JP3271019B2 - 光ファイバジャイロ - Google Patents

光ファイバジャイロ

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貞臣 佐久間
利幸 室井
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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、例えば航空機、船舶、
自動車等の角速度計として使用して好適な光ファイバジ
ャイロに関する。
【0002】
【従来の技術】光ファイバジャイロは光のサグナック効
果(サニャック効果)を利用して角速度を計測するよう
に構成されており、高い信頼性を有し装置を小型化する
ことができる利点があるため実用化が進んでいる。光フ
ァイバジャイロのうち、干渉型光ファイバジャイロと称
する形式のものがあり、これは複数回巻回された光ファ
イバループよりなる1本の長い光路を互いに反対方向に
光を伝播させ斯かる2つの伝播光の位相差より角速度を
求めるように構成されている。
【0003】図3は干渉型光ファイバジャイロのうち位
相差変調方式の光ファイバジャイロの例を示す。光ファ
イバジャイロは、半導体レーザ、発光ダイオード等の光
源1と入射光を電流に変換する受光器2と1本の光ファ
イバを複数回巻回して形成された光ファイバループ3と
偏光子4と光ファイバを伝播する光を合成し又は分岐す
るカプラ5、6とを有する。光源1より出力された光線
は第1のカプラ5及び偏光子4を経由して第2のカプラ
6に導かれる。第2のカプラ6で光線は分岐され、斯く
して分岐された2つの光線は光ファイバループ3を互い
に反対方向に伝播する。即ち、一方は光ファイバループ
3を右周りに伝播し、他方は左周りに伝播する。
【0004】光ファイバループ3に角速度Ωが加わる
と、サグナック効果によって、光ファイバループ3内を
互いに反対方向に伝播する光はその出力端にて位相差Δ
φを生じさせる。斯かる位相差Δφは角速度Ωに比例
し、次の式で表される。
【0005】
【数1】
【0006】ここに、Rは光ファイバループ3のループ
径、Lは光ファイバループ3の長さ、λは光源1から出
力される光線の波長、Cは光速を表す。
【0007】更に、斯かる位相差変調方式の光ファイバ
ジャイロは、電流−電圧変換器7と位相変調器8と信号
発生器9と同期検波器10とを有する。受光器2より出
力された電流は電流−電圧変換器7によって電圧に変換
され電圧として出力される。位相変調器8は光ファイバ
ループ3の一端に配置されており、信号発生器9から供
給された基準信号によって作動される。位相変調器8に
よって光ファイバループ3内を互いに反対方向に伝播す
る光が位相変調される。信号発生器9から供給される信
号の角周波数をωP とすれば、電流−電圧変換器7の出
力電圧Iは、
【0008】
【数2】 I=K[1+cosΔφ・{J0 (z)−2J2 (z)cos2ωP t+・・} −sinΔφ・{2J1 (z)cosωP t−・・・}]
【0009】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。
【0010】同期検波器10には信号発生器9から角周
波数ωP の信号が供給され、斯かる基準信号によって出
力電圧Iの角周波数nωP 成分のうち角周波数成分ωP
が同期検波され、sinΔφに比例する出力2KJ
1 (x)sinΔφが出力される。こうして、Δφを求
めて、数1の式より角速度Ωが求められる。
【0011】斯かる同期検波器10には1位相型と2位
相型の2つの形式のものがあり、通常用いられるのは1
位相型であり、斯かる1位相型の同期検波器10の構成
例を図4に示す。
【0012】この例では、同期検波器10には移相器2
5が接続されており、斯かる移相器25は信号発生器9
からの信号を入力し位相シフト量θ且つ振幅1の参照信
号eを発生する。同期検波器10はミキサ26を含み、
斯かるミキサ26には移相器25からの参照信号e
2 と、電流−電圧変換器7からの電圧信号e1 が入力さ
れる。ミキサ26では、電圧信号e1 は参照信号e2
よって同期検波され、同期検波出力e3 が出力される。
【0013】これらの3つの信号e1 、e2 、e3 の間
には、次の数3の式が成り立つ。
【0014】
【数3】e3 =e1 ・e2
【0015】ここで、同期検波器10の参照信号e2
デューティ比が理想的に1:1ではない場合を考える。
図5は周期T=2π/ωP の矩形波である参照信号e2
の例を示しており、デューティ比が1:1でなくΔだけ
偏倚している。斯かる参照信号によって電圧信号e1
同期検波すると、同期検波器10の出力信号の成分は次
の数4の式によって表される。
【0016】
【数4】
【0017】ここに、D0 は直流成分、D1 は基本波成
分、D2 は2倍波成分、D3 は3倍波成分、・・・であ
る。図6に斯かる同期検波出力の成分D0 、D1 、D2
の計算結果を示す。3つのグラフはそれぞれ、z=1.
84、位相差Δφ=1度、偏倚量Δ=1度とし、参照信
号の位相θをスイープしたした場合の各成分を表してい
る。尚、偏倚量Δ=1度はデューティ比が49.7:5
0.3に相当する。
【0018】図6に示す如く、同期検波器10の参照信
号e2 のデューティ比が1:1ではなく、それより偏倚
している場合には、同期検波器10の出力信号にバイア
スが生ずる。直流成分D0 はハイパスフィルタによって
除去可能であるから、以下にこれを考慮しないで議論す
る。
【0019】斯かるバイアスは参照信号e2 の2倍の周
期で変動する。実際には、斯かるバイアスはD2 +D4
+・・・であるが、偏倚量Δが小さい場合には、
【0020】
【数5】 D4 /D2 ≦J4 (z)/J2 (z)≒1/12.5
【0021】となり、2倍波成分D2 が支配的となる。
【0022】
【発明が解決しようとする課題】以上に述べたように、
1位相型の同期検波器10において、参照信号e2 のデ
ューティ比が1:1ではなくそれより偏倚している場合
には同期検波出力にバイアスが生じ、ジャイロ信号に誤
差が発生する。デューティ比が揺らぐと斯かるバイアス
が変動しジャイロ信号が不安定なものとなる。
【0023】斯かる欠点を除去するためにはデューティ
比が常に1:1となるようにすればよいが、デューティ
比を常に1:1にすることは困難である。
【0024】本発明は斯かる点に鑑み、1位相型の同期
検波器を使用する場合、参照信号のデューティ比が1:
1より偏倚してもバイアス変動がないように構成された
光ファイバジャイロを提供することを目的とする。
【0025】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、例えば
図1に示すように、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
方向に伝播させるカプラ6と、この第1の伝播光及び第
2の伝播光を基本周波数で位相変調する位相変調器8
と、この基本周波数を発生する信号発生器9と、この光
ファイバループ3を伝播したこの第1の伝播光及び第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受
光器2と、この受光器2からの電流出力を電圧に変換す
る電流−電圧変換器7と、この電流−電圧変換器7から
の電圧出力をこの信号発生器9からの信号を参照信号と
して同期検波する同期検波器10とを有し、この第1の
伝播光と第2の伝播光との位相差を検出して、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、この信号発生器9からの出力とこの電流−電
圧変換器7からの出力とを入力する位相シフト器11を
設け、この位相シフト器11はこの信号発生器9から供
給されたこの参照信号の位相をシフトしてこの同期検波
器10に出力するように構成され、この位相のシフト量
θは、この参照信号のデューティ比の偏倚Δで発生する
バイアス誤差を無くすため θ=(2n+1)π/4−Δ/2 (n=0、1、2、3)とし、これによってこの同期検波器10からのデューテ
ィ比の偏倚で発生する 出力の2倍波成分がゼロとなるよ
うにしたものである。
【0026】
【作用】バイアスが安定であるということはデューティ
比の揺らぎが小さいということである。この揺らぎが所
定の大きさを有する場合、バイアスが安定である点はデ
ューティ比の揺らぎの影響が少ない点であり、それはバ
イアスの値そのものが小さい点であると考えてよい。従
って、最も支配的な2倍波成分によるバイアスの値がゼ
ロとなる点を考える。数4の式よりD2 =0として、
【0027】
【数6】cos(2θ+Δ)=0
【0028】である。従って、
【0029】
【数7】 θ=(2n+1)π/4−Δ/2 (n=0、1、2、3)
【0030】となる。この位相に参照信号の位相を合わ
せると、たとえデューティ比が1:1よりずれていて
も、バイアス変動がない安定なジャイロ出力が得られ
る。
【0031】こうして、本発明によると、光ファイバジ
ャイロのジャイロ出力信号を得るために1位相型の同期
検波器を使用した場合、デューティ比の揺らぎによって
バイアス変動の影響がない点に参照信号の位相が合わせ
られているから、デューティ比が1:1より偏倚して
も、バイアス変動がない安定なジャイロ出力信号を得る
ことができる。
【0032】
【実施例】以下に図1〜図2を参照して本発明の実施例
について説明する。尚図1〜図2において図3〜図6の
対応する部分には同一の参照符号を付してその詳細な説
明は省略する。
【0033】図1は本発明による光ファイバジャイロの
例を示しており、図3の従来例と比較して明らかなよう
に、本例では位相シフト器11が設けられている点が従
来例と異なる。位相シフト器11は電流−電圧変換器7
からの電流信号と信号発生器9からの基準信号を入力
し、位相シフトされた参照信号を同期検波器10に出力
するように接続されている。
【0034】図2は本発明による光ファイバジャイロに
使用される位相シフト器11の構成例を示しており、位
相シフト器11は、電流−電圧変換器7の出力端子7a
に接続され中心周波数が2ωP のバンドパスフィルタ1
2と同期検波器13とローパスフィルタ14と補償アン
プ15と信号発生器9の出力端子9aに接続された移相
器16とを有するように構成してよい。
【0035】移相器16の出力は同期検波器13に入力
されるように接続され、同期検波器13とローパスフィ
ルタ14と補償アンプ15と移相器16とは閉ループを
形成している。こうして、ローパスフィルタ14の出力
は常にゼロとなるように制御される。
【0036】即ち、バンドパスフィルタ12によって電
流−電圧変換器7の電圧出力の2倍波成分が検出されて
同期検波され、補償アンプ15によって適当な電圧に変
化され、移相器16によって位相が数7の式のθにされ
る。斯かる移相器16の出力は同期検波器10及び13
に参照信号として入力される。
【0037】こうして、同期検波器10に入力される参
照信号の位相θは数7の式によって示され、斯かる位相
θの場合には数6の式より同期検波出力の2倍波成分が
ゼロとなる。従って、たとえデューティ比が1:1より
偏倚しても、バイアス変動がない安定なジャイロ出力が
得られる。
【0038】本発明によれば、1位相型の同期検波器1
0を使用した光ファイバジャイロにおいて、同期検波出
力の2倍波成分が除去されているから、同期検波器10
の参照信号のデューティ比が1:1より偏倚しても、バ
イアス変動が生ずることなく安定なジャイロ出力信号を
得ることができる。
【0039】以上本発明の実施例について詳細に説明し
てきたが、本発明は上述の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他の種々の構成が採り得るこ
とは当業者にとって容易に理解されよう。
【0040】
【発明の効果】本発明によれば、1位相型の同期検波器
10を使用した光ファイバジャイロにおいて、同期検波
器10の参照信号のデューティ比が1:1より偏倚して
も、バイアス変動が生ずることなく安定なジャイロ出力
信号を得ることができる利点がある。
【0041】本発明によれば、1位相型の同期検波器1
0を使用した光ファイバジャイロにおいて、同期検波出
力の2倍波成分が除去されているから、同期検波器10
の参照信号のデューティ比が1:1より偏倚しても、バ
イアス変動が生ずることなく高精度のジャイロ出力信号
を得ることができる利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の光ファイバジャイロの例を示す構成図
である。
【図2】本発明の光ファイバジャイロに使用される移相
シフト器の構成例を示す図である。
【図3】従来の光ファイバジャイロの例を示す構成図で
ある。
【図4】同期検波器の構成例を示す図である。
【図5】同期検波器の参照信号の例を示す図である。
【図6】同期検波器の出力信号を説明する図である。
【符号の説明】
1 光源 2 受光器 3 光ファイバループ 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 同期検波器 11 移相シフト器 12 バンドパスフィルタ 13 同期検波器 14 ローパスフィルタ 15 補償アンプ 16 移相器 25 移相器 26 ミキサ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平1−265111(JP,A) 特開 平1−123111(JP,A) 特開 平1−305363(JP,A) 特開 昭62−9214(JP,A) 特開 平6−117863(JP,A) 国際公開92/502(WO,A1) (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、前記光源か
    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
    前記光ファイバループにそれぞれ互いに逆方向に伝播さ
    せるカプラと、前記第1の伝播光及び第2の伝播光を基
    本周波数で位相変調する位相変調器と、前記基本周波数
    を発生する信号発生器と、前記光ファイバループを伝播
    した前記第1の伝播光及び第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受光器と、前記受光器から
    の電流出力を電圧に変換する電流−電圧変換器と、前記
    電流−電圧変換器からの電圧出力を前記信号発生器から
    の信号を参照信号として同期検波する同期検波器とを有
    し、前記第1の伝播光と第2の伝播光との位相差を検出
    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、 前記信号発生器からの出力と前記電流−電圧変換器から
    の出力とを入力する位相シフト器を設け、前記位相シフ
    ト器は前記信号発生器から供給された前記参照信号の位
    相をシフトして前記同期検波器に出力するように構成さ
    れ、前記位相のシフト量θは、前記参照信号のデューテ
    ィ比の偏倚Δで発生するバイアス誤差を無くすため θ=(2n+1)π/4−Δ/2 (n=0、1、2、3) とし、これによって前記同期検波器からのデューティ比
    の偏倚で発生する 出力の2倍波成分がゼロとなるように
    したことを特徴とする光ファイバジャイロ。
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