JP2881712B2 - 回転センサ用のバイアス変調振幅モニタ装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 本発明は光ファイバシステム位相変調器に関し、特
に、内部を進んでゆく電磁波の条件の変化に際してのそ
のような位相変調に対処する構成に関する。

光ファイバジャイロスコープは、そのようなジャイロ
スコープを支持している物体の回転を感知するための有
用な手段である。そのようなジャイロスコープは非常に
小型に製造でき、さらには、相当に大きな機械的衝撃、
温度変化及び他の極端な環境条件に耐えるように構成で
きる。可動部品がないため、保守はほとんど不要であ
り、また、コスト面でも経済的になる可能性を秘めてい
る。さらに、他の種類の光学ジャイロスコープでは問題
になりうる遅い回転速度をも感知することができる。

光ファイバジャイロスコープは、軸を中心としてコア
の上に巻付けられたコイル状光ファイバを有し、その軸
の周囲の回転を感知することになる。光ファイバの典型
的な長さは100メートルから2000メートル程度であり、
光ファイバは、電磁波、すなわち、光波が導入されて１
対の光波に分割され、コイルを通って両方向に伝搬して
ゆき、共に最終的には光検出器に入射するという閉じた
光路の一部である。コア、すなわち、コイル状光ファイ
バの感知軸を中心とする回転は、それらの波の一方につ
いて、一方の回転方向には有効光路長を増加させ、逆の
回転方向には光路長を短縮する。逆方向の回転について
は、それと反対の結果が起こる。波のそのような光路長
の差はいずれの回転方向にもそれらの波の間に位相ず
れ、すなわち、周知のサニャック効果を導入する。回転
に起因する位相差ずれの量、従って、出力信号は両方向
に伝搬してゆく２つの電磁波が通過するコイルを通る全
光路の長さによって決まり、そのため、長い光ファイバ
ではあるが、コイル状に巻かれていることによって相対
的に狭いスペースしかとらない場合でも大きな位相差を
得ることができるので、コイル状光ファイバを使用する
ことが望ましい。

光検出器システムのフォトダイオードからの、両方向
に進行してゆく電磁波がコイル状光ファイバを通過した
後にフォトダイオードに入射することに応答した出力電
流は二乗余弦関数に従う。すなわち、出力電流はそれら
２つの波の位相差の余弦によって決まる。余弦関数は偶
関数であるので、そのような出力関数は位相差ずれの相
対方向に関する指示を与えず、従って、コイル軸に関す
る回転の方向に関する指示を与えない。さらに、零位相
に近い余弦関数の変化の速度は非常に小さく、従って、
そのような出力関数は回転速度が遅いときには非常に低
い感度しか示さない。

これらの不満足な特性があるために、通常は、光路内
のコイル状光ファイバの一方の側に光学位相変調器を配
置することにより、２つの両方向に進む電磁波の位相差
を変調する。その結果、それらの両方向に伝搬してゆく
波の一方はコイルに向かう途中で変調器を通過するが、
コイルの中を逆方向に進む他方の波はコイルを出てから
変調器を通過する。

さらに、光検出器出力電流を表わす信号を受信するた
めに、復調器システムの一部として働く位相感知検出器
を設ける。変調器で誘起される振幅変調を減少させる又
は排除するために、位相変調器と位相感知検出器の双方
を正弦信号発生器によりいわゆる「固有」周波数で動作
させることができるが、同じ基本周波数の他の型の波形
を使用することも可能である。周波数レベルをより管理
しやすい値に低下させるために他の周波数を使用でき、
また、多くの場合にそのようにしている。

その結果として得られる位相感知検出器の信号出力は
正弦関数に従う。すなわち、出力信号はフォトダイオー
ドに入射する２つの電磁波の位相差、主に、他の重大
な、しかし望ましくない位相ずれが発生しないときには
コイルの軸に関する回転による位相ずれの正弦によって
決まる。正弦関数は位相ずれが零のときに最大の変化速
度を示す奇関数であるので、零位相ずれの両側で代数符
号を変える。そこで、位相感知検出器の信号はコイルの
軸に関して回転がどちらの方向に起こっているかを指示
することができ、信号値の最大変化速度を回転速度０に
近い回転速度の関数として示すことができる。すなわ
ち、検出器は零に近い位相ずれに対して最大の感度を示
すので、その出力信号は遅い回転速度に対してきわめて
高い感度を有する。言うまでもなく、これは他の原因に
よる位相ずれ、すなわち、誤差が十分に小さい場合に限
って可能である。さらに、このような状況におけるこの
出力信号は相対的に遅い回転速度ではほぼ線形に近い。
位相感知検出器の出力信号に関わるそのような特性は光
検出器の出力電流の特性と比べて相当に向上している。

従来の技術によるそのようなシステムの１例を図１に
示す。この示すの光学的部分は、このシステムが可逆性
であること、すなわち、後述するように、特定して非可
逆性位相差ずれを導入するときを除いて、両方向に伝搬
してゆく電磁波のそれぞれに対してほぼ同一の光路が発
生することを確保するために、光路に沿っていくつかの
機能を含む。コイル状光ファイバは、回転を感知すべき
軸の周囲に巻付けられた単モード光ファイバを使用して
コア又はスプールの周囲にコイル10を形成する。単モー
ドファイバを使用すると、電磁波、すなわち、光波の経
路を独自に規定することができ、さらには、そのような
誘導波の同位相波面も独自に規定することができる。こ
のことは、可逆性の維持と、以下に実行すべきものとし
て指示するような非可逆性位相ずれの導入を大きく助け
る。

その上に、避けることのできない機械的ストレスや磁
界におけるファラデー効果、あるいは他の原因によって
導入され、両方向に伝搬してゆく波の位相差ずれを変化
させる結果を招くと考えられる偏光の変動が相対的にわ
ずかなものとなるようにファイバの中に非常に大きな複
屈折が成り立つという点で、光ファイバはいわゆる偏光
維持ファイバであるということができる。従って、電磁
波を伝搬させるに際して、システム中の他の光学素子に
応じて、屈折率の高い軸、すなわち、伝搬の遅い軸又は
低屈折率軸のいずれかを選択する。本発明のシステムに
おいては、その中で使用する光学素子を考慮して、低速
の軸を選択している。

図１において、コイル10を通って両方向に伝搬してゆ
く電磁波は電磁波源、すなわち、光源11から供給され
る。この光源は、通常、典型的にはスペクトルの近赤外
線部分にある、典型的な波長が830nmの電磁波を供給す
るレーザーダイオードである。コイル10の散乱箇所にお
けるレイリー散乱及びフレネル散乱に起因する電磁波の
位相ずれを差誤差を少なくするために、光源11は発射す
る光について短い可干渉距離を有していなければならな
い。コイル10のカー効果は非線形であるので、２つの逆
方向に伝搬してゆく波の強さの違いはそれらの波の位相
ずれをも異ならせてしまうという結果をもたらす。光源
11として可干渉距離の短い光源を使用して、モード位相
ずれを相殺することにより、同様にこの状況をも克服で
きる。

図１では、レーザーダイオード11と光ファイバコイル
10との間に、光路全体をいくつかの光路部分に分割する
何らかの光学結合素子までコイル10を形成している光フ
ァイバの端部を延長させることにより形成される光路構
造が示されている。レーザーダイオード11からの光発射
を最適に受ける箇所に、コイル10と同一種類の偏光維持
光ファイバの一部分が配置されており、光ファイバはそ
の箇所から第１の光学方向性結合器12まで延びている。

光学方向性結合器12の内部には光透過媒体が入ってお
り、その媒体は媒体の端部ごとに２つずつ、合わせて４
つのポートの間に延在し、図１には結合器12の両端部に
示されている。それらのポートの中の１つには、レーザ
ーダイオード11から延出している光ファイバが取り付け
られている。光学方向性結合器12の感知端部にある他方
のポートには、光検出システム14に電気的に接続するフ
ォトダイオード13に至る位置まで延びる別の光ファイバ
が配置されている。

フォトダイオード13は、それに接続している光ファイ
バの部分から入射して来る電磁波、すなわち、光波を検
出し、それに応答して光電流を供給する。先に指摘した
通り、この光電流は、入射した２つの光波がほぼ干渉性
である場合には、余弦関数に従い、そのような１対のほ
ぼ干渉性の光波の位相差の余弦によって決まる光電流出
力を発生する。この光起電力装置は非常に低いインピー
ダンスで動作して、入射する放射の一次関数である光電
流を供給するものであるが、これは典型的にはＰ−ｉ−
ｎフォトダイオードであっても良い。

光学方向性結合器12の他端部のポートの１つには、偏
光子15に至る別の光ファイバがある。結合器12のそれと
同じ側の他方のポートには、光ファイバの別の一部分を
含めて、無反射成端構造16がある。

光学方向性結合器12は、そのいずれかのポートで電磁
波、すなわち、光を受取って、結合器12の入射ポートを
有する端部とは反対側の端部にある２つのポートのそれ
ぞれにその光の約二分の一が現われるように光を透過す
る。これに対し、結合器12の入射光ポートと同一の端部
にあるポートへは光は透過されない。

偏光子15は、単空間モードファイバにあってもファイ
バを通過する光において２つの偏光モードが起こりうる
ために使用される。従って、偏光子15は、それらの偏光
モードの１つを光ファイバの中を、先に指示したような
その低速軸に沿って通過させる一方、他方のモードを阻
止することを目的として設けられる。ところが、偏光子
15は、阻止しようとする１つの偏光状態において光を完
全には阻止しない。この場合にも、ファイバを通過する
２つの逆方向に進んでゆく電磁波の間にわずかな非可逆
性が生じる結果となり、そこで、基準化因子（スケール
ファクタ）に、偏光子が配置される周囲環境の条件に伴
って変動しうる小さな非可逆位相ずれ差が起こる。この
点に関して、先に指摘した通り、使用される光ファイバ
の大きな複屈折はこのようにして生じる位相差を減少さ
せるのを同じようにして助ける。

偏光子15はその両端部に１つずつのポートを有し、そ
れらのポートの間には光透過媒体が入っている。光学方
向性結合器12に接続する端部とは反対の側の端部にある
ポートには、結合器12と同一の光透過特性を有する別の
光学方向性結合器17にまで至る別の光ファイバ部分が配
意されている。

結合器17の偏光子15に結合するポートがあるのと同じ
端部のポートは、さらに別の光ファイバ部分を使用し
て、同様に無反射成端構造18に接続している。結合器17
の他端部にあるポートを考えると、その一方はコイル10
の光ファイバの一端部から延出している光路部分にある
別の光学素子に接続している。結合器17の他方のポート
は光ファイバ10のもう一方の端部に直接に結合してい
る。コイル10と結合器17との間で、結合器17に直接に接
続する側とは反対のコイル10の側には、光学位相変調器
19が設けられている。光学位相変調器19は、図１にはそ
の両端部に示されている。内部に入った透過媒体の両端
部に、２つのポートを有する。コイル10から出た光ファ
イバは変調器19の１つのポートに接続している。結合器
17から延出する光ファイバは変調器19の他方のポートに
接続している。

光学変調器19は電気信号を受信して、その内部の透過
媒体の屈折率を変化させることにより光学変調器に透過
してゆく光に位相差を導入させ、それにより、光路長を
変化させることができる。そのような電気信号は、変調
周波数f_gと等価のラジアン周波数をω_gとするときにC₁s
in（ω_gt）と等しい変調周波数f_gの正弦電圧出力信号を
発生するバイアス変調信号発生器20により、変調器19に
供給される。あるいは、他の適切な周期波形を使用でき
るであろう。

ここで、光源11により発射される電磁波、すなわち光
波がたどる光路に沿って形成される図１のシステムの光
学的部分の説明は終わる。そのような電磁波はその源か
ら光ファイバ部分を経て光学方向性結合器12に結合す
る。光源11から結合器12に入射する光の一部はその反対
側の端部にあるポートに結合している無反射成端構造16
において失われるが、その光の残る部分は偏光子15を経
て光学方向性結合器17へ伝送される。

結合器17は、偏光子15から受取ってそのポートに入射
して来る光をほぼ二分の一に分割するビーム分割装置と
して動作し、その光の一部は反対側の端部にある２つの
ポートのそれぞれから射出する。結合器17の反対側の端
部にある一方のポートから出た電磁波は光ファイバコイ
ル10と、変調器19とを通過して結合器17に戻る。そこ
で、この戻って来た光の一部は結合器17の偏光子15に接
続する端部にある他方のポートに接続している無反射構
造18において失われるが、その光の残る部分は結合器17
の他方のポートを通過して偏光子15と、結合器12とに至
り、そこで、その一部はフォトダイオード13へ伝送され
る。偏光子15からコイル10に到達した光の他方の部分は
結合器17のコイル10側端部にある他方のポートから出て
変調器19と、光ファイバコイル10とを通過し、結合器17
に再び入射するが、この場合にも同じように光の一部は
他方の部分と同一の経路をたどり、最終的にはフォトダ
イオード13に入射する。

先に指摘した通り、フォトダイオード13はそこに入射
する２つの電磁波、すなわち光波の強さに比例する出力
光電流I_PD13を発生し、従って、次の式により表わされ
るように、そのダイオードに入射するそれら２つの波の
位相差の余弦に従うものと期待される： これは、電流がフォトダイオード13に入射する２つのほ
ぼ可渉性の波の結果として生じる光学的強さ、すなわ
ち、I_Oのピーク値から、２つの波の間でどれほどの大き
さの強め合う干渉又は弱め合う干渉が起こるかによって
決まるより小さな値まで変化する強さによって決まるか
らである。コイル10を形成しているコイル状光ファイバ
がその軸に関して回転すると、波の間にφ_Rの位相差ず
れが導入されるので、この波の干渉は光ファイバの回転
に伴って変化する。さらに、このフォトダイオード出力
電流には、φ_mの振幅値を有する変調器19により、cos
（ω_gt）に従って変化する追加の可変位相ずれが導入さ
れている。

光学位相変調器19は先に説明した種類のものであり、
位相感知検出器と関連して、先に指示した通りに余弦関
数に従う光検出システム14の出力信号を正弦関数に従う
信号に変換する復調システムの一部として使用される。
そのような正弦関数に従うと、先に指摘したように、そ
の出力信号の中に、コイル10の軸に関する回転の速度
と、その回転の方向の双方についての情報が得られる。

従って、フォトダイオード13を含めた光検出システム
14からの出力信号は増幅器21を介して供給されるが、そ
の増幅器で信号は増幅され、フィルタ22を介してそのよ
うな位相感知検出器23に供給される。位相復調システム
の一部として働く位相感知検出器23は周知の装置であ
る。そのような位相感知検出器は変調信号発生器20の第
１調波、すなわち、基本周波数の変化を感知して、フォ
トダイオード13に入射する電磁波の相対位相を指示す
る。この情報は位相感知検出器23により正弦関数に従う
出力信号の中で提供される。すなわち、この出力信号は
フォトダイオード13に入射する２つの電磁波の位相差の
正弦に従うのである。

バイアス変調器信号発生器20は、先に説明した周波数
f_gで光路内において光を変調するときに、光検出システ
ム14で調波成分をも発生する。フィルタ22は、光検出器
14の出力信号の増幅器21による増幅の後の変調周波数成
分、すなわち、第１調波を通過させるべき帯域フィルタ
である。

動作中、回転によって、光路内でコイル10を通過する
２つの両方向に伝搬してゆく電磁波の位相差の変化は、
変調器19によって起こる位相差の変化と比較して相対的
にゆっくりと変動する。回転、すなわち、サニャック効
果による位相差は、いずれも、２つの電磁波の位相差を
シフトさせるだけである。フィルタ22の出力端子に現わ
れる、光検出システム14の出力信号の変調周波数成分の
振幅基準化因子（スケールファクタ）は、ａ）変調器19
及び発生器20によるそれらの波の位相変調の振幅値と、
ｂ）システム内における様々な利得を表わす定数という
因子によってのみさらに修正されるこの位相差の正弦に
より設定されるものと期待される。そこで、この信号成
分における発生器20及び変調器19によるこの正弦変調の
周期的効果は、位相感知検出器23を含むシステムでの復
調によって除去されるものと期待され、除去後には、振
幅基準化因子によってのみ決まる復調器システム（検出
器）出力信号が得られる。

従って、増幅器21の出力端子の電圧は典型的には： υ_21-out＝κ｛１＋cos［φ_R＋φ_mcos（ω_gｔ＋
θ）］｝ として現われる。定数κはシステムを経て増幅器21の出
力端子に至る利得を表わす。記号θは、発生器20により
供給される信号の位相に関する増幅器21の出力信号にお
ける追加位相遅延を表わす。この位相ずれの一部は光検
出システム14で導入され、別の部分は、発生器20により
供給される信号の位相についての変調器19の両側におけ
る位相ずれや、変調器１がその内部の媒体の屈折率又は
その長さを相応して変化させる際の応答のような他の原
因によって起こる。先の式で使用されているその他の記
号は、第１の式に含まれていた記号と同じ意味をもつ。

上記の式をベッセル級数により展開すると、次のよう
な式を得ることができる： 増幅器21の出力端子のこの信号はフィルタ22の入力端子
に印加される。

先に指摘したように、フィルタ22は上記の式からの第
１調波、すなわち、変調周波数成分を主に通過させる。
その結果、フィルタ22の出力信号を次のように書き表わ
すことができる： υ_22-out＝−２κJ₁（φ_m）sinφ_Rcos（ω_gｔ＋θ＋
Ψ₁） さらに現われる位相遅延項Ψ₁は、フィルタ22を通過す
る結果として第１調波項に追加される追加位相ずれであ
る。この追加位相ずれはほぼ一定であり、フィルタ22の
既知の特性であると期待される。

そこで、フィルタ22からの信号はバイアス変調器発生
器20からの信号と同じように位相感知検出器23に印加さ
れるが、バイアス変調器発生器の信号も、同様に、変調
周波数f_gと等価のラジアン周波数をω_gとしたときのC₁s
in（ω_gt）に等しい。位相感知検出器23によりその出力
信号に追加できる位相ずれがθ＋Ψ₁に等しい仮定とす
ると、その検出器の出力は次のようになるであろう： υ_23-out＝κ′J₁（φ_m）sinφ_R 定数κ′は、位相感知検出器23を通過するときのシステ
ム利得を表わす。

この最前の式から明らかであるように、位相感知検出
器23の出力は、バイアス変調発生器20の動作に応じてバ
イアス変調器19から与えられる変調の振幅φ_mに依存す
る。従って、バイアス変調発生器20により供給される信
号の振幅を使用して、コイル10のその軸に関する回転の
所定の速度に対しての位相感知検出器23の出力端子の信
号を設定する、すなわち、ジャイロスコープの基準化因
子（スケールファクタ）を少なくともそのジャイロスコ
ープについて可能な値の範囲内に設定することができ
る。

光ファイバジャイロスコープのオペレータが図１のシ
ステムにおけるバイアス位相変調の振幅を選択された値
に設定しようとする理由はいくつかある。その振幅は、
光ファイバの中を進んでゆく光波に起こるゆがみと、バ
イアス変調発生器20がシステムの電子部分の他の部品に
信号を誘起することによってバイアス変調発生器20によ
り有効に発生される雑音とに影響を及ぼす。さらに、当
然のことながら、光検出器の出力端子における信号強度
が位相変調振幅により限度内で確定されるのは自明であ
る。

また、位相変調振幅を選択したならば、基準化因子に
ついて選択したその値を定数として維持することが強く
要求される。光ファイバジャイロスコープの基準化因子
は、回転センサ出力信号を受信するシステムがその信号
によりどのような回転速度が表わされているかを確定す
るために使用する。従って、その基準化因子（スケール
ファクタ）に予期しない変化が起こると、これらの他の
システムに供給される角回転情報の値に誤差を生じてし
まう。基準化因子の選択や安定性についての要求があま
り厳格でない光ファイバジャイロスコープでは、バイア
ス変調発生器20により供給される信号の安定した振幅を
選択して維持するだけで十分であろう。しかし、光ファ
イバジャイロスコープにおいては、基準化因子の値に関
して、また、選択した基準化因子を維持する場合の安定
性に関してはるかに厳格な条件を要求される場合が多
い。

従って、本発明の目的は、基準化因子を広く連続する
範囲から選択でき、且つ、選択した後にはそれを安定し
て維持できる、基準化因子選択・安定化のための構成を
提供することにある。

発明の概要 本発明によれば、少なくとも一部に先に説明した構成
を有し、それに加えて、次のバイアス変調振幅モニタリ
ング・システムを有する回転センサが提供される。すな
わち、バイアス変調振幅モニタリング・システムは、光
検出器出力信号の中の第１の成分および第２の成分の大
きさをそれぞれ示す信号を生じる第１及び第２の光検出
器出力信号成分確定手段と、光検出器出力信号を調整し
て回転センサ出力信号が前記回転センサの選択された回
転速度に対してある範囲内の選択された値となるように
なし、位相変調における前記振幅の変動に起因して生じ
るずれを修正する光検出器出力信号成分関係確定手段と
を備える。ここで、前記第１の光検出器出力信号成分確
定手段は、ゼロに近い周波数に実質的に限定された周波
数成分（第１の成分）の大きさを示す信号を生じ、一
方、前記第２の光検出器出力信号成分確定手段は、バイ
アス変調器のために選択された周波数のほぼ２倍に近い
周波数に実質的に限定された周波数成分（第２の成分）
の大きさを示す信号を生じるものである。そして、成分
関係確定手段は、前記第１及び第２の成分の大きさをそ
れぞれ表わす信号を受信して第１及び第２の成分の大き
さの相対値に基づいた調整を行い、さらに、光検出器出
力信号をも受信してその光検出器出力信号に基づく回転
センサ出力信号生成する、信号処理装置を含むことがで
きる。あるいは、成分関係確定手段は、光学変調器の振
幅を制御することができるように光学変調器に接続して
も良く、その場合には、成分関係確定手段は、その出力
端子に、前記第１及び第２の成分の大きさの相対値に基
づく、光学位相変調器を制御するための信号を供給する
ことができる。

図面の簡単な説明 図１は、従来の技術において知られているシステムの
組合せブロック・概略回路図を示し、 図２は、図１の線図の一部の代わりに使用することが
できる本発明を具現化した組合せブロック・概略回路図
を示し、 図３は、図１の線図の一部の代わりに使用することが
できる本発明を具現化した合せブロック・概略回路図を
示す。

好ましい実施例の詳細な説明 図１の光ファイバジャイロスコープについて正確な基
準化因子を選択し且つ維持するためにバイアス変調器信
号発生器20の出力振幅設定に依存するのには困難がある
ため、この目的のために本発明を具現化した代替システ
ムを図２に示す。図２は、光学位相変調器19を動作させ
るために使用される信号の振幅を制御するフィードバッ
ク構成を示す。図２のシステムは、位相感知検出器23の
出力端子の信号をコイル状光ファイバ10の軸に関する回
転速度に関連づける基準化因子を正確に維持できるばか
りでなく、基準化因子の値を相当に広い範囲にわたる値
の中からそのように維持されるべく選択することができ
る。図２において、図１と同一の図中符号は同様の素子
を表す。

フィードバックループの新たな部分に対する入力信号
は、先に閉じた形と展開させた形の双方で信号V_21-out
として示した増幅器21の出力である。この信号は、増幅
器21の負荷を回避するためのバッファとして働く別の増
幅器24に印加される。このサービスを実行するとき、増
幅器24は増幅器21の出力端子で供給される信号を重大に
は変化させない。

増幅器24の出力端子の信号は２つのフィルタ25及び26
に同時に供給される。フィルタ25は、光検出システム14
からの光検出器出力信号が増幅器21及び24を通過した後
のその信号のバイアス変調信号発生器20の周波数ω_gに
より左右されない成分の通過を阻止する高域フィルタで
ある。すなわち、V_21-outに関する上記の式の中の第１
の項により表される増幅器24の出力端子の信号の最も低
い周波数内容をもつ信号成分がフィルタ25により阻止さ
れる。

フィルタ25は、高域フィルタではなく、図２のシステ
ムの後続する部分で使用すべき増幅器24の出力信号の中
の残る信号成分から選択される信号成分の周波数値をか
なり越える帯域幅を有する帯域フィルタであることもで
きる。さらに、選択された調波成分が他の調波成分に関
して大きい場合には、状況によってはフィルタ25は不要
になるであろう。

増幅器24の出力端子に表されるような光検出システム
14の出力信号の第２調波成分をそのような用途のために
選択したものと仮定して図２のシステムを説明するが、
第４調波のようなさらに他の調波成分を代わりに使用す
ることもできるであろう。そのような偶数調波の状況の
いずれにおいても、フィルタ25が帯域フィルタであれ
ば、フィルタ25の上限遮断周波数は調波成分に関しては
なはだしい位相遅延の問題を発生させるのを回避するた
めに後に使用すべきものとして選択される調波成分をか
なり越えていなければならない。そのような周波数成分
の振幅を表す信号を得るためのその成分の要求される周
波数変換を申し分なく実行すべき場合には、周波数成分
の位相はフィルタ25を通して著しく遅延してはならな
い。

これに対し、フィルタ26は、増幅器24の出力端子に現
れる光検出システム14により供給される光検出器出力信
号の中のバイアス変調信号発生器の周波数ω_gに依存し
ていない成分、すなわち、最低周波数内容を有する信号
成分を取出すために使用される低域フィルタである。先
に指示した通り、これは増幅器24による増幅の後の増幅
器21の出力電圧信号に関する上記の展開式の中の第１の
項であり、次のように書き表すことができる： υ_26-out＝Κ_A［１＋Ｊ_O（φ_m）cosφ_R］cosθ 定数Κ_Aは増幅器21及び24の組合せ利得並びに光検出器1
3に入射する電磁波の強さを表す。低域フィルタ26の遮
断周波数は相対的に低い値となるように選択されるので
あるが、それはこの出力信号が通常は低周波数内容を有
し、ジャイロスコープの角回転速度の変化が全くないと
ころでは定数になるためである。この遮断周波数の典型
的な値は5Hzから100Hzになると考えられる。フィルタを
通るときの位相遅延は重大な差を生じさせず、従って、
フィルタ26によって加わる位相遅延を制御するために特
別の労力は不要なのである。このため、先の式にはその
位相遅延は表わされていない。

高域フィルタ又は帯域フィルタ25の出力は周波数ダウ
ンコンバータ27に供給される。周波数ダウンコンバータ
27は、システムの残る部分で使用すべきものとして選択
される増幅器24の出力信号の偶数調波成分の周波数と等
しい周波数をもつ基準信号をさらに受信するが、この偶
数調波周波数の基準信号はバイアス変調信号発生器の周
波数に基づいている。この説明においては第２調波を使
用しているので、バイアス変調信号発生器により周波数
ダウンコンバータ27に周波数２ω_gの信号が供給され
る。従って、この信号発生器はこの時点で周波数ω_gの
バイアス変調信号のみならず、その信号の周波数２ω_g
の第２調波をも供給するので、図２ではこの信号発生器
を20′として示してある。その結果として周波数ダウン
コンバータ27の出力端子で得られる信号を次のように書
き表すことができる： υ_27-out＝κ_Dκ_AJ₂（φ_m）cosθcosφ_R 定数Κ_Aは先の式におけるのと同じ意味を有する。定数
Κ_Dは、周波数ダウンコンバータ27を通して起こる振幅
値調整を表す。

光検出システム14から得られる光検出器13の増幅出力
信号の選択された周波数成分の振幅を表すこれら最前の
２つの信号V_26-out及びV_27-outは、それぞれ、互いに減
算を実行する前に、対応する選択された乗法定数により
基準化される。従って、周波数ダウンコンバータ27V
_27-outによる変換の後に高域フィルタ又は帯域フィルタ
25の出力端子から得られる信号は選択自在の乗法定数G₁
と乗算され、低域フィルタ26から得られる信号は選択自
在の定数G₂と乗算されることになる。

この第２の乗算は図２に乗法利得ブロック28により表
されており、ブロックの中には定数G₂が示されている。
そのような乗算は信号 υ_28-out＝G₂κ_A［１＋J_o（φ_m）cosφ_R］cosθ を産み出す。第１の乗算は図２に別の乗法利得ブロック
29により表されており、ブロックの中には同様に乗法定
数G₁が示されている。この結果、そのブロックの出力端
子では、 υ_29-out＝G₁κ_Dκ_AJ₂（φ_m）cosθcosφ_R の形態をとる信号が得られる。

この上記の信号から先の信号を減算すると、代数加算
器30の出力端子に次の出力信号は発生する。

υ_30-out＝υ_28-out−υ_29-out ＝κ_A｛G₂［１＋J_o（φ_m）cosφ_R］−G₁κ_DJ₂（φ_m）co
sφ_R｝cosθ 次に、この差信号を図２にはブロック31により表して
ある積分器によって時間の経過に従って積分する。この
積分の結果を図２には別のブロック32により表してある
可変利得増幅器に印加する。可変利得増幅器32の利得設
定はバイアス変調信号発生器20′から光学位相変調器19
へ供給されるバイアス変調周波数ω_gのバイアス変調信
号の振幅を確定する。その結果として得られる、図１の
コイル状光ファイバ10を含む光学系における電磁波の位
相変調は、それらの波が光検出器13に入射してフィード
バックループを閉じることによって、光検出器13の出力
信号の中に効果を表す。

積分器31にネット信号が与えられている限り、その積
分器は信号を時間の経過に従って積分して、その出力端
子に間断なく変化する信号を発生させる。従って、バイ
アス変調位相ずれ振幅の振幅値φ_mとして値φ_m0を選択
し且つ図２のシステムをその値を中心とする定常状態に
整定させたならば、積分器31の出力端子における信号値
は変化せず、それにより、可変利得増幅器32がその出力
端子にバイアス変調信号発生器20′の出力信号C₁sin
（ω_gt）の適切な乗算バージョンである信号C₁′sin
（ω_gt）を発生させるようにし、その結果、光学位相変
調器19にバイアス位相変調位相ずれ振幅のちょうどその
値を供給させるようにすべきである。従って、この最前
に挙げた差信号は、バイアス位相変調位相ずれ振幅φ_m
がφ_m0の選択された値を有するときには０に等しくなけ
ればならない。すなわち、 υ_30-out＝０＝κ_A｛G₂［１＋J₀（φ_m0）cosφ_R］−G₁
κ_DJ₂（φ_m0）cosφ_R｝cosθ となり、そこで次のようになる。

そこで、このすぐ上の式は、バイアス位相変調位相ずれ
振幅φ_mについて特定の値φ_m0を選択するために適合し
ていなければならない条件である。バイアス位相変調位
相ずれ振幅について選択すべき値が、少なくとも十分に
小さな対応するサニャック位相ずれφ_Rに反映される十
分に遅い回転速度に対して定数G₁及びG₂について選択さ
れる値の選択により選択されることは明らかである。

ところが、システムの動作中、バイアス位相変調振幅
φ_mの値に温度変化、素子のエージングなどに起因する
妨害を起こして、図２のフィードバックループを定常状
態動作から外れさせてしまうこともありうる。バイアス
位相変調位相ずれ振幅の値φ_mのその所望の値φ_m0から
のそのような妨害を値φ_m0からのわずかな増分又は減分
として表すことができる。すなわち、 φ_m＝φ_m0＋δ（ｔ） 式中、δ（ｔ）は、バイアス位相変調位相ずれ振幅φ_m0
の選択された値からの妨害による小さな変化を表す。

バイアス位相変調位相ずれ振幅の値のその選択された
値φ_m0からのそのような妨害が起こると、その結果、加
算器30の出力信号電圧はもはや０ではなくなり、それに
よって得られる値を次のように書き表すことができる： υ_30-out＝κ_A｛G₂［１＋J₀（φ_m0＋δ）cosφ_R］ −G₁κ_DJ₂（φ_m0＋δ）cosφ_R｝cosθ δが十分に小さければ、この上記の式は次のような線形
近似により表されるであろう。

上記の式においては、先に挙げたバイアス位相変調位相
ずれ振幅の値を選択するために満たすべき条件を表す式
を代入することにより、定数G₂を除去できる。すなわ
ち、 次に、この信号を積分器31により積分して、そこから
可変利得増幅器32の利得を制御するための次のような出
力信号を得るのであるが、この信号は、 である。定数Ｋを ΚΔκ_Iκ_AG₁κ_Dcosθ と定義すれば、cosφ_Rがほぼ１と等しくなるように回転
速度が十分に遅いと仮定すると、上記の式を簡略化する
ことができる。そこで、 すなわち、 ≡Ｋ′（φ_m′φ_R）∫^tδ（ｔ）dt 上に定義した式は、位相変調位相ずれ振幅φ_mと、セン
サφ_Rの回転により誘起されるサニャック位相変化とに
よって決まる項Ｋ′を含んでいるが、これは、十分に小
さければ、この係数を定数G₁及びG₂に関する値の選択に
よってシステムのバイアス位相変調位相ずれ振幅につい
て選択される値φ_m0によって決まる値を有するほぼ一定
の値のままに保つ。

係数Ｋ′とφ_m0との関係を表すグラフを図３に示す
（cosφ_Rが約１の場合。そうでない場合には、様々に異
なるφ_Rの値に対して図３に一群の曲線が描かれること
になるであろう）。積分器の出力端子の信号V
_31-outは、バイアス変調発生器20′から位相光学発生器
19に印加される信号を可変利得増幅器32を介して制御す
ることによってφ_mの値の変化を確定するフィードバッ
クを制御する信号であるので、グラフは、約3.4ラジア
ンから3.5ラジアン未満であるφ_mの値についてはフィー
ドバックはフィードバックループにおいて負のままであ
ることを示す。従って、光ファイバコイル10の軸に関す
るセンサの回転速度が十分に遅い限り、フィードバック
ループは安定しており、光ファイバコイル10の中を両方
向に伝搬してゆく波の間のバイアス位相変調位相ずれ振
幅におけるφ_mの値に対するそのような妨害を軽減する
ように動作する。

積分器31の出力端子の信号が可変利得増幅器32及び光
学位相変調器19に及ぼす影響によって、妨害のこの軽減
を示すことができる。従って、バイアス変調発生器20′
がその出力信号V_32-outにほぼ一定の振幅を与えると仮
定すれば、可変利得増幅器32の出力信号は次のようにな
る。

υ_32-out＝（C₂＋C₃υ_31-out）υ_20′−out バイアス位相変調位相ずれ振幅の値に妨害が存在してい
ない、すなわち、この振幅はその所望の値φ_m0にあるこ
とに対応する最大振幅V_VGA0を有する可変利得増幅器32
の出力信号が存在していることに基づいて、上記の信号
を別の形態で書き直すことができるのであるが、その場
合、簡略を期するために、妨害による増分又は減分を同
じようにV_31-outと表わし、それにより、定常状態成分
を無視して、次のような可変利得増幅器32の代替表示を
得るのである。

υ_32-out＝V_VGA0＋κ_VGAυ_31-out 定数κ_VGAは１つの定数として可変利得増幅器32の利得
効果を表す。また、光学位相変調器19が与える出力位相
ずれを φ_m＝κ_OPMυ_32-out と表すことができるように、光学位相変調器19は線形で
あるものと仮定する。定数κ_OPMは１つの定数として光
学位相変調器19の利得効果を表す。

その結果、大きさδの妨害を反映する形態の光学位相
変調器位相ずれ振幅の値を積分器31の出力端子の信号と
関連づけることができる。従って、先に求めた積分器31
の出力信号V_31-outに関する値を使用すると、 φ_m＝φ_m0＋δ（ｔ）＝Κ_OPMυ_32-out ＝κ_OPMV_VGAO＋Ｋ_DPMκ_VGAυ_31-out ＝κ_OPMV_VGAO＋κ_OPMＲ_VGAΚ′∫^tδ（ｔ）dt このすぐ上の式を時間に関して微分すると、次のよう
な結果になる。

符号の右側の第１の項は、κ_OPMV_VGAに何らかの変化が
あった場合には妨害δ（ｔ）が起こり、従って、それに
より表されることになるため、０の値をとるものと考え
られる。そのようなことが行われ、その妨害が任意に時
間ｔ＝０で起こったと仮定すると、続く一次微分方程式
は次のような結果になる。

この式は容易に解け、次の形態の解が得られる： 先に指示した通り、Ｋ′は約3.4から3.5より小さい値
を有するφ_moに対しては負である。従って、上記の式は
障害が軽減されたことを示している。

位相感知検出器23の出力端子で供給される光ファイバ
ジャイロスコープの出力信号は、先には、 υ_23-out＝κ′J₁（φ_m）cosθsinφ_R と示されていたが、妨害δ（ｔ）が存在するところで
は、 υ_23-out＝κ′J₁（φ_m0＋δ）cosθsinφ_R となるであろう。同様に、十分に遅い回転速度で、十分
に小さな妨害に対しては、これを線形近似して次のよう
な式を得ることができる： 見ればわかる通り、この結果として、基準化因子には、 の誤差が生じる。この解を先の一次微分方程式に代入す
ると、この基準化因子誤差も妨害それ自体の軽減を制御
する同時定数によって減少することがわかる。

このように、バイアス位相変調振幅φ_m0として、3.4
ラジアンから3.5ラジアンより十分に小さく、定数G₁及
びG₂の値を相応して選択することによって実現される値
を選択すれば、図２のシステムにおいては、その値はコ
イル状光ファイバ10の軸に関する光ファイバジャイロス
コープの十分に遅い回転速度に対してその選択の値に起
こる妨害に抗して維持される。φ_m0が3.4ラジアンから
3.5ラジアンより大きくなければならない場合には、図
２のシステムで使用するために、フィルタ25及び周波数
ダウンコンバータ27によって光検出システム14により供
給される光検出器信号から第４調波などの第２調波より
大きい偶数調波を選択しなければならない。

入力速度φ_Rが増すと、先の解析は完全には成立しな
くなる。しかしながら、図２のシステムによりV_30-out
＝０の条件は依然として満たされる。この状況では、振
幅φ_mは初期選択値φ_mにとどまらないが、より大きな入
力速度を表すφ_Rと独特に一致しながら予測に従って別
の値へと変化する。従って、システム出力信号を入力速
度φ_Rに関連づける図２のシステムの基準化因子の安定
性は著しくは低下しない。

図２のフィードバック構成に代わるものとして、光検
出システム14により供給される光検出器出力信号から選
択される偶数調波と、その信号の最低周波数成分、すな
わち、ゼロ周波数値に最も近い成分とを使用して、基準
化因子を有効に選択すると共に、そのようにして選択し
た基準化因子を変化させかねない光ファイバジャイロス
コープシステムの妨害に対抗するための信号処理計算の
基礎を形成することができる。そのようなシステムを図
４に示すが、図４においては図１及び図３のそれぞれに
示されているのと同様の素子を指示するためにそれらの
図と同一の図中符号を使用している。従って、フィルタ
26及び周波数ダウンコンバータ27の出力端子で得られる
信号を統御するのは、図２の同様の信号について見出し
た式と同じである。すなわち、 υ_26-out＝κ_A［１＋J₀（φ_m）cosφ_R］cosθ 及びυ_27-out＝κ_Aκ_DJ₂（φ_m）cosθcosφ_R 同様に、図４のシステムの位相感知検出器23の出力を特
徴づける式は図２の場合と同じである。すなわち、 υ_23-out＝κ′J₁（φ_m）cosθsinφ_R 図４からわかる通り、これら３つの信号は全て信号処理
装置40に供給される。そのような信号処理装置は数多く
の形態をとることができるが、その中で最も単純なもの
は、おそらく、それらの入力信号のそれぞれについて対
応するアナログ／デジタル変換器を設けるか、又はその
ような変換器を介して入力信号を多重化し、変換の結果
をマイクロプロセッサへ伝送するというものであろう。
あるいは、それらの信号がアナログ形態である間に信号
の選択された比を求め、その結果を１つ又は複数のアナ
ログ／デジタル変換器に供給して、変換結果をマイクロ
プロセッサに供給することも可能であろう。さらに別の
変形として、現在市販されている中から既存の信号処理
集積回路チップを使用することも考えられる。

いずれにしても、最前の３つの式から、増幅器21及び
24による増幅並びに光検出システム14における電流から
電圧への変換に際しての有効利得を特徴づける定数k
_Aと、周波数ダウンコンバータ27を特徴づける定数k
_Dと、光学系を経るときの位相遅延θとがわかっている
（又は位相遅延の場合は除去可能である）と仮定すれ
ば、それらの式の中にφ_m，φ_R及びｋ′という３つの未
知数が存在していることがわかる。それら３つの未知数
について３つの式が存在しているので、約3.4ラジアン
から3.5ラジアンより小さいφ_mの値について信号処理装
置40によりそれら３つの未知数の値を取出すことがで
き、そこから、信号処理装置40は値φ_Rに基づいてコイ
ル状光ファイバの軸に関する光ファイバジャイロスコー
プの実際の回転速度を表す出力を供給することができ
る。光学位相変調振幅の値であるφ_mの公称値は、バイ
アス変調発生器20′により供給される信号の振幅を選択
することにより設定可能である。

図２及び図４の光ファイバジャイロスコープは、両方
向に伝搬してゆく電磁波の位相差がフィードバックルー
プの中で零になる閉ループジャイロスコープとは異なる
開ループジャイロスコープである。ところが、光学信号
の中には偶数調波が存在したままであるので、正当な理
由があるならば、図２及び図４のシステムを閉ループジ
ャイロスコープと共に使用することは可能であろう。

本発明を好ましい実施例に関連して説明したが、本発
明の趣旨から逸脱せずに形態及び詳細について変更を実
施しうることは当業者には認められるであろう。

フロントページの続き (72)発明者 ダンクワート，ルドルフ・シィ アメリカ合衆国 85021 アリゾナ州・ フィーニクス・ノース ８ティエイチ アヴェニュ・8121 (56)参考文献 特開 昭63−16219（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−71012（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−106413（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−236113（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−50717（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G01C 19/00 - 19/72

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】光ファイバコイルの軸に関する回転を検出
   してその回転を示す回転センサ出力信号を生じる回転セ
   ンサ用のバイアス変調振幅モニタ装置であって、前記回
   転センサでは、一対の電磁波が相互に反対方向に前記光
   ファイバコイルを伝播し、前記光ファイバコイルに向か
   う電磁波と前記光ファイバコイルから離れる向きの電磁
   波伝播とは異なる光路部分に沿って伝播し、双方の電磁
   波は位相差をもって光検出器手段に入力し、この光検出
   器手段は前記位相差を基礎とする光検出器手段出力信号
   を生じ、前記光路部分の一方にはバイアス光位相変調器
   が設けられ、このバイアス光位相変調器は、それを通過
   する電磁波に対して選択可能な周波数を有し且つ選択可
   能な振幅を有する変動位相差を与えるよう当該電磁波を
   変調することができ； 出力端子と、前記光検出器手段の出力端子に電気的に接
   続された入力端子とを有する第１の光検出器出力信号成
   分確定手段を備え、この第１の光検出器出力信号成分確
   定手段の前記出力端子には、前記光検出器手段出力信号
   から周波数内容により選択された前記光検出器手段出力
   信号の第１の成分の大きさを示す出力信号が与えられ、
   前記第１の成分はゼロに近い値の周波数に実質的に限定
   された周波数成分であり； 出力端子と、前記光検出器手段の出力端子に電気的に接
   続された入力端子とを有する第２の光検出器出力信号成
   分確定手段を備え、この第２の光検出器出力信号成分確
   定手段の前記出力端子には、前記光検出器手段出力信号
   から周波数内容により選択された前記光検出器手段出力
   信号の第２の成分の大きさを示す出力信号が与えられ、
   前記第２の成分は前記バイアス光位相変調器による前記
   位相変調のために選択された周波数のほぼ２倍に近い周
   波数に実質的に限定された周波数成分であり； 前記第１の光検出器出力信号成分確定手段の前記出力端
   子及び前記第２の光検出器出力信号成分確定手段の前記
   出力端子に電気的にそれぞれ接続された１対の入力端子
   を有し、前記バイアス光位相変調器に電気的に接続され
   た出力端子を有する光検出器出力信号成分関係確定手段
   を備え、この光検出器出力信号成分関係確定手段には、 前記第１および第２の光検出器出力信号成分確定手段そ
   れぞれの出力信号の大きさを、前記光ファイバコイルの
   軸に関する前記回転センサの回転の回転とは独立の選択
   値を持つ選択された乗算係数を用いて、それぞれ変換し
   て、第１および第２の重み付けをした成分信号を形成す
   る手段と、 前記光検出器出力信号を、前記バイアス光位相変調器を
   介して調整して、前記回転センサ出力信号が前記回転セ
   ンサの選択された回転速度に対してある範囲内の選択さ
   れた値となるようにする、調整手段と、 この選択された値から位相変調における前記振幅の変動
   に起因して生じるずれを、前記第１および第２の重み付
   けをした成分信号を選択された関係に至らせることによ
   って、修正する手段と が設けられている、ことを特徴とする回転センサ用のバ
   イアス変調振幅モニタ装置。