JPH03107713A - 位相変調方式の光ファイバジャイロ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、移動車両等に搭載され回転角速度を検出する
ための光ファイバジャイロに関し、さらに詳しくは、光
源と前記光源からの光を左右両回りに伝播させる光路と
前記光路の伝播光を変調する位相変調器とを備えた信号
発生部と、前記信号発生部からの出力信号に基づき回転
方向、回転角速度を導出する信号処理部とからなる位相
変調方式の光ファイバジャイロに関する。

〔従来の技術〕

この種の位相変調方式の光ファイバジャイロは、以下の
原理に基づき回転角速度を演算導出するものである。

すなわち、前記光路に角速度Ωで回転が加わると、サグ
ナック（３ａｇｎａｃ）効果により、前記光路を左右両
回りに伝般する光に位相差Δθが生ずる。このとき、角
速度Ωと位相差Δθの間には、 Δθ；（８πＮ八／λＣ）Ω　　　　（１）Ａ：光路の
取り囲む面積 Ｃ：真空中の光速 λ：真空中の波形 Ｎ：巻数 なる式が成立つ。

前記位相変調器による変調電圧ｆ　（ｔ）をｆ　（ｔ）
　−２ｂｓｉｎ　ω１１１ｔ　　　　　（２）ｂ；変調
振幅 ω、；変調角周波数 とすると、前記光路を通過する光は、右回りと左回りで
φだけ位相変調の位相がずれる。

φ＝ωａｒ＝ｎｆωｓ／ｃ＝２πｆ、％ｎｌ／ｃ　　（
３）τ：光の通過時間 ｉ：ファイバ長 ｎ：屈折率 ｒ、：変調周波数 前記信号発生部の光出力を光電変換部にて電気信号に変
換すると、 Ｓ（Δθ、ｔ）　＝　Ｉ　Ｅ＋ｓｉｎ　　（ωｔ＋Δθ
／２＋ｂｓｉｎ（ω、１＋φ／２）　）　＋ Ｅｚｓｉｎ　　（（１）Ｌ−Δθ／２＋ｂｓｉｎ（ω、
１−φ／２））ｌ” ＝１／２　（Ｅ＋”　＋ＥＺ”） ＋ｆｉ＋ＥＪｏ（２ｂＳｉｎ　（φ／２））ｃｏｓΔθ
（ＤＣレベル信号分） ＋２ＥＩＥｚＪＩ　（２ｂ５Ｉｎ（φ／２））ｓｉｎΔ
θｃｏｓωａｔ　　（基本周波数成分Ｓｔ）＋　２２＋
ＥｚＪｇ（２ｂｓｉｎ（φ／２））ｃｏｓΔθｃｏｓ２
ω、ｔ　（第２高調波成分Ｓｔ）＋２８＋ＥｚＪｓ（２
ｂｓｉｎ（φ／２））ｓｉｎΔθｃｏｓ３ω、ｔ　（第
３高調波成分Ｓ３）＋２Ｅ＋ＥｚＪＪ（２ｂｓｉｎ（φ
／２）　）ｃｏｓΔθｃｏｓ４ωｓｔ　（第４高調波成
分Ｓ４）＋・・・・・・　　　（４） となる。ここでＪｎ　（ｎ＝０．１　、２・・・）はベ
ッセル関数である。

（４）式のうち、基本周波数成分Ｓ、及び第２高周波成
分Ｓ！を抽出することにより、八〇が求まる。

Δθ−ｔａｎ−’　［Ｊｚ（ξ）／、ｒ＋（ξ）−Ｓｌ
／Ｓｔ］　　（５）ξ＝２ｂｓｉｎ（φ／２） （５）式によれば、Δθの値は不定となるが、ＳｌとＳ
２の符号を調べることで特定することができる。

そして、第２高調波成分Ｓ２及び第４高調波成分Ｓ４と
の比 Ｓ！／Ｓ４　＝Ｊｔ　（ξ）／Ｊ、（ξ）（６）を一定
にするようξ−２ｂｓｉｎ（φ／２）を制御することに
より（５）式の定数項Ｊ、（ξ）／Ｊｌ（ξ）を−定に
保持していた。

つまり、前記信号発生部からの出力信号のうち基本変調
周波数成分と複数の高次変調周波数成分を抽出し、それ
ら複数の成分間での振幅比を所定値に収束すべく前記位
相変調器の駆動電圧を制御することにより、温度や圧力
等の環境変化による光フアイバ中の偏波状態の変動等に
起因するスケールファクタの変動を補償していた。

そして、従来のアナログ方式では、前記基本変調周波数
成分と複数の高次変調周波数成分を抽出するために、前
記光電変換部の後段に各周波数成分に対応する複数の同
期検波回路（ロックイン・アンプと称する）を設けて信
号処理部を構成し、それら同期検波回路の各出力から角
速度演算、前記位相変調器の駆動電圧の制御等を行なっ
ていた。

しかし、上述した回路構成によれば、スケールファクタ
の変動を補償するうえで、前記同期検波回路の安定性が
その角速度精度に大きな影響を及ぼすことになる。

つまり、前記同期検波回路では、アナログ信号を取扱う
ために、温度特性に基づく出力電圧の変動や経時変化に
より補償精度が劣下する虞があり、その結果、回転方向
の導出や、角速度の演算結果は信頼性の低いものとなる
。

また、初期にゲイン等の調整工程が複数の同期検波回路
に必要とされ、その際の調整誤差が補償精度に大きな影
響を及ぼすことになるのである。

そこで、本出願人は、前記信号処理部を、前記光電変換
部の出力信号を直接にデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変
換部と、前記Ａ／Ｄ変換部の出力信号に基づき前記角速
度演算等を行なうデジタル信号処理部とから構成するこ
とを、先に提案している（特願平１−７９１０７号）。

〔発明が解決しようとする課題］ しかし、上述のデジタル信号処理部は、前記信号発生部
からのサンプリングデータをフーリエ変換し、所定の周
波数成分に対する演算結果から回転方向や、角速度を導
出するものであったため、演算に多大の時間を要し、応
答性が悪いという欠点があった。

本発明の目的は上述した従来欠点を解消する点にある。

〔課題を解決するための手段〕

この目的を達成するため、本発明による位相変調方式の
光ファイバジャイロの特徴構成は、前記信号処理部は、
前記信号発生部からの出力信号をサンプリングする＾／
Ｄ変換部と、前記位相変調器の変調信号に同期して信号
を出力する同期信号発生部と、基本波形データを格納す
る記憶手段と、 前記Ａ／Ｄ変換部によるサンプリングデータのうち、前
記同期信号発生部の出力信号を基準とする波形データと
、前記基本波形データとを比較し、回転方向を判別する
判別手段とを設けであることにある。

〔作　用〕

同期信号発生部から出力される信号は、前記位相変調器
の変調信号と同期した同期信号である。従って、前記信
号発生部の出力信号に対してＡ／Ｄ変換部でサンプリン
グされたデータは、前記同期信号を基準とする変調周波
数の一周期にわたる波形データとして、印加された角速
度が異なっていても、位相のずれのないデータとして取
り扱うことができる。

一方、記憶手段には、回転方向により変化する波形の特
徴を表わす基本波形データを格納してある。

判別手段は、前記基本波形データと、サンプリングデー
タとを比較し、回転方向を判別するのである。

つまり、前記信号発生部からの出力信号は、（４）式で
示したように、印加される角速度Ωに応じて変化する。

その変化状態は左右の回転方向により特異なパターンを
持つのである。

この点に着目し、前記Ａ／Ｄ変換部でサンプリングされ
る波形データが、左右いずれの回転に属するパターンを
持つのかを判別することで、回転方向を特定するのであ
る。

〔発明の効果〕

従って、本発明による位相変調方式の光ファイバジャイ
ロによれば、光ファイバジャイロの回転方向の特定を、
フーリエ変換といった多大の演算時間を費やすことなく
、極めて容易に、しかも、短時間で行なうことができる
ようになった。

〔実施例〕

以下に本発明の実施例を図面に基づき説明する。

第１図に示すように、位相変調方式の光ファイバジャイ
ロは、レーザダイオードなどを用いた光源（２）と光源
（２）からの光を左右両回りに伝般させる光路（３）と
で構成される光学系（１）と、前記光路（３）の一端に
設けられ所定の周波数で駆動する位相変調器（６）とか
らなる信号発生部（Ａ）と、前記信号発生部（Ａ）から
の光出力信号を入力し角速度演算や回転方向の導出等を
行なう信号処理部（８）とで構成してある。

前記光路（３）は偏波保存型単一モード光ファイバをコ
イル状に巻いてなる光フアイバループで構成され、前記
光源（２）からの光が偏波保存型光カップラ（４）　、
　（４″）と偏光フィルタ（５）を介して導かれる。す
なわち、前記光源（２）と偏波保存型光カップラ（４）
、（４’）と偏光フィルタ（５）と光路（３）とで光学
系（１）を構成してある。

前記位相変調器（６）は、前記光路（３）を構成する光
ファイバを前記光路（３）の一端で電歪素子（ＰＺＴ）
に巻き付けて構成してあり、後述の駆動部（１１）から
の信号で前記電歪素子を所定の周波数で駆動することに
よって、光ファイバを伸縮させて前記光路（３）中を伝
播する光の位相を変調する。

前記信号処理装置（８）は、前記信号発生部（Ａ）から
の光出力信号を電気信号に変換する光電変換部（７）と
、光電変換部（７）からの出力信号をデジタル信号に変
換するＡ／Ｄ変換部（９）と、Ａ／Ｄ変換部（９）から
の出力信号に基づき角速度演算、前記位相変調器（６）
へのフィードバック制御等を実行するデジタル信号処理
部（１０）と、前記位相変調器（６）を駆動する駆動部
（１１）と、タイミング信号発生部（１２）と、前記デ
ジタル信号処理部（１０）からのフィードバックデータ
を前記駆動部（１１）に伝えるＤ／Ａ変換部（工３）等
で構成してある。

前記タイミング信号発生部（１２）は、基準信号発生器
（１２ａ）と、その基準信号発生器（１２ａ）からの周
波数ｆｒの基準クロックを周波数ｆｓ及びｆに分周する
分周器（１２ｂ）　、　（１２ｃ）とで構成してあり、
夫々の分周器（１２ｂ）　、　（１２ｃ）から出力され
るクロックは、前記Ａ／Ｄ変換部（９）及び前記駆動部
（１１）に入力してある。

前記Ａ／Ｄ変換部（９）は、前記分周器（１２ｂ）から
のクロックに同期して、前記前置増幅器（７ｂ）からの
出力アナログ信号を取込むサンプルホールド回路と、サ
ンプルホールド回路によりサンプルホールドされたアナ
ログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器とで構
成してある。

前記位相変調器（６）の変調周波数ｆと前記Ａ／Ｄ変換
部（９）のサンプリング周波数ｆｓとは、ｆｓ＝８ｆの
関係にあり、前記信号発生部（Ａ）からの出力信号のう
ち、第４高周波成分まで取り込むようにしてある。

さらに、前記分周器（１２ｂ）は、前記周波数ｆ及びｆ
ｓに同期して、周波数ｆｔのトリガ信号を出力するもの
であり、このトリガ信号は前記デジタル信号処理部（１
０）に入力してある。

すなわち、前記タイミング信号発生部（１２）が、前記
位相変調器（６）の変調信号に同期して信号を出力する
同期信号発生部（１２）となる。

前記デジタル信号処理部（１０）は、光ファイバジャイ
ロに所定の角速度を印加したときに得られる基本波形デ
ータを格納する記憶手段（１０ａ）と、前記Ａ／Ｄ変換
部（９）によるサンプリングデータのうち、前記同期信
号発生部（１２）の出力信号から所定時間後の波形デー
タと前記基本波形データとを比較し、その比較結果から
回転方向を特定する比較手段（１０ｂ）と、その、角速
度を演算導出する演算手段（１０ｃ）等からなる。

前記記憶手段（１０ａ）に格納される基本波形データに
ついて詳述する。

今、光ファイバジャイロのスケールファクタ、すなわち
、（１）式における（８　ｘ　ＮＡ／λＣ）を０．５に
、ダイナミックレンジをＯ〜±３６０°／Ｓに設計した
場合に、前記信号発生部（Ａ）から出力される信号のう
ち、第５高調波成分以上の影響が無視できる低精度型ジ
ャイロにおいて、（４）式に示す基本周波数成分Ｓ＋か
ら第４高調波成分Ｓ４までの加算波形 Ｆ（ω、ｔ）＝２８ｔＥｚＪ＋（２ｂｓｉｎ（φ／−）
）ｓｉｎΔθｃｏｓω１１ｔ＋２Ｅ＋Ｉｌ！ｔＪｚ（２
ｂｓｉｎ（φ／−））ｃｏｓΔθｃｏｓ２ω、ｔ＋２Ｅ
＋ＥｚＪｚ（２ｂｓｉｎ（φ八））ｓｉｎΔθｃｏｓ３
ω、ｔ＋２８ｔｔ！ｚＪ４（２ｂｓｉｎ（φ八））ｃｏ
ｓΔθｃｏｓ４　ωＭＬは、印加される角速度、及び、
回転方向に従って変化し、第２図（イ）乃至（す）に示
すようになる。

前記トリガ信号から所定時間後を変調周波数ｆの一周期
の始点Ｐ０とし、＋Ａｆの間隔で点ＰＩ＋Ｐ２＋Ｐ３．
Ｐ４（＝Ｐ（１）における振幅値と極性を求めると表１
に示すようになる。

点Ｐ０の振幅値及び点Ｐ２の振幅値の極性に注目して整
理すると、表２に示すように、回転方向と印加される角
速度の大きさに従って、点Ｐｏにおける振幅値へ〇のと
りうる値の範囲と、点Ｐ２における振幅値の極性が限定
されるのである。

つまり、点Ｐ０の振幅値及び点Ｐ２の振幅値の極性が表
２に示すいずれの領域に属するかにより回転方向が判別
されるのである。

すなわち、前記記憶手段（１２ａ）に格納される基本波
形データは、上述した点Ｐ０における振幅値のうち、角
速度０°／Ｓ、９０°１５．１８００／Ｓ、−１８０’
／Ｓ。

２７０°／Ｓ、−３６０６／Ｓに対応する値である。

表 、゛・０．・７２［！＋Ｅｇ・（Ｊ＋−Ｊｘ＋Ｊｓ−Ｊ
ａ）′　、Ｏ富・ｆ２Ｅ１［１，・（Ｊ＋−Ｊｘ＋Ｊ＊
−Ｊａ）［く は増加を示す は減少を示す 〕 表 ａはスケールファクタ 以下に、前記デジタル信号処理部（１０）の処理手順を
第３図に示すフローチャートに基いて説明する。

信号発生部（Ａ）からの出力信号をＡ／Ｄ変換部（９）
によりデジタル値に変換しサンプリングするく＃１〉。

同期信号発生部（１２）からの同期信号より所定時間経
過後を始点Ｐ０とし、以後Ａ周期毎に点ＰＩ＋Ｐｚ、Ｐ
ｔ、Ｐｔを決定するく＃２〉。

点Ｐ０における振幅値と記憶手段（１２ａ）の基本波形
データとを比較し、その結果と点Ｐ２における振幅値の
極性とから表２に示す角速度領域、回転方向を特定する
く＃３〉。

表２に示すように、特定された角速度領域における演算
式を用いて、角速度を導出するく＃４〉。

尚、上述したステップく＃４〉で角速度を導出するに際
し、使用する演算式を角速度領域に応じて異ならせてい
るのは、演算誤差の増大、及び、不定値の出力を回避し
て、精度の良い値を導出するためである。

〔別実施例〕

以下に本発明の別実施例を説明する。

先の実施例では、スケールファクタを０．５、ダイナミ
ックレンジをＯ〜±３６０°／Ｓとする光ファイバジャ
イロについて述べたが、光ファイバジャイロとしては、
スケールファクタ、ダイナミックレンジともに、上述の
値に限定するものではなく、任意の値で設定することが
可能である。

先の実施例では、回転方向を判別するに際して、同期信
号から所定時間後を始点とし、その時の振幅値等のデー
タを用いて行なっているが、第４図（イ）及び（ロ）に
示すように、（４）式に示す基本周波数成分ＳＬと第２
高調波成分Ｓ２の加算波形のうち、位相変調器の変調周
期に対応する前半と後半との波形が、回転方向により異
なることを利用して判別しても良い。

つまり、同期信号から後、最初のゼロクロス点から半周
期と、後半の半周期の区間に対して、それら区間におけ
る波形と時間軸とのなす面積、又は、振幅値の絶対値の
最大値等の波形の違いを表わすデータを求め、両者の大
小関係を比較する。

記憶手段には、予め、回転方向に対する波形の変化の特
性値を格納しておき、格納してあるデータと前記大小関
係を対応させて判別するのである。

本実施例の場合、波形の前半部のデータより大なる時に
正転（ＣＷ）となる。

尚、特許請求の範囲の項に図面との対照を便利にする為
に符号を記すが、該記入により本発明は添付図面の構造
に限定されるものではない。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明に係る位相変調方式の光ファイバジャイロ
の実施例を示し、第１図はブロック構成図、第２図（イ
）乃至（す）は信号発生部の出力波形図、第３図はフロ
ーチャート、第４図（イ）、（ロ）は信号発生部の出力
波形図である。 （２）・・・・・・光源、（３）・・・・・・光路、（
６）・・・・・・位相変調器、（８）・・・・・・信号
処理部、（９）・・・・・・＾／Ｄ変換部、（１０ａ）
・・・・・・記憶手段、（１０ｂ）・・・・・・判別手
段、（１２）・・・・・・同期信号発生部。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 光源（２）と前記光源（２）からの光を左右両回りに伝
   播させる光路（３）と前記光路（３）の伝播光を変調す
   る位相変調器（６）とを備えた信号発生部（Ａ）と、前
   記信号発生部（Ａ）からの出力信号に基づき回転方向、
   回転角速度を導出する信号処理部（８）とからなる位相
   変調方式の光ファイバジャイロにおいて、 前記信号処理部（８）は、前記信号発生部（Ａ）からの
   出力信号をサンプリングするＡ／Ｄ変換部（９）と、 前記位相変調器（６）の変調信号に同期して信号を出力
   する同期信号発生部（１２）と、基本波形データを格納
   する記憶手段（１０ａ）と、前記Ａ／Ｄ変換部（９）に
   よるサンプリングデータのうち、前記同期信号発生部（
   １２）の出力信号を基準とする波形データと、前記基本
   波形データとを比較し、回転方向を判別する判別手段（
   １０ｂ）とを設けて構成してある位相変調方式の光ファ
   イバジャイロ。