JPH0323844B2 - - Google Patents

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Publication number
JPH0323844B2
JPH0323844B2 JP60124262A JP12426285A JPH0323844B2 JP H0323844 B2 JPH0323844 B2 JP H0323844B2 JP 60124262 A JP60124262 A JP 60124262A JP 12426285 A JP12426285 A JP 12426285A JP H0323844 B2 JPH0323844 B2 JP H0323844B2
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JP
Japan
Prior art keywords
optical fiber
output
light
phase
phase difference
Prior art date
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Application number
JP60124262A
Other languages
Japanese (ja)
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JPS61283812A (en
Inventor
Kozo Ono
Yozo Nishiura
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National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
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Agency of Industrial Science and Technology
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Publication date
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Publication of JPS61283812A publication Critical patent/JPS61283812A/en
Publication of JPH0323844B2 publication Critical patent/JPH0323844B2/ja
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Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、光フアイバジヤイロに関するもので
あり、更に詳述するならば、位相変調方式光フア
イバジヤイロに関するものである。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION Field of Industrial Application The present invention relates to an optical fiber gyro, and more specifically, to a phase modulation type optical fiber gyro.

従来の技術 現在、航空機、飛翔体、自動車、ロボツトなど
のナビゲーシヨンや姿勢制御のための角速度セン
サとしてジヤイロが使用されている。このジヤイ
ロを使用すれば、角速度だけでなく、それを積分
することにより方位などのデータも得ることがで
きる。
BACKGROUND OF THE INVENTION Currently, gyros are used as angular velocity sensors for navigation and attitude control of aircraft, flying objects, automobiles, robots, and the like. By using this gyro, you can obtain not only angular velocity but also azimuth data by integrating it.

そのようなジヤイロの中で、光フアイバジヤイ
ロは、光及びその光が伝搬する光フアイバが磁界
や電界の影響を受け難いため、シールドの問題な
くどのような環境でも使用でき、また、可動部が
全くなく且つ小型化が可能であり、更に、最小検
出可能角速度(感度)、ドリフト、可測範囲(ダ
イナミツクレンジ)、スケールフアクタの安定性
の点において、従来のジヤイロに比較して優れて
いるために、近年注目され開発されている。
Among these types of gyroscopes, optical fiber gyroscopes can be used in any environment without shielding problems because the light and the optical fiber through which the light propagates are not easily affected by magnetic fields or electric fields, and they have no moving parts. Furthermore, it is superior to conventional gyroscopes in terms of minimum detectable angular velocity (sensitivity), drift, measurable range (dynamic range), and scale factor stability. Therefore, it has been attracting attention and being developed in recent years.

そのような光フアイバジヤイロの例は、例え
ば、ギヤロレンジ テー.ジー.、ブカロ ジエ
ー.エ−.他『光フアイバセンサ技術』アイ イ
ー イー イージヤーナル オブ カンタム エ
レクトロニクス(Giallorenzi T.G.、Bucaro J.
A.et al“Optical Fiber Sensor Technology”、
IEEE J. of Quantum Electronics)QE−18、
No.4、pp626−662(1982)やクラシヨウ及びア
イ.ピー.ギレス『光フアイバジヤイロスコー
プ』ジヤーナル オブ フイジクス エレクトロ
ニクス サイエンス インストルメント
(Culshawand I.P.Giles“Fiber Optic
Gyroscopes”J.Phys.E:Sci Instrum.)16 pp5
−15、(1983)や、坪川、大塚「光フアイバジヤ
イロスコープ」レーザ研究、11、No.12、pp889−
902(1983)などに詳しく示されている。
Examples of such fiber optic tires include, for example, gear range gear. G. , Bukalo J. A. Others, ``Optical Fiber Sensor Technology,'' International Institute of Quantum Electronics (Giallorenzi TG, Bucaro J.
A.et al “Optical Fiber Sensor Technology”,
IEEE J. of Quantum Electronics) QE−18,
No. 4, pp626-662 (1982) and Kurashiyo and I. P. Culshawand IPGiles “Fiber Optic” Journal of Physics Electronics Science Instruments
Gyroscopes”J.Phys.E:Sci Instrument) 16 pp5
−15, (1983), Tsubokawa, Otsuka, “Optical Fiber Gyroscope” Laser Research, 11 , No. 12, pp889−
902 (1983) and others.

(a) 光フアイバジヤイロの原理 ここで、光フアイバジヤイロの原理を第8図
を参照して説明する。
(a) Principle of optical fiber coil The principle of optical fiber coil will now be explained with reference to FIG. 8.

受光素子10からの光をビームスプリツタ1
2により分割して、コイル状に多数回シングル
モード光フアイバ18を巻回した光フアイバル
ープすなわちセンサコイル20の両端に入力し
て、センサコイル20に右回り(CW)と左回
り(CCW)に光を伝搬させる。そのとき、セ
ンサコイル20が角速度Ωで回転していると、
右回り光、左回り光に位相差Δθが生じ、Δθを
測定することによつて角速度Ωを検出するもの
である。
The light from the light receiving element 10 is sent to the beam splitter 1
The optical fiber loop is made by winding the single mode optical fiber 18 many times in a coil shape, that is, the input is input to both ends of the sensor coil 20. Propagate light. At that time, if the sensor coil 20 is rotating at an angular velocity Ω,
A phase difference Δθ occurs between the clockwise light and the counterclockwise light, and the angular velocity Ω is detected by measuring Δθ.

センサコイル20の中を右回りに伝搬した光
及び左回りに伝搬した光の電界の強さEcw
Eccwは、次のように表される。
The electric field strength E cw of the light propagated clockwise and the light propagated counterclockwise in the sensor coil 20,
Eccw is expressed as follows.

Ecw=Ersin(ωt+Δθ/2) Eccw=ELsin(ωt−Δθ/2) 但し、Er、EL:左回り光及び右回り光の振
幅 ω:光の角周波数 t:時間 Δθ:サニヤツク効果による位相差 そのように位相差Δθが生じた左回り光と右
回り光とをビームスプリツタ12で合成して、
受光素子26に入射する。その受光素子26の
検出強度から、位相差Δθを知ることができる。
その位相差Δθは、次のように表すことができ
る。
E cw = E r sin (ωt + Δθ/2) E ccw = E L sin (ωt − Δθ/2) However, E r , E L : Amplitude of counterclockwise light and clockwise light ω : Angular frequency of light t : Time Δθ: Phase difference due to the sannyac effect The counterclockwise light and clockwise light with such a phase difference Δθ are combined by the beam splitter 12,
The light is incident on the light receiving element 26. The phase difference Δθ can be determined from the detection intensity of the light receiving element 26.
The phase difference Δθ can be expressed as follows.

Δθ=4πLa/cλΩ ……(1) 但し、L:センサコイルのフアイバ長 a:センサコイルの半径 c:真空中の光速度 λ:光の波長 Ω:回転角速度 これをサニヤツク効果という。 Δθ=4πLa/cλΩ ……(1) However, L: fiber length of sensor coil a: Radius of sensor coil c: speed of light in vacuum λ: wavelength of light Ω: rotational angular velocity This is called the sanyatsuk effect.

位相差Δθの検出方法には多様のものがあり、
様々なものが提案されている。
There are various methods of detecting the phase difference Δθ.
Various things have been proposed.

最も簡単に、左回り光、右回り光の和を、受
光素子で二乗検波すると、出力Iは、 I∝{1+cos(Δθ)} ……(2) という形になる。
Most simply, when the sum of the counterclockwise light and the clockwise light is square-law detected using a light receiving element, the output I becomes I∝{1+cos(Δθ)}...(2).

これはcosの中にΔθがあるので、Δθが0に
近い時の感度が悪いという欠点がある。
Since Δθ is included in cos, this has the disadvantage of poor sensitivity when Δθ is close to 0.

そこで、左回り、右回りの光のいずれかの位
相を90゜ずらして、二乗検波するという光学機
構が提案されている。この場合、出力Iは、 I∝{1+sin(Δθ)} ……(3) の形になるから、Δθが0に近い時の感度が良
い。
Therefore, an optical mechanism has been proposed in which the phase of either the counterclockwise or clockwise light is shifted by 90 degrees and square-law detection is performed. In this case, the output I takes the form I∝{1+sin(Δθ)} (3), so the sensitivity is good when Δθ is close to 0.

しかし、いずれか一方の光を分離するために
は、光路を分離するための新たなビームスプリ
ツタが3つ必要になる。また、分離された光路
の長さを常に等しくおかなければならない。
However, in order to separate one of the lights, three new beam splitters are required to separate the optical paths. Furthermore, the lengths of the separated optical paths must always be equal.

Δθが0に近い時の感度の改善を、上述した
ように静的な光学的な検出機構によつて行うに
は、上記のような難点がある。
Improving the sensitivity when Δθ is close to 0 by using a static optical detection mechanism as described above has the above-mentioned difficulties.

(b) 位相変調方式光フアイバジヤイロ そこで、動的な機構によつて、Δθを検出し
ようとする光フアイバジヤイロも多く提案され
ている。例えば、位相変調方式、周波数変調方
式などである。その中で、最小検出可能角速度
などの点で最も優れているものが、位相変調方
式光フアイバジヤイロである。
(b) Phase modulation type optical fiber irons Therefore, many optical fiber irons that attempt to detect Δθ using a dynamic mechanism have been proposed. For example, a phase modulation method, a frequency modulation method, etc. are used. Among them, the phase modulation optical fiber iron is the most superior in terms of minimum detectable angular velocity.

位相変調方式光フアイバジヤイロは、光フア
イバのセンサコイルの一方の端に、位相変調素
子を設け、変調信号の大きさを測定することに
より位相差Δθを求める方式である。
The phase modulation type optical fiber iron is a method in which a phase modulation element is provided at one end of an optical fiber sensor coil, and the phase difference Δθ is determined by measuring the magnitude of the modulation signal.

この位相変調方式光フアイバジヤイロについ
て第9図を参照して説明する。
This phase modulation type optical fiber iron will be explained with reference to FIG. 9.

発光素子10からの可干渉光は、ビームスプ
リツタ12により2つに分けられ、光フアイバ
18の両端に結合される。その光フアイバ18
は、センサコイル20を構成するように巻回さ
れた部分と、角周波数ωnで駆動されるピエゾ
素子のような位相変調素子22に巻き付けられ
た部分24とに分けられている。そして、光フ
アイバの両端から結合された光は、それぞれ、
光フアイバのセンサコイル20内を右回りと左
回りに伝搬し、反対側の端部より出射し、ビー
ムスプリツタ12により合成されて受光素子2
6に入射する。
The coherent light from the light emitting element 10 is split into two by a beam splitter 12 and coupled to both ends of an optical fiber 18 . The optical fiber 18
is divided into a portion wound to constitute a sensor coil 20 and a portion 24 wound around a phase modulation element 22 such as a piezo element driven at an angular frequency ω n . The light coupled from both ends of the optical fiber is
It propagates clockwise and counterclockwise within the optical fiber sensor coil 20, exits from the opposite end, is combined by the beam splitter 12, and is sent to the light receiving element 2.
6.

位相変調素子をセンサコイルに対して非対称
な位置に設けると、同時に発光素子を出た光
が、右回り、左回りに分けられてセンサコイル
と位相変調素子巻回部とを通過するが、変調の
時刻が異なるので、受光素子で出力を二乗検波
した時、変調信号が出力に現われる。変調信号
の振幅にΔθが含まれるから、変調信号の大き
さを知つてΔθを求めることができる。
When the phase modulation element is installed at an asymmetric position with respect to the sensor coil, the light emitted from the light emitting element at the same time passes through the sensor coil and the phase modulation element winding part in clockwise and counterclockwise directions, but the light is not modulated. Since the times are different, when the output is square-law detected by the light receiving element, a modulated signal appears in the output. Since Δθ is included in the amplitude of the modulation signal, Δθ can be determined by knowing the magnitude of the modulation signal.

例えば、位相変調器を左回り光の入射端の近
傍に設けたとする。光フアイバのセンサコイル
の長さがL、フアイバコアの屈折率をn、光速
をcとすると、光がセンサコイルを通過するに
要する時間τは τ=nL/c ……(4) である。
For example, assume that a phase modulator is provided near the input end of counterclockwise light. When the length of the optical fiber sensor coil is L, the refractive index of the fiber core is n, and the speed of light is c, the time τ required for light to pass through the sensor coil is τ=nL/c (4).

変調信号が、上記したように、角周波数ωn
の正弦波であるとする。同時に発光素子を出た
光が、右回り光、左回り光に分かれ、それぞれ
位相変調を受ける時の、変調信号の位相差φ
は、 φ=ωnτ =nLωn/c =2πfnnL/c ……(5) 但し、ωn=2πfn となる。
As mentioned above, the modulation signal has an angular frequency ω n
Suppose that it is a sine wave. The phase difference φ of the modulation signal when the light emitted from the light emitting element at the same time is divided into clockwise light and counterclockwise light, each undergoing phase modulation.
φ=ω n τ =nLω n /c =2πf n nL/c (5) However, ω n =2πf n .

サニヤツク効果により、右回り光、左回り光
は、±Δθ/2の位相差を持つが、位相変調素子
によつて、位相がさらに変調される。位相変調
素子の振幅をbとすると、右回り光、左回り光
の電界の強さEcw、Eccwは、 Ecw= Ersin(ωt+Δθ/2+bsin(ωnt+φ)}……(6) Eccw= ELsin{ωt−Δθ/2+bsin(ωnt)} ……(7) となる。
Due to the sannyac effect, the clockwise light and the counterclockwise light have a phase difference of ±Δθ/2, but the phase is further modulated by the phase modulation element. If the amplitude of the phase modulation element is b, the electric field strengths E cw and E ccw of the clockwise and counterclockwise lights are E cw = E r sin (ωt + Δθ/2 + bsin (ω n t + φ)}...(6) E ccw = E L sin {ωt−Δθ/2+bsin(ω n t)} ...(7).

以上のような電界強度を有する右回り光、左
回り光は、ビームスプリツタ12で合成されて
受光素子26によつて二乗検波されるので、受
光素子の出力S(Δθ、t)はEcwとEccwの和を
二乗したものに比例する。
The clockwise light and counterclockwise light having the electric field strength as described above are combined by the beam splitter 12 and square-law detected by the light receiving element 26, so the output S(Δθ, t) of the light receiving element is E cw and Eccw squared.

S(Δθ、t)={Ecw+Eccw2 ……(8) これを計算すると、 S(Δθ、t)=ErELcos{Δθ−2bsin(φ/
2)cos(ωnt+φ/2)}+D.C.+{2ω以上}……(
9) 但し、D.C.は直流成を意味する。
S (Δθ, t) = {E cw + E ccw } 2 ...(8) Calculating this, S (Δθ, t) = E r E L cos {Δθ−2bsin (φ/
2) cos(ω n t+φ/2)}+D.C.+{2ω or more}……(
9) However, DC means direct current generation.

{2ω以上}は、光の角振動数の2倍の振動
数の項という意味である。なお、これは検出器
にはかからないので0である。
{2ω or more} means a term with a frequency twice the angular frequency of light. Note that this is 0 because it is not applied to the detector.

となる。かくして、位相変調素子によりもたら
される位相差φがあるので、Δθを、変調信号
の振幅に関係づけて得ることができる。
becomes. Thus, because of the phase difference φ provided by the phase modulation element, Δθ can be obtained in relation to the amplitude of the modulation signal.

そこで、D.C.を省略して、S(Δθ、t)をベ
ツセル函数を使つて級数展開する。まず、(9)式
は次のように表される。
Therefore, DC is omitted and S(Δθ, t) is expanded into a series using the Betzel function. First, equation (9) is expressed as follows.

S(Δθ、t)=ErEL〔cosΔθcos{2bsinφ/2cos(
ωnt+φ/2)}−sinΔθsin{2bsinφ/2cos(ωn
t+φ/2)}……(10) 一方、ベツセル函数の母函数展開から、 であるt=ei〓と置くと、 eIxsin〓=n=-∞ Jo(x)eni〓 ……(12) と表すことができる。(12)式の実数部、虚数部の展
開から、(10)式のcos、sinの部分の級数展開を得る
ことができる。S(Δθ、t)を、これらの部分に
分けて、 S(Δθ、t) =(SccosΔθ+SssinΔθ)ErEL ……(13) と書くと、θ→θ+π/2の変換をした後、 J-o(x)=(−)nJo(x) ……(14) 但し、nは正の整数 という性質を使つて、 ξ=2bsinφ/2 ……(15) とおいて、上記ScとSsを書くと、 Sc=Jp(ξ)+2n=1 (−)nJ2o(ξ)cos2nωn
……(16) Ss=2n=0 (−)nJ2o+1(ξ)cos(2n+1)ωn
……(17) となる。そこで、再び、S(Δθ、t)を表すと
次の如くである。
S(Δθ, t)=E r E L [cosΔθcos{2bsinφ/2cos(
ω n t+φ/2)}−sinΔθsin{2bsinφ/2cos(ω n
t+φ/2)}...(10) On the other hand, from the generating function expansion of the Betzel function, If we set t=e i 〓, it can be expressed as e Ixsin 〓= n=-∞ J o (x) e ni 〓 ...(12). From the expansion of the real and imaginary parts of equation (12), we can obtain the series expansion of the cos and sin parts of equation (10). Divide S (Δθ, t) into these parts and write S (Δθ, t) = (S c cos Δθ + S s sin Δθ) E r E L ...(13), then the conversion of θ → θ + π/2 is written as After that, J -o (x)=(-) n J o (x) ...(14) However, using the property that n is a positive integer, ξ=2bsinφ/2 ...(15) Writing the above S c and S s , S c = J p (ξ) + 2 n=1 (−) n J 2o (ξ) cos2nω n t
...(16) S s =2 n=0 (-) n J 2o+1 (ξ)cos(2n+1)ω n t
...(17) becomes. Therefore, once again, S(Δθ, t) is expressed as follows.

S(Δθ、t)=1/2(Er 2+EL 2)+(2ωt以上の
成分)+ErELJp(ξ) cosΔθ+ErELn=1 (−1)nJ2o(ξ)cos2nωnt・cosΔθ +ErEL 〓 〓n=0 (−1)nJ2o+1(ξ)cos(2n+1)ωnt・sinΔθ
……(10)′ =DC成分+2ErELJ1(ξ)cosωnt・sinΔθ−2ErELJ
2(ξ)cos2ωnt・cosΔθ+高次成分……(10)″ これは、変調信号ωnの基本波と、高周波信
号の級数和である。
S (Δθ, t) = 1/2 (E r 2 + E L 2 ) + (component over 2ωt) + E r E L J p (ξ) cosΔθ + E r E L 2 n=1 (-1) n J 2o (ξ)cos2nω n t・cosΔθ +E r E L 2 〓 〓 n=0 (−1) n J 2o+1 (ξ)cos(2n+1)ω n t・sinΔθ
……(10)′ = DC component + 2E r E L J 1 (ξ) cosω n t・sinΔθ−2E r E L J
2 (ξ) cos2ω n t·cosΔθ+higher-order component...(10)'' This is the sum of the series of the fundamental wave of the modulation signal ω n and the high-frequency signal.

適当なフイルタを使えば、基本波ωn又は任
意の次数の周調波の信号を取り出すことができ
る。どの信号を採用しても、cosΔθ又はsinΔθ
の大きさを知ることができる。
By using an appropriate filter, it is possible to extract the fundamental wave ω n or a harmonic signal of any order. No matter which signal is adopted, cosΔθ or sinΔθ
You can know the size of

その場合、その次数のベツセル函数Jo(ξ)
の値が大きくなるよう、位相変調素子による変
調の振幅b、変調角周波数ωn、センサコイル
通過時間τを設定すべきである。
In that case, the Betzell function J o (ξ) of that order
The amplitude b of modulation by the phase modulation element, the modulation angular frequency ω n , and the sensor coil transit time τ should be set so that the value of ω n is large.

最も高感度が期待できるのは、(17)式の1次
の項(n=0)すなわち(10)″式の右辺第2項で
ある。これは、基本波成分である。この基本波
成分をP(Δθ、t)とすると、 P(Δθ、t)=2ErELJ1(ξ)cosωnt・sinΔθ
……(18) である。
The highest sensitivity can be expected from the first-order term (n=0) in equation (17), that is, the second term on the right side of equation (10).This is the fundamental wave component.This fundamental wave component If P(Δθ, t), then P(Δθ, t)=2E r E L J 1 (ξ)cosω n t・sinΔθ
...(18).

従つて、圧電振動素子の変調角周波数ωn
同期検波すると、その検波で得れる出力Voは Vo=CsinΔθ …(19) 但し、C:定数 となる。すなわち、位相変調方式光フアイバジ
ヤイロにおいては、圧電振動素子の変調角周波
数ωn成分の振幅から回転角速度に比例する量
Δθを検出することができる。
Therefore, when synchronous detection is performed at the modulation angular frequency ω n of the piezoelectric vibrating element, the output Vo obtained by the detection is Vo=CsinΔθ (19) where C: constant. That is, in the phase modulation type optical fiber iron, the amount Δθ proportional to the rotational angular velocity can be detected from the amplitude of the modulation angular frequency ω n component of the piezoelectric vibrating element.

発明が解決しようとする問題点 しかしながら、位相変調方式光フアイバジヤイ
ロにあつては、上記式からわかるように、Δθが
±π/2に近ずくと、それに伴い、Δθの変化に
対するVoの変化が小さくなり、実用上測定が困
難になる。
Problems to be Solved by the Invention However, as can be seen from the above equation, in the case of phase modulation type optical fiber coils, as Δθ approaches ±π/2, the change in Vo with respect to the change in Δθ becomes smaller. This makes measurement difficult in practice.

このように従来の位相変調方式光フアイバジヤ
イロは、ダイナミツクレンジが狭い問題があつ
た。
As described above, the conventional phase modulation type optical fiber coil has a problem of a narrow dynamic range.

そこで、位相変調方式光フアイバジヤイロのダ
イナミツクレンジ拡大法が研究され、そのいくつ
かは既に発表されている。その1例を挙げると、
下記の論文である。
Therefore, methods for expanding the dynamic range of phase modulation type optical fiber irons have been studied, and some of these methods have already been published. To give one example,
The paper is below.

(1) エイチ.シー.レフブル、ピーエイチ.グラ
ムドージ、エイチ.ジエ−.アーデヘテー「デ
ジタフエーズランプを使用したダブルクローズ
ドループハイブリツドジヤイロスコープ」第3
回光フアイバセンサ国際会議(H.C.Lefevre、
PH.Graindorge、H.J.Ardity、Double Clesed
−Loop Hybride Fiber Gyroscope Using
Digital Phase Ramp、Third International
Conference on Optical Fiber Sensors)
1985、PDS7−1〜PDS7−5 (2) ビー.ワイ.キム及びエイチ.ジエー.シヨ
ー「フエーズデイテクシヨンを使用したリニア
スケールフアクタを持つオール光フアイバジヤ
イロ」エスピーアイイー 光フアイバ及びレー
ザセンサ(B.Y.Kim and H.J.shaw、All−
fiber−optic gyroscope with linear scale
factor using phase detection SPIE Fiber
Opticand Laser Sensors )Vol.478 1984
PP.142〜148 上記した文献に開示されている方法は、理論的
にはそれぞれダイナミツクレンジの拡大に成功し
ているが、実際には以下のような問題がある。す
なわち、実用上必要とされるダイナミツクレンジ
は、例えば10-3deg/secから1000deg/secと106
以上もある。一方、上記の文献に開示されている
各種の工夫は、すべてアナログ信号で出力を得て
いるか、又は信号処理するため出力を電圧あるい
は電流で取り出している。しかし106もの広いダ
イナミツクレンジをカバーしようとすると、例え
ば、電源電圧10Vとすると、少なくとも10-5V=
10μVを出力することがあり、これは実用上極め
て困難を伴う。
(1) H. C. Refbl, PH. Gramdoji, H. Jie. Ade Hete "Double closed loop hybrid gyroscope using digital phase lamp" No. 3
International Conference on Circular Fiber Sensors (HCLefevre,
PH.Graindorge, HJArdity, Double Clesed
−Loop Hybride Fiber Gyroscope Using
Digital Phase Ramp, Third International
Conference on Optical Fiber Sensors)
1985, PDS7-1 to PDS7-5 (2) B. Yay. Kim and H. J.A. BYKim and HJshaw, All-optical fiber sensor with linear scale factor using phase-day technology.
fiber−optic gyroscope with linear scale
factor using phase detection SPIE Fiber
Opticand Laser Sensors) Vol.478 1984
PP.142-148 Although the methods disclosed in the above-mentioned documents are theoretically successful in expanding the dynamic range, they actually have the following problems. In other words, the dynamic range required in practice is, for example, from 10 -3 deg/sec to 1000 deg/sec and 10 6
There are more than that. On the other hand, all of the various devices disclosed in the above-mentioned documents obtain the output as an analog signal, or take out the output as a voltage or current for signal processing. However, if we try to cover a wide dynamic range of 106 , for example, if the power supply voltage is 10V, then at least 10 -5 V =
It may output 10μV, which is extremely difficult in practice.

そこで、本発明は、最小検出可能角速度及びド
リフトなどの点で最も優れているにもかかわらず
ダイナミツクレンジが原理上狭い位相変調方式光
フアイバジヤイロに、実用上必要なダイナミツク
レンジを与えるようとするものである。
Therefore, the present invention aims to provide a practically necessary dynamic range to a phase modulation type optical fiber coil, which has a narrow dynamic range in principle despite being the best in terms of minimum detectable angular velocity and drift. It is something.

問題点を解決するための手段 すなわち、本発明によるならば、発光素子と、
多数回コイル状に巻回されたセンサコイル部分を
含み且つ前記発光素子からの光が分岐されて両端
に結合され該センサコイルを両方向に伝搬した光
を両端から出力する光フアイバと、該光フアイバ
を伝搬した両回り光を受ける受光素子とを具備
し、前記センサコイルが回転したときに生ずる両
回り光間の位相差から回転角速度を測定する光フ
アイバジヤイロにおいて、前記センサコイルの端
部付近に設けられた第1の位相変調器と、前記受
光素子の出力を受けて、該受光素子からの位相差
を表す電圧が実質的に零となるような鋸歯状波駆
動パルスを、該第1の位相変調器に供給する零位
法サーボ回路と、位相差が小さいとき前記受光素
子の出力を位相差信号として出力し、一方、位相
差が大きいとき前記零位法サーボ回路の電圧を位
相差信号として出力する切り換えスイツチとを具
備することを特徴とする光フアイバジヤイロが提
供される。
Means for Solving the Problems According to the present invention, a light emitting element;
An optical fiber including a sensor coil portion wound in a coil shape many times, into which light from the light emitting element is branched and coupled to both ends, and the light propagated in both directions through the sensor coil is output from both ends; and a light-receiving element that receives light propagated in both directions, and measures rotational angular velocity from a phase difference between the two directions of light generated when the sensor coil rotates. A sawtooth wave driving pulse is applied to the first phase modulator such that the voltage representing the phase difference from the light receiving element becomes substantially zero. A zero-position method servo circuit that supplies the modulator and outputs the output of the light receiving element as a phase difference signal when the phase difference is small, and outputs the voltage of the zero-position method servo circuit as a phase difference signal when the phase difference is large. An optical fiber gyro is provided, characterized in that it is equipped with a changeover switch for outputting the output.

作 用 以上のような光フアイバジヤイロにおいては、
零位法サーボ回路を設けたことにより、受光素子
の出力そのものからでなく、零位法サーボ回路の
制御電圧から、センサコイルが受けた回転による
位相差を得ることができる。従つて、センサコイ
ルに生じた位相差に応じて、位相差が小さいとき
前記受光素子の出力を位相差信号として出力し、
一方、位相差が大きいとき前記零囲法サーボ回路
の電圧を位相差信号として出力することにより、
広いダイナミツクレンジにわたつて安定な出力を
得ることができ、広い範囲にわたつて正確を測定
を実施することができる。
Function In the above-mentioned optical fiber coil,
By providing the zero-order servo circuit, the phase difference due to the rotation received by the sensor coil can be obtained not from the output of the light receiving element itself but from the control voltage of the zero-order servo circuit. Therefore, according to the phase difference generated in the sensor coil, when the phase difference is small, the output of the light receiving element is output as a phase difference signal,
On the other hand, when the phase difference is large, by outputting the voltage of the zero range method servo circuit as a phase difference signal,
It is possible to obtain stable output over a wide dynamic range and perform accurate measurements over a wide range.

実施例 以下、添付図面を参照して本発明を実施した光
フアイバジヤイロを説明する。
Embodiments Hereinafter, an optical fiber gyroscope embodying the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

第1図は、本発明を実施した位相変調方式光フ
アイバジヤイロの1実施例の構成を示した図であ
る。図示の位相変調方式光フアイバジヤイロにお
いては、受光素子32のような光源が設けられ、
電源(不図示)により駆動されて、光ビームを発
生する。なお、光源としては、He−Neレーザ、
半導体レーザ、スーパールミネツセントダイオー
ドなどが使用できる。その発光素子32が発生す
る光ビームは、ハーフミラーのようなビームスプ
リツタ34に送られる。このビームスプリツタ3
4は、光を受光素子36に分岐するためのもので
ある。ビームスプリツタ34を通過した光は、シ
ングルモード光フアイバ38の一端に結合され、
その他端から出射した光は、ビームスプリツタ4
0に入力する。このビームスプリツタ34は、光
を2つに分岐して、光フアイバ42両端に結合す
るものである。
FIG. 1 is a diagram showing the configuration of one embodiment of a phase modulation type optical fiber coil embodying the present invention. In the illustrated phase modulation type optical fiber iron, a light source such as a light receiving element 32 is provided,
It is driven by a power source (not shown) to generate a light beam. In addition, as a light source, He-Ne laser,
Semiconductor lasers, superluminescent diodes, etc. can be used. The light beam generated by the light emitting element 32 is sent to a beam splitter 34 such as a half mirror. This beam splitter 3
4 is for branching the light to the light receiving element 36. The light passing through the beam splitter 34 is coupled to one end of a single mode optical fiber 38,
The light emitted from the other end is transmitted to the beam splitter 4.
Enter 0. The beam splitter 34 splits the light into two and couples them to both ends of the optical fiber 42.

光フアイバ42は、光フアイバセンサを構成す
るように、多数回コイル状に巻かれてセンサコイ
ル44と、位相変調器46及び48にそれぞれ結
合された部分とからなつている。
Optical fiber 42 is coiled a number of times to form an optical fiber sensor and includes a sensor coil 44 and portions coupled to phase modulators 46 and 48, respectively.

一方の位相変調器46は、例えば、圧電振動素
子で構成され、位相変調用の交流励振電源50に
接続され、角周波数ωnの正弦波の交流で駆動さ
れるようになされている。この場合、光フアイバ
42は、例えば圧電振動素子46に巻き付けられ
る。
One phase modulator 46 is composed of, for example, a piezoelectric vibrating element, is connected to an AC excitation power source 50 for phase modulation, and is configured to be driven by a sinusoidal AC wave having an angular frequency ω n . In this case, the optical fiber 42 is wound around the piezoelectric vibrating element 46, for example.

他方の位相変調器48は、第2図に示すような
鋸歯状波で駆動されるためのものである。しか
し、鋸歯状波での位相変調は、圧電振動子の共振
を利用する方法では実現困難である。このため、
LiNbO3等の電気光学結晶を使つた方式が有効で
あると考えられる。変調効率の点から、導波型素
子にすることが望ましい。例えば、第3図に示す
ように、LiNbO3基板52の表面に光導波路54
を設け、その光導波路54を挟むように一対の電
極56を埋め込んで構成される。この場合、光導
波路54が光フアイバ42の一方の端に挿入さ
れ、一対の電極56の間に鋸歯状波が印加され
る。
The other phase modulator 48 is intended to be driven with a sawtooth wave as shown in FIG. However, phase modulation using a sawtooth wave is difficult to achieve using a method that utilizes the resonance of a piezoelectric vibrator. For this reason,
A method using an electro-optic crystal such as LiNbO 3 is considered to be effective. From the viewpoint of modulation efficiency, it is desirable to use a waveguide type element. For example, as shown in FIG. 3, an optical waveguide 54 is formed on the surface of the LiNbO 3 substrate 52.
is provided, and a pair of electrodes 56 are embedded so as to sandwich the optical waveguide 54 therebetween. In this case, an optical waveguide 54 is inserted into one end of the optical fiber 42, and a sawtooth wave is applied between a pair of electrodes 56.

光フアイバ42を右回りと左回りとに伝搬した
光ビームは、光フアイバ42の両端から出力され
て、ビームスプリツタ40によりまとめられ、シ
ングルモード光フアイバ38とビームスプリツタ
34を介して、受光素子36に入射する。
The light beams propagated clockwise and counterclockwise through the optical fiber 42 are output from both ends of the optical fiber 42, are combined by the beam splitter 40, and are received via the single mode optical fiber 38 and the beam splitter 34. incident on element 36.

その受光素子の電気出力は、増幅器58を介し
て同期検波器60の入力に接続されている。この
同期検波器60は、上述した圧電振動素子46と
同様に、位相変調用の交流励振電源50に接続さ
れ、それぞれ角周波数ωnの交流を受けるように
なされている。そして、同期検波器60の出力
は、A/D変換器62を介してスイツチ64の一
方の入力端子に接続されている。
The electrical output of the light receiving element is connected to the input of a synchronous detector 60 via an amplifier 58. This synchronous detector 60, like the piezoelectric vibrating element 46 described above, is connected to an AC excitation power source 50 for phase modulation, and is adapted to receive an alternating current having an angular frequency ω n . The output of the synchronous detector 60 is connected to one input terminal of a switch 64 via an A/D converter 62.

また、位相変調器48に鋸歯状波を供給する回
路は、同期検波器60のアナログ出力を受ける減
算回路66と、その出力を受ける積分回路68と
を有している。すなわち、減算回路66と積分回
路68とは、差動積分器を構成している。その積
分回路68の出力は、電圧制御発振回路70と、
A/D変換器72と、電圧判定回路74とのそれ
ぞれの入力に接続されている。この電圧制御発振
回路70は、入力電圧Vfに比例した周波数fの
信号発生して、波形成形回路76に出力する。そ
の周波数fの信号を受ける波形成形回路76は、
ピーク値V0が一定で、周期Tが1/fで、且つ
極性が入力電圧Vfと同一の鋸歯状波を発生して、
位相変調器48に印加する。このような電圧制御
発振回路及び波形成形回路は従来周知であるので
説明は省略する。特に、上記条件の鋸歯状波を発
生する波形成形回路は、いわゆる定振幅鋸歯状波
発生回路により実現できる。
Further, the circuit that supplies the sawtooth wave to the phase modulator 48 includes a subtraction circuit 66 that receives the analog output of the synchronous detector 60, and an integration circuit 68 that receives the output. That is, the subtraction circuit 66 and the integration circuit 68 constitute a differential integrator. The output of the integrating circuit 68 is connected to a voltage controlled oscillation circuit 70,
It is connected to the respective inputs of the A/D converter 72 and the voltage determination circuit 74. The voltage controlled oscillation circuit 70 generates a signal with a frequency f proportional to the input voltage V f and outputs it to the waveform shaping circuit 76 . The waveform shaping circuit 76 that receives the signal of frequency f is
Generating a sawtooth wave with a constant peak value V0 , a period T of 1/f, and the same polarity as the input voltage Vf ,
is applied to the phase modulator 48. Such voltage controlled oscillator circuits and waveform shaping circuits are well known in the art, so their explanation will be omitted. In particular, the waveform shaping circuit that generates the sawtooth wave under the above conditions can be realized by a so-called constant amplitude sawtooth wave generation circuit.

かくして、減算回路66と、積分回路68と、
電圧制御発振回路70と、波形成形回路76と
は、光フアイバ42に対して零位法サーボ回路を
構成している。一方、A/D変換器72のデジタ
ル出力は、スイツチ64の他方の入力端子に接続
されている。
Thus, the subtraction circuit 66, the integration circuit 68,
The voltage controlled oscillation circuit 70 and the waveform shaping circuit 76 constitute a zero-order servo circuit for the optical fiber 42. On the other hand, the digital output of the A/D converter 72 is connected to the other input terminal of the switch 64.

そして、電圧判定回路74は、積分回路68の
アナログ出力電圧を所定の基準電圧と比較して、
積分回路68のアナログ出力電圧が所定の基準電
圧より大きいとき、電圧制御発振回路70を動作
状態に置くと共にスイツチ64がA/D変換器7
2のデジタル出力を位相差信号として出力するよ
うにスイツチ64を切り換え、他方、積分回路6
8のアナログ出力電圧が所定の基準電圧より小さ
いとき、電圧制御発振回路70を不動作状態に置
くと共にスイツチ64がA/D変換器62のデジ
タル出力を位相差信号として出力するようにスイ
ツチ64を切り換えるように、動作する。
Then, the voltage determination circuit 74 compares the analog output voltage of the integrating circuit 68 with a predetermined reference voltage.
When the analog output voltage of the integrating circuit 68 is greater than a predetermined reference voltage, the voltage controlled oscillation circuit 70 is put into operation, and the switch 64 turns on the A/D converter 7.
Switch 64 is switched so that the digital output of 2 is output as a phase difference signal, and on the other hand, the switch 64 is
When the analog output voltage of the A/D converter 62 is smaller than a predetermined reference voltage, the switch 64 is set so that the voltage controlled oscillation circuit 70 is put in an inoperable state and the switch 64 outputs the digital output of the A/D converter 62 as a phase difference signal. It works like switching.

以上のような位相変調方式光フアイバジヤイロ
において、位相変調器48が動作しないときは、
従来の位相変調方式光フアイバジヤイロと同様に
動作する。一方、位相変調器48が動作するとき
は、位相変調器46と48とによる位相変調が、
光フアイバ42を両方向に伝搬する光に対して作
用される。
In the phase modulation type optical fiber iron as described above, when the phase modulator 48 does not operate,
It operates in the same way as a conventional phase modulation type optical fiber coil. On the other hand, when the phase modulator 48 operates, the phase modulation by the phase modulators 46 and 48 is
It acts on light propagating in both directions through the optical fiber 42.

位相変調器48が動作するときの零位法による
光フアイバジヤイロの動作原理は、上述した文献
(1)に詳述されている。今、位相変調器46による
位相のずれをωnとし、位相変調器48による位
相のずれをφとすると、受光素子36の出力の
ωn成分は、次のように表せる。
The operating principle of the optical fiber pilot using the zero-position method when the phase modulator 48 operates is described in the above-mentioned document.
Detailed in (1). Now, assuming that the phase shift caused by the phase modulator 46 is ω n and the phase shift caused by the phase modulator 48 is φ, the ω n component of the output of the light receiving element 36 can be expressed as follows.

S(Δθ)=2ErELJ1(2bsinφ/2)cosωn
t・sin{φ−Δθ}……(20) 但し、b:変調度、φ=nL/c・ωn ここで、φは、鋸歯状波のその勾配と共に変化
する関数であるので、第1図の同期検波器60の
出力電圧V1は、 V1=C・sin(aτ+Δθ) ……(21) 但し、C:定数 τ:光がセンサコイルを伝搬するに要
する時間((4)式参照) Δθ:サニヤツク効果による位相差 a=Vo/T(鋸歯状波の勾配) V0:鋸歯状波のピーク電圧 T:鋸歯状波の周期 と表すことができる。従つて、V1=0を常に保
つように、すなわち a=−Δθ/τ となるように、鋸歯状波の勾配aをサーボ回路に
よりフイードバツク制御することにより、その勾
配aからΔθ(=−aτ)を得ることができる。そし
て、上記したように、鋸歯状波のピーク電圧Vo
は一定しているので、その勾配aは、 a=V0/T=V0f(但しf=1/T) の関係より、周波数に比例しており、位相変調器
48の駆動周波数すなわち電圧制御発振回路の発
振周波数から求めることが原理的に可能である。
S(Δθ)=2E r E L J 1 (2bsinφ/2) cosω n
t・sin{φ−Δθ}……(20) However, b: modulation degree, φ=nL/c・ω nHere, φ is a function that changes with the slope of the sawtooth wave, so the first The output voltage V 1 of the synchronous detector 60 in the figure is: V 1 =C・sin(aτ+Δθ)...(21) where C: constant τ: time required for light to propagate through the sensor coil (see equation (4)) ) Δθ: Phase difference due to sannyac effect a=Vo/T (slope of sawtooth wave) V 0 : Peak voltage of sawtooth wave T: Period of sawtooth wave. Therefore, by feedback-controlling the slope a of the sawtooth wave by the servo circuit so that V 1 =0 is always maintained, that is, a = -Δθ/τ, the slope a can be changed from the slope a to Δθ (=-aτ ) can be obtained. Then, as mentioned above, the peak voltage Vo of the sawtooth wave
is constant, so its slope a is proportional to the frequency from the relationship a=V 0 /T=V 0 f (however, f=1/T), and the driving frequency of the phase modulator 48, that is, the voltage In principle, it is possible to obtain it from the oscillation frequency of the controlled oscillation circuit.

今、V1=A・sin(aτ+Δθ)を簡略化して、V
=sin(aτ+Δθ)として、そのフイードバツク制
御の応答性と、Δθを表す実際的な電圧について
検討する。
Now, simplifying V 1 = A・sin (aτ + Δθ), V
= sin(aτ+Δθ), we will consider the responsiveness of the feedback control and the practical voltage representing Δθ.

V=sin(aτ+Δθ)におけるVとaτ+Δθとの関
係を示すと第4図の如くなる。そこで、Vが零と
なる条件を求めるに際し、(aτ+Δθ)が1に比較
して十分小さいとすると、 V=aτ+Δθ と表すことができる。
The relationship between V and aτ+Δθ when V=sin(aτ+Δθ) is shown in FIG. Therefore, when finding the conditions under which V becomes zero, assuming that (aτ+Δθ) is sufficiently small compared to 1, it can be expressed as V=aτ+Δθ.

一方、ここで、第1図の回路における零位法サ
ーボ回路を抽出して図示すると、第5図のように
なる。すなわち、光フアイバジヤイロ(FOG)
の光学系の出力Vは、まず利得−Aの増幅器Aで
増幅され、その出力−AVは、次いで、積分器C
に入力されて積分され、その出力電圧Vfが電圧
制御鋸歯状波発生器VCOに入力される。
On the other hand, if the zero-order method servo circuit in the circuit of FIG. 1 is extracted and illustrated, it will be as shown in FIG. 5. i.e. Fiber Optic Gyro (FOG)
The output V of the optical system is first amplified by an amplifier A with a gain of -A, and the output -AV is then amplified by an integrator C.
The output voltage V f is input to the voltage-controlled sawtooth wave generator VCO.

かかる信号処理を追跡して、V=aτ+Δθを解
析すると、aは上記したように、a=V0/T=
V0fであり、またそのfは、f=cVf(但し、cは
電圧と周波数との間の比例定数)の関係があり、
更に、そのVfは、以下のように表すことができ
る。
When we trace this signal processing and analyze V=aτ+Δθ, a becomes a=V 0 /T= as described above.
V 0 f, and f has the relationship f=cV f (where c is the proportionality constant between voltage and frequency),
Furthermore, the V f can be expressed as follows.

Vf=−A∫t 0Vdt 従つて、Vは、以下のように表せる。 V f =−A∫ t 0 Vdt Therefore, V can be expressed as follows.

V=−τV0cA∫t 0Vdt+Δθ ……(22) かかる式をtで微分すると、 dv/dt+τV0cA=0 となり、すなわち、 V=Δθ(1−e-cAV0t) ……(23) となる。上記(23)式の時定数は、1/τcAV0とな
り、VとΔθとの関係は第6図に示すようになる。
従つて、c、A、V0、を選択することにより、
十分な応答性を持つて積分回路68の出力Vで、
Δθを表すことができる。
V=-τV 0 cA∫ t 0 Vdt+Δθ ...(22) Differentiating this equation with respect to t gives dv/dt+τV 0 cA=0, that is, V=Δθ(1-e -cAV0t ) ...(23) becomes. The time constant of the above equation (23) is 1/τcAV 0 , and the relationship between V and Δθ is as shown in FIG.
Therefore, by choosing c, A, and V 0 ,
At the output V of the integrating circuit 68 with sufficient responsiveness,
Δθ can be expressed.

また、上記した(22)式の特性は簡単に実現でき
る。例えば、第7図に示すような積分回路により
実現できる。その場合、 Vf=−(1/RC)∫t 0Vdt と表すことができ、C=0.1μF=10-7F、R=
1KΩ=103Ωとすると、 Vf=−104×∫t 0Vdt 以上のように構成される位相変調方式光フアイ
バジヤイロは、次のように動作する。
Furthermore, the characteristic of equation (22) described above can be easily realized. For example, it can be realized by an integrating circuit as shown in FIG. In that case, it can be expressed as V f =-(1/RC)∫ t 0 Vdt, C=0.1μF=10 -7 F, R=
When 1KΩ=10 3 Ω, V f =−10 4 ×∫ t 0 Vdt The phase modulation type optical fiber coil constructed as above operates as follows.

電源により駆動される発光素子32からの光ビ
ームは、ビームスプリツタ34、シングルモード
光フアイバ38を通過してビームスプリツタ40
で2つに分岐され光フアイバ42の両端に結合さ
れる。
A light beam from the light emitting device 32 driven by a power source passes through a beam splitter 34 and a single mode optical fiber 38 to a beam splitter 40.
The optical fiber 42 is branched into two parts and connected to both ends of the optical fiber 42.

光フアイバ42に入力された光ビームは、回転
を受けているセンサコイル44の部分で位相差が
でき、また、交流励振電源50からの角周波数
ωnの正弦波交流で駆動される圧電振動素子46
及び電気光学効果位相変調器48にそれぞれ結合
された部分において位相変される。
The light beam input to the optical fiber 42 has a phase difference at the part of the sensor coil 44 undergoing rotation, and a piezoelectric vibrating element driven by a sinusoidal alternating current with an angular frequency ω n from an alternating current excitation power source 50. 46
and the portions coupled to the electro-optic effect phase modulator 48 are phase-shifted.

そのように光フアイバ42において位相差がで
き且つ位相変調された右回り光ビームと左回り光
ビームは、光フアイバ42の両端から出力され
て、ビームスプリツタ40により合成され、更
に、シングルモード光フアイバ38とビームスプ
リツタ34を介して受光素子36に入射する。
The clockwise light beam and the counterclockwise light beam, which have a phase difference and are phase modulated in the optical fiber 42, are output from both ends of the optical fiber 42, are combined by the beam splitter 40, and are further combined into a single mode light beam. The light enters the light receiving element 36 via the fiber 38 and the beam splitter 34.

その受光素子36の出力は、同期検波器60に
よりωnで同期検波される。
The output of the light receiving element 36 is synchronously detected at ω n by a synchronous detector 60 .

このとき、積分回路68の出力電圧Vfが基準
レベルより小さいときは、電圧判定回路74は、
A/D変換器62の出力をスイツチ64を介して
出力させると共に、電圧制御発振回路70を不動
作状態に置く。従つて、このときは、位相変調器
48による位相変調はなされていない。
At this time, when the output voltage V f of the integrating circuit 68 is smaller than the reference level, the voltage determining circuit 74
The output of the A/D converter 62 is outputted via the switch 64, and the voltage controlled oscillation circuit 70 is placed in a non-operating state. Therefore, at this time, phase modulation by the phase modulator 48 is not performed.

一方、積分回路68の出力電圧Vfが基準レベ
ルより大きいときまたは大きくなつたときは、電
圧判定回路74は、A/D変換器72の出力をス
イツチ64を介して出力させると共に、電圧制御
発振回路70を動作状態に置く。従つて、このと
きは、位相変調器48にる位相変調がなされ、零
位法により測定がなされ、その時の位相差Δθを
表す電圧信号が積分回路68より出力され、A/
D変換器72により変換されて出力される。
On the other hand, when the output voltage V f of the integrating circuit 68 is larger than the reference level or becomes larger, the voltage determination circuit 74 outputs the output of the A/D converter 72 via the switch 64, and also outputs the output of the A/D converter 72 via the switch 64. The circuit 70 is placed into operation. Therefore, at this time, phase modulation is performed by the phase modulator 48, measurement is performed by the zero-position method, and a voltage signal representing the phase difference Δθ at that time is output from the integrating circuit 68, and the A/
It is converted by a D converter 72 and output.

以上のように、同期検波器60の出力と、積分
回路68の出力とを別々にA/D変換している理
由は、それぞれの測定方法の相違により、同期検
波器60のアナログ電圧と、積分回路70のアナ
ログ電圧とがそれぞれ異なる位相差Δθを表して
いる。具体的には、積分回路70のアナログ電圧
は、小さくても、大きな位相差Δθを表している。
例えば、10-3deg/secから1000deg/secまでの
106のダイナミツクレンジを全体で確保する場合、
位相変調器48が動作せず、従来の位相変調方式
光フアイバジヤイロと同様に動作するときに、
10-3deg/secから1deg/secまで範囲をカバーし、
位相変調器48が動作して零位法により測定する
ときは、1deg/secから1000deg/secまでの範囲
をカバーするようにする。
As mentioned above, the reason why the output of the synchronous detector 60 and the output of the integrating circuit 68 are A/D converted separately is that the analog voltage of the synchronous detector 60 and the integral The analog voltage of the circuit 70 represents a different phase difference Δθ. Specifically, even if the analog voltage of the integrating circuit 70 is small, it represents a large phase difference Δθ.
For example, from 10 -3 deg/sec to 1000 deg/sec
If you want to ensure a total of 10 6 dynamic cleanses,
When the phase modulator 48 does not operate and operates in the same manner as a conventional phase modulation type optical fiber gyro,
Covering the range from 10 -3 deg/sec to 1 deg/sec,
When the phase modulator 48 operates to measure using the zero position method, it covers the range from 1 deg/sec to 1000 deg/sec.

なお、上記実施例において、鋸歯状波による位
相変調器は、電気光学効果を利用したものに限ら
ず、鋸歯状波による位相変調が可能ならば、どの
ような素子を使用してもよい。
In the above embodiments, the phase modulator using sawtooth waves is not limited to one that utilizes an electro-optic effect, and any element may be used as long as it is capable of phase modulation using sawtooth waves.

発明の効果 以上の説明から明らかなように、本発明による
光フアイバジヤイロは、回転角速度の小さい領域
と大きい領域を各々扱いやすい方法で信号をとり
出し、切り変えて用いるので、広いダイナミツク
レンジを無理なく、比較的容易に出力を安定にと
り出せる。
Effects of the Invention As is clear from the above explanation, the optical fiber gyro according to the present invention extracts signals in a manner that is easy to handle and switches between regions of low rotational angular velocity and high rotational angular velocity, and uses them by switching. Therefore, it is relatively easy to obtain stable output.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は、本発明による光フアイバジヤイロの
原理を図解する光学系統図であり、第2図は、第
1図の位相変調方式光フアイバジヤイロにおいて
位相変調器に印加される鋸歯状波の波形図であ
り、第3図は、第1図の位相変調方式光フアイバ
ジヤイロに使用されている電気光学位相変調器の
1例を図示する概略斜視図であり、第4図は、第
1図の位相変調方式光フアイバジヤイロにおける
受光素子の出力電圧と、位相差との関係を示すグ
ラフであり、第5図は、第1図の位相変調方式光
フアイバジヤイロにおける零位法サーボ系の系統
図であり、第6図は、第1図の位相変調方式光フ
アイバジヤイロにおいて位相変調器に鋸歯状波が
印加された場合の位相差Δθと鋸歯状波制御電圧
との関係を示すグラフであり、第7図は、典型的
な積分回路の回路図であり、第8図は、光フアイ
バジヤイロの原理を説明する基本構成図であり、
第9図は、位相変調方式光フアイバジヤイロの原
理を説明する基本構成図である。 〔主な参照番号〕、10……発光素子、12…
…ビームスプリツタ、14,16……結合レン
ズ、18……光フアイバ、20……センサコイ
ル、22……位相変調素子、26……受光素子、
32……光源、34,40……ビームスプリツ
タ、36……受光素子、38……シングルモード
光フアイバ、42……光フアイバ、44……セン
サコイル、46……圧電振動素子、48……電気
光学効果位相変調器、50……正弦波交流励振電
源、52……LiNbO3基板、54……光導波路、
56……電極、58……増幅器、60……同期検
波器、62,72……A/D変換器、64……ス
イツチ、66……減算器、68……積分回路、7
0……電圧制御発振回路、74……電圧判定回
路、76……波形成形回路。
Fig. 1 is an optical system diagram illustrating the principle of the optical fiber coil according to the present invention, and Fig. 2 is a waveform diagram of the sawtooth wave applied to the phase modulator in the phase modulation type optical fiber coil of Fig. 1. 3 is a schematic perspective view illustrating an example of an electro-optic phase modulator used in the phase modulation method optical fiber gyro shown in FIG. 5 is a graph showing the relationship between the output voltage of the light receiving element and the phase difference in the optical fiber gyro; FIG. 5 is a system diagram of the zero position method servo system in the phase modulation type optical fiber gyro shown in FIG. 1; FIG. is a graph showing the relationship between the phase difference Δθ and the sawtooth wave control voltage when a sawtooth wave is applied to the phase modulator in the phase modulation type optical fiber iron shown in FIG. FIG. 8 is a basic configuration diagram illustrating the principle of an optical fiber gyro.
FIG. 9 is a basic configuration diagram illustrating the principle of a phase modulation optical fiber pilot. [Main reference numbers], 10... Light emitting element, 12...
... Beam splitter, 14, 16 ... Coupling lens, 18 ... Optical fiber, 20 ... Sensor coil, 22 ... Phase modulation element, 26 ... Light receiving element,
32... Light source, 34, 40... Beam splitter, 36... Light receiving element, 38... Single mode optical fiber, 42... Optical fiber, 44... Sensor coil, 46... Piezoelectric vibrating element, 48... Electro-optic effect phase modulator, 50...Sine wave AC excitation power supply, 52...LiNbO 3 substrate, 54... Optical waveguide,
56... Electrode, 58... Amplifier, 60... Synchronous detector, 62, 72... A/D converter, 64... Switch, 66... Subtractor, 68... Integrating circuit, 7
0... Voltage controlled oscillation circuit, 74... Voltage determination circuit, 76... Waveform shaping circuit.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 発光素子と、多数回コイル状に巻回されたセ
ンサコイル部分を含み且つ前記発光素子からの光
が分岐されて両端に結合され該センサコイルを両
方向に伝搬した光を両端から出力する光フアイバ
と、該光フアイバを伝搬した両回り光を受ける受
光素子とを具備し、前記センサコイルが回転した
ときに生ずる両回り光間の位相差から回転角速度
を測定する光フアイバジヤイロにおいて、前記セ
ンサコイルの端部付近に設けられた第1の位相変
調器と、前記受光素子の出力を受けて、該受光素
子からの位相差を表す電圧が実質的に零となるよ
うな鋸歯状波駆動パルスを、該第1の位相変調器
に供給する零位法サーボ回路と、位相差が小さい
とき前記受光素子の出力を位相差信号として出力
し、一方、位相差が大きいとき前記零位法サーボ
回路の電圧を位相差信号として出力する切り換え
スイツチとを具備することを特徴とする光フアイ
バジヤイロ。 2 前記センサコイルの端部付近に設けられた第
2の位相変調器と、前記第1の位相変調器の駆動
周波数で前記受光素子の出力を同期検波する同期
検波器とを更に具備しており、前記電圧制御発振
回路は、前記同期検波器の出力を受け、また、前
記切り換えスイツチは、位相差が小さいとき前記
同期検波器の出力を位相差信号として出力するこ
とを特徴とする特許請求の範囲第1項記載の光フ
アイバジヤイロ。 3 前記第1の位相変調器は、電気光学効果を利
用した位相変調器であることを特徴とする特許請
求の範囲第1項または第2項記載の光フアイバジ
ヤイロ。 4 前記零位法サーボ回路は、前記受光素子の出
力を受ける差動積分器と、該差動積分器の出力を
受ける電圧制御発振回路と、該電圧制御発振回路
の出力を受けて鋸歯状波を前記第1の位相変調器
に出力する波形成形回路とを具備していることを
特徴とする特許請求の範囲第1項から第3項まで
のいずれかに記載の光フアイバジヤイロ。 5 前記位相差信号をデジタル信号に変換する
A/D変換器が設けられていることを特徴とする
特許請求の範囲第1項から第4項までのいずれか
に記載の光フアイバジヤイロ。
[Scope of Claims] 1. A device comprising a light emitting element and a sensor coil portion wound in a coil shape many times, and in which light from the light emitting element is branched and coupled to both ends, and light propagated in both directions through the sensor coil is split. An optical fiber coil is equipped with an optical fiber that outputs from both ends and a light receiving element that receives light in both directions propagated through the optical fiber, and measures the rotational angular velocity from the phase difference between the lights in both directions generated when the sensor coil rotates. a first phase modulator provided near an end of the sensor coil; and a sawtooth that receives the output of the light receiving element so that a voltage representing a phase difference from the light receiving element becomes substantially zero. a zero-position method servo circuit that supplies a wave driving pulse to the first phase modulator; and a zero-position method servo circuit that outputs the output of the light receiving element as a phase difference signal when the phase difference is small; An optical fiber gyro characterized by comprising a changeover switch that outputs the voltage of a phase servo circuit as a phase difference signal. 2. The sensor coil further includes a second phase modulator provided near an end of the sensor coil, and a synchronous detector that synchronously detects the output of the light receiving element at the driving frequency of the first phase modulator. , the voltage controlled oscillator circuit receives the output of the synchronous detector, and the changeover switch outputs the output of the synchronous detector as a phase difference signal when the phase difference is small. Optical fiber gyroscope according to scope 1. 3. The optical fiber gyroscope according to claim 1 or 2, wherein the first phase modulator is a phase modulator that utilizes an electro-optic effect. 4. The zero-level method servo circuit includes a differential integrator that receives the output of the light receiving element, a voltage controlled oscillation circuit that receives the output of the differential integrator, and a sawtooth waveform that receives the output of the voltage controlled oscillation circuit. 4. The optical fiber gyroscope according to any one of claims 1 to 3, further comprising a waveform shaping circuit that outputs the waveform to the first phase modulator. 5. The optical fiber gyro according to any one of claims 1 to 4, further comprising an A/D converter that converts the phase difference signal into a digital signal.
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