JP4052676B2 - 干渉光ファイバ・ジャイロスコープ用後方散乱誤差低減装置 - Google Patents
干渉光ファイバ・ジャイロスコープ用後方散乱誤差低減装置 Download PDFInfo
- Publication number
- JP4052676B2 JP4052676B2 JP52366198A JP52366198A JP4052676B2 JP 4052676 B2 JP4052676 B2 JP 4052676B2 JP 52366198 A JP52366198 A JP 52366198A JP 52366198 A JP52366198 A JP 52366198A JP 4052676 B2 JP4052676 B2 JP 4052676B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- error
- modulation
- frequency
- loop
- fiber optic
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
- G01C19/00—Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
- G01C19/58—Turn-sensitive devices without moving masses
- G01C19/64—Gyrometers using the Sagnac effect, i.e. rotation-induced shifts between counter-rotating electromagnetic beams
- G01C19/72—Gyrometers using the Sagnac effect, i.e. rotation-induced shifts between counter-rotating electromagnetic beams with counter-rotating light beams in a passive ring, e.g. fibre laser gyrometers
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Radar, Positioning & Navigation (AREA)
- Remote Sensing (AREA)
- Gyroscopes (AREA)
- Organic Low-Molecular-Weight Compounds And Preparation Thereof (AREA)
Description
本発明は、干渉光ファイバ・ジャイロスコープ(IFOG)に関し、詳細には、光ファイバ検知ループ内と、光線スプリッタおよびコンバイナ、ならびに少なくとも1つの位相変調器を組み込んだ集積光学回路(IOC)内に後方散乱誤差源を有するIFOGに関する。さらに詳細には、本発明は、ある種類の後方散乱誤差の低減に関する。
2種類の後方散乱誤差メカニズムは、一次波と後方散乱波との間の干渉と、光電検出器のジャイロスコープ出力での2つの逆伝播後方散乱波または二次波の間の干渉である。文献では、前者は基本的なIFOG後方散乱誤差メカニズムとみなされており、したがって、ある程度詳しく研究されている。しかし、一般に使用されている多くの装置では(すなわち、短干渉光源、適切な周波数でのバイアス変調、50/50に近い分割比を有するループ・カプラ、良好な直角除波を有する復調器)、この誤差はすべての種類のIFOGについて無視できるものとみなされている。後者の後方散乱メカニズムは、高精度のIFOGでは重要な問題であるが二次効果とみなされており、したがって現在まで厳密には対処されていない。
発明の概要
本発明は、干渉光ファイバ・ジャイロスコープの二次後方散乱誤差問題の解決策である。
この解決策は、少なくとも2つの位相変調信号を受信する少なくとも1つの位相変調器を有する干渉光ファイバ・ジャイロスコープ用の後方散乱誤差低減装置である。一方の信号はバイアス位相変調であり、他方は搬送波抑圧位相変調である。バイアス変調信号は通常の動作に使用される。搬送波位相変調信号は、変調器が2組の二次波の間に少なくとも1ラジアンの位相差を生成し、ジャイロスコープのサニャック・ループで生じる2組の後方散乱光波または二次光波の間の干渉を低減するような振幅を有する。
【図面の簡単な説明】
第1図は、基本干渉ジャイロスコープおよびレイリー後方散乱波経路を示す図である。
第2図は、後方散乱が生じるサニャックリレープ内の位置に対する、ジャイロスコープ回転速度表示の正味誤差に後方散乱がどの程度寄与するかを示すグラフである。
第3図は、回転速度誤差がベッスル関数の絶対値に依存する場合に、ジャイロスコープ内の光線の少なくとも2つの位相変調の振幅差に対するベッセル関数のグラフを示す。
第4図は、搬送波抑圧変調を加えない状況、1つの搬送波抑圧変調周波数が固有周波数の8倍である状況、2つの搬送波抑圧変調がそれぞれ、固有周波数の8倍および10倍の周波数を有する状況での後方散乱誤差のプロットである。
第5図は、後方散乱誤差低減と抑圧変調深度との関係を示すプロットである。
第6図は、相対矩像と、抑圧変調がない場合の位置および2つの抑圧変調がある場合の位置および2つの抑圧変調がある場合の位置との関係を示すプロットである。
第7図は、固有周波数の偶数倍数よりもそれぞれ10Hz低い周波数での搬送波抑圧を使用したジャイロスコープの不要正弦速度信号のプロットである。
第8図は、集積光学回路内のレイリー後方散乱波経路を示す図である。
第9図は、集積光学回路のウェーブガイド内の後方散乱のための正味誤差信号をプロットした図である。
第10図は、搬送波抑圧変調器を有する集積光学回路を示す図である。
第11図は、抑圧変調器に沿ったすべての点で搬送波抑圧を同時に行うことはできないことを示すプロットである。
第12図は、搬送波抑圧変調振幅の関数としての相対後方散乱のプロットである。
第13図は、集積回路と、方形波バイアス変調を使用する変調器との構成を示す図である。
第14a図、第14b図、第14c図は、搬送波抑圧位相変調信号とバイアス位相変調信号との相互作用を示す図である。
第15図は、回転中の開ループ・ジャイロスコープ内の後方散乱の搬送波抑圧のための位相変調によって生成された正弦波光信号を示す図である。
第16図は、回転誤差と、搬送波抑圧位相変調とバイアス位相変調の周波数差との関係を示すプロットである。
第17図は、回転速度誤差および角度ランダム・ウォークと、それぞれ、搬送波抑圧位相変調の周波数差およびバイアス位相変調の周波数差との関係を示すプロットである。
好ましい実施形態の説明
二次後方散乱誤差メカニズム(レイリー後方散乱)を第1図に示す。ループ・ファイバ12の屈折率の変動のために、ループ・ファイバ12内を伝播する一次波
は、互いに逆の方向に後方散乱波を生成する、後法散乱波
は、光源14の可干渉距離Lcに等しい長さを有し、指標pを付したファイバ・ループ12内の位置にある一対のファイバ部分16および18から生じるものと仮定される。
一対の散乱部16および18は、集積光学回路(IOC)21のy−接合部20から等しい距離を有するので、後方散乱波はIOC21の入出力でコヒーレントに干渉する。一次波および干渉後方散乱波の、カプラ13を介した光電検出器11までの物理経路は、マイケルスン干渉計に類似しており、したがって、結果として得られる誤差をマイケルスン誤差と呼ぶ。
y−接合入出力での散乱フィールド
は次式で表される。
上式で、αは散乱部16または18の入出力からの集中光学損失であり、ωは光源14の角周波数であり、φmは、1つの一次波に加えられる生成装置23からのバイアス位相変調の振幅であり、ωmはバイアス変調周波数であり、τpは散乱部16および18からy−接合20までの走行時間である。散乱フィールドの振幅Ebsは、経時的に一定であり、部分16および18の振幅と同様にすべての散乱部について同じである。散乱フィールドの位相Ψ1,n(t)およびΨ2,p(t)は、(ファイバの伝播定数が変化するために)経過時間と共にランダムに変動するものと仮定され、各散乱部ごとに異なる可能性がある。
y−接合20と散乱部pとの間の物理的距離の範囲内に適合するp個の可干渉距離(Lc)がある。走行時間τpは次式で表すことができる。
上式でnはファイバの屈折率であり、cは光の速度である。残りの数式を簡略化するために、位相差ΔΨp(t)を次式のように定義し、
ΔΨp(t)=Ψ1,p(t)−Ψ2,p(t) (4)
後方散乱強度Ibsを次式のように定義する。
干渉散乱波の強度Ibs,p(t)は次式で表される。
Ibs,p(t)=2αIbs{1+cos[2φmcos(ωmτp)sin(ωmt-ωmτp)+ΔΨp(t)]} (6)
数式6の余弦関数は次式のように書くことができる。
cos[2φmcos(ωmτp)sin(ωmt-ωmτp)+ΔΨp(t)]=
cos[ΔΨp(t)]cos[2φmcos(ωmτp)sin(ωmt-ωmτp)]
-sin[ΔΨp(t)]sin[2φmcos(ωmτp)sin(ωmt-ωmτp)] (7)
数式7の各項をベッセル関数の級数として展開し、数式6を使用すると、数式7の第2の項が、バイアス変調に同期し周波数ωmを有する同相誤差信号および直角誤差信号を表すことがわかる。同相誤差信号の振幅は次式で表され、
Ibs,sig,p(t)=-4αIbssin[ΔΨp(t)]J1[2φmcos(ωmτp)]cos(ωmτp) (8)
直角誤差信号の振幅は次式で表される。
Ibs,quad,p(t)=4αIbs,rmssin[ΔΨp(t)]J1
[2φmcos(ωmτp)]sin(ωmτp) (9)
数式8は一対の散乱部16および18のみからの光散乱による誤差信号を表す。すべての散乱部対による正味誤差Ierr,sigを求めるために、すべてのpについてIbs,sig,p(t)のピーク振幅の2乗和の平方根を求める。ピーク振幅(<Ibs,sig,p>で示す)は次式で表され、
<Ibs,sig,p>=4αJ1[2φmcos(ωmτp)]cos(ωmτp) (10)
正味同相強度誤差は次式で表される。
上式でNは長さLのファイバ・ループ12内に入る散乱部対の数である。
数式8、10、12を使用して、数式11を次式のように書き直すことができる。
Ibs,sig,p(t)を1/fパワー・スペクトル密度を有するものとして特徴付けることができる場合、正味誤差信号は、積分時間の関数ではなく、したがって、結果として得られる回転速度はバイアス不安定誤差である。当技術分野には、干渉レイリー後方散乱波の瞬時強度が、ある種の光学系では1/fパワー・スペクトル密度を有することを示すデータがある。これは、IFOG内のレイリー後方散乱がまったく同じ統計的性質を有することを意味するものではない。検知コイル12の熱・振動環境など、後方散乱誤差のパワー・スペクトル密度に影響を及ぼす可能性のある多数の要因がある。この分析を簡略化するために、後方散乱誤差が1/fパワー・スペクトル密度を有する場合のみを考える。
固有周波数で動作することによって、バイアス変調周波数を次式のように書くことができる。
関数Winphase,pは、数式13中の加算の引数として定義される。
上式では、数式14がバイアス変調周波数に代入されている。この関数は、特定の散乱部対が正味誤差Ierr,sigにどの程度寄与するかを決定する。第2図に示したこの関数のプロット24は、IOC21の近くで生じた後方散乱の正味誤差に対する寄与度の方が、ファイバ・ループ12の中心から生じた後方散乱の正味誤差に対する寄与度よりも高いことを示す。この誤差モデルは、pの関数としてのWinphase,pを減少させるファイバ内の分散光損失に関連する重み付け効果を含まない。このような効果が含まれる場合、第2図の曲線24はファイバ・ループ12に対して対称的になり、曲線24の右側の下方の領域は、曲線24の左側の下方の領域よりも小さくなる。第2図には、線形関数25のプロットも示されている。線形曲線25の下方の領域は、Winphase,pの下方の領域を近似する。数式13中の加算の値は第2図中の「実際の」曲線24の下方の領域に比例する。Winphase,pと2φm=1.8の場合のpとの関係を示すプロットは、集積光学チップ21の近くで生じた後方散乱の正味誤差Ierr,sigに対する寄与度の方が、ファイバ・ループ12の中心から生じた後方散乱の正味誤差Ierr,sigに対する寄与度よりも高いことを示す。「近似」曲線25は「実際の」曲線24の下方の領域を約10%過大に推定し、これはこの誤差分析に必要とされる推定値よりもずっと高い。数式13中の加算の線形近似は次式で表される。
数式17中の加算を次式のように書き直すことができ、
したがって、数式13中の加算を次式のように書き直すことができる。
数式11、13、15、19から、正味誤差信号はほぼ、次式で表される。
回転速度誤差を求めるには、等価信号を与える回転はどのくらいかを求める必要がある。IOC21入出力から生じる一次波の電界は次式で表される。
上式でφRは回転による位相遅延である。固有周波数を使用することによって、バイアス変調周波数は次式のように書くことができる。
上式で、τはファイバ・ループ12内の走行時間である。IOC21入出力での主波の干渉による強度は次式で表される。
3角恒等式を使用し数式24をベッセル関数の級数として拡張することによって、バイアス変調周波数で生成される回転速度信号Isigは次式で表される。
回転Ωによる位相遅延は次式で表される。
上式で、Dは検知コイルの直径であり、λは光源の波長である。長さLcのファイバ部分からの後方散乱強度は次式で表される。
Ibs=ηfiberαI0Lc (27)
上式で、ηfiberは単位長さ当たりの捕捉された部分レイリー後方散乱であり、積αI0はファイバ・ループ12内の一次波の強度である。後方散乱誤差信号による回転誤差を求めるには、後方散乱誤差信号に相当する信号を生成する回転を求める。
Isig=Ierr,sig (28)
数式20、25、26、27および28を組み合わせると、レイリー後方散乱による回転速度誤差Ωerrが次式のように求められる。
数式29は、ファイバ長が長くなればなるほどΩerr,fiberが減少し、可干渉距離が短くなればなるほどソースすることを示す。光源波長0.83μmで動作する典型的なナビゲーション・グレードのIFOGの場合、回転速度誤差は次式で表される。
光源波長1.55μmで動作する高性能IFOGの場合、回転速度誤差は次式で表される。
数式30および数式31は、ループ・ファイバ12からのレイリー後方散乱による回転速度誤差が、光源波長0.83μmで動作するナビゲーション・グレードのIFOGの方が顕著であることを示す。この1つの理由は、この波長でのレイリー後方散乱がより長い波長での後方散乱よりもずっと高いことである。
本発明は、IFOG内の後方散乱誤差を抑圧するために搬送波抑圧変調を組み込んでいる。後方散乱を生成する2つの光波のうちの一方に正弦位相変調を加えることによって、後方散乱波同士の間の干渉が「スクランブル」される。位相変調の振幅は、光波の搬送波(光源で生じる光学エネルギー、またはベースバンド、周波数)が抑圧されるように調整される。したがって、2つの後方散乱波の間の干渉は、搬送波抑圧変調周波数の整数倍数での周波数成分を有し、ベースバンド周波数で干渉が生じることはない。最終的な結果として、後方散乱誤差は、ベースバンドから搬送波抑圧変調周波数の整数倍数へ周波数シフトされ、経時的に平均するとゼロになる。
搬送波抑圧がIFOGに対してどのように作用するかを理解するために、第1図に示した変調器35または別の位相変調器26に加えられる、振幅φsと角周波数ωsを有する正弦位相変調を考える。IOC21入出力での散乱波の電界は次式で表される。
散乱波による強度Ibs,p(t)は次式で表される。
Ibs,p(t)=2αIbs{1+cos[ΔΨ(t)]cos[2φmcos(ωmτp)sin(ωmt-ωmτp)]
cos[2φscos(ωsτp)sin(ωst-ωsτp)]
+cos[ΔΨ(t)]sin[2φmcos(ωmτp)sin(ωmt-ωmτp)]
sin[2φscos(ωsτp)sin(ωst-ωsτp)]
-sin[ΔΨ(t)]cos[2φmcos(ωmτp)sin(ωmt-ωmτp)]
sin[2φscos(ωsτp)sin(ωst-ωsτp)]
+sin[ΔΨ(t)]sin[2φmcos(ωmτp)sin(ωmt-ωmτp)]
cos[2φscos(ωsτp)sin(ωst-ωsτp)]} (34)
数式34をベッセル関数の級数として表すことによって、バイアス変調と同期する信号を有するのは第4の項だけであることがわかる。数式34から、同相誤差信号は次式で表されることがわかり、
Ibs,sig,p=−4αIbssin[ΔΨ(t)]J0[2φscos(ωsτp)]
J1[2φmcos(ωmτp)]cos(ωmτp) (35)
直角誤差信号は次式で表される。
Ibs,quad,p=4αIbssin[ΔΨ(t)]J0[2φscos(ωsτp)]
J1[2φmcos(ωmτp)]sin(ωmτp) (36)
バイアス変調だけでなく搬送波抑圧位相変調を加えることによって、抑圧変調の周波数で生じる不要速度信号が生成される。不要速度信号の振幅を減少させるには、搬送波抑圧変調の周波数を固有周波数と比べて非常に低い値に設定するか、あるいは固有周波数の2倍の整数倍数に近い値に設定することができる。搬送波抑圧変調が固有周波数よりもずっと低い周波数で行われる場合を考えた場合、次式が成立する。
ωs<<ωm (37)
この場合、次式が成立するので走行時間τpの効果は除去される。
全てのpに対してcos(ωsτp)≒1 (38)
低周波数搬送波抑圧に対応する回転速度誤差は次式で表される。
数式39は、Ωerr,fiberがベッセル関数J0(2φs)の絶対値に依存することを示す。ベッセル関数J0(2φs)と2φsの関係を示すプロット27を第3図に示す。プロット27は、約2.4ラジアンの適切な振幅を有する比較的低周波数の搬送波抑圧変調を使用することによって後方散乱による回転速度誤差を著しく低減できることを示す。
搬送波抑圧周波数が固有周波数の偶数整数倍数に近い値である場合、数式35の加算を簡略化するのは非常に困難であり、したがって、このような場合の誤差低減を数値的に求める。第4図のプロットは、関数Winphase,pの数値計算と3つの場合、すなわち、搬送波抑圧変調を使用しないプロット28、固有周波数の8倍での1つの搬送波抑圧変調を使用するプロット29、固有周波数の8倍および10倍での2つの搬送波抑圧変調を使用するプロット30との関係を示す。バイアス変調振幅2φmを1.8ラジアンであるものと仮定し、抑圧変調振幅2φsを2.4ラジアンであるものと仮定した。曲線28、29、30の下方の領域は後方散乱誤差に比例する。曲線29および30の下方の領域を、搬送波抑圧を加えない場合に対応する領域に正規化することによって、相対誤差低減の程度を求める。振幅が2.4ラジアンである1つまたは2つの搬送波抑圧変調を使用すると、後方散乱誤差がそれぞれ、約係数3または8だけ低減する。
誤差低減を搬送波抑圧変調の関数として求めるには、様々な変調振幅に対して正規化領域を数値的に算出する。これらの計算の結果を第5図に示す。第5図は、算出された後方散乱誤差低減と抑圧変調深度の関係を示すプロット31である。搬送波抑圧周波数を固有周波数の8倍であるものと仮定した。実線の曲線31は、変調振幅が2.4ラジアンの場合には後方散乱をほぼゼロに低減することができないことを示す。3以上の誤差低減関数を得るには、より大きな変調深度を使用するか、あるいは2つの変調を使用しなければならない。
第6図は、直角後方散乱誤差の計算と、搬送波抑圧変調を加えない場合の曲線32ならびに固有周波数の8倍および10倍で動作する2つの搬送波抑圧変調を加える場合の曲線33の2つの場合のループ内の位置との関係を示す。このプロットは、直角誤差の大きさが同相誤差の大きさよりも小さいことを示す。この誤差は直角誤差であるので、速度信号を復調する位相感応検出器(PSD)によってその大部分が除波され、したがって、同相誤差と比べて重要ではない。このプロットは、同相誤差を低減するために使用されるのと同じ抑圧変調が直角誤差も低減することを示す。直角誤差は、重要ではないとみなされるので、この分析ではもはや考慮しない。
搬送波抑圧変調の副作用は、AC速度出力誤差である。搬送波抑圧変調は、ループ内の2つの主波の間の正弦不可逆位相変調を生成するので、不要正弦速度信号(AC速度)を生成する。固有周波数よりもかなり低い周波数で動作する抑圧変調によって生成される最上位AC速度信号の周波数は主として、抑圧変調周波数である。固有周波数の2倍の整数倍数に近い値で動作する搬送波抑圧変調の場合、AC速度の周波数は明らかではない。低周波数で動作する抑圧変調に対応するAC速度の振幅をまず算出する。
IOC21の入出力ポートでの主波または一次波の電界は次式で表される。
この場合、搬送波抑圧周波数は、バイアス変調周波数よりもずっと低いものと仮定され、
ωs<<ωm (42)
したがって、以下の近似を行う。
ゼロ回転速度の場合φR=0)、干渉主波の強度は次式で表される。
数式42を使用すると、さらに近似を行うことができる。
数式45中の余弦関数を次式のように書き直すことができる。
数式48の右辺(RHS)の第2の項をベッセル関数の級数として書くことができる。
数式49は、多数のAC速度信号が抑圧変調周波数の奇数整数倍数で生成されることを示す。AC速度信号の振幅は周波数が高いほど低くなるので、(数式49のRHSの第1の項で表される)最上位不要信号は抑圧変調周波数で生成される。数式49のRHSの第1の項ならびに数式45および数式48を使用すると、AC強度信号が次式のように求められる。
数式50を数式26および数式44と組み合わせると、AC速度信号は次式のように求められる。
光源波長0.83μmおよび搬送波抑圧変調周波数10Hzで動作する典型的なナビゲーション・グレードのIFOGの場合、10HzでのAC速度はほぼ次式で表される。
AC速度の有意性を求めるには、AC速度の期間の約2分の1に等しい積分時間でのジャイロ出力の通常のランダム・バイアス変動ΩranとAC速度を比較しなければならない。光源波長0.83μmで動作する典型的なナビゲーション・グレードのIFOGの(積分時間1.4×10-5hrでの)ランダム・バイアス変動は次式で表される。
光源波長1.55μmおよび搬送波抑圧変調周波数10Hzで動作する高性能グレードのIFOGの場合、10HzでのAC速度はほぼ次式で表される。
光源波長1.55μmで動作する高性能IFOGの(積分時間2.8×10-5hr)ランダム・バイアス変動は次式で表される。
AC速度振幅とランダム・バイアス変調を比較すると、低周波数搬送波抑圧変調を使用した場合、ジャイロが、AC速度期間の約2分の1の積分時間でバイアス仕様から逸脱することがわかる。AC速度は、加えられる位相変調によって誘発されるので、ジャイロ出力から部分的に除去することができる。しかし、AC速度の振幅は、システムの光学的利得および電気的利得に依存し、したがって、経時的に一定ではない。AC速度を通常のバイアス変動のレベルよりも低くすることは、与える影響の大きな作業である。さらに、閉ループ・システムの場合、主フィードバック・ループが、外部から加えられた位相変調を打ち消す。したがって、主フィードバック・ループに「強制的に」位相変調を生成させることによって、搬送波抑圧変調を生成しなければならない。この場合、主フィードバック・ループ電子機器の複雑さが大幅に増す。
主フィードバック・ループに影響を与えず、かつ顕著なAC速度を生成しないように搬送波抑圧変調を使用することが好ましい。固有周波数の2倍の整数倍数に近い抑圧変調を使用することによって、好ましい動作モードを実現することができる。抑圧変調の最適な動作モードを決定するには、比較的高い抑圧変調周波数でのAC速度振幅を算出する。抑圧変調周波数は次式のように書くことができる。
ωs=kωm+ωε k=2,4,6... (56)
上式で、ωεは固有周波数(この分析ではバイアス変調周波数でもある)の偶数整数倍数からの小さな偏差を表す。ωεが比較的小さいと仮定することによって、以下の近似を行うことができる。
主波の干渉による強度は次式で表される。
Imain=2α2I0{1+cos[2φmsin(ωmt)]cos[φsωετcos((kωm+ωε)t)]
+sin[2φmsin(ωmt)]sin[φsωετcos((kωm+ωε)t)]} (59)
数式59のRHSの第2の項を次式のように書くことができる。
sin[2φmsin(ωmt)]sin[φsωετcos((kωm+ωε)t)]=
2φsωετJq(2φm)sin(qωmt)sin[(kωm+ωε)t]+他の項 (60)
上式で、qは、数式60の左辺(LHS)を表すベッセル関数の級数中の特定の項の次数を指す。数式59のRHSの第1の項中の正弦関数の積を次式のように書くことができる。
数式61のRHSの第2の項は、バイアス変調と同期し、k−q=±1であるときに周波数ωεで生じるエンベロープを有する、振幅変調信号を表す。最高のAC速度を生成する項は以下の条件に対応する。
q=k−1 (62)
振幅変調信号は、次式に比例する振幅を有する不要AC出力を生成するジャイロ電子機器によって復調される。
Imain,ac=2α2I0φsωετJq(2φm) (63)
数式62および63を使用すると、AC速度は次式のように求められる。
高周波数での搬送波抑圧の場合のAC速度は、係数1/2と、AC速度を著しく低減することのできる比Jk-1(2φm)/J1(2φm)とを除いて、低周波数での搬送波抑圧の場合に類似している。
第7図は、固有周波数の偶数倍数からそれぞれ10Hz低い周波数で振幅2.4ラジアンでの搬送波抑圧を使用する高性能IFOGの算出されたAC速度のプロット34である。指数kは、固有周波数の偶数高調波を指す。プロット34は、抑圧変調の好ましい動作周波数が固有周波数の8倍に近いか、あるいはそれ以上であることを示す。このような周波数では、不要AC速度信号はジャイロ出力の通常のバイアス変動よりも低いレベルに低減する。さらに、主フィードバック・ループの帯域幅よりもずっと高い搬送波抑圧変調周波数を使用することによって、主ループは抑圧変調の影響を受けなくなる。
レイリー後方散乱はIOC21のウェーブガイド36および37からも生じる。このような後方散乱は回転検知誤差に寄与する。IOC21のウェーブガイド36および37が検知コイル12内のファイバと比べて非常に短い場合でも、チップ21のウェーブガイドの単位長さ当たりの光学損失は、コイル12のファイバの単位長さ当たりの損失よりも約4桁大きい。したがって、IOC21のウェーブガイド36および37内の後方散乱に関連する回転誤差が大きくなる可能性がある。第8図は、集積光学チップ21と、後方散乱がバイアス変調発生装置23および変調器35によってどのように変調されるかとを示す図である。
バイアス変調器35を通過する後方散乱波は、変調器35を通過する距離Lmodに応じた振幅φm(xp)で位相変調される。散乱波の電界は次式で表される。
位相差は次式のように定義される。
ΔΨp(t)=Ψ1,p(t)−Ψ2,p(t) (67)
後方散乱強度は次式で表される。
Ibs,p(t)=2αIbs{1+cos[φm(xp)sin(ωmt)+ΔΨp(t)]} (68)
数式68のRHSの余弦関数を次式のように書くことができる。
cos[φm(t)sin(ωmt)+ΔΨp(t)]=cos[ΔΨp(t)]cos[φm(xp)sin(ωmt)]
-sin[ΔΨp(t)]sin[φm(xp)sin(ωmt)] (69)
数式69のRHSの第2の項を次式のように書くことができる。
sin[ΔΨp(t)]sin[φm(xp)sin(ωmt)]=2sin[ΔΨp(t)]
J1[φm(xp)]sin(ωmt)+他の項 (70)
したがって、一対のIOC21ウェーブガイド部36および37からの後方散乱による誤差信号のピーク振幅は次式で表される。
Ibs,sig,p=4IbsJ1[φm(xp)] (71)
正味誤差信号Ierr,sigは、後方散乱を起こすすべての(IOC21)ウェーブガイド部対36および37に対応するピーク振幅の2乗和の平方根である。正味信号は次式で表される。
この場合、ウェーブガイド部対の数は次式で表され、
Lmは位相変調器35の長さである。後方散乱位相変調の振幅は、xpを有する線形関数であると仮定される。
上式で、φm,maxは、光波が位相変調器35を完全に1回通過するための光波の位相変調の振幅である。距離xpは、位相変調器35の開始点と散乱部39との間の距離Lp以内の可干渉距離の数として表すことができる。
xp=Lcp (75)
IOC21のウェーブガイド36および37内の後方散乱による正味誤差信号を次式のように書くことができる。
関数
のプロット(第9図参照)は、曲線40の下方の領域を線形関数または適合曲線41の下方の領域で近似できることを示す。
数式76中の加算の近似は次式で表される。
この場合、正味誤差信号は次式で表される。
IOC21のウェーブガイド36または37の一部からの後方散乱強度は次式で表される。
Ibs=αηchipI0Lc (80)
上式で、ηchipは、単位長当たり部分捕獲後方散乱強度である。正味誤差信号を次式のように書くことができる。
後方散乱誤差信号に相当する信号を生成する回転速度は次式で表される。
コイル12の単位長さ当たり後方散乱の値は、1.55μm Erドープ光ファイバ源14を用いて行った実験的測定から得られた。ηchipを推定するには、ファイバ12に関連する捕獲係数をIOC21の場合と同じであるものと仮定し、散乱による損失とファイバ12の総損失との比をIOC21の場合と同じであるものと仮定する。これらの仮定を用い、以下の比
を使用して、次式で表されるηchipを推定することができる。
ηchip=4.8×10-3m-1 (84)
光源14波長0.83μmで動作するナビゲーション・グレードのIFOGの場合、IOC21ウェーブガイド36および37内の後方散乱による回転検知誤差の計算値は次式で表される。
光源14の波長1.55μmで動作する高性能IFOGの場合、IOC21のウェーブガイド36および37内の後方散乱による回転検知誤差の計算値は次式で表される。
これらの計算は、回転速度誤差が検知コイル・ファイバからの後方散乱の場合よりもIOCウェーブガイドからの後方散乱の場合の方がずっと大きいことを示す。実際の誤差は、IOCのウェーブガイドの単位長さ当たり捕獲後方散乱を過大評価した場合にはこれほど大きくならないこともある。IFOGバイアス安定性の実験的試験によって、観測されるΩerr,chipが計算値ほど大きくはないが依然として有意であることがわかる。
搬送波抑圧変調を使用して、IOC21のウェーブガイド36および37からの後方散乱に関連する回転誤差を低減することもできる。第10図は、搬送波抑圧変調45を使用するIFOGのIOC21の図である。(1)バイアス位相変調器43(PM3)に対向する変調器42(PM1)に搬送波抑圧変調45を加える構成と、(2)接合部20から離れる方向でバイアス位相変調器43の前に配置されたオフセット変調器44(PM2)に搬送波抑圧変調45を加える構成の2つの構成が考えられる。第1の構成を以下に分析する。
散乱波に関連する電界は次式で表される。
後方散乱強度は次式で表される。
Ibs,p(t)=2αIbs{1+cos[φm(xp)sin(ωmt)-φs(xp)sin(ωst)+ΔΨp(t)]} (89)
数式89のRHSの余弦関数を次式のように書くことができる。
cos[φm(xp)sin(ωmt)-φs(xp)sin(ωst)+ΔΨp(t)]=
cos[Dyp(t)]cos[fm(xp)sin(wmt)]cos[fs(xp)sin(wst)]
+cos[ΔΨp(t)]sin[φm(xp)sin(ωmt)]sin[φs(xp)sin(ωst)]
-sin[ΔΨp(t)]sin[φm(xp)sin(ωmt)]cos[φs(xp)sin(ωst)]
-sin[ΔΨp(t)]cos[φm(xp)sin(ωmt)]sin[φs(xp)sin(ωst)] (90)
数式90のRHSの第3の項中の正弦関数と余弦関数の積を次式のように書くことができる。
sin[φm(xp)sin(ωmt)]cos[φs(xp)sin(ωs)t]=
2J0[φs(xp)]J1[φm(xp)]sin(ωmt)+他の項 (91)
数式91のRHSの第1の項は、バイアス変調23に同期する信号を表す。すべてのIOC21のウェーブガイド(36および37)からの後方散乱による正味誤差信号は次式で表される。
上式で、φs,maxは、
光波が位相変調器42を完全に1回通過するための搬送波抑圧位相変調45の振幅である。
関数
とpとの関係を示すプロット46(第11図参照)は、搬送波抑圧を変調器42に沿ったすべての点で同時に行うことができないことを示す。したがって、第10図に示したように位相変調器42にωsの変調45を加える際、後方散乱誤差を完全に抑圧することはできない。プロット46の場合、2φm,maxを1.8ラジアンに設定し、2φs,maxを2.4ラジアンに設定した。相対誤差を2φs,maxの関数として算出するには、
の曲線の下方の領域とp曲線との関係を、数値的に算出し、次いでどの搬送波抑圧にも関連しない関数の領域に対して正規化する。
第12図のプロット47は、変調器43に対するバイアス変調23に対向する位置に配置された位相変調器42にωsの変調を加える際、搬送波抑圧変調45の振幅が約2.4ラジアンのときには後方散乱誤差をゼロに低減することができないことを示す。誤差をより大幅に低減するには、より大きな変調深度を使用するか、あるいは2つの搬送波抑圧変調を使用することができる。後方散乱誤差のより大幅な低減を可能にする他のIOC21設計拡張要素は、プロット48で示したように、バイアス位相変調器43の前に配置された搬送波抑圧変調器44である。この場合、(バイアス位相変調器43からの散乱波にコヒーレントに干渉する)散乱波の位相変調振幅はすべての散乱部について一定であり、したがって、位相変調器44に沿ったすべての点に対して搬送波抑圧を行うことができる。この場合、搬送波抑圧変調器44を有するウェーブガイド36からの散乱波の電界は次式で表される。
この場合、回転速度誤差は次式で表される。
この回転速度誤差は、変調振幅2φs,maxを約2.4ラジアンに設定するとなくすことができる。
IFOGの光学設計を変更することによって、IOC21内の後方散乱に関連する誤差を著しく低減することもできる。この変更では、IOCのY−接合部20がファイバ・カプラで置き換えられ、IOC21のウェーブガイド36からの後方散乱が検知ループ12の反対側のファイバからの後方散乱光にコヒーレントにのみ干渉するようにIOC21位相変調器42および44が配置される。ファイバ12の短い部分からの散乱光はIOC21のウェーブガイド36からの散乱よりもずっと弱いので、この2つの波の間の干渉の振幅は、IOC21のウェーブガイド36内で後方散乱する2つの波の間の干渉の振幅よりもずっと小さい。
上記の説明および分析は、IFOG光学回路内のレイリー後方散乱による回転検知誤差源に関するものであり、後方散乱誤差を低減するか、あるいはなくす方法も示した。この方法は、搬送波抑圧変調と呼ばれ、IFOGの集積光学チップ21内を伝播する光に1つまたは複数の正弦位相変調を加える。この技法は、正弦バイアス変調を使用するIFOGセンサに基づく技法である。高性能IFOGは、第13図の方形波バイアス変調50と、光電検出器信号をサンプルするアナログ・デジタル変換器(ADC)と、方形波復調を使用することが多い。搬送波抑圧変調技法に関する設計手法は、この種の信号処理を使用するIFOGの設計手法とは異なる。
第14a図、第14b図、第14c図は、搬送波抑圧位相変調45がどのように、バイアス位相変調50と相互作用し、同時にサニャック干渉計によって光学強度信号(強度変調)に変換されるかを示す。IFOGインターフェログラム(第14b図)は、(光電検出器によって検出される)強度1が、サニャック干渉計から放出される逆伝播光波同士の間の位相差Δφによってどのように変化するかを示す。総位相変調(第14a図)は、(i)振幅がπ/2で周波数がfbである理想的な方形波バイアス変調50と、(ii)周波数がバイアス変調50周波数の第2の高調波に近い2fb+Δfである正弦位相変調45とからなるものと仮定される(正弦位相変調45の振幅は、その効果を示すために誇張されている)。方形波バイアス変調50がπ/2であるとき、第14a図の点aと点bの間に示された正弦位相変調は、インターフェログラム51の直線部分でバイアスされ、したがって、第14c図の点aと点bの間に示された正弦光強度信号を生成する。方形波バイアス変調50が状態を−π/2に切り換えると、第14a図の点bと点cの間に示された正弦位相変調45はこの場合も、インターフェログラム51の直線部分52でバイアスされる。しかし、−π/2でのインターフェログラム51の勾配53は、+π/2でのインターフェログラム51の勾配52と逆であり、したがって、第14c図の点bと点cの間に示された光強度信号54は、第14c図の点aと点bの間に示された光強度信号55のほぼ反転されたバージョンに見える。
正弦位相変調45は方形波バイアス変調50の周波数の丁度2倍の周波数を有するわけではないので、第14c図の点bと点cの間に示された光強度信号54は、第14c図の点aと点bの間に示された光強度信号55の符号反転バージョンとまったく同じであるわけではない。このことは、正弦変調45が、回転検知誤差として復調できる信号を生成するためにバイアス変調50とどのように相互作用するかを定性的に示している。簡単な方形復調方法は、(i)第14c図の点aと点bの間に示された光強度信号55の平均値と、第14c図点bと点cの間に示された光強度信号54の平均値を求めることと、次いで(ii)2つの平均値の間の差を求めることからなる。回転がない場合、2つの平均値の間の差はゼロであるはずである。しかし、光信号54の正弦部分と光信号55の正弦部分は、同じ平均値を有さず、したがって、非ゼロ復調器出力、すなわち、偽回転表示を与える。
(ith+1バイアス変調サイクルに対応する)第14c図の点cと点eの間に示された正弦信号56および正弦信号57は、(ithバイアス変調サイクルに対応する)第14c図の点aと点cの間に示された光強度信号とは異なり、したがって、ith+1バイアス変調サイクルで生じる回転検知誤差は、ithバイアス変調サイクルで生じる回転検知誤差とは異なる。このことは、バイアス変調周波数の第2の高調波に近い正弦変調の結果として得られる回転検知誤差が経時的に変動することを定性的に示す。
第15図は、復調プロセスがどのように、搬送波抑圧変調による回転検知誤差を定量的に判定するようにモデル化されるかを示す。IFOGで使用される典型的な復調プロセスは、アナログ・デジタル変換器(ADC)を用いて光電検出器信号をサンプルすることと、次いでデジタル電子機器を用いて信号処理を実行することからなる。復調プロセスではすべてのサンプルが使用されるわけではない。+π/2と−π/2の間のバイアス変調50遷移は、時間iTb、iTb+Tb/2、iTb+Tbなどに光強度信号58に鋭いグリッチ(第15図には示されていない)を生じさせる。この鋭いグリッチによる回転検知誤差を除去するために、ゲート時間tg中に得られるサンプル59は復調プロセスで使用されない。iTb+tgとiTb+Tb/2との間のサンプル60が加算され、ithバイアス変調サイクルの第1の半サイクルに対応する信号の平均値に比例する値が生成される。次いで、iTb+Tb/2+tgとiTb+Tbとの間のサンプル61が加算され、ithバイアス変調サイクルの第2の半サイクルに対応する信号の平均値に比例する値が生成される。(回転速度に比例する)復調信号は2つの加算値の間の差である。復調プロセスは、連続バイアス変調サイクルについて実行される。
方形波バイアス変調50の効果をモデル化するために、サニャック干渉計の強度出力Iを2つの数式で表す。
上式で、n=2,4,6...であり、i=1,2,3...である。バイアス変調は値π/2および−π/2で表される。Δφnは、逆方向光波同士の間の正弦位相変調差の振幅であり、制限変調の角周波数(nωb+Δω)は、バイアス角周波数ωbのnth高調波(nは偶数である)からある小さな差Δωだけ離れた周波数として示される。Tbはバイアス変調50の周期であり、iは、どのバイアス変調が検討されているかを指す。この場合、バイアス変調50周波数を厳密にサニャック干渉計の固有周波数に設定するものと仮定する。
入力回転がなく、かつΔφnが小さいと仮定することにより、小角近似を行うことによって数式96を簡略化することができる。
復調プロセスをモデル化するには、バイアス変調50の各半周期の部分について強度信号の各部分を積分する。回転がないものと仮定されているので、復調信号は誤差信号Serrorになる。
上式で、kは、光電検出器とADCまでの電子機器との利得を表す定数である。積分限界は、(波形全体のすべてのサンプルを使用するわけではない)部分サンプリング技法またはゲート時間tgを含む。数式98中の第1の積分はithバイアス変調サイクルの第1の半分に対応し、第2の積分はithバイアス変調サイクルの第2の半分に対応する。誤差信号Serrorの時間依存性は、指数iを使用して任意のバイアス変調50サイクルをモデル化することによって判明する。
入力回転がなく、かつΔφnが小さいと仮定することにより、小角近似を行うことによって数式96を簡略化することができる。
復調プロセスをモデル化するには、バイアス変調50の各半周期の部分について強度信号の各部分を積分する。回転がないものと仮定されているので、復調信号は誤差信号Serrorになる。
上式で、kは、光電検出器とADCまでの電子機器との利得を表す定数である。積分限界は、(波形全体のすべてのサンプルを使用するわけではない)部分サンプリング技法またはゲート時間tgを含む。数式98中の第1の積分はithバイアス変調サイクルの第1の半分に対応し、第2の積分はithバイアス変調サイクルの第2の半分に対応する。誤差信号Serrorの時間依存性は、指数iを使用して任意のバイアス変調50サイクルをモデル化することによって求められる。
数式98中の積分を評価した後、周期Tb=2π/ωbおよびΔT=2π/Δωを結果中の角周波数に代入する。
3角恒等式を使用して数式99を簡略化することができる。
サンプリング比Rsは、ゲート時間tgの後の半バイアス変調50周期中に得られた(あるいは使用された)サンプルの数を、バイアス変調50サイクルの全半周期中に得る(使用する)ことのできる可能な総サンプル数で除した値として定義される。
tg=(1/2)(1−Rs)Tbと周波数fb=1/TbおよびΔf=1/ΔTを数式100中の周期に代入すると次式が生成される。
上式で時間t’
t’≡iTb (103)
は、Serrorの時間依存性を示すために使用される。数式102は、SerrorがΔfの周波数で変動する正弦誤差信号であることを示す。誤差信号の振幅は次式で表される。
搬送波抑圧変調45による位相差振幅Δφnは、抑圧変調45周波数と固有周波数feの関数である。
上式で、φnは、光波が位相変調器42を1回通過するときの位相変調振幅である。この分析では、バイアス変調50の周波数が固有周波数に設定されているものと仮定する。
fb=fe (106)
数式105および数式106を数式104に代入すると、次式が得られる。
誤差を回転速度で求めることが望ましい。このためには、まず回転速度による信号を、回転速度によって生じる位相差に関係付ける伝達関数(開ループ尺度係数)を求める。回転信号の復調のモデルが部分サンプリング方式を含むことが重要である。搬送波抑圧変調45が開ループ尺度係数にそれほど影響を与えないことも仮定し、したがって、この計算には正弦変調45を含めない。回転中のサニャック干渉計からの光強度Irotationは次式で表される。
上式で、Δφrotationは、回転によって生じる位相差である。復調信号は、以下の積分を実行することによって求められる。
誤差信号を分析するために行ったのと同様な代入を行い、小角度近似を行った後、数式109に関して次式が得られる。
数式110は、回転によって生じる位相差Δφrotationによってどれだけの回転信号Srotationが生成されるかを示す。開ループ尺度係数は数式110中の括弧内のすべての係数である。位相差Δφrotation errorは、
正弦位相変調によって生じる誤差信号Serror,ampに等しい復調信号S’error,ampを生成する回転速度Ωrotation errorによって誘導される位相差として定義される。定義上、次式が成立する。
S’error,amp≡Serror,amp (112)
これらの定義と以下の近似を使用すると、
Δφrotation errorに関して次式が得られる。
誤差を位相差で求めることによって、開ループ尺度係数に存在する係数が削除され、この分析は、閉ループ構成で動作するFOGに適切な分析になる。回転による位相差は次式で与えられる。
上式で、Lは検知コイル・ファイバ12の長さであり、Dは検知コイル12の直径であり、λは光の波長であり、cは真空中の速度である。数式114と数式115を組み合わせると次式が得られる。
上式は、搬送波抑圧変調45による回転検知誤差を示す。数式118は、Rsおよびnの最適値を選択することによって誤差を最小限に抑えることができることを示す。以下の設計制約を設定した場合、
数式116は次式になる。
次に、Δfを小さくすることによって上式の値を小さくすることができる。数式117に示した設計制約を満たすには、まず他の設計制約によってRsを設定し、次いで適切な搬送波抑圧周波数を選択することによって数式117を満たすようにnを設定することができる。これを行った場合、数式118は、Δfをゼロに調整するとΩrotation errorが非常に高速にゼロに近づくことを示す。
第16図は、λ=1.55μm、c=3×108ms-1、L=4km、D=0.15m、Rs=7/8、n=16、fb≒25kHz、φn=2.25、すなわち、高性能IFOGの典型的な値の場合のΩrotation errorとΔfの関係を示すプロット62である。この例では、搬送波抑圧変調45周波数はほぼ16番目の高調波(n=16)、すなわち、数式117に示した設計制約を満たす値に設定される。
正弦誤差Ωrotation errorが受け入れられるようになるレベルを求めるには、他の回転検知誤差を検討する必要がある。IFOGに常に存在する1つの回転検知誤差は角度ランダム・ウォーク(ARW)、すなわち確率誤差(または雑音)である。ARWによる定格不確定性ΩARWは次式のように定義される。
上式で、ARWCは角度ランダム・ウォーク係数であり、τはクラスタ分析の積分時間である。クラスタ分析とは、ジャイロの様々な種類の誤差係数を求めるために使用される一般的な方法である。Ωrotation errorは、常にΩARWよりも小さい場合には有意ではないと仮定される。クラスタ分析では、積分時間が正弦誤差の周期の約1/2であるときに制限誤差が最大効果を有する。したがって、積分時間τmaxを(時間単位で)定義する数式を書くことができる。
上式は、(秒単位の)周期ΔTを有する正弦誤差Ωrotation errorによる最大効果を与える。数式119と数式120を組み合わせ、ΔTに1/Δfを代入すると、積分時間τmaxで生じる(クラスタ分析によって定義される)定格不確定性ΩARW,maxが得られる。
積分時間τmaxはΔfの関数である。
第17図は、それぞれ、Ωrotation errorおよびΩARW,maxとΔfとの関係を示すプロット63およびプロット64を示す。プロット63およびプロット64は、Δf<18HzであるときにΩrotation error<ΩARW,maxであることを示す。点65は、Ωrotation errorがジャイロ雑音出力ΩARW,maxよりも低くなるようにΔfを18Hz未満にすべきであることを示す。したがって、この例では、搬送波抑圧周波数45をバイアス変調周波数50(すなわち、固有周波数)±18Hz以下の16倍に設定した場合、搬送波抑圧変調45によって生じる正弦速度誤差は、IFOGの定格雑音出力よりも低くなる。Δfを約1Hzに低減した場合、正弦誤差はIFOGの定格雑音出力のよりも約100倍低くなる。このレベルでは、正弦誤差は、搬送波抑圧変調を使用するIFOGを使用するすべてのシステムに対して有意でなくなるはずである。
簡単に言えば、IOC21のウェーブガイド36および37からのレイリー後方散乱は、すべての光源14の波長で動作するIFOGで有意の回転検知誤差を生じさせる恐れがある。光源14が波長0.83μmに近い波長で動作するナビゲーション・グレードのIFOGは、ループ・ファイバ12からの後方散乱による有意の回転検知誤差を有することがある。ループ12内の1つの一次波に搬送波抑圧位相変調45を加えることによって、後方散乱誤差を大幅に低減することができる。抑圧変調45を加える方法は、誤差低減技法の全体的な性能をほぼ決定する。
固有周波数よりもずっと低い周波数での抑圧変調45は、ジャイロ出力で不要なAC信号を生成する。この信号を出力から減じることができる場合でも、AC信号をジャイロ出力の通常のランダム変動のレベルよりも低いレベルに低減することは非常に困難である。固有周波数の偶数整数倍数に近い周波数での抑圧変調45も不要なAC信号を生成する。しかし、抑圧変調45の周波数を、固有周波数に8以上の偶数整数倍数を乗じた値に近い値に設定した場合、不要なAC信号の振幅を通常のジャイロ出力変動のレベルよりも低いレベルに低減することができる。
バイアス23、50と抑圧45の変調に使用される位相変調器42、43、44を配置することは、抑圧変調45を用いて得られる後方散乱誤差低減レベルに対して顕著な影響を与える。位相変調器42および43が別々のウェーブガイド36および37上にあり、かつ対向する位置に配置された場合、抑圧変調45は後方散乱誤差を約係数10だけ低減する。後方散乱誤差を係数10よりも多く低減するには、2つの設計拡張要素を使用することができ、すなわち、異なる周波数の追加の抑圧変調を加え、かつ/あるいはバイアス位相変調器43の前に抑圧位相変調器44を配置することができる。
長いループ12の長さに関連する光学時間遅延も、ループ・ファイバ12からの後方散乱に関連する誤差の低減レベルに対する顕著な効果を有する。抑圧変調45の周波数を固有周波数よりも大きな値に設定した場合、抑圧変調45は後方散乱誤差を約係数5だけ低減する。より高い誤差低減係数を得るには、それぞれの異なる周波数での複数の搬送波抑圧変調を使用することができる。
さらに、バイアス変調50は、正弦波ではなく方形波でもよい。方形波変調/復調および搬送波抑圧変調を使用するIFOGの設計基準は、比(nRs)/2が整数でなければならないことと、搬送波抑圧変調45によって生成される正弦速度誤差が、正弦誤差が最大効果を有する積分時間でのジャイロ・ランダム雑音出力よりも低くなるほどΔfが小さくなければならないことである。
Claims (8)
- 後方散乱誤差補正を有する光ファイバ・ジャイロスコープであって、
一次光波を生成する光源[14]と、
一次光波を第1の二次光波および第2の二次光波に変換する、光源に接続されたスプリッタ[20]と、
第1の二次光波が光ファイバ・ループ内を時計周り方向に伝播し、第2の二次光波が光ファイバ・ループ内を逆時計周り方向に伝播するように、スプリッタに接続された光ファイバ・ループ[12]と、
スプリッタに接続され、第1の変調信号および第2の変調信号に従って第1の二次光波および第2の二次光波のうちの少なくとも一方を変調するように構成された変調器[21]と
を有し、
第2の変調信号が、後方散乱誤差を大幅に低減するように構成された振幅と、光ループの固有周波数の高調波にほぼ等しい周波数とを含むことを特徴とする光ファイバ・ジャイロスコープ。 - 振幅が、少なくとも1ラジアンの移相を生成するような大きさの振幅であることを特徴とする請求項1に記載の光ファイバ・ジャイロスコープ。
- 周波数が固有周波数の偶数高調波に等しいことを特徴とする請求項2に記載の光ファイバ・ジャイロスコープ。
- 第1の変調信号が、固有周波数に等しいバイアス周波数を有することを特徴とする請求項1に記載の光ファイバ・ジャイロスコープ。
- 固有周波数が、1を2tauで除した値に等しく、
tauとは、光波が光ファイバ・ループを1回通過する走行時間であり、
tauが、光ファイバ・ループの屈折率に光ファイバ・ループの長さを乗じ、光の速度で除した値に等しいことを特徴とする請求項1に記載の光ファイバ・ジャイロスコープ。 - 第1の変調信号が、固有周波数にほぼ等しいバイアス周波数を有することを特徴とする請求項5に記載の光ファイバ・ジャイロスコープ。
- 固有周波数が、1を2tauで除した値に等しく、
tauとは、光波が光ファイバ・ループを1回通過する走行時間であり、
tauが、光ファイバ・ループの屈折率に光ファイバ・ループの長さを乗じ、光の速度で除した値に等しいことを特徴とする請求項3に記載の光ファイバ・ジャイロスコープ。 - 第1の変調信号が、固有周波数にほぼ等しいバイアス周波数を有することを特徴とする請求項7に記載の光ファイバ・ジャイロスコープ。
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US08/741,464 US5781300A (en) | 1996-10-31 | 1996-10-31 | Backscatter error reducer for interferometric fiber optic gyroscope |
US08/741,464 | 1996-10-31 | ||
PCT/US1997/019260 WO1998022779A2 (en) | 1996-10-31 | 1997-10-27 | Backscatter error reducer for interferometric fiber optic gyroscope |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2001503869A JP2001503869A (ja) | 2001-03-21 |
JP4052676B2 true JP4052676B2 (ja) | 2008-02-27 |
Family
ID=24980823
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP52366198A Expired - Fee Related JP4052676B2 (ja) | 1996-10-31 | 1997-10-27 | 干渉光ファイバ・ジャイロスコープ用後方散乱誤差低減装置 |
Country Status (6)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US5781300A (ja) |
EP (1) | EP0935738B1 (ja) |
JP (1) | JP4052676B2 (ja) |
CA (1) | CA2265594A1 (ja) |
DE (1) | DE69728416T2 (ja) |
WO (1) | WO1998022779A2 (ja) |
Families Citing this family (20)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6175410B1 (en) * | 1998-12-17 | 2001-01-16 | Honeywell Inc. | Fiber optic gyroscope having modulated suppression of co-propagating and counter-propagating polarization errors |
US6711309B1 (en) * | 1999-01-28 | 2004-03-23 | The University Of Sydney | Noise suppression in lightwave communication systems |
US6765678B2 (en) * | 2002-01-08 | 2004-07-20 | Honeywell International Inc. | Relative intensity noise controller with maximum gain at frequencies at or above the bias modulation frequency or with second order feedback for fiber light sources |
US7038783B2 (en) * | 2003-05-23 | 2006-05-02 | Honeywell International Inc. | Eigen frequency detector for Sagnac interferometers |
JP4331211B2 (ja) * | 2004-02-04 | 2009-09-16 | アトランティック・イナーシャル・システムズ・リミテッド | 振動構造ジャイロスコープにおけるバイアス誤差を低減する方法 |
US7369624B2 (en) * | 2004-06-01 | 2008-05-06 | Orbital Sciences Corp. | Carrier suppression type modulator with encoded modulating signals |
US7872758B2 (en) * | 2007-01-22 | 2011-01-18 | The Charles Stark Draper Laboratory, Inc. | Determining and compensating for modulator dynamics in interferometric fiber-optic gyroscopes |
US7817284B2 (en) * | 2007-08-08 | 2010-10-19 | The Charles Stark Draper Laboratory, Inc. | Interferometric fiber optic gyroscope with off-frequency modulation signals |
US8259301B2 (en) * | 2009-03-06 | 2012-09-04 | Honeywell International Inc. | Cavity length modulation in resonator fiber optic gyroscopes |
US8085407B2 (en) * | 2009-08-12 | 2011-12-27 | Honeywell International Inc. | Resonator optical gyroscope having input beam modulation optimized for high sensitivity and low bias |
US8223341B2 (en) | 2010-05-28 | 2012-07-17 | Honeywell International Inc. | System and method for enhancing signal-to-noise ratio of a resonator fiber optic gyroscope |
US8213019B2 (en) | 2010-09-07 | 2012-07-03 | Honeywell International Inc. | RFOG with optical heterodyning for optical signal discrimination |
US8717575B2 (en) | 2011-08-17 | 2014-05-06 | Honeywell International Inc. | Systems and methods for environmentally insensitive high-performance fiber-optic gyroscopes |
US8908187B2 (en) | 2011-11-02 | 2014-12-09 | Honeywell International Inc. | System and method for reducing errors in a resonator fiber optic gyroscope |
US8830479B2 (en) | 2013-01-28 | 2014-09-09 | Honeywell International Inc. | RFOG with optical heterodyning for optical signal discrimination |
US8947671B2 (en) | 2013-02-22 | 2015-02-03 | Honeywell International Inc. | Method and system for detecting optical ring resonator resonance frequencies and free spectral range to reduce the number of lasers in a resonator fiber optic gyroscope |
US9001336B1 (en) | 2013-10-07 | 2015-04-07 | Honeywell International Inc. | Methods and apparatus of tracking/locking resonator free spectral range and its application in resonator fiber optic gyroscope |
US9121708B1 (en) * | 2014-05-08 | 2015-09-01 | Honeywell International Inc. | Resonator fiber optic gyroscope without frequency overlap in sideband-heterodyne-detection modulations |
US10746550B2 (en) | 2018-08-01 | 2020-08-18 | Honeywell International Inc. | Resonator fiber-optic gyro with quadrature error reducer |
US11624614B1 (en) * | 2020-08-04 | 2023-04-11 | Honeywell International Inc. | Reducing rotation sensing errors from laser source signal and modulation cross-talk |
Family Cites Families (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4728192A (en) * | 1984-02-17 | 1988-03-01 | Stanford University | Gated fiber optic rotation sensor with extended dynamic range |
DE3418288A1 (de) * | 1984-05-17 | 1985-11-28 | Standard Elektrik Lorenz Ag, 7000 Stuttgart | Einrichtung zur messung der drehgeschwindigkeit |
US4869592A (en) * | 1988-01-27 | 1989-09-26 | Bergh Ralph A | Method and apparatus for obtaining a digital measure of absolute rotation |
US4948252A (en) * | 1989-05-24 | 1990-08-14 | Litton Systems, Inc. | Sub-tau phase modulation in a fiber-optic rotation sensor |
-
1996
- 1996-10-31 US US08/741,464 patent/US5781300A/en not_active Expired - Lifetime
-
1997
- 1997-10-27 CA CA002265594A patent/CA2265594A1/en not_active Abandoned
- 1997-10-27 DE DE69728416T patent/DE69728416T2/de not_active Expired - Lifetime
- 1997-10-27 WO PCT/US1997/019260 patent/WO1998022779A2/en active IP Right Grant
- 1997-10-27 EP EP97954891A patent/EP0935738B1/en not_active Expired - Lifetime
- 1997-10-27 JP JP52366198A patent/JP4052676B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
WO1998022779A3 (en) | 1998-08-20 |
JP2001503869A (ja) | 2001-03-21 |
EP0935738A2 (en) | 1999-08-18 |
EP0935738B1 (en) | 2004-03-31 |
DE69728416T2 (de) | 2004-12-30 |
CA2265594A1 (en) | 1998-05-28 |
US5781300A (en) | 1998-07-14 |
WO1998022779A2 (en) | 1998-05-28 |
DE69728416D1 (de) | 2004-05-06 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP4052676B2 (ja) | 干渉光ファイバ・ジャイロスコープ用後方散乱誤差低減装置 | |
JP4130730B2 (ja) | 光ファイバジャイロスコープ | |
EP0990118B1 (en) | Vibration error reduction servo for a fiber optic gyroscope | |
EP0730725A1 (en) | Reduction of optical noise | |
US20110037985A1 (en) | Resonator optical gyroscope having input beam modulation optimized for high sensitivity and low bias | |
US8830479B2 (en) | RFOG with optical heterodyning for optical signal discrimination | |
EP0830570B1 (en) | Proper frequency tracker for fiber optic sensing coil | |
EP0990117B1 (en) | Fiber optic gyroscope vibration error compensator | |
JP3939350B2 (ja) | 干渉光ファイバ・ジャイロスコープにおける光強度平衡 | |
JP4052801B2 (ja) | 偏光誤差を抑制した光ファイバ・ジャイロスコープ及びその方法 | |
US5627644A (en) | Kerr effect compensation by optical power balancing in interferometric fiber optic gyroscopes | |
JP2587104B2 (ja) | 光ファイバジャイロ用信号処理装置 | |
US20030169428A1 (en) | Saw tooth bias modulation and loop closure for an interferometric fiber optic gyroscope | |
JP2984269B2 (ja) | 光ファイバジャイロにおける偏りを決定する方法 | |
JP2023540261A (ja) | サニャック干渉用のシステムおよび方法 | |
JPH09269230A (ja) | 光干渉角速度計 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20041026 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20071106 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20071031 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20071204 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20101214 Year of fee payment: 3 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20101214 Year of fee payment: 3 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20111214 Year of fee payment: 4 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20111214 Year of fee payment: 4 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20121214 Year of fee payment: 5 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20131214 Year of fee payment: 6 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |