JP4847509B2 - リングレーザジャイロ - Google Patents

Description

この発明はディザ機構を備えたリングレーザジャイロに関し、特にバイアス安定性を向上させたリングレーザジャイロに関する。

図５はリングレーザジャイロのジャイロブロック１０の構造を示したものであり、ガラス製のブロック１１内に三角形の通路１２が形成され、その通路１２の三角形の各頂点にミラー１３〜１５が配され、これらミラー１３〜１５によってリング状光路が構成されている。通路１２内にはレーザ媒質が封入され、通路１２の各辺には陽極１６，１７及び陰極１８が設けられている。ブロック１１の中央には開口１９が形成されており、この開口１９に図５では図示を省略しているが、ロックイン現象の発生を防止すべく、ジャイロブロック１０に角振動を与えるディザ機構が配置される。

上記のような構成を有するジャイロブロック１０では陽極１６，１７と陰極１８との間に高電圧を印加し、プラズマ放電を発生させてレーザ媒質を励起し、リング状光路に互いに反対方向（右回り、左回り）に伝播する２つのレーザ光を発振させる。この状態でジャイロブロック１０にリング状光路の軸心を中心とする角速度が入力すると、２つのレーザ光に光路差が生じ、その光路差が２つのレーザ光間に発振周波数差を生じさせる。従って、これら２つのレーザ光を重ね合わせることにより干渉縞ができ、この干渉縞から角速度を検知するものとなっている。

レーザ光の取り出しはミラー１３がリードアウトミラーとされて、このミラー１３を介して行われる。図５中、２１は干渉縞（干渉光）を検出する光検出器を示し、２２は一方のレーザ光の光路を変換して干渉縞を形成するためのプリズムを示す。また、２３はリング状光路の光路長制御を行うべく、レーザ光の強度（ビームインテンシティ）をモニタする光強度検出器を示す。なお、光強度検出器２３によって検出されるビームインテンシティを元に光路長制御を行うミラートランスデューサの図示は図５では省略している。また、光検出器２１、プリズム２２及び光強度検出器２３を図５ではジャイロブロック１０と離して模式的に示しているが、これら光検出器２１、プリズム２２及び光強度検出器２３はジャイロブロック１０又はジャイロブロック１０が固定されているジャイロケースに取り付けられている。

リングレーザジャイロの出力（角速度出力）は時間当たりに検出される干渉縞の数によって決定され、この際、光検出器２１から得られるアナログ出力の干渉縞の情報は、光検出器２１に続く波形整形回路でデジタル情報（パルス出力）に置き換えられる。１つのパルスはサニャック効果によって決まる角度次元の情報を持ち、単位時間当たりに出力されるパルス数から角速度が求められる。

波形整形回路で干渉縞を検出する際には干渉縞波形がある閾値に対して大きいか、小さいかで干渉縞の検出を行い、パルス出力を発生させる。閾値を使った検出方法は、ディザ機構による周期的バイアスを印加したリングレーザジャイロのように、時間に対して干渉縞の間隔が大きく変化する場合に適した方法である。閾値は通常、干渉縞波形の半分程度に固定した値が使われている。

ところで、リングレーザジャイロに入力される角速度とディザ機構による周期的バイアスとの合計がゼロになる近傍（ゼロになる瞬間をゼロレート交差点と呼ぶ）では干渉縞の形が図６に例示したようにいろいろな形状になる。周期的バイアスにはランダム性も持たされており、周期的バイアスの周期はわずかに変化し続ける。その結果、ゼロレート交差点近傍における干渉縞波形は図６Ａ〜Ｄに例示したように、いろいろな形状に変化する。

ゼロレート交差点近傍以外では閾値に対して干渉縞波形は充分大きく、干渉縞検出に関する問題は起こり難い。しかし、干渉縞のゼロレート交差点近傍に関しては、閾値の大きさと干渉縞波形との関係によって干渉縞として数える場合、数えない場合が起こる。即ち、ゼロレート交差点近傍においてのみ、干渉縞検出における量子化誤差が生じる。長時間においては量子化誤差が積算され、その結果、リングレーザジャイロのバイアス誤差となる。

リングレーザジャイロにおいてバイアス誤差が発生する大きな要因は外部温度の変化であり、バイアス誤差に対する補正として従来においては温度センサを設け、バイアス温度補正を行っていた（例えば、特許文献１参照）。
特表昭６１−５０２４２２号公報

上述したように、従来においてはバイアス誤差に対する補正として温度補正が行われているものの、さらなるバイアス安定性の向上が望まれていた。

一方、図７はレーザ光のビームインテンシティが変化した場合を示したものであり、例えばビームインテンシティが時間と共に強くなると、その変化に比例して干渉縞波形の頂点も高くなる。その結果、ゼロレート交差点近傍で検出されていなかった大きさの干渉縞波形が閾値より大きくなったことによって検出されるようになり、これがバイアス誤差を誘起することになる。

この発明の目的はこのような状況に鑑み、ビームインテンシティの変化に着目し、バイアス安定性を向上させたリングレーザジャイロを提供することにある。

請求項１の発明によれば、ジャイロブロックを角振動させるディザ機構を備え、ジャイロブロック内のリング状光路に右回り及び左回りの両方向にレーザ光を発振・伝播させ、角速度入力により生じるそれら２つのレーザ光の発振周波数差を、２つのレーザ光の重ね合わせにより生じる干渉縞を光検出器で検出して角速度を検知するリングレーザジャイロにおいて、レーザ光のビームインテンシティを検出する光強度検出器と、その光強度検出器が検出したビームインテンシティを時間微分するビームインテンシティ時間微分演算部と、光強度検出器が検出したビームインテンシティとビームインテンシティ時間微分演算部が演算したビームインテンシティ時間微分値と光検出器によって検出された角速度とが入力され、補正演算した補正後角速度を出力するビームインテンシティ補正演算部とを具備するものとされる。

請求項２の発明では請求項１の発明において、光強度検出器が検出したビームインテンシティをＩ、ビームインテンシティ時間微分演算部が演算したビームインテンシティ時間微分値をｄＩ／ｄｔ、光検出器によって検出された角速度をＢ_０、補正後角速度をＢとした時、
Ｂ＝Ｂ_０＋（ｄＩ／ｄｔ）・（ａ_０＋ａ_１Ｉ＋ａ_２Ｉ^２＋…＋ａ_ｎＩ^ｎ）
但し、ａ_０：ビームインテンシティ微分０次インテンシティ補正係数
ａ_１：ビームインテンシティ微分１次インテンシティ補正係数
ａ_２：ビームインテンシティ微分２次インテンシティ補正係数
：
ａ_ｎ：ビームインテンシティ微分ｎ次インテンシティ補正係数
とされる。

この発明によれば、ビームインテンシティとビームインテンシティの時間微分値とを用いてバイアス安定性を向上させるものとなっており、従来に比し、バイアス誤差を更に補正することができる。

この発明の実施形態を図面を参照して実施例により説明する。
図１はこの発明によるリングレーザジャイロの要部構成を示したものであり、この例ではバイアス誤差とビームインテンシティの時間変化率との相関に基づき、リングレーザジャイロの角速度出力に対して補正を行うことによって、バイアス安定性の向上を図るものとなっており、ビームインテンシティ時間微分演算部３１とビームインテンシティ補正演算部３２とを具備するものとなっている。

図２はディザ機構による周期的バイアスを取り除いたバイアス誤差及びその時点におけるビームインテンシティの時間変化率の関係を例示したものであり、図２に示したようにビームインテンシティの時間変化率の変化に伴ってバイアス誤差が変化しており、つまりリングレーザジャイロのバイアス安定性はビームインテンシティの時間変化率の変化によって大きく影響されていることが推測される。この発明ではこのようなバイアス安定性に大きく影響するビームインテンシティの時間変化率に着目し、補正を行うものとなっている。

リングレーザジャイロには前述の図５に示したように光路長制御を行うためにレーザ光のビームインテンシティをモニタする光強度検出器２３が備わっており、レーザ光の一部を取り出してレーザ光の強度を検出している。その出力は光路長制御が行われているために短い周期で変化している。従って、ビームインテンシティの時間変化率を得る際にはこの光強度検出器２３の出力の時間平均を用いることが望ましい。

ビームインテンシティの変化によってゼロレート交差点近傍における干渉縞が検出される頻度は増減する。また、ゼロレート交差点近傍における干渉縞波形は前述の図６に示したように複雑な形状で変化する。ビームインテンシティの時間に対する変化に起因したバイアス誤差の変化はゼロレート交差点近傍において検出される干渉縞数の変化による。ゼロレート交差点近傍における干渉縞が検出される頻度は干渉縞に対する検出閾値の相対的な大きさによって決まるが、複雑な形状の干渉縞波形が変化するため、ビームインテンシティの時間変化率とバイアス誤差の変化とは単純な相関にはならない。従って、精度良く補正を行うために、ビームインテンシティの時間変化率とビームインテンシティによる多項式の補正関数を用いる。

ビームインテンシティ時間微分演算部３１は光強度検出器２３から出力されるビームインテンシティＩの単位時間あたりの変化量を求めることで、ビームインテンシティ時間微分値（時間変化率）ｄＩ／ｄｔを演算する。

ビームインテンシティ補正演算部３２には光強度検出器２３から出力されるビームインテンシティＩ、ビームインテンシティ時間微分演算部３１で演算されたビームインテンシティ時間微分値ｄＩ／ｄｔ及び光検出器２１によって検出された角速度Ｂ_０が入力される。ビームインテンシティ補正演算部３２は下記式（１）に示すように、Ｂ_０が得られた時点におけるビームインテンシティ時間微分値ｄＩ／ｄｔとビームインテンシティＩ及び補正関数（ａ_０＋ａ_１Ｉ＋ａ_２Ｉ^２＋…＋ａ_ｎＩ^ｎ）を用いて演算した補正値を、角速度Ｂ_０に加えることによって、ビームインテンシティＩの変化によるバイアス安定性を補正して補正後角速度Ｂを出力する。

Ｂ＝Ｂ_０＋（ｄＩ／ｄｔ）・（ａ_０＋ａ_１Ｉ＋ａ_２Ｉ^２＋…＋ａ_ｎＩ^ｎ）…（１）
補正するためには予め補正係数を求めておくことが必要である。補正係数ａ_０，ａ_１，ａ_２，…ａ_ｎは以下のようにして求めることができる。

ビームインテンシティＩはリングレーザジャイロの外部及び内部の種々の要因によって影響を受ける。その１つとして、リングレーザジャイロの外部温度の変化による影響がある。外部温度の変化によってビームインテンシティＩは変化を起こすので、外部温度の変化の速度を変えることによってビームインテンシティの時間変化率（時間微分値）ｄＩ／ｄｔを変化させることができる。

温度槽内にリングレーザジャイロを置き、角速度Ｂ_０とビームインテンシティＩ及びビームインテンシティＩの時間変化率ｄＩ／ｄｔの測定を行う。そして、温度槽の温度を変化させながら測定を行っていく。また、リングレーザジャイロに与えられている既知の角速度と測定された角速度Ｂ_０から補正値ΔＢを求める。そして、測定したビームインテンシティＩよりＩ^２，Ｉ^３，…Ｉ^ｎを求めて、図３の表１に示したようなテーブルを作成する。

作成したテーブルを用いて、回帰モデルΔＢ＝（ｄＩ／ｄｔ）・（ａ_０＋ａ_１Ｉ＋ａ_２Ｉ^２＋…＋ａ_ｎＩ^ｎ）が最適な係数ａ_０，ａ_１，ａ_２，…ａ_ｎを持つように回帰分析を行って、補正係数ａ_０，ａ_１，ａ_２，…ａ_ｎを求める。

図４は補正を行う前の角速度Ｂ_０及びビームインテンシティ補正演算部３２によりビームインテンシティＩの変化によるバイアス安定性を補正した後の角速度Ｂの例を示したものであり、バイアス誤差の変化が低減し、バイアス安定性が向上していることがわかる。なお、この例では補正関数に２次の多項式を用いているが、式（１）で示した補正関数を２次の多項式に限定するものではない。

従来からのバイアス温度補正に、以上説明したビームインテンシティの時間変化率に着目したバイアス安定性の向上を組み合わせる場合、図１に示したように温度補正演算部３３を設け、温度補正演算部３３で外部温度変化に対するバイアス温度補正を行うようにする。なお、図１で温度補正演算部３３がビームインテンシティ補正演算部３２の前であってもよい。

この発明によるリングレーザジャイロの一実施例の要部構成を示すブロック図。 バイアス変化とビームインテンシティの時間変化率の関係を示すグラフ。 補正関数の係数を求める際に作成するテーブルを示す表。 Ａは補正前の角速度Ｂ_０の変動例を示すグラフ、Ｂは補正後の角速度Ｂの変動例を示すグラフ。 リングレーザジャイロのジャイロブロックの構造を説明するための図。 ゼロレート交差点近傍における干渉縞の波形変化を示す図。 ビームインテンシティの変化に伴うゼロレート交差点近傍の干渉縞の検出有無を説明するための図。

Claims (2)

1. ジャイロブロックを角振動させるディザ機構を備え、ジャイロブロック内のリング状光路に右回り及び左回りの両方向にレーザ光を発振・伝播させ、角速度入力により生じるそれら２つのレーザ光の発振周波数差を、２つのレーザ光の重ね合わせにより生じる干渉縞を光検出器で検出して角速度を検知するリングレーザジャイロにおいて、
   前記レーザ光のビームインテンシティを検出する光強度検出器と、
   その光強度検出器が検出したビームインテンシティを時間微分するビームインテンシティ時間微分演算部と、
   前記光強度検出器が検出したビームインテンシティと前記ビームインテンシティ時間微分演算部が演算したビームインテンシティ時間微分値と前記光検出器によって検出された角速度とが入力され、補正演算した補正後角速度を出力するビームインテンシティ補正演算部とを具備することを特徴とするリングレーザジャイロ。
2. 請求項１記載のリングレーザジャイロにおいて、
   前記光強度検出器が検出したビームインテンシティをＩ、前記ビームインテンシティ時間微分演算部が演算したビームインテンシティ時間微分値をｄＩ／ｄｔ、前記光検出器によって検出された角速度をＢ_０、前記補正後角速度をＢとした時、
   Ｂ＝Ｂ_０＋（ｄＩ／ｄｔ）・（ａ_０＋ａ_１Ｉ＋ａ_２Ｉ^２＋…＋ａ_ｎＩ^ｎ）
   但し、ａ_０：ビームインテンシティ微分０次インテンシティ補正係数
   ａ_１：ビームインテンシティ微分１次インテンシティ補正係数
   ａ_２：ビームインテンシティ微分２次インテンシティ補正係数
   ：
   ａ_ｎ：ビームインテンシティ微分ｎ次インテンシティ補正係数
   であることを特徴とするリングレーザジャイロ。

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