JP3078552B2 - 光ファイバ測定装置、ジャイロメータ、集中航法システムおよび慣性安定化システム - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、サニヤックリング干渉計において不可逆性
の外乱を発生させるパラメータの変動を測定することが
可能な光ファイバ測定装置に関する。

〔従来の技術〕

サニヤック干渉計およびそれが利用する物理的現象は
良く知られている。このような干渉計では、ビームスプ
リッタまたはその他の分割装置が入射波を分割する。こ
れによって発生する２つの光波は、閉じた光路に沿って
互いに逆方向に伝播し、再び結合し、干渉を生ずる。こ
の干渉は、２つの光波の再結合における移相の影響を受
ける。

従来、サニヤック干渉計の閉じた光路はミラーで区画
されていた。しかし現在では、単モード光ファイバの多
重巻きコイルによってこの光路を形成できることが知ら
れている。

ある物理現象は、互いに逆方向に伝播する波に外乱、
特に移相を発生させることが知られている。これら移相
は不可逆性であり、前記逆方向に伝播する波の相対移相
を増加させる。これら波は再結合においてその干渉状態
を変化させる。

この相対移相を測定することにより、当該移相の増加
を引き起こした物理現象を定量化することができる。

このような不可逆性の外乱を発生させ得る基本的な物
理現象はサニヤック効果である。このサニヤック効果
は、閉じた光路が形成する面に直交する軸を中心として
干渉計を回転させると発生する。ファラデー効果または
共直線磁気光学効果も同様に前記の不可逆効果を発生す
ることが知られている。これは例えばケーボーム（K.BO
HM）によるオプティックレターズ（Optic Letters）（1
982年４月第７巻４号180〜182ページ）の記事に説明さ
れている。ある条件下では、他の効果も不可逆移相を引
き起こす。

一方、環境条件を代表する多くのパラメータの変化も
測定の外乱を増加することが多い。しかしこれらはサニ
ヤック干渉計に対して可逆的な効果を及ぼすだけであ
り、互いに逆方向に伝播する光波間の相対移相を乱すこ
とはない。したがって、調査対象のパラメータの測定に
影響を与えることはない。これは、温度やインデックス
等の緩やかな変化も同じであり、これらは光波の通る光
路を変化させるもののその変化は可逆的である。

前記した測定装置の測定感度と測定精度を向上させる
ため、多くの方法が行れてきた。これらは例えば英国特
許第2,152,207号やエレクトロニクスレターズ（Electro
nics Letters）（1983年11月第19巻23号997〜999ページ
のケーボーム（K.BOHM）による記事）に開示されてい
る。

サニヤック干渉計の提供する応答は、 Ｐ＝Po（１＋cosΔψ） の形式であり、この応答の感度は位相差Δψ−０に近
く、極めて低いことが分かっている。この感度を向上さ
せるため、位相差変調を導入して例えば±π/2の振幅で
２乗することにより、動作点を変位させると共に周期信
号を発生させることが最初に提案された。この周期信号
の振幅は測定パラメータの正弦関数であるため、より大
きな感度と安定性を提供できる。

測定精度を向上するために次に提案されたのはゼロ方
式である。このゼロ方式は閉ループ動作とも呼ばれる。
この方式によるとフィードバック移相ΔφＡである補助
移相が適用され、これによって測定パラメータが発生す
る移相ΔφＢを補償する。これら２つの移相ΔφＡおよ
びΔφＢの合計をゼロに維持する。これにより干渉計を
最高精度で動作させることができる。測定はフィードバ
ック移相ΔφＡを発生させるために必要な信号を使用し
て行われる。このため測定は安定であり線型である。

各時間ｔにおいて高さΔφＡの位相進行を発生させる
ことにより制御を実現できる。ｔはコイル中における伝
播時間である。該コイルの各端部に単数または複数の位
相変調器を配置する。

欧州特許第EPO,168,292号は前記したような測定装置
を開示している。この装置によれば、測定パラメータの
変化によって発生する信号は、検出器の出力信号を変化
させる。この変化の振幅はアナログ同期検出用回路によ
って抽出される。この回路はDIP（微分積分比例）フィ
ルタによるアナログ処理の後、従来のように制御ループ
の安定を確保する。位相進行のデジタル値ΔφＡはアナ
ログ／デジタル変換器によって与えられる。このデジタ
ル値は前記補償を確実にするために導入されるものであ
る。また制御信号発生器が追加配置される。この制御信
号発生器の目的はデジタル傾斜を段階的に形成すること
である。最後にデジタル／アナログ変換器が設けられ、
前記位相変調器から戻る駆動信号を前記傾斜に基づき発
生する。

〔発明が解決しようとする課題〕

最高測定感度と精度を得る上で前記従来装置はいくつ
かの短所を有する。

すなわちアナログ同期検出（復調とも呼ばれる）は一
般に出力においてゼロ点移動を伴うので、これが測定誤
差に反映してしまう。

また装置の構成に必要なアナログ／デジタル変換器
は、補償移相を直接に処理できなければならない。これ
は、入力信号の最大振幅に応じて多数のビットを必要と
する。このため、実用上の測定精度を制限しないように
するには、アナログ／デジタル変換器は18ビット程度の
多数のビットを有さねばならない。

本発明の目的は、単モード光ファイバを内蔵する。サ
ニヤックリング干渉計を基本とした測定装置の精度と感
度を向上させることである。

本発明の他の目的は、前記測定装置におけるあらゆる
ゼロ点移動を克服することである。

本発明のさらに他の目的は、さほど精巧でないアナロ
グ／デジタル変換器を用いて、従来装置と同等またはそ
れ以上の測定品質を提供することである。

〔課題を解決するための手段、および作用〕

これら目的を達成するため、本発明の提供する光ファ
イバ測定装置は、パラメータの変化が位相差を生ずるタ
イプの測定装置であり、準単色光源と、単モード光ファ
イバを内蔵するサニヤックリング干渉計と、検出器と、
前記光源と前記干渉計との間に配置された位相変調器お
よび偏光器と、電子的手段とを備える。この電子的手段
は、前記検出器から受け取る信号を関数として前記位相
変換器をフィードバック制御する。この制御は、ゼロに
近い位相差の関数としての復調エラー信号の変動が正弦
波となるようにすると共に、前記位相差をゼロに維持す
るように行われる。また、前記変調器の制御信号を使用
して測定パラメータの変動の関数である信号を供給する
ように制御が行われる。

このような装置において、前記電子的手段は、前記検
出器が発生する信号をデジタル化するためのアナログ／
デジタル変換器と、前記アナログ／デジタル変換器が供
給する信号を使用してその成分を連続的な変調周波数を
減少させるデジタル処理装置と、前記デジタル処理装置
から信号を受け取り測定パラメータを表す信号を供給す
る制御ループデジタルフィルタと、前記制御ループデジ
タルフィルタから信号を受け取り測定パラメータの関数
である信号を供給して外部利用に供するレジスタと、前
記レジスタから信号を受け取り測定パラメータの関数で
あるデジタル傾斜信号を発生する累算器と、前記累算器
から傾斜信号としてのフィードバック信号を受け取って
前記位相変調器を制御するデジタル／アナログ変換器と
を備える。

本発明のさらに他の目的は、前記した測定装置に基づ
くジャイロメータを提供することである。このジャイロ
メータにおける測定パラメータは軸を中心に回転する干
渉計の回転速度である。

本発明のさらに他の目的は、前記したジャイロメータ
を少なくとも１台備えた集中慣性安定システムまたは航
法システムを提供することである。

〔実施例〕

図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明する。

本発明の光ファイバ測定装置は準単色光源１を備え
る。この光源１はレーザまたは超発光ダイオードとする
ことが多い。前記測定装置はさらにサニヤックリング干
渉計２を備える。この干渉計は単モードの光ファイバを
内蔵する。

リング干渉計２はビームスプリッタ３を備える。この
ビームスプリッタ３は、干渉計２の入口において光波を
確実に分割すると共に、干渉計２の出口においてそれら
光波を再結合する。干渉計２はさらに閉じた光路を備え
る。光路４は巻き重ねた単モード光ファイバからなる。

本発明の測定装置はさらに検出器５を備える。検出器
５は、干渉計２の出口における光波の干渉状態の関数で
ある信号を供給する。

検出器５にはビームスプリッタ６から光信号が与えら
れる。ビームスプリッタ６は例えば半透明板である。

光波の再結合において該光波が平行となるように干渉
計２を調整すれば、検出器５が供給する信号は前記２つ
の光波間の移相の関数となる。

干渉計２の光路には変調器７が介在する。変調器７は
電気信号で制御され、２つの光波間の与えられた移相を
導入できる。干渉計２の動作を向上させるため、光源１
と閉じた光路４の入口すなわちビームスプリッタ３との
間に、偏光器８と空間周波数フィルタ９とを介在させ
る。この空間周波数フィルタ９は単モード光ファイバで
構成する。

以下の説明において「移相」および「位相差」の各語
は区別せずに使用するが、共に干渉計２において発生す
る物理的効果を意味するものである。

電子的手段10は、検出器５から受け取る信号を関数と
して位相変調器７をフィードバック制御する。

前記電子的手段10は、２つの光波間において発生する
ゼロに近い位相進行差の関数としての復調エラー信号の
変動が正弦波となるように設計されている。この構成
は、得られるゼロに近い位相進行差に対応する復調エラ
ー信号の変動に対して極めて良好な感度を可能にする。
容易に理解できることだが、位相差に対する信号の依存
が余弦波形状であれば、ゼロに近い位相差に対する感度
は非常に低い。

また、前記電子的手段10は、位相差をゼロに保持する
機能も提供する。すなわち、測定パラメータの変動が、
干渉計２における２つの光波間に移相をもたらす場合、
この移相は検出器５が発生する信号を変動させる。する
と、電子的手段10と移相変調器７とを介して、最初に発
生した移相と等しくかつ反対方向である動作が伴われ、
それらの合計移相がゼロ値へと減少するようになる。

さらに、前記電子的手段10は、位相変調器７の制御信
号を使用することにより、測定パラメータの変動の関数
である信号を提供する。

本発明に基づく電子的手段10は、検出器５が出力する
信号をデジタル化するためのアナログ／デジタル変換器
11を備える。この変換器11が出力するデジタル信号はデ
ジタル処理装置12に送られる。デジタル処置装置12は、
この信号の成分を連続する変調周波数に減少させ、意味
のある信号のみを抽出する。本発明の特徴は、信号のデ
ジタル処理を行う前に、検出器５の出力信号をデジタル
化することである。

前記電子的手段10は制御ループデジタルフィルタ13を
備える。このフィルタ13はデジタル処理装置12から低周
波数信号を受け取り、エラーの少ない応答時間の短い制
御安定性の良好な動作を確保する。フィルタ13は測定パ
ラメータを代表する信号を供給する。

電子的手段10はさらにレジスタ14を備える。レジスタ
14はデジタルフィルタ13から信号を受け取り、測定パラ
メータの関数である信号を供給してあらゆる所望の外部
利用に供する。

累算器15はレジスタ14から信号を受け取り、測定パラ
メータの関数であるフィードバック信号を発生する。

このフィードバック信号は、測定パラメータの関数で
あるデジタル傾斜信号17であることが好ましい。デジタ
ル加算器18により変調信号を加算した後、デジタル／ア
ナログ変換器16は累算器15からの傾斜信号17を受け取り
位相変調器７を制御する。

本発明の測定装置の動作は次の通りである。測定パラ
メータが安定である場合、電子的制御手段10は、位相変
調器７を介して閉じた光路４内の互いに逆方向に伝播す
る光波間の移相の一定振幅変調を導入する。このため検
出器５は変調信号を発生する。この変調信号は変換器11
によってデジタル化され、次にデジタル処理装置12によ
って処理される。デジタル処理装置12はゼロ信号を累算
器15に供給してレジスタ14を一定値に維持する。これに
より傾斜信号17はその状態に維持され、変調器７に供給
される信号も維持される。このようにしてこの状態が安
定であることが確認される。

測定パラメータが変動すると、閉じた光路４における
互いに逆方向に伝播する光波間の安定状態に対応する周
期的移相に一定の移相が重なる。これに応じて検出器５
は信号を供給し、その信号は変換器11によってデジタル
化され、デジタル処理装置12によって処理され、ゼロと
は異なるレベルを有するようになる。そしてこの信号は
累算器15に供給されると共にレジスタ14を変化させる。
この変化は累算器15が発生する傾斜信号を変化させるの
で、変調器７によって導入される移相が減少する。この
結果、閉じた光路４の出力における互いに逆方向に伝播
する光波間の移相が減少してゼロになる。ただし前記し
た周期的変調は当該減少の影響を受けない。

以上の説明で分かるように、本発明においては、デジ
タル処理の前にサンプリングを行う。このサンプリング
は測定パラメータの変動の関数であってかつ該パラメー
タの絶対値の関数ではない信号に対して行われる。この
ため、サンプラーを利用して例えば８ビットに限定した
ビット数の処理が可能となると同時に、測定の精度と品
質とを維持することが可能となる。

本発明の好適実施例に基づくデジタル処理装置12は、
デジタル化されたサンプルを２種類に分類し、デジタル
平均値を生成し、それらを比較してエラー信号を取り出
す。この構成はゼロ点移動を防止する。これは信号のデ
ジタル処理の前に該信号をデジタル化することで可能と
なる。

このゼロ点移動の中性化は、ゼロ点移動に極めて敏感
である長期間の測定パラメータの積分を頻繁に行うよう
な測定装置において極めて重要である。

第３図は、傾斜信号および２乗変調17のデジタル加算
を示す図である。この加算は、位相変調器７を制御する
ために電位的手段10によって形成される駆動信号を構成
するものである。また前記デジタル加算は測定パラメー
タが一定である状態で行われる。第３図のグラフにおい
て、横軸は時間を表し縦軸は移相を表す。測定パラメー
タの値は、２乗関数の連続する２つの期間の間に存在す
る移相の関数である。前記グラフの右側部分は、傾斜信
号の発生において使用されるレジスタのオーバフローに
おける現象を表す。

本発明の好適実施例に基づく測定装置の特徴は、約20
0mの長さの光ファイバに対して前記サンプラーが約1MHz
の周波数で動作することである。

このような条件下で、本発明の装置は、サンプリング
変動の減少を可能にし、例えば８ビットアナログ／デジ
タル変換器の使用を可能にする。また、測定パラメータ
の値を保持するレジスタ14のサイズは約17〜26ビットで
あり、そのサイズに対応した精度を確保する。

このサイズのレジスタはその構成にほとんど制約がな
い。この理由は、ワイヤード論理に基づき複数の加算器
でそれを構成できるからである、例えば複数のパラレル
８ビット加算器でそれを構成することができる。

本発明の測定装置は特にジャイロメータを構成するた
めに適している。この場合、測定パラメータは、軸を中
心として回転する干渉計の回転速度である。

このジャイロメータは、慣性安定システムまたは航法
制御システムの構成に採用すると有効である。

またこのような構成は、ファラデー効果を利用した磁
界および電流の測定装置を構成する上で極めて適してい
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は、サニヤックリング干渉計に基づく測定装置を
示す図、 第２図は、本発明に基づく信号デジタル処理用電子的手
段を示す図、および 第３図は、特定の傾斜条件におけるフィードバック信号
および２乗変調信号をデジタル加算し変換を行った結果
のアナログ変調信号を示す図である。 １……準単色光源、 ２……サニヤックリング干渉計、 ３……ビームスプリッタ、４……閉じた光路、 ５……検出器、６……ビームスプリッタ、 ７……位相変調器、８……偏光器、 ９……空間周波数フィルタ、 10……電子的手段、 11……アナログ／デジタル変換器（サンプラ）、 12……デジタル処理装置、 13……制御ループデジタルフィルタ、 14……レジスタ、15……累算器、 16……デジタル／アナログ変換器、 17……デジタル傾斜信号、18……デジタル加算器。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 フランソワ ザビエル デスフォルジェ フランス国，78330 フォントゥネイ ルフルリ，スクワール パリッシィ ７ (72)発明者 フィリップ グレンドルジェ フランス国，21800 クリモロワ，リュ デュ クリシフィ，５ (72)発明者 エルベ ルフブル フランス国，75013 パリ，リュ デ コルドゥリエーレ 19 (56)参考文献 特開 昭61−29715（ＪＰ，Ａ) 特開 昭55−93010（ＪＰ，Ａ) 米国特許4372685（ＵＳ，Ａ)

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】準単色光源（１）と、単モード光ファイバ
   を内蔵したサニヤックリング干渉計（２）と、検出器
   （５）と、位相変調器（７）と、該光源（１）および該
   サニヤックリング干渉計（２）の間に配置された偏光器
   （８）および空間周波数フィルタ（９）と、該検出器
   （５）から受けた信号の関数に基づいて該位相変調器
   （７）をフィードバック制御する電子的手段（10）とを
   備え、測定されたパラメータの変化が位相差を生じる形
   式の光ファイバ測定装置であって、： さらに、該電子的手段（10）が下記（ａ）〜（ｆ）； （ａ） 検出器（５）が供給する信号をデジタル化する
   アナログ／デジタル変換器（11）、 （ｂ） 該変換器（11）が供給する信号を受け、その成
   分を、連続する変調周波数に減少させるデジタル処理装
   置（12）、 （ｃ） 該デジタル処理装置（12）が発生した信号を受
   け、測定されたパラメータを表す信号を供給する制御ル
   ープデジタルフィルタ（13）、 （ｄ） 該制御ループデジタルフィルタ（13）から信号
   を受け取り、測定されたパパラメータの変動の関数であ
   る信号を任意の外部利用に供するレジスタ（14）、 （ｅ） 該レジスタ（14）から信号を受け取り、測定し
   たパラメータの関数であるフィードバック信号を発生す
   る累算器（15）、および （ｆ） 該累算器（15）の発生するフィードバック信号
   を加算機により変調を加えた後に受けて位相変調器
   （７）を制御するデジタル／アナログ変換器（16）、を
   備え、 ほぼゼロである位相差の関数として復調されたエラー信
   号の変動を正弦波にすると同時に、この位相差をゼロに
   維持し且つ測定されたパラメータの変動の関数である信
   号を出力する； ように構成されていることを特徴とする光ファイバ測定
   装置。
2. 【請求項２】フィードバック信号がデジタル傾斜信号
   （17）であり、該デジタル傾斜信号（17）は測定パラメ
   ータの関数であり且つ各時間ｔでのフィードバックのた
   めの位相ステップΔΦ_Ａからなる請求項１に記載の測定
   装置（ここで、時間ｔはサニヤックリング干渉計のリン
   グ中の伝搬時間を表す）。