JPH05248877A - 光ファイバジャイロ - Google Patents
光ファイバジャイロInfo
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- JPH05248877A JPH05248877A JP8653192A JP8653192A JPH05248877A JP H05248877 A JPH05248877 A JP H05248877A JP 8653192 A JP8653192 A JP 8653192A JP 8653192 A JP8653192 A JP 8653192A JP H05248877 A JPH05248877 A JP H05248877A
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- light
- bessel function
- fundamental wave
- fiber
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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おい
て、発光素子の光量を一定値に制御するための機構を提
供する。また位相変調度ξを小さい値に設定できるよう
にする。 【構成】 奇数倍高調波成分の係数に含まれるベッセル
函数の値と、これと１次異なる偶数倍高調波成分の係数
に含まれるベッセル函数の値とを等しくするように位相
変調度ξを設定しておき、それぞれの次数の奇数倍高調
波成分と偶数倍高調波成分を同期検波によって求め、両
者を２乗して相加え、和の値を一定にするように光量を
制御する。この値は回転に依存しないので、光量を一定
に保持できる。
て、発光素子の光量を一定値に制御するための機構を提
供する。また位相変調度ξを小さい値に設定できるよう
にする。 【構成】 奇数倍高調波成分の係数に含まれるベッセル
函数の値と、これと１次異なる偶数倍高調波成分の係数
に含まれるベッセル函数の値とを等しくするように位相
変調度ξを設定しておき、それぞれの次数の奇数倍高調
波成分と偶数倍高調波成分を同期検波によって求め、両
者を２乗して相加え、和の値を一定にするように光量を
制御する。この値は回転に依存しないので、光量を一定
に保持できる。
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
ロにおいて発光素子の光量を一定に制御するようにでき
る光ファイバジャイロに関する。
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
ロにおいて発光素子の光量を一定に制御するようにでき
る光ファイバジャイロに関する。
【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。
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。
【０００３】図３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。
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。
【０００４】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。同期検波した後の奇数次の（２ｍ＋
１）倍高調波（基本波を含む）は ２Ｐ0 Ｊ2m+1( ξ)sinΔθ （１） と書くことができる。同期検波した後の偶数次の２ｎ倍
高調波は、 ２Ｐ0 Ｊ2n( ξ）cos Δθ （２） ただしＰ0 は左廻り光、右廻り光の振幅の振幅が等しい
としてこれの２乗を与えている。つまり光量である。Ｊ
2m+1( ξ) は（２ｍ＋１）次ベッセル函数、Ｊ2n( ξ)
は２ｎ次ベッセル函数である。Δθは右廻り光と左廻り
光の位相差でありこれが求めるべき対象である。回転体
の角速度をΩ0 とし右廻り光、左廻り光の位相差をΔθ
とすると、 Δθ＝４πＬａΩ0 ／ｃλ （３） 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。
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。同期検波した後の奇数次の（２ｍ＋
１）倍高調波（基本波を含む）は ２Ｐ0 Ｊ2m+1( ξ)sinΔθ （１） と書くことができる。同期検波した後の偶数次の２ｎ倍
高調波は、 ２Ｐ0 Ｊ2n( ξ）cos Δθ （２） ただしＰ0 は左廻り光、右廻り光の振幅の振幅が等しい
としてこれの２乗を与えている。つまり光量である。Ｊ
2m+1( ξ) は（２ｍ＋１）次ベッセル函数、Ｊ2n( ξ)
は２ｎ次ベッセル函数である。Δθは右廻り光と左廻り
光の位相差でありこれが求めるべき対象である。回転体
の角速度をΩ0 とし右廻り光、左廻り光の位相差をΔθ
とすると、 Δθ＝４πＬａΩ0 ／ｃλ （３） 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。
【０００５】ξは変調の大きさを表し、 ξ＝２ｂsin （ＬｎΩ／２ｃ） （４） 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。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 ／２Ｐ0 Ｊ1(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。あるいは基本波成分を偶数倍高調波で割ってtan Δ
θの形でΔθを求めることもできる。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、１−２９５５０
０、特願平２−３８０９、２−１００５５、２−２２５
６１１〜１９などの発明がなされている。
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。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 ／２Ｐ0 Ｊ1(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。あるいは基本波成分を偶数倍高調波で割ってtan Δ
θの形でΔθを求めることもできる。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、１−２９５５０
０、特願平２−３８０９、２−１００５５、２−２２５
６１１〜１９などの発明がなされている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】位相変調方式の光ファ
イバジャイロで位相差を正確に求めることができるため
には、光量Ｐ0 と変調度ξが一定でなければならない。
本発明が対象にするのは光量変動である。発光素子の光
量を一定にするには発光素子の光を一部分岐して補助用
の受光素子でこれの出力を受けてこれを一定に制御すれ
ばよい。このような光ファイバジャイロはもちろんすで
に提案されている。しかし余分な受光素子と増幅回路、
発光素子の光の分岐などの機構を要するので光ファイバ
ジャイロの構造が複雑になるという難点がある。位相差
を求めるための受光素子の出力を用いて発光素子の光量
制御も行いたいものである。そうすれば、余分に受光素
子は入らないし、発光素子の光を一部分岐する必要もな
い。
イバジャイロで位相差を正確に求めることができるため
には、光量Ｐ0 と変調度ξが一定でなければならない。
本発明が対象にするのは光量変動である。発光素子の光
量を一定にするには発光素子の光を一部分岐して補助用
の受光素子でこれの出力を受けてこれを一定に制御すれ
ばよい。このような光ファイバジャイロはもちろんすで
に提案されている。しかし余分な受光素子と増幅回路、
発光素子の光の分岐などの機構を要するので光ファイバ
ジャイロの構造が複雑になるという難点がある。位相差
を求めるための受光素子の出力を用いて発光素子の光量
制御も行いたいものである。そうすれば、余分に受光素
子は入らないし、発光素子の光を一部分岐する必要もな
い。
【０００７】もっとも単純には、受光素子出力の直流成
分を一定に保持するという方法である。直流成分は、 Ｓ0 ＝Ｐ0 （１＋Ｊ0(ξ)cosΔθ） （６） と書くことができる。Ｓ0 を一定に制御したとする。こ
れは、cos Δθを含むから、光測定物が回転している時
と静止している時でＰ0 に係る係数が異なる。もしもＳ
0 を一定にすると、光量は変動することになる。 Ｐ0 （１＋Ｊ0(ξ)cosΔθ）＝Ｃ0 （７） となり、 Ｐ0 ＝Ｃ0 ／（１＋Ｊ0(ξ)cosΔθ） （８） という式に従って光量は変動する。例えば基本波は、 Ｓ1 ＝２Ｐ0sinΔθＪ1(ξ) ＝２sin ΔθＪ1(ξ) Ｃ0 ／（１＋Ｊ0(ξ)cosΔθ）（９） となる。Δθの複雑な関数となり、Ｓ0 からΔθを求め
るのが難しい。
分を一定に保持するという方法である。直流成分は、 Ｓ0 ＝Ｐ0 （１＋Ｊ0(ξ)cosΔθ） （６） と書くことができる。Ｓ0 を一定に制御したとする。こ
れは、cos Δθを含むから、光測定物が回転している時
と静止している時でＰ0 に係る係数が異なる。もしもＳ
0 を一定にすると、光量は変動することになる。 Ｐ0 （１＋Ｊ0(ξ)cosΔθ）＝Ｃ0 （７） となり、 Ｐ0 ＝Ｃ0 ／（１＋Ｊ0(ξ)cosΔθ） （８） という式に従って光量は変動する。例えば基本波は、 Ｓ1 ＝２Ｐ0sinΔθＪ1(ξ) ＝２sin ΔθＪ1(ξ) Ｃ0 ／（１＋Ｊ0(ξ)cosΔθ）（９） となる。Δθの複雑な関数となり、Ｓ0 からΔθを求め
るのが難しい。
【０００８】受光素子出力の内の２倍高調波を一定にし
て光量制御するということも考えられる。 Ｓ2 ＝２Ｐ0cosΔθＪ2(ξ) ＝Ｃ2 （１０） すると基本波は、 Ｓ1 ＝２sin ΔθＪ1(ξ) Ｃ2 ／Ｊ2(ξ)cosΔθ （１１） となる。これはΔθ＝π／２において発散する。つまり
Δθに対して基本波が線形である領域が狭くなる。旋回
角速度の大きい時の補正が難しい。偶数倍高調波成分を
一定にする制御をすると常にこのような困難がある
て光量制御するということも考えられる。 Ｓ2 ＝２Ｐ0cosΔθＪ2(ξ) ＝Ｃ2 （１０） すると基本波は、 Ｓ1 ＝２sin ΔθＪ1(ξ) Ｃ2 ／Ｊ2(ξ)cosΔθ （１１） となる。これはΔθ＝π／２において発散する。つまり
Δθに対して基本波が線形である領域が狭くなる。旋回
角速度の大きい時の補正が難しい。偶数倍高調波成分を
一定にする制御をすると常にこのような困難がある
【０００９】つぎにξである。例えばcos Δθの形で位
相差Δθを含む２倍高調波を０に保つことによりξを一
定にするように制御するというようなことが行われる。
２次ベッセル函数の零点ξ＝５．２に固定するというこ
とになる。これはかなり大きい値である。大きい振幅で
圧電素子等を駆動しなければならない。そうすると次の
ような難点がある。圧電素子に印加する電圧が大きくな
るから電気回路内に誘起される誘導ノイズが大きい。ノ
イズが大きいと電気回路が誤動作する惧れがある。また
圧電素子の高い電圧のために偏波面が変調を受けたり、
振幅が変調を受けたりする。ξが大きいとこのように位
相変調だけでなく、ノイズ、偏波面、振幅等に影響が出
てくる。位相変調度を小さくし、ξの小さい領域で使用
したい。
相差Δθを含む２倍高調波を０に保つことによりξを一
定にするように制御するというようなことが行われる。
２次ベッセル函数の零点ξ＝５．２に固定するというこ
とになる。これはかなり大きい値である。大きい振幅で
圧電素子等を駆動しなければならない。そうすると次の
ような難点がある。圧電素子に印加する電圧が大きくな
るから電気回路内に誘起される誘導ノイズが大きい。ノ
イズが大きいと電気回路が誤動作する惧れがある。また
圧電素子の高い電圧のために偏波面が変調を受けたり、
振幅が変調を受けたりする。ξが大きいとこのように位
相変調だけでなく、ノイズ、偏波面、振幅等に影響が出
てくる。位相変調度を小さくし、ξの小さい領域で使用
したい。
【００１０】
【課題を解決するための手段】本発明の光ファイバジャ
イロは一つの高調波を一定に保持するように位相変調器
を制御するのではなく、偶数倍２ｎ高調波成分とこれと
１次異なる奇数倍（２ｎ±１）高調波成分とから位相差
Δθを求めるようにし、前記奇数次ベッセル函数と、偶
数次ベッセル函数が等しくなるよう位相変調度を設定し
ておき、かつ前記奇数倍高調波成分の２乗と偶数倍高調
波成分の２乗の和を一定にするように光量制御すること
を特徴とする。つまり、２ｎ倍偶数倍高調波成分は、２
ｎ次ベッセル函数Ｊ2n( ξ) を係数に含み、２ｎ±１倍
奇数倍高調波成分は、２ｎ±１次ベッセル函数を含む。
これらが等しくなるようにξを決める。 （２ｎ次ベッセル函数）＝（２ｎ±１次ベッセル函数）（１２） このような条件で両者の２乗の和を求めると、Δθが消
える。これを一定に保つということは、光量を一定に保
持するということである。つまり回転していても静止し
ていても光量は一定である。
イロは一つの高調波を一定に保持するように位相変調器
を制御するのではなく、偶数倍２ｎ高調波成分とこれと
１次異なる奇数倍（２ｎ±１）高調波成分とから位相差
Δθを求めるようにし、前記奇数次ベッセル函数と、偶
数次ベッセル函数が等しくなるよう位相変調度を設定し
ておき、かつ前記奇数倍高調波成分の２乗と偶数倍高調
波成分の２乗の和を一定にするように光量制御すること
を特徴とする。つまり、２ｎ倍偶数倍高調波成分は、２
ｎ次ベッセル函数Ｊ2n( ξ) を係数に含み、２ｎ±１倍
奇数倍高調波成分は、２ｎ±１次ベッセル函数を含む。
これらが等しくなるようにξを決める。 （２ｎ次ベッセル函数）＝（２ｎ±１次ベッセル函数）（１２） このような条件で両者の２乗の和を求めると、Δθが消
える。これを一定に保つということは、光量を一定に保
持するということである。つまり回転していても静止し
ていても光量は一定である。
【００１１】（１２）式の中でξ＜５．２となるのは、
一次ベッセル函数と二次ベッセル函数、二次ベッセル函
数と三次ベッセル函数、三次ベッセル函数と四次ベッセ
ル函数の組み合わせがある。 Ｊ1(ξ) ＝Ｊ2(ξ) ξ＝２．６５ （１３） Ｊ2(ξ) ＝Ｊ3(ξ) ξ＝３．７ （１４） Ｊ3(ξ) ＝Ｊ4(ξ) ξ＝４．８ （１５） いずれを採用しても良い。２ｎと２ｎ±１では添え字な
どの表記が難しいので、例として一次と二次の場合につ
いて説明する。つまりこの例では、基本波成分と２倍高
調波成分とを求めて位相差を求め、一次ベッセル函数と
二次ベッセル函数が等しくなるようにξの値（ξ＝２．
６５）を設定し、基本波成分の２乗と、２倍高調波成分
の２乗の和を一定にするように発光素子の光量を制御す
る。位相変調器の変調度の制御でなく発光素子の光量制
御である。位相変調器の変調度は初めに設定するだけで
ある。
一次ベッセル函数と二次ベッセル函数、二次ベッセル函
数と三次ベッセル函数、三次ベッセル函数と四次ベッセ
ル函数の組み合わせがある。 Ｊ1(ξ) ＝Ｊ2(ξ) ξ＝２．６５ （１３） Ｊ2(ξ) ＝Ｊ3(ξ) ξ＝３．７ （１４） Ｊ3(ξ) ＝Ｊ4(ξ) ξ＝４．８ （１５） いずれを採用しても良い。２ｎと２ｎ±１では添え字な
どの表記が難しいので、例として一次と二次の場合につ
いて説明する。つまりこの例では、基本波成分と２倍高
調波成分とを求めて位相差を求め、一次ベッセル函数と
二次ベッセル函数が等しくなるようにξの値（ξ＝２．
６５）を設定し、基本波成分の２乗と、２倍高調波成分
の２乗の和を一定にするように発光素子の光量を制御す
る。位相変調器の変調度の制御でなく発光素子の光量制
御である。位相変調器の変調度は初めに設定するだけで
ある。
【００１２】この制御の意味を説明する。基本波成分Ｓ
1 と２倍高調波成分Ｓ2 は Ｓ1 ＝２Ｐ0 Ｊ1(ξ)sinΔθ （１６） Ｓ2 ＝２Ｐ0 Ｊ2(ξ)cosΔθ （１７） である。変調度ξについては初期設定で、 Ｊ1(ξ) ＝Ｊ2(ξ) ξ＝２．６５ （１８） となるようにしている。（１６）、（１７）を２乗して
相加えると、 Ｓ1 2＋Ｓ2 2＝４Ｐ0 2Ｊ1(ξ)2 （１９） となって、三角関数の性質からΔθが消滅する。これは
被測定物が回転していてもいなくても同様になりたつ。
これが重要な点である。この値を一定に保つように制御
する。これをＣm 2とすると、光量Ｐ0 は、 Ｐ0 ＝Ｃm ／２Ｊ1(ξ) （２０） である。この式は位相差Δθを全く含まない。したがっ
て、物体が回転していようと静止していようと、光量は
一定値に制御できるのである。この点で、或る特定の次
数の高調波を一定にするという従来の方法と異なる。基
本波Ｓ1 は、 Ｓ1 ＝ＣmsinΔθ （２１） となり、ベッセル函数を含まない式になる。
1 と２倍高調波成分Ｓ2 は Ｓ1 ＝２Ｐ0 Ｊ1(ξ)sinΔθ （１６） Ｓ2 ＝２Ｐ0 Ｊ2(ξ)cosΔθ （１７） である。変調度ξについては初期設定で、 Ｊ1(ξ) ＝Ｊ2(ξ) ξ＝２．６５ （１８） となるようにしている。（１６）、（１７）を２乗して
相加えると、 Ｓ1 2＋Ｓ2 2＝４Ｐ0 2Ｊ1(ξ)2 （１９） となって、三角関数の性質からΔθが消滅する。これは
被測定物が回転していてもいなくても同様になりたつ。
これが重要な点である。この値を一定に保つように制御
する。これをＣm 2とすると、光量Ｐ0 は、 Ｐ0 ＝Ｃm ／２Ｊ1(ξ) （２０） である。この式は位相差Δθを全く含まない。したがっ
て、物体が回転していようと静止していようと、光量は
一定値に制御できるのである。この点で、或る特定の次
数の高調波を一定にするという従来の方法と異なる。基
本波Ｓ1 は、 Ｓ1 ＝ＣmsinΔθ （２１） となり、ベッセル函数を含まない式になる。
【００１３】さて（１８）のように１次、２次ベッセル
函数を等しくするにはどうするかということである。図
２に示すように、２次ベッセル函数はξ＝３．１で極大
をとる。これに対して、Ｊ1(ξ) ＝Ｊ2(ξ) となる点
（ξ＝２．６５）での値が、０．８５である。そこで位
相変調器の初期設定は次のようにする。起動時に発光素
子への駆動電流量を一定にして、位相変調器の駆動電圧
を０から上げてゆき、二倍高調波Ｓ2が極大になる電圧
を求める。これをＶm として、０．８５Ｖm の電圧を位
相変調器に印加するようにする。位相変調器の印加電圧
と、位相変調振幅ｂが比例するので、ξも印加電圧に比
例する。従って、０．８５Ｖm の振幅の電圧を印加すれ
ば、これはＪ1(ξ) ＝Ｊ2(ξ) になる変調度ξ＝２．６
５を与えているはずである。これで位相変調器の駆動電
圧を固定する。以後、本発明の方法に従って光量制御を
開始する。このような制御はマイクロコンピュ−タを用
いて簡単に行うことができる。
函数を等しくするにはどうするかということである。図
２に示すように、２次ベッセル函数はξ＝３．１で極大
をとる。これに対して、Ｊ1(ξ) ＝Ｊ2(ξ) となる点
（ξ＝２．６５）での値が、０．８５である。そこで位
相変調器の初期設定は次のようにする。起動時に発光素
子への駆動電流量を一定にして、位相変調器の駆動電圧
を０から上げてゆき、二倍高調波Ｓ2が極大になる電圧
を求める。これをＶm として、０．８５Ｖm の電圧を位
相変調器に印加するようにする。位相変調器の印加電圧
と、位相変調振幅ｂが比例するので、ξも印加電圧に比
例する。従って、０．８５Ｖm の振幅の電圧を印加すれ
ば、これはＪ1(ξ) ＝Ｊ2(ξ) になる変調度ξ＝２．６
５を与えているはずである。これで位相変調器の駆動電
圧を固定する。以後、本発明の方法に従って光量制御を
開始する。このような制御はマイクロコンピュ−タを用
いて簡単に行うことができる。
【００１４】
【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３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。
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ｂ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３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。
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ｂも比例し
て増加する。
【００１５】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。偶数倍高調波成分と、奇数倍高
調波成分を組み合わせるのであるから、受光素子出力の
内これらを同期検波によって求める必要がある。
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。偶数倍高調波成分と、奇数倍高
調波成分を組み合わせるのであるから、受光素子出力の
内これらを同期検波によって求める必要がある。
【００１６】ここでは基本波と２倍高調波を採用するも
のとして説明する。同期検波は基本波の同期検波回路１
０と、２倍高調波成分の同期検波回路１３とがある。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１０、１３にキャリヤ信号を与える。発振器
１１と位相変調器７の間には分周器２２が、発振器と基
本波同期検波回路１０の間には分周器２３が、発振器と
２倍高調波同期検波回路１３の間には分周器２４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２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。さらに位相の合致したキャリヤ
信号を得るために、位相シフタ２５、２６が設けられ
る。
のとして説明する。同期検波は基本波の同期検波回路１
０と、２倍高調波成分の同期検波回路１３とがある。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１０、１３にキャリヤ信号を与える。発振器
１１と位相変調器７の間には分周器２２が、発振器と基
本波同期検波回路１０の間には分周器２３が、発振器と
２倍高調波同期検波回路１３の間には分周器２４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２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。さらに位相の合致したキャリヤ
信号を得るために、位相シフタ２５、２６が設けられ
る。
【００１７】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３のものと同様である。
本発明に於いては基本波の同期検波出力と、２倍高調波
成分の同期検波出力を、ＡＤ変換器１４に入力し、前記
の処理を行う。つまり基本波出力はデジタル信号として
そのまま角速度Ωを示す信号として出力される。基本波
出力Ｓ1 と、２倍高調波成分出力Ｓ2 はそれぞれ２乗演
算１５、１６される。これらは足し算器１７で相加えら
れる。この結果は、Ｓ1 2＋Ｓ2 2＝４Ｐ0 2Ｊ1(ξ)2であ
る。これは前述のように光量制御のために用いられる。
切り替えスイッチ１８を通り、この信号は発光素子制御
回路１９に入力される。これは前記の値Ｃm 2と、Ｓ1 2＋
Ｓ2 2とを比較する。もしも、後者の方が大きければ、光
量が大きすぎるのである。この場合は、発光素子駆動回
路２０の駆動電圧を減少させる。反対に、Ｓ1 2＋Ｓ2 2よ
りもＣm 2の方が大きい場合は、光量が小さすぎるのであ
る。この場合は、発光素子駆動回路２０の駆動電圧を増
加させる。このような制御によって、常に、Ｓ1 2＋Ｓ2 2
＝Ｃm 2という関係が保持される。つまり、Ｐ0＝Ｃm ／
２Ｊ1(ξ) というふうに光量が一定値に制御されてい
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３のものと同様である。
本発明に於いては基本波の同期検波出力と、２倍高調波
成分の同期検波出力を、ＡＤ変換器１４に入力し、前記
の処理を行う。つまり基本波出力はデジタル信号として
そのまま角速度Ωを示す信号として出力される。基本波
出力Ｓ1 と、２倍高調波成分出力Ｓ2 はそれぞれ２乗演
算１５、１６される。これらは足し算器１７で相加えら
れる。この結果は、Ｓ1 2＋Ｓ2 2＝４Ｐ0 2Ｊ1(ξ)2であ
る。これは前述のように光量制御のために用いられる。
切り替えスイッチ１８を通り、この信号は発光素子制御
回路１９に入力される。これは前記の値Ｃm 2と、Ｓ1 2＋
Ｓ2 2とを比較する。もしも、後者の方が大きければ、光
量が大きすぎるのである。この場合は、発光素子駆動回
路２０の駆動電圧を減少させる。反対に、Ｓ1 2＋Ｓ2 2よ
りもＣm 2の方が大きい場合は、光量が小さすぎるのであ
る。この場合は、発光素子駆動回路２０の駆動電圧を増
加させる。このような制御によって、常に、Ｓ1 2＋Ｓ2 2
＝Ｃm 2という関係が保持される。つまり、Ｐ0＝Ｃm ／
２Ｊ1(ξ) というふうに光量が一定値に制御されてい
る。
【００１８】初期設定シ−ケンス２１は、Ｊ1(ξ) ＝Ｊ
2(ξ) になる値ξ＝２．６５に設定するための装置であ
る。初期設定のときのみスイッチ１８を初期設定シ−ケ
ンス２１の方へ切り替える。Ｓ1 2＋Ｓ2 2の値が、初期設
定シ−ケンス２１に入力される。これは回転を止めた状
態（Ｓ1 ＝０）で、位相変調器の駆動電圧を徐々に増加
してゆき、２倍高調波成分（Ｓ2 ）が最大になる値Ｖm
を求める。この値に対して、０．８５を掛けたものがξ
の設定値になる。従ってこの時の位相変調器の駆動電圧
（振幅）の０．８５倍の振幅の電圧を位相変調器に印加
するように設定する。このような初期設定が終わると以
後位相変調器の駆動電圧はそのままの振幅を保つように
する。初期設定が終わると切り替えスイッチを切り替え
て、Ｓ1 2＋Ｓ2 2発光素子制御回路１９につなぐ。この方
法は、発光素子の光量を制御するために、発光素子の光
量をモニタするための別個の受光素子や増幅回路を不要
とする。位相差を求めるための受光素子とその信号を増
幅するたのの回路を用いて発光素子の出力をモニタでき
るようになっている。
2(ξ) になる値ξ＝２．６５に設定するための装置であ
る。初期設定のときのみスイッチ１８を初期設定シ−ケ
ンス２１の方へ切り替える。Ｓ1 2＋Ｓ2 2の値が、初期設
定シ−ケンス２１に入力される。これは回転を止めた状
態（Ｓ1 ＝０）で、位相変調器の駆動電圧を徐々に増加
してゆき、２倍高調波成分（Ｓ2 ）が最大になる値Ｖm
を求める。この値に対して、０．８５を掛けたものがξ
の設定値になる。従ってこの時の位相変調器の駆動電圧
（振幅）の０．８５倍の振幅の電圧を位相変調器に印加
するように設定する。このような初期設定が終わると以
後位相変調器の駆動電圧はそのままの振幅を保つように
する。初期設定が終わると切り替えスイッチを切り替え
て、Ｓ1 2＋Ｓ2 2発光素子制御回路１９につなぐ。この方
法は、発光素子の光量を制御するために、発光素子の光
量をモニタするための別個の受光素子や増幅回路を不要
とする。位相差を求めるための受光素子とその信号を増
幅するたのの回路を用いて発光素子の出力をモニタでき
るようになっている。
【００１９】もちろんこのようにできるためには、偶数
次ベッセル函数とそのとなりの奇数次ベッセル函数の値
を同一にするというような拘束条件を必要とする。これ
はたしかに拘束条件ではあるが、どのような制御をする
にしても位相変調方式を用いる限り、ξは一定にしなけ
ればならないのであるから、この拘束条件のせいで制御
が一層難しくなるというようなことはない。反対に、１
次と２次のベッセル函数を等しくすると、ξ＝２．６５
であるから、位相変調度が５．２の場合の約半分にな
る。ξが大きいことに起因する前述の困難を防止でき
る。位相変調器から出るノイズは低くなり、電気回路に
及ぼす影響は小さくなる。また位相変調器を通過する光
の偏波面回転、振幅変動等の光に対する悪影響も除去で
きる。同じことは，２次と３次のベッセル函数を等しく
する制御や、３次と４次のベッセル函数を等しくする制
御でも同様に言える。ＡＤ変換器１４、２乗演算、和演
算、平方根の演算などの回路は、プリアンプなどの回路
とともに集積回路に纏めることができる。
次ベッセル函数とそのとなりの奇数次ベッセル函数の値
を同一にするというような拘束条件を必要とする。これ
はたしかに拘束条件ではあるが、どのような制御をする
にしても位相変調方式を用いる限り、ξは一定にしなけ
ればならないのであるから、この拘束条件のせいで制御
が一層難しくなるというようなことはない。反対に、１
次と２次のベッセル函数を等しくすると、ξ＝２．６５
であるから、位相変調度が５．２の場合の約半分にな
る。ξが大きいことに起因する前述の困難を防止でき
る。位相変調器から出るノイズは低くなり、電気回路に
及ぼす影響は小さくなる。また位相変調器を通過する光
の偏波面回転、振幅変動等の光に対する悪影響も除去で
きる。同じことは，２次と３次のベッセル函数を等しく
する制御や、３次と４次のベッセル函数を等しくする制
御でも同様に言える。ＡＤ変換器１４、２乗演算、和演
算、平方根の演算などの回路は、プリアンプなどの回路
とともに集積回路に纏めることができる。
【００２０】
【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、発光素子の光をモニタするための別個の受光素子
や増幅器を用いることなく、発光素子の光強度を検出で
きるようにしている。角速度測定のための受光素子や増
幅回路の出力を用いるだけである。このため構造が簡単
である。温度変動や経年変化があっても発光素子の光量
変動を打ち消し一定の光を保持できる。また位相変調度
を比較的低い値にできるから、ノイズを軽減でき、位相
変調器を通る光の偏波面回転、振幅変動などの悪影響を
なくし、精度の高い角速度測定を可能にする。
いて、発光素子の光をモニタするための別個の受光素子
や増幅器を用いることなく、発光素子の光強度を検出で
きるようにしている。角速度測定のための受光素子や増
幅回路の出力を用いるだけである。このため構造が簡単
である。温度変動や経年変化があっても発光素子の光量
変動を打ち消し一定の光を保持できる。また位相変調度
を比較的低い値にできるから、ノイズを軽減でき、位相
変調器を通る光の偏波面回転、振幅変動などの悪影響を
なくし、精度の高い角速度測定を可能にする。
【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】ξ＝０の近傍での１次ベッセル函数と２次ベッ
セル函数のグラフ。
セル函数のグラフ。
【図３】従来例に係る位相変調方式の光ファイバジャイ
ロの構成図。
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 基本波同期検波回路 １３ ２倍高調波成分同期検波回路 １４ ＡＤ変換器 １９ 発光素子制御回路 ２０ 発光素子駆動回路
Claims (2)
- 【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
とし位相差Δθのsin Δθ、またはcos Δθを含むこと
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、偶数倍２ｎ高調波成分とこれと１
次異なる奇数倍（２ｎ±１）高調波成分とから位相差Δ
θをもとめるようにし、前記奇数次ベッセル函数と、偶
数次ベッセル函数が等しくなるよう位相変調度を設定し
ておき、かつ前記奇数倍高調波成分の２乗と偶数倍高調
波成分の２乗の和を一定にするように光量制御すること
を特徴とする光ファイバジャイロ。 - 【請求項２】 奇数次ベッセル函数と偶数次ベッセル函
数の値を等しくするための初期設定として、両者が等し
い点の位相変調度に対する、偶数次ベッセル函数の極大
点の位相変調度の比の値を求めておき、最初に偶数倍高
調波成分の最大値を与える位相変調電圧の振幅を求め、
これに前記比の値を乗じた位相変調振幅電圧を位相変調
器に印加することによって、偶数次ベッセル函数と奇数
次ベッセル函数の値を等しくするようにしたことを特徴
とする請求項１に記載の光ファイバジャイロ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8653192A JPH05248877A (ja) | 1992-03-09 | 1992-03-09 | 光ファイバジャイロ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8653192A JPH05248877A (ja) | 1992-03-09 | 1992-03-09 | 光ファイバジャイロ |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05248877A true JPH05248877A (ja) | 1993-09-28 |
Family
ID=13889582
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP8653192A Pending JPH05248877A (ja) | 1992-03-09 | 1992-03-09 | 光ファイバジャイロ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH05248877A (ja) |
-
1992
- 1992-03-09 JP JP8653192A patent/JPH05248877A/ja active Pending
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