JP4142120B2 - いくつかの軸の周りの回転速度の測定方法、及びこの測定方法を用いた干渉計型ジャイロスコープ - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、いくつかの軸の周りの回転速度を測定するための方法、及びこの方法を具体化する光ファイバー干渉計型ジャイロスコープに関する。
【0002】
【従来の技術】
ナビゲーション、ガイダンス、及び安定システムは通常いくつかの回転測定軸を用いる。視界のラインを安定させるための2つの直交する軸、ナビゲーションとガイダンスのための3つの直交する軸、余分に必要なときは4つまたはそれ以上である。可動体の角張った位置を測定するためには、3つの軸が必要である。このタイプのシステムは電源とレシーバを有する独立した光ジャイロスコープを使うことができる。これらの装置はよく知られており、必要な測定はこれらのいくつかを置くことによりできる。
【0003】
しかし、価格、小型化、そして信頼性の理由から、構成要素の数を減らすことが好ましい。これは、種々の軸に関して、測定する手段にいくつかの共通の要素を使うことによりできる。”多軸ジャイロスコープ”と呼ばれる、いくつかの軸の周りの回転速度を測定するために用いられるいくつかのジャイロスコープが、最近提案されている。これらのジャイロスコープは各測定法のためにサニヤック(Sagnac)リング干渉計を有するが、しかし、単一光源、単一光検出器、または単一電子処理装置を使うことができる。
【0004】
それが使うサニヤック干渉計と物理的現象はよく知られている。
別のタイプの干渉計において、分割刃または他の分割装置は入射波を分割する。このように作られた2つの反対方向の波は、接近した光路に沿って反対方向に伝播し、再結合し、再結合したとき波の間の位相の相違による干渉を生ずる。もとは、サニヤック干渉計の閉光路は、ミラーにより定められていた。それはシングルモード光ファイバーで多重巻きコイルを使ってつくることができることが知られている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
いくつかの物理的現象は障害、特にそれらの再結合の間干渉条件を修正するこれらの波の間で相対的位相差を発生する反対方向の伝播波の非相互位相シフトを引き起こすかも知れないことが知られている。
相対的位相差の測定は、それを発生する現象を量で計ることができる。これら非相互障害を作りだす主たる物理的現象は、その閉光路の平面に対して垂直な軸についての干渉計を回転することにより生ずるサニヤック効果(Sagnac effect)である。ファラデー効果、または共直線性磁気−光効果は、このタイプの非相互効果を作ることが知られている。特定の条件の下では、他の効果もまた非相互位相差を作ることができる。他方、しばしば測定障害を引き起こす環境を現す多くのパラメータの変化は、サニヤック干渉計上で相互効果のみをもっており、反対方向に伝わる波の間の相対的位相差を乱すことはしない。そして、それゆえ研究されているパラメータの測定に影響を持たない。これは温度、インデックス、その他の変化が遅い場合であり、波の進む光路を修正し、しかしそれを相互に修正する。
【0006】
このタイプの測定器具でされる測定の感度と正確さを改善する多くの試みがなされた。例えば、この主題に係る良い参考書は,1993 年にArtech House, Herve C. LEFEVREにより発行された”The Fiber Optic Gyroscope"である。
信号処理の異なった方法が、単一サニヤック干渉計の存在下に提案されてきた。この干渉計により供給される応答は、位相差δФの関数としての干渉パワーとシェイプP=Po (1+cos δФ)により与えられる。Po は、位相シフトの不存在の下で反対方向に伝わる波の付加的効果により得られる最大干渉パワーである。位相差δФ=0に近いこの信号の感度は低い。これを訂正するため、位相差δФm の方形変調は、作用点をシフトするために導入され、そして周期的信号を作り、その振幅は測定されたパラメータの正弦曲線を描く関数であり、より大きな感度と安定で使うことができることを示唆している。
【0007】
このバイアス位相差と呼ばれている位相差δФm の振幅は、典型的にはπ/ 2である。それは通常、干渉計上の多重巻きコイルの一端に位相変調器を置くことにより作られ、それはVm 信号によりコントロールされる。このVm 信号は、反対方向の伝播波の間に位相差をつくる各波上で、位相シフトδФm を発生する。
δФm (t)=Фm (t)−Фm (t−τ)
ここで、tは時間、τはコイルにおける波の一つのための遷移遅れ(transit delay )である。
【0008】
ゼロ方法、”閉ループ操作”とも呼ばれている、を用いることにより測定の正確さが改善されたことが示されている。この方法によると、追加の”逆反作用(counter reaction)”位相差と呼ばれているδФcrが加えられ、測定されたパラメータ及びサニヤック効果により作られる差δФs を補償するために用いられる。干渉計が最大の感度で操作されるように、これら二つの位相差δФcrとδФs の合計はゼロに等しくされる。測定は、逆反作用位相差δФcrを作るために必要な信号を用いてなされる。この測定自体は安定しており、線形である。
【0009】
コントロールされた位相差δФc は、信号Vc でコントロールされる位相変調器でつくられる。この信号Vc は、反対方向の伝播波の間に位相差δФc を作る位相シフトФc を各波の上に発生する。
δФc (t)=Фc (t)−Фc (t−τ)
変調位相シフトФc は、逆反作用成分δФcrを含んでいる。そのため、それは変調周期と等しい周期を持ったバイアス成分Фm を持っている。このバイアス成分Фm は、通常それ自体発振項Фo とコンスタント・オフセット項Фd の合計であり、時間tにおける発振項Фo の値は時間t+Tm/2におけるその値は正反対である。
【0010】
いくつかの測定軸の存在下において、単一光源は多重軸ジャイロスコープをつくる一つの方法に従って用いられる。それは最も高価な要素の一つであり、最もエネルギーを消費する要素である。この光源より出射される光は、例えば、スプリッターまたはカプラーと永久に共有できる。それでは、「光源の共有」について述べる。各干渉計は通常検出器及び電子信号処理装置と関連している。
【0011】
例えば、光源共有は、3つの出力アームの1つが共通光源に結合された3×3ファイバーカプラーを用いてすることができる。3×3カプラーの各出力アームは、2×2ファイバーカプラーを通して3つの干渉計の1つに結合されており、2×2カプラーの第2の入力アームは検出器に結合されている。
干渉計でつくられる多重化信号に対し光スイッチを用いることが提案されている。これらのスイッチは、3つの干渉計の各々を順次光源又は光検出器に接続することを可能にし、これにより、いずれの時においても3つの干渉計の1つのみが光源に接続され、別の1つの干渉計のみが光検出器に接続される。3つの干渉計のいずれにおいても波の遷移期間はτに等しく、各干渉計の光源そして光検出器への連続的接続を含むジャイロスコープの動作は、3τに等しい期間を有した時間サイクルに依存している。
【0012】
第1段階では、光源が光を送る第2の干渉計に接続されている間、光検出器は信号を受ける第1の干渉計に接続される。
第2段階では、光源が第3の干渉計に光を送る間、光検出器が第2の干渉計への光源により前に送られた信号を受けるように、光源が第3の干渉計に接続されている間、スイッチは第2干渉計に対する光検出器に接続される
同様に、第3段階では、光源が第1の干渉計に結合されている間、光検出器は第3の干渉計に接続される。そのため、光検出器により受ける信号はτに等しい時間三つの干渉計の各々に順番に応答する。この順番は、三つの干渉計上の周期6τを持ったバイアス変調と結合している。
【0013】
3つの信号の多重化時間は、このようにスイッチングによってなされる。
単一の光源と単一の光検出器を共通に利用できるが、このタイプの3軸ジャイロスコープは、光スイッチの存在による技術的複雑さによりペナルテイを課される。さらに、光Y接合(optical Y junction)が干渉計への入力に置かれていることは、スイッチの存在の下で反対称モードを再導入(reinject)する問題を生ずる。
【0014】
特許FR-2.605.101は、光源共有、多重化を利用する別の3軸ジャイロスコープを記載している。この特許では、3つのファイバーコイルが直列に結合され、その中間で互いに接続されている。干渉計のどれか1つにおける波の遷移期間(transit duration)をτとすると、時間tにおいて第1のコイルに送られる信号は、時間t+τまで第2のコイルには到達せず、時間t+2τまで第3のコイルに到達しない。それゆえ、光検出器は、各々t+τ、t+2τ、t+3τのときに、3つの干渉計から情報を受ける。そのため、出力信号がミックスされないようするために光源は少なくとも3τの割合で信号を送らなければならない。先の具体例にあるように、この多重化は三つの干渉計に対する変調器に適用される6τ周期をもったバイアス変調と結びついている。
【0015】
この装置は、干渉計に接続されたカプラーでの損失による相対的に低いパワーを与えるという不利益を持っている。さらに、同じハウジングにあるカプラーによって相互に接続された3つのコイルを直交して置くことは技術的に困難である。コイルにファイバーを接続することは、装置を温度勾配に対し感度を良くする。
【0016】
ヨーロッパ特許EP-0.460.675は、いくつかの干渉計に共通に1つの光源と光検出器を置いた多重軸ジャイロスコープのための別の解決を提案している。
光源は、いくつかの枝を含んでいる光分配要素に接続されており、これら各枝はビームスプリッターを通して干渉計の一つの二つの端部に導いている。ビームスプリッターに置かれた位相変調器は、干渉計を通る反対方向の伝播波に対する位相差を与える。
【0017】
この装置と共に用いられる多重化手順は、他の干渉計のためのゼロ信号を保ち、各干渉計のために二者択一的に立ち上げる変調信号よりなる。
この方法の主たる不利な点は、連続的な寄生信号を導入したことである。干渉計の出力での伝播波からの干渉は、ゼロ位相差の時に最大のパワーを創り出す。
この問題を避ける解決方法は、米国特許US-5,184,195に記載されている。この文献は、単一の光源と単一の光検出器を持った3軸ジャイロスコープを紹介している。光源、光検出器、及び三つの干渉計は光ファイバーとカプラーのネットワークを通して接続されている。位相変調器は三つの干渉計の入力に置かれている。
【0018】
この装置は、消滅変調(extinguishing modulation)を有し、測定変調(measurement modulation)を交互にする多重化プロセスに用いられる。消滅変調は、ゼロパワーを発生する干渉計からの出力において反対方向の伝播波と正確に一致していることに等しいため、振幅πを持った位相変調を適用することにより得られる。測定変調は、同時に干渉計の一つに適用されるのみである。
【0019】
このプロセスは、高精度の問題をつくりだす。光検出器で受ける帰還パワーは、干渉計から出力されるパワーがジャイロスコープを取り付けることによりバランスしたとしても、時間で変化する。これは、種々の軸の間に10%から20%の差が常にあり、これらの差は受けた信号の復調の間増幅されるという事実によるものである。さらに、光検出器は、ピーク減少器(peak reducer)と増幅器を伴っているため、発生したパワースキップは増幅器を飽和させることができる。
【0020】
このプロセスの別の問題は、干渉計が自然の(natural )周波数で変調されなければならない時に起こる。もし、自然の周波数が高ければ、変調は非常に速くなければならず、このことは実行を困難にする。
先の特許に記載されたこの装置の別の不利な点は、光検出器で受けたパワーが高源から発したパワーに比べ大変低いので、使われたカプラーが大きなエネルギー損失をもたらすという事実である。
【0021】
本発明の目的は、いくつかの軸について回転速度を測定するための、信頼できる、正確な、そして使いやすい方法である。
それはまた、入力エネルギーを最高に活用している間、寄生信号の存在を最小にすることである。
本発明の目的は、単一の光源を用い、共通の光検出器と共通の電子処理装置を用いた信号の時間的多重化を、スイッチを必要とせずに可能にした、多重干渉計のジャイロスコープである。
【0022】
本発明の他の目的は、多軸で、高価でなく、コンパクトで、信頼性のある低エネルギー消費の多軸ジャイロスコープをつくることである。
本発明の他の目的は、光源共有のために類似した技術的に複雑なジャイロスコープをつくることである。
さらに、本発明の目的は、完全な安定性を維持している間、閉ループ処理を行うことである。
【0023】
【課題を解決するための手段】
従って、本発明は、干渉計型光ファイバージャイロスコープを用いて、N軸(Nは2より少なくない)について回転速度を測定するための方法に関する。ジャイロスコープは、N個のサニヤックリング干渉計Ii 、各干渉計Ii の中を伝播する二つの反対方向の伝播波(counter-propagating waves)、分離(separation)と再結合の間の波の伝播時間がτi 、共通の遷移時間τにほぼ等しい干渉計Ii と関連した期間τi 、よりなる。方法は、次のようである。
【0024】
- 共通の光源によってすべての干渉計Ii に信号を出射し、
- 干渉計Ii を通過した後共通の光検出器内で信号を検出し、
- 位相変調器が、各干渉計Ii に伝播する反対方向の伝播波の間の制御された変調位相差δФc,i を発生し、
- 変調器を制御し、光検出器からの信号を分離して復調し、干渉計Ii の回転速度を処理装置によって取り出す。
【0025】
光源によって出射された信号をすべての干渉計Ii と光検出器にほぼ同時に到達させるようにする。
本発明によると、変調器によって発生した制御された変調位相差δФc,i は、共通の変調周期Tm 、これは共通の遷移期間τの二倍の2τにほぼ等しい、とπの倍数でない位相バイアスに等しい共通の振幅を持ったバイアス成分δФm,i を含み、時間tにおける各バイアス成分δФm,i の値は時間t+Tm/2におけるバイアス成分の値と逆であり、各半周期Tm/2は少なくともN個の時間間隔に分割されている。さらに、干渉計Ii と関連したバイアス成分δФm,i をのための符号変化がこの符号変化の始めで時間間隔の一つのみで生じる。
【0026】
このように、処理装置に到達する信号は、すべての干渉計Ii の回転速度を表すサニヤック位相シフトδФs,i に同時に影響され、変調位相差δФc,i に加えられ、サニヤック位相シフトδФs,i はN個の時間間隔δti 毎にサンプリングされ、処理装置によって取り出される。
各干渉計に加えられる変調は、単一の測定軸を持ったジャイロスコープに加えられるものと類似している。バイアス変調は本発明によるとすべてのジャイロスコープ干渉計に同じであり、しかし、時間シフトが加えられている。
【0027】
光検出器からの出力に置かれた電子的分離変調回路(electronic demultiplexing and demodulation circuit)は、各干渉計Ii から信号を取り出す。
この多重化モードの利点は、光検出器が干渉計から受けたパワーが一定であるということである。
光検出器からの信号を分離し変調するとき、処理装置の電子的分離回路を使って、分離変調信号Di を共通変調周期Tm に等しい期間で加えることは有益である。これによって、各干渉計Ii と関連した分離変調信号Di は、対応する符号が変化する間、時間間隔δti で1に等しく、次の時間間隔δti+1 から後続の(N−2)番目の時間間隔δN+I-2 まで0とし、後続の(N−1)番目の時間間隔δtN+I-1 まで1とし、後続のN番目の時間間隔δtN+1 まで−1とし、(N+1)番目の時間間隔δtN+I+1 から後続の(2N−2)番目の時間間隔δt2N+i-2まで0とし、後続の(2N−1)番目の時間間隔δt2N+i-1まで−1とする。
【0028】
提案された実施の形態によると、各干渉計Ii から発生する制御された変調位相差δФc,i は、制御された変調位相シフトФc,i を干渉計Ii の中を伝播する二つの反対方向の伝播波に同時に加えることによって変調器により生成される。これら反対方向に伝播する波は、遷移期間τに等しい時間シフトの後に再結合され、位相シフトФc,i は位相差δФc,i を決める。変調位相シフトФc,i は、変調周期Tm に等しい周期を有するバイアス成分Фm,i を含み、バイアス成分Фm,i は発振項(term)Фo,i と一定のオフセット項(term)Фd,i の総計である。時間tにおける発振項Фo,i の値は、時間t+Tm/2における値と逆であり、発振項Фo,i は位相バイアスの半分に等しい振幅を有すると共に、干渉計Ii に対応する時間間隔δti の始めにおいて符号を変化する。
【0029】
位相バイアスは好ましくはπ/ 2に等しい。
この値は、干渉計の回転により生成された位相シフトの存在下で測定された信号の最大感度を与える。
本発明による測定方法で定められたすべての時間間隔δti は、便利なことに同じであり、変調周期Tm/2の1/ Nに等しい。
【0030】
特に、この時間配分は連続時間間隔δti の間の遷移の間に重複する応答による寄生効果の減衰を促進する。この型の望ましくない効果は、本質的に異なった干渉計で生ずる遷移時間の間の差による。
時間間隔δti の規則性は、期間Tm/(2N)を訂正するために方法を調整することを可能にする。
【0031】
より良い訂正方法によると、周期的信号処理ゲートは、処理装置に到達した出力信号に加えられる。ゲートは、変調周期Tm の1/ (2N)に等しいゲート周期を持った振幅変調よりなり、時間間隔δti の一つの上の中央に位置する各ゲート周期の部分の間信号を変化させないままとし、この周期の他の部分の間それをキャンセルする。半変調周期Tm/2と干渉計Ii の自然の周期τi の間の変化による寄生効果はこのように減衰される。
【0032】
別の訂正方法によると、光源から発射された信号は光源に接続された電子的変調回路によって影響される。この回路は変調周期Tm の1/ (2N)に等しい消光周期(extinction period )に順次の消光を与える。変調半周期Tm/2と干渉計Ii の自然の周期τi の間の変化による寄生効果はこのように減衰される。
第2の方法は、第1のものと共に有益に用いられる。信号は無限のスロープで落ちないので、それらは異なった時間で起こる指数関数と光源から発する合計パワーに依存する高さと比較することができる。このように創り出される寄生効果は、指数関数の高さを相当減らすために、各信号のピーク上で光源をスイッチオフすることにより、最小化される。
【0033】
順次の消光は、低雑音レベルを保つ電子変調回路を用いることにより、有効になされる。
好ましい測定方法によると、干渉計Ii の回転による、そして成分δФm,i をバイアスする関連する制御された変調位相差δФs,i を加えた、可能なサニヤック位相シフトδФs,i は、各干渉計Ii のために変調位相差δФc,i の逆反作用成分(counter reaction)δФcr,iにより補償される。サニヤック位相シフトδФs,i と逆反作用成分δФcr,iは、干渉計Ii の回転が逆反作用成分δФcr,iから推測されるように、連続的にサーボ制御されて0になる。
【0034】
これは、単一の測定軸を持ったジャイロスコープのために先に記載された閉ループ操作である。本発明によるジャイロスコープに適用可能な多重化技術は、位相傾斜を用いた知られている逆反作用技術と両立できる。これらの技術は、光パワーとは独立に測定された回転により線形の応答を与えることができる。
本発明は、Nが2より小さくないN個の軸についての回転速度を測定するために用いられる光ファイバー干渉計型ジャイロスコープに関する。このジャイロスコープは、
- サニヤックリング内のN個の干渉計Ii であって、二つの反対方向の伝播波が各干渉計内を伝播しており、各伝播波についての分離と再結合との間の伝播時間は遷移期間τi を有しており、干渉計Ii と関連したτi の値が共通の遷移期間τとほぼ等しくされているものと、
- 共通の光源と、
- 共通の光検出器と、
- 各干渉計内を伝播する反対方向の伝播波の間の制御された変調位相差を発生する位相変調器と、
- 変調器を制御し、光検出器からの信号を受け、これら信号を分離復調し、干渉計Ii の回転速度を出力する制御装置を備えている。
【0035】
本発明によると、変調器で発生する制御された変調位相差成分δФc,i は、共通遷移時間τの二倍の2τにほぼ等しい共通変調周期Tm と、πの倍数でない位相バイアスに等しい共通の振幅を持った、バイアス成分δФm,i を有しており、時間tにおける各バイアス成分δФm,i の値は、時間t+Tm/2におけるバイアス成分と逆である。各半周期Tm/2は、少なくともN個の時間間隔δt1 に分割され、各干渉計Ii の変調器は、一つのそして唯一の時間間隔δt1 において、関連するバイアス成分δФm,i の符号の変化を生成する。
【0036】
このように、処理装置に到達する信号は、すべての干渉計Ii の回転速度を表す、サニヤック位相シフトδФs,i に同時に影響され、変調位相差δФc,i に加える。処理装置は時間間隔Nδt1 の信号サンプリングによりこれらサニヤック位相シフトδФs,i を取り出す。
本発明によるジャイロスコープの好ましい実施形態によると、それは光源に接続された一組のカプラー、光検出器、及び干渉計Ii を具備する。すべてのカプラーは、N個の入力ゲートとN個の出力ゲートを持っており、それぞれ、一つの入力ゲートは光源に接続され、Nー1個の入力ゲートは光検出器に接続され、N個の出力ゲートは干渉計Ii に接続される。
【0037】
この型の装置では、光源から出力する信号は、実際に同時にすべての干渉計に到達し、遷移時間がすべての干渉計についてほぼ同じであるため、干渉計を通った後、ほぼ同時に光検出器に達するN個の信号に分割される。
さらに、この装置で、各干渉計は光源から発する同じ光パワーを受け、光検出器は各干渉計から同じ光パワー出力を受ける。
【0038】
位相変調器の存在は、光スイッチのような使用の複雑さがない多重化を可能にする。
本発明によるジャイロスコープの好ましい実施形態の第1の構成において、ジャイロスコープはN個の出力とN個の入力を持った単一のカプラーよりなる。
第2の構成において、カプラーの各々は、二つの入力ゲートと二つの出力ゲートを持ち、ツリー構成のセットを形成する。
【0039】
スーパー発光ダイオードのような偏向された光を発する光源を持った、偏向保持カプラー、例えば、側面を光らせたファイバーによりつくられた、を使うことは有益である。この型の光源は大変経済的である。
あるいは、スーパー蛍光ファイバー光源と呼ばれるネオダイム(Neodyme )またはエルビウム(Erbium)ような希土物質をドープされたファイバー光源が、偏光を保持することなく通常のファイバーカプラーと用いることができる。
【0040】
この第2の構成の好ましい設計において、ジャイロスコープは、二つの干渉計と一つのカプラーを含み、この1/ 2、1/ 2カプラーは、光源に接続された第1の入力ゲートの入射パワーを、二つの干渉計に接続された二つの出力ゲートに送られる二つのパワーに分配する。各々は入射パワーの半分に等しい。
このように、両方の干渉計は各々同じ光パワーを受け、干渉計から出力される信号と光検出器が受ける信号はバランスしている。
【0041】
この第2の構成の好ましい設計では、ジャイロスコープは三つの干渉計と二つのカプラーよりなる。これらカプラーの第1のものは、二つの入力ゲートを持っており、一つは光源に、他は光検出器にそれぞれ接続され、一つの出力ゲートは第1の干渉計に接続され、他の出力ゲートは第2のカプラーの第1の入力ゲートに接続されている。第2の1/ 2、1/ 2カプラーは、光検出器に接続された第2の入力ゲートと出力ゲートを持っており、それらの各々はそれぞれ他の二つの干渉計に接続されている。第1の1/ 3、2/ 3カプラーは、光源に接続された入力ゲートの入射パワーの1/ 3を、第1の干渉計に接続された出力ゲートに送られるパワーの第1の部分に配分し、入射パワーの2/ 3を、第2のカプラーの第1の入力ゲートに接続された出力ゲートに送られるパワーの第2の部分に配分する。
【0042】
このように、三つの干渉計は各々同じ光パワーを受け、干渉計から出力される信号と光検出器が受ける信号はバランスしている。
干渉計とカプラーの間の光路は、光源干渉長さより大きく、異なった干渉計からの波は、非干渉であり、干渉しない。
偏光子は有益にカプラーと干渉計Ii の間に挿入される。
【0043】
第2に、本発明によるジャイロスコープは、有効に他のジャイロスコープに結合できる。
特に、本発明の第2のジャイロスコープに、二つの入力ゲートと二つの出力ゲートを具備するカプラーを通して結合することは有用である。二つの入力ゲートは二つのジャイロスコープの光源に接続され、二つの出力ゲートは二つのジャイロスコープに接続され、光信号をそれらに送る。
【0044】
二重光源と二重光検出器は、四つの測定軸を持った構成において余分に使われている。
本発明を図面を参照してより詳細に以下に記載する。
【0045】
【発明の実施の形態】
図1に示された本発明の1つの実施形態による3つの測定軸を持った干渉計型ジャイロスコープは、光源1、光検出器2、三つの干渉計I1 、I2 、I3 、そしてファイバーカプラー4、5を具備する。光源1は、典型的にはスーパー発光ダイオード(SLD)であるが、希土物質を添加されたファイバー光源、またはスーパー蛍光性光源としてもよい。光検出器2は、電子処理装置11に接続されている。3つの干渉計I1 、I2 、I3 の各々は単モード光ファイバー多重巻きコイル10を含む。3つのコイル10の長さは、それらを通り抜ける光信号が同じ遷移時間τを持つようにほぼ等しくされる。結合された3つのコイル10の回転は、光ジャイロスコープ9により測定される。干渉計I1 、I2 、I3 の各々は、二つの枝ガイド15に分離されている中央ガイド14を具備する統合された光Y接合6を具備する。枝ガイド15は、ファイバーコイル10の端部に接続されている。位相変調器7は、光Y接合6の枝ガイド15の各々に設けられている。2つのファイバーカプラー4と5は、2つの入力ゲート120、121、124、125、及び2つの出力ゲート122、123、126、127を持ったカプラーで、2×2カプラーと呼ばれている。
【0046】
第1のカプラー4は、光源1に接続された入力ゲート120を持っており、第2の入力ゲート121は光検出器2に接続されている。第1の出力ゲート122は、第1の干渉計I1 のY接合6の中央ガイド14に接続されている。第2の出力ゲート123は、第2のカプラー5の二つの入力ゲートの一つ124に接続されている。すべての結合は光ファイバー3でなされている。第2のカプラー5は、第1のカプラー4の出力ゲート123に接続された入力ゲート124を持っており、第2の入力ゲート125は光検出器2に接続され、その二つの出力126と127は、中央ガイド14とそれらのY接合6に接続されてそれぞれ二つの干渉計I2 、I3 に接続されている。
【0047】
第1のカプラー4は、1/ 3、2/ 3カプラーで、4. 8dBカプラーとも呼ばれ、光源1から発する入射パワーを、1/ 3を干渉計I1 への出力ゲート122に、そして2/ 3を第2カプラー5への出力ゲート123に分配する。
第2のカプラー5は、1/ 2、1/ 2カプラーで、3dBカプラーとも呼ばれ、第1のカプラー4から発する入射パワーを、出力ゲート126と127で2つの等しい部分に分配する。この構成は、光検出器2が三つの干渉計I1 、I2 、I3 の各々から等しいパワーを受けるように、三つのコイル10の各々に同じパワーを与えることができる。
【0048】
もし光源1としてSLDを用いるなら、この光は偏光され、偏光を保つためにカプラー4、5を用いることが好ましい。
操作においてパワー信号Ps が光源1から伝送される。Ps/3のパワーが第1の干渉計I1 に到達し、第2カプラー5の入力ゲート124は2Ps/3のパワーを受ける。このパワー、2Ps/3は二つの干渉計I2 、I3 に配分され、それらの各々はPs/3のパワーを受ける。三つの干渉計I1 、I2 、I3 からのパワー出力をそれぞれP1 、P2 、P3 と表すと、光検出器2により検出されるパワーPD は以下のようになる。
そのため、検出されたパワーPD の合計は、干渉計I1 、I2 、I3 からのパワー出力の総計の2/ 3に等しい。言い替えれば、光源1から発するパワーPs の2/ 9である。そのため、三つのコイル10は同じ強さで照らされ、光検出器2からのバランスした信号を受ける。
【0049】
電子処理ユニットは、選ばれた変調多重化に対応して制御される変調位相シフトФc,i を与える変調器7を制御する
前記構成において、単一のY接合6のガイド枝15に設けられた二つの変調器は、同時に逆の位相シフトを与える。そのため、三つの干渉計I1 、I2 、I3 で与えられた三つの制御された変調位相シフトФc,1 、Фc,2 、Фc,3 は、識別することができる。
【0050】
処理装置11は、それが分離復調する光検出器2から発する信号を受ける。干渉計I1 、I2 、I3 のコイル10は回転しているので、処理装置11は受けた信号からコイル10の回転速度Sを取り出すことができる。
閉ループで操作するとき、受けた信号は変調器7で与えられた位相シフトФc,i を調整するために処理することができる。
【0051】
制御された変調位相シフトФc,i は、周期的変調、及び可能であれば閉ループでの操作のための逆反作用(counter-reactin )成分Фcr,iよりなるバイアス成分Фm,i を含む。バイアス成分Фm,i は、発振項Фo,i と、位相シフトФm,i により発生する位相差δФm,i に影響を及ぼさない一定項Фd,i の総計である。それゆえ以下のようになる。
【0052】
Фc,i =Фm,i +Фcr,i=Фo,i +Фd,i +Фcr,i
個々のコイルの遷移期間は、ほぼτに等しい。結果は、干渉計I1 で発生する周期的バイアス位相差Фm,i と可能であれば逆反作用位相差δФcr,iの総計である。
δФc,i(t) =δФm,i(t) +δФcr,i( t)
=(Фo,i(t) −Фo,i(t−τ) )+(Фcr,i(t) −Фcr,i(t- τ) )
干渉計Ii でつくられる信号は、バイアス成分Фm,i の発振項Фo,i を用いて多重化できる。
【0053】
本発明の方法による多重化において、標準的変調は三つの干渉計Ii の各々のために、丁度良いときにオフセットをもって行われる。
この多重化は、図2から図9に示されている。干渉計I1 の変調器7は、同じバイアス位相シフトФm,i を干渉計I1 のコイル10を伝播する反対方向の伝播波に与える。図2に示された時間40での変化は、周期Tm 、振幅π/ 4で、オフセット値Фd,1 付近の変調よりなる。
【0054】
変調周期Tm は、共通遷移期間τの2倍である。干渉計I1 、コイル10の波を伝播後、波のバイアス位相シフトФm,1 は、時間40での先の変化と比較した遷移時間τにより置き替えられた時間41での変化を有する。周期Tm は2τに等しいので、結果は、変調器7で発生したバイアス位相差δФm,1 は、ゼロ付近で周期Tm と振幅π/ 2での変調よりなる、図2に示された時間42での変化を有する。
【0055】
干渉計I1 の干渉パワーP1 は、この変化42から直接推測される。図3に示された重ねられた波の位相差δФの関数としての干渉パワーPの変化20は、πの倍数ではなく, 位相差δФm,1 がπ/ 2の奇数倍であるとき最高感度である位相差δФm,1 のための信号を得るために用いることができる。
時間42での位相差δФm,1 の変化と位相差δФの関数としてのパワーPの変化20は、干渉計I1 からの干渉パワー出力P1 の時間43での変化を制御できる。
【0056】
Po を同位相の二つの波から得られる最大パワーとすると、図3に示されるように、周期Tm/2を有する変化43は、各周期の始めに高さPo でピーク54を有し、各半周期Tm/2の間Po/2に等しい。
干渉計I1 のコイル10は回転している時、回転速度Sに比例したサニヤック(Sagnac)位相シフトδФs,1 はバイアス位相差δФm,1 に加えられる。
【0057】
時間44での図4に示されている干渉計I1 のコイル10が回転している時のバイアス位相差δФm,1 の変化は、回転を生じない変化42に関し、位相シフトδФs,1 によりオフセットされる。
時間50での干渉計I1 から出力する干渉パワーP1 の変化は、回転がないときと同じ方法で、位相シフトδФの関数としての干渉パワーPの変化20を用いて推測され、図4に示されている。
【0058】
この変化24はTm の周期を有しており、各半期Tm/2でPo に等しい高さ54でピークとなり、半周期Tm/2の間Po/2に等しい最小及び最大値を交互に行う。
この信号を知って、伝統的方法は、得られたパワー変調を用いて干渉計I1 のコイル10の回転速度を決めるために使うことができる。
【0059】
干渉計I2 とI3 でそれぞれ発生されるバイアス位相差δФm,2 とδФm,3 は、期間Tm/6とTm/3での時間置き換えによって干渉計I1 で発生したバイアス位相差δФm,1 から単に決定される図5で示されている時間45と46での変化を有している。これら位相差δФm,2 とδФm,3 は、干渉計I2 とI3 のバイアス位相シフトФm,2 とФm,3 を加えることにより得られる。時間(示されていない)での変化は、期間Tm/6とTm/3の時間置き換えを用いて位相シフトФm,1 の変化40から推測できる。
【0060】
このように、この方法によると、Tm/6に等しいクロック期間Th が用いられる。
各半周期Tm/2は、三つの連続する時間間隔δt1 、δt2 、δt3 に配分される。各期間Th の間、バイアス位相差δФm,1 の一つのみが他の二つと反対の符号を持っている。干渉計Ii からの出力で得られる干渉パワーP1 、P2 、P3 は、位相差δФm,1 から決めるられる。
【0061】
干渉計Ii のコイル10の回転によるサニヤック位相シフトδФs,i の存在下において、図6に示された時間50、51、52での変化は、Po/2の付近の値が中心となる周期Tm の変調よりなり、各Tm/2の半周期で高さPo のピーク54を有している。
三つのパワー変調は各々Tm/6で他からオフセットされる。結果は、三つの干渉計Ii から光検出器2が受けたパワーPD 、これは三つのパワーP1 、P2 、P3 の総計に2/ 3を掛けたものであるが、はすべての時間において、各干渉計Ii でサニヤック位相シフトδФs,i に対応する三つの変調を考慮しているということである。
【0062】
図6で示されているパワーPD の時間53での変化は、Tm/6の間一定値を持ち、3Po/2の値の付近で発振する高さと、各一定値56の始めに現れるピーク55を持ち、2Po の値の付近で発振する高さを有する、周期Tm の関数である。
光検出器から発し、処理装置が受けた信号からスタートし、干渉計Ii から出力する信号は、図7に示されるように電子的分離復調回路(elecrtonic demultiplexing and demodulating circuit)65を用いて再現される。この特許の他の部分では、分離という言葉は、同時に分離復調を表すために使われる。
【0063】
この回路65は、三つの分離装置61、62、63と積分器57が設けられている三本の線59に分割される入力線58を具備している。分離装置61、62、63は線59で検出された信号に分離信号D1 、D2 、D3 を各々加える。
図8に示されている分離信号D1 、D2 、D3 の時間66、67、68での変化は、干渉計I1 ,I2 ,I3 から各々発する信号を再現するために使われる。分離は閉ループで動作するので、信号Di は標準化される。
【0064】
信号D1 の変化66は、半周期Tm/2の最初の1/ 3の間1に等しく、二番目の1/3の間0に等しく、三番目の1/3の間1に等しい周期Tm の奇数関数である。信号D1 、D2 の時間67と68での変化は、各々期間Tm/6とTm/3の時間置き換えをすることにより変化66から推測できる。
図9に示されているように、分離信号66、67、68に対応するバイアス位相差42、45、46をつくることは有益である。各信号Di は、関連する位相差δФm,i から単に推測される。位相差は単にそれを正常化し、各ステップの中間においてクロック期間Th の間それを取り消すことにより修正されることを必要とする。
【0065】
同じ多重化と分離の手順は三つの測定軸の代わりに二つの測定軸に容易に変えることができる。クロック時間Th はTm/4に等しく、各半周期Tm/2に関し二つの間隔δt1 とδt2 を定めている。図10に示されている、二つの軸に与えられるバイアス位相差δФm,1 とδФm,2 は、時間140と141での変化が先に述べた42、45、46のそれに類似している変調である。それらは期間Th =Tm/4で他に関してオフセットされる。分離信号はD1 、D2 は、単純なかけ算成分により140と141の位相差の変化から直接決定される変化142と143を有している。最初の分離信号D1 は、0から2Th は1、2Th から4Th は−1、であり、第2の信号は、0からTh は−1、Th から3Th は1、3Thから4Th は−1である。そのため、それらは標準変調に対応する。
【0066】
この方法を測定軸の任意の数Nに一般化することは容易である。クロック時間Th はTm/(2N)に等しく、Nを各半周期Tm/2において間隔δt1 、δt2 、--- δtN に定める。N軸にそれぞれ加えられるN個のバイアス位相差δФm,i は、Th (図11)による時間144、145の連続的なオフセットでの変化を有している。
【0067】
N個の多重化信号D1 、D2 、--- DN は、単純マトリックス反転により位相差δФm,2 から決められる。それらの時間146、147での変化(図11)は、各ステップの中間において(N−2)クロック期間Th のためにそれらをキャンセルすることにより、時間144、145での1に正常化された位相差の変化から得られる。i 番目の分離信号Di は、δti の間隔の間1で、δti+1 からδtN+i-2 は0、δtN+i-1 の間は1、δtN+i の間は−1、δtN+i+1 からδt2N+i-2は0、δt2N+i-1の間は−1である。
【0068】
このように行われる分離は、各間隔δti で光検出器2の信号の変換後、デジタル電子技術で数値的に実行することは簡単である。
回転の測定は、それ自体はよく知られている閉ループでの操作により改善することが出来る。各干渉計Ii の変調器7は、制御された変調位相シフトФc,i を創り出すためにバイアス位相シフトФm,i に加えられる逆反作用位相シフトФcr,iに適用する。図12に示された典型的なこのタイプの位相シフトФcrの時間35での変化は、逆反作用周期τcrと高さ2πを持った位相傾斜38の連続よりなる。
【0069】
干渉計Ii の一つのコイルを通り抜けた後、逆反作用位相シフトФcrの時間36での変化は、図12に示されているように期間τにより置き換えられる。位相傾斜38のスロープをaに等しくすると、変調器7で発生される逆反作用位相差δФcrは、位相差δФcrが連続的にaτに等しく、2πの要素で乗算されるような時間37での変化のためのステップ関数を持つ。
【0070】
このように達成されるサーボ制御は、対応するコイル10の回転速度Sを、aから、より直接的には位相傾斜38が落ちる周波数から推測するのを容易にする。
この閉ループ操作は完全に安定しており、各干渉計Ii からの信号出力の間の相互作用は、特に光源を変調する光源1への帰還のために、サーボ機構による制御により補償される。
【0071】
π/ 2に等しい位相バイアスを選ぶことは特に有益であるが、πの倍数でない他の値を選ぶことができる。
さらに、周期Tm を同じ期間の時間間隔δti に区切ることは特に実際的であり、特にクロック時間Th との一致のため、明確な期間を持った時間間隔δti を使うことは可能であり、本質的な点は周期Tm の区切りを得ることである。
【0072】
多重化は、例としてあげられたシステムより複雑な変調システムと、シフトにより時間内に結びつけることができる。ステップの代わりに、それ自体よく知られている四つの状態を有する変調でそれを用いることは有益である。典型的には、この変調は四つの位相バイアスπ/ 4、3π/ 4、−3π/ 4、−π/ 4の周期的連続を持っており、この特別のケースは限定的ではない。
【0073】
ほとんどの実施形態において、干渉計Ii のコイル10の遷移期間τi は、同じ遷移期間τを持ったものである。変調周期Tm は2τに等しく選ばれ、それはこの遷移期間τの二倍である。
これら長さ間の差は、多軸ジャイロスコープ9を用いることを主として困難にしているバイアスエラーを引き起こす。
【0074】
遷移期間τとτ及び振幅π/ 4よりわずかに大きい周期Tm を持ったバイアス位相シフトФm を与える関連する変調器7を有する干渉計Ii において、入射波は図13に示されている時間70での位相シフトФm の変化に従っており、干渉計Ii のコイル10の出力においてバイアス位相シフトФm(t-τ) があり、それは時間70での加えられた位相シフトФm (t)の時間70での変化から期間τで置き換えられた時間71での変化を有している。
【0075】
結果は、干渉計Ii からの出力で得られたバイアス位相差Фm は、周期Tm と振幅π/ 2を持った変調に対応し、ゼロ付近を中心として、あたかもバイアスエラーがないのと同じやり方で、時間72での変化を有しているということである。
しかし、変調を構成する上側レベル130と下側レベル131の間に、0位相シフトと期間(Tm/2)−τを持ったレベル132がある。結果は、バイアス位相差Фm による干渉パワーの時間73における変化は、2/ Tm の割合で高さPo のパワーピーク54により妨げられた、高さPo/2の変動のない変化ではもはやなく、しかし、先のピーク54と同じ高さと同じ割合で期間(Tm/2)−τでステップ133で変化するということである。
【0076】
パワー変化73は、干渉計Ii のコイル10の回転速度Sを表すサニヤック位相シフトδФs を用いてなされた測定の正確さを明らかに減じることはない。事実すべての事項は、差P(t)−(t+Tm/2)に対応する半周期の時間シフトで得られる二つの信号間の差である。この差は変化P(t)のステップ133によって影響されない。
【0077】
あいにく実際には、この矩形信号は、特に一般に異なっている立ち上がりと立ち下がり時間のため、完全に対称的ではない。このタイプの非対称的変調の存在下で、時間75、76、77での干渉パワーの変化は、図14が表すように2/ Tm の割合でステップ関数135、136、137を示す。
変調周期Tm が遷移期間τの倍の2τに等しいとき、パワーPの時間76での変化は同じ期間d1でのステップ137を含む。変調周期Tm が遷移期間τの倍の2τより大きいとき、非対称な変調は時間75での干渉パワーの変化で、それぞれ低い期間d1と高い期間d2でステップ135と136の交替を創り出す。そのため、応答はもはやTm/2の周期を有しておらず、得られる差は、結果を不精確にする。
【0078】
同じ現象が、変調周期Tm が遷移期間τの倍の2τより小さいときにおこる。それぞれ高い期間d4と低い期間d5を持ったステップ136と135の交替が、干渉パワーの周波数変化77上で見ることが出来る。
Dfを干渉計Ii のコイル10の自然周波数1/ (2τ)と異なった周波数とする、別の言葉で言うと、Df=(1/ Tm −1/ (2τ))2τとする。このように創られたラデイアンでの平均バイアスは、2πDfに等しい。温度の関数としての自然周波数1/ (2τ)の相対的変化は10ppm/Kelvinである。
【0079】
これは100Kの特定の温度帯で10のマイナス3乗ラデイアンのオーダーのエラーを与え、必要なオーダーである10-6または10-7のオーダーをこえる。周期Tm/2で復調後に得られるバイアスエラーは、主に短い期間d1、d2、d3、d4、d5でステップ135、136、137上に集中している。
本発明の好ましい実施形態によると、電子処理装置11は期間Tm/2を持った周期的信号処理ゲートを具備する。図15に示されたこの方法は、処理ユニット11で受けた干渉パワーの時間83での変化において、周期的ゲート80を作り上げる期間d6の時間間隔を除くことにある。処理ユニット11で使われる時間サンプリング期間は、外部のこれら時間間隔から選ばれる。
【0080】
πでの消衰による、または時間内におけるオフセットにより多重化するとき、光検出器2で受けた応答信号32、5で得たピーク33、55は、6/ Tm の割合で現れる。そのため、バイアスエラーを取り除くため使われる電子処理ゲート80は、Tm/6の期間を有している。
より一般的に、N個の干渉計で多重化することは、期間Tm/Nで一つのゲートを必要とする。
【0081】
このゲートは効率的であるが、いくつかの間違いを取り除かない。特に、信号は無限のスロープで落ちないので、異なった時間で生ずる指数関数的減少81は、考慮されなければならず、そのため、図15に見られるように高さh1は光源から発する合計パワーに依存する。それゆえ、時間83でのパワーの変化を示すカーブ上で選ばれるサンプリング点82の値は、指数関数的減少によりゆがめられる。
【0082】
この効果を最小にするため、指数関数的減少81の高さh1を最小にするためにピーク33、55の各時間で光源1をスイッチオフすることは有益である。
これは、図16と図17のブロック・ダイヤグラムに示されているものに類似した電子変調回路を用いてなされる。この電子回路84は、カレントミラー97を通して低雑音電流発生器85に結合された論理ゲート95よりなる。論理ゲート95は、光源1として働くスーパー発光ダイオード96と並列に接続される。この論理ゲート95は、SLD回路96を短絡することができ、またはしないU101に変調を与える。電流は、入力89を通して電流を受ける低雑音電流発生器85を通してこの回路95、96に供給される。
【0083】
SLD96から発する光の強さは、直接それを通過する電流に依存している。これが、なぜ電流発生器85の雑音レベルが低く保たれなくてはならないかという理由である。
【0084】
【外1】
【0085】
低雑音電流発生器85は電流供給源89、接続102、測定抵抗器91を通ってカレントミラー97に通ずる出力93を持ったNPNトランジスタ87を有している。
エンドボックス92は、エンドボックス92の出力94で抵抗器91の端子に印加される電圧Ur を与えるために、抵抗器91に並列に接続される。この出力94は、設定された電圧が印加される入力88を有する比較器90に接続される。設定された電圧と抵抗器にかかる電圧Ur 間の差は、比較器により積分器86に伝えられる。この積分器はトランジスタ87を接続102に導く。
【0086】
操作の間、SLDを通る強さIを持った電流は、電圧Ur を発生する抵抗器91を用いて測定される。この電圧は比較器90の設定された電圧と比較され、二つの電圧の差は、電流の値Iをサーボ制御するためトランジスタ87を反応させる積分器86を制御する。
このサーボ制御のカットオフ周波数は、雑音を最小にするため低いが、しかし、他の成分の温度ドリフトを補償するには十分である。トランジスタ87は、電流を抵抗器91に供給する一方、それを電力供給から分離する。この電力供給の雑音はこのように取り除かれる。
【0087】
【外2】
【0088】
論理ゲート95の使用は、電力供給に係る障害をほとんど生じない10nsより小さい、非常に短い立ち上がり時間を与える。もし完全な電流発生器が用いられたなら、電力供給による電流出力ゲート95の状態に係わらず一定である。
しかし、変調器101により引き起こされる負荷の変化が電流発生器84を乱すため、この回路は低雑音発生器85と用いることはできない。
【0089】
カレントミラー97は、変調101の間の負荷の変化におけるこの困難を克服するために使われる。カレントミラーはポイントAで抵抗器91に接続される。この利点は、ポイントAから見た負荷は変調とは独立して定められるということである。
カレントミラー97はPNPトランジスタ98と99を有しており、各々は二つの入力103と104、二つの出力143と144、そして互いに接続された二つの接続141と142を有している。ポイントAから発するカレントミラー97の入力リード140は分割され、トランジスタ98と99の入力103と104に接続される。トランジスタ98の出力143は、アース144に接続されている抵抗器100に接続される。第2のトランジスタ99は、ソース変調回路95、96に接続されている。線182はトランジスタ98と99の接続141、142の接合部を、トランジスタ98の出力143に接続する。
【0090】
操作の間、トランジスタ98と抵抗器100で構成される枝は、トランジスタ98がダイオードのように設けられており、二つのトランジスタ98と99が等しいので定められた電荷を持っている。二つのトランジスタ98と99のベース電圧は等しいので、トランジスタ99のソース変調回路95、96への出力電流144は、回路95、96を含む枝の負荷と独立して、抵抗器100に導くトランジスタ98の出力143と一致している。
【0091】
ポイントAからスタートし、カレントミラー97に強さIで到達する入力電流は、各々等しいI/ 2の二つの電流に分かれ、それぞれ抵抗器100と回路95、96を通る。
ソース変調装置95、96と低雑音電流発生器85の間のカレントミラー97の存在は、非常に低い雑音と速い光源1が得られることを意味している。発生器85の変調による電力供給に係る寄生音の発散はこのように訂正される。
【0092】
電子変調回路84で、雑音レベルはSLD96に与えられる変調とは独立していることがわかった。SLD96を通る電流は典型的に80mAの高さのステップで20nsのオーダーの立ち上がり時間を持っていることもわかった。電子ー光現象は電子現象と比べて非常に速いので、SLD96による光パワー出力は、それを通る電流と同じ側面を持っている。
【0093】
識別多重化プロセッサーを用いた多くの他の種類の多軸光ジャイロスコープは、上記と同じ原理に基づいて設計する事が出来る。
特に、図18に示された多軸光ジャイロスコープの別の実施形態によると、N個の干渉計Ii を使うことができる。この光ジャイロスコープ108は、光源1、光検出器2、そして、第1の実施形態のように光Y接合6、ファイバーコイル10、変調器7を備えた干渉計Ii を有している。
【0094】
この別の実施形態において、単一のカプラー105がN個の入力ゲート106、107とN個の出力ゲート109を持って用いられており、一つの入力ゲート106は光源に、他のN−1個の入力ゲート107は光検出器2に、そしてN個の出力ゲート109は干渉計Ii にそれぞれ接続されている。
干渉計Ii の数は、2×2カプラーをもっぱら用いることにより3より大きい数にすることもできる。2×2カプラーの独占的使用は、特に光の偏向が変化せずに保たれることを意味する。
【0095】
図19に示された本発明による光ジャイロスコープの別の実施形態は、四つの測定軸を持ったジャイロスコープに関する。
他の実施形態によるジャイロスコープ114は、光源1、光検出器2、及び先のジャイロスコープと同じ構成要素を有する四つの干渉計Ii を具備する。
ジャイロスコープ114は、三つの1/2、1/ 2カプラー145、146、147を具備する。第1のカプラー145は、光源1に接続された入力ゲート148と光検出器2に接続された入力ゲート149を持っている。その第1の出力ゲート150は、第2のカプラー146に接続され、第2の出力ゲート151は第3のカプラー147に接続される。第2のカプラー146と147は、回路において対称に配置される。
【0096】
カプラー146の入力ゲート152は、第1のカプラー145の出力ゲート150に接続され、第2のカプラー146の第2の入力ゲート153は、光検出器2に接続されている。第2のカプラー146の二つの出力ゲート154、155は、それぞれ干渉計I1 とI2 に接続されている。第3のカプラー147の入力ゲート156は、第1のカプラー145の出力ゲート151に接続されており、入力ゲート157は、光検出器2に接続され、二つの出力ゲート158と159は、他の二つの干渉計I3 、I4 にそれぞれ接続されている。
【0097】
四つの干渉計Ii に到達するパワーは同じであり、干渉計Ii から光検出器2が受ける信号はバランスするように回路は設計される。
先に記載した二つの多重化方法は、本発明によるこのジャイロスコープ114に直接適用可能である。
本発明の基本原理に従って、ジャイロスコープをつくることにより利用可能な多くの可能性に加え、これらジャイロスコープのいくつかは、共に結合し、あるいは他の異なった型のジャイロスコープと結合する事が出来る。
【0098】
図20に示された可能な技術は、先の記載に従って各々二つの測定軸を持った二つのジャイロスコープを結びつけたジャイロスコープ115よりなる。そのため、四つの軸を持ったこの構成は、二つの光源110、111、二つの光検出器112、113、そして四つの干渉計Ii を具備する。
ジャイロスコープ115は、三つの2×2カプラー160、161、162を具備しており、カプラー160と161は対称になっている。パワー供給カプラー162の二つの入力ゲート163と164は、それぞれ光源110、111に接続されている。その出力ゲート165と166は、それぞれ他の二つのカプラー160と161の入力ゲート167と171に接続されている。干渉計Ii と接続している第1のカプラー160は、カプラー162の出力ゲート165に接続された入力ゲート167を持っており、その第2の入力ゲート168は第1の光検出器112に接続され、その二つの出力ゲート169と170はそれぞれ二つの干渉計I1とI2 に接続されている。干渉計Ii に接続された第2のカプラー161は、カプラー162の出力ゲート166に接続された入力ゲート171を持っており、その第2の入力ゲート172は第2の光検出器113に接続され、その二つの出力ゲート173と174はそれぞれ他の二つの干渉計I3 とI4 に接続されている。
【0099】
1/ 2、1/ 2カプラーの使用は、干渉計Ii へ送られ、そして干渉計Ii からの光検出器112、113で受けるエネルギーをバランスさせる。
先の実施形態と比較すると、これは一つではなく二つの電子処理装置を必要とする。二つの先に記載した多重化の型は、干渉アセンブリーI1 、I2 及びI3 ,I4 に別々に適用することが好ましい。
【0100】
これはこのように2バイ2多重化スキームを豊富に導き出す。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は、この発明による2軸ジャイロスコープを示す図である。
【図2】図2は、図1の第1のジャイロスコープ干渉計において本発明による方法を用いて加えられたバイアス位相シフトの、遷移期間により置き換えられた同じ位相シフトの時間での変化、及び発生したバイアス位相差を示す図である。
【図3】図3は、図2の位相差の時間での変化、この位相差の関数としての干渉パワーの変化、及び時間でのこのパワーの変化を示す図である。
【図4】図4は、サニヤック位相シフトにより修正された図2と3における位相差の時間での変化、得られた位相差のあとの干渉パワーの変化、及び時間でのこのパワーの変化を示す図である。
【図5】第5図は、本発明の方法により、図1の三つのジャイロスコープの干渉計の各々に加えられるバイアス位相シフトの時間での変化を示す図である。
【図6】図6は、第1の多重化モードによる、図1の回転している三つの干渉計の各々で得られた干渉パワーの時間での変化と、光検出器で受けたパワーを示す図である。
【図7】図7は、図1の三軸ジャイロスコープ及び図5の多重化に対応する、分離復調回路を示すブロックダイアグラム。
【図8】図8は、図7の回路で三つの分離復調信号が加えられた時間での変化を表す図である。
【図9】図9は、図1の三つの干渉計の各々のための加えられたバイアス位相差と分離及び対応復調信号を示す図である。
【図10】図10は、2軸ジャイロスコープのための分離復調信号に対応する、本発明による方法を用いたバイアス位相差を示す図である。
【図11】図11は、N個の測定軸を持ったジャイロスコープのための、分離復調信号に対応する、本発明による方法を用いたバイアス位相差を示す図である。
【図12】図12は、干渉計で加えられる逆反作用位相シフト、遷移期間により置き換えられた同じ位相シフトの時間での変化と、発生した逆反作用の位相差を表す図である。
【図13】図13は、干渉計で加えられたバイアス位相シフトの、遷移期間のためのその置き換えの、対応するバイアス位相差の時間での変化と、変調周期がわずかに遷移期間より大きい時の干渉パワーを示す図である。
【図14】図14は、変調周期が遷移期間の二倍より大きい、等しい、及び小さい時の非対称変調の場合の干渉パワーの時間での変化を示す図である。
【図15】図15は、同期(synchronous )ゲートの存在の下で、遷移期間の二倍より大きい変調周期で非対称変調の場合の干渉パワーの時間での変化を表す図である。
【図16】図16は、可変低雑音光源を示すブロックダイアグラム。
【図17】図17は、図16で示されたカレントミラーと変調されたソース回路を示すダイアグラム。
【図18】図18は、本発明による多重軸ジャイロスコープの第2実施形態を示す図である。
【図19】図19は、四つの測定軸を持った、本発明による多重軸ジャイロスコープの第3実施形態を示す図である。
【図20】図20は、本発明による二つの2軸ジャイロスコープを組み合わせて、四つの測定軸を持った、ジャイロスコープのブロックダイアグラムを示す図である。
【符号の説明】
1…光源
2…光検出器
3…光ファイバー
4、5…カプラー
6…光Y接合
7…変調器
10…コイル
11…電子処理装置
14…中央ガイド
15…枝ガイド
57…積分器
61、62、63…分離装置
65…電子的分離復調装置
85…低雑音電流発生器
86…積分器
92…比較器
95…論理ゲート
96…SLD
97…カレントミラー
Claims (17)
- 光ファイバー干渉計型ジャイロスコープ(9)を用い、Nが2より少なくないN個の軸の周りの回転速度(S)を測定する方法であって、サニャックリング内にN個の干渉計(Ij) を備え、各該干渉計内を伝播する2つの反対方向の伝播波であって、それらの分離と再結合との間の該波の伝播期間が遷移期間(τj)であって、対応するi番目の干渉計Ii と関連した該遷移期間τi が共通の遷移期間τとほぼ等しくされているものであり、該方法は、
共通の光源(1)によってすべての干渉計に信号を出射し、
前記各干渉計(Ij) を通過した後、共通の光検出器(2)内で該信号を検出し、
各位相変調器(7)で前記各干渉計(Ij)内を伝播する反対方向の伝播波間の制御された変調位相差(δΦc,j) を発生して信号を多重化し、
各位相変調器(7)を制御して、前記光検出器(2)から発生する各信号を分離して復調し、前記各干渉計の回転速度(S)を処理装置(11)によって抽出し、前記光源(1)によって出射された前記各信号を前記各干渉計及び光検出器(2)にほぼ同時に到達させるようにし、
該各位相変調器(7)によって発生した、前記制御された変調位相差(δΦc,j) は各バイアス成分差(δΦm,j)(42,45,46)を含み、該各バイアス成分差(δΦm,j) は前記共通の遷移期間τの2倍にほぼ等しい共通の変調周期Tmを有するとともにπの倍数でない位相バイアスに等しい共通の振幅を有し、時間tにおけるi番目のバイアス成分差δΦm,i の値は時間t+Tm/2における前記バイアス成分差δΦm,iの値と逆であり、各半周期Tm/2は少なくともN個の時間間隔(δtj) に分割されており、更にi番目の干渉計Ii と関連したi番目のバイアス成分差δΦm,i はi番目の時間間隔δti の始めに符号を変え、これにより前記処理装置(11)に到達する信号は前記一組の干渉計の各回転速度を表す各サニャック位相シフト(δΦs,j) によって同時に影響され、前記変調位相差(δΦc,j) に加えられ、前記各サニャック位相シフト(δΦs,j) は、N個の時間間隔(δtj)で前記信号をサンプリングすることによって、前記処理装置(11)によって抽出されることを特徴とする、回転速度の測定方法。 - 前記光検出器(2)からの前記各信号を分離して復調するために、共通の変調周期Tmに等しい周期を有した分離復調信号(Dj)が前記処理装置(11)の電子分離復調回路(65)を通して加えられ、これによって、i番目の干渉計Ii と関連したi番目の分離復調信号Diを、
前記符号変化に対応するi番目の時間間隔δtiでは1に等しくし、
(i+1)番目の時間間隔δti+1から(i+N-2)番目の時間間隔δti+N-2までは0に等しくし、
(i+N-1)番目の時間間隔δti+N-1では1に等しくし、
(i+N)番目の時間間隔δti+Nでは-1に等しくし、
(i+N+1)番目の時間間隔δti+N+1から(i+2N-2)番目の時間間隔δti+2N-2までは0に等しくし、
(i+2N-1)番目の時間間隔δti+2N-1では-1に等しくする、
請求項1に記載の測定方法。 - 前記i番目の干渉計Ii 内を伝播する2つの反対方向の伝播波に同一の制御された変調位相シフトΦc,i を同時に加えることによって、変調器(7)は前記干渉計Ii 内に発生した前記制御された変調位相差δΦc,i を生成し、前記各反対方向の伝播波は前記遷移期間τに等しい時間後に再結合し、前記位相シフトΦc,i は前記位相差δΦc,i を決定し、前記変調位相シフトΦc,i は前記変調周期Tmに等しい周期を有するバイアス成分Φm,i(40)を有し、該バイアス成分Φm,i は発振項Φo,i と一定のオフセット項Φd,i との合計であり、時間tにおける前記発振項Φo,iの値は時間t+Tm/2における前記発振項Φo,i の値と逆であり、該発振項Φo,i は前記位相バイアスの半分に等しい振幅を有するとともに、前記i番目の干渉計に対応するi番目の時間間隔δti の始めにおいて符号を変化するようにした、請求項2に記載の測定方法。
- 前記位相バイアスはπ/2に等しい、請求項3に記載の測定方法。
- 前記各時間間隔(δtj)は等しく、かつ前記変調周期Tm/2の1/Nである、請求項1に記載の測定方法。
- 出力信号が前記処理装置(11)に到達するように加えられ、
周期的信号処理ゲート(80)は変調周期Tmの1/(2N)に等しいゲート周期を有する振幅変調で構成され、前記各時間間隔(δtj)の1つの中央に位置する各ゲート周期の一部分に対しては前記信号を変化させないままとし、該ゲート周期の他の部分の間では該信号をキャンセルし、それによって前記半変調周期Tm/2と対応するi番目の干渉計Ii と関連する遷移期間τiとの間の差による寄生効果を減衰させるようにした、請求項5に記載の測定方法。 - 前記光源(1)により出射された信号が該光源(1)に接続された電子変調回路(85)によって処理され、該変調回路(85)は前記変調周期Tmの1/(2N)に等しい消光周期において順次消光を行い、それによって前記半変調周期Tm/2と対応するi番目の干渉計と関連する遷移期間τiとの間の差による寄生効果(81、82)を減衰させるようにした、請求項6に記載の測定方法。
- 各干渉計(Ij)について、i番目の干渉計の回転によって生じ、前記の関連制御された変調位相差δΦc,iのバイアス成分差δΦm,iに加えられたサニャック位相シフトδΦs,iは、前記変調位相差δΦc,i に等しい逆反作用成分δΦcr,i によって補償され、該サニャック位相シフトδΦs,i と該逆反作用成分δΦcr,iとの和δΦs,i+δΦcr,i がゼロとなるように連続的にサーボ制御され、それによって、前記各干渉計の回転が該逆反作用成分δcr,i から推測されるようにした、請求項1〜7のいずれか1項に記載の測定方法。
- Nが2より少なくないN個の軸の周りの回転速度(S)を測定するために用いられる光ファイバー(3)を有する干渉計型ジャイロスコープ(9)であって、
サニャックリング内のN個の干渉計(Ij)であって、2つの反対方向の伝播波が前記各干渉計内を伝播し、該各伝播波についての分離と再結合との間の伝播時間は遷移期間(τj)を有しており、対応するi番目の干渉計と関連する前記各遷移期間τi が共通の遷移期間τとほぼ等しくされているものと、
共通の光源(1)と、
共通の光検出器(2)と、
前記各干渉計内を伝播する前記各反対方向の伝播波の間の制御された変調位相差(δΦc,j)を発生して信号を多重化する位相変調器(7)と、
前記各変調器(7)を制御し、前記光検出器(2)からの各信号を受信し、該各信号を分離復調し、前記各干渉計の回転速度(S)を出力する処理装置(11)とを備え、
前記各位相変調器(7)によって発生した、前記制御された変調位相差δΦc,iは各バイアス成分差δΦm,i(42,45,46)を含み、該各バイアス成分差(δΦm,j)は前記共通の遷移期間τの2倍にほぼ等しい共通の変調周期Tmを有するとともにπの倍数でない位相バイアスに等しい共通の振幅を有し、時間tにおける各バイアス成分差δΦm,iの値は時間t+Tm/2における前記各バイアス成分差δΦm,iの値と逆であり、各半周期Tm/2は少なくともN個の時間間隔(δtj)に分割されており、更に前記i番目の干渉計Ii に対する前記変調器(7)は、前記i番目の時間間隔δtiの始めに、関連したバイアス成分差δΦm,iの符号を変え、これによって前記処理装置(11)に到達する信号は、すべての干渉計の各回転速度(S)を表すサニャック位相シフトδΦs,iによって同時に影響され、前記変調位相差δΦc,iに加えられ、該サニャック位相シフトδΦs,iはN個の時間間隔(δtj) で前記信号をサンプリングすることによって前記処理装置(11)によって抽出されることを特徴とする、干渉計型ジャイロスコープ。 - 前記光源(1)に接続された一組のカプラー(4,5)と、前記光検出器(2)と各干渉計とを備え、該一組のカプラー(4,5)はN個の入力ゲート(120,121,125)とN個の出力ゲート(122,126,127)とを有し、1つの入力ゲート(120)は前記光源(1)に接続され、(N−1)個の他の入力ゲート(121,125)は光検出器(2)に接続され、N個の出力ゲート(122,126,127)はそれぞれ前記各干渉計に接続されている、請求項9に記載のジャイロスコープ。
- N個の入力ゲート(106,107)とN個の出力ゲート(109)とを有する単一のカプラー(105)を備えている、請求項10に記載のジャイロスコープ。
- 前記各カプラー(4,5,145,146,147)はそれぞれ2つの入力ゲート(120,121,124,125,148,149,152,153,156,157)と、2つの出力ゲート(122,123,126,127,150,151,154,155,158,159)とを有している、請求項10に記載のジャイロスコープ。
- 2つの干渉計(I1、I2)と1/2、1/2カプラーである1つのカプラー(105)とを備え、該1/2,1/2カプラー(105)は、前記光源(1)に接続された第1の入力ゲート(106)に入射したパワーを、該2つの干渉計(I1 ,I2)にそれぞれ接続された2つの出力ゲート(109)に伝達される2つのパワーに分割し、該各伝達されたパワーは該入射パワーの半分に等しくされ、それによって前記2つの干渉計(I1 、I2)は同一の光パワーを受入れ、前記2つの干渉計(I1、I2)から出力され前記光検出器(2)で受け取られた信号は同一の平均値を有している、請求項11に記載のジャイロスコープ。
- 3つの干渉計(I1 ,I2 ,I3)と2つのカプラー(4,5)とを備え、第1のカプラー(4)は前記光源(1)と前記光検出器(2)とにそれぞれ接続された2つの入力ゲート(120,121)を備えた1/3、2/3カプラーであり、1つの出力ゲート(122)は前記干渉計の第1の干渉計(I1)に接続され、他の出力ゲート(123)は前記第2のカプラー(5)の第1の入力ゲート(124)に接続され、前記第2のカプラー(5)は前記光検出器(2)に接続された第2の入力ゲート(125)と他の2つの干渉計(I2、I3)にそれぞれ接続された2つの出力ゲートを有した1/2、1/2カプラーであり、前記第1の1/3,2/3カプラー(4)は前記光源に接続された入力ゲート(120)に入射した光パワーを、前記第1の干渉計(I1)に接続された出力ゲート(122)に伝達され前記入力パワーの1/3に等しい第1のパワーと、前記第2のカプラー(5)の第1の入力ゲート(124)に接続された出力ゲート(123)に伝達され前記入力パワーの2/3に等しい第2のパワーに分割し、それによって前記3つの干渉計(I1 ,I2 ,I3)はそれぞれ同一の光パワーを受け、該3つの干渉計から出力され前記光検出器(2)で受け取られる信号は同一の平均値を有している、請求項12に記載のジャイロスコープ。
- 各偏光子が各該カプラーと前記各干渉計(Ij) との間に挿入されている、請求項14に記載のジャイロスコープ(9、108、114)。
- 他のジャイロスコープに結合されている、請求項15に記載のジャイロスコープ(9、108、114)。
- 前記ジャイロスコープ(108)においてそれぞれ2つの光源(110、111)に接続された2つの入力ゲート(163,164)を含むカプラー(162)を通して、請求項1〜16のいずれか一項に記載した構成を有する第2のジャイロスコープ(108)に結合されており、2つの出力ゲート(165,166)が前記2つのジャイロスコープにそれぞれ接続されており、該ジャイロスコープに光信号を送出するようにした、請求項16に記載のジャイロスコープ。
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