JPH03170016A - 二重セロダイン共振器光フアイバジヤイロスコープ - 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〕 本発明はジャイロスコープに関するものであｂ１とくに
光ファイバジャイロスコープに関するものである。更に
詳しくいえば、本発明はゼロダイン変調を有する共振器
光７アイパジャイロスコープに関するものである。

〔従来の技術〕

光ファイバジャイロスコープ（　ＦＯＧ　）は航行用お
よび誘導用に開発された。ＦＯＧは固体装置であって、
寿命が長く、動く部分がなく、頑丈で、軽量であυ、価
格が安く、暖機時間すなわち準備時間が不要で、使用電
圧が低いという潜在的な利点を有する。

開発されたいくつかの種類のＦＯＧは開ループ干渉針光
ファイバジャイロスコープ（ＩＦＯＧ）および閉ループ
干渉針光ファイバジャイロスコープ、ならびに共振光フ
ァイバジャイロスコープ（　ＲＦＯＧ　）である。基本
的な用語においては、開ルーグＩ　ＦＯＧは半導体光源
で典型的κ構戒される。その光源の光は分割される。分
割された光の約半分が光ファイバコイルの一端に供給さ
れ、そのコイルの中を時計回ｂに伝わる。残ｂの光は光
ファイバコイルの他端へ供給され、そのコイルの中を逆
時計回シに伝わる。時計回シの光と逆時計回ｂはコイル
の端部から出て組合わされ、それの強さが光検出器によ
う測定される。装置が回転していない時は、コイルの端
部から出てきた光は、光検出器からの出力信号を最大に
するために、強さが最大になる位相で組合わされる。Ｉ
ＦＯＧが回転すると、コイルから出てきた２つの光の間
に位相の違いが生ずる。その位相差によってそれらの光
は干渉し合い、その結果として、組合わされた２つの光
の強さが低下し、したがって光検出器の出力が低下する
。

そのような構成には、休止状態の近ぐでは感度が最低で
あり、光検出器の出力が回転の向きを示さない等の欠点
がある。時計回シと逆時計回シの光の間の位相を９０度
ずらすことによシそれらの欠点金改善できる。典型的に
は、その位相推移は、位相を正弦状に変化させる電気光
学的位相変調器により行われる。光検出器の出力信号を
同じ周波数で復調することによｂ１復調された出力信号
は休止状態の近くで希望の最高感度を有する。筐た、時
計回りと逆時計回シの慣性回転に対して、復調された信
号は逆の極性を有する。したがって回転の向きを明らか
に示す。バイアスの安定度（すなわち、１時間当シの度
で表したＦＯＧ　のランダムなドリ７ト率）はかなｂ好
ましい。開ループＦＯＧの主な欠点は、それの出力信号
が、零回転速度の近くの回転速度に厳密に正比例するだ
けであることである。回転速度が高くなると出力はしだ
いに非直線的になる。第２に、高速時の出力は、開ルー
プジャイロ構成においては零近くでは動作しない各種の
電子増幅器の利得にしだいに敏感になる。

そのような非直線性と、そのような絶対利得安定性への
依存とを克服するために、閉ループＦＯＧが開発された
。閉ループＦＯＧでは、ＩＦＯＧ　が回転すると時計回
シの光ビームと逆時計回シの光ビームの間に位相のずれ
が生じさせられ、それによって信号が発生される。その
信号はトランスデューサへ加えられて位相のずれを打消
す。したがって、ＩＦＯＧはそれの感度が最も高い零位
置の近くで動作する。電子装置の絶対確度はもはや重要
ではない。

「ゼロダイン」技術と呼ばれるある特定の閉ルーブＩＦ
ＯＧ構成においては、コイルの一端に設けられてｈる移
相トランスデューサが鋸歯状電圧によう励振されること
によシ、光へ位相ランプを伝える。その位相ランプは周
期的にリセットされる。

ラン７の高さは２πラジアンとなるように調節され、リ
セット時間すなわちフライバック時間は鋸歯状電圧の周
期と比較して非常に短くされる。光波の周波数は鋸歯状
波の周波数Ａｔだけ実効的にずらされる。時計回りの波
と逆時計回υの波は位相変調器を通るから、光検出器に
おいて干渉させられる前に、両方の波の周波数は推移さ
せられる。

しかし、一方の光波はコイルを通る前に周波数を推移し
、他方の光波はコイルを通った後で周波数を推移する。

２つの光波は異なる周波数でコイルを通るから、両者の
間に正味の位相差が存在する。

この位相差は回転による位相のずれを零にするために用
いられる。回転による位相のずれを相殺するための位相
のずれを発生するために必要な求められる鋸歯状周波数
筐たは実効周波数推移Ｊｆは、回転速度のデジタル測定
値および直線測定値である。この構成ではＦＯＧの確度
が高くなる。というのは、出力が周波数であって、開ル
ープの場合には周波数はアナログ電圧よυも正確に測定
できるからである。この閉ループのやシ方によってＩ　
ＦＯＧのダイナミックレンジも改善される。

〔発明が解決しようとする課題〕

これと競合する別のＦＯＧ技術が、ＩＦＯＧようもリン
グレーザジャイロスコープに良く似ているＲＦＯＧであ
る。ＲＦ’ＯＧは他のＦＯＧ技術ようも短いコイルを用
いる。そのために小型となう、温度による過渡的な勾配
の影響が減少し、価格が低くなる。また、ＲＦ’ＯＧに
よって確度を高くする可能性が最大になる。ＩＦＯＧは
ほぼコヒーレント（すなわち、広帯域）な光を発生する
発光ダイオード光源を用いるのに対して、ＲＦＯＧはコ
ヒーレントな（すなわち、狭帯域）光源を使用する。Ｒ
ＦＯＧの動作は、光ファイバを数回巻いて製作された光
ファイバ空胴であって、ある個別の周波数だけがその空
胴を通るように精密に同調される、そのような光ファイ
バ空胴を使用することを基にしている。光ファイバ空胴
を時計回りと逆時計回シに進むことができる周波数は、
それぞれ空胴の時計回り共振周波数および逆時計回υ共
振周波数として知られている。時計回シ共振周波数と逆
時計回シ共振周波数は回転がない時は同じであるが、回
転がある時は異なる。この周波数の違いを測定するため
に閉ループ構造が組込まれる。ＲＦＯＧは光ファイバ共
振器内で分割される回転によりひき起される共振周波数
を測定するから、時計回シ周波数と逆時計回ｂ周波数に
追従するために周波数７７タを必要とする。実際には「
誘導される波」実現を用いる適当な周波数シフト技術だ
けが、セログイン変調技術とともに位相変調器を用いる
ことである。セログイン変調はペースバンド周波数シフ
トに一般的に組合わされてきた。しかし、関連する技術
にかけるベースバンド周波数シフトには、ＲＦＯＧで実
現された時にいくつかの問題がある。

すなわち、時計回少の回転速度と逆時計回ｂの回転速度
を取扱うためには、正へ向かうランプ信号と負へ向かう
ランプ信号が求められる。更に、勾配においてほぼ完全
にするために必要とされる低い回転速度とランプ信号を
零にするために長いランプ信号が求められる。その理由
は、不完全なランプ信号は、ジャイロスコープに誤差を
生じさせる結果となる望筐しくない側波帯周波数成分を
発生するからである。

〔課題を解決するための手段〕

本発明はベースバンド周波数シフトの諸問題をｍ消する
ことによ，９，ＲＦＯＧｉ実際的にうまく実現するもの
である。本発明は、ジャイロスコープの光ファイバ共振
器の共振周波数を追従し、したがってそれの回転速度を
決定するために、正へ向かう２つのランプ（または負へ
向かう２つのランプ）ｔ−利用する二重へテロダインに
関するものである。各セログイン周波数はもはやベース
バンド周波数ではなくて、適切な公称周波数にある。適
正にサーボ制御された時の２つのランプ周波数の差は回
転に比例する。本発明によう比較的速しランプ信号を使
用できるようにされ、ジャイロスコープの回転速度が向
きを変えた時に、正へ向かう２ング信号から負へ向かう
２７プ信号へ任意の１つの変調器を駆動する必要をなく
すものである。

〔実施例〕

二重セログイン変ｖ！４を用いるＲＦＯＧ６０の基本的
な動作が第１図に示されている。周波数がＩ０で、強さ
が工。である、同調可能な単一周波数レーザ源１２から
のコヒーレントなレーザ源１２が、統合された光学装置
１６のパワー分割器１４により２本のビームに分割され
る。共振器結合器２６倉介してリング２４へ逆時計回シ
の向きと時計回シの向きに入る光の周波数が、リング２
４の共振の中心周波数であるようにレーザ源１２を同調
できる。リング２４は、１〜１００ｍの光ファイバで典
型的に構成される光７アイパ共振器である。入射した光
ビームは光ファイバリング２４の中を時計回ｂ　（ｃ−
＞の向きと逆時計回，９（ｅａ−）の向きに循環する。

．共振器リング２４のｃｗ光とｃａｗ光は結合器２６を
通ｂ１光ファイバ結合器（ＦＣ）３２と３４をそれぞれ
介して（前置増幅器を有する）光検出器（ＰＤ）２８と
３０によう検出される。入カ先の周波数の関数としての
光検出器２８と３０の出方が、入射光が共振の近くに同
調させられた時に、共振ディツプ（第３図に９２訃よび
９４として示されてぃる冫と呼ばれることが時にある。

共振ディップの代シに共振ピーク、または共振金示すそ
の他の信号変化を使用することができる。光検出器３ｏ
の周波数がｆｑの信号の存在の位相感知復Ｉｌｌ器（Ｐ
ＳＤ）３６による検出を基にし％　ｅ（ｍＷ入力周波数
（回転がない時は！，。はｆ，＋ｆ’に等しい）倉電子
装置６６によＤｇ４ｌＲｉするための誤差信号の基準と
して位相感知検出器３６の出力を用いることによう、ｓ
ｅｗ入射波の平均周波数’ｓｅｔが自動的に調節される
。その電子装置６６は％　’ｓｅｗが共振リング２４の
ｓｅｗ周波数に一致するＬうにレーザ源１２倉変化させ
る。ＲＦＯＧ６００別の実施例にかいては、主サーボル
ープ６８がサーボ増幅器４８ｔ介して、接続部７６−と
共振リング２４Ｐｇの圧電長さ調節器（ＰＺＴ）３Ｂに
よって空胴経路長を制御することによク、ｃａｗの共振
条件ｔ−維持する。

サーボループＴｏにレいては、共振からのｅＶ波の逸脱
は位相感知検出器４ｏによう検出される。

この位相感知検出器は、光検出器２８の出力端子で見た
共振ディップの中心からのずれに対応する周波数ｆ，の
信号を検出する。それからサーボループ７０は、回転を
零にするために、ｃｗ周波数とｅｅｗ周波数の周波数差
Ｊｆを伝える。サーボループ７０は、名目上は大きし正
の周波数シフトをｃｗ入力とｃａｗ入カへ加え、それか
ら入力の間の周波数の差ｊｆを同調して回転を零にする
。両方の周波数シフトは、鋸歯状電圧波形発生器４３と
４４から発生された鋸歯状電圧波形を加算増幅器４５と
４７をそれぞれ介して位相変調器（ＰＭ）２０と２２へ
加えることによυ得られる。それらの鋸歯状電圧波形の
周波数は無回転時にはｆ′　である。鋸歯状電圧波形発
生器４３と４４は、電圧制御発振器（ＶＣＯ）からの周
波数を基にした周波数を有する電圧レベル入力によう決
定される周波数の鋸歯状波形出力を発生する。周波数が
ｆ′のそれらの波形は、加算増幅器６２と６４へ加えら
れる、一定であるが調節できる電圧ｖ０とゾ。によシ決
定される。変化する周波数は上昇″１．たは低下し、そ
の周波数は、加算増幅器６２と６４へそれぞれ加えられ
る反転増幅器γ２と非反転増幅器７４からの変化する付
加電圧によシ決定される。

変調器２０と２２を介して加えられる各鋸歯状波形が光
に位相ランプを発生する。それはＯから２π筐での変化
を表す大きさを短いフライパック時間で増大させて、入
射光ビームの間の周波数シフト差Ａｆ金効果的に実現す
る。回転が存在すると ”　＝　’ｃｗ　　’ｃｅｗ　＝（４Ａ／λｐｎＬ２で
ある。ここに、ｇは回転速度、Ａはルーブ２４における
それの軸線に垂直な面積、Ｐはルーブ２４の周囲の長さ
、ｎは光ファイバの屈折率、λは光の波長である。第１
図と第２図において、±Ｊθは回転の向きと大きさを示
す。

鋸歯状信号には比較的高い周波数を使用できる。

たとえば％　　ｆ’　　ｔ−１００キロヘルツにでき、
ｄｆ　　を５０キロヘルツのように大きくできる。ジャ
イロスコープが回転している時には、一方の鋸歯状ラン
プがＩｆ／２だけｆ′よう速く駆動され、他方のランプ
が−１ｆ／’ｌだけ遅〈駆動される。そうするとｆ′か
らの鋸歯状周波数の総計の差はＪｆである。

リング２４の中を時計回ｂに動く光の周波数ｆｃＷは＋
ＡＶ２だけ調節され、リング２４の中を逆時計回妙に動
く光の周波数’ｃａｗは−４ｆ／２だけ調節されて、入
射光の周波数をリング２４の共振デイツプ９２と９４の
中心に一致させる。

２つのランプの零交差の数をアツプ／ダウンカウン，タ
５２でカウントすることによシ、角変位速度と回転の向
きを決定できる。Ｊｆを得るためにアツプ／ダウンカウ
ンタ５２の出力を１秒間隔で測定できる。

各光ビームは位相変調器２０と２２によｂ１発振器４７
．４９からの固定周波数ｆ，とｆ，により正弦波状に位
相変調されてから、共振器結合器２６を介して光ファｊ
バ共振リング２４に入射する。１　　＝１　　であれば
、ｆｉたはｆ，の固定周ｐ　　　　ｑ　　　　　　　　
　　　ｐ波数信号を位相変調器１８（この位相変調器は
統合されたＮＬｉＮｂＯｓ光位相変調器で構成できる）
を介して加えることができる。装置の光路中に無視でき
ない後方散乱が存在するならば、ｆ，〆ｆ，である。発
振器８０と８２からの周波数ｆ，とｆ，は加算増幅器４
７，４５と位相変調器２２　．　２０を介して光にしる
しをつける。それらのしるしは光検出器２８．３０と位
相感知検出器４０．３６によシそれぞれ検出される。そ
れらは識別のために発振器８０と８２から関連する信号
を受ける。

ｆ，とｆ，のために選択される周波数は２０キロヘルツ
からｌメガヘルツとすることができる。

周波数ｆ，は加算増幅器４５を介してランプ信号の上に
付加される。ｆ，とｆ，におけるそれらの変調によシ、
共振リング２４の共振周波数からの平均入射光周波数’
ｃｗ　’ｃｃｗのずれる向きを検出可能とする弁別子が
発生される。いいかえると、位相感知検出器４０と３６
が、共振リング２４の共振中心へ光の周波数をずらすた
めに必要な向きを示すことができるように、周波数ｆ，
とｆ９　は本質的に変動する。

第１図に示す二重ゼロダインジャイロスコープは第２図
に示すように簡単にできる。第２図のジャイロスコープ
は、本発明を実施するために発明者によシ実現される最
良のモードであった。第２図は，　　ｅｅＷ入射光ビー
ムの周波数を固定された（サーボ制御されない）周波数
ｆ′だけ推移させ（周波数がｆ′である一定周波数の鋸
歯状波を位相変調器２２へ加えることによう）、それか
ら、位相変調器２０へ加えられる正へ向かう鋸歯状ラン
プだけをテーボ制御することを含む。サーボ増幅器５０
の出力端子は加算増幅器６４へ直結され、それにより発
振器４３と、変調器２０へ最終的に加えられるランプ信
号の周波数とを制御する。回転が存在する時は、ｃｗ入
力はｆ，＋ｆ’＋Ｊｆに同調され、回転が存在しない時
はＣＷ入力周波数はｆ０＋ｆ’に自動的に同調される。

発振器４４の別の接続は、それの出力端子を加算増幅器
４Ｔから切離し、パツファＴ９と接続線７９を介して加
算器４５へ接続することである。

加算器４５の別の入力端子には発振器４３が接続される
。また、ｆｐ：ｆｑであれば、ｆｐとｆ，に等しいｆ＠
５ｒｓ発振器８０．８２の代ｂに発振器８６から位相変
調器１８へ供給できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は２つのランプ信号を変えることによυ二重ゼロ
ダイン変調を用いるＲＦＯＧ　ｔ−示すブロック図、第
２図は１つのランプ信号を変えることによシニ重ゼロダ
イン変調を用いるＲＦＯＧを示すブロック図、第３図は
ＲＦＯＧの光ファイバ共振リング内を異なる向きに伝わ
る光の強さの共振デイップを示す。 １４●一●−光分割器、・２０．２２●●●・位和変調
器、２４●・●・光ファイバ共振リング、２６・・・・
共振器結合器，２８．３０・・・・光検出器、３２．３
４・・・●光結合器、３６・●●●●位相感知検出器，
４３，４４，８０．８２●●●●発振器、４５．４７．
６０●●●●加算増幅器、５０●●●●サーポ増幅器。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）光を供給する光源手段と、 この光源手段へ接続され、第１の光成分を伝える第１の
   光ファイバ手段と、 この光ファイバ手段へ接続され、第１の光成分を第２の
   光成分と第３の光成分へ分割する分割手段と、 この分割手段へ接続され、第２の光成分を伝える第２の
   光ファイバ手段と、 前記分割手段と前記第２の光ファイバ手段へ接続され、
   第３の光成分を伝える第３の光ファイバ手段と、 前記第２の光ファイバ手段と前記第３の光ファイバ手段
   へ結合され、第２の光成分と第３の光成分を共振させる
   光ファイバ共振器手段と、 前記第２の光ファイバ手段へ接続され、第３の光成分中
   の共振の逸脱を検出する第１の位相感知検出手段と、 前記第３の光ファイバ手段へ接続され、第２の光成分中
   の共振の逸脱を検出する第２の位相感知検出手段と、 前記第１の位相感知検出手段へ接続され、共振からの第
   ３の光成分の逸脱を示す帰還信号を供給する第１のサー
   ボ手段と、 前記第２の位相感知検出手段と前記光源手段へ接続され
   、共振からの第２の光成分の逸脱を示す帰還信号を供給
   する第２のサーボ手段と、 前記第２の光ファイバ手段へ接続され、第３の光成分中
   に周波数の変化を導入する第１の波形発生手段と、 前記第３の光ファイバ手段と前記第１のサーボ手段へ接
   続され、第２の光成分中に周波数の変化を導入する第２
   の波形発生手段と、 前記第１の波形発生手段と前記第２の波形発生手段へ接
   続され、前記ジャイロスコープの回転の速度と向きを示
   すカウンタ手段と、 を備える二重ゼロダイン共振器光ファイバジャイロスコ
   ープ。
2. （２）第１の周波数の第１の光を光ファイバ共振器の第
   １の向きに導入する過程と、 第１の周波数の光を光ファイバ共振器の第２の向きに導
   入する過程と、 第１の向きにおける光の共振を示す光の強さの変動を有
   する可変周波数の第１のランプ信号を第１の周波数上に
   導入して、共振器光ファイバジャイロスコープが回転し
   ていない時に、共振器光ファイバの第１の向きに共振さ
   せるようにする過程と、 第２の向きにおける光の共振を示す光の強さの変動を有
   する可変周波数の第２のランプ信号を第２の周波数上に
   導入して、前記ジャイロスコープが回転していない時に
   、共振器光ファイバの第２の向きに共振させるようにす
   る過程と、 を備え、前記第１の向きにおける光の強さの変動と前記
   第２の向きにおける光の強さの変動とは整列させられ、
   更に、 第１の向きと第２の向きにおける光の強さの変動の整列
   を維持するために、前記ジャイロスコープが回転した時
   に少くとも１つのランプ信号の周波数を変える過程と、 少くとも１つのランプ信号の前記変化する周波数による
   第１のランプ信号と第２のランプ信号の周波数の差から
   前記ジャイロスコープの回転の速度と向きを決定する過
   程と、 を備える共振器光ファイバジャイロスコープにおける回
   転の速度と向きを決定する方法。（３）レーザ光源と、 この光源へ接続された光分割器と、 この光分割器へ接続された第１の光ファイバと、この第
   １の光ファイバへ接続された第１の光ファイバ共振器と
   、 前記第１の光ファイバへ接続された第１の位相感知検出
   器と、 この第１の位相感知検出器と前記レーザ光源へ接続され
   た第１のサーボ増幅器回路と、 前記第１の光ファイバへ接続された第２の位相感知検出
   器と、 この第２の位相感知検出器へ接続された第２のサーボ増
   幅器回路と、 この第２のサーボ増幅器回路と前記第１の光ファイバへ
   接続される第１のランプ信号発生器と、前記第１の光フ
   ァイバへ接続された第２のランプ信号発生器と、 前記第１のランプ信号発生器と前記第２のランプ信号発
   生器とへ接続された指示器と、 を備える二重ゼロダイン共振器光ファイバジャイロスコ
   ープ。