JP3635404B2 - 光干渉角速度計 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、光干渉角速度計に関し、特に光源の相対強度雑音の影響を小さく抑え、バイアス安定性性能を改善した光干渉角速度計に関する。
【0002】
【従来の技術】
図3に、従来のクローズドループ方式光干渉角速度計(以下、「FOG」という)の構成を示す。
光源駆動回路11で駆動される光源1からの出射光Iは、光カプラ2を経て光集積回路4に投入され、光分配結合手段5によりCW光、CCW光に分配され、光ファイバコイル8の両端から入射される。
光ファイバコイル8を伝播するCW光、CCW光は、光ファイバコイル両端と光分配結合手段との間にそれぞれ配置された矩形波位相変調信号で変調される第1位相変調器6と鋸歯状波信号で変調される第2位相変調器7により位相変調される。
【0003】
また、矩形波位相変調信号は、水晶発振回路15、クロック発生回路16、位相変調信号発生回路19により生成される。
位相変調を受けたCW光、CCW光は、光分配結合手段5で結合され干渉し、干渉光Ioは光カプラ2により分岐され受光器3で光電変換される。
受光器3からの光電変換信号はA/D変換器12によりデジタル信号とされ、復調器13で復調(同期検波)される。復調された信号は積分器14を介してディジタルフェーズランプ発生ロジック回路17に入力される。
ディジタルフェーズランプ発生ロジック回路は、鋸歯状波信号を生成するためのフィードバック信号とジャイロ出力信号(角速度信号)を出力する。
D/A変換器18はフィードバック信号に基づき鋸歯状波信号を生成し、この信号は第2位相変調器7に入力される。
【0004】
オープンループ方式FOGは、ディジタルフェーズランプ発生ロジック回路17、D/A変換器18、第2位相変調器7とから構成される自動制御ループを備えていない。
【0005】
▲1▼図4を参照してオープンループ方式FOGの動作を説明する。
(b)に示すように矩形波位相変調信号は、光ファイバコイルを伝搬する光の通過時間τと実質的に等しいパルス幅の矩形波電圧で光ファイバコイル8の片端と光分配結合手段5の間に配置した位相変調器6に印加し光ファイバコイルを伝搬するCW、CCW両光間に±π/2(rad)の位相差を交番に付与する。位相差Δφによる干渉光Ioの強度特性が(a)に示すものとすると、その結果、受光器3に到達する干渉光Ioは、(c)に示ものとなる。
位相変調Iの期間は、CW、CCW両光間の位相差Δφが“0”の状態を示し、位相変調IIの期間は、角速度Ωが印加されサニャック位相差Δφが生じた状態を示す。
位相差Δφは、Δφ=4πRLΩ/(cλ)で表される。(ここでRは光ファイバコイルの半径、Lは光ファイバコイルの長さ、λは光源の光の波長、cは光の速度を示す。)
【0006】
(d)に示すように位相変調Iの期間(Δφ=0)のφ1〜φ4に相当する干渉光の出力(受光光量)Io1〜Io2は、同レベルとなり干渉光の強度の差異は生じないが、位相変調IIの期間(Δφ>0、あるいはΔφ<0)は、φ5,φ7に対応する受光光量Io5,Io7とφ6,φ8に対応する受光光量Io6,Io8の干渉光に差異が生じる。その差異ΔIは次式で表される。
ΔIo=PsinΔφ/2 (1)
(P:最大光量)
(1)式に示すようにφ5,φ7に対応するIo5,Io7とφ6,φ8に対応するIo6,Io8の干渉光強度の差異ΔIoを検出すれば光ファイバコイルに印加される角速度Ωによって生じるサニャック位相差Δφsを得ることができる。
続いて干渉光出力Io1〜Io8は、受光器3で光電変換された後、A/D変換器12によりクロック発生回路16で生成された周期τのクロックによりA/D変換され、デジタル復調器(同期検波器)13により上記(1)式に対応したデジタル量が演算される。即ち入力角速度Ωに対するΔφのsinに比例したデジタル量を求めることができる。
デジタル復調器の出力を積分器14を介して出力することによりオープンループ方式FOGの角速度信号を得ることができる。
【0007】
▲2▼次にクローズドループ方式FOGの動作を説明する。
クローズドループ制御を達成する方法として図3に示された積分器14の出力をディジタルフェーズランプ発生ロジック回路19に入力して階段状の鋸歯波信号(ディジタルフェーズランプ)を生成し、フィードバック信号として第2位相変調器7に印加する。
【0008】
(1)式における位相Δφは、CW光、CCW光両光間の位相差で、次式で表される。
Δφ=Δφs−Δφf (2)
ここでΔφsは、光ファイバコイルに角速度Ωを印加した時に生じるサニャック位相差を示し、Δφfは、フィードバック信号により生じる位相差を示す。
デジタル復調機能により(1)式に対応するデジタル量をフィードバック回路に負帰還となるよう与えると積分器14の入力、即ち復調器13の出力は零となり、
Δφs=−Δφf (3)
の関係が成り立つ。
【0009】
フィードバック位相差Δφfを発生させる方法は、光の光ファイバの伝搬時間τを一段の幅とする階段鋸歯状波信号を光集積回路4の第2位相変調器7に印加して達成することができる。
今光ファイバコイル8の片端に配置した第2位相変調器7に階段鋸歯状波信号を印加すると図5(b)に示すようにCCW光は、光ファイバにおける光の伝搬時間τだけ遅れてCW光と同様の位相シフトを受ける。その結果CW、CCW両光間のフィードバック位相差は、図5(c)に示すものとなる。
【0010】
通常デジタルフェーズランプは、干渉光の周期性からフィードバック位相差が丁度2mπ(rad)(m=1,2,3,・・・)の時にリセット回路によりリセットされる。その結果フィードバック位相差Δφfが継続的に保証され精度の高いクローズドループ方式FOGが達成可能となる。
一般に階段の高さ、即ちフィードバック信号位相差Δφfは、図5(b)より
Δφf=τφR/T (4)
ここでτ:光ファイバコイルにおける光の伝搬時間(τ=nL/c)
n:光ファイバの屈折率
L:光ファイバ長
c:光速
T:デジタルフェーズランプの周期(T=1/f)
f:デジタルフェーズランプの繰り返し周波数
φR:デジタルフェーズランプの最大位相偏倚(φR=2mπ)
で表される。
【0011】
一方サニャック位相差Δφsは
Δφs=(4πRL・Ω)/(cλ)=Ks・Ω (5)
ここでR:光ファイバコイルの平均半径
λ:真空中における光の波長
Ω:入力角速度
Ks:サニャック係数
であるので周波数fは、m=1とすると(3)〜(5)式より
f=2RΩ/(nλ) (6)
となり、デジタルフェーズランプの周波数fを計測すれば与えられた入力角速度Ωを得ることができる。
【0012】
従来、オープンループ方式及びクローズドループ方式FOGの出力には、現実問題としてノイズ要素があり、高精度化の妨げになっている。主要なノイズ要因は以下のものである。
▲1▼受光器のショットノイズ
▲2▼光ファイバコイル中の後方レイリ散乱
▲3▼光源の相対強度雑音
▲4▼電気的ノイズ(熱抵抗雑音や増幅器の雑音など)
【0013】
図6は、受光器到達光量とランダムウォーク性能との関係を示す。
グラフは高精度のFOGを想定した次の条件で作成されている。
サニャック係数Ks=5
光ファイバ長L=3.7Km
光ファイバコイル半径R=0.05m
光源の光波長λ=1.55μm
光源の相対強度雑音(RIN):RIN=−120[dB/Hz]
【0014】
図6の受光器到達光量とランダムウォーク性能との関係を示すグラフを参照すると、受光器の到達光量が7μW以上くらいになってくるとジャイロバイアスの不安定性の一つであるランダムウォークが受光器到達光量が増えているのに係わらず減少せず性能が改善されなくなる。
表1の受光器到達光量に対する各雑音要因のランダムウォークの例が示すように光源の相対強度雑音によるランダムウォークが受光器到達光量の増減に係わらず一定値を示すためである。したがって、FOGの高精度化を図るためにはこの相対強度雑音を減少させることが必要となる。
【0015】
【表1】
表1 受光器到達光量に対する各雑音要因のランダムウォーク
【0016】
【発明が解決しようとする課題】
以上説明したように従来の光干渉角速度計は、S/N比を向上させるために光源の出射光を増やしても光源の相対強度雑音(RIN)のため頭打ちとなりFOG高精度化の阻害原因となっていた。
この発明は、この相対強度雑音を除去し、ジャイロバイアスのランダムウォーク性能を改善した光干渉角速度計を提供することにある。
【0017】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、
請求項1の発明は、光干渉角速度計において、光源からの光を右回り、左回り光に分岐して光ファイバコイルの両端から入射し、その後光ファイバコイルを伝播して戻ってきた右回り光と左回り光を結合する光分配結合手段と、光ファイバコイルの片端と光分配結合手段との間に配置された右回り、左回り光に変調信号発生回路からの変調信号により位相変調を与える位相変調器と、光分配結合手段で結合された干渉光を光電変換する第1受光器と、変調周波数成分を取り出す第1同期検波回路と、第1受光器に到達する光量の平均値又は最大値をモニタする第1光量モニタ回路と、光源からの光の一部を受光する第2受光器と、第2受光器に到達する光量をモニタする第2光量モニタ回路と、第2受光器からの光電変換信号を同期検波する第2同期検波回路と、第1光量モニタ回路からの出力を第2光量モニタ回路からの出力で除算する除算器と、第2同期検波回路の出力を除算器の出力で利得調整する利得調整手段と、第1同期検波回路の出力から利得制御手段の出力を減算して角速度信号を出力する減算手段と、を備えたことを特徴とする。
【0018】
請求項2の発明は、光源からの光を右回り、左回り光に分岐して光ファイバコイルの両端から入射し、その後光ファイバコイルを伝播して戻ってきた右回り光と左回り光を結合する光分配結合手段と、光ファイバコイルの両端と光分配結合手段との間にそれぞれ配置された右回り、左回り光に変調信号発生回路からの変調信号により位相変調を与える第1位相変調器と、右回り、左回り光に位相変調を与える第2位相変調器と、光分配結合手段で結合された干渉光を光電変換する第1受光器と、変調周波数成分を取り出す第1同期検波回路と、第1受光器に到達する光量の平均値又は最大値をモニタする第1光量モニタ回路と、光源からの光の一部を受光する第2受光器と、第2受光器に到達する光量をモニタする第2光量モニタ回路と、第2受光器からの光電変換信号を同期検波する第2同期検波回路と、第1光量モニタ回路の出力を第2光量モニタ回路の出力で除算する除算器と、第2同期検波回路の出力を除算器の出力で利得調整する利得調整手段と、第1同期検波回路の出力から利得制御手段の出力を減算する減算手段と、減算手段の出力に基づいて鋸歯状波信号を発生して第2位相変調器を駆動し減算手段の出力を実質的にゼロに制御するフィードバック信号発生手段と、フィードバック信号発生手段の発生する鋸歯状波信号の周波数を測定し、角速度信号を出力する角速度信号出力手段と、を備えたことを特徴とする。
【0019】
【発明の実施の形態】
図1に本発明の一実施例であるオープンループ方式FOG、図2に本発明の他の実施例であるクローズドループ方式FOGの構成を示す。
光源1からの出射光Iは、光カプラ2を経て光集積回路4に投入され、光分配結合手段5によりCW光、CCW光に分配され、光ファイバコイル8の両端から入射される。
光ファイバコイル8を伝播するCW光、CCW光は、光ファイバコイルの片端と光分配結合手段との間に配置された位相変調器6により矩形波位相変調信号で変調される。矩形波位相変調信号は、クロック回路9のクロック(PM−CLK)を基に位相変調器駆動回路10で生成される。
【0020】
位相変調を受けたCW光、CCW光は、光分配結合手段5で結合され干渉し、干渉光Ioは光カプラ2により第1受光器21へ分岐され光電変換される。
(a)第1受光器21に到達する光量Io(t)は図4のφ1タイミングに対応した次のようになる。
(但しΔφs:サニャック位相差、フィードバック位相差Δφf=0とす る)
ここで受光器に到達する光量PをPo(1+R(t−τ))とし、R(t−τ)を相対強度雑音比とすると、(7)式は、
Io(t−τ)=Po(1+R(t−τ))・(1−sinΔφs)/2(8)
となる。
【0021】
次にφ2 のタイミングでは光量Io(t)は、
Io(t)=Po(1+R(t))・(1+sinΔφs)/2 (9)
となる。
これらの干渉光Ioは、第1受光器21により光電変換信号に変換されA/D変換器22でデジタル信号に変換される。
変換されたデジタル信号は、第1同期検波回路24により
D1DEM(t)=K1(Io(t−τ)−Io(t))
ここでK1は、受光器21から第1同期検波回路24までの利得を示す。
(8)(9)式を代入すると、
D1DEM(t)=−K1・PosinΔφs+K1・Po(R(t−τ)−R(t))/2−K1・Po(R(t−τ)+R(t))sinΔφs/2 (10)
図4のφ3のタイミング以降も同様に方法で求めることができる。
【0022】
ここで図2に示されたクローズドループFOGの場合は、Δφsは、ほぼ“0”であるので((10)式の第2項>>第3項)、上記(10)式は次の式で表される。
D1DEM(t)≒−K1・PosinΔφs +K1・Po(R(t−τ)−R(t))/2 (11)
(11)式において、第1項は有用なジャイロ出力情報(角速度情報)で第2項は不要な相対強度雑音成分を示す。
(b)続いて光源の出射光Iの一部Ismを第2受光器41よって光電変換する。
【0023】
第2同期検波回路44の動作を説明する。
第2同期検波回路44は、入力されたデータに+1,−1を交互に乗算し逐次加算していくものであるので、まず図4においてφ1のタイミング(クロック回路9のクロック(REF−CLK)のタイミング)で+1を乗算するとその出力D2(t−τ)は、
D2(t−τ)=K2Psm(1+R(t−τ)) (12)
ここでPsm :Ism の振幅、K2:定数
次にφ2のタイミングで−1を乗算するとその出力D2(t)は、
D2(t)=−K2Psm(1+R(t)) (13)
となる。続いて第2同期検波回路44の出力は、(12)式と(13)式を加算したものであるので、
【0024】
(c)次に第1受光器21に到達する最大光量Pを求める。
図4からも分る通り±π/2の矩形波状の位相変調信号を印加すると、干渉光の平均光量PAVEは、図4のIの期間(Δφ=0)及びIIの期間(CW、CCW両光間に位相差が発生している場合)共、PAVE=P/2となり、光量モニタの出力Dm1は、次の式で表される。
Dm1=Km1・P/2 (15)
ここでKm1:定数
(d)続いて第2受光器41に到達する光量Psmを求める。
光量Psmは、もともと安定なものであるので第2受光器41によって光電変換された信号をA/D変換器43によってデジタル信号に変換し、第2光量モニタ回路45によって適切なデジタル量に変換される。その時の出力をDm2とすると、
Dm2=Km2・Psm (16)
ここでKm2:定数
【0025】
(e)補正データの利得計算
第1同期検波回路24に含まれる光源1の相対強度雑音成分をキャンセルするための補正データDcompの大きさを調整するために第1受光器21に到達する光量と第2受光器41に到達する光量から図1、2に示す乗除器51によって補正データDcompの利得Kcを求める。
Kc=K・ Dm1/Dm2=K・Km1・Po/2(Km2・Psm) (17)
ここでK:定数
(f)光源の相対強度雑音成分補正データDcompの計算
図1、2の乗算器52によりDcompを求める。
ここで(18)式のK・Km1・K2・Po/2Km2の部分と(11)式のK1・Po(R(t−τ)−R(t))/2の部分と等しくなるようK,K1,Km1,K2,Km2,などの利得を調整する。
【0026】
(g)光源の相対強度雑音成分を除去した信号DOUTの出力
図1、2の減算手段54によってDOUTを演算する。
ここで K1・Po/2=K・Km1・K2・Po/2Km2となるように利得を調整したので
DOUT=−K1・Po・sinΔφs (19)
となり、光源の相対強度雑音成分が除去される。
【0027】
図1に示されたオープンループ方式FOGの場合は、DOUT信号から角速度信号を得ることができ((19)式参照)、また要求に応じゲインアップしたり又リニアリティ補正することもできる。
図2に示されたクローズドループ方式FOGの場合は、DOUT信号を積分器61とランプジェネレータ62とD/A変換器63を有するフィードバック信号発生回路に入力し、DOUT信号が実質的にゼロとなるようなフィードバック信号(鋸歯状波信号)を発生させて第2位相変調器7に印加することにより、自動制御ループを構成する。
【0028】
この場合は、従来例と同様にフィードバック信号発生回路で生成されるフィードバック信号の周波数を測定することにより角速度信号が得られる。
図1、2のディレイ調整回路53は、第1同期検波回路24の出力D1DEM(t)が第2同期検波回路44の出力D2DEM(t)より光ファイバ中を光が伝播する時間τだけ遅れているのでその分を補正するためのものである。また他の回路を用いて進み遅れの任意の調整も可能である。ローパスフィルタ(LPF)26、46は、不要な高周波成分を除去するためのもので必要に応じて任意に挿入する。
【0029】
また、図1、2に記載の実施例では、第1、2受光器21、41からのアナログ信号をデジタル信号に変換し、デジタル的に処理する方法について示したがデジタルに変換しないでアナログ信号のまま処理することも可能である。さらに、本発明の実施例では、矩形波状の位相変調信号を用いる方法を示したが、正弦波の位相変調信号を使ったFOGの適用についても同様に可能である。
【0030】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は、光源の相対強度雑音成分を除去する回路を設けたことによりバイアス安定性の主要エラー要因であるランダムウォークを小さく抑えることができるようになった。これにより光源光量を増やしS/N比の向上を図って他のノイズ成分の影響を抑えつつ高精度化が図れるようになった。
表2に従来例と本発明のランダムウォークを示す。この表から分るように本発明を利用するとランダムウォークは大幅に改善されている。
【0031】
【表2】
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例であるオープンループ方式光干渉角速度計の構成図。
【図2】本発明の実施例であるクローズドループ方式光干渉角速度計の構成図。
【図3】従来のクローズドループ方式光干渉角速度計の構成図。
【図4】光干渉角速度計の矩形波位相変調信号と受光光量の関係を説明するための図。
【図5】クローズドループ方式光干渉角速度計のフィードバック信号を説明するための図。
【図6】受光器到達光量とランダムウォーク性能との関係を示す図。
【符号の説明】
1 光源
2 光カプラ
3 受光器
4 光集積回路
6 第1位相変調器
7 第2位相変調器
8 光ファイバコイル
11 光源駆動回路
12、22、23、42、43 A/D変換器
13 復調器
14、61 積分器
15 水晶発振回路
16 クロック発生回路
17 ディジタルフェーズランプ発生ロジック回路
18、63 D/A変換器
19 位相変調信号発生回路
21 第1受光器
24 第1同期検波回路
25 第1光量モニタ回路
26、46 LPF
41 第2受光器
44 第2同期検波回路
45 第2光量モニタ回路
51 乗除器
52 乗算器
53 ディレイ調整回路
54 減算手段
62 ランプジェネレータ
Claims (3)
- 光源と、光ファイバコイルと、光源からの光を右回り光と左回り光に分岐して光ファイバコイルの両端から入射し、その後光ファイバコイルを伝播して戻ってきた右回り光と左回り光を結合する光分配結合手段と、光ファイバコイルの片端と光分配結合手段光との間に配置された右回り光と左回り光に変調信号発生回路からの変調信号により位相変調を与える位相変調器と、光分配結合手段で結合された干渉光を光電変換する第1受光器と、干渉光の光電変換信号の内、変調周波数に関連した周波数で同期検波して変調周波数成分を取り出す第1同期検波回路と、第1受光器に到達する光量の平均値又は最大値をモニタする第1光量モニタ回路と、光源からの光の一部を受光する第2受光器と、第2受光器に到達する光量をモニタする第2光量モニタ回路と、第2受光器からの光電変換信号を同期検波する第2同期検波回路と、第1光量モニタ回路からの出力を第2光量モニタ回路からの出力で除算する除算器と、第2同期検波回路の出力を除算器の出力で利得調整する利得調整手段と、第1同期検波回路の出力から利得制御手段の出力を減算して角速度信号を出力する減算手段と、
を備えたことを特徴とする光源の相対強度雑音成分を除去する光干渉角速度計。 - 光源と、光ファイバコイルと、光源からの光を右回り光と左回り光に分岐して光ファイバコイルの両端から入射し、その後光ファイバコイルを伝播して戻ってきた右回り光と左回り光を結合する光分配結合手段と、光ファイバコイルの片端と光分配結合手段との間に配置された右回り光と左回り光に変調信号発生回路からの変調信号により位相変調を与える第1位相変調器と、光ファイバコイルの他方の片端と光分配結合手段との間に配置された右回り光と左回り光に位相変調を与える第2位相変調器と、光分配結合手段で結合された干渉光を光電変換する第1受光器と、干渉光の光電変換信号の内、変調周波数に関連した周波数で同期検波して変調周波数成分を取り出す第1同期検波回路と、第1受光器に到達する光量の平均値又は最大値をモニタする第1光量モニタ回路と、光源からの光の一部を受光する第2受光器と、第2受光器に到達する光量をモニタする第2光量モニタ回路と、第2受光器からの光電変換信号を同期検波する第2同期検波回路と、第1光量モニタ回路の出力を第2光量モニタ回路の出力で除算する除算器と、第2同期検波回路の出力を除算器の出力で利得調整する利得調整手段と、第1同期検波回路の出力から利得制御手段の出力を減算する減算手段と、減算手段の出力に基づいて鋸歯状波信号を発生して第2位相変調器を駆動し減算手段の出力を実質的にゼロに制御するフィードバック信号発生手段と、フィードバック信号発生手段の発生する鋸歯状波信号の周波数を測定し、角速度信号を出力する角速度信号出力手段と、
を備えたことを特徴とする光源の相対強度雑音成分を除去する光干渉角速度計。 - 請求項1または2に記載の光干渉角速度計において、
第1及び第2同期検波回路の参照信号は、クロック発生回路からの同じタイミングのクロックを用いること
を特徴とする光源の相対強度雑音成分を除去する光干渉角速度計。
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