JP4034847B2 - 過変調を採用している光ファイバ・ジャイロスコープにおけるクロスカップリングを抑制するための方法および装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ファイバ・ジャイロスコープに関する。より詳細には、本発明はステップ過変調を採用している光ファイバ・ジャイロスコープにおける電子的クロスカップリングによるバイアスの問題を解決するための装置および方法に関する。
【０００２】
【従来の技術、及び、発明が解決しようとする課題】
サナック（Ｓａｇｎａｃ）干渉計は一対の反対方向に伝播している光ビームの間に生成されるノンレシプロカル（ｎｏｎｒｅｃｉｐｒｏｃａｌ）な位相差の測定によって回転を求めるための計測器である。それは一般にレーザなどの光源、いくつかのミラーまたは複数の巻き数の光ファイバから構成されている光導波管、ビームスプリッタ‐コンバイナー（ｂｅａｍｓｐｌｉｔｔｅｒ‐ｃｏｍｂｉｎｅｒ）、検出器および信号プロセッサを含んでいる。
【０００３】
干渉計において、ビームスプリッタから入ってくる波は単独の光径路に沿って反対方向に伝播する。その導波管は「レシプロカル（ｒｅｃｉｐｒｏｃａｌ）」である。すなわち、光径路のどかに歪みがあると、それは反対方向に伝播しているビームに同様に影響する。ただし、その反対方向に伝播しているビームは必ずしも同じ時刻において、あるいは同じ方向において、そのような摂動（ｐｅｒｔｕｒｂａｔｉｏｎ）を経験するわけではない。時間間隔が光導波管の回りの光の伝播時間に等しい場合に、時間的に変化する摂動が観測される可能性があるが、一方、「ノンレシプロカル」な摂動は反対方向に伝播しているビームに異なった影響を与え、その伝播の方向に従う影響を与える。そのようなノンレシプロカルな摂動は２つのビームが伝播する光媒体の対称性を乱す物理的効果によって生じる。
【０００４】
２種類のノンレシプロカル効果は周知である。ファラデー効果、すなわち、共線的光磁気効果は、磁場が光材料の中の電子の優先的なスピンのオリエンテーションを生成する時に発生し、一方、サナック効果、すなわち、慣性的な相対論的効果は慣性的なフレームに対する干渉計の回転が伝播時間の対称性を破る時に発生する。後者の効果はリング・ジャイロスコープの動作原理として採用されている。
【０００５】
ジャイロスコープの測定された、すなわち、検出された出力はジャイロスコープ・ループの完全な１回の旋回の後に「組み合わせられた」ビーム（すなわち、２つの反対方向に伝播しているビームから形成されるコンポジット・ビーム）である。敏感な軸に対する回転速度は反対方向に伝播しているビームの間に発生する位相シフトに比例している。従って、正確な位相シフトの測定が不可欠である。
【０００６】
図１は光ファイバのコイルからの検出されたビーム出力の強度（またはパワー、電界の２乗の関数）と、ループを１回完全に通過してきた後の２つの反対方向に伝播しているビームの間に存在する位相差との間の周知の関係のグラフである。この図はビーム間の位相差、△φの余弦値に比例している強度を示している。そのような位相差は、例えば、回転によるノンレシプロカルな摂動の測度を提供する。ＤＣレベルが図１に示されている。そのようなＤＣレベルは強度レベルの半分（平均値）に対応している。
【０００７】
小さな位相差、あるいは小さな位相差±ｎπ（但し、ｎは整数）が検出された時（比較的遅い回転速度に対応して）、その出力ビームの強度は、その測定された位相差が出力の干渉縞の最大または最小の領域内に入ることになるので、位相の偏差または誤差に比較的感じ難くなることは干渉縞の形状の結果として周知である。この現象はφ＝０、＋π、−π、＋２πおよび−２πラジアンのそれぞれの領域における位相シフトに対応している干渉縞の１０、１２、１２´、１４および１４´に示されている。さらに、単なる強度は回転速度のセンス、すなわち、方向の指示を提供しない。
【０００８】
前記の理由のために、ゆっくりと生成された位相バイアスが反対方向に伝播している各ビームの上に共通に重畳され、ビーム・ペアがセンサ・コイルの中を通過する際に周期的に１つのビームを遅らせ、他のビームを進ませる。「ノンレシプロカル・ヌルシフト（ｎｕｌｌ‐ｓｈｉｆｔ）」としても知られている、位相シフトのバイアシングは、回転の存在を示している位相偏位εに対するより大きな感度によって特徴付けられる領域へ動作点をシフトすることによって、位相差に対する強度測定の感度を高める。この方法で、光検出器において観測される光の強度における変動、△Ｉ（またはパワーΔＰ）は与えられたノンレシプロカルな位相摂動εに対して高められる。
【０００９】
与えられた位相摂動εの存在のために強度効果を高めることによって、それに対応している位相摂動に対する光検出器の出力感度における増加が得られる。これらはさらに、出力の電子回路の簡単化および精度の改善につながる可能性がある。そのような出力の電子回路は電子光変調器（複数機能の集積された光チップ、すなわち、「ＭＩＯＣ：ｍｕｌｔｉｆｕｎｃｔｉｏｎ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｏｐｔｉｃａｌ ｃｈｉｐ」であることが多いが、ループの通過時間τの間にサイクルされる動作点の強度値を比較するための差動回路を含んでいるのが普通である。現在、光ファイバ・ジャイロスコープは２τの周期で±π／２の間でサイクルされる矩形波などの周期的な変調波形によって共通にバイアスされる。但し、τはファイバ・コイルを通って光が通過する時間である。
【００１０】
図１に戻って、従来の矩形波変調は動作点１６と１６´との間の出力強度曲線のサイクリングに対応する。１６および１６´の各点（±π／２の矩形波変調）は強度の干渉縞の屈折点にある。そこでは位相差Δφの小さなノンレシプロカル摂動εによって光強度（パワー）出力において最大の、そして本質的に線形の検出可能な変化ΔＩ（ΔＰ）が結果として得られる。また、２つの異なる動作点間に印加されたバイアスを交互に変えることによって、システムはεの符号を求めることができ、従って回転の方向を求めることができる。（また、同じ結果が±３π／２の変調によって得られる。これは図１の曲線の点１８および１８´によって示されている。）
【００１１】
位相変調に加えて、「位相ヌリング」が干渉計の出力に普通適用される。これによってノンレシプロカル（サナック）効果による位相シフトを補正するためのネガティブ・フィードバック機構を通じて追加の位相シフトが導入される。測定された位相差に傾斜が比例している位相ランプ（アナログまたはディジタル）がこの目的のために普通生成される。普通、０〜２πラジアンの範囲をカバーするランプが、ヌリングの位相シフトを提供する。というのは、その必要なシフトは電圧の制限のために無限には増加させることができないからである。２πの「リセット」は以前に説明された余弦関数の結果としてモジュロ２πのベースで動作するジャイロ干渉計にはトランスペアレントである。
【００１２】
慣性系の主要な使用法の１つは、乗り物のヘッディングを決定することである。そのような決定はジャイロを含めたシステムのセンサの品質によって変わり、ジャイロの出力におけるノイズの量および種類によって影響される。特に、慣性の角速度を正確に測定するためのジャイロスコープの機能が正しいヘッディングの決定に対するキーである。
【００１３】
先進技術のジャイロ（例えば、レーザおよび光ファイバ・タイプの）出力のノイズ特性は統計的な「角度のランダム・ウォーク（ｒａｎｄｏｍ ｗａｌｋ）」特性を含んでいる。角度のランダム・ウォークは角速度のホワイト・ノイズ（すなわち、そのパワー・スペクトル密度（ＰＳＤ）が「フラット」、すなわち、周波数に無関係であるノイズ）によって生じる。ホワイト・ノイズによって汚染されている変数の各観測値（例えば、光ファイバ・ジャイロの角速度出力など）は統計的に他のすべての変数から独立している。そのような多くのサンプルの平均値は真の値に徐々に収れんする。平均の測定値における不確定性は平均化の時間の平方根に逆比例する。従って、角速度の測定値の不確定性は次の式によって与えられる。
【数１】

【００１４】
通常、慣性系の慣性のヘッディングの精度は地球の回転速度が測定できる精度によって変わる。ヘッディングの不確定性は上記の角速度の測定値の不確定性に比例している。平均化の時間は、通常、短い（普通は４分）ので、ランダム・ウォーク係数を小さく保つことが重要である。さらに、ヘッディングが獲得された時、積分された姿勢の角度におけるドリフトによって慣性系の性能が劣化する。上記のような角度のランダム・ウォーク・プロセスによって、時間の平方根の関数として統計的に成長する角度誤差が生じる。従って、次の式が成立する。
【数２】

ここでもランダム・ウォーク係数の小さいことが不可欠である。
【００１５】
図２は光ファイバ・ジャイロスコープにおけるランダム・ウォーク（曲線２０）と光源のピーク・パワーとの間に存在する関係を示している。光ファイバジャイロの出力におけるホワイト・ノイズの原因はいくつかあり得る。電子ノイズ（暗電流およびジョンソン・ノイズまたはサーマル・ノイズの両方）、ショット・ノイズ、およびビート、あるいは同義語的な関連の強度ノイズがすべて貢献する可能性がある。ジャイロのランダム・ウォークに対する電子ノイズの貢献はピーク・パワーに逆比例する。ジャイロのランダム・ウォークに対するショット・ノイズの貢献はピーク・パワーの平方根に逆比例する。また、その図の中に示されているように、ビート・ノイズ（曲線２２）の貢献はピーク・パワーとは無関係であり、従って、パワーの増加によってジャイロのランダム・ウォークが減らされ得る範囲が限定される。対照的に、所定の範囲内でピーク・パワーが増加することによって、電子的ノイズ（曲線２４）およびショット・ノイズ（曲線２６）の貢献は減少する。そのような範囲を超えてパワーが増加しても、ランダム・ウォークの性能は良くならない。
【００１６】
ビート・ノイズの相対的な重要性は光源のパワーと共に増加する。超高輝度（Ｓｕｐｅｒｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｔ）ダイオードは約０．５ミリワットのピーク・パワーを提供し、一方、稀土類がドープされた光源の定格は普通は１０ミリワット近辺にある。図２を参照すると、ランダム・ウォークに対するビート・ノイズの貢献はショット・ノイズの貢献に比べて小さく、さらにそれは超高輝度ダイオードなどの低電力源が採用される時には電子的ノイズの貢献に比べて小さい。光源のパワーが増加するにつれて、ビート・ノイズの貢献がジャイロスコープのノイズ性能を実質的に支配する。
【００１７】
ジョージ Ａ．パブラスの「光ファイバ・ジャイロスコープにおけるランダム・ウォークを減らすための方法」と題する米国特許出願第０８／２８３，０６３号は上記の問題に対処する。そのような出願（本明細書の譲受人が権利を所有する）はジャイロ・センサ・コイルの内部で反対方向に伝播するビームの統計的過変調バイアスに依存する方法を開示している。例えば、図１のジャイロの出力曲線を従来の±π／２の動作点１６と１６´との間ではなく、点２８と２８´との間（または、±３π／２の動作点１８と１８´との間）にバイアスすることによって、ランダム・ウォークに対するビート・ノイズ（および、同時に相対強度ノイズ）の貢献は光源のパワーが増加すると共に減少することが示されている。ランダム・ウォークの減少に及ぼすこのノイズ源の以前の制限効果をなくすことによって、ハイパワー光源の有用性が高められる。
【００１８】
単独軸および複数軸のジャイロスコープの構成の両方がシステム・クロストークから生じるバイアス誤差の対象となっている。例えば、ディジタル−アナログ変換器の出力からの信号およびジャイロの制御ループのドライバー増幅器からの信号が同期復調器の入力に結合する可能性がある。さらに、３軸の構成において、そのようなクロスカップリングは１つの軸を測定中のジャイロスコープのディジタル−アナログ変換器およびドライバー増幅器と、他の軸の測定に対するジャイロの同期復調器との間に発生する可能性がある。さらに、３軸構成が単独の検出器で動作するようになっている場合、そのコンポジット出力は他の軸の出力との間のクロストークの対象となり得る。
【００１９】
クロストークは従来の（最大感度の）または過変調タイプのいずれかのステップ型の変調の存在における特定の問題を表す。矩形波などのステップ型の変調波形を採用すると、その結果の復調関数は変調関数のコピーとなる。これは、電気的な漏れまたはクロスカップリングが位相変調器をドライブするための信号と復調器に対する入力との間に発生する時にネット・バイアスの値に対してジャイロの出力を服従させる。
【００２０】
スパーリンガーは「補正不要の変調器の制御によるディジタル位相ランプ・リセット付きの光ファイバ・サナック干渉計（Ｆｉｂｅｒ Ｏｐｔｉｃ Ｓａｇｎａｃ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ Ｗｉｔｈ Ｄｉｇｉｔａｌ ＰｈａｓｅＲａｍｐ Ｒｅｓｅｔｔｉｎｇ ｖｉａ Ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ‐Ｆｒｅｅ Ｄｅｍｏｄｕｌａｔｏｒ Ｃｏｎｔｒｏｌ）」と題する米国特許第５，１２３，７４１号の中でクロストークの問題に対する解決策を提供している。それはランダムまたは補正不要のコンポーネント・シーケンスを組み込んでいるジャイロの位相変調器をドライブするための波形の設計に依存している。クロストークの問題に対処しているが、この特許の方法は従来の最大感度、すなわち、±π／２、±３π／２の変調に依存しており、従って過変調の技法によって提供される利点を達成することができない。
【００２１】
本明細書の譲受人の別の特許、すなわち、「直交シーケンスを利用している光ファイバ・ジャイロスコープ（Ｆｉｂｅｒ Ｏｐｔｉｃ Ｇｙｒｏｓｃｏｐｅ Ｕｔｉｌｉｚｉｎｇ Ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ Ｓｅｑｕｅｎｃｅｓ）」と題するマーク他の米国特許第５，１８９，４８８号は光ファイバ・ジャイロスコープにおける電子的クロストークを抑制するために関連付けられた一次および二次の復調シーケンスの特性に関して決定論的な変調シーケンスの選択を示している。その中で示されている技法も従来の変調方式に限定されている。上記の各技法は従来の変調波形（すなわち、±π／２、±３π／２の変調に限定されている）の使用を前提としており、それを仮定している。いずれも過変調のコンテキストにおけるクロストークの問題に対処はしていない。従って、これらの技法は本質的に制限されたランダム・ウォーク削減機能のシステムに関するものである。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、第１の態様において、サナック干渉計による回転速度の測定のための方法を提供することによって、従来の技術の前記および他の欠点に対処する。その干渉計は１つの光源と、前記光源からの出力から一対の光ビームを生成するためのカプラーとを含み、前記ビームをセンサ・コイルの反対の端に導いてその中を反対方向に伝播させ、前記コイルの中を通過させた後、前記ビームを再び組み合わせて出力信号を提供するタイプの干渉計である。反対方向に伝播するビームに一連の人工的な光位相シフトを加えるための変調器が設けられ、そしてその出力信号から回転速度の情報を抽出するための復調器が提供される。
【００２３】
本発明の方法は反対方向に伝播している光ビームに一連の人工的な位相シフトを加えるために変調器をドライブすることに関する。各位相シフトの持続時間はセンサ・コイルの通過時間に等しい。人工的な位相シフトのシーケンスは±ａπ／２ｂおよび±（４ｂ−ａ）π／２ｂ（但し、ａは奇数の整数であり、ｂは１より大きい整数であり、ａとｂは等しくない）の位相シフトの中から選択される。
【００２４】
第２の態様においては、本発明はサナック干渉計の位相変調器をドライブするための波形を生成するための方法を提供する。そのような方法は値のモジュロ２πのマッピングをドライブするステップを含んでいる。それは（ｉ）Ｓセグメントへのモジュロ２πのバッピングをドライブするステップ、Ｓは次の式による自然数である。
Ｓ×θ＝２πＮ （但し、θは｜ａπ／２ｂ｜でありＮは整数である）
（ｉｉ）前記各セグメントに対して変調器をドライブするための１つの値を割り当て、第１の角度方向における隣接するマッピング・セグメント間の各遷移がａπ／２ｂまたは−（４ｂ−ａ）π／２ｂに対応し、反対方向の角度方向における隣接するマッピング・セグメント間の各遷移が−ａπ／２ｂまたは（４ｂ−ａ）π／２ｂに対応するようにする（上記第１の態様と同様に、ａが奇数の整数であり、ｂが１より大きい整数であり、ａとｂは等しくない）。
【００２５】
次にそのマッピングは第１の方向におけるすべてのセグメントの中および反対方向のすべてのセグメントの中の所定のシーケンスに従って旋回され、ステップ型の波形を生成する。
【００２６】
その後、そのステップ型の波形に対応する一次および二次の復調シーケンスが生成される。その一次および二次の復調シーケンスは、基準が満足されるように復調シーケンスが生成されるまで所定の基準に従って比較される。最後に、その基準を満足する復調シーケンスに対応するステップ型の波形が選択される。
【００２７】
第３の態様においては、本発明は、光のビームが光ファイバのコイルの中を反対方向に伝播し、それらの間に各ループ通過時間の間に印加される一連の人工的な位相シフトの手段によって変調されるようなタイプの回転速度を測定するための方法における改善を提供する。本発明によって提供される改善は、±ａπ／２ｂおよび±（４ｂ−ａ）π／２ｂ（但し、ａは奇数の整数であり、ｂは１より大きい整数であり、ａとｂは等しくない）の中から位相シフトを選択することを含む。
【００２８】
本発明の第４の態様は、位相変調器を含んでいるタイプの少なくとも１つの軸の回りの回転速度を測定するためのサナック干渉計における１つの改善を提供する。その位相変調器は少なくとも１つのセンサ・コイルの中を反対方向に伝播している一対の光ビームに対して、そのセンサ・コイルの通過時間に等しい持続時間の一連の光位相シフトを印加する。少なくとも１つのビーム・ペアにおいて、組み合わせるためおよび復調するための手段が提供され、少なくとも１つの軸に関する回転速度が求められる。
【００２９】
本発明によると、前記のタイプのサナック干渉計に対する改善は、±ａπ／２ｂおよび±（４ｂ−ａ）にｂ（但し、ａは奇数の整数であり、ｂは１より大きい整数であり、ａとｂは等しくない）の人工的な位相シフトのシーケンスを印加するためにステップ型の波形をドライブするための、位相変調器に対するビート・シーケンスを提供するためのゼネレータを含む。
【００３０】
第５の態様においては、本発明は光ファイバ・ジャイロスコープの位相変調器をドライブするための、ステップ型の波形を生成するためのモジュロ２πのマッピングを提供する。±ａπ／２ｂおよび±（４ｂ−ａ）／２ｂ（但し、ａは奇数の整数であり、ｂは１より大きい整数であり、ａとｂは等しくない）の位相シフトが、そのジャイロのセンサ・コイルの内部を反対方向に伝播しているビームに印加される。そのマッピングはＳ個のセグメントに分割された閉じた円を含んでいる。各セグメントはステップ型の波形の１つの値に関連付けられている。ＳはＳ×θ＝２πＮ（但し、θは｜ａπ／２ｂ｜であり、Ｎは整数である）となるような自然数である。値はマッピングのセグメントに対して割り当てられ、第１の角度方向における隣接セグメント間の各遷移がａπ／２ｂまたは−（４ｂ−１）π／２ｂのステップに等しく、そして反対の角度方向における隣接セグメント間の各遷移が−ａπ／２ｂまたは（４ｂ−ａ）π／２ｂのステップに等しいように割り当てられる。
【００３１】
本発明の前記および他の特徴および利点は以下の詳細記述からさらに明らかとなる。説明には一組の図面が付随している。記載されているテキストの番号に対応している図面の番号は本発明の特徴を指している。記載された説明と図面の両方全体を通じて同じ番号は同じ機能を指している。
【００３２】
【発明の実施の形態】
本発明はステップ型の変調シーケンスを採用している光ファイバ・ジャイロにおけるクロストークの問題に向けられている。そのようなシーケンスは最大の検出感度（±π／２、±３π／２）が採用されている時に観測される「フロアー（ｆｌｏｏｒ）」を超えるジャイロの出力のランダム・ウォークの内容を減らす結果となる範囲において有益である。本発明においては、ステップ型の過変調波形のランダムおよび決定論的な波形の両方が、クロストークの消去または実質的な削減による過変調の利点をジャイロの出力において提供するジャイロの、光電子的位相変調器に対して印加するために選定される。本発明による過変調波形は結果の復調シーケンスから実質的に相関がなくなっている。これによって、ジャイロが変調信号の漏れによるバイアスの影響を受けないようになる。
【００３３】
本発明は候補のステップ型の過変調波形を生成するために所定の、あるいはランダムなパターンに従って旋回させられるマッピングを生成するための方法を提供する。次に、その旋回のパターンが、下記のデコリレーション（ｄｅｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ）に対する必要な条件が満足されることを確保するためにチェックされる。その後、変調波形の性質（すなわち、決定論的か、あるいはランダムか）によって十分条件が調べられる。
【００３４】
この図はランダム、疑似ランダムまたは決定論的な方法のいずれかに変換することができる。変調シーケンスがランダムまたは疑似ランダムである場合、米国特許第５，１２３，７４１号によって示されているように、出力の誤差が時間によって打ち消される。他方、ほどよいタイム・フレーム内で出力の誤差の打消しを得る決定論的過変調シーケンスだけが採用される。「候補の」決定論的過変調シーケンスは米国特許第５，１８９，４８８号に示されているような直交性の性質に対する「スクリーン型」がある。従って、本発明は、（１）ランダム・ウォークの削減（２）避けられないシステム・クロストークの影響に対する感度の低下によって特徴付けられるジャイロの出力を発生する、ジャイロのセンサ・コイルの内部で反対方向に伝播している光ビーム間の位相差を人工的にバイアスするための変調シーケンスを示す。
【００３５】
＜Ｉ．過変調シーケンスの生成＞
図３は本発明に従ってサナック干渉計の位相変調器をドライブするための波形を生成するための、モジュロ２πのマッピングである。図３に従ってマッピングを採用することおよび以下に説明される必要条件を満足することによって、過変調の領域において人工的な位相シフトを課するためのランダムおよび決定論的なソースの波形を容易に導くことができる。そのような変調はランダム・ウォーク特性が改善された干渉計出力信号を提供することが知られている。さらに、十分条件も満足する決定論的波形だけを採用することによって、ジャイロ・システムの寄生クロストークの重要な問題に同時に対処することができる。
【００３６】
図３を参照すると、±３π／４および±５π／４の人工的な位相シフトのシーケンスを導入するためのマッピングが配置されている。各ディスクリート位相シフトはその持続時間が単独ループの転送時間τに等しい。図３の図を図１のジャイロの出力の図と相互参照することによって、生成されるべき過変調シーケンスはジャイロの出力曲線の３０、３０´および３２、３２´に示されている点の間の「スイッチング」に関与する。
【００３７】
図３のマッピングは８個のセグメントに分割される閉じた円を含んでいる。図３のマッピングはセンサ・コイル内の反対方向に伝播している光ビーム間に、±３π／４および±５π／４の光学的位相シフトを課するための、位相変調器をドライブするためのステップ型の波形を生成するように配置されている。このステップ型の過変調波形を生成するためのディスクリートな値は各セグメントの内部にマークされている。従って、図３のマッピングは次のように配置される。１つのセグメントから隣のセグメントへのマッピングに関する反時計回り（方向「Ａ」）の各遷移が＋３π／４または−５π／４の数値的な差に影響し、一方時計回り（方向「Ｂ」）の各遷移は−３π／４または＋５π／４のいずれかの数値差に影響する。物理的には、隣接セグメント間の差、またはステップはステップ型の過変調波形の値における変化によって加えられる。各遷移は完全な１回の通過時間τの後に発生する。
【００３８】
マッピングのセグメントを反時計回り、すなわち、方向Ａに旋回させることによって、０、３π／４、３π／２、π／４、π、７π／４、π／２、および５π／４の過変調波形の値が順次生成され、最終の状態は最初へ折り返し、すなわち、第１への遷移を行なう。「Ｒ」とマークされている太線は±５π／４の遷移におけるマッピングの中央から放射状に延びており、それは変調波形のモジュロ２πのロールオーバに対応している。
【００３９】
光学的位相シフトを発生させるステップ型の波形を生成するための図３の代表的なマッピングを採用するに先立って、図３のマッピングは±３π／４および±５π／４の電圧ステップには制限されていないドライブ波形を含めるために一般化することができることに注意すべきである。同様なマッピングの手段によってステップ型の過変調波形を生成することは次の関係から導かれる。
Ｓ×θ＝２πＮ （１）
【００４０】
前の式においてθはラジアン単位での過変調の領域における位相シフトのサイズを表し、Ｎは整数であり、Ｓは過変調波形を生成するために必要なマッピングのセグメント数の最小値を表す。式１に対する解を与える位相シフトだけがマッピングの生成に適しており、従って適切な過変調波形の導出に適している。候補の位相シフト、すなわち、±ａπ／２ｂが調べられ、そして上記の式に対する解を生じることが分かると、その結果の変調波形は±ａπ／２ｂの位相シフトおよび±（４ｂ−ａ）π／２ｂの位相シフトのロールオーバ値を含むことになる。任意の式１に与えられた解に対する位相シフトの絶対値およびロールオーバの値の和は２πである。以下の表Ｉは上記の式１に基づいた位相差の値に対するマッピングの設計を要約している。
【表１】

【００４１】
＜ＩＩ．信号のデコリレーション：必要条件＞
候補のステップ型の過変調波形は図３のマッピング（または、式１に従って導かれる同様なマッピング）から、それを時計回り（方向Ｂ）と反時計回り（方向Ａ）の回転の組合せの中で旋回させることによって得られる。各回転は１つのマッピング・セグメントから隣接する１つのセグメントへの遷移に関与する。前に指摘したように、セグメントからセグメントへの各遷移（すなわち、変調電圧値から隣接する電圧値への遷移）は過変調位相シフトまたはロールオーバ位相シフトのいずれかに等しい値の変化を表す。
【００４２】
過変調シーケンスのタイプ、すなわち、ランダム、疑似ランダムまたは決定論的の各タイプは、反時計回りの回転が時計回りの回転とミックスされる方法を決定する。例えば、乱数発生器を利用し、そして生成された各偶数の番号に時計回りの回転を関係付け、生成された各奇数番号に時計回りの回転を関係付ける決定規則を採用することができる。対照的に、関連のマッピングに関する時計回りおよび反時計回りの回転の決定論的なシーケンスはあらかじめ定められている。
【００４３】
上記のように生成される過変調波形を定義しているシーケンスは、ジャイロの復調器からデコリレーションを実行できる候補としてクオリファイ（ｑｕａｌｉｆｙ）するために、そしてクロストークのクリアのために２つの条件を満足しなければならない。第１の必要条件として、十分に長い期間（すなわち、１秒程度）にわたって時計回りの遷移の数は反時計回りの数に等しくなければならない。第２の条件として、図３の中の図のすべてのセクターは時計回りおよび反時計回りの両方において少なくとも一度旋回されなければならない。さらに望ましい１つの条件として、各セクターは程よい時間間隔（すなわち、１秒程度の）にわたって各方向における等しい数の時間、各セクターは旋回される必要がある。
【００４４】
図４（ａ）および図４（ｂ）はサナック干渉計の位相変調器をドライブするための図３のマッピングに従って得られる波形、および人工的光学位相シフトが印加された結果のシーケンスをそれぞれ示している。図４（ａ）の波形は過変調の領域内の位相変調器をドライブするためのステップ型の波形を含んでいる。それは光ファイバ・ジャイロの中の復調からの変調のデコリレーション、および変調の変化の速度）に対する２つの必要な条件を満足している一連の±３π／４、±５π／４の電圧ステップを含んでいる。その波形の性質は決定論的であり、先ず最初に反時計回り（方向Ａ）、そして次の時計回り（方向Ｂ）の１全回転を通じて図３のマッピングを掃引することによって形成される。図４（ｂ）はジャイロのセンサ・コイルの内部で反対方向に伝播している光ビームに課される結果の人工的な光学的位相シフトの図である。採用されている決定論的な方式はかなり単純であるが、図４（ａ）および図４（ｂ）は図３によるマッピングに関しての回転の他の任意の方式に対して、または異なるサイズの光学的位相シフトに基づく等価のマッピングに関する回転の他の任意の方式に対して適用可能である。
【００４５】
これから分かるように、印加される一連の人工的な位相シフト（図４（ｂ））は３π／４と−３π／４の５回の位相シフト、および５π／４と−５π／４の３回の位相シフトから構成されている。ステップ型の波形を生成するための本発明の方法は、位相変調のスケール・ファクタの誤差の自動観察も提供する。このプロセスまたは結果は図５の中で観察することができる。この図はスケール・ファクタの誤差のためにそれぞれ３４、３４′、３６、３６′から３４″、３４′′′、３６″および３６′′′へそれぞれシフトされた、±３π／４および±５π／４の動作点を持つジャイロの出力の図である（すなわち、位相シフトが過大に印加されたもの）。
【００４６】
図５に示されているように、±３π／４と±５π／４の点の間のスプリット３８はスケール・ファクタの誤差によって生じている。この図は過大な位相シフトが印加された場合の結果を示している。使われる位相シフトが小さ過ぎた場合（スケール・ファクタが低過ぎた場合）、このシフトによって方向が逆転される。シフト３８を観測することによって、制御のアルゴリズムを使ってスケール・ファクタを適切な値に調整すること（すなわち、ゼロ・スプリット）に調整することができる。さらに、スケール・ファクタに誤差がある場合、図４に示されているような３回の５π／４の遷移ごとに５回の３π／４の遷移がある場合において、ジャイロの出力において観測される正味の誤差は０であること、すなわち、−５×（３π／４）＋３×（５π／４）−３×（５π／４）＋５×（３π／４）＝０であることに注意されたい。従って、３π／４および５π／４の遷移の５：３での正しい重み付けが不可欠な条件である。もっと一般的には、±ａπ／２ｂおよび±（４ｂ−ａ）π／２ｂの遷移が（４ｂ−ａ）：ａの比で重み付けられなければならない。
【００４７】
＜III．復調：ランダム（疑似ランダム）シーケンス＞
本発明に従って生成されたランダムまたは疑似ランダムのシーケンスに対して２つの必要な条件が満足されると、時間についての変調信号の、そして変調信号の変化の速度のデコリレーション（誘起された光学的位相シフトに等しい）が復調シーケンスに関してその後に続く。従って、スケール・ファクタの誤差の自己相関に加えて、ステップ型の過変調組成のランダムおよび疑似ランダム的に生成された信号がクロストークの存在によって実質的に影響を受けないジャイロの出力信号を作り出す。
【００４８】
米国特許第５，１２３，７４１号はランダムに生成された変調信号から得られた信号を寄生信号とは統計的に独立である復調信号として使うことを示している。その発明の中にあるように、ランダムまたは疑似ランダムのステップ型の過変調波形の生成はジャイロの出力信号からのクロストークの修正を実質的になくす。ランダム・シーケンスは結果としてジャイロの出力信号からクロストークの影響をなくす。一方、所定の長さのランダムに生成されたシーケンスの繰返しを含んでいる疑似ランダムの波形は、実質的にジャイロの出力からクロストークの影響を消去するが、理論的には全面的に消去するわけではない。
【００４９】
＜IV．復調：直交シーケンス＞
本発明において、変調波形および変調波形の変化の速度は直交性を使うことによって復調シーケンスから相関が解除される。２つのシーケンスＡ_i、Ｂ_iはｎ個の時間間隔にわたるＡ_iＢ_iの和がゼロに等しい場合に、「ｎ」の期間にわたって直交していると言われる。そのようなシーケンスは決定論的である。ランダムまたは疑似ランダムのシーケンスと違って、直交的であるように設計されたシーケンスのペアは予測可能な数の期間内において確実にゼロの平均値を持つ。対照的にランダムな性質を持つシーケンスは予測不可能な長さの相関付けられたサブシーケンスを含む可能性がある。直交シーケンスのこの特徴によって、光コイルの有限個数の変調された通過のデータ表現を解析することができる。
【００５０】
位相変調の問題に対する応用に対してすべての波形が有用であるわけではなく、反対方向に伝播しているビームに人工的な位相差を印加する適切な波形を選定するために発明者は直交の復調シーケンスに部分的に基づいた一連の選択基準を導いた。
【００５１】
本発明においては、決定論的な過変調シーケンスの選択のための十分条件として直交性の基準が採用される。そのような基準を上記の図４（ａ）の代表的なステップ型の波形に関連付け、そしてそれが導かれた図３のマッピングを参照して、直交性に対する決定論的な過変調電圧の評価は次のようになる。一次復調シーケンスは波形の生成時に取られる図３のマッピングに関するセグメント間の遷移の方向（方向Ａは反時計回り、そして方向Ｂは時計回り）に従って＋１または−１の値を割り当てることによって、図４（ａ）の中に示されているタイプのステップ型の波形から導かれる。任意に、採用された決まりはセグメントから隣のセグメントへの反時計回りの遷移に対して＋１を割り当て、時計回りの遷移に対して−１を割り当てる。
【００５２】
以前に述べられたように、図４（ａ）の波形は先ず最初に「ゼロ」電圧セグメントから８個の反時計回りのステップを採取し、その次に別の８個の連続した時計回りの遷移を続けることによって図３のマッピングから生成される。前に説明したように、この決定論的な方式は本発明に従ってドライブ波形を生成するための２つの必要条件を満足する。前記から続く一次復調シーケンスは［＋１、＋１、＋１、＋１、＋１、＋１、＋１、＋１、−１、−１、−１、−１、−１、−１、−１、−１］である。二次復調シーケンスもやはり図３のマッピングから導くことができる図４（ａ）のステップ型の電圧波形から続く。また、そのような二次復調シーケンスも図３のマッピングから導かれる一連の＋１および−１の値を含んでいる。
【００５３】
二次の、すなわち、スケール・ファクタの復調シーケンスはステップ型の波形の生成時にＲとマークされている太いロールオーバ軸が横切られた各瞬間に対して＋１の値を割り当て、他のすべての回転の遷移に対して−１を割り当てることによって決定される。ふたたび図４（ａ）の代表的な決定論的波形に戻って、関連付けられた二次シーケンスは［−１、−１、＋１、−１、−１、＋１、−１、＋１、＋１、−１、＋１、−１、−１、＋１、−１、−１］である。関連付けられている一次および二次の復調シーケンスが直交しなければならないことを規定している、サナック干渉計に対する変調シーケンスを選択するための決定基準を評価することによって、先行している復調シーケンスを要素ごとのベースで乗算し、その後、結果の和を取らなければならない。乗算によって−１、−１、＋１、−１、−１、＋１、−１、＋１、−１、＋１、−１、＋１、＋１、−１、＋１、＋１が得られ、その和は０である。従って、図４（ａ）のステップ型の電圧波形は本発明に従って決定論的な過変調波形に対する必要条件を満足するだけではなく、関連付けられた一次および二次の復調シーケンスの、その直交性の十分条件をも満足する。
【００５４】
上記のようにして導かれた候補のステップ型の波形がジャイロの出力の品質に関連しているいくつかの基準に関して調べられる。実際に、位相シフトの数多くの候補シーケンスがコンピュータに入力される可能性がある。以前に述べたように、いくつかの規則（すなわち、十分条件）は結果のディジタル復調シーケンスには関連付けられず、一方、他の規則はそのようなシーケンスにだけ向いている。本発明による変調シーケンスの検査は両方のタイプの基準に関して、そして任意の順序で発生することができる。
【００５５】
先ず最初に復調を参照して、ステップ型の各波形が上記のように一次および二次の復調シーケンスに変換される。次に、その一次および二次の復調シーケンスのペアが要素ごとのベースで乗算されて直交性が決定される。直交の一次および二次の復調ペアを発生しない波形は無視される。次に生き残った波形がさらに以下に説明されるように解析されて不適切な方法が消去される。
【００５６】
選択の第２の規則として、ステップ型の波形の＋ａπ／２ｂ （ｂ≠１）と−（４ｂ−ａ）π／２ｂの値の合計個数は−ａπ／２ｂと＋（４ｂ−ａ）π／２ｂの値の合計個数に等しくなければならない。これは＋ａπ／２ｂにおけるジャイロ出力の干渉縞に対する接線の傾斜が−（４ｂ−ａ）π／２ｂにおける接線の傾斜と同じであり、一方、−ａπ／２ｂと＋（４ｂ−ａ）π／２ｂにおける接線の傾斜も等しいからである。ジャイロの干渉縞の微分値、すなわち、傾斜は速度誤差を示すので、一次、すなわち、速度の復調はその曲線の接線、すなわち、傾斜を調べる。復調された正の（または負の）および負の（または正の）傾斜における点の数の間の不等性によって強度信号におけるオフセットに対する感度が導かれ、誤った速度の指示値を生じる可能性がある。
【００５７】
最後の品質的選択基準は±（４ｂ−ａ）π／２ｂの電圧値に対する±ａπ／２ｂの電圧値の数の比が（４ｂ−ａ）／ａに等しくならなければならないことである。この条件または規則が満足されなかった場合、スケール・ファクタの誤差の関数として見かけの平均強度レベルのシフトが発生する。さらに、検出器またはプリアンプにおけるオフセットの存在によって、スケール・ファクタの誤差の測定値が変動することになる。
【００５８】
前に述べたように、候補のステップ型の波形の検査のための上記の基準の他に、いくつかの規則が暗黙の復調シーケンスに関連している。単独の軸および複数のジャイロ・システムの両方に適用されるそのような規則が以下に説明される。
【００５９】
１．一次復調は二次復調シーケンスに対して直交していなければならない。既に述べたこの規則は速度誤差およびスケール・ファクタの誤差が互いに衝突しないことを確保するために必要である。すなわち、スケール・ファクタの誤差の存在は速度の誤差を意味せず、その逆も成立する。
【００６０】
２．ステップ型の波形のディジタル表現および個々のビット、それぞれの積分値および微分値は一次および二次の復調シーケンスの両方に対して直交している必要がある。
【００６１】
３．電圧波形のディジタル表示の変化および個々のビットの変化、それぞれの積分値および差分値は一次および二次の復調シーケンスの両方に対して直交していなければならない。
【００６２】
４．単独検出器の構成の場合、どのジャイロの一次復調器も他の任意のジャイロの一次変調および他の任意のジャイロの二次変調に対して直交していなければならない。同様に、どのジャイロの二次復調も任意の他のジャイロの一次復調および二次復調に直交していなければならない。これは単独のジャイロのシステムに関して既に説明した数多くの条件に基づいて変調シーケンスの選択に関して説明された手順の拡張を表す。
【００６３】
５．単独検出器の構成の場合、電圧波形のディジタル表現および任意のジャイロの個々のビットおよびそれぞれの積分および微分は、任意の他のジャイロの一次および二次の復調に対して直交していなければならず、波形の変化のディジタル表現および任意のジャイロの個々のビットの変化は、任意の他のジャイロの一次復調および二次復調に直交していなければならない。
【００６４】
６．シーケンスの長さはループ・コントローラの十分なバンド幅を確保するために最小の長さ（３２ジャイロ通過サイクル以下が好ましい）の長さであることが望ましい。というのは、そのようなバンド幅はシーケンスの長さに逆比例するからである。
【００６５】
上記の規則のうち、第１の規則は単独軸のシステムに対して絶対的に必要であり、一方、第４の規則は単独の検出器を使っている複数軸のシステムに対して絶対的に必要である。さらに、規則１は複数の検出器を採用している複数軸のシステムに対して満足されなければならない。他の規則は、望ましい条件（クロストークによるバイアスを消去するような）を設定するが、それらは絶対に必要というものではない。
【００６６】
＜Ｖ．過変調を処理するためのジャイロの構成＞
図６はジャイロの位相変調器をドライブするためにステップ型の波形を利用するように構成されている３軸の光ファイバ・サナック干渉計のブロック図である。図６の構成は単独の光源４６および単独の検出器４８を利用するシステムにおける光コイル４０、４２および４４の出力を処理するのに適している。当業者であれば、図６の回路およびそれに関連したステップ型の過変調波形は本発明に従って容易に変更することができ、他の複数のジャイロ・システム（例えば、２または４軸）において対応する利点を提供することは容易に分かる。
【００６７】
図６に戻ると、レーザー・ダイオードの光源４６が、光源および光のプリアンプの両方として動作するように構成されている稀土類ドープのファイバ５２をポンプするために、波長分割のマルチプレックス・ファイバ・カプラー５０を経由してエネルギーを提供する。
【００６８】
広帯域のファイバ源５２によって放出される光が、図に示されているように、一次（５０／５０）カプラー５６および一対の二次（５０／５０）カプラー５８および６０を含んでいるスプリッタ‐コンバイナー（ｃｏｍｂｉｎｅｒ）ネットワーク５４に対して印加される。スプリッター‐コンバイナーのネットワーク５４は、入射光を４つの波に等しく分割するように働く。それらの４つの波のうちの３つは、３つの直交軸に関して回転速度を測定するために、３つの光コイル４０、４２および４４へ配送される。光エネルギーの第４の部分は広帯域のファイバ・ソースのプリアンプ５２の出力を安定化するための回路の一部を形成するモニター検出器６２へ配送される。そのような回路は新しくもなく、本発明の不可欠の特徴とも考えられないので、図６には詳細は示されていない。
【００６９】
複数機能の集積化された光チップ６４、６６および６８が光コイル４０、４２および４４にそれぞれ関連付けられている。そのようなチップの各々がＬｉＮｂＯ₃またはＬｉＴａＯ₃などの電子光アクティブ材料のサブストレートを含んでいて、ｙジャンクションの導波管がその上にデポジットまたは拡散されており、さらに偏波器を含んでいて、スプリッタ‐コンバイナーのネットワーク５４と光ファイバ・コイル４０、４２および４４との間の両方のインターフェースとして機能し、コイルおよび位相変調器の内部の反対方向に伝播している２つのビームの中に入力の光エネルギーを分離する（そして後で組み合わせる）ように働き、反対方向に伝播しているビームのペアの間に人工的な位相差を適用する。後者に関して、６４、６６および６８の各チップは、本発明に従って決定される過変調シーケンスを有効にするための位相変調機能を組み込んでいる。この機能はアナログ波形に対して応答する。そのような波形は以下に説明されるディジタル−アナログ変換器から受信される。
【００７０】
４０、４２および４４の各光コイルは上記のように他の２つのジャイロに対して印加された波形に関連して（しかし、それとは独立に）、部分的に選択される別の波形によって変調される。ディジタル−アナログ変換器７０、７２および７４は所望の光位相シフトを誘起するために、チップ６４、６６および６８へそれぞれアナログの電気信号を提供する。
【００７１】
ジャイロ４０、４２および４４の位相変調された光信号出力はスプリッタ／コンバイナーのネットワーク５４を通って帰ってきて、カプラー５８および５６において逐次組み合わせられる。その組み合わされた信号は次に波長分割マルチプレックス・ファイバ・カプラー５０を通って、光プリアンプとして入力の光信号に作用する広帯域ファイバ・ソース５２へ転送される。次にこの組み合わされた信号は共通の光検出器４８に印加され、その中でそれは光の強度に比例する電流または電圧に対応するように変換される。結果の電気信号は次にプリアンプ７６へ印加され、そして次にアナログ−ディジタル変換器７８へ印加され、３つのディジタル速度復調器８０、８２および８４に対して同時に送信される増幅されてディジタイズされた信号を作り出す。
【００７２】
ディジタル信号プロセッサ８６は８０、８２および８４の各速度復調器と通信し、ディジタル−アナログ変換器７０、７２および７４へ向けて送るための出力を提供し、ジャイロのコイル４０、４２および４４に関連付けられている変調器に対して変調波形を印加する。８０、８２および８４の各速度復調器は、同じ組み合わされた出力信号を受け入れながら、データ径路８８、９０および９２をそれぞれ通って信号プロセッサ８６からユニークな一次または速度復調シーケンスを受信する。さらに、信号プロセッサ８６はバス９４、９６および９８を通じて各軸に対する復調された速度を受信する。各速度復調器の出力は直交軸の１つに対する速度誤差信号である。その復調された速度信号は次に信号プロセッサ８６（または、並列の個々の信号プロセッサ）によって処理されてフィードバックのランプ信号を生成する。そのランプ信号はそのジャイロに対する復調器からの速度誤差信号をゼロにドライブするための特定のジャイロに対する変調シーケンスに対して追加される。
【００７３】
変換器４８によって提供されるディジタル信号は、位相変調器のスケール・ファクタ誤差の測定に関連付けられている二次復調器１００、１０２および１０４へも提供される。１００、１０２および１０４の各復調器はデータ径路１０６、１０８、１１０をそれぞれ通って信号プロセッサ５６からユニークな二次、すなわち、スケール・ファクタの復調シーケンスをも受信する。さらに、信号プロセッサ５６はバス１１２、１１４および１１６を通って各軸に対する復調されたスケール・ファクタ・データを受信する。各スケール・ファクタ復調器の出力は直交軸の１つに対するスケール・ファクタの誤差信号である。その復調されたスケール・ファクタ信号は次に信号プロセッサ８６によって（または、並列の個々の信号プロセッサによって）処理されて残りのスケール・ファクタの誤差に対する補正値を生成する。そのような補正は多くの異なる方法の１つによって行なうことができる。
【００７４】
例えば、変調およびリセット値以外に速度復調器８０、８２、および８４の出力を使って生成されたディジタルのランプ信号を、位相変調器の感度誤差または変動に対して補正するスケール・ファクタで乗算することができる。また、Ｄ／Ａ変換器７０、７２および７４に対するディジタル入力がその位相変調器の感度に比例したアナログ電圧を生成するように、Ｄ／Ａ変換器７０、７２、および７４の基準電圧を調整することができる。図６は速度およびスケール・ファクタの復調を別々のブロックとして示しているが、信号処理プロセッサ８６が十分なスループットを有している場合は、その信号プロセッサ８６の内部で直接にこれらの機能を組み込むことができる。
【００７５】
図７は信号プロセッサ８６の構成のブロック図表現である。信号プロセッサ８６は８０、８２および８４の３つの各速度復調器に対してユニークな基準信号を提供し、その返りにそれらの復調器の出力の速度誤差信号を受け取る。次に、その速度誤差信号が本発明に従って操作され、次のループ通過時間の間に変調器６４、６６および６８をドライブするためのフィードバックおよび変調信号が導かれる。
【００７６】
図７を参照しての図解および説明は、その信号プロセッサの動作の詳細が単独軸に関してのみ示されている限りにおいて或る程度単純化されている。しかし、前記の説明から、関与する同様な処理によって他の軸に対しても次の説明が適用可能であることは理解される。３つの軸に関連している信号の処理の間の唯一の実質的な違いは、各軸に対して「割り当てられた」変調（そして、従って、復調）シーケンスの間の違いから導かれる。前の説明から明らかなように、決定論的に導かれたステップ型の過変調波形に基づいて復調シーケンスを選択するためのプロセスは、関連の選択規則を適用するにあたって複数軸のシステムの場合にすべての軸を考慮に入れる。すなわち、復調シーケンス（そして、従って、対応している変調シーケンス）は図６に示されているような単独の検出器１８を利用している３軸のシステムに対して「グループとして」選定される。
【００７７】
図７を参照すると、各種の信号プロセッサの機能が点線で囲まれたセクション８６の内部に示されている。ディジタル−アナログ変換器７０の出力によって変調され、そしてその出力が速度復調器８４において復調されるジャイロの軸に注目して、そのような軸に対するユニークな一次復調シーケンスが、一次復調／変調ゼネレータ１１８（３つのゼネレータのうちの１つ）から受信されることが観測できる。そのようなシーケンスは決定論的、ランダムまたは疑似ランダムであり得る。上記のように、その一次復調／変調ゼネレータ１１８から受信されたシーケンスが、検出器４８において受信されたコンポジットの出力信号から対応している軸に対する速度誤差信号を抽出するために速度復調器８４に印加される。決定論的な過変調が採用されている場合、ゼネレータ１１８は＋１および−１の値のあらかじめプログラムされたシーケンスを記憶するためのレジスタを含んでいる。ランダムの過変調が採用されている場合、ゼネレータ１１８は＋１および−１のランダム・シーケンスを提供する乱数発生器を含んでいる。最後に、疑似ランダムの過変調の場合、ゼネレータ１１８は所定のビット長のレジスタと組み合わせられた乱数発生器を含んでいる。
【００７８】
速度誤差信号はランプ・ゼネレータ１２０に対して印加され、そのジャイロの位相ランプに対応するディジタル・シーケンスを作り出す。
【００７９】
ディジタル積分器１２２は先ず最初にディジタルの一次復調シーケンスをゼネレータ１１８から受信する。積分器１２２は図３に示されているようなマッピングに関して一次シーケンスによって記述されている遷移を実質的に「追跡」する。以前に説明されているように、その一次復調シーケンスによって表される遷移はディジタル復調シーケンスに対して加えられた人工的な位相シフトに関連している。変調はジャイロの位相変調器に対するドライブ信号を提供するために、ランプ・ゼネレータ１２０によって生成されたディジタル・ランプに対して追加される。しかし、利用できる限定されたドライブ電圧範囲を収容するために、その信号をロールオーバまたはリセットしてそれが２ｎπの範囲をカバーするようにする必要がある。
【００８０】
ディジタル・コンパレータであってもよいが、バイナリ・フォーマットのディジタル・データの適切なスケーリングから直接の結果として得られてもよいロールオーバ・センサ１２４が、図３のマッピングの中に示されているようなロールオーバ遷移を検出するために使われる。ロールオーバ遷移がセンスされると、調べられている軸の二次復調シーケンスが、その軸に対する二次復調シーケンスを作り出すために上記のように対応してセーブされる。バッファ１２６がその二次復調シーケンスを受け付ける。次に、その二次復調が、Ａ／Ｄ変換器７８によって提供されるＦＯＧ出力信号のディジタル表現で動作する二次復調器１０４に対して印加される。二次復調器１０４は実際の位相変調のスケール・ファクタ（または感度）をマッチさせるために、正しい値にそのディジタル出力をスケールする乗算器１２８の手段によってそのスケール・ファクタ誤差を求め、それに対して補正する。
【００８１】
乗算器１２８の出力はジャイロの位相変調器の感度に対して適切にスケールされて組み合わせられた変調およびランプ信号のディジタル表現を含んでいる。次に、乗算器１２８の出力は電子光変調器６４をドライブするために選択された軸のディジタル−アナログ変換器７０に対して印加される。
【００８２】
光ファイバ・ジャイロの位相変調器をドライブするためのステップ型の波形の選択に関して本発明の内容を採用することによって、より低いランダム・ウォーク、実質的なバイアスなしの過変調の意味での利点を利用することができる。そのようなクロストークの効果は本発明に従って決定論的な、あるいはランダムな変調方式が採用される場合に消去され、一方、それらは意味のある期間の疑似ランダム過変調が採用された場合には無視できる程度になる。
【００８３】
図８は最小のランダム・ウォーク性能を得るための本発明による単独軸のサナック光ファイバ干渉計の略図である。ファイバ・コイル１３０が図６に関して要素６４、６６、および６８として以前に示されていたタイプの集積型の光チップ１３２に付加されている。ｙジャンクション１４２が集積された光チップ１４２に実装され、入ってくる光を時計回りおよび反時計回りの方向の伝播に分離している。ｙジャンクション１４２における再組合せの後、出力ビームは検出器１３８へ導かれる。（ｙジャンクション１４２のベースがカプラー１３４に対して付加され、その１つの分岐は光源１３６に接続され、そして他の分岐は検出器１３８に接続されている。
【００８４】
従って、光源１３６から発せられた光（半導体または光ファイバのソースであってよい）はカプラー１３４およびｙジャンクション１４２を経由してファイバ・コイル１３０に入り、一方、コイル１３０から出てくる光はｙジャンクション１４２によって組み合わせられてカプラー１３４を通って検出器１３８へ回送される。） 検出器１３８はその光出力を電気信号に変換し、次にその信号は導体１４０に沿って、図６の要素７６および７８として示されているような増幅器およびＡ／Ｄ変換器に対して印加される。ジャイロの変調および制御は図６の要素７０として示されているようなＤ／Ａの変換器の手段によって生成されるジャイロのドライブ信号と一緒に図６の中に示されているような構成の単独チャネルを通して実行される。そのドライブ信号は集積された光チップ１３２の位相変調器を制御する。従って、単独の速度変調器および二次変調器がジャイロの軸あたりに使われていることを除いて、図６および図７の内容は図８の単独軸の干渉計に対して適用される。
【００８５】
本発明はその現在好適な実施形態に関して説明されてきたが、それに限定されるわけではない。むしろ、本発明は特許請求の範囲の請求項の集合によって規定される範囲においてのみ制限され、それに等価なもののすべてをその範囲に含んでいる。
【図面の簡単な説明】
【図１】過変調の領域を持つ従来の矩形波変調を図示して対比するための、光ファイバ・ジャイロスコープの出力の位相シフトの関数としての光強度（または、パワー）のグラフである。
【図２】光ファイバ・ジャイロの出力のランダム・ノイズ成分と光源のピーク・パワーとの間の関係を示しているグラフである。
【図３】本発明に従ってサナック干渉計の位相変調をドライブするための波形を生成するためのマッピングである。
【図４（ａ）】干渉計の位相変調器をドライブする信号および、人工の光位相シフトの結果のシーケンスを示している波形である。それぞれジャイロのセンサ・コイルの内部を反対方向に伝播している光ビームに印加される波形である。
【図４（ｂ）】干渉計の位相変調器をドライブする信号および、人工の光位相シフトの結果のシーケンスを示している波形である。それぞれジャイロのセンサ・コイルの内部を反対方向に伝播している光ビームに印加される波形である。
【図５】本発明に従って生成される人工的な位相シフトのシーケンスにおける暗黙のスケール・ファクタの誤差の補正を示すための、位相シフトの関数としての光ファイバ・ジャイロスコープの出力の強度またはパワーのグラフである。
【図６】直交復調シーケンスに基づいている変調を利用するために構成された３軸光ファイバ・サナック干渉計のブロック図である。
【図７】本発明の変調プロセスの実装を示すための機能ブロック図である。
【図８】最小のランダム・ウォーク基準に対する本発明による単独軸光ファイバ信号干渉計の単純化された回路図である。

Claims (31)

1. サナック干渉計によって回転速度を測定するための方法であって、前記干渉計が、光源と、該光源の出力から一対の光ビームを生成して該ビームをセンサ・コイルの反対の端に導いてその中を反対方向に伝播させ、前記ビームを前記コイルの通過後、再び組み合わせて出力信号を提供するためのカプラー、前記の反対方向に伝播しているビームに一連の人工的な光位相シフトを印加するための変調器、前記出力信号から回転速度の情報を抽出するための復調器を含むタイプの干渉計であり、
   ａ）人工的な位相シフトのシーケンスを前記の反対方向に伝播している光ビームに印加し、前記の各位相シフトの持続時間がセンサ・コイルの通過時間に等しいようにするための前記変調器をドライブするステップ、
   ｂ）±ａπ／２ｂおよび±（４ｂ−ａ）π／２ｂの値から前記人工のシフト値を選択し、ａが奇数の整数であり、ｂが１より大きい整数であり、ａとｂは等しくないように選択するステップを含む方法。
2. シーケンスを選択するステップが、前記の値のモジュロ２πのマッピングを導くステップをさらに含んでいることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記のモジュロ２πのマッピングを導くステップが、
   ａ）各セグメントが前記位相変調器をドライブするためのステップ型の波形の１つの値に関連付けられていて、Ｓが、
   Ｓ×θ＝２πＮ （但し、θは｜ａπ／２ｂ｜であり、Ｎは整数である）
   に従う自然数である場合に、前記マッピングをＳ個のセグメントに分割するステップ、
   ｂ）（ｉ）第１の角度方向における隣接セグメント間の各遷移がａπ／２ｂまたは−（４ｂ−ａ）π／２ｂのステップに等しく、反対の角度方向の隣接マッピング・セグメント間の各遷移が−ａπ／２ｂまたは（４ｂ−ａ）π／２ｂのステップに等しく、そして（ｉｉ）各値が２π以下であるように、前記の値を前記セグメントに割当てるステップ、
   ｃ）ロールオーバ軸によって前記第１の角度方向において値が減少する隣接セグメント間の各境界をマークするステップをさらに含んでいることを特徴とする、請求項２に記載の方法。
4. ａ）前記マッピングのすべてのセグメントを第１の方向に旋回させ、
   ｂ）前記マッピングのすべてのセグメントを反対の方向に旋回させることによって、前記変調器をドライブするための前記値を選択するステップをさらに含んでいることを特徴とする、請求項３に記載の方法。
5. 疑似ランダム・シーケンスに従って前記マッピングを旋回させることによって前記ステップ型の波形を導くステップをさらに含んでいる、請求項４に記載の方法。
6. ランダムに生成されたシーケンスに従って前記マッピングを旋回させることによって前記ステップ型の波形を導くステップをさらに含んでいることを特徴とする、請求項４に記載の方法。
7. 決定論的なシーケンスに従って前記マッピングを旋回させることによって、前記ステップ型の波形を導くステップを含んでいる、請求項４に記載の方法。
8. ａ）第１のステップ型の波形に対応する一次および二次の復調シーケンスを生成するステップ、次に、
   ｂ）次に、所定の基準に従って前記の一次復調シーケンスと二次復調シーケンスを比較するステップ、次に、
   ｃ）前記基準が満足されるように復調シーケンスが生成されるまで、少なくとも１回以上のステップ型の波形についてステップａおよびｂを繰り返すステップ、
   ｄ）前記基準を満足する復調シーケンスに対応している前記ステップ型の波形を選択するステップをさらに含んでいる、請求項７に記載の方法。
9. 選定されたシーケンスに対応している一次および二次復調シーケンスを生成するステップが、前記マッピングの所定の遷移に対して＋１または−１を割り当てるステップをさらに含んでいることを特徴とする、請求項８に記載の方法。
10. 前記一次復調シーケンスを導くステップが、
    ａ）前記マッピングの反時計回りの各遷移に対して＋１を割り当てるステップ、
    ｂ）前記マッピングの時計回りの各遷移に対して−１を割り当てるステップをさらに含んでいることを特徴とする、請求項９に記載の方法。
11. 前記二次復調シーケンスを導くステップが、
    ａ）遷移が前記マッピングのロールオーバ軸を横切るたびに＋１の値を割り当てるステップ、
    ｂ）遷移がロールオーバ軸以外の軸を横切るたびに−１の値を割り当てるステップをさらに含んでいることを特徴とする、請求項１０に記載の方法。
12. 前記一次および二次復調シーケンスを比較するステップが、
    ａ）前記一次および二次シーケンスを要素ごとのベースで乗算するステップ、次に、
    ｂ）次に、前記乗算の積の和を取るステップを含んでいることを特徴とする、請求項１１に記載の方法。
13. 選択のステップが、前記乗算の積の和が０に等しいシーケンスを選択するステップをさらに含んでいることを特徴とする、請求項１２に記載の方法。
14. ａ）前記の各位相シフトを要素ごとのベースで前記一次復調シーケンスによって乗算するステップ、
    ｂ）前記乗算の積の和を取るステップ、
    ｃ）前記乗算の積の和が０であるシーケンスを選択するステップをさらに含んでいる、請求項１３に記載の方法。
15. ａ）前記各位相シフトを前記二次復調シーケンスによって要素ごとのベースで乗算するステップ、次に、
    ｂ）前記乗算の積の和を取るステップ、次に、
    ｃ）前記乗算の積の和が０であるシーケンスを選択するステップをさらに含んでいる、請求項１４に記載の方法。
16. ａ）前記シーケンスの連続している位相シフトの間の遷移の値を計算するステップ、次に、
    ｂ）前記各遷移を前記一次復調シーケンスによって要素ごとのベースで乗算するステップ、次に、
    ｃ）前記乗算の積の和を取るステップ、次に、
    ｄ）前記乗算の積の和がゼロであるシーケンスを選択するステップをさらに含んでいる、請求項１３に記載の方法。
17. サナック干渉計の位相変調器をドライブするための波形を生成するための方法であって、
    ａ）（ｉ）前記モジュロ２πのマッピングをＳ個のセグメントに分割し、ＳがＳ×θ２πＮ（但し、θは｜ａπ／２ｂ｜であり、Ｎは整数である）に従う自然数であり、そして（ｉｉ）第１の角度方向における隣接のマッピング・セグメント間の各遷移がａπ／２ｂまたは−（４ｂ−ａ）π／２ｂであって、その反対の角度方向における隣接マッピング・セグメント間の各遷移が−ａπ／２ｂまたは（４ｂ−ａ）π／２ｂであるように前記各セグメントに対して前記変調をドライブするための値を割り当てることによる値のモジュロ２πのマッピングを導く（ａが奇数の整数であり、ｂが１より大きい整数であり、ａとｂは等しくない）ステップ、次に、
    ｂ）第１の方向におけるすべての前記セグメントにわたって、そしてその反対の方向におけるすべての前記セグメントにわたって所定のシーケンスに従って前記マッピングを旋回させてステップ型の波形を生成するステップ、次に、
    ｃ）前記ステップ型の波形に対応する一次および二次復調シーケンスを生成するステップ、次に、
    ｄ）所定の基準に従って前記一次復調シーケンスと二次復調シーケンスを比較するステップ、次に、
    ｅ）前記基準が満足されるように一次及び二次復調シーケンスが生成されるまでステップｂを繰り返すステップ、次に、
    ｆ）前記基準を満足する前記一次及び二次復調シーケンスに対応する前記ステップ型の波形を選択するステップを含む方法。
18. 前記基準が一次および二次復調シーケンスの相互の直交性であることを特徴とする、請求項１７に記載の方法。
19. 一対の光ビームが光ファイバのコイルの内部を反対方向に伝播し、各ループの通過時間の間にそれらの間に課される一連の人工的な位相シフトの手段によって変調されるタイプの、回転速度を測定するための方法において、前記位相シフトを±ａπ／２ｂおよび±（４ｂ−ａ）π／２ｂ（但し、ａは奇数の整数であり、ｂは１より大きい整数であり、ａとｂは等しくない）から選択するステップを含んでいる方法。
20. 前記位相シフトを選択するステップが、前記変調器を駆動するための値のモジュロ２πのマッピングを導くステップをさらに含んでいることを特徴とする、請求項１９に記載の方法。
21. モジュロ２πラジアンのマッピングを導く前記ステップが、
    ａ）Ｓが、
    Ｓ×θ＝２πＮ （但し、θは｜ａπ／２ｂ｜であり、Ｎは整数である）
    に従う自然数であり、前記モジュロ２πのマッピングをＳ個のセグメントに分割するステップ、
    ｂ）第１の角度方向における隣接マッピング・セグメント間の各遷移がａπ／２ｂまたは−（４ｂ−ａ）π／２ｂに対応し、そしてその反対の角度方向における隣接マッピング・セグメント間の各遷移が−ａπ／２ｂまたは（４ｂ−ａ）π／２ｂの位相シフトに対応するように、前記の各セグメントに対して前記変調器をドライブするための値を割り当てるステップをさらに含んでいることを特徴とする、請求項２０に記載の方法。
22. 前記変調器をドライブするための前記値を選択するステップが、
    ａ）第１の角度方向において前記セグメントのすべてにわたって前記マッピングを旋回させるステップ、
    ｂ）その反対の角度方向において前記セグメントのすべてにわたって前記マッピングを旋回させるステップをさらに含んでいる、請求項２１に記載の方法。
23. 前記マッピングを疑似ランダム・シーケンスに従って旋回させることによって前記ステップ型の波形を導くステップをさらに含んでいる、請求項２２に記載の方法。
24. 前記マッピングをランダムに生成されたシーケンスに従って旋回させることによって前記ステップ型の波形を導くステップをさらに含んでいる、請求項２２に記載の方法。
25. 前記マッピングを決定論的なシーケンスに従って旋回させることによって、前記ステップ型の波形を導くステップを含んでいる、請求項２２に記載の方法。
26. ａ）前記マッピングの前記旋回に対応する一次および二次復調シーケンスを生成するステップ、次に、
    ｂ）所定の基準に従って前記一次復調シーケンスと二次復調シーケンスを比較するステップ、次に、
    ｃ）前記基準が満足されるように前記一次および二次復調シーケンスが生成されるまで、さらに少なくとももう１つのステップ型の波形についてａおよびｂのステップを繰り返すステップ、次に、
    ｄ）前記基準を満足する一次および二次復調シーケンスに対応する前記ステップ型の波形を選択するステップをさらに含んでいる、請求項２５に記載の方法。
27. 少なくとも１つの軸の回りの回転速度を測定するためのサナック干渉計において、その干渉計は前記センサ・コイルの通過時間に等しい持続時間の光位相シフトのシーケンスを少なくとも１つのセンサ・コイルの中を反対方向に伝播している一対の光ビームに対して印加するための位相変調器、前記少なくとも１つのビーム・ペアを組み合わせ、復調し、少なくとも１つの軸の回りの回転速度を求める手段とを含んでいるタイプの干渉計であり、±ａπ／２ｂおよび±（４ｂ−ａ）π／２ｂ（但し、ａは奇数の整数であり、ｂは１より大きい整数であり、ａとｂは等しくない）の人工的な位相シフトのシーケンスを課するためのステップ型の波形を導くために、前記位相変調器に対してビット・シーケンスを提供するためのゼネレータを含むサナック干渉計。
28. 前記ゼネレータが乱数発生器をさらに含んでいることを特徴とする、請求項２７に記載のサナック干渉計。
29. 光ファイバ・ジャイロスコープの位相変調器をドライブするためのステップ型の波形を生成するためのモジュロ２πのマッピングであって、該光ファイバ・ジャイロスコープの位相変調器は、±ａπ／２ｂおよび±（４ｂ−ａ）／２ｂ（但し、ａは奇数の整数であり、ｂは１より大きい整数であり、ａはｂに等しくない）の人工的な位相シフトがジャイロのセンサ・コイルの内部を反対方向に伝播しているビームに印加され、該マッピングが、組合せにおいて、
    ａ）前記マッピングが閉じた円からなり、
    ｂ）前記円がＳ個のセグメントに分割されていて、前記各セグメントが前記ステップ型の波形の１つの値に関連付けられていて、
    ｃ）Ｓが、
    Ｓ×θ＝２πＮ （但し、θは｜ａπ／２ｂ｜であり、Ｎは整数である）
    に従う自然数であり、
    ｄ）前記セグメントの前記値は第１の角度方向における隣接セグメント間の各遷移がａπ／２ｂまたは−（４ｂ−ａ）π／２ｂのステップに等しく、その反対の角度方向における隣接セグメント間の各遷移が−ａπ／２ｂまたは（４ｂ−ａ）π／２ｂのステップに等しいようなマッピング。
30. 前記値のいずれもが２πを超えないことをさらに特徴とする、請求項２９に記載のモジュロ２πのマッピング。
31. 前記第１の角度方向において値が減少する隣接セグメント間の境界をマークするロールオーバ軸をさらに含んでいる、請求項３０に記載のモジュロ２πのマッピング。

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