns to ξ 0 is performed. This recovery exercise will be described in more detail. Substituting (22) for (25) gives Becomes Since H is a drive voltage for phase modulation oscillating with Ω, the phase modulation degree ξ should be proportional to the amplitude of H. If this proportional constant is w, Becomes Since ξ is set to be ξ 0 when the input of the adder is only V 0 , ξ 0 = wkaG 0 V 0 (31). The even harmonic generation X in question is given by X = 2E 1 E 2 J 2n (ξ) cos Δθ (32), but since it is a story near the zero point, J 2n (ξ) = (ξ− It can be written as ξ 0 ) J ' 2n0 ) (33). That is, X becomes X = u (ξ−ξ 0 ) J ′ 2n0 ) (34). u is a positive constant (including cos Δθ, which is approximately 1). Substituting (31) and (34) into (30) gives Becomes εJ ′ 2n0 ) is negative. If ξ deviates from ξ 0 and becomes ξ 1 . The motion after this is ξ−ξ 0 = (ξ 1 −ξ 0 ) exp−t / τ 0 (36) Becomes τ 0 gives the time constant of the recovery movement and is a positive constant. The recovery movement from ξ to ξ 0 becomes slower when the time constant CR of the integrating circuit is large. However, the time constant of this integrator is not the time constant of the recovery movement. If the performance w of the phase modulation element, the coefficient k that gives the multiplier, the voltage amplification factor a, u that gives the amount of light, the amplitude G 0 of the oscillator, etc. are large, the recovery movement can be performed quickly. The output V 2 of the integrator circuit is Becomes

【実 施 例】【Example】

第4図により本発明の実施例に係る位相変調度を一定
に保つ方式を説明する。 これは2倍高調波を採って、これを0にすることによ
り、ξを一定にするものである。積分回路は、抵抗R1
コンデンサC1、アンプ30よりなり、2倍高調波成分を積
分する。基準電圧発生部はゼナーダイオードZDを電源V
+につないだものよりなりこれで基準電圧V0を発生す
る。足し算器はこれらの電圧を抵抗R2、R3を通してアン
プ31に入力してなる。基準電圧V0と積分V2はこれで和演
算される。乗算器としてはアナログ乗算器が用いられ
る。これは振幅が一定の変調信号に乗数を掛けるもので
ある。この出力は電流増幅器33で増幅され位相変調素子
に入力される。
A method for keeping the degree of phase modulation constant according to the embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. This is to make ξ constant by taking the second harmonic and setting it to zero. The integrating circuit consists of a resistor R 1 ,
It consists of a capacitor C 1 and an amplifier 30, and integrates the second harmonic component. The reference voltage generator supplies the Zener diode ZD with the power supply V
It consists of the one tied to +, which generates the reference voltage V 0 . The adder inputs these voltages to the amplifier 31 through the resistors R 2 and R 3 . The reference voltage V 0 and the integral V 2 are summed with this. An analog multiplier is used as the multiplier. This is to multiply a modulation signal with a constant amplitude by a multiplier. This output is amplified by the current amplifier 33 and input to the phase modulation element.

【発明の効果】【The invention's effect】

位変調度が常に一定しているので、位相変調方式光フ
ァイバジャイロにおいて、各次のベッセル関数の値が確
定し、正しく位相差Δθを求めることが出来る。
Since the degree of modulation is always constant, the value of the Bessel function of each order is fixed in the phase modulation type optical fiber gyro, and the phase difference Δθ can be correctly obtained.

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

第1図は本発明の光ファイバジャイロ信号処理回路の概
略構成図。 第2図は従来例に係る位相変調方式光ファイバジャイロ
の構成図。 第3図は2n次J2n(ξ)の零点近傍を示すグラフ。 第4図は本発明の実施例を示す概略構成図。 A……偶数次高調波成分検出部 B……積分回路 C……基準電圧発生部 D……足し算器 E……位相変調素子周波数発振器 F……乗算器 V0……基準電圧 M……乗数 1……発光素子2 2……光分岐素子 3、4……レンズ 5……光ファイバ 6……センサコイル 7……位相変調素子 9……受光素子 10……励振交流電源
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an optical fiber gyro signal processing circuit of the present invention. FIG. 2 is a block diagram of a conventional phase modulation type optical fiber gyro. Fig. 3 is a graph showing the vicinity of the zero point of the 2nth order J 2n (ξ). FIG. 4 is a schematic configuration diagram showing an embodiment of the present invention. A: Even harmonic component detection unit B: Integration circuit C: Reference voltage generation unit D: Adder E: Phase modulation element frequency oscillator F: Multiplier V 0: Reference voltage M: Multiplier 1 ... Light emitting element 2 2 ... Optical branching element 3, 4 ... Lens 5 ... Optical fiber 6 ... Sensor coil 7 ... Phase modulation element 9 ... Light receiving element 10 ... Excitation AC power supply

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】センサコイルを構成する部分と位相変調素
子が設けられた部分を有する光ファイバと、可干渉光を
発生する発光素子と、該発光素子からの光、あるいは該
発光素子から光ファイバを介した光を分割して前記光フ
ァイバの両端に供給する光分岐装置と、前記光ファイバ
を右回り、左回りに伝搬しその両端から出た光を前記光
分岐装置によって結合して受光する受光素子とを含み、
受光素子の出力を受けて位相変調周波数の奇数次の高調
波成分(基本波を含む)P2m+1と偶数次の高調波成分T2n
を検出し、奇数次高調波成分P2m+1を偶数次高調波成分T
2nで割り算し、その商から位相差Δθを求める光ファイ
バジャイロであって、位相変調度bを一定に保つため
に、Δθを求めるために用いられたもの以外の偶数次高
調波成分であって位相変調のパラメータξがその次数の
ベッセル関数の零点になるよう設定されているものの成
分を検出する偶数次高調波成分検出部と、前記偶数次高
調波成分を時間的に積分し前記零点でのベッセル関数の
微分が負であるときは正、微分が正であるときは負の符
号を付す積分回路と、基準電圧V0を発生する基準電圧発
生部と、積分回路の出力V2と基準電圧V0とを加えてその
和に比例する乗数Mを生ずる足し算器と、一定振幅の位
相変調信号Gを生ずる位相変調素子周波数発振器と、位
相変調信号Gに乗数Mを乗じた信号Hを求め、この信号
Hによって位相変調素子を駆動する乗算器とよりなり、
前記偶数次高調波成分Xを0に近づけるようにした事を
特徴とする光ファイバジャイロ信号処理回路。
1. An optical fiber having a portion forming a sensor coil and a portion provided with a phase modulation element, a light emitting element for generating coherent light, light from the light emitting element, or an optical fiber from the light emitting element. An optical branching device that splits the light passing through the optical fiber and supplies it to both ends of the optical fiber, and light that propagates clockwise and counterclockwise in the optical fiber and is emitted from both ends is coupled and received by the optical branching device. Including a light receiving element,
Receiving the output of the light receiving element, the odd-order harmonic components (including the fundamental wave) P 2m + 1 and the even-order harmonic components T 2n of the phase modulation frequency
Is detected and the odd harmonic component P 2m + 1 is replaced by the even harmonic component T
It is an optical fiber gyro that divides by 2n and obtains the phase difference Δθ from the quotient, and is an even harmonic component other than that used to obtain Δθ in order to keep the phase modulation degree b constant. The parameter ξ of the phase modulation is set to be the zero point of the Bessel function of that order, and the even harmonic component detection unit that detects the component, and the even harmonic component is temporally integrated, and An integrator circuit that gives a positive sign when the differentiation of the Bessel function is negative and a negative sign when the differentiation is positive, a reference voltage generator that generates the reference voltage V 0 , the output V 2 of the integration circuit, and the reference voltage V 0 is added to produce a multiplier M proportional to the sum, a phase modulation element frequency oscillator producing a constant amplitude phase modulation signal G, and a signal H obtained by multiplying the phase modulation signal G by a multiplier M are obtained. By this signal H, the phase modulation element It is more a multiplier to drive,
An optical fiber gyro signal processing circuit, characterized in that the even harmonic component X is brought close to zero.
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