JP3028245B2 - 光ファイバジャイロ - Google Patents

光ファイバジャイロ

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JP3028245B2
JP3028245B2 JP3077923A JP7792391A JP3028245B2 JP 3028245 B2 JP3028245 B2 JP 3028245B2 JP 3077923 A JP3077923 A JP 3077923A JP 7792391 A JP7792391 A JP 7792391A JP 3028245 B2 JP3028245 B2 JP 3028245B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は運動体、例えば航空機、
船舶、自動車等の回転角速度及びそれ等の回転角度を測
定する光ファイバジャイロに関する。
【0002】
【従来の技術】回転角速度等の検出等において小型化、
高信頼性化を達成するものとして、近年光のサグナック
効果を利用した光ファイバジャイロが開発され、実用化
が進んでいる。この光ファイバジャイロの中で長尺の光
ファイバループ内を伝播する右回りと左回りの伝播光の
位相差から回転角速度を求めるものを干渉型光ファイバ
ジャイロと言い、その中でも特に位相変調方式と、セロ
ダイン方式の開発が進められている。位相変調方式は、
図15に示すように半導体レーザ、発光ダイオード等の
光源1から出力されるレーザなどの光がカプラ5で分岐
し、その一方が偏光子4に入射し、この偏光子4よりの
光がカプラ6で右回りと左回り光とに分割し、これらの
光が1本の光ファイバを複数回巻回して形成した光ファ
イバループ3の両端からそれぞれ入射し、それぞれ光フ
ァイバループ3を通った後、他方の端より出射光として
出射し再びカプラ6で合成され偏光子4及びカプラ5を
経て光−電流変換する受光器2に入り、電流−電圧変換
器7でその出力が電圧として出力される。
【0003】この構成に於て、光ファイバループ3に回
転角速度Ωが印加されると、光ファイバループ3を互に
逆方向に進む光にサグナック効果が生じ、出射光間に回
転角速度Ωに比例した位相差が生じる。この位相差Δθ
は、
【0004】
【数1】
【0005】で表される。ここで、Rは光ファイバルー
プ3の半径、Lは光ファイバループ3の長さ、λは光源
1から出る光の波長、Cは光速を示す。さらに、この位
相変調方式では、光ファイバループの一端に位相変調器
8が設けられており、信号発生器9からの信号でこの位
相変調器8が駆動され互いに逆方向に進む光に位相変調
が加えられる。この位相変調器8に印加する信号、つま
り、信号発生器9からの信号の角周波数をωP とする
と、電流−電圧変換器7の出力Iは、
【0006】
【数2】
【0007】となる。ここで、xは位相変調度、J0
1 ,J2 ,‥‥はベッセル関数、Kは比例定数、tは
時間である。出力Iの角周波数成分の内、角周波数ωP
の成分を、同期検波器10で、信号発生器9よりの角周
波数ωP の信号を基準として同期検波することより、s
inΔθに比例する出力(2KJ1 (x)sinΔθ)
を得ることが出来る。このような位相変調方式に比べて
さらに広いダイナミックレンジの達成を目的としてセロ
ダイン方式が開発されている。このセロダイン方式の具
体的構成を図16に示す。前述の位相変調方式に加えて
互いに逆方向に進む光に鋸歯状波(セロダイン波)を重
量させるセロダイン変調器16を光ファイバループ3の
一端に設けるとともに、受光器2、電流−電圧変換器
7、同期検波器10により右回り光と左回り光との位相
差を検出し、それを積分する積分器11、さらに積分器
11の出力を積分する積分器12と、2π基準信号を発
生する2π基準器15と、この基準信号と積分器12の
出力を比較し、リセット信号を発生することにより積分
器12の出力を鋸歯状波とするリセット回路14及びこ
のセロダイン波をカウントするカウンタ13を備えてい
る。
【0008】このセロダイン方式の動作を説明する。セ
ロダイン変調器16は、光ファイバループ3の一端に設
けられているので、図18Aに示すように左及び右回り
の光は異なるタイミングで位相が変化する。この結果、
受光器上での位相差は図18Bのようになる。ここで、
θS は左右両光間の位相差、TS はセロダイン波の同期
である。θS はτをファイバ長で決まる時間差とすれば
【0009】
【数3】
【0010】である。この時、電流−電圧変換器7の出
力Iは数2のΔθが(Δθ+θS )に置き換ったものと
なり同期検波器10の干渉出力は2KJ1 (x)sin
(Δθ+θS )となる。これを積分器11,12で積分
し、セロダイン変調器16にフィードバックすることに
より出射光間の位相が一致するように、即ちsin(Δ
θ+θS )=0(Δθ=−θS )になるようにセロダイ
ン波の周期を変化させる。θS はセロダイン周期に比例
するため、Δθもセロダイン周期に比例することになり
カウンタ13でこのセロダイン波の周波数を数えること
により回転角速度Ωを検出することができる。つまり、
セロダイン波の周波数をfS =1/TS とすると
【0011】
【数4】
【0012】となる。
【0013】
【発明が解決しようとする課題】しかしながらこのよう
な従来の光ファイバジャイロにおいて、セロダイン波の
振幅や、2πからのリセット時間(フライバック時間と
いう)などが光ファイバジャイロの性能を制限し、ジャ
イロのスケールファクタエラーを増大させるという問題
がある。即ち、セロダイン波の振幅が2πでなかったり
(これを2π誤差という)、フライバック時間が存在す
る場合にはΔθ+θS =0が成立しないため、同期検波
器10からの出力が0にならず誤差を生じるという問題
がある。かかる問題を防止するためにセロダイン波の振
幅を制御しフライバック時間を0に近づけることは困難
を極め限界がある。一方、その誤差を補正するには2π
誤差やフライバック時間の値を知らなければならず、こ
れも困難を伴うことになる。本発明は上記問題点に鑑
み、2π誤差やフライバック時間の影響を受けず正しい
回転角速度出力を得ることができる光ファイバジャイロ
を提供することを目的とする。
【0014】
【課題を解決するための手段】本発明による光ファイバ
ジャイロは、例えば図1に示す如く光源1と光ファイバ
ループ3と、この光源1からの光を第1の伝播光と第2
の伝播光とに分配し両者をこの光ファイバループ3にそ
れぞれ互いに逆方向に伝播させる光分配器6と、この光
ファイバループ3を伝播した第1の伝播光と第2の伝播
光とを同一の導波路に導いた後これを検出する光検出器
2,7,10と、この第1の伝播光と第2の伝播光に位
相偏移を生じさせるセロダイン変調器16とを有し、こ
の光検出器2,7,10からの出力からこの第1の伝播
光と第2の伝播光との位相の差を検出して、その時の位
相偏移量から回転角速度を求める光ファイバジャイロに
おいて、光検出器2,7,10からの出力をセロダイン
変調器16の周期によって同期検波する同期検波器17
とその出力を積分する積分器18を設けてその積分器1
8からの出力に応じてセロダイン変調器16の周波数を
変化させる。
【0015】
【作用】2π誤差やフライバック時間がある場合、前述
したようにΔθ+θS =0にならず同期検波器10から
出力される第1の伝播光と第2の伝播光との位相差を反
映した波形は0にならない。本発明では、この波形をセ
ロダイン変調器16の周期によって同期検波してその出
力を積分器18で積分し、この積分器18の出力に応じ
てセロダイン変調器16の振幅及び周波数を変化させ
る。そして常にその周期検波器10から出力される第1
の伝播光と第2の伝播光との位相差を反映した波形が0
になるように制御することにより、2π誤差やフライバ
ック時間の影響をなくすことができる。
【0016】
【実施例】図1は本発明に係る光ファイバジャイロの実
施例を示すブロック図である。図1において図15,図
16に対応する部分には同一符号を付し詳細説明を省略
する。本実施例では従来例に加えて新たにセロダイン周
期を作り出すセロダイン周期発生回路20と、そのセロ
ダイン周期で同期検波器10からの出力を同期検波する
同期検波器17と、その同期検波器17からの出力を積
分する積分器18と、2π基準器15の出力と積分器1
8の出力との減算を行いリセット回路14にその結果を
出力する減算器19とを有している。セロダイン周期発
生回路20はリセット回路14の出力によりセロダイン
周期の矩形波を発生する。セロダイン周期発生回路20
の回路構成例を図2に示す。
【0017】図2において31,32,33はカウン
タ、35,36は比較器、34,37はOR回路、38
はRSフリップフロップである。カウンタ31はリセッ
ト回路14からのリセット信号をスタート信号及びスト
ップ信号としてその間の基準クロックのパルス数を計数
し、その計数値を1/2にする。そしてストップ信号を
受けるとその計数値の1/2をリセット信号Aを受ける
まで保持出力する。カウンタ32も同様にリセット回路
14からのリセット信号をスタート信号及びストップ信
号として動作する。但しその初期状態においてカウンタ
31より1周期遅れて動作が開始されるため、カウンタ
31が計数開始されたときにカウンタ32は計数停止
し、カウンタ31が計数停止されたときにカウンタ32
は計数を開始する。そしてカウンタ31と同様、スター
ト信号からストップ信号までの基準クロックのパルス数
を計数し、その計数値を1/2にする。そしてストップ
信号を受けるとその計数値の1/2をリセット信号Bを
受けるまで保持出力する。カウンタ33は、リセット回
路14からのリセット信号をスタート信号として、基準
クロックのパルスを計数するとともにその計数値を出力
し、リセット信号AまたはBによりリセットされる。
【0018】比較器35は、カウンタ31とカウンタ3
3の出力値の比較を行い、カウンタ33の出力がカウン
タ31の出力より高くなったときにハイレベルの信号を
出力し、その出力はリセット信号Aとしてカウンタ31
とカウンタ33をリセットすると共にOR回路37へ入
力される。比較器36は、カウンタ32とカウンタ33
の出力値の比較を行い、カウンタ33の出力がカウンタ
32の出力より高くなったときにハイレベルの信号を出
力し、その出力はリセット信号Bとしてカウンタ32と
カウンタ33をリセットすると共にOR回路37へ入力
される。OR回路37は比較器35または比較器36の
いずれかがハイレベルになったときにハイレベルの信号
を出力する。RSフリップフロップ回路38は、リセッ
ト回路14からのリセット信号をセット信号としてQ端
子の出力をハイレベルにし、OR回路37からの出力を
リセット信号としてQ端子の出力をローレベルにする。
【0019】次にこのセロダイン周期発生回路20の作
用を図3のタイミングチャートとともに説明する。カウ
ンタ31の出力は図3Cに示す如く、時刻t0 でスター
ト信号を受け計数を開始するが、t1 でストップ信号を
受けるまでその出力値を0に保ちt1 でその時点の計数
値の1/2を出力する。一方カウンタ33の出力は図3
Eに示す如くt1 で計数を開始しその計数値を常に出力
する。このため時刻t1 と時刻t2 の中間時刻t1 にな
るとカウンタ31とカウンタ33の大小関係が逆転し、
比較器35の出力は図3Fに示す如くハイレベルに立ち
上がりリセット信号S1 を出力する。このリセット信号
2 をうけカウンタ31とカウンタ33とはリセットさ
れ、カウンタ31とカウンタ33との出力値は同じ0に
なり再び比較器35の出力はローレベルに戻る。この動
作を繰り返すことにより、時刻t1 ′,t3 ′,t5
‥‥でリセット信号Aが発生することになる。1セロダ
イン周期遅れてカウンタ32とカウンタ33との間で同
様の比較が行われ図3Gに示す如く時刻t2 ′,
4 ′,t6 ′‥‥でリセット信号S2 が発生する。こ
こで図3Aはセロダイン波、図3Bはリセット回路14
のリセット信号、図3Dはカウンタ32の出力信号であ
る。従ってOR回路37の出力は図3Hに示す如くリセ
ット回路14のリセット信号のちょうど半周期ずれたパ
ルス信号を出すことになり、このパルス信号をRSフリ
ップフロップ回路38のリセット信号とすることにより
図3Iに示す如くセロダイン周期の矩形波を出力するこ
とができる。
【0020】再び図1に戻り、本実施例全体の作用を説
明すると、2π誤差やフライバック誤差がある場合には
同期検波器10の出力は0にはならない(図17A)。
前述したセロダイン周期発生回路20からの信号に基づ
いて同期検波器10の出力を同期検波器17で同期検波
する(図17B)。この出力をさらに積分器18で積分
してこの出力と2π基準器15の出力との減算を行う。
この減算でリセット回路14の基準電圧を増減すること
により、結果的にセロダイン波の振幅及び周期を増減さ
せて、常に第1の伝播光と第2の伝播光の位相差が0に
なる点へ制御することができる。このときセロダイン波
は2π誤差やフライバック時間の影響が消去され正しい
回転角速度を出力する。
【0021】次に、図4に本発明の他の実施例を示す。
この図4の実施例と図1の実施例と異なる点は、セロダ
イン周期発生回路21がリセット回路14の出力及び積
分器12からのセロダインドライブ信号によりセロダイ
ン検波信号を発生する点である。このセロダイン周期発
生回路21の回路構成例を図5に示す。図5において、
41はMAXピークホルード回路、42はMINピーク
ホールド回路、43は平均値ホールド回路、44は比較
器、45,47は遅延回路、48,49はRSフリップ
フロップ回路である。MAXピークホールド回路41は
セロダインドライブ信号の最大値を検出しその値を保持
する。そしてRSフリップフロップ回路48からの出力
Rを受けることによりその値をリセットする。MINピ
ークホールド回路42はセロダインドライブ信号の最小
値を検出しその値を保持する。そしてRSフリップフロ
ップ回路48からの出力Rを受けることによりその値を
リセットする。平均値ホールド回路43は、遅延回路4
5からの信号を受けてオンとなりそのときにMAXピー
クホールド回路41とMINピークホールド回路42の
出力をサンプルし、その平均値を算出して次に遅延回路
45からの信号を受けるまでその平均値を保持出力す
る。比較器44は、平均値ホールド回路43の出力とセ
ロダインドライブ信号を比較し、セロダインドライブ信
号が大きくなったときに出力をハイレベルとする。RS
フリップフロップ回路49は、リセット回路14からの
リセット信号をセット信号としてQ端子の出力をハイレ
ベルにし、比較器44からの出力をリセット信号として
Q端子の出力をローレベルとする。また、同時に比較器
44からの出力はRSフリップフロップ回路48にセッ
ト信号として入力される信号と、遅延回路47にて一定
時間遅延されてRSフリップフロップ回路48にリセッ
ト信号として入力される信号に分けられる。これにより
RSフリップフロップ回路48からの出力Rは、遅延回
路47によって決まるディレ時間の幅を持つ信号とな
り、これによってMAXピークホールド回路41とMI
Nピークホールド回路42をリセットする。
【0022】次に、このセロダイン周期発生回路21の
作用を図6のタイミングチャートとともに説明する。比
較器44からの立ち上がり時刻t0 ′でMAXピークホ
ールド回路41とMINピークホールド回路42が図6
B及びCに示す如く同時にリセットされ、遅延回路47
のディレ時間経過後再びピークホールドを開始する。そ
して時刻t1 でMAXピークホールド回路41はV1
ホールドされ、次いで時刻t2 でMINピークホールド
回路42はV2 にホールドされる。平均値ホールド回路
43は、図6Eに示すリセット信号の発生時刻t1 より
遅延回路45で所定時間遅れて入力された図6Eに示す
如き信号によってMAXピークホールド回路41のV1
とMINピークホールド回路42のV2 を取り込んで図
6Gに示す如くその平均値(V1 +V2 )/2を出力す
る。このとき遅延回路45のディレ時間はt1 〜t2
の時間より長くなるように設定しなければならないが、
通常このt1〜t2 間(即ちフライバック時間)は極端
に長くなることはないので適宜設定可能である。この平
均値ホールド回路43の出力(V1 +V2 )/2と図6
Aに示す如きセロダインドライブ信号の大小を比較器4
4で比較する。この動作を繰り返して、平均値ホールド
回路43の出力を遅延回路45からの信号毎に新しい最
大値(V3 ,V5 ,‥‥)と 最小値(V4 ,V6 ,‥
‥)との平均値(V3 +V4 )/2、(V5 +V6 )/
2、‥‥に書き換えていく。平均値ホールド回路43か
らの新たな基準とセロダインドライブ波形の大小を比較
器44で比較することにより、リセット回路14のリセ
ット信号のちょうど略半周期ずれた矩形波を作り出すこ
とができる。そしてリセット回路14のリセット信号を
RSフリップフロップ回路49のセット信号、比較器4
4の立ち上がりをリセット信号とすることにより図6D
に示す如きセロダイン周期の矩形波を出力することがで
きる。
【0023】次に本実施例のセロダイン周期発生回路2
1の変形例を図7に、そしてそのタイミングチャートを
図8に示す。図7において、図5と異なる点は、比較器
64が図8Gに示す如き平均値ホールド回路63の出力
と図8Aに示す如きセロダインドライブ信号を比較し、
平均値ホールド回路63の出力が大きくなったときにハ
イレベルとなり、それがそのまま図8Dに示す如くセロ
ダイン検波信号となる点である。また、MAXピークホ
ールド回路61を比較器64の立ち下がりでリセット
し、MINピークホールド回路62を比較器64の立ち
上がりでリセットしている。このようにMAXピークホ
ールド回路61とMINピークホールド回路62のリセ
ットのタイミングを変えることにより、図8B及びCに
示す如く最大値と最小値に常に最前の値を取り込むこと
が可能となる。従ってこれに伴い平均値ホールド回路6
3をオンにするタイミングを図8Gに示す如くリセット
回路14からの図8Eに示すリセット信号及びそのリセ
ット信号遅延回路65にて遅延させた図8Fに示す信号
の入力時の両方としている。即ち、平均値ホールド回路
63のホールド値は図8Gに示す如く(V1 +V2)/
2、(V2 +V3 )/2、(V 3 +V4 )/2、‥‥の
ごとく変化する。この図4に示す実施例では、上述2種
類のセロダイン周期発生回路の具体例ともセロダインド
ライブ波形の振幅からセロダイン周期の矩形波を発生さ
せており、一般に振幅の分解能は高くすることができる
ため精度の高いセロダイン検波を実現させることができ
る。
【0024】次に本発明の更に他の実施例を図9に示
す。この図9例において図1及び図4の実施例と異なる
点は、セロダイン周期発生回路22がセロダインドライ
ブ信号及び減算器19の出力によりセロダイン検出波を
発生する点である。このセロダイン周期発生回路22の
回路構成例を図10、その波形図を図11に示す。図1
0において、81は1/2乗算器、82は比較器であ
る。1/2乗算器81は、減算器19からの2π基準信
号に1/2の乗算を行い比較器82へ出力する。比較器
82では、図11Aに示す如くこの2π基準信号の1/
2のレベル81aとセロダインドライブ信号Soとを比
較する。これにより、図11Bに示す如きセロダイン周
期の矩形波を発生することができる。本実施例ではセロ
ダイン周期発生回路22の回路構成を非常に簡略化でき
るという利点を有する。
【0025】次に本発明の更に他の実施例を図12に示
す。この図12例において図1,図4及び図9の実施例
と異なる点は、セロダイン周期発生回路23がセロダイ
ンドライブ信号、減算器19からの出力、及びリセット
回路14からの出力によりセロダイン検波信号を発生す
る点である。このセロダイン周期発生回路23の回路構
成例を図13、その波形図を図14に示す。図13にお
いて、85は1/2乗算器、86は比較器、87はフリ
ップフロップ回路である。1/2乗算器85は、減算器
19からの2π基準信号に1/2の乗算を行い比較器8
6へ出力する。比較器86では、図14Aに示す如くこ
の2π基準信号の1/2のレベル85aとセロダインド
ライブ信号S0 の比較を行い、図14Bに示す如くセロ
ダインドライブ信号が2π基準信号の1/2のレベルよ
り高くなったときにハイレベルの信号を出力する。RS
フリップフロップ回路87はリセット回路14からの図
14Cに示すリセット信号をセット信号とし、比較器8
6の立ち上がりをリセット信号としてQ端子から図14
Dに示す如きセロダイン周期の矩形波を発生させること
ができる。図12の実施例も図9の実施例と同様、回路
構成を簡略化できるという利点を有する。出願人の上述
各実施例の実験によればそのスケールファクタエラーは
10ppm以下となり非常に良い結果が得られる。尚本
発明は上述実施例に限ることなく本発明の要旨を逸脱す
ることなくその他種々の構成が採り得ることは勿論であ
る。
【0026】
【発明の効果】本発明によれば同期検波器10からの出
力をセロダイン変調器16の周期によって同期検波する
同期検波器17とその出力を積分する積分器18とその
積分器18からの出力に応じてセロダイン変調器の振幅
及び周波数を変化させることにしたので、第1伝播光と
第2伝播光との位相差が0になるように制御することが
でき2π誤差やフライバック時間の影響を受けることな
く、スケールファクタエラーが極めて少ない光ファイバ
ジャイロを得るとこができる利益がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明光ファイバジャイロの一実施例を示す構
成図である。
【図2】図1例に使用されるセロダイン周期発生回路の
例を示す構成図である。
【図3】図2の説明に供する線図である。
【図4】本発明の他の実施例を示す構成図である。
【図5】図4例に使用されるセロダイン周期発生回路の
例を示す構成図である。
【図6】図5の説明に供する線図である。
【図7】図4例に使用されるセロダイン周期発生回路の
他の例を示す構成図である。
【図8】図7の説明に供する線図である。
【図9】本発明の更に他の実施例を示す構成図である。
【図10】図9例に使用されるセロダイン周期発生回路
の例を示す構成図である。
【図11】図10の説明に供する線図である。
【図12】本発明の更に他の実施例を示す構成図であ
る。
【図13】図12例に使用されるセロダイン周期発生回
路の例を示す構成図である。
【図14】図13の説明に供する線図である。
【図15】従来の光ファイバジャイロの例を示す構成図
である。
【図16】従来の光ファイバジャイロの他の例を示す構
成図である。
【図17】本発明の説明に供する線図である。
【図18】図16の説明に供する線図である。
【符号の説明】
1 光源 2 受光器 3 ファイバループ 4 偏光子 5,6 カプラ 7 電流−電圧変換器 8 位相変調器 9 信号発生器 10,17 同期検波器 11,12,18 積分器 13 カウンタ 14 リセット回路 15 2π基準器 16 セロダイン変調器 19 減算器 20 セロダイン周期発生回路
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 河田 伸一 東京都大田区南蒲田2丁目16番46号 株 式会社トキメック内 (72)発明者 高橋 富雄 東京都大田区南蒲田2丁目16番46号 株 式会社トキメック内 (56)参考文献 特開 平2−262006(JP,A) 特開 平4−130212(JP,A) 特開 昭61−29715(JP,A) 特開 昭62−35220(JP,A) 特開 昭62−226010(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01C 19/64 - 19/72

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 光源と光ファイバループと、上記光源か
    らの光を第1の伝播光と第2の伝播光とに分配し両者を
    上記光ファイバループにそれぞれ互に逆方向に伝播させ
    る光分配器と、上記光ファイバループを伝播した第1の
    伝播光と第2の伝播光とを同一の導波路に導いた後これ
    を検出する光検出器と、上記第1の伝播光と第2の伝播
    光に位相偏移を生じさせる位相変調器及びセロダイン変
    調器とを有し、上記光検出器からの出力から上記第1の
    伝播光と第2の伝播光との位相の差を検出して、その時
    の位相偏移量から回転角速度を求めるセロダイン方式の
    光ファイバジャイロにおいて、上記光検出器からの出力
    を位相変調周波数で同期検波した後の出力を上記セロダ
    イン変調器の周期によって同期検波する同期検波器とそ
    の出力を積分する積分器とを設け、該積分器からの出力
    に応じて上記セロダイン変調器の2π基準値を補正する
    ことを特徴とする光ファイバジャイロ。
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