JP3493487B2 - 光干渉角速度計 - Google Patents

光干渉角速度計

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は右回り光と左回り
光に対し±(nπ+π/2)の矩形波状位相変調を与
え、干渉光の電気信号をディジタル信号に変換した後、
各変調サイクルの前半と後半の差分をとることにより角
速度情報を得る光干渉角速度計に関する。
【0002】
【従来の技術】図2は、一軸の光ファイバコイルを用い
たクローズドループ方式光干渉角速度計(以下「FO
G」と称す)の従来例を示す。光源11からの光Ii
光カプラ12を通じて光学素子13に入射され、光学素
子13中のY分岐結合点14において2分されて、光フ
ァイバコイル15の両端に右回り光(CW光)、左回り
光(CCW光)として入射され、光ファイバコイル15
を透過したCW光、CCW光はそれぞれ、Y分岐結合点
14で合成干渉され、干渉光I0 として、光カプラ12
に戻って来る。なお、光ファイバコイル15の一端に入
射される光は、光学素子13内の光位相変調器16で位
相変調回路17からの位相変調電圧Vp により、同期的
に位相変調される。
【0003】光カプラ12に戻った干渉光I0 はここで
分岐されて干渉光I0 として受光器18に入射されて電
気信号Vd に変換され、この電気信号Vd は増幅器20
を通じてA/D変換器19へ供給されてディジタル信号
に変換された後、光位相変調と同期した参照信号により
同期検波回路21で同期検波され、その検波出力はフィ
ードバック回路22中の積分器23で積分され、位相変
調電圧V1 の半周期ごとにその積分値がステップ電圧と
してフィードバック信号発生回路26で加算され鋸歯状
波のフィードバック電圧が発生し、これがD/A変換器
27でアナログ電圧Vf に変換され、光学素子13中の
光位相変調器28で光ファイバコイル15の他端へ光に
対し、光位相変調が行われる。クロック発生回路29よ
り、互いに同期した各種の信号が生成され、A/D変換
器19の変換制御、同期検波回路21の参照信号、積分
器23、フィードバック信号発生回路26の各リセット
信号、位相変調回路17の変調信号生成用クロックがそ
れぞれ供給される。
【0004】このクローズドループのFOGは、フィー
ドバック信号Vf として階段状の位相偏移を付与するデ
ィジタルフェーズランプ方式と呼ばれているもので階段
状の一段の幅はこれによる位相偏移が光学路としての光
ファイバコイル15を通過する光の伝搬時間τと一致す
るように設定されている。また位相変調器16による光
位相変調もその変調半周期をτとすると、±(nπ+π
/2)(rad)の位相偏移を与える矩形波(両光間の
位相差として)とされている。通常は、n=0の±π/
2(rad)が両光間の位相差として与えられる。
【0005】矩形波位相変調は、パルス幅をτとする矩
形波を光ファイバコイル15の片端に配置した位相変調
器(バイアシング変調手段)16に印加し、光ファイバ
コイル15を伝搬する両光間に±π/2(rad)の位
相差を交互に付与する。その結果、受光器18に到達し
た干渉光I0 は、図3に示すようになる。位相変調のI
の領域は、両光間の位相差が“0”の状態を示し、IIの
領域は光ファイバコイル15に、その軸心を中心とする
角速度が印加されサニャック位相差Δφs が生じた状態
を示す。位相変調のIの領域の各半周期区間φ1 〜φ4
に相当する干渉光I0 の出力I1 〜I4 は、図に示すよ
うに同レベルとなり干渉光の強度に差異は生じない。し
かしIIの領域は、半周期区間φ5 ,φ7 に対応する干渉
光I5 ,I7 と、半周期区間φ6 ,φ8 に対応する干渉
光I6 ,I8 の干渉光強度に差異ΔIが生じる。その差
異ΔIは、次式で表わされる。
【0006】 ΔI=P0 ・sinΔφ ・・・(1) 上記(1)式に示すように区間φ5 ,φ7 に対応する干
渉光I5 ,I7 と区間φ6 ,φ8 に対応する干渉光
6 ,I8 の干渉光強度の差異ΔIを検出すれば、サニ
ャック位相差Δφs を知ることができる。ここでサニャ
ック位相差Δφs は、 Δφs =4πRLΩ/(cλ)=Ks ・Ω ・・・(2) R:光ファイバコイル15の半径、L:光ファイバコイ
ル15の光ファイバ長、c:光速、λ:光源11の出射
光の波長、Ks :サニャック係数で表わされ、サニャッ
ク係数Ks を比例定数として入力角速度Ωに比例する。
このような干渉光出力I1 〜In は、受光器18で光電
変換された後、周期τでA/D変換され、その後同期検
波回路21により(1)式に対応するディジタル量が演
算される。
【0007】即ち入力角速度の正弦関数に比例したディ
ジタル量を求めることができる。図4は、従来光干渉角
速度計の欠点を説明するための図で同図Aは、A/D変
換器(A/Dコンバータ)19の入力信号を示し、一定
オフセット電圧が重畳されている場合であり、同図B
は、A/D変換器19の入力信号に時間とともに変動す
るオフセット電圧が重畳している場合を示している。こ
こでA1 ,B1 ,A2 ,B2 …は、図3におけるI1
2 …In に対応したもので入力角速度は、零の状態で
ある。τごとに発生しているパルス30は位相変調の立
上り、立下り時間が存在するために発生するスパイクで
ある。図4Aでは、オフセット電圧が一定であるため、
矩形波位相変調の前半周期と後半周期に対応したディジ
タル量(A/D変換器19の出力)の差ΔDは、 ΔD=DAn−DBn ・・・() であり、同期検波手段21は、位相変調の1周期(2
τ)の前半のディジタル量DAnと後半のディジタル量D
Bnの差を演算するものであるから、同期検波出力はΔD
=0となり誤差は生じない。DAn,DBnは、A/D変換
器19の入力An ,Bn に対応したディジタル量を示
し、図4Cに示すタイミングでディジタル量に変換され
る。
【0008】ところが図4Bの場合のようにオフセット
電圧が変動すると()式の値ΔDは、ΔD≠0となり
誤差が生じる。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】以上述べたように、従
来の光干渉角速度計は、A/D変換器19の入力信号に
おいてオフセット電圧の変動等があるとその後のディジ
タル同期検波手段でバイアス誤差が発生する。このオフ
セット電圧の変動は、光源11からの光が光ファイバコ
イル15を経て受光器18までに至る光学系の損失が周
囲温度、衝撃、振動等によって変動し、受光器18に到
達する光量が徐々に又はインパルス的に変動したりする
ため、あるいは矩形波状位相変調の振幅が上記と同様環
境変化によって徐々に又はインパルス的に変動したりす
ることによって、オフセット電圧が徐々に又は過渡的に
変動する。
【0010】受光器18からA/D変換器19に至る回
路は、例えば図6に示すように構成される。つまり受光
器18の出力端はコンデンサ31を通じ、更に抵抗素子
32を通じて演算増幅器33の反転入力端へ接続され、
演算増幅器33の反転入力端と出力端の間に帰還抵抗素
子34が接続され、演算増幅器33の出力端はA/D変
換器19の入力端に接続され、抵抗素子35,36によ
る電源端子37の電圧の分圧点に演算増幅器33の非反
転入力端が接続される。この構成において、図3に示さ
れる直流的なオフセット光量IOFの分は、AC結合コン
デンサ31により遮断されるが、上記のように時間とと
もに徐々に変化したり、過渡的に変化するオフセットに
ついては、AC結合コンデンサ31を、変化の速度に対
応して通過する。
【0011】この発明の目的は、通常起こりうるオフセ
ット変動によって発生するバイアス誤差を除去し、バイ
アス安定度の良い光干渉角速度計を提供することにあ
る。
【0012】
【課題を解決するための手段】この発明によれば、干渉
光の電気信号をディジタル信号に変換し、そのディジタ
ル信号の、光位相変調半周期τの整数倍離れた少くとも
二つの値の差からバイアス誤差が順次求められ、そのバ
イアス誤差で、ディジタル同期検波出力である、各変調
サイクルの前半のディジタル値と後半のディジタル値と
の差分に対して補正がなされる。
【0013】
【発明の実施の形態】この発明によれば図1に要部を示
すように、A/D変換器19よりのディジタル信号はτ
ごとに分配手段41により変調サイクルの前半のディジ
タル値DA,1 ,DA,2 ,DA,3 …と、後半のディジタル
値DB,1 ,DB,2 ,DB,3 …とに分配されて、レジスタ
42,43に順次格納され、各変調サイクルごとにその
前半のディジタル値DA,n+1 と後半のディジタル値D
B,n+1 との差が差演算器44でとられ、ディジタル同期
検波が行われる。
【0014】この実施例では、ディジタル信号のτだけ
離し、かつ互いに異なる変調サイクルの二つの値の差分
によりバイアス誤差が求められる。つまりバイアス誤差
演算手段45において、遅延素子46により変調周期の
半分τだけ、レジスタ43のディジタル値DB,n+1 が遅
延され、その遅延出力DB,n とレジスタ42のディジタ
ル値DA,n+1 との差DB,n −DA,n+1 が減算器47でと
られてバイアス誤差(DB,n −DA,n+1 )が求められ
る。
【0015】このバイアス誤差により、減算器44の対
応出力に対する補正が補正手段48で行われる。つまり
減算器44の出力は遅延素子49でτだけ遅延され、こ
の遅延出力から減算器51でバイアス誤差が差し引かれ
る。この補正された信号(DA,n −DB,n )−(DB,n
−DA,n+1 )が得られる。このような演算が各変調サイ
クルごとに行われる。
【0016】以下上記の処理によりバイアス誤差が除去
される理由を説明する。A/D変換器19の入力信号の
オフセット電圧が時間とともに一定の傾きで増加してい
るとすると、入力角速度が零の条件でのA/D変換器1
9の入力信号は図5Aに示すようになり、入力角速度Ω
が印加された条件での入力信号は図5Bに示すようにな
る。先ず図5Aにおいてディジタル同期検波手段21の
出力は、DA,1 ,DB,1 ,DA,2 ,DB,2 ,…に対し
)式を演算していることとなり、つまり DA,1 −DB,1 =−ΔDOF ・・・() DA,2 −DB,2 =−ΔDOF ・・・() となり2τ時間に変化したオフセット量と等しいΔDOF
が誤差になる。
【0017】次に図1Bにおいてディジタル同期検波手
段21の出力は、DA,1',DB,1',DA,2',DB,2',…
に対し()式を演算すると、 DA,1'−DB,1'=ΔD−ΔDOF ・・・() DA,2'−DB,2'=ΔD−ΔDOF ・・・() となり、入力角速度が零の時と同様2τ時間に変化した
オフセット量と等しいΔDOFが誤差となる。
【0018】そこでオフセット変動による誤差ΔDOF
除去するため下式にもとづきバイアス補正値DCnを求め
る。まず図5Aにおいてバイアス補正値DCnを求める。 DCn=DB,n −DA,n+1 ・・・() 上式()にもとづきバイアス補正値DCnを求めると以
下のようになる。
【0019】 DC,1 =DB,1 −DA,2 =−ΔDOF ・・・() DC,2 =DB,2 −DA,3 =−ΔDOF ・・・(10) 次に図5Bについて求めると以下のようになる。 DC,1'=DB,1'−DA,2'=−ΔD−ΔDOF ・・・(11) DC,2'=DB,2'−DA,3'=−ΔD−ΔDOF ・・・(12) そこで()〜()式で求めた値から()〜(
)式で求めたバイアス補正値をそれぞれ減じる。まず
入力角速度が零の条件でのオフセット誤差補正後のデー
タは、次となる。
【0020】 (DA,1 −DB,1 )−(DB,1 −DA,2 )=0 ・・・(13) (DA,2 −DB,2 )−(DB,2 −DA,3 )=0 ・・・(14) つまりオフセット誤差が除去されたものとなる。また入
力角速度が印加された条件での誤差補正後のデータは、
次式となる。 (DA,1'−DB,1')−(DB,1'−DA,2')=2・ΔD ・・・(15) (DA,2'−DB,2')−(DB,2'−DA,3')=2・ΔD ・・・(16) この場合もオフセット誤差分ΔDOFは除去され、入力角
速度Ωに対応したデータΔDのみ出力される。
【0021】次にバイアス補正後DCnとしては次式によ
ってよい。 DCAn =DA,n −DA,n+1 又はDCBn =DB,n −DB,n+1 ・・・(17) この場合も(17)式にもとづき図5Aについて求める
と次の通りになる。 DCA,1=DA,1 −DA,2 =−2・ΔDOF ・・・(18) 又は DCB,1=DB,1 −DB,2 =−2・ΔDOF ・・・(19) 次に図5Bについて求めると次の通りになる。
【0022】 DCA,1' =DA,1'−DA,2'=−2・ΔDOF ・・・(20) 又は DCB,1' =DB,1'−DB,2'=−2・ΔDOF ・・・(21) 何れの場合も、オフセット誤差ΔDOFを求めることがで
きる。そこで()式〜()式で求めた値から(
)式〜(21)式で求めたバイアス補正値DCnを減じ
る。まず入力角速度が零の条件でのオフセット誤差補正
後のデータは次の通りになる。
【0023】 (DA,1 −DB,1 )−(DCA,1又はDCB,1)/2=0 ・・・(22) (DA,2 −DB,2 )−(DCA,2又はDCB,2)/2=0 ・・・(23) つまりオフセット誤差ΔDOFを含まなくなる。また入力
角速度が印加された条件でのオフセット誤差補正後のデ
ータは次式の通りになる。
【0024】 (DA,1'−DB,1')−(DCA,1’又はDCB,1’)/2=ΔD・・・(24) (DA,2'−DB,2')−(DCA,2’又はDCB,2’)/2=ΔD・・・(25) この場合もオフセット誤差分ΔDOFは除去され、入力角
速度Ωに対応したデータΔDのみが出力される。図5で
は、オフセット電圧の変動が一定の傾きを持っていると
したが、現実的には、さまざまな変動形態を示すことが
考えられる。しかし、光干渉角速度計を使用する環境で
の、環境変化の影響は、周波数特性的に1kHz程度で
ある。一方位相変調の周波数は、光ファイバコイル15
の光ファイバ長によって異なるが100kHz〜500
kHzあり、上記オフセット誤差を求める最小期間2τ
は、10μsec〜2μsecとなる。つまりオフセッ
ト変動の速さに比べオフセット誤差を求める最小期間2
τが十分短いため、その間では、ほぼ一定傾きで変化し
ていると近似できる。
【0025】以上本発明の一実施例について述べて来た
が、この発明は矩形波位相変調の半周期の整数倍離れか
つ変調サイクルが異なる2つのディジタルデータから差
分を求めオフセット誤差ΔDOFを除去しようとするもの
で、上記以外にもさまざまな演算方法が取り得る。又前
半周期と後半周期の差分を両方求め併用することも可能
であり、また2つのディジタルデータは3τ以上離れて
もよく、更に前記のように離された複数のディジタルデ
ータのそれぞれを平均したものを用いてもよい。また図
1に示した処理は通常コンピュータにより行われる。
【0026】上述ではこの発明を閉ループ光干渉角速度
計に適用したが、開ループ光干渉角速度計にも適用でき
る。また上述では、A/D変換器19によるディジタル
化は、変調サイクルの半周期毎に1回実施したが、A/
D変換における折返し雑音の影響を抑えるめ、変調サイ
クルの半周期毎に複数回A/D変換するオーバサンプリ
ングを行ってもよい。この場合は、同一半周期間のデー
タは、通常累積加算され、最終的には累積加算値がその
半周期のデータとされる。
【0027】
【発明の効果】以上述べたようにこの発明によれば、デ
ィジタル信号中のτの整数倍離れた変調サイクルの異な
る2つ以上のデータからオフセット(バイアス)誤差を
逐次演算し、対応する同期検波値に対し補正を行ってお
り、オフセット変動によるバイアス誤差が除去され、光
干渉角速度計としてのバイアス安定性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の実施例の要部を示す機能構成図。
【図2】光干渉角速度計の構成例を示す図。
【図3】干渉光強度と、光位相変調入力と、出力との関
係を示す図。
【図4】A/D変換器の入力信号の状態の例と、A/D
変換タイミングを示すタイムチャート。
【図5】オフセットが一定の割合で変動した場合のAD
変換器の出力状態の例を示す図。
【図6】図2中の増幅器20部分の具体例を示す図。

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 少くとも一周する光学路に、分岐干渉手
    段により、光源からの光を右回り光、左回り光として入
    射すると共に、その光学路を伝搬した右回り光と左回り
    光を干渉させ、 上記光学路の1端と、上記分岐干渉手段との間に設けた
    光位相変調手段により、上記光学路を伝搬する光の伝搬
    時間τの2倍の周期の矩形波で、上記右回り光と左回り
    光とに±(nπ+π/2)(n=0,1,2,…)の位
    相差を与え、 上記分岐干渉手段よりの干渉光を受光器により電気信号
    に変換し、その電気信号をA/D変換器でディジタル信
    号に変換し、 上記光位相変調の1周期中の前半と対応する上記ディジ
    タル信号と後半と対応する上記ディジタル信号との差分
    を、上記光学路に入力された角速度情報として取り出す
    光干渉角速度計において、 上記ディジタル信号の、上記光位相変調の半周期の整数
    倍離れた少くとも二つの値の差からバイアス誤差を順次
    求める手段と、 そのバイアス誤差で、上記差分の対応するものに対して
    補正する手段とを有することを特徴とする光干渉角速度
    計。
  2. 【請求項2】 上記バイアス誤差を求める手段は上記矩
    形波状位相変調のサイクルの後半のディジタル信号と次
    サイクルの前半の上記ディジタル信号とのを求めて上
    記バイアス誤差とする手段であることを特徴とする請求
    項1記載の光干渉角速度計。
  3. 【請求項3】 上記バイアス誤差を求める手段は、上記
    矩形波状位相変調の1周期離れた二つの上記ディジタル
    信号の差の1/2を求めて上記バイアス誤差とする手段
    であることを特徴とする請求項1記載の光干渉角速度
    計。
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