JPH0510769A - 光フアイバジヤイロ信号処理方式 - Google Patents
光フアイバジヤイロ信号処理方式Info
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- JPH0510769A JPH0510769A JP18380791A JP18380791A JPH0510769A JP H0510769 A JPH0510769 A JP H0510769A JP 18380791 A JP18380791 A JP 18380791A JP 18380791 A JP18380791 A JP 18380791A JP H0510769 A JPH0510769 A JP H0510769A
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- light
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- optical fiber
- receiving element
- light emitting
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 発光素子の発光パワーWが、ある上限W0 を
越えないようにリミッタ回路によって制限されており、
かつ受光素子信号の偶数次の高調波Tを一定にするよう
に発光素子パワーを制御するようにした位相変調方式の
光ファイバジャイロに於いて、受光素子に到達する光量
が減少したことによる測定誤差を減ずること。 【構成】 偶数次高調波出力の減少を監視しこれによっ
て受光素子到達光量の減少を知る。この時警告を発して
光ファイバジャイロの交換、補修を促す。あるいはta
n-1補正からsin-1補正に切り換える。
越えないようにリミッタ回路によって制限されており、
かつ受光素子信号の偶数次の高調波Tを一定にするよう
に発光素子パワーを制御するようにした位相変調方式の
光ファイバジャイロに於いて、受光素子に到達する光量
が減少したことによる測定誤差を減ずること。 【構成】 偶数次高調波出力の減少を監視しこれによっ
て受光素子到達光量の減少を知る。この時警告を発して
光ファイバジャイロの交換、補修を促す。あるいはta
n-1補正からsin-1補正に切り換える。
Description
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は位相変調方式の光ファ
イバジャイロに於いて、発光素子から出射され光ファイ
バなどの光学系を経由し受光素子に到達する光量が減少
した事を検出し、装置の補修又は交換の必要性を知る事
ができるようにした信号処理方式に関する。
イバジャイロに於いて、発光素子から出射され光ファイ
バなどの光学系を経由し受光素子に到達する光量が減少
した事を検出し、装置の補修又は交換の必要性を知る事
ができるようにした信号処理方式に関する。
【0002】
【従来の技術】光ファイバジャイロは光ファイバを多数
回巻回した光ファイバコイルに左廻り光右廻り光を通
し、両者の位相差Δθから回転角速度Ωa を求めるもの
である。位相変調方式というのは、光ファイバの一部を
変調周波数Ωで膨張収縮させるものである。こうする
と、受光素子の出力に変調周波数の全ての高調波nΩが
含まれる。そして奇数次の高調波にはsinΔθ、偶数
次の高調波にはcosΔθが係数として掛けられている
から、いずれかの高調波又は基本波(n=1)から位相
差Δθを求める事ができる。
回巻回した光ファイバコイルに左廻り光右廻り光を通
し、両者の位相差Δθから回転角速度Ωa を求めるもの
である。位相変調方式というのは、光ファイバの一部を
変調周波数Ωで膨張収縮させるものである。こうする
と、受光素子の出力に変調周波数の全ての高調波nΩが
含まれる。そして奇数次の高調波にはsinΔθ、偶数
次の高調波にはcosΔθが係数として掛けられている
から、いずれかの高調波又は基本波(n=1)から位相
差Δθを求める事ができる。
【0003】図1によって位相変調方式の光ファイバジ
ャイロの原理を説明する。発光素子1から出射された光
は光分岐素子2で2つの光線に分けられ、レンズ3、4
を経て光ファイバ5の両端A、Bに入射する。実際には
光分岐素子として光ファイバをねじって溶着し延伸して
作った光ファイバカップラを用いる事ができる。この場
合にはレンズはひとつで済む。光ファイバ5はシングル
モ−ド光ファイバ或は偏波面保存光ファイバである。こ
れはセンサコイル6と位相変調素子7に巻き付けた部分
8を含む。
ャイロの原理を説明する。発光素子1から出射された光
は光分岐素子2で2つの光線に分けられ、レンズ3、4
を経て光ファイバ5の両端A、Bに入射する。実際には
光分岐素子として光ファイバをねじって溶着し延伸して
作った光ファイバカップラを用いる事ができる。この場
合にはレンズはひとつで済む。光ファイバ5はシングル
モ−ド光ファイバ或は偏波面保存光ファイバである。こ
れはセンサコイル6と位相変調素子7に巻き付けた部分
8を含む。
【0004】センサコイル6は多数回光ファイバを巻回
してコイルにしたものである。左廻り光右廻り光の位相
差Δθはコイル軸まわりの回転角速度Ωaに対して、 Δθ=4πLa Ωa /cλ (1) という関係にあるからΔθを求めればΩa が分かる。位
相変調素子7は円筒状、円柱状の圧電素子に電極を付け
ておき、外周に光ファイバを巻き付けたものである。変
調の角周波数をΩとすると、ここを通る光の位相がbs
in(Ωt)というように変動する。bは変調の強さで
ある。左廻り光、右廻り光は光分岐素子2で合一し受光
素子9に入り干渉光の強度が検出される。電気信号にな
ったものはプリアンプ(図示せず)で増幅される。この
電気信号は変調周波数Ωに関して全ての次数の信号を、
ベッセル函数を係数とする項として含んでいる。
してコイルにしたものである。左廻り光右廻り光の位相
差Δθはコイル軸まわりの回転角速度Ωaに対して、 Δθ=4πLa Ωa /cλ (1) という関係にあるからΔθを求めればΩa が分かる。位
相変調素子7は円筒状、円柱状の圧電素子に電極を付け
ておき、外周に光ファイバを巻き付けたものである。変
調の角周波数をΩとすると、ここを通る光の位相がbs
in(Ωt)というように変動する。bは変調の強さで
ある。左廻り光、右廻り光は光分岐素子2で合一し受光
素子9に入り干渉光の強度が検出される。電気信号にな
ったものはプリアンプ(図示せず)で増幅される。この
電気信号は変調周波数Ωに関して全ての次数の信号を、
ベッセル函数を係数とする項として含んでいる。
【0005】全ての高調波の出力は受光素子に入射した
光の強度に比例する。奇数次高調波はsinΔθを含
む。偶数次高調波はcosΔθを含む。発光素子の出力
や光学系の軸ずれ、温度変化によって受光素子に入る光
量が変動しても、奇数次高調波を偶数時高調波で割った
値には光の強度の項が含まれないから、tanΔθの形
で位相差を求める事ができる。この例では基本波(n=
1)、2倍高調波(n=2)、4倍高調波(n=4)を
同期検波によって求めている。励振交流電源10はΩの
振動数の信号を発生する。これが位相変調度制御部11
を介して位相変調素子7に与えられる。これによって先
程述べたbsin(Ωt)の位相変調がなされるのであ
る。
光の強度に比例する。奇数次高調波はsinΔθを含
む。偶数次高調波はcosΔθを含む。発光素子の出力
や光学系の軸ずれ、温度変化によって受光素子に入る光
量が変動しても、奇数次高調波を偶数時高調波で割った
値には光の強度の項が含まれないから、tanΔθの形
で位相差を求める事ができる。この例では基本波(n=
1)、2倍高調波(n=2)、4倍高調波(n=4)を
同期検波によって求めている。励振交流電源10はΩの
振動数の信号を発生する。これが位相変調度制御部11
を介して位相変調素子7に与えられる。これによって先
程述べたbsin(Ωt)の位相変調がなされるのであ
る。
【0006】n=1、n=2、n=4、の信号を同期検
波するためには、Ω、2Ω、4Ωの位相の定まったキャ
リヤ信号(参照信号)が必要であるが、これは励振交流
電源10から得る。2Ω、4Ωの信号は逓倍器20、2
1を経て周波数を高める必要がある。実際にはより周波
数の高いクロックを発生させておき、これを分周するこ
とにより4Ω、2Ω、Ωの周波数を得るようにするのが
便利である。また信号に含まれる高調波と、キャリヤ信
号の位相を揃えるための回路があるがここでは省略して
いる。この例では基本波Pを4倍高調波Tで割って商P
/Tから位相差Δθを求める。受光素子に入る光のパワ
ーをUとすると、4倍高調波Tは、 T=2UJ4 (ξ)G4 cosΔθ (2) と書くことができる。G4 は電気回路のゲイン、受光素
子での光電変換効率などの積である。J4 (ξ)はξを
変数とする4次のベッセル函数である。ξは ξ=2bsin(ΩnL/2) (3) である。bは位相変調の大きさ、nは光ファイバのコア
の屈折率、Lはセンサコイル光ファイバの全長である。
波するためには、Ω、2Ω、4Ωの位相の定まったキャ
リヤ信号(参照信号)が必要であるが、これは励振交流
電源10から得る。2Ω、4Ωの信号は逓倍器20、2
1を経て周波数を高める必要がある。実際にはより周波
数の高いクロックを発生させておき、これを分周するこ
とにより4Ω、2Ω、Ωの周波数を得るようにするのが
便利である。また信号に含まれる高調波と、キャリヤ信
号の位相を揃えるための回路があるがここでは省略して
いる。この例では基本波Pを4倍高調波Tで割って商P
/Tから位相差Δθを求める。受光素子に入る光のパワ
ーをUとすると、4倍高調波Tは、 T=2UJ4 (ξ)G4 cosΔθ (2) と書くことができる。G4 は電気回路のゲイン、受光素
子での光電変換効率などの積である。J4 (ξ)はξを
変数とする4次のベッセル函数である。ξは ξ=2bsin(ΩnL/2) (3) である。bは位相変調の大きさ、nは光ファイバのコア
の屈折率、Lはセンサコイル光ファイバの全長である。
【0007】制御の方式について考察しなければならな
い。受光素子に入る光のパワーUを一定にする制御が普
通に考えられよう。しかし本発明が対象とする光ファイ
バジイロはより精妙な制御をする。4倍高調波が時々刻
々検出されるのだから、これを一定にする制御を行うの
である。UではなくTを一定にする。つまり T=2UJ4 (ξ)G4 cosΔθ=C1 (一定) (4) とする。従ってUは変動する。回転角速度が大きくなれ
ばなるほど受光素子に入る光量Uを大きくする必要があ
る。受光量Uを増減するためには、発光素子1の発光出
力Wを増減しなければならない。このため発光素子制御
回路部16に、4倍高調波検出部15の出力を入れて発
光素子1に注入する電流量を制御する。TがC1 より大
きくなれば発光出力Wを減じ、TがC1 より小さくなれ
ば発光出力Wを増す。
い。受光素子に入る光のパワーUを一定にする制御が普
通に考えられよう。しかし本発明が対象とする光ファイ
バジイロはより精妙な制御をする。4倍高調波が時々刻
々検出されるのだから、これを一定にする制御を行うの
である。UではなくTを一定にする。つまり T=2UJ4 (ξ)G4 cosΔθ=C1 (一定) (4) とする。従ってUは変動する。回転角速度が大きくなれ
ばなるほど受光素子に入る光量Uを大きくする必要があ
る。受光量Uを増減するためには、発光素子1の発光出
力Wを増減しなければならない。このため発光素子制御
回路部16に、4倍高調波検出部15の出力を入れて発
光素子1に注入する電流量を制御する。TがC1 より大
きくなれば発光出力Wを減じ、TがC1 より小さくなれ
ば発光出力Wを増す。
【0008】つまり角速度の増減に応じて発光出力Wが
常に増減している。発光出力Wを一定に保つのでなく、
UcosΔθが一定になるように制御する。光学系の条
件が変わらないとして、発光出力Wに関係付けていう
と、WcosΔθを一定にする制御である。角速度Ωa
によって常にWが変動する制御である。本発明はこうい
う特殊な制御を前提としてはじめて成立する。基本波
(n=1)Pは同じように P=2UJ1 (ξ)G1 sinΔθ (5) となる。G1 は光電変換前置増幅器のゲインなどの積で
ある。周波数が違うからG1 はG4 と同じでない。J1
(ξ)は一次のベッセル函数であるが、これらは簡単の
ため、以後J1 、J4 と略記する。
常に増減している。発光出力Wを一定に保つのでなく、
UcosΔθが一定になるように制御する。光学系の条
件が変わらないとして、発光出力Wに関係付けていう
と、WcosΔθを一定にする制御である。角速度Ωa
によって常にWが変動する制御である。本発明はこうい
う特殊な制御を前提としてはじめて成立する。基本波
(n=1)Pは同じように P=2UJ1 (ξ)G1 sinΔθ (5) となる。G1 は光電変換前置増幅器のゲインなどの積で
ある。周波数が違うからG1 はG4 と同じでない。J1
(ξ)は一次のベッセル函数であるが、これらは簡単の
ため、以後J1 、J4 と略記する。
【0009】基本波Pを4倍波Tで割れば光量Uが落ち
て、tanΔθの形でΔθが求められる筈である。しか
しこの例ではUを積極的に変動させ、Tを一定にしてい
るのであるから、分母が一定になる。一定の数であれば
これで割る必要がないので、基本波Pがそのまま出力と
なる。実際にP/Tの演算を行うと割算器が必要になる
が、これが不要である。基本波PはUを含み、Uは
(4)に従って変動するので(4)を代入して、 P=(J1 G1 tanΔθ)C1 /(J4 G4 ) (6) となる。C1 はTであってこれが一定である。基本波P
はtanΔθの形でΔθを含むから、これをtan-1演
算することによってΔθを求める事ができる。2倍高調
波はこの例では角速度を検出するためには用いられてい
ない。これは変調度ξを一定にするために用いている。
2次ベッセル函数J2 (ξ)が0になるようにしている
のである。このときξ=5.1程度に固定される。2倍
高調波Qは本発明に於いては重要でないのでこれ以上述
べない。
て、tanΔθの形でΔθが求められる筈である。しか
しこの例ではUを積極的に変動させ、Tを一定にしてい
るのであるから、分母が一定になる。一定の数であれば
これで割る必要がないので、基本波Pがそのまま出力と
なる。実際にP/Tの演算を行うと割算器が必要になる
が、これが不要である。基本波PはUを含み、Uは
(4)に従って変動するので(4)を代入して、 P=(J1 G1 tanΔθ)C1 /(J4 G4 ) (6) となる。C1 はTであってこれが一定である。基本波P
はtanΔθの形でΔθを含むから、これをtan-1演
算することによってΔθを求める事ができる。2倍高調
波はこの例では角速度を検出するためには用いられてい
ない。これは変調度ξを一定にするために用いている。
2次ベッセル函数J2 (ξ)が0になるようにしている
のである。このときξ=5.1程度に固定される。2倍
高調波Qは本発明に於いては重要でないのでこれ以上述
べない。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】図2は角速度Ωa 、受
光素子の出力U、4倍高調波出力T、発光素子出力Wな
どの時間的変化の例を示すグラフである。角速度Ωa が
変化すると、Δθがこれに比例して変動する。4倍高調
波Tは一定である。受光素子出力U、発光素子出力は1
/cosΔθに比例して変動する。
光素子の出力U、4倍高調波出力T、発光素子出力Wな
どの時間的変化の例を示すグラフである。角速度Ωa が
変化すると、Δθがこれに比例して変動する。4倍高調
波Tは一定である。受光素子出力U、発光素子出力は1
/cosΔθに比例して変動する。
【0011】例えば発光素子としてスーパールミネッセ
ントダイオ−ドを使ったとする。これが1mWより小さ
い光パワーで発光させた。そして受光素子に伝達された
光のパワーが0.3μWであった。つまり発光素子で生
じた光パワーの3/10000程度が受光素子まで伝達
される。しかし、本発明では受光素子の出力を一定にす
るのではなく、4倍高調波を一定にするから、受光素子
に到達するパワーは0.3μWを最小値として変動する
ことになる。
ントダイオ−ドを使ったとする。これが1mWより小さ
い光パワーで発光させた。そして受光素子に伝達された
光のパワーが0.3μWであった。つまり発光素子で生
じた光パワーの3/10000程度が受光素子まで伝達
される。しかし、本発明では受光素子の出力を一定にす
るのではなく、4倍高調波を一定にするから、受光素子
に到達するパワーは0.3μWを最小値として変動する
ことになる。
【0012】ところが発光素子には安定に発光するパワ
ーの上限がある。この例では1mWである。発光素子の
パワーがこれ以下であれば問題はない。しかし光学系の
軸ずれなどがあって、受光素子に於ける出力Uは一定で
あるが、発光素子の出力はより大きくなければならない
という事が起こりうる。図3にこれを示す。U、Tは同
じレベルであるのにWだけ上方へ変位するという事にな
る。すると、Wが上限W0 を越えてしまう。発光素子が
急速に劣化する。こういうことがあってはならないから
図1に示すように、発光素子1の出力Wを直接にモニタ
用受光素子17で検出し、上限W0 と比較しWがW0 を
越えないようにしている。リミッタ回路部18があっ
て、W<W0 ならばこれは何もしない。ところがW=W
0 となると、以後WがW0 を越えないように制御する。
つまりこの時4倍高調波検出部15からの信号が無視さ
れる事になる。
ーの上限がある。この例では1mWである。発光素子の
パワーがこれ以下であれば問題はない。しかし光学系の
軸ずれなどがあって、受光素子に於ける出力Uは一定で
あるが、発光素子の出力はより大きくなければならない
という事が起こりうる。図3にこれを示す。U、Tは同
じレベルであるのにWだけ上方へ変位するという事にな
る。すると、Wが上限W0 を越えてしまう。発光素子が
急速に劣化する。こういうことがあってはならないから
図1に示すように、発光素子1の出力Wを直接にモニタ
用受光素子17で検出し、上限W0 と比較しWがW0 を
越えないようにしている。リミッタ回路部18があっ
て、W<W0 ならばこれは何もしない。ところがW=W
0 となると、以後WがW0 を越えないように制御する。
つまりこの時4倍高調波検出部15からの信号が無視さ
れる事になる。
【0013】このように光学系の軸合わせなどが狂って
くると、W/Uが上がり他の変数は上がらないが、Wの
値は高くなってゆかざるを得ない。つまり図3に示すよ
うになる。W=W0 より上に上がらないのでこのような
グラフになり、こうなっている間、TはC1 より少し低
下する。実際に問題なのは受光素子に到達するパワーU
である。これが低下すると、 ノイズレベルの増大 リニアリティの劣化 という問題が起こってくる。例えば、受光素子に到達す
る光量が0.3μWであるとする。この時の全ノイズが
0.035°/sとする。0.3μWに対するノイズマ
ージンが0.05°/sである場合、光量が30%低下
すれば、同じノイズレベルであってもノイズマージンを
越えてしまう。S/N比を適正に保つため受光素子に達
するパワーUが下がらないようにしなければならない。
くると、W/Uが上がり他の変数は上がらないが、Wの
値は高くなってゆかざるを得ない。つまり図3に示すよ
うになる。W=W0 より上に上がらないのでこのような
グラフになり、こうなっている間、TはC1 より少し低
下する。実際に問題なのは受光素子に到達するパワーU
である。これが低下すると、 ノイズレベルの増大 リニアリティの劣化 という問題が起こってくる。例えば、受光素子に到達す
る光量が0.3μWであるとする。この時の全ノイズが
0.035°/sとする。0.3μWに対するノイズマ
ージンが0.05°/sである場合、光量が30%低下
すれば、同じノイズレベルであってもノイズマージンを
越えてしまう。S/N比を適正に保つため受光素子に達
するパワーUが下がらないようにしなければならない。
【0014】もうひとつの欠点はリニアリティである。
これは本発明のように特殊な制御をするから生ずる問題
である。(6)式に示すように基本波の中にtanΔθ
の形で含まれるから、逆変換(tan-1)演算をしてΔ
θを求めている。ところがW=W0 に達するとリミッタ
回路部18の制御が優先するので、4倍高調波がもはや
一定でなくなる。Uが一定になる。すると4倍高調波T
が T=C1 cosΔθ (7) となってしまう。実際にP/Tを求めるのではなく、基
本波Pからtan-1演算するのであるが、W=W0 にな
ってしまうと、(4)の代わりに、 2UJ4 G4 =C1 (8) となるので、Uが一定になり、(5)に代入されるから P=(J1 G1 sinΔθ)C1 /(J4 G4 ) (9) となる。しかし基本波の演算部14ではそういうことが
分からずtan-1演算をしてしまう。 tan-1sinΔθ < θ (10) であるから、大きな誤差が出てしまう。本発明はこのよ
うな欠点を満足する事を目的とする。
これは本発明のように特殊な制御をするから生ずる問題
である。(6)式に示すように基本波の中にtanΔθ
の形で含まれるから、逆変換(tan-1)演算をしてΔ
θを求めている。ところがW=W0 に達するとリミッタ
回路部18の制御が優先するので、4倍高調波がもはや
一定でなくなる。Uが一定になる。すると4倍高調波T
が T=C1 cosΔθ (7) となってしまう。実際にP/Tを求めるのではなく、基
本波Pからtan-1演算するのであるが、W=W0 にな
ってしまうと、(4)の代わりに、 2UJ4 G4 =C1 (8) となるので、Uが一定になり、(5)に代入されるから P=(J1 G1 sinΔθ)C1 /(J4 G4 ) (9) となる。しかし基本波の演算部14ではそういうことが
分からずtan-1演算をしてしまう。 tan-1sinΔθ < θ (10) であるから、大きな誤差が出てしまう。本発明はこのよ
うな欠点を満足する事を目的とする。
【0015】
【課題を解決するための手段】本発明の第1の光ファイ
バジャイロ信号処理方式は、センサコイルを構成する部
分と位相変調素子が設けられた部分を有するシングルモ
ード光ファイバと、可干渉光を発生する発光素子と、該
発光素子から出射した光を分割して前記光ファイバの両
端に与える光分岐素子と、前記センサコイルの光ファイ
バ中を伝搬しその両端から出た光を前記分岐素子を介し
て結合して受光する受光素子と、受光素子の出力を受け
て位相変調周波数成分を同期検波する基本波の同期検波
回路と、受光素子の出力を受けて変調周波数の偶数次の
高調波を検出する偶数次高調波検出部と、発光素子の発
光出力を直接にモニタするモニタ用受光素子と、モニタ
用受光素子によって発光素子の出力を監視し発光素子の
発光出力Wがある上限W0を越えないようにするリミッ
タ回路部とを含み、W<W0 である限りに於いて偶数次
高調波の出力Tが一定値C1 になるように制御し、基本
波出力Pに適当な定数を乗じこれにtan-1演算をする
事によって左廻り光右廻り光の位相差Δθを求めこれか
らセンサコイルの角速度Ωa を求める事とした光ファイ
バジャイロに於いて、偶数次高調波の出力Tが前記の一
定値C1 より低下した事を検出する事によって受光素子
へ到達する光量Uが低下した事を検出し警告を発するよ
うにした事を特徴とする。
バジャイロ信号処理方式は、センサコイルを構成する部
分と位相変調素子が設けられた部分を有するシングルモ
ード光ファイバと、可干渉光を発生する発光素子と、該
発光素子から出射した光を分割して前記光ファイバの両
端に与える光分岐素子と、前記センサコイルの光ファイ
バ中を伝搬しその両端から出た光を前記分岐素子を介し
て結合して受光する受光素子と、受光素子の出力を受け
て位相変調周波数成分を同期検波する基本波の同期検波
回路と、受光素子の出力を受けて変調周波数の偶数次の
高調波を検出する偶数次高調波検出部と、発光素子の発
光出力を直接にモニタするモニタ用受光素子と、モニタ
用受光素子によって発光素子の出力を監視し発光素子の
発光出力Wがある上限W0を越えないようにするリミッ
タ回路部とを含み、W<W0 である限りに於いて偶数次
高調波の出力Tが一定値C1 になるように制御し、基本
波出力Pに適当な定数を乗じこれにtan-1演算をする
事によって左廻り光右廻り光の位相差Δθを求めこれか
らセンサコイルの角速度Ωa を求める事とした光ファイ
バジャイロに於いて、偶数次高調波の出力Tが前記の一
定値C1 より低下した事を検出する事によって受光素子
へ到達する光量Uが低下した事を検出し警告を発するよ
うにした事を特徴とする。
【0016】第2の発明に係る光ファイバジャイロ信号
処理方式は、センサコイルを構成する部分と位相変調素
子が設けられた部分を有するシングルモード光ファイバ
と、可干渉光を発生する発光素子と、該発光素子から出
射した光を分割して前記光ファイバの両端に与える光分
岐素子と、前記センサコイルの光ファイバ中を伝搬しそ
の両端から出た光を前記分岐素子を介して結合して受光
する受光素子と、受光素子の出力を受けて位相変調周波
数成分を同期検波する基本波の同期検波回路と、受光素
子の出力を受けて変調周波数の偶数次の高調波を検出す
る偶数次高調波検出部と、発光素子の発光出力を直接に
モニタするモニタ用受光素子と、モニタ用受光素子によ
って発光素子の出力を監視し発光素子の発光出力Wがあ
る上限W0 を越えないようにするリミッタ回路部とを含
み、W<W0 である限りに於いて偶数次高調波の出力T
が一定値C1 になるように制御し、基本波出力Pに適当
な定数を乗じこれにtan-1演算をする事によって左廻
り光右廻り光の位相差Δθを求めこれからセンサコイル
の角速度Ωa を求める事とした光ファイバジャイロに於
いて、角速度が大きい時に偶数次高調波の出力Tが前記
の一定値C1 より低下する時は基本波出力Pに同一の適
当な定数を乗じこれにsin-1演算をすることによって
左廻り光右廻り光の位相差Δθを求めこれからセンサコ
イルの角速度Ωa を求める事を特徴とする。
処理方式は、センサコイルを構成する部分と位相変調素
子が設けられた部分を有するシングルモード光ファイバ
と、可干渉光を発生する発光素子と、該発光素子から出
射した光を分割して前記光ファイバの両端に与える光分
岐素子と、前記センサコイルの光ファイバ中を伝搬しそ
の両端から出た光を前記分岐素子を介して結合して受光
する受光素子と、受光素子の出力を受けて位相変調周波
数成分を同期検波する基本波の同期検波回路と、受光素
子の出力を受けて変調周波数の偶数次の高調波を検出す
る偶数次高調波検出部と、発光素子の発光出力を直接に
モニタするモニタ用受光素子と、モニタ用受光素子によ
って発光素子の出力を監視し発光素子の発光出力Wがあ
る上限W0 を越えないようにするリミッタ回路部とを含
み、W<W0 である限りに於いて偶数次高調波の出力T
が一定値C1 になるように制御し、基本波出力Pに適当
な定数を乗じこれにtan-1演算をする事によって左廻
り光右廻り光の位相差Δθを求めこれからセンサコイル
の角速度Ωa を求める事とした光ファイバジャイロに於
いて、角速度が大きい時に偶数次高調波の出力Tが前記
の一定値C1 より低下する時は基本波出力Pに同一の適
当な定数を乗じこれにsin-1演算をすることによって
左廻り光右廻り光の位相差Δθを求めこれからセンサコ
イルの角速度Ωa を求める事を特徴とする。
【0017】
【作用】まず本発明に於いては偶数次の高調波を一定に
するように制御する光ファイバジャイロを対象にしてい
る。これは4倍高調波Tであっても2倍高調波Qであっ
てもよい。また6倍、8倍でもよいのである。ここでは
Tを一定にする制御を例にして説明する。この場合、W
<W0 である限りT=C1 という条件を満足する事がで
きる。。ところがWがW0 に達すると、T=C1 という
ふうに常に4倍高調波Tを一定値に保つことができない
ようになってくる。ただし、W=W0 になるといっても
大きくいって2つの場合がありうる。ひとつ目は図3に
示すように、角速度が特に大きい時にΔθが大きくなり
1/cosΔθが大きくなるのでW=W0 になる場合で
ある。Δθ=0の時はW<W0 である。この時、T=C
1 である時間もありT<C1 である時もある。これは劣
化に関して中間的な状態である。仮に中間劣化と名付け
ることにする。T=C1 からT<C1 に変わる時の角速
度をΩc (臨界角速度)とする。これと対応する臨界位
相差をΔθc とする。Δθが0〜Δθc までではW≦W
0 であってT=C1 でありうる。しかしΔθc <Δθと
なるとW=W0 となりTはcosΔθの変化をする。つ
まりこのとき(Δθ>Δθc ) T=C1 cosΔθ (11) という変化をする。
するように制御する光ファイバジャイロを対象にしてい
る。これは4倍高調波Tであっても2倍高調波Qであっ
てもよい。また6倍、8倍でもよいのである。ここでは
Tを一定にする制御を例にして説明する。この場合、W
<W0 である限りT=C1 という条件を満足する事がで
きる。。ところがWがW0 に達すると、T=C1 という
ふうに常に4倍高調波Tを一定値に保つことができない
ようになってくる。ただし、W=W0 になるといっても
大きくいって2つの場合がありうる。ひとつ目は図3に
示すように、角速度が特に大きい時にΔθが大きくなり
1/cosΔθが大きくなるのでW=W0 になる場合で
ある。Δθ=0の時はW<W0 である。この時、T=C
1 である時間もありT<C1 である時もある。これは劣
化に関して中間的な状態である。仮に中間劣化と名付け
ることにする。T=C1 からT<C1 に変わる時の角速
度をΩc (臨界角速度)とする。これと対応する臨界位
相差をΔθc とする。Δθが0〜Δθc までではW≦W
0 であってT=C1 でありうる。しかしΔθc <Δθと
なるとW=W0 となりTはcosΔθの変化をする。つ
まりこのとき(Δθ>Δθc ) T=C1 cosΔθ (11) という変化をする。
【0018】もうひとつの場合は図4に示すように、Δ
θ=0(Ωa =0)であってもW=W0 になる場合であ
る。これは完全劣化という事ができる。この場合、光学
系の軸ずれなどにより受光素子に到達する光量Uが減少
し、W=W0 とするので、角速度Ωa の変動に拘らずU
は一定となる。この時、4倍高調波はΔθ=0も含めて
全変域で T=C2 cosΔθ (12) という変化をする。ここでC2 はC1 より小さい定数で
ある。Δθがいかなる値であってもT<C1 である。
θ=0(Ωa =0)であってもW=W0 になる場合であ
る。これは完全劣化という事ができる。この場合、光学
系の軸ずれなどにより受光素子に到達する光量Uが減少
し、W=W0 とするので、角速度Ωa の変動に拘らずU
は一定となる。この時、4倍高調波はΔθ=0も含めて
全変域で T=C2 cosΔθ (12) という変化をする。ここでC2 はC1 より小さい定数で
ある。Δθがいかなる値であってもT<C1 である。
【0019】本発明の第1発明に於いては、中間劣化で
あっても完全劣化であってもT<C1 になるのであるか
ら警告を発し操作者、運転者に知らせる。これに応じて
彼らは光ファイバを交換するか補修しなければならな
い。警告装置19がこれを行う。 上記の手段はT<C
1 になるとこの光ファイバジャイロを使わないようにす
るものであるが、しかし工夫をすればなおこの光ファイ
バジャイロを有効に使う事ができる。ノイズの問題は残
るがリニアリティの問題は解決できるからである。図3
で示す中間劣化の場合は特により簡便な解決が望まれ
る。
あっても完全劣化であってもT<C1 になるのであるか
ら警告を発し操作者、運転者に知らせる。これに応じて
彼らは光ファイバを交換するか補修しなければならな
い。警告装置19がこれを行う。 上記の手段はT<C
1 になるとこの光ファイバジャイロを使わないようにす
るものであるが、しかし工夫をすればなおこの光ファイ
バジャイロを有効に使う事ができる。ノイズの問題は残
るがリニアリティの問題は解決できるからである。図3
で示す中間劣化の場合は特により簡便な解決が望まれ
る。
【0020】この場合、臨界角速度Ωc までは、T=C
1 という制御ができているのであるからtan-1演算を
してΔθを正確に求めることができる。Ωc を越えると
T<C1 になってしまい、tan-1演算をしたのでは大
きい誤差が出てしまう。しかしこれはtan-1演算をs
in-1演算に切り換えることによって簡単に克服するこ
とができる。つまり基本波Pに対し、Ωa≦Ωc のとき
は、 Δθ=tan-1{(PJ4 G4 )/(J1 G1 C1 )} (13) というtan-1演算をするし、Ωc <Ωa のときは Δθ=sin-1{(PJ4 G4 )/(J1 G1 C1 )} (14) というsin-1演算をすればよい。tan-1演算とsi
n-1演算の切り換えは、T=C1 かT<C1 かである事
によってなすことができる。これは基本波にかかる数係
数が不変であるから簡単にできるのである。しかしなが
ら逆演算の切り換えは図4に示す完全劣化に対してもも
ちろん適用する事ができるのである。この場合、4倍高
調波Tは完全な変化量になっており(12)に示すよう
に T=C2 cosΔθ (15) という変化をする(C2 <C1 )。そしてこれに応じて
角速度Ωa がいかなる場合であっても基本波Pは P=(J1 G1 C2 )sinΔθ/(J4 G4 ) (16) となり、sin-1演算でΔθを求める事ができる。しか
し、定数C2 が予め分からないから、次の演算 Δθ=sin-1{(PJ4 G4 )/(J1 G1 C2 )} (17) が直ちにはできない。しかし、C2 はΔθ=0のときの
Tの値であるから、これを求めることができる。そして
数係数を決めることができるので、sin-1演算を行う
ことができるのである。Δθ=0であることは基本波の
出力(P=0)から分かる。
1 という制御ができているのであるからtan-1演算を
してΔθを正確に求めることができる。Ωc を越えると
T<C1 になってしまい、tan-1演算をしたのでは大
きい誤差が出てしまう。しかしこれはtan-1演算をs
in-1演算に切り換えることによって簡単に克服するこ
とができる。つまり基本波Pに対し、Ωa≦Ωc のとき
は、 Δθ=tan-1{(PJ4 G4 )/(J1 G1 C1 )} (13) というtan-1演算をするし、Ωc <Ωa のときは Δθ=sin-1{(PJ4 G4 )/(J1 G1 C1 )} (14) というsin-1演算をすればよい。tan-1演算とsi
n-1演算の切り換えは、T=C1 かT<C1 かである事
によってなすことができる。これは基本波にかかる数係
数が不変であるから簡単にできるのである。しかしなが
ら逆演算の切り換えは図4に示す完全劣化に対してもも
ちろん適用する事ができるのである。この場合、4倍高
調波Tは完全な変化量になっており(12)に示すよう
に T=C2 cosΔθ (15) という変化をする(C2 <C1 )。そしてこれに応じて
角速度Ωa がいかなる場合であっても基本波Pは P=(J1 G1 C2 )sinΔθ/(J4 G4 ) (16) となり、sin-1演算でΔθを求める事ができる。しか
し、定数C2 が予め分からないから、次の演算 Δθ=sin-1{(PJ4 G4 )/(J1 G1 C2 )} (17) が直ちにはできない。しかし、C2 はΔθ=0のときの
Tの値であるから、これを求めることができる。そして
数係数を決めることができるので、sin-1演算を行う
ことができるのである。Δθ=0であることは基本波の
出力(P=0)から分かる。
【0021】
【実施例】センサコイルのファイバ長をL=100m、
コイルの半径a=0.0665m、発光波長λ=840
nmとすると1°あたりの位相差は0.3316°/s
である。sinΔθとtanΔθの差は、角速度が20
°/sのときに0.14°/sとなる。角速度が60°
/sのときは3.7°/sである。80°/sのときは
9°/sになり、無視できない誤差を生ずる。本発明で
はtan-1補正していたものを、sin-1補正に切り換
えるので計算式の不適切による誤差はなくなる。スーパ
ールミネッセントダイオ−ドを1mW以下の発光レベル
で使う。受光素子に到達するパワーは0.3μWとす
る。受光素子に到達する光量がこれより下がると、4倍
波の出力が低下するのでこれを求めることができる。
コイルの半径a=0.0665m、発光波長λ=840
nmとすると1°あたりの位相差は0.3316°/s
である。sinΔθとtanΔθの差は、角速度が20
°/sのときに0.14°/sとなる。角速度が60°
/sのときは3.7°/sである。80°/sのときは
9°/sになり、無視できない誤差を生ずる。本発明で
はtan-1補正していたものを、sin-1補正に切り換
えるので計算式の不適切による誤差はなくなる。スーパ
ールミネッセントダイオ−ドを1mW以下の発光レベル
で使う。受光素子に到達するパワーは0.3μWとす
る。受光素子に到達する光量がこれより下がると、4倍
波の出力が低下するのでこれを求めることができる。
【0022】
【発明の効果】受光素子に到達する光量が減少した事を
4倍波又は他の偶数波の出力を監視する事によって検出
することができる。ただし、UcosΔθという値を監
視しているので、直接に受光素子に達するパワーUを見
ているわけではない。しかし、Δθ=0の場合の値が分
かるから結局Uが分かるのである。またUが低下した時
は警告を出すので操作者にすぐに分かる。Uが低下した
時、もうひとつの方法はtan-1演算からsin-1演算
に切り換えることである。これによって受光素子に達す
る光量が減少しても精密な角速度測定結果をうることが
できる。
4倍波又は他の偶数波の出力を監視する事によって検出
することができる。ただし、UcosΔθという値を監
視しているので、直接に受光素子に達するパワーUを見
ているわけではない。しかし、Δθ=0の場合の値が分
かるから結局Uが分かるのである。またUが低下した時
は警告を出すので操作者にすぐに分かる。Uが低下した
時、もうひとつの方法はtan-1演算からsin-1演算
に切り換えることである。これによって受光素子に達す
る光量が減少しても精密な角速度測定結果をうることが
できる。
【図1】位相変調方式の光ファイバジャイロの構成図。
【図2】受光素子に到達する光量が十分大きい場合の角
速度、4倍高調波、発光素子出力、受光素子の入力など
の時間的変化を示すグラフ。
速度、4倍高調波、発光素子出力、受光素子の入力など
の時間的変化を示すグラフ。
【図3】受光素子に到達する光量が小さくなってきた場
合の角速度、4倍高調波、発光素子出力、受光素子入力
などの時間的変化を示すグラフ。
合の角速度、4倍高調波、発光素子出力、受光素子入力
などの時間的変化を示すグラフ。
【図4】受光素子に到達する光量がさらに小さくなった
場合の角速度、4倍高調波、発光素子出力、受光素子入
力などの時間的変化を示すグラフ。
場合の角速度、4倍高調波、発光素子出力、受光素子入
力などの時間的変化を示すグラフ。
1 発光素子
6 センサコイル
7 位相変調素子
9 受光素子
10 励振交流電源
11 位相変調度制御部
12 2倍高調波検出部
13 同期検波部
14 演算部
15 4倍高調波検出部
16 発光素子制御回路
17 モニタ用受光素子
18 リミッタ回路部
19 警告装置
Claims (3)
- 【請求項1】 センサコイルを構成する部分と位相変調
素子が設けられた部分を有するシングルモード光ファイ
バと、可干渉光を発生する発光素子と、該発光素子から
出射した光を分割して前記光ファイバの両端に与える光
分岐素子と、前記センサコイルの光ファイバ中を伝搬し
その両端から出た光を前記分岐素子を介して結合して受
光する受光素子と、受光素子の出力を受けて位相変調周
波数成分を同期検波する基本波の同期検波回路と、受光
素子の出力を受けて変調周波数の偶数次の高調波を検出
する偶数次高調波検出部と、発光素子の発光出力を直接
にモニタするモニタ用受光素子と、モニタ用受光素子に
よって発光素子の出力を監視し発光素子の発光出力Wが
ある上限W0 を越えないようにするリミッタ回路部とを
含み、W<W0 である限りに於いて偶数次高調波の出力
Tが基準値C1 になるように発光出力を制御し、基本波
出力Pに適当な定数を乗じこれにtan-1演算もしくは
それに近似な演算をする事によって左廻り光右廻り光の
位相差Δθを求めこれからセンサコイルの角速度Ωa を
求める事とした光ファイバジャイロに於いて、偶数次高
調波の出力Tが前記の一定値C1 より低下した事を検出
する事によって受光素子へ到達する光量Uが低下した事
を検出し警告を発するようにした事を特徴とする光ファ
イバジャイロ信号処理方式。 - 【請求項2】 センサコイルを構成する部分と位相変調
素子が設けられた部分を有するシングルモード光ファイ
バと、可干渉光を発生する発光素子と、該発光素子から
出射した光を分割して前記光ファイバの両端に与える光
分岐素子と、前記センサコイルの光ファイバ中を伝搬し
その両端から出た光を前記分岐素子を介して結合して受
光する受光素子と、受光素子の出力を受けて位相変調周
波数成分を同期検波する基本波の同期検波回路と、受光
素子の出力を受けて変調周波数の偶数次の高調波を検出
する偶数次高調波検出部と、発光素子の発光出力を直接
にモニタするモニタ用受光素子と、モニタ用受光素子に
よって発光素子の出力を監視し発光素子の発光出力Wが
ある上限W0 を越えないようにするリミッタ回路部とを
含み、W<W0 である限りに於いて偶数次高調波の出力
Tが基準値C1 になるように発光出力を制御し、基本波
出力Pに適当な定数を乗じこれにtan-1演算をする事
によって左廻り光右廻り光の位相差Δθを求めこれから
センサコイルの角速度Ωa を求める事とした光ファイバ
ジャイロに於いて、角速度が大きい時に偶数次高調波の
出力Tが前記の一定値C1 より低下する時は基本波出力
Pに同一の適当な定数を乗じこれにsin-1演算もしく
はそれに近似な演算をすることによって左廻り光右廻り
光の位相差Δθを求めこれからセンサコイルの角速度Ω
a を求める事を特徴とする光ファイバジャイロ信号処理
方式。 - 【請求項3】 センサコイルを構成する部分と位相変調
素子が設けられた部分を有するシングルモード光ファイ
バと、可干渉光を発生する発光素子と、該発光素子から
出射した光を分割して前記光ファイバの両端に与える光
分岐素子と、前記センサコイルの光ファイバ中を伝搬し
その両端から出た光を前記分岐素子を介して結合して受
光する受光素子と、受光素子の出力を受けて位相変調周
波数成分を同期検波する基本波の同期検波回路と、受光
素子の出力を受けて変調周波数の偶数次の高調波を検出
する偶数次高調波検出部と、発光素子の発光出力を直接
にモニタするモニタ用受光素子と、モニタ用受光素子に
よって発光素子の出力を監視し発光素子の発光出力Wが
ある上限W0 を越えないようにするリミッタ回路部とを
含み、W<W0 である限りに於いて偶数次高調波の出力
Tが一定値C1 になるように発光出力を制御し、基本波
出力Pに適当な定数を乗じこれにtan-1演算もしくは
それに近似な演算をする事によって左廻り光右廻り光の
位相差Δθを求めこれからセンサコイルの角速度Ωa を
求める事とした光ファイバジャイロに於いて、角速度が
0であっても偶数次高調波の出力Tが前記の基準値C1
より低い時は、この出力Tの値をC2 として、基本波出
力Pに先程の定数と(C1/C2 )を乗じてこれにsi
n-1演算もしくはそれに近似な演算をする事によって左
廻り光右り光の位相Δθを求めこれからセンサコイルの
角速度Ωa を求める事を特徴とする光ファイバジャイロ
信号処理方式。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP18380791A JPH0510769A (ja) | 1991-06-27 | 1991-06-27 | 光フアイバジヤイロ信号処理方式 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP18380791A JPH0510769A (ja) | 1991-06-27 | 1991-06-27 | 光フアイバジヤイロ信号処理方式 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH0510769A true JPH0510769A (ja) | 1993-01-19 |
Family
ID=16142230
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP18380791A Pending JPH0510769A (ja) | 1991-06-27 | 1991-06-27 | 光フアイバジヤイロ信号処理方式 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH0510769A (ja) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2007132941A (ja) * | 2005-11-09 | 2007-05-31 | Honeywell Internatl Inc | 光ファイバ・ジャイロスコープの非同期復調 |
JP2014119311A (ja) * | 2012-12-14 | 2014-06-30 | Hitachi Metals Ltd | 光ファイバ振動センサ |
-
1991
- 1991-06-27 JP JP18380791A patent/JPH0510769A/ja active Pending
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2007132941A (ja) * | 2005-11-09 | 2007-05-31 | Honeywell Internatl Inc | 光ファイバ・ジャイロスコープの非同期復調 |
JP2014119311A (ja) * | 2012-12-14 | 2014-06-30 | Hitachi Metals Ltd | 光ファイバ振動センサ |
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