JP4502672B2 - クローズドループ光ファイバジャイロ - Google Patents

Description

この発明は、クローズドループ光ファイバジャイロに関し、特に、微小信号を検出する信号処理回路を有するクローズドループ光ファイバジャイロに関する。

図４を参照してクローズドループ光ファイバジャイロの従来例を簡単に説明する（特許文献１ 参照）。
図４において、光源２から出射した光は、光カプラ３で２分され、その一方が光ＩＣ４に導入される。光ＩＣ４に入力された光は、単一偏光成分のみが選択され、かつ２分され、更に２分された光はそれぞれ右回り光と左回り光として光ファイバコイル５に導入される。
光ファイバコイル５を伝播した右回り光と左回り光は、光ＩＣ４で出合い干渉する。この干渉した光には、サニャック効果により生ぜしめられた右回り光と左回り光との間の位相差の情報が含まれ、この位相差を検出することより入力角速度を知ることができる。光ＩＣ４で干渉した光は、再び光カプラ３に導入されて２分され、一方が光検出器６に導入される。光検出器６においては光信号が入力角速度に関する情報を含む電気信号に変換される。以上によりＦＯＧの光学部１００が構成される。光検出器６の出力の電気信号が信号処理部２００に入力される。

信号処理部２００においては、左右両回り光間の位相差に基づいて入力角速度が検出され、その入力角速度により生じた左右両回り光間の位相差を相殺させるフィードバック信号（ランプ信号）が発生される。このランプ信号は鋸歯状波であり、このランプ信号を光ＩＣ４中に設けられている光位相変調器に加えることにより、入力角速度により生じた左右両回り光間の位相差を相殺する位相差、即ち、入力角速度により生じた位相差と符号が反対の位相差を左右両回り光間に発生させる。ところで、信号処理部２００において、入力角速度の検出を高感度に実施するには、光ファイバコイル５中を伝播する左右両回り光に、光ＩＣ４中の他の位相変調器により位相変調が加えられる。この位相変調器には信号処理部２００の位相変調信号発生器７から位相変調信号が供給されている。

光学部１００の光検出器６より出力された電気信号はＡ／Ｄ変換器８を介して同期検波器９に入力され、ここで位相変調周波数と同一周波数成分が検波される。検波された位相変調周波数成分、即ち、同期検波器出力は、入力角速度に関する情報を含んでおり、これをクローズドループＦＯＧの誤差信号として用いる。同期検波器出力は積分器１０に入力され、積分される。そして、この積分器出力に基づいて、角速度入力により生じた左右両回り光間の位相差を相殺するフィードバック信号、即ち、ランプ信号を生成するのがランプジェネレータ１１である。ランプジェネレータ１１により発生させられたランプ信号は、Ｄ／Ａ変換器１２を介して光ＩＣ４中に設けられた光位相変調器に加えられる。Ｄ／Ａ変換器１２の出力は鋸歯状波を量子化した階段状波形である。

信号処理部２００を含むＦＯＧ全体のループは、同期検波器９の出力がゼロになる様に働く。なお、ランプジェネレータ１１で生成されたランプ信号の周波数がＦＯＧに入力された角速度に比例した成分となり、これをＦＯＧ出力信号として判別する。ランプ信号は、入力角速度の方向が時計方向ＣＷか或いは反時計方向ＣＣＷかに応じて正または負の極性をとる。これに伴い、出力変換回路部１４から出力端子にランプ信号周波数に対応した周波数のＣＷパルスまたはＣＣＷパルスがそれぞれ出力される。
信号処理部２００中のランプ波高値制御部１３は、ランプジェネレータ１１から出力されるランプ信号の波高値を制御するためのもので、ここでランプ信号の波高値を、それに
より生ずる光の最大位相偏移が＋２ｍπ（ｍは整数）（ラジアン）または−２ｍπ（ラジアン）となるよう制御する機能を持つ。また、位相変調信号発生器７は、入力角速度を高感度で検出するために必要な位相変調信号を発生させるためのものである。通常、この位相変調信号は、光ＩＣ４中に設けられた光位相変調器を介してＦＯＧの左右両回り光間に＋π／２（ラジアン）と−π／２（ラジアン）に交互に変化する位相シフトを及ぼす様に設定される。

図５を参照するに、以上のクローズドループ光ファイバジャイロにおいては、Ａ／Ｄ変換器のダイナミックレンジは、０．０１°／ｈクラスの光ファイバジャイロで７．２×１０⁵となる。１ＬＳＢ（Least Significant Bit）の量子化誤差を考慮すると、Ａ／Ｄ変換器のビット数を２０ビット以上とする必要があった。また、ビット数の少ないＡ／Ｄ変換器を使用した場合、１ＬＳＢが大きくなり、その結果、１ＬＳＢ以下の低レートの入力に対しては、Ａ／Ｄ変換器の量子化誤差の影響によりレートを検知することができずに不感帯となるに到り、これを避けるには分解能の高い高価なＡ／Ｄ変換器を選択使用する必要があった。

ここで、Ａ／Ｄ変換器のビット数以下の低レベル信号検知策として、検出されたアナログ信号にディザ信号を印加し、ビット数改善を図ることが行われている（特許文献２、３ 参照）。以下、ディザ信号について説明する。
先ず、ディザ信号の振幅について説明するに、入力レートが２°／ｓｅｃ〜０．０１°／ｈ（＝２．８μ°／ｓｅｃ）の光ファイバジャイロの場合、ダイナミックレンジで７．２×１０⁵となり、２０ビット以下のＡ／Ｄ変換器が必要となる。ここで、Ａ／Ｄ変換器に入力されるディザ信号である雑音がＡ／Ｄ変換器のＬＳＢよりも大きい場合は、量子化誤差の影響が雑音の不規則性により軽減される。

入力される雑音であるディザ信号をΩｎ（１σ）に設定すると、Ａ／Ｄ変換器のビット数Ｎadは
Ｎad≧log₂Ωmax ／Ωｎ （１σ）
Ωmax ：最大入力角速度
Ωｎ：ディザ信号の振幅レベル
で表される。８ビットのＡ／Ｄ変換器を用いた場合、最大入力角速度：Ωmax（２°／ｓｅｃ）入力時にＡ／Ｄ入力を５Ｖとすると、Ωｎ≒２０ｍＶのディザ信号を印加すればよいことになる。

次いで、ディザ信号の周波数について説明するに、ジャイロの変調周波数はｆ＝Ｃ／２ｎＬで示される。
Ｃ：光速＝３×１０⁸ ｍ／ｓｅｃ
ｎ：屈折率＝１．４５
Ｌ：ファイバ長＝６３００ｍ とした場合、
ｆ＝１６．４ｋＨｚ
図６を参照するに、この場合、変調周波数の１００倍以上の周波数＝１．６４ＭＨｚ以上にてディザを加えれば、雑音の不規則性において問題の無い数値と考える。波形はスイッチのオン／オフにディザ信号を生成するのでパルス波とする。

以上の特許文献２、３に記載される従来例は、上述した通り、Ａ／Ｄ変換器のビット数以下の低レベル信号検知策として、検出されたアナログ信号にディザ信号を印加し、ビット数改善を図るものであり、即ち、Ａ／Ｄ変換器の分解能以下の信号を検出する技術であり、ランダム化された雑音であるディザ信号をＡ／Ｄ変換器から出力されるジャイロ信号に印加してディジタル処理してＡ／Ｄ変換器のビット数以下の微小信号を検出する。
特開平１０−３１８７６０号 公報 特開平７−１６２７１０号 公報 特開２０００−１７４６２５号 公報

以上の従来例は、確かに、検出されたアナログ信号にディザ信号を印加してＡ／Ｄ変換器のビット数以下の微小信号を検出するものではある。しかし、アナログ信号に印加するディザ信号のレベルに何らの考慮も払われていない。図７を参照するに、アナログ信号に印加するディザ信号が大きくなる程、誤差が大きくなるので、平均化により誤差を小さくするのであるが、これにはサンプル数を多くとる必要がある。従って、印加するディザ信号はＡ／Ｄ変換器で判別することができる最小レベルの±１ＬＳＢレベル近傍の値であることが望ましい。

この発明は、Ａ／Ｄ変換器入力信号にディザ信号を印加することにより、従来例の欠点を除去し、ビット数の少ないＡ／Ｄ変換器により１ＬＳＢ以下の微小な信号検出をすると共に、印加するディザ信号レベルをＡ／Ｄ変換器の±１ＬＳＢ近傍の値に調整、制御することで最適な微小信号検出をするクローズドループ光ファイバジャイロを提供するものである。

請求項１：光検出器から光電変換出力される入力角速度に関する情報を含む電気信号にディザ信号を重畳し、これをＡ／Ｄ変換することによりＡ／Ｄ変換器の分解能以下の信号を検出するクローズドループ光ファイバジャイロであって、ディザ信号の振幅レベルは、Ａ／Ｄ変換器の±１ＬＳＢ近傍に決められ、ジャイロ出力信号の増減によりカレントディザ信号の振幅レベルを自動的に変更するクローズドループ光ファイバジャイロを構成した。

また、請求項２：請求項１に記載されるクローズドループ光ファイバジャイロにおいて、ディザ信号は、高周波のパルス波形とし、そのＨレベル電圧およびＬレベル電圧をジャイロ出力に基づいて選択し、アナログスイッチで交互に切り替えて発生するクローズドループ光ファイバジャイロを構成した。

この発明は、光検出器から供給されるジャイロ信号にディザ信号を重畳してＡ／Ｄ変換器に入力することにより、量子化誤差の影響を軽減することができる。そして、印加するディザ信号レベルをＡ／Ｄ変換器の±１ＬＳＢ近傍の値に調整、制御することで誤差の少ない最適な信号検出をすることができる。これを箇条書きにすると、以下の通りとなる。
ａ．量子化誤差を軽減し、微小信号検出することができる。
ｂ．Ａ／Ｄ変換器のビット数を軽減することができる。
ｃ．Ａ／Ｄ変換器のビット数低減によりコストを抑えることができる。

ｄ．ディザ信号レベルをＡ／Ｄ変換器の±１ＬＳＢ近傍の値に調整、制御することで誤差の少ない最適な信号検出をすることができる。

発明を実施するための最良の形態を図１の実施例を参照して説明する。
図１の実施例は、図４の従来例の信号処理部２００に、鎖線で包囲されるディザ信号印加回路部２０を付加したものに相当する。ディザ信号印加回路部２０は、出力パルス検出部２１と、波高調整部２２と、ディザ信号発生部２３とより成る。ディザ信号印加回路部
２０は、出力変換回路部１４から出力パルス検出部２１に出力パルスを入力し、ディザ信号発生部２３からディザ信号を出力し、光検出器６から供給されるジャイロ信号にディザ信号を重畳し、そして、これをＡ／Ｄ変換器８に入力している。

図２および図３を参照してディザ信号印加回路部２０を具体的に説明するに、出力パルス検出部２１はＩＣ或いはＣＰＵの如き演算装置により構成されている。この出力パルス検出部２１は、ジャイロ出力に相当する検出出力を出力変換回路部１４からパルス入力の形式で供給される。このパルス入力は、一方においてそのままジャイロ出力に基づくスイッチのオンオフ信号として出力されると共に、他方においてＤ／Ａ変換される。このＤ／Ａ変換されたアナログ信号は、次段の波高調整部２２に供給される。
波高調整部２２はＤ／Ａ変換器により構成されている。波高調整部２２は、出力パルス検出部２１から入力されたアナログ信号をモニタし、波高調整部２２内に設定される所定の値と比較され、調整後の波高レベルを示す出力がなされる。調整後の波高レベルはおよそＡ／Ｄ変換器８の±１ＬＳＢ近傍の値に調整、設定される。この調整後の波高レベルの出力は、波高の僅かに異なる高周波のＤ／Ａ出力１およびＤ／Ａ出力２として出力される。

ディザ信号発生部２３は単極双投のアナログスイッチにより構成されている。ディザ信号発生部２３には波高調整部２２から波高の僅かに異なる高周波のＤ／Ａ出力１およびＤ／Ａ出力２が入力されると共に、出力パルス検出部２１から出力されるスイッチのオンオフ信号が入力される。Ｄ／Ａ出力１およびＤ／Ａ出力２は単極双投のアナログスイッチのそれぞれの固定電極に供給され、オンオフ信号は可動電極に供給される。オンオフ信号を可動電極に供給してこれをジャイロ出力に基づくスイッチのオンオフ信号により高速切り替えすることにより、Ｄ／Ａ出力１およびＤ／Ａ出力２は交互に出力され、ディザ信号が発生する。

（操作１） ジャイロのパルス出力が無い場合、出力変換回路部１４から出力パルス検出部２１に供給される出力信号のレベルは低いので、ディザ信号発生部２３から出力されるディザ信号のレベルを大きくすべく波高調整部２２により調整をする。具体的には、ディザ信号発生部２３からＡ／Ｄ変換器８の±１ＬＳＢ近傍のディザ信号を発生すべく波高調整部２２において波高を調整する。
（操作２） ジャイロパルス出力が所定の値より大きい場合、出力変換回路部１４から出力パルス検出部２１に供給される出力信号のレベルは高いので、ディザ信号発生部２３から低い波高のディザ信号を発生すべく波高調整部２２において波高を低く調整する。

（操作３） 光ファイバジャイロの電源投入後、３０分程度に亘って（操作１）および（操作２）を繰り返し、ディザ信号の振幅をＡ／Ｄ変換器８の分解能に相当する±１ＬＳＢ近傍の値に落ち着くのを待って、調整設定を終了する。
以上の操作により、余計な大きさのディザ信号を印加することなく、最適なレベルのディザを印加することができる。ディザを印加重畳したときのＡ／Ｄ変換器８の入力端における波形は図３の通りとなる。その結果、量子化誤差の影響は、重畳されたディザ信号により軽減される。また、クローズドループ光ファイバジャイロにおいては、信号の検出がτ時間毎にサンプルした信号の積分平均した値を検出信号とするところから、印加されるディザ信号によるオフセット増加分の影響を受けることが無い。

実施例を説明する図。 ディザ信号印加回路部を具体的に説明する図。 ディザ信号のレベルの調整を説明する図。 従来例を説明する図。 変調されたジャイロ信号とＡ／Ｄ変換器の分解能の関係を説明する図。 ディザ信号の必要な周波数を説明する図。 ディザ信号の必要なレベルを説明する図。

符号の説明

２ 光源 ３ 光カプラ
４ 光ＩＣ ５ 光ファイバコイル
６ 光検出器 ７ 位相変調信号発生器
８ Ａ／Ｄ変換器 ９ 同期検波器
１０ 積分器 １１ ランプジェネレータ
１２ Ｄ／Ａ変換器 １３ ランプ波高値制御部
１４ 出力変換回路部 ２０ ディザ信号印加回路部
２１ 出力パルス検出部 ２２ 波高調整部
２３ ディザ信号発生部 １００ 光学部
２００ 信号処理部

Claims (2)

1. 光検出器から光電変換出力される入力角速度に関する情報を含む電気信号にディザ信号を重畳し、これをＡ／Ｄ変換することによりＡ／Ｄ変換器の分解能以下の信号を検出するクローズドループ光ファイバジャイロであって、
   ディザ信号の振幅レベルは、前記Ａ／Ｄ変換器の±１ＬＳＢ近傍に決められ、ジャイロ出力信号の増減によりカレントディザ信号の振幅レベルを自動的に変更することを特徴とするクローズドループ光ファイバジャイロ。
2. 請求項１に記載されるクローズドループ光ファイバジャイロにおいて、
   ディザ信号は、高周波のパルス波形とし、そのＨレベル電圧およびＬレベル電圧をジャイロ出力に基づいて選択し、アナログスイッチで交互に切り替えて発生することを特徴とするクローズドループ光ファイバジャイロ。

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