JPH04118618U - 光干渉角速度計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 広レンジ低分解能出力を得ると共に低入力角
速度に対し狭レンジ高分解で低ノイズレベルの検出出力
を得る。 【構成】 発振器１７の出力で位相変調器１６が駆動さ
れ、光ファイバコイル１５を出射し、光カプラ１４で干
渉した右回り光と左回り光との干渉光が受光器１８で電
気信号に変換され、その電気信号が発振器１７の出力で
同期検波され、その検波出力は積分器２１で積分され、
その積分出力に応じた周波数の鋸歯状波が鋸歯状発生回
路２２で発生され、その鋸歯状波により、帰還位相発生
器２３に対し位相変調し、光カプラ１４での右回り光と
左回り光との位相差が零になるように帰還制御される。
積分器２１の出力が電圧−周波数変換器２６で鋸歯状波
よりも少くとも１桁高い周波数のデジタル信号に変換さ
れ、狭レンジ高分解能出力として出力される。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

この考案は光学路を伝搬してきた右回り光と左回り光とを干渉手段で干渉させ 、その干渉手段と光学路の一端との間に設けた位相差発生手段で右回り光と左回 り光とに干渉手段における位相差を与え、干渉手段より得られた干渉光を電気信 号に変換し、その電気信号に含まれている右回り光と左回り光との位相差情報を 検出し、その位相差情報に応じた周波数の鋸歯状波出力を発生し、その鋸歯状波 出力を右回り光と左回り光との位相差が零になるように位相差発生手段に負帰還 制御するクローズドループ形光干渉角速度計に関する。

【０００２】

【従来技術】

図２に従来のクローズドループ形光干渉角速度計を示す。光源１１からの光は 光カプラ１２、偏光子１３、光カプラ１４を経て、光学路としての光ファイバコ イル１５の両端に右回り光、左回り光として入射される。光ファイバコイル１５ を伝搬する右回り光、左回り光は、光ファイバコイル１５の一端と光カプラ１４ との間に配した位相変調器１６で発振器１７の出力により位相変調される。光フ ァイバコイル１５を伝搬した右回り光、左回り光は光カプラ１４で結合され干渉 し、再び偏光子１３、光カプラ１２を通って光電変換手段としての受光器１８へ 到達する。受光器１８に到達した干渉光は光電変換される。光電変換された信号 は同期検波回路１９で位相変調周波数と同じ成分が取り出される。同期検波回路 １９の出力は積分器２１で積分され、その積分出力に応じた周波数の鋸歯状波出 力が鋸歯状波発生回路２２で発生される。この鋸歯状波出力により、光カプラ１ ４と光ファイバコイル１５の他端との間に配された位相差発生手段としての帰還 位相発生器２３が制御される。帰還位相発生器２３は光カプラ１４における右回 り光と左回り光とに位相差を与え、これら両光の位相差が零となるように鋸歯状 波出力により負帰還制御される。

【０００３】 同期検波回路１９から右回り光と左回り光との位相差情報が検出される。つま り右回り光と左回り光との位相差をΔφとすると、同期検波回路１９の出力Ｖは Ｖ＝Ｋ・sin Δφ （１） となる。Ｋは定数である。位相差Δφは Δφ＝Δφ_a ＋Δφ_f （２） で表わされる。Δφ_a は光ファイバコイル１５に角速度を印加した時に生じるＳ ａｇｎａｃ位相差を示し、次式で表わされる。

【０００４】 Δφ_a ＝４πＲＬ・Ω／（Ｃλ） （３） Ｒ：光ファイバコイル１５の半径、Ｌ：光ファイバコイル１５の光ファイバ長 、Ｃ：光速、λ：真空中における光の波長、Ω：入力角速度 Δφ_f は帰還位相発生器２３により発生した位相差である。帰還位相発生器２３ に鋸歯状波出力が印加され、右回り光（ＣＷ光）は第３図（ａ）の実線で示すよ うな位相偏移が生じ、左回り光（ＣＣＷ光）は破線で示すような位相偏移が生じ 、これは光ファイバコイル１５を伝搬する光の伝搬時間τだけ遅れて光カプラ１ ４に達する。この結果、光カプラ１４における右回り光と左回り光との位相差Δ φ_f は第３図（ｂ）に示すようになる。ここで鋸歯状位相偏移の最大偏移が２π ｋ（ｋ：整数）となるようにすると、右回り光と左回り光との位相差Δφ_f は次 式で表わされる。

【０００５】 Δφ_f ＝２ｎＬ・ｋ・ｆ／Ｃ （４） ｆ：鋸歯状波の周波数、ｎ：光の屈折率 光ファイバコイル１５におけるＳａｇｎａｃ位相差Δφ_a を打消すように、つま り光カプラ１４で右回り光と左回り光との位相差Δφが零になるように帰還位相 発生器２３が制御されるクローズループが達成されているから、この時の鋸歯状 波の周波数ｆは（２），（３），（４）式より ｆ＝２Ｒ・Ω／（ｎλｋ） （５） で表わされる。（５）式より鋸歯状波の周波数ｆを出力回路２４で計測し、２Ｒ ／（ｎλｋ）を比例定数として与えられた入力角速度Ωが出力される。

【０００６】 このクローズドループ形光干渉角速度計は出力形態が（５）式に示したように パルス出力である。ところでパルスウエイト、即ち１パルス当りの角度増分は（ ５）式より、 Ｐ_W ＝Ω／ｆ＝ｎλｋ／（２Ｒ） （６） で求めることができる。ここで短期バイアス安定性が１°／Ｈ_R 近辺（ただし角 速度出力データのサンプリング時間を１００秒程度とした場合）の中精度程度の 光干渉角速度計の実例（Ｌ≒３００ｍ、Ｒ≒０．０２０ｍ程度）についてパルス ウエイトＰ_W を計算するとＰ_W ≒６arc-sec ／pulse となる。但し通常ｋ＝１に 設定される。

【０００７】

【考案が解決しようとする課題】

以上述べたように中精度光干渉角速度計のパルスウエイトがＰ_W ≒６arc-sec ／pulse 程度である場合、鋸歯状波より得たパルスを積分して飛しよう体などの 姿勢を計測するような用途では量子化エラー（１ビットエラー）の影響は時間と ともに小さくなり問題とならないが、飛しよう体などに印加される角速度を精度 よく計測しようとする場合に問題となってくる。

【０００８】 例えば０．０１秒ごとに角速度出力データをサンプリングし、印加された角速 度を求める場合は、１パルスがあるのと無いのとで０．３３°／sec ^p-p の角速 度ノイズ（量子化ノイズ又は１パルスノイズ）が発生する。これはかなり大きな 値である。 またパルスウエイトＰ_W は（６）式に示すように光ファイバコイル１５の半径 Ｒに反比例しているため、光干渉角速度計の光学系及び電気系の性能を向上して 光ファイバコイルの半径を小さくし、小形化をはかろうとすると、パルスウエイ トＰ_W が大きくなるため、角速度ノイズは更に大きくなり、この方式の光干渉角 速度計の応用範囲を狭くしていた。

【０００９】 この考案の目的は低入力角速度に対し角速度分解能を充分細かく設定して角速 度ノイズを小さく抑えたクローズドループ形光干渉角速度計を提供することにあ る。

【００１０】

【課題を解決するための手段】

この考案によればクローズドループ形の光干渉角速度計において、鋸歯状波発 生回路への入力信号（入力角速度に比例した電圧信号）を電圧−周波数変換手段 でデシダル信号に変換して出力する。この電圧−周波数変換手段での変換デジタ ル信号の周波数が、鋸歯状発生手段からの鋸歯状波の周波数の少くとも１桁以上 高くなるように電圧−周波数変換手段を構成することにより、このデジタル信号 により鋸歯状波信号から得られるデジタル信号よりはるかに細かい分解能を有す るデジタル角速度信号を得る。

【００１１】

【実施例】

図１にこの考案の実施例を示し、図２と対応する部分に同一符号を付けてある 。この考案においては積分器２１より出力されたアナログ角速度信号は必要に応 じて増幅器２５により充分増幅されて電圧−周波数変換器２６へ供給されてデジ タル信号に変換されて狭レンジ高分解能なデジタル角速度信号として出力回路２ ７より出力される。この電圧−周波数変換器２６よりのデジタル信号の周波数は 鋸歯状波発生回路２２の出力鋸歯状波の周波数よりも１桁以上高いものが得られ るようにされてある。なおこの例では積分器２１の出力はアナログ出力回路２８ によっても出力され、また増幅器２５の出力もアナログ出力回路２９によっても 出力されている。

【００１２】 このように構成されているから入力角速度の広レンジ低分解能出力として出力 回路２４からデジタル信号で、出力回路２８からアナログ信号で従来と同様に得 られる。しかも低入力角速度に対しては狭レンジ高分解能出力として出力回路２ ７からデジタル信号で、出力回路２９からアナログ信号で得ることができる。な お高速の角速度が入力された場合は、電圧−周波数変換器２６は一般には飽和し てしまい、出力回路２４，２８からの従来の検出出力のみが利用される。また電 圧周波数変換器は通常のＡＤ変換器より高精度（高分解能）のものが得られる。

【００１３】

【考案の効果】

以上説明したようにこの考案によれば、従来のクローズドループ形光干渉角速 度計の積分器２１の出力側に電圧−周波数変換器２６を分岐接続することにより 、低入力角速度時に充分分解能の高いデジタル角速度信号を得る事ができる。こ のため「従来の技術」の項で例示したパルスウエイトＰ_W ＝６arc-sec ／pulse に対し1/100 のパルスウエイトの分解能を得る事も可能となる。

【００１４】 このような回路構成により、広いレンジ低分解能の用途には出力回路２４から のデジタル信号と出力回路２８からのアナログ信号とを用い、低入力角速度の狭 レンジ高分解能を要する用途には出力回路２７からのデジタル信号と、出力回路 ２９からのアナログ信号とを用いる事ができる。 この考案により広いダイナミックレンジを有する運動に対しどのレンジでも高 精度でノイズレベルの低い制御が可能となるクローズドループ形光干渉角速度計 を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この考案の実施例の要部を示すブロック図。

【図２】従来のクローズドループ形光干渉角速度計を示
すブロック図。

【図３】帰還位相発生器２３による光カプラ１４におけ
る右回り光と左回り光との位相偏移と位相差とを示すタ
イムチャート。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)考案者 丘山 洋 東京都渋谷区道玄坂１丁目21番６号 日本 航空電子工業株式会社内

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 少なくとも一周する光学路と、その光学
   路に対して右回り光及び左回り光を通す手段と、上記光
   学路を伝搬してきた上記右回り光と左回り光とを干渉さ
   せる干渉手段と、その干渉手段と上記光学路の一端との
   間に、これ等に縦続的に配され、右回り光と左回り光と
   に上記干渉手段において位相差を与える位相差発生手段
   と、上記干渉手段より得られる干渉光の光強度を電気信
   号として検出する光電変換手段と、その光電変換手段の
   出力電気信号に含まれている上記右回り光と左回り光と
   の位相差情報を検出する位相差検出手段と、その位相差
   検出手段の出力を積分する積分手段と、その積分手段の
   出力に応じた周波数の鋸歯状波出力を発生し、その鋸歯
   状波出力を、上記右回り光と左回り光との間の上記位相
   差が零となるように上記位相差発生手段に負帰還制御す
   る鋸歯状波発生手段と、上記積分手段の出力を上記鋸歯
   状波出力の周波数よりも高い周波数のデジタル信号に変
   換する電圧−周波数変換手段とを有し、上記鋸歯状波出
   力の周波数信号及び上記デジタル信号をそれぞれ角速度
   検出出力として出力する光干渉角速度計。