JPH05215558A - 光ファイバジャイロの同期検波方式 - Google Patents
光ファイバジャイロの同期検波方式Info
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- JPH05215558A JPH05215558A JP5424692A JP5424692A JPH05215558A JP H05215558 A JPH05215558 A JP H05215558A JP 5424692 A JP5424692 A JP 5424692A JP 5424692 A JP5424692 A JP 5424692A JP H05215558 A JPH05215558 A JP H05215558A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 位相変調方式の光ファイバジャイロに於い
て、受光素子出力から基本波或はｎ倍高調波の成分を求
めるためにそれと同じ周波数を持つキャリヤ信号によっ
て同期検波する。この時、キャリヤ信号の位相が受光素
子出力のその成分の位相に合致していなければならな
い。初期に合致するように調整しても温度変動によって
位相のずれが生ずるのでスケ−ルファクタが変動してし
まう。これを防ぐことが目的である。 【構成】 基本波またはｎ倍高調波成分を同期検波する
際、ある位相のキャリヤ信号とこれに対して９０度位相
のずれたキャリヤ信号とで同期検波し、この結果を２乗
して相加える。これの平方根を取って回転に比例する位
相差を求める。符号は予め定めた何れかの同期検波出力
の符号を採用する。
て、受光素子出力から基本波或はｎ倍高調波の成分を求
めるためにそれと同じ周波数を持つキャリヤ信号によっ
て同期検波する。この時、キャリヤ信号の位相が受光素
子出力のその成分の位相に合致していなければならな
い。初期に合致するように調整しても温度変動によって
位相のずれが生ずるのでスケ−ルファクタが変動してし
まう。これを防ぐことが目的である。 【構成】 基本波またはｎ倍高調波成分を同期検波する
際、ある位相のキャリヤ信号とこれに対して９０度位相
のずれたキャリヤ信号とで同期検波し、この結果を２乗
して相加える。これの平方根を取って回転に比例する位
相差を求める。符号は予め定めた何れかの同期検波出力
の符号を採用する。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は自動車、飛行機、船舶
など運動体の回転角速度を測定するための光ファイバジ
ャイロに関する。特に位相変調方式の光ファイバジャイ
ロの同期検波方式の新規な工夫に関する。
など運動体の回転角速度を測定するための光ファイバジ
ャイロに関する。特に位相変調方式の光ファイバジャイ
ロの同期検波方式の新規な工夫に関する。
【０００２】
【従来の技術】光ファイバジャイロはファイバコイルの
中を左廻り右廻りに伝搬する光の位相差がコイルの角速
度に比例することを利用して角速度を求めるものであ
る。位相変調方式というのは、ファイバコイルの一方の
端近くの光ファイバの一部を伸縮させてこの中を伝搬す
る光の位相を変調するものである。図４に位相変調方式
の光ファイバジャイロの概略の構成を示す。光源として
の発光素子１から単色光が出る。これが光ファイバ２、
第１ファイバカップラ３、光ファイバ４、第２ファイバ
カップラ５を通り、シングルモ−ドファイバを多数回巻
き回したファイバコイル６の両端に入射する。これはフ
ァイバコイル６の内部を左廻り光、右廻り光として伝搬
する。ファイバコイル６の一端には位相変調器７があり
ｂsin Ωｔというように光の位相を変調している。右廻
り光、左廻り光がファイバカップラ５で合流し、光ファ
イバ４、ファイバカップラ３を通り受光素子８に入射す
る。受光素子８は両者の干渉光強度を検出し電気信号に
変換する。プリアンプ９でこれを増幅しこれに含まれる
適当な高調波または基本波を同期検波回路１０によって
同期検波する。発振器１１が位相変調器に変調信号を与
え、同期検波信号を与える。勿論この間に適当な分周器
があり、元の発振器の周波数を逓減している。
中を左廻り右廻りに伝搬する光の位相差がコイルの角速
度に比例することを利用して角速度を求めるものであ
る。位相変調方式というのは、ファイバコイルの一方の
端近くの光ファイバの一部を伸縮させてこの中を伝搬す
る光の位相を変調するものである。図４に位相変調方式
の光ファイバジャイロの概略の構成を示す。光源として
の発光素子１から単色光が出る。これが光ファイバ２、
第１ファイバカップラ３、光ファイバ４、第２ファイバ
カップラ５を通り、シングルモ−ドファイバを多数回巻
き回したファイバコイル６の両端に入射する。これはフ
ァイバコイル６の内部を左廻り光、右廻り光として伝搬
する。ファイバコイル６の一端には位相変調器７があり
ｂsin Ωｔというように光の位相を変調している。右廻
り光、左廻り光がファイバカップラ５で合流し、光ファ
イバ４、ファイバカップラ３を通り受光素子８に入射す
る。受光素子８は両者の干渉光強度を検出し電気信号に
変換する。プリアンプ９でこれを増幅しこれに含まれる
適当な高調波または基本波を同期検波回路１０によって
同期検波する。発振器１１が位相変調器に変調信号を与
え、同期検波信号を与える。勿論この間に適当な分周器
があり、元の発振器の周波数を逓減している。
【０００３】このように干渉光の強度を受光素子で検出
するがこの中には変調周波数及びその高調波信号がベッ
セル函数を係数とする展開式の形で含まれる。そこで変
調周波数またはその整数倍の周波数で、位相が信号と合
致したキャリヤ信号を作り、受光素子出力をこれによっ
て同期検波すれば基本波成分または任意の高調波成分を
得ることができる。奇数次の（２ｍ＋１）倍高調波（基
本波を含む）は ２Ｅ1 Ｅ2 Ｊ2m+1( ξ)sinΔθsin ｛（（２ｍ＋１）Ωｔ＋φ＋χ） （１） と書くことができる。ただしＥ1 、Ｅ2 は左廻り光右廻
り光の振幅、Ｊ2m+1( ξ) は（２ｍ＋１）次ベッセル函
数、Δθは左廻り光、右廻り光の位相差である。これが
求めるべき対象である。Ωは先述のように位相変調器の
変調角周波数である。回転体の角速度をΩとし右廻り光
左廻り光の位相差をΔθとすると、 Δθ＝４πＬａΩ0 ／ｃλ （２） という関係がある。Ｌはファイバコイルのファイバの全
長である。ａはファイバコイルの半径、ｃは真空中の光
速、λは真空中の波長である。ξは変調の大きさを表
し、 ξ＝２ｂsin （ＬｎΩ／２ｃ） （３） である。ｂは位相変調器に於ける位相変調の振幅、Ωは
位相変調角周波数、ｎはファイバの屈折率である。ξは
左廻り光右廻り光において位相変調を受けるタイミング
がＬｎ／２ｃだけ異なることによって発生する項であ
る。位相変調器はsin Ωｔという位相変化を光に起こさ
せるが、位相変調を受けた光はファイバ等の光学系を通
過する際に一定の遅延を受ける。また受光素子で光電変
換された後も電気回路による遅延がある。このため受光
素子出力を増幅したものの中に含まれる（２ｍ＋１）倍
高調波はこのような遅延を伴う。それで位相変調成分は
sin （Ωｔ＋φ＋χ）のような形になる。φは光学系に
よる位相の遅れである。χは電気回路による位相の遅れ
である。本発明はこのような位相遅れを問題にする。
するがこの中には変調周波数及びその高調波信号がベッ
セル函数を係数とする展開式の形で含まれる。そこで変
調周波数またはその整数倍の周波数で、位相が信号と合
致したキャリヤ信号を作り、受光素子出力をこれによっ
て同期検波すれば基本波成分または任意の高調波成分を
得ることができる。奇数次の（２ｍ＋１）倍高調波（基
本波を含む）は ２Ｅ1 Ｅ2 Ｊ2m+1( ξ)sinΔθsin ｛（（２ｍ＋１）Ωｔ＋φ＋χ） （１） と書くことができる。ただしＥ1 、Ｅ2 は左廻り光右廻
り光の振幅、Ｊ2m+1( ξ) は（２ｍ＋１）次ベッセル函
数、Δθは左廻り光、右廻り光の位相差である。これが
求めるべき対象である。Ωは先述のように位相変調器の
変調角周波数である。回転体の角速度をΩとし右廻り光
左廻り光の位相差をΔθとすると、 Δθ＝４πＬａΩ0 ／ｃλ （２） という関係がある。Ｌはファイバコイルのファイバの全
長である。ａはファイバコイルの半径、ｃは真空中の光
速、λは真空中の波長である。ξは変調の大きさを表
し、 ξ＝２ｂsin （ＬｎΩ／２ｃ） （３） である。ｂは位相変調器に於ける位相変調の振幅、Ωは
位相変調角周波数、ｎはファイバの屈折率である。ξは
左廻り光右廻り光において位相変調を受けるタイミング
がＬｎ／２ｃだけ異なることによって発生する項であ
る。位相変調器はsin Ωｔという位相変化を光に起こさ
せるが、位相変調を受けた光はファイバ等の光学系を通
過する際に一定の遅延を受ける。また受光素子で光電変
換された後も電気回路による遅延がある。このため受光
素子出力を増幅したものの中に含まれる（２ｍ＋１）倍
高調波はこのような遅延を伴う。それで位相変調成分は
sin （Ωｔ＋φ＋χ）のような形になる。φは光学系に
よる位相の遅れである。χは電気回路による位相の遅れ
である。本発明はこのような位相遅れを問題にする。
【０００４】偶数次の２ｎ倍の高調波は ２Ｅ1 Ｅ2 Ｊ2n( ξ)cosΔθsin （２ｎΩｔ＋φ＋χ） （４） と書くことができる。ここでφは光学系に起因する遅
れ、χは電気回路に起因する遅れである。（１）の値と
はもちろん異なるが簡単のためここでは同じ記号を用い
ている。
れ、χは電気回路に起因する遅れである。（１）の値と
はもちろん異なるが簡単のためここでは同じ記号を用い
ている。
【０００５】同期検波というのは、受光素子の信号にキ
ャリヤ信号を掛け算することによって所望の次数の高調
波の大きさを求めることである。同期検波するためのキ
ャリヤ信号は、この受光素子出力に含まれる高調波の位
相変調周波数の整数倍の周波数を持つが、周波数（２ｍ
＋１）Ωあるいは２ｎΩが同一であるだけでなく、位相
も同一でなければならない。位相が異なると位相差Δφ
のcos Δφ成分が生じ出力が減少するので正確にΔθを
求めることができない。実際には位相変調信号の発振器
と同期検波の間に位相シフタ２１を入れて、キャリヤ信
号の位相と、受光素子出力の高調波の位相を合致させる
ようにしてある。図３に同期検波回路の部分を示す．発
振器で発生したsin （Ωｔ）の信号を位相シフタに通し
て位相を変化させる。これを受光素子出力に乗じロ−パ
スフィルタを通す。この出力をＳn とする。しかし発振
器と位相変調器の動作の間にも遅れがあり、これが分か
らないので先験的に位相差を決めるということができな
い。キャリヤ信号の位相を変化させながら受光素子の出
力を同期検波し、同期検波出力をモニタしてこれが最大
になるようにキャリヤ信号の位相を決定するようにして
あるのである。キャリヤ信号の位相は初めに確定してお
き、この後は再び調整しない。
ャリヤ信号を掛け算することによって所望の次数の高調
波の大きさを求めることである。同期検波するためのキ
ャリヤ信号は、この受光素子出力に含まれる高調波の位
相変調周波数の整数倍の周波数を持つが、周波数（２ｍ
＋１）Ωあるいは２ｎΩが同一であるだけでなく、位相
も同一でなければならない。位相が異なると位相差Δφ
のcos Δφ成分が生じ出力が減少するので正確にΔθを
求めることができない。実際には位相変調信号の発振器
と同期検波の間に位相シフタ２１を入れて、キャリヤ信
号の位相と、受光素子出力の高調波の位相を合致させる
ようにしてある。図３に同期検波回路の部分を示す．発
振器で発生したsin （Ωｔ）の信号を位相シフタに通し
て位相を変化させる。これを受光素子出力に乗じロ−パ
スフィルタを通す。この出力をＳn とする。しかし発振
器と位相変調器の動作の間にも遅れがあり、これが分か
らないので先験的に位相差を決めるということができな
い。キャリヤ信号の位相を変化させながら受光素子の出
力を同期検波し、同期検波出力をモニタしてこれが最大
になるようにキャリヤ信号の位相を決定するようにして
あるのである。キャリヤ信号の位相は初めに確定してお
き、この後は再び調整しない。
【０００６】奇数倍高調波はsin Δθの形でΔθを含む
から、その同期検波出力が分かれば位相差Δθを求める
ことができる。例えば基本波だけから位相差Δθを求め
ることができる。即ち基本波成分をＳ1 として、これを
（１）に等置し、 Δθ＝sin-1 （Ｓ1 ／２Ｅ1 Ｅ2 Ｊ2m+1( ξ) ） （５） によって基本波成分から位相差Δθを求めることができ
る。位相変調方式の光ファイバジャイロについては、特
願平１−５７６３４〜３７、特願平１−２９１６２８〜
３１、１−２９５５００、特願平２−３８０９、２−１
００５５、２−２２５６１１〜１９などの発明がなされ
ている。
から、その同期検波出力が分かれば位相差Δθを求める
ことができる。例えば基本波だけから位相差Δθを求め
ることができる。即ち基本波成分をＳ1 として、これを
（１）に等置し、 Δθ＝sin-1 （Ｓ1 ／２Ｅ1 Ｅ2 Ｊ2m+1( ξ) ） （５） によって基本波成分から位相差Δθを求めることができ
る。位相変調方式の光ファイバジャイロについては、特
願平１−５７６３４〜３７、特願平１−２９１６２８〜
３１、１−２９５５００、特願平２−３８０９、２−１
００５５、２−２２５６１１〜１９などの発明がなされ
ている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】位相変調方式の光ファ
イバジャイロでは、受光素子の出力に含まれる基本波、
（２ｍ＋１）倍高調波、２ｎ倍高調波の位相に合致する
キャリヤ信号を使って同期検波がなされる。このような
方法で回転に比例する位相差Δθを正確に求めることが
できるためには、同期検波する際のキャリヤ信号の位相
が受光素子の出力に含まれる信号の位相と合致していな
くてはならない。もしも両者の間に位相差Δφがある
と、同期検波出力がcos Δφに減少してしまう。もしも
位相差が変動しなければこれで良い訳であるが、そうで
はない。温度変動があるので位相差が新たに発生する。
前記の高調波の光学系に基づく位相φ、電気回路に基づ
く位相差χがともに温度によって変動するので予め調整
してあってもどうしも位相差が発生する。 φ＝φ0 ＋δφ（Ｔ） （６） χ＝χ0 ＋δχ（Ｔ） （７） ここである基準温度に於いてφはφ0 、χはχ0 であ
る。キャリヤ信号の位相はこれらに対しては合致するよ
うになっている。しかし温度変化によってδφ、δχが
生ずるのでキャリヤ信号と位相が合致しなくなる。温度
変化を押さえるようにできれば良いがそのようなことは
難しい。これをそのまま放置すれば、cos （δφ＋δ
χ）の誤差が発生する。そうすると同期検波出力と位相
差Δθの比つまりスケ−ルファクタが変動してしまう。
このような温度変化による光学系、電気回路の位相変化
によってキャリヤ信号の予め確定された位相と食い違っ
てきても正しく基本波、または高調波の出力を与えるこ
とができるようにした光ファイバジャイロの同期検波方
式を提供することが本発明の目的である。
イバジャイロでは、受光素子の出力に含まれる基本波、
（２ｍ＋１）倍高調波、２ｎ倍高調波の位相に合致する
キャリヤ信号を使って同期検波がなされる。このような
方法で回転に比例する位相差Δθを正確に求めることが
できるためには、同期検波する際のキャリヤ信号の位相
が受光素子の出力に含まれる信号の位相と合致していな
くてはならない。もしも両者の間に位相差Δφがある
と、同期検波出力がcos Δφに減少してしまう。もしも
位相差が変動しなければこれで良い訳であるが、そうで
はない。温度変動があるので位相差が新たに発生する。
前記の高調波の光学系に基づく位相φ、電気回路に基づ
く位相差χがともに温度によって変動するので予め調整
してあってもどうしも位相差が発生する。 φ＝φ0 ＋δφ（Ｔ） （６） χ＝χ0 ＋δχ（Ｔ） （７） ここである基準温度に於いてφはφ0 、χはχ0 であ
る。キャリヤ信号の位相はこれらに対しては合致するよ
うになっている。しかし温度変化によってδφ、δχが
生ずるのでキャリヤ信号と位相が合致しなくなる。温度
変化を押さえるようにできれば良いがそのようなことは
難しい。これをそのまま放置すれば、cos （δφ＋δ
χ）の誤差が発生する。そうすると同期検波出力と位相
差Δθの比つまりスケ−ルファクタが変動してしまう。
このような温度変化による光学系、電気回路の位相変化
によってキャリヤ信号の予め確定された位相と食い違っ
てきても正しく基本波、または高調波の出力を与えるこ
とができるようにした光ファイバジャイロの同期検波方
式を提供することが本発明の目的である。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明の光ファイバジャ
イロはキャリヤ信号と、受光素子出力の中に含まれる高
調波の位相を合致させようとするのではなく、位相が幾
ら違ってきても差し支えないようにする。つまりｎ倍高
調波（基本波ｎ＝１を含む）を同期検波する際にはsin
（ｎΩｔ）と、cos （ｎΩｔ）とのふたつのキャリヤ信
号で検波する。同期検波回路が二つ必要である。位相が
９０度異なる二つのキャリヤ信号で同期検波するのであ
って、sin （ｎΩｔ＋Δψ）、cos （ｎΩｔ＋Δψ）の
ようになっていればよい。同期検波したものは位相差を
sin 、cos の形で含んでいる。それらの同期検波出力を
２乗して相加える。そして平方根を取る。するとキャリ
ヤと出力信号の間の位相差を含まないものが得られる。
こうすることによりキャリヤと出力信号の位相差の発生
の問題は解決できる。これだけでは同期検波出力の符号
が分からないので二つの同期検波した信号の内、何れか
の同期検波出力の符号を採用してこれを符号とする。
イロはキャリヤ信号と、受光素子出力の中に含まれる高
調波の位相を合致させようとするのではなく、位相が幾
ら違ってきても差し支えないようにする。つまりｎ倍高
調波（基本波ｎ＝１を含む）を同期検波する際にはsin
（ｎΩｔ）と、cos （ｎΩｔ）とのふたつのキャリヤ信
号で検波する。同期検波回路が二つ必要である。位相が
９０度異なる二つのキャリヤ信号で同期検波するのであ
って、sin （ｎΩｔ＋Δψ）、cos （ｎΩｔ＋Δψ）の
ようになっていればよい。同期検波したものは位相差を
sin 、cos の形で含んでいる。それらの同期検波出力を
２乗して相加える。そして平方根を取る。するとキャリ
ヤと出力信号の間の位相差を含まないものが得られる。
こうすることによりキャリヤと出力信号の位相差の発生
の問題は解決できる。これだけでは同期検波出力の符号
が分からないので二つの同期検波した信号の内、何れか
の同期検波出力の符号を採用してこれを符号とする。
【０００９】
【作用】受光素子出力に含まれるｎ倍高調波（ｎが奇数
の場合、ｎが偶数の場合はsinΔθをcos Δθに置き換
える）は、 ２Ｅ1 Ｅ2 Ｊn(ξ)sinΔθsin （ｎΩｔ＋φ＋χ） （８） と書ける。これをsin （ｎΩｔ）で同期検波すると、 Ｓn ＝２Ｅ1 Ｅ2 Ｊn(ξ)sinΔθcos （φ＋χ） （９） となり、同じ（８）をcos （ｎΩｔ）で同期検波する
と、 Ｔn ＝２Ｅ1 Ｅ2 Ｊn(ξ)sinΔθsin （φ＋χ） （１０） となる。これらを２乗して Ｓn 2＝４Ｅ1 2Ｅ2 2Ｊn(ξ)2 sin2 Δθcos2（φ＋χ） （１１） Ｔn 2＝４Ｅ1 2Ｅ2 2Ｊn(ξ)2 sin2 Δθsin2（φ＋χ） （１２） となる、これらを加えると、位相差φ、χに関する項が
消え、 Ｓn 2 ＋ Ｔn 2＝４Ｅ1 2Ｅ2 2Ｊn(ξ)2 sin2 Δθ （１３） となる。これの平方根を取ると、 Ｑ＝ ｜２Ｅ1 Ｅ2 Ｊn(ξ)sinΔθ｜ （１４） こうすることで同期検波出力の中に含まれていた位相
（φ＋χ）の項が消える。位相の９０度異なる二つのキ
ャリヤ信号で同期検波し２乗して加えているのでこれは
当然のことである。同期検波回路が二つ必要でしかもこ
れを加えて平方根を求めるという新たな操作を必要とす
る。
の場合、ｎが偶数の場合はsinΔθをcos Δθに置き換
える）は、 ２Ｅ1 Ｅ2 Ｊn(ξ)sinΔθsin （ｎΩｔ＋φ＋χ） （８） と書ける。これをsin （ｎΩｔ）で同期検波すると、 Ｓn ＝２Ｅ1 Ｅ2 Ｊn(ξ)sinΔθcos （φ＋χ） （９） となり、同じ（８）をcos （ｎΩｔ）で同期検波する
と、 Ｔn ＝２Ｅ1 Ｅ2 Ｊn(ξ)sinΔθsin （φ＋χ） （１０） となる。これらを２乗して Ｓn 2＝４Ｅ1 2Ｅ2 2Ｊn(ξ)2 sin2 Δθcos2（φ＋χ） （１１） Ｔn 2＝４Ｅ1 2Ｅ2 2Ｊn(ξ)2 sin2 Δθsin2（φ＋χ） （１２） となる、これらを加えると、位相差φ、χに関する項が
消え、 Ｓn 2 ＋ Ｔn 2＝４Ｅ1 2Ｅ2 2Ｊn(ξ)2 sin2 Δθ （１３） となる。これの平方根を取ると、 Ｑ＝ ｜２Ｅ1 Ｅ2 Ｊn(ξ)sinΔθ｜ （１４） こうすることで同期検波出力の中に含まれていた位相
（φ＋χ）の項が消える。位相の９０度異なる二つのキ
ャリヤ信号で同期検波し２乗して加えているのでこれは
当然のことである。同期検波回路が二つ必要でしかもこ
れを加えて平方根を求めるという新たな操作を必要とす
る。
【００１０】さらにこれでは符号が分からず回転の方向
が求められない。そこで、符号としてはＳn の符号を採
用することにする。これはφ＋χ→０の極限でこれに含
まれるcos （φ＋χ）が１になるし、φ＋χの温度によ
る変化が９０度を越えることがないからである。勿論φ
＋χが温度変動によって９０度を越えないということは
先験的に言えることではない。位相変調器や光学系の材
料などを適当なものにしてφ＋χが温度変動によって９
０度を越えないようにして置けばよいのである。これは
φ＋χ＝０にしなければならなかった従来の位相変調方
式のものよりもずっと緩やかな条件である。
が求められない。そこで、符号としてはＳn の符号を採
用することにする。これはφ＋χ→０の極限でこれに含
まれるcos （φ＋χ）が１になるし、φ＋χの温度によ
る変化が９０度を越えることがないからである。勿論φ
＋χが温度変動によって９０度を越えないということは
先験的に言えることではない。位相変調器や光学系の材
料などを適当なものにしてφ＋χが温度変動によって９
０度を越えないようにして置けばよいのである。これは
φ＋χ＝０にしなければならなかった従来の位相変調方
式のものよりもずっと緩やかな条件である。
【００１１】符号を確定するためにｓｇｎ関数をつぎの
ように定義する。 ｓｇｎ（ｘ）＝＋１ ｘ≧０ （１５） −１ ｘ＜０ （１６） 最終的な出力Ｒは、 Ｒ＝ｓｇｎ（Ｓn ）（Ｓn 2 ＋ Ｔn 2）1/2 （１７） ＝ｓｇｎ（Ｓn ）｜２Ｅ1 Ｅ2 Ｊn(ξ)sinΔθ｜ （１８） となるのである。これによって符号も含めて精確なｎ倍
高調波の同期検波出力が得られたことになる。つまり Ｒ＝ ２Ｅ1 Ｅ2 Ｊn(ξ)sinΔθ （１９） であるからこれより回転に基づく位相差Δθを求めるこ
とができるのである。
ように定義する。 ｓｇｎ（ｘ）＝＋１ ｘ≧０ （１５） −１ ｘ＜０ （１６） 最終的な出力Ｒは、 Ｒ＝ｓｇｎ（Ｓn ）（Ｓn 2 ＋ Ｔn 2）1/2 （１７） ＝ｓｇｎ（Ｓn ）｜２Ｅ1 Ｅ2 Ｊn(ξ)sinΔθ｜ （１８） となるのである。これによって符号も含めて精確なｎ倍
高調波の同期検波出力が得られたことになる。つまり Ｒ＝ ２Ｅ1 Ｅ2 Ｊn(ξ)sinΔθ （１９） であるからこれより回転に基づく位相差Δθを求めるこ
とができるのである。
【００１２】このような演算は図２に示すような構成を
用いて簡単に行うことができる。一つの高調波（ｎ倍高
調波）または基本波に対してそれぞれ２つの同期検波回
路１４、１５を設ける。第１の同期検波回路１４はsin
（ｎΩｔ）をキャリヤ信号として同期検波して出力Ｓn
を得る。もうひとつの第２の同期検波回路１５はcos
（ｎΩｔ）で同期検波して出力Ｔn を得る。これをＡＤ
変換器１７に入れてデジタル信号としてマイクロコンピ
ュ−タ１８に入れる。これはＳn とＴn をそれぞれ２乗
して加え合わせ、和の平方根を計算する。またｓｇｎ
（Ｓn ）の計算もする。こうしてＲを容易に求めること
ができる。
用いて簡単に行うことができる。一つの高調波（ｎ倍高
調波）または基本波に対してそれぞれ２つの同期検波回
路１４、１５を設ける。第１の同期検波回路１４はsin
（ｎΩｔ）をキャリヤ信号として同期検波して出力Ｓn
を得る。もうひとつの第２の同期検波回路１５はcos
（ｎΩｔ）で同期検波して出力Ｔn を得る。これをＡＤ
変換器１７に入れてデジタル信号としてマイクロコンピ
ュ−タ１８に入れる。これはＳn とＴn をそれぞれ２乗
して加え合わせ、和の平方根を計算する。またｓｇｎ
（Ｓn ）の計算もする。こうしてＲを容易に求めること
ができる。
【００１３】
【実施例】図１は本発明の実施例に係る光ファイバジャ
イロの概略図を示す。これは光路が全て光ファイバで構
成されている。図４のものと良く似ているが、同期検波
回路の部分が異なっている。光源としての発光素子１か
ら単色光が出てこれが光ファイバ２、第１ファイバカッ
プラ３、光ファイバ４、第２ファイバカップラ５を通り
シングルモ−ドファイバを多数回巻き回したファイバコ
イル６の両端に入射する。これはファイバコイル６の内
部を左廻り光、右廻り光として伝搬する。ファイバコイ
ル６の一端には位相変調器７がありｂsin Ωｔというよ
うに光の位相を変調している。位相変調器は例えば圧電
素子を用いる。円筒型または円柱型の圧電素子の内外壁
または端面に電極を付けこれに交流電圧を印加すると、
圧電効果によって素子が半径方向に膨縮するので光ファ
イバの長さが振動しここを通過する光の位相が変化す
る。電圧振幅を増加すれば位相変化の大きさも比例して
増加する。
イロの概略図を示す。これは光路が全て光ファイバで構
成されている。図４のものと良く似ているが、同期検波
回路の部分が異なっている。光源としての発光素子１か
ら単色光が出てこれが光ファイバ２、第１ファイバカッ
プラ３、光ファイバ４、第２ファイバカップラ５を通り
シングルモ−ドファイバを多数回巻き回したファイバコ
イル６の両端に入射する。これはファイバコイル６の内
部を左廻り光、右廻り光として伝搬する。ファイバコイ
ル６の一端には位相変調器７がありｂsin Ωｔというよ
うに光の位相を変調している。位相変調器は例えば圧電
素子を用いる。円筒型または円柱型の圧電素子の内外壁
または端面に電極を付けこれに交流電圧を印加すると、
圧電効果によって素子が半径方向に膨縮するので光ファ
イバの長さが振動しここを通過する光の位相が変化す
る。電圧振幅を増加すれば位相変化の大きさも比例して
増加する。
【００１４】右廻り光左廻り光がファイバカップラ５で
合流し、光ファイバ４、ファイバカップラ３を通り受光
素子８に入射する。受光素子は両者の干渉光強度を検出
し電気信号に変換する。プリアンプ９でこれを増幅しこ
れに含まれる適当な高調波または基本波を同期検波回路
によって同期検波する。基本波だけを必要とする場合も
あるが２つの信号を必要とする場合もある。ここでは基
本波とｎ倍高調波を採用するものとして説明する。発振
器１１が位相変調器７に変調信号を与え、他方では同期
検波回路にキャリヤ信号を与える。勿論発振器１１と位
相変調器７の間、および発振器と位相変調器の間には適
当な分周器があり、元の発振器の周波数を逓減してい
る。発振器の発振角周波数は２k Ω（ｋ：整数）と書く
ことができこれを適当に分周すればｎ倍高調波が、さら
に分周すれば基本波の周波数が得られる。
合流し、光ファイバ４、ファイバカップラ３を通り受光
素子８に入射する。受光素子は両者の干渉光強度を検出
し電気信号に変換する。プリアンプ９でこれを増幅しこ
れに含まれる適当な高調波または基本波を同期検波回路
によって同期検波する。基本波だけを必要とする場合も
あるが２つの信号を必要とする場合もある。ここでは基
本波とｎ倍高調波を採用するものとして説明する。発振
器１１が位相変調器７に変調信号を与え、他方では同期
検波回路にキャリヤ信号を与える。勿論発振器１１と位
相変調器７の間、および発振器と位相変調器の間には適
当な分周器があり、元の発振器の周波数を逓減してい
る。発振器の発振角周波数は２k Ω（ｋ：整数）と書く
ことができこれを適当に分周すればｎ倍高調波が、さら
に分周すれば基本波の周波数が得られる。
【００１５】発光素子１は単色光を出す光源である。レ
−ザダイオ−ド、ス−パ−ルミネッセントダイオ−ドが
用いられる。ただしコヒ−レント長が短いものでなけれ
ばならない。このような点は図４のものと同様である。
本発明に於いては同期検波の部分に工夫がある。基本波
を求めるためにsin 型同期検波回路１２、cos 型同期検
波回路１３がありそれぞれプリアンプ９の出力に接続さ
れている。sin 型というのは、sin （Ωｔ＋Δψ）とい
うキャリヤ信号で同期検波するものである。ただし位相
シフタ２２が分周器と同期検波回路の間にあってある温
度で、Δψ＝φ＋χとなるように調整してある。従って
キャリヤ信号は単純にsin （Ωｔ）であるということに
する。cos 型同期検波回路というのはcos （Ωｔ＋Δ
ψ）というキャリヤ信号を用いて同期検波するものであ
る。cos のキャリヤを得るにはsin のキャリヤに９０度
（π／２）の位相シフト２４を与えることによってなさ
れる。位相を合わせるのはある基準温度で行う。位相シ
フタで位相をずらせながら、出力が最大になる時の位相
を求める。このような初期調整はｓｇｎ関数によって符
号を決定するために必要である。
−ザダイオ−ド、ス−パ−ルミネッセントダイオ−ドが
用いられる。ただしコヒ−レント長が短いものでなけれ
ばならない。このような点は図４のものと同様である。
本発明に於いては同期検波の部分に工夫がある。基本波
を求めるためにsin 型同期検波回路１２、cos 型同期検
波回路１３がありそれぞれプリアンプ９の出力に接続さ
れている。sin 型というのは、sin （Ωｔ＋Δψ）とい
うキャリヤ信号で同期検波するものである。ただし位相
シフタ２２が分周器と同期検波回路の間にあってある温
度で、Δψ＝φ＋χとなるように調整してある。従って
キャリヤ信号は単純にsin （Ωｔ）であるということに
する。cos 型同期検波回路というのはcos （Ωｔ＋Δ
ψ）というキャリヤ信号を用いて同期検波するものであ
る。cos のキャリヤを得るにはsin のキャリヤに９０度
（π／２）の位相シフト２４を与えることによってなさ
れる。位相を合わせるのはある基準温度で行う。位相シ
フタで位相をずらせながら、出力が最大になる時の位相
を求める。このような初期調整はｓｇｎ関数によって符
号を決定するために必要である。
【００１６】しかし位相シフタで厳密に位相を合わせる
必要は従来の回路程には厳格でない。初期調整として位
相調整を全く行わないことも可能である。単に発振器の
信号を分周しただけのsin （Ωｔ）、cos （Ωｔ）を使
って同期検波し、何れの出力が正しく符号を与えている
かが分かればその方の同期検波出力をｓｇｎ関数の変数
とすればよい。この場合は位相シフトのための回路を節
減できる。ただしｓｇｎ関数の変数を決定するための初
期調整は必要である。sin 型同期検波回路１２の出力
は、（１１）式でｎ＝１とおいたものになる。温度が基
準温度からずれていたり初期調整を行わない場合は、位
相差φ＋χが表れるがこれは差し支えない。cos 型同期
検波回路１３に出力は（１２）でｎ＝１とおいたものに
なる。両同期検波回路の出力はＡＤ変換器１６でデジタ
ル信号に変換されてマイクロコンピュ−タ１８に入力さ
れる。同様にｎ倍高調波についてもsin 型同期検波回路
１４と、cos 型同期検波回路１５とを設ける。前者はsi
n （ｎΩｔ）をキャリヤ信号として同期検波する。後者
はcos （ｎΩｔ）をキャリヤとして同期検波する。これ
らの検波出力はＡＤ変換器１７でデジタル化されマイク
ロコンピュ−タ１８に入力される。この後、それぞれの
値が２乗される。そしてこれらが足し合わされて平方根
を計算する。また符号も求められる。このようなことは
マイクロコンピュ−タによって短時間になされる。これ
らの回路はプリアンプなども含めて集積回路としてまと
めるのがよい。
必要は従来の回路程には厳格でない。初期調整として位
相調整を全く行わないことも可能である。単に発振器の
信号を分周しただけのsin （Ωｔ）、cos （Ωｔ）を使
って同期検波し、何れの出力が正しく符号を与えている
かが分かればその方の同期検波出力をｓｇｎ関数の変数
とすればよい。この場合は位相シフトのための回路を節
減できる。ただしｓｇｎ関数の変数を決定するための初
期調整は必要である。sin 型同期検波回路１２の出力
は、（１１）式でｎ＝１とおいたものになる。温度が基
準温度からずれていたり初期調整を行わない場合は、位
相差φ＋χが表れるがこれは差し支えない。cos 型同期
検波回路１３に出力は（１２）でｎ＝１とおいたものに
なる。両同期検波回路の出力はＡＤ変換器１６でデジタ
ル信号に変換されてマイクロコンピュ−タ１８に入力さ
れる。同様にｎ倍高調波についてもsin 型同期検波回路
１４と、cos 型同期検波回路１５とを設ける。前者はsi
n （ｎΩｔ）をキャリヤ信号として同期検波する。後者
はcos （ｎΩｔ）をキャリヤとして同期検波する。これ
らの検波出力はＡＤ変換器１７でデジタル化されマイク
ロコンピュ−タ１８に入力される。この後、それぞれの
値が２乗される。そしてこれらが足し合わされて平方根
を計算する。また符号も求められる。このようなことは
マイクロコンピュ−タによって短時間になされる。これ
らの回路はプリアンプなども含めて集積回路としてまと
めるのがよい。
【００１７】
【発明の効果】位相変調方式の光ファイバジャイロにお
いて、キャリヤ信号と受光素子出力の間の温度変動によ
る位相のずれが発生しても、sin 、cos のキャリヤ信号
を使って同期検波し２乗して足し合わせ平方根を取るの
で、位相ずれを打ち消すことができる。温度変動によっ
てスケ−ルファクタが変化しない。温度変動があっても
安定した角速度の測定ができる。
いて、キャリヤ信号と受光素子出力の間の温度変動によ
る位相のずれが発生しても、sin 、cos のキャリヤ信号
を使って同期検波し２乗して足し合わせ平方根を取るの
で、位相ずれを打ち消すことができる。温度変動によっ
てスケ−ルファクタが変化しない。温度変動があっても
安定した角速度の測定ができる。
【図１】本発明の実施例に係る光ファイバジャイロの構
成図。
成図。
【図２】sin 型同期検波回路とcos 型同期検波回路とを
備えた同期検波回路の回路構成図。
備えた同期検波回路の回路構成図。
【図３】従来の位相変調方式の光ファイバジャイロにお
いて、キャリヤ信号を用いて同期検波する回路を示す構
成図。
いて、キャリヤ信号を用いて同期検波する回路を示す構
成図。
【図４】従来例に係る光ファイバジャイロの構成図。
１ 発 光 素 子 ２ 光ファイバ ３ ファイバカップラ ４ 光ファイバ ５ ファイバカップラ ６ ファイバコイル ７ 位相変調器 ８ 受光素子 ９ プリアンプ １０ 同期検波器 １１ 発振器 １２、１４ sin 型同期検波回路 １３、１５ cos 型同期検波回路 １６、１７ ＡＤ変換器 １８ マイクロコンピュ−タ ２１、２２ 位相シフタ
Claims (1)
- 【請求項１】 ファイバコイルの中を左廻り右廻りに光
を伝搬させ両廻り光の位相差からファイバコイルの回転
角速度を求めることを原理とする光ファイバジャイロで
あって、光源としての単色光を生ずる発光素子と、シン
グルモ−ド光ファイバを多数回巻回したファイバコイル
と、ファイバコイルの両端を結合し発光素子と受光素子
に結合するファイバカップラと、ファイバコイルの中を
左廻り右廻りに伝搬した光を干渉させ干渉光の強度を検
出する受光素子と、ファイバコイルの一端に設けられ伝
搬光に対して正弦波状の位相変調を与える位相変調器と
を含み、発光素子の光をファイバコイルの両端に入射し
ファイバコイルを右廻り光左廻り光として伝搬させこれ
を合一し干渉光の強度を受光素子で検出し、受光素子の
出力を位相変調と同じ周波数の基本波成分またはそのｎ
次高調波成分によって同期検波して、基本波成分または
ｎ次高調波成分が１次またはｎ次のベッセル函数を定数
として含むことを利用して回転角速度を求める位相変調
方式の光ファイバジャイロにおいて、ｎ次高調波の同期
検波回路を二つ設けひとつはsin （ｎΩｔ＋Δφ）のキ
ャリヤ信号によって同期検波し、一つはcos （ｎΩｔ＋
Δφ）のキャリヤ信号によって同期検波し、それぞれの
同期検波出力を２乗してから加え合わせ、その後平方根
を求めて位相差Δθの絶対値を求め、sin （ｎΩｔ＋Δ
φ）、或はcos （ｎΩｔ＋Δφ）によって同期検波した
ものの内、キャリヤと受光素子出力の対応高調波の位相
差が基準温度において少ないほうの信号によって符号を
求めるようにしたことを特徴とする光ファイバジャイロ
の同期検波方式。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5424692A JPH05215558A (ja) | 1992-02-04 | 1992-02-04 | 光ファイバジャイロの同期検波方式 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5424692A JPH05215558A (ja) | 1992-02-04 | 1992-02-04 | 光ファイバジャイロの同期検波方式 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05215558A true JPH05215558A (ja) | 1993-08-24 |
Family
ID=12965189
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP5424692A Pending JPH05215558A (ja) | 1992-02-04 | 1992-02-04 | 光ファイバジャイロの同期検波方式 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH05215558A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103344233A (zh) * | 2013-07-06 | 2013-10-09 | 北京航空航天大学 | 一种空心光纤气体激光陀螺 |
-
1992
- 1992-02-04 JP JP5424692A patent/JPH05215558A/ja active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103344233A (zh) * | 2013-07-06 | 2013-10-09 | 北京航空航天大学 | 一种空心光纤气体激光陀螺 |
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