JPH04106413A - 光フアイバジヤイロの信号処理方式 - 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】

この発明は、自動車、船舶、飛行機などの回転角速度を
検出するための光ファイバジャイロに関する。特に発光
素子の発光出力の制御に関する改良である。

【　　従　　来　　の　　技　　術　　】光ファイバジ
ャイロは、光ファイバを多数回巻き回してコイルとした
ものに右廻り左廻りに光を通した場合、コイルが回転し
ていると、両者の間に位相差が生じる事を利用して回転
角速度を求めるものである。 このため単色光を生ずる発光素子、シングルモード光フ
ァイバを多数回巻き回してなるファイバフィル、発光素
子出力を分岐してファイバコイルの両端に入射させファ
イバコイルを左廻り右廻りに伝搬した光を再び合一させ
るための分岐素子、左廻り光、右廻り光を干渉させた光
の出力を検出するための受光素子とを含んでいる。回転
角速度ΩＣに比例した左廻り光右廻り光の位相差式〇が
求めるべきものである。 このままの形式では干渉光出力がｃｏｓ（八〇）の形に
なり、八〇を正確に求められないので、位相変調、周波
数変調などが用いられる。 ここでは位相変調方式の光ファイバジャイロを採用する
。ファイバコイルの一方の端近くの光ファイバを圧電振
動子に巻き付は圧電振動子の電極間に変調電圧を印加す
る。圧電振動子が半径方向に膨縮するので光ファイバも
伸縮しこの中を伝搬する光の位相が変調される。 受光素子出力には変調周波数Ωと、その高調波成分が含
まれるので、それぞれの周波数のキャリヤ信号を作り、
受光素子出力を同期検波すれば基本波成分、高調波成分
を求めることができる。左廻り光、右廻り光の振幅をＥ
ｌ、Ｅ２とすると、受光素子出力のうち直流成分りは Ｄ　＝　　　（Ｅ％＋　Ｅ２”）＋　ＥＩＥ２ＪＯ（ξ
）ｃｏｓΔθ　　　　　　（１）と書く事ができる。た
たし Ｃ である。ｂは位相変調の振幅、ｎは光ファイバの屈折率
、Ｌはファイバコイルの中の光ファイバの長さ、Ｃは光
速、Ωは変調角周波数である。ＪＯ（ξ）は０次ベッセ
ル関数である。基本波ＰはＰ　”　２Ｅ＋ＥａＪ　Ｉ（
ξ）ｓｉｎ八〇へ　　　　　　　（３）２倍高調波Ｑは Ｑ　＝　２ＥＩＥ２Ｊ２（ξ）ｃｏｓΔθ　　　　　　
　　（Φ４倍高調波Ｔは Ｔ　＝　２Ｅ、Ｅ、Ｊ４（ξ）ｃｏｓΔθ　　　　　　
　　■というようになる。 例えば基本波Ｐから位相差式〇を求めることができるが
、この場合振幅Ｅ、、Ｅ２が一定でなければならない。 そのために、発光素子の光量を一定にする制御を行えば
良い。 位相変調方式光ファイバジャイロについては、特願平１
−５７１ｉ３４〜５７８３７　、特願平１−２９１Ｅｉ
２８〜２９１８３１１１−２９５５００．特願平２−３
８０９、特願平２−１００５５などの発明がなされてい
る。 このうち特願平１−５７８３８は直流成分りまたは２倍
高調波酸分Ｑを一定に保つことにより発光素子の光量変
動を抑えようとするものである。ただし、これらの成分
はＣＯＳ八〇へ形で八〇を含むので、ファイバコイルが
静止に近い時にのみ（ＣＯＳ八〇へ１）、Ｄ或はＱを一
定にする事により、ＥＩＥ２を一定にしようとする。 特願平１−５７１３３５はファイバ端面などでの反射光
などを考慮し、直流成分から反射光を差し引いて真の直
流光強度を求めるものである。 発光素子の駆動は直流成分を一定にするように行われて
いる。 受光素子出力に含まれる直流成分、偶数倍高調波成分の
大きさを一定に保つということは、発光素子出力を一定
に保つということと厳密に等価であるわけではない。 発光素子の光が、同期検波出力として得られるまでには
多くの部品を経過して信号が流れており、多くの損失の
要因がある。発光素子と光ファイバの軸合わせ、光ファ
イバ中の透過損失、位相変調器を通過する際のベンディ
ングによる放射損失、受光素子の光電変換効率、前置増
幅器の増幅率、同期検波効率などである。これらの係数
が（１）、（３）〜■に乗じられて実際の同期検波出力
が得られるわけである。 受光素子や電気回路の温度特性が良好であるとしても、
温度変動により光学部品は膨縮するので光の伝達効率が
変動してしまう。 前記のＤｌＱｌＴを一定にする制御は、これらの光学部
品の吠態変化を含めて、受光素子の側から見た発光素子
出力を一定にするもので、原理的には優れたものである
。 発光素子の光量を一定にするためには、発光素子の出力
をモニタする補助受光素子を設けて、この受光素子の出
力を一定にするように発光素子に流す電流量を加減すれ
ば良い。 このようなものとして特願平１−６０３１１ｉ１号があ
る。発光素子の発光出力をＷとして、これが同期検波さ
れた時の八〇＝０とした時の直流成分或は偶数倍高調波
に含まれる項Ｕとの間には、前述の発光素子と光ファイ
バの軸合わせ、光ファイバ中の透過損失などの要因によ
る増減率だけの喰い違いがある。この関係を簡単に述べ
ると Ｕ　＝　Ｋ　Ｗ　　　　　　　　　　　　（６）という
ことになる。Ｋは多くの要因を含むがここでは結合係数
と呼ぶことにする。 発光素子の光量を補助受光素子でモニタして発光素子の
出力を制御するものはＷを一定に保持するものである。 これに対して、先程から説明した同期検波出力のうち八
〇＝０の時の直流、２倍、４倍高調波を一定に保持する
ものはＵを一定にするものなのである。 いずれを制御するものも既に提案されている。 しかし両者を併用したものは曾てない。

【発明が解決しようとする課Ｍ】

同期検波出力の内、Δθ＝０の時の直流、偶数倍高調波
を一定に保つ方法は総合的包括的であって優れたもので
ある。しかしこの方法にも難点がある。前述の結合係数
が著しく低下した場合、Ｕを一定にすると、発光素子の
パワーが大きくなり、発光素子に過大の負担がかかる。 発光素子は単色光を出さなければならないのでレーザダ
イオードやスーパールミネッセントダイオードを使うこ
とが多い。発光素子のパワーを上げようとすると、これ
に注入する電流が太き（なる。注入電流が大きいと、発
光素子の劣化が著しくなり、発光パワーが低下したり発
光素子が破壊されたりする。これは望ましくないことで
ある。 このような制御をする結果発光パワーが過大になるのは
、結合係数が小さくなるからである。これは主に光学系
の軸心のずれなどによるから、高温時、または低温時の
特殊な場合のみに起こる。 本発明は高温時、低温時など特殊な場合に於ける特性は
多少劣化しても良いが発光素子が過大電流によって劣化
し破壊されるのを防ぐことを目的としてなされたもので
ある。

【課題を解決するための手段］ 本発明の光ファイバジャイロの信号処理方式は、受光素
子出力を同期検波した直流成分または偶数倍高調波成分
と、発光素子出力をモニタする補助受光素子の出力Ｗと
を択一的に発光素子駆動パワーの制御に用いる事とし、
発光素子の出力Ｗがある一定値Ｗ、より小さい内は、前
記同期検波した直流成分または偶数倍高調波成分を一定
にするように発光素子駆動パワーを制御し、発光素子出
力ＷがＷｌに達した時は補助受光素子のモニタ信号によ
って発光出力ＷがＷｌを越えないように制御するように
している。 つまり、同期検波した直流或は偶数倍高調波の八〇＝Ｏ
の時の大きさをＵ１発光素子出力をＷとする時、ＷくＷ
ＩではＵが一定になるようにする。 Ｋが変動しているならばＷは一定とは限らない。 しかしＫが低下してＷ＝Ｗ、となるとＵが一定になると
いう制御を中止し、Ｗ＝Ｗ、となる制御にするのである
。 【　　作　　用　　】 第２図によって本発明の光ファイバジャイロ処理方式の
制御を説明する。横軸は時間であり縦軸は、発光素子出
力Ｗを実線で、同期検波出力の内式〇＝０に於ける直流
、偶数倍高調波出力Ｕ（Ｄ。 ＱｌＴなど）を−点鎖線で示している。ただし、Ｕ＝Ｋ
Ｗという関係が成立するものとし、ここではＵとＷとを
同じ程度の比較可能な値として図示している。結合係数
には環境温度が一定であれば定数であり、常温の時にＫ
が大きくなるように設定しである。従って温度変動があ
ればＫは変化する。低温或は高温になるとＫは低下する
傾向にある。 発光素子出力Ｗが一定値Ｗ！より小さい場合は、Ｕを一
定にするように制御する。ここではＷとＵを同じ程度の
比較可能な量に正規化しているので、ＵをＷｉに等しく
なるように制御すると表現できる。Ｕが変動しても（ｔ
ｏ”ｔ＋）負帰還がかかってＵかＷに収束する。これが
４〜口の運動である。この間発光素子出力Ｗも変動する
かも知れないし一定であるかも知れない。１ｏ−１，で
は発光素子出力Ｗは制御の対象ではない。 Ｗについては両方の可能性を図示している。通常温度で
はＷ。になっている。 実際にはＵは短時間にＷｌに収束するのでｔ。〜ｔ１は
極く短い時間にすぎない。Ｕ＝Ｗ、になると（口〜ホ）
Ｕ４Ｗも一定になる。ｔ２から温度が変化し結合係数Ｋ
が低下し始めたとする。依然としてＵ＝Ｗ、にする制御
が働いているので、発光素子出力Ｗは増加する。これは
光学系の軸ずれなどにより起こる現象である。ｔ３でＷ
＝Ｗ、に達する（へ点）。この時まで同期検波出力Ｕを
一定にする制御をしていたのであるが、ここで発光素子
出力Ｗを一定にする制御（Ｗ＝Ｗ１’）に切り換わる。 この後もＫが低下し続けると、ＷをＷｌにする制御が続
き発光素子出力はそれ以上増えない。発光素子に流れる
電流が一定値以上に増えない。従って過大電流によって
発光素子が劣化したり破壊されるという事はない。 Ｗ＝Ｗ、という制御が行われているので、同期検波出力
Ｕの方は（へ〜ト）Ｗ、より低下してゆく。同期検波出
力の低下は光ファイバジャイロの感度の低下を招くが、
これは仕方のない事である。 もしも、従来のようにｔ３以降も受光素子の同期検波出
力Ｕを一定にする制御を続けたとすれば、発光素子出力
Ｗは破線へ〜夕で示すようにに−１に比例してｔ３以降
も増大し続けることになる。これは発光素子にとって危
険な事で寿命を著しく縮めることであろう。

【　　実　　施　　例　　】

第１図は本発明の実施例に係る光ファイバジャイロの概
略構成図を示す。 発光素子１は可干渉性の単色光を発生するものでレーザ
ダイオード、スーパールミネッセントダイオードなどが
用いられる。分岐素子２は発光素子１から出射された光
を２つに分割し、２つに分割された光を１つに合一する
ものである。シングルモード光ファイバ３を多数回巻き
回してファイバコイル４が作製されている。前記分岐素
子２は発光素子１の光を分割してファイバコイル４の両
端に入射させる。これらの光はファイバコイル４の中を
左廻り光、右廻り光として伝搬し分岐素子２で合一して
干渉光が受光素子６に入る。ファイバコイル４の一方の
端近くの光ファイバを圧電振動子に巻き付けて位相変調
器５を構成している。 圧電振動子の電極間には位相変調器駆動回路７からΩで
振動する変調電圧が印加される。この光ファイバの内部
を伝搬する光が２ｂｓｌｎＱｔの位相変調を受ける。 またファイバコイル４がΩＣで回転していると左廻り光
、右廻り光の間に位相差へ〇が現れΔθ＝ａΩ。　　　
　　　　　　　　■という比例関係にある。ａは既知の
定数である。 すると左廻り光は Ｅｌｓｉｎ　ｈｔ十Δ６／２＋　２ｂｓｌｎ口（ｔ＋ｒ
／２）ｌ　　　　　　　（８）という波動関数を持ち、
右廻り光は Ｅ２ｓｌｎ　ｌωｔ−Δθ／２＋　２ｂｓｉｎΩ（ｔ−
ｒ／２）ｌ　　　　　　　　　■という波動関数を持つ
。τは Ｌ τ＝　　　　　　　　　　　　　　　００である。Ｌは
ファイバフィル中のファイバ長、ｎは屈折率、Ｃは光速
である。 これらの干渉光を受光素子６で二乗検波する。 さらに受光素子出力はプリアンプ８で増幅する。 簡単のためこれを受光素子出力という。 一方、位相変調器駆動回路７は、キャリヤ信号発生部１
４に変調信号を送る。キャリヤ信号発生部１４は変調信
号から適当な位相で、Ω、２Ω、４Ωなどの角周波数の
キャリヤ信号を発生する。 基本波成分検出部１１は、Ωの角周波数のキャリヤ信号
により受光素子出力を同期検波し基本波の成分Ｐを得る
。 Ｐ　”　２ＥｔＥ２Ｊｔ（ξ）ｓｉｎ八〇へ　　　　　
　　（１１）である。ただし、Ｊｌ（ξ）はベッセル関
数であり、ξ＝　２ｂｓｌｎ（Ωｒ／２）　　　　　　
　　　　　（１２）である。 ２倍高調波検出部１２は、２Ωの角周波数のキャリヤ信
号により受光素子出力を同期検波し２倍高調波酸分Ｑを
得る。 Ｑ　＝　２Ｅ、Ｅ２Ｊ２（ξ）ｃｏｓΔ１１　　　　　
　　　（１３）同様に４倍高調波酸分子は Ｔ　”　２ＥＩＥ２Ｊ４（ξ）ｃｏｓΔθ　　　　　　
　（Ｉ４）となる。直流成分検出部１０は受光素子出力
の内、直流成分Ｄ Ｄ　：　　　　（Ｅｌ”十Ｅ２２）　　＋　ＥＩＥ２Ｊ
Ｏ（ξ）ｃｏｓΔθ　　　（１５）を求める。 これらの値Ｑ、Ｔ、Ｄの内いずれかをＵとして採用する
こともできる。ただしΔθ＝Ｏの時のこれらの値のいず
れかとしてＵを定義する。ここでは直流成分りをＵとし
て採用する。もちろんＱ（Δθ＝０）、Ｔ（Δθ＝０）
を採用しても良い。ここでは、 Ｕ＝Ｄ　　（Δθ＝　Ｏ）　　　　　　　　　　　　　
（１Ｇ）であるが、このＤの中には（１５）で陽に示さ
れているものの他に光ファイバとの軸合わせ、光ファイ
バ中の透過率、受光素子特性、プリアンプ増幅率なとが
含まれている。それらの積を結合係数にとして一括して
表現していた。 従ってＵはＫを含む発光素子の出力と考えるべきである
。Ｕは検出部１０．１２．１３の信号として得られてい
るので直流の電圧信号である。 本発明に於いては、受光素子側からみた発光素子の出力
と、実際の発光出力とを２つのパラメータとし、いずれ
かを一定にするように発光素子駆動電力を制御する。こ
のために発光素子駆動制御回路９が設けられる。これは
前述の直流成分検出部１０の他に、補助受光素子１５、
電流電圧変換部１６、信号選択部１７、発光素子駆動部
１８などを含む。 補助受光素子１５は、発光素子１の光を分岐し直接に出
力Ｗを測定する。これは温度によって感度が変化しない
ものを選ぶべきである。光出力は電流信号に変換される
。 電流電圧変換部１６に於いてこれが電圧信号に変換され
る。光→電流→電圧の変換をするがこれは発光素子出力
Ｗを表現する変数であることに変わりがない。 直流成分検出部からの信号Ｕ＝　（Ｄ　：Δθ＝０＞は
電圧信号！６として与えられる。Ｗを表現する電圧信号
１２はＩ６と比較可能な値に増幅または減衰されている
。 どのように両者の比を決定するかというと、通常の環境
温度では、Ｗ＜Ｕとして、Ｕについて一定になるように
制御をしなければならないので、ｊ、＜ｊｄとなるよう
にする。 そして発光素子出力の安全な上限がＷ、とする。ＷがＷ
、を越えないように制御しなければならない。通常の環
境温度でＵはある一定値Ｕ、に等しいものとして制御し
ているので、この時のＷｏが決まる。この時のＷｏの値
でＷユを割った値が分かるので、この商Ｗ　ｌ　／　Ｗ
　ｏを、ｊｄに乗じたものとして！、を決定する。 である。これは第２図のｔ１〜ｔ２に於けるＵとＷの値
に等しい。 １２はそのように通常は！、より小さいのであるが、温
度変動により結合係数Ｋが低下すると、Ｕ　”　Ｕ　、
というような制御をする（１ｄ＝一定）ので、！、は上
昇してゆく。 Ｋが低下し続けると１ｄはｉｐに近づきやがて等しくな
る。信号選択部１７はｊｄとｉｐの大きい方を選択する
ものであり、大きいほうの値を通過して！、とする。 ７１　＝ｍａｘ１７　ｄ　’１７１１　）　　　　　　
（１８）発光素子駆動部１８は、Ｉ１をある定められた
電圧値ｖ１に等しくなるように制御する。！、はＩ６ま
たは！、であり、ｆ、＞１．であればＩ６を採用するの
であるから、この時はＵを一定値Ｕ。 になるように制御するということである。Ｉ６〉！、と
いうのはＷ　＜　Ｗ　Ｌということであり、発光素子出
力がＷ、より小さい場合である。 反対に１ｄ＜１．であれば！、は１３であるのでＷを一
定値Ｗ□になるように制御するのである！、＜ｊ、とい
うのはＷ＝Ｗ、ということであり発光素子出力か上限Ｗ
、に張り付いた状態である。 これは第２図で説明した通りである。Ｖｌというのは、
Ｗ＝Ｗ８のときニｆ　ａ　＝　Ｖｌとして、Ｕ＝ＵＨ、
！　−＝Ｖ’＋　とじてＷ＝Ｗ、となる値である。先程
説明したように！６、！、を正規化しておけばこのよう
になる。 環境温度が高過ぎたり低（過ぎたりすると、Ｗ＝Ｗ、に
なるように制御し、発光素子駆動電力をそれ以上に増大
させない。このため発光素子の寿命を延ばすことができ
る。 温度が再び中間温度域に変わるとに−１が低下するので
、！、〉！２になる。すると再びＵを一定にする制御に
切り換えられる。 【　　発　　明　　の　　効　　果　　］高温或は低温
に於いて、光学系での光損失が増えても、発光素子駆動
電力をある値以上にしないようにしているので、発光素
子の劣化、破壊を防ぐことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の光ファイバジャイロ信号処理方式の概
略構成図。 第２図は本発明の光ファイバジャイロ信号処理方式に於
いて受光素子の同期検波出力と発光素子出力との２つの
変数を択一的に用いて発光素子駆動電力を制御するよう
にした動作を時間的に例示するグラフ。 １　・　・　・　・　・発　　光　　素　　子２　・　
φ　・　舎　・分　　岐　　素　　子３　・　・　・　
・　・　光　　　フ　　　ァ　　　イ　　　バ４・１１
＠愉・ファイバコイル ５　・　・　・　・　・位　　相　　変　　調　　器６
　φ　・　・　・　Ｏ受　　光　　素　　子７・・・・
・位相変調器駆動回路 ８１　・　・　・　ブ　　　リ　　　ア　　　ン　　　
プ９・・・・・発光素子駆動制御回路 １０・・・・直流成分検出部 １１・・・Φ基本波成分検出部 １２・・・・２倍高調波検出部 １３・・・・４倍高調波検出部 １４・・・・キャリヤ信号発生部 １５・・・・補助受光素子 １６・・・・電流電圧変換部 １７　・　嗜　・　・信　　号　　選　　択　　部１８
−−・・発光素子駆動部

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 単色光を生ずる発光素子と、光ファイバを多数回巻き回
   してなるファイバコイルと、ファイバコイルの一方の端
   近くに設けられ、光ファイバの一部を圧電振動子に巻き
   つけてなり圧電振動子を膨縮させることにより光ファイ
   バ中を伝搬する光の位相を変調する位相変調器と、発光
   素子から出射された光を分岐させて前記ファイバコイル
   の両端に入射させファイバコイルの中を右廻り、左廻り
   に伝搬した光を再び合一させる分岐素子と、左廻り光、
   右廻り光を干渉させ干渉光の強度を求める受光素子と、
   前記位相変調器を一定の変調周波数で駆動する位相変調
   器駆動回路と、変調周波数及びこれの整数倍の周波数で
   受光素子から得られたセンサ信号を同期検波する同期検
   波回路と、発光素子の出力をモニタする補助受光素子と
   を含み、発光素子出力Ｗがある一定値Ｗ＿１より小さい
   場合は、受光素子から得られたセンサ信号の直流成分ま
   たは偶数倍高調波成分を一定にするように発光素子駆動
   パワーを制御し、出力ＷがＷ＿１に達した時は、補助受
   光素子のモニタ信号によって発光出力ＷがＷ＿１を越え
   ないように制御する事を特徴とする光ファイバジャイロ
   の信号処理方式。