JPH0617796B2 - Equipment for detecting and measuring physical parameters - Google Patents

Equipment for detecting and measuring physical parameters

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JPH0617796B2
JPH0617796B2 JP60029193A JP2919385A JPH0617796B2 JP H0617796 B2 JPH0617796 B2 JP H0617796B2 JP 60029193 A JP60029193 A JP 60029193A JP 2919385 A JP2919385 A JP 2919385A JP H0617796 B2 JPH0617796 B2 JP H0617796B2
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amplitude
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ハーバート・ジエイ・シヨウ
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RIIRANDO SUTANFUOODO JUNIA UNIV
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RIIRANDO SUTANFUOODO JUNIA UNIV
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Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 この発明はジャイロスコープなどのような回転センサに
関するものであり、特に、拡大されたダイナミックレン
ジを有するファイバ光学回転センサに関するものであ
る。
Description: BACKGROUND OF THE INVENTION This invention relates to rotation sensors such as gyroscopes, and more particularly to fiber optic rotation sensors with extended dynamic range.

ファイバ光学回転センサは、典型的には、互いに逆方向
にループのまわりを伝播するための光波が結合されるフ
ァイバ光学材料のループを含む。ループの回転によっ
て、周知の“サグナック効果(Sagnac effect)”に
従って互いに逆方向に伝播する波の間に相対位相差が作
り出され、この位相差の量は回転速度に対応する。互い
に逆方向に伝播する波が再結合されると、ループの回転
速度に従って強度が変化する光学出力信号を発生するよ
うに建設的にまたは破壊的に干渉する。回転の検知は、
この光学出力信号を検出することによって一般に行なわ
れている。
Fiber optic rotation sensors typically include a loop of fiber optic material into which light waves are coupled to propagate around the loop in opposite directions. The rotation of the loop creates a relative phase difference between the waves propagating in opposite directions according to the well-known "Sagnac effect", the amount of which corresponds to the speed of rotation. When the counter-propagating waves are recombined, they interfere constructively or destructively to produce an optical output signal whose intensity varies with the rotational speed of the loop. The rotation detection is
This is generally done by detecting this optical output signal.

小さな回転速度に対してもファイバ光学回転センサの感
度を増すために種々の技術が考案されてきている。しか
しながら、これらの技術のほとんどは非常に大きな回転
速度を検出するためには用いることができない、なぜな
らばその出力関数は種々の回転速度で繰返し生じる傾向
にあるからである。その結果、その出力信号は、同じ出
力信号波形を有するそれらの可能な回転速度のどれが、
観察された特定の出力信号波形に応答し得るのか、を決
定するためには用いられることができない。
Various techniques have been devised to increase the sensitivity of fiber optic rotation sensors even at low rotation speeds. However, most of these techniques cannot be used to detect very high rotational speeds because their output functions tend to occur repeatedly at different rotational speeds. As a result, its output signal is one of those possible rotational speeds with the same output signal waveform:
It cannot be used to determine if it may respond to the particular output signal waveform observed.

このように、非常に広範囲な回転速度にわたって回転が
正確にかつ信頼性良く検知されることができる位相変調
技術を提供することが当該技術分野において大きな改善
となるであろう。それを達成するための技術および手段
がここに説明される。
Thus, it would be a great improvement in the art to provide a phase modulation technique in which rotation can be accurately and reliably sensed over a very wide range of rotational speeds. Techniques and means for accomplishing that are described herein.

発明の概要 この発明は、光学ループを用いて物理パラメータを検知
し測定するための装置を提供する。このシステムにおい
て、光源はループにおいて互いに逆方向に伝播する光波
を与え、かつ検出器はその互いに逆方向に伝播する光波
に応答しかつ、特に、前記互いに逆方向に伝播する光波
間の位相差に応答する。この位相差は、測定されている
物理パラメータに従ってシフトされる。このような物理
パラメータは、たとえば、弾性波、静圧、動圧、温度ま
たは光学ジャイロスコープの場合における光学ループの
回転速度を含む。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention provides an apparatus for sensing and measuring physical parameters using an optical loop. In this system, the light source provides counter-propagating light waves in the loop, and the detector is responsive to the counter-propagating light waves and, in particular, to the phase difference between the counter-propagating light waves. respond. This phase difference is shifted according to the physical parameter being measured. Such physical parameters include, for example, elastic waves, static pressure, dynamic pressure, temperature or the speed of rotation of the optical loop in the case of an optical gyroscope.

このシステムにおいて、この発明によれば、位相差変調
器は、周期的に、ループにおいて互いに逆方向に伝播す
る光波間の位相差をバイアスして、物理パラメータによ
って発生される位相差に逆作用する。制御装置は検出器
の出力に応答して位相差変調器の周期的バイアスを調整
し、物理パラメータによって発生される位相差をなく
す。回路が位相差変調器の周期バイアスに応答して物理
パラメータを測定する。
In this system, according to the invention, the phase difference modulator periodically biases the phase difference between the light waves that propagate in opposite directions in the loop to counteract the phase difference generated by the physical parameter. . The controller adjusts the periodic bias of the phase difference modulator in response to the output of the detector to eliminate the phase difference generated by the physical parameter. The circuit measures the physical parameter in response to the periodic bias of the phase difference modulator.

ここに説明する発明の特定の実施例では、ループにおけ
る位相差を変調器が周期的にバイアスする周波数と同じ
周波数で検出器の出力を周期的にブランクにするために
付加的な回路が用いられる。さらに、回路がゲート装置
を制御装置へ接続し、かつゲート装置の出力を第2の周
波数の基準信号と比較する。光学ループにおいて互いに
逆方向に伝播する光波もまた、前記第1の周波数よりも
実質的に高い第2の周波数で変調される。
In the particular embodiment of the invention described herein, additional circuitry is used to periodically blank the detector output at the same frequency that the modulator periodically biases the phase difference in the loop. . In addition, a circuit connects the gating device to the control device and compares the output of the gating device with a reference signal at the second frequency. The light waves propagating in opposite directions in the optical loop are also modulated at a second frequency which is substantially higher than the first frequency.

この発明の特定のインプリメンテーションにおいては、
位相差変調器は実質的にDC位相バイアスを、互いに逆
方向に伝播する光波に与える。この実質的にDC位相バ
イアスは、信号発生器の出力を、同じ信号発生器の高調
波の出力と組合わせて、周期的なDC位相バイアスを与
えるために用いられる繰返しダンプ信号を発生すること
によって作られる。
In a particular implementation of the invention,
The phase difference modulator applies a substantially DC phase bias to the light waves propagating in opposite directions. This substantially DC phase bias is achieved by combining the output of the signal generator with the harmonic output of the same signal generator to produce a repetitive dump signal that is used to provide a periodic DC phase bias. Made

この発明は広範囲の回転速度を正確にかつ信頼性良く検
知するための回転センサおよびその動作の方法を含む。
回転センサは、ファイバ光学方向性結合器のようなすべ
てのファイバ光学コンポーネントを含み、このようなフ
ァイバ光学方向性結合器は、(a)光源からの光を、互い
に逆方向に検知ループのまわりを伝播する2つの光波に
分割し、かつ(b)光学出力信号を与えるため互いに逆方
向に伝播する光波を結合する。与えられた光、互いに逆
方向に伝播する波、および光学出力信号の正しい偏光
が、ファイバ光学偏光子およびファイバ光学偏光制御装
置によって確立され、制御されかつ維持される。第2の
ファイバ光学結合器が、連続するストランドからの光学
出力信号を、光学信号の強度に比例する電気信号を出力
する光検出器へ結合するために設けられる。
The present invention includes a rotation sensor and method of operation thereof for accurately and reliably detecting a wide range of rotation speeds.
Rotational sensors include all fiber optic components, such as fiber optic directional couplers, which (a) direct light from a light source in opposite directions around a sensing loop. It splits into two propagating light waves, and (b) combines the propagating light waves in opposite directions to provide an optical output signal. The correct polarization of the given light, the counter-propagating waves and the optical output signal is established, controlled and maintained by the fiber optic polarizer and the fiber optic polarization controller. A second fiber optic coupler is provided for coupling the optical output signal from the successive strands to a photodetector that outputs an electrical signal proportional to the intensity of the optical signal.

回転センサの改善された動作安定性および感度は、第1
の位相変調器を用いて第1の周波数(バイアス位相変調
周波数)で、互いに逆方向に伝播する光波を位相変調
し、それによって光学出力信号の位相をバイアスするこ
とによって達成される。位相検知検出システムが、光学
出力信号の強度の第1の高調波成分を測定するために用
いられる。開示された検出システムでは、この第1高調
波成分の振幅はループの回転速度に比例する。
The improved operational stability and sensitivity of the rotation sensor is
Phase modulation of light waves propagating in opposite directions to each other at a first frequency (bias phase modulation frequency) using the phase modulator of (1), thereby biasing the phase of the optical output signal. A phase sensitive detection system is used to measure the first harmonic component of the intensity of the optical output signal. In the disclosed detection system, the amplitude of this first harmonic component is proportional to the rotational speed of the loop.

第2の位相変調信号が、バイアス周波数のそれよりも非
常に低い任意の周波数で与えられる。第2の位相変調周
波数は第1の位相変調周波数に高調波的に関連しないの
が好ましい。この第2の位相変調信号は第1の位相変調
を介してシステムに課せられてもよく、またはそれに代
わって、第2の位相変調器が用いられてもよい。光学出
力信号は、第2の位相変調周波数と同期してゲート処理
され、それによって出力信号は、たとえば、第2の位相
変調の正の半サイクルの間に作られる位相差変調を表わ
し、他方第2の位相変調の負の半サイクルの間、0の値
を提示する。第2の変調信号の振幅を調整することによ
って、サグナック位相シフトの影響が効果的に取除かれ
ることができ、それによって第2の変調の正の半サイク
ルの間、光学出力信号の時間平均値が0となる。したが
って、第2の変調信号の振幅はサグナック位相シフトを
除去するための手段として用いられかつしたがってこの
大きさはそのシステムにおいて存在するサグナック位相
シフトの量を表わすということがわかる。
The second phase modulated signal is provided at any frequency much lower than that of the bias frequency. The second phase modulation frequency is preferably not harmonically related to the first phase modulation frequency. This second phase modulated signal may be imposed on the system via the first phase modulation, or alternatively a second phase modulator may be used. The optical output signal is gated synchronously with the second phase modulation frequency so that the output signal represents, for example, a phase difference modulation produced during the positive half cycle of the second phase modulation, while During the negative half cycle of 2 phase modulation, a value of 0 is presented. By adjusting the amplitude of the second modulation signal, the effect of the Sagnac phase shift can be effectively removed, whereby the time averaged value of the optical output signal during the positive half cycle of the second modulation. Becomes 0. Therefore, it can be seen that the amplitude of the second modulated signal is used as a means for eliminating the Sagnac phase shift and thus this magnitude represents the amount of Sagnac phase shift present in the system.

第2の位相変調信号の大きさを調整するために、出力信
号のゲート処理された部分における第1位相変調周波数
成分は、第2の位相変調駆動信号の振幅を制御するため
フィードバックされるフィードバックエラー信号を発生
するために用いられる。
To adjust the magnitude of the second phase modulation signal, the first phase modulation frequency component in the gated portion of the output signal is fed back to the feedback error to control the amplitude of the second phase modulation drive signal. Used to generate a signal.

フィードバックエラー補正変調器は、フィードバックエ
ラー信号に従って第2の変調駆動信号の振幅を制御し、
それはサグナック位相シフトにより発生される光学出力
信号の振幅に対応する。
The feedback error correction modulator controls the amplitude of the second modulation drive signal according to the feedback error signal,
It corresponds to the amplitude of the optical output signal produced by the Sagnac phase shift.

回転により生じた光学出力信号における第1の位相変調
周波数成分を除去する第2の位相変調の振幅に対し伝達
関数によって関連される回転速度データがメモリにスト
アされる。サグナック効果により生じた第1の位相変調
周波数成分を除去しまたは制限するのに十分なより低い
周波数信号の“除去”振幅は、次に、アドレスとして除
去信号の振幅を用いてメモリをアクセスすることによっ
て回転速度に変換される。そのようにしてアクセスされ
た回転速度データは直接用いられることができ、また
は、サグナック位相シフトまたは回転の速さを抽出する
ように解釈されることができる信号に変換されることが
できる。
Rotational speed data associated with the transfer function for the amplitude of the second phase modulation that removes the first phase modulation frequency component in the optical output signal caused by the rotation is stored in memory. The "elimination" amplitude of the lower frequency signal, which is sufficient to eliminate or limit the first phase modulation frequency component caused by the Sagnac effect, is then used to access the memory using the amplitude of the elimination signal as an address. Is converted into rotation speed by. The rotational speed data so accessed can be used directly or converted into a signal that can be interpreted to extract the speed of the Sagnac phase shift or rotation.

(偏光変調を通じて直接にまたは間接に)位相変調器に
よって生じた、光学出力信号の奇数高調波の振幅変調は
特定の周波数で位相変調器を作動させることによって除
去されてもよいということがわかっている。用いられる
検出システムは奇数高調波(たとえば、第1高調波)の
みを検出するので、位相変調器により誘起された振幅変
調の効果はそのような周波数で作動することによって除
去されてもよい。これは回転検知における意義あるエラ
ー源を除去し、かつそれによって回転センサの精度を増
す。
It has been found that the amplitude modulation of the odd harmonics of the optical output signal (directly or indirectly through polarization modulation) caused by the phase modulator may be removed by operating the phase modulator at a particular frequency. There is. Since the detection system used detects only odd harmonics (eg, the first harmonic), the effects of amplitude modulation induced by the phase modulator may be eliminated by operating at such frequencies. This eliminates a significant source of error in rotation sensing, and thereby increases the accuracy of the rotation sensor.

この発明の他の好ましい実施例においては、位相変調波
形の修正を行なうことにより、位相差変調が行なわれ、
その振幅は、サグナック位相シフトが回転速度に対して
有するのと同じ、与えられた駆動信号に対する波長依存
性を有する。したがって、実質的にリニアな倍率が作り
出される。線形化された倍率(スケール・ファクタ)
で、第2周波数での位相差変調の振幅は、回転センサル
ープにおける互いに逆方向に伝播する光波のサグナック
位相シフトに比例する。この実施例では、位相差変調は
実質的に一定なDC値を含み、このDC値は、簡略化さ
れた線形関数で、互に逆方向に伝播する光波のDC位相
差変調(サグナック位相シフト)を除去するように調整
されることができる。
In another preferred embodiment of the present invention, the phase difference modulation is performed by modifying the phase modulation waveform.
Its amplitude has the same wavelength dependence for a given drive signal as the Sagnac phase shift has for rotational speed. Therefore, a substantially linear scale factor is created. Linearized scale factor
Then, the amplitude of the phase difference modulation at the second frequency is proportional to the Sagnac phase shift of the light waves propagating in opposite directions in the rotation sensor loop. In this embodiment, the phase difference modulation includes a substantially constant DC value, which is a simplified linear function of the DC phase difference modulation (sagnac phase shift) of the light waves propagating in opposite directions to each other. Can be adjusted to eliminate

実質的に線形な倍率を作り出すための或る手段は、ジャ
イロスコープの検知ループにおける非対象位置に配置さ
れる変調器によって互いに逆方向に伝播する波へ与えら
れる位相傾斜を用いることである。位相傾斜を適用する
ことによって、互いに逆方向に伝播する波の間にDC差
動位相シフトが作り出される。しかしながら、一般的に
用いられるファイバ光学位相変調器は位相傾斜を提供す
ることができない。したがって、位相傾斜は、傾斜部分
を有する周期的繰返し波形を用いてシミュレートされ
る。
One means for producing a substantially linear scale factor is to use the phase tilt imparted to the waves propagating in opposite directions by a modulator located at an asymmetric position in the sensing loop of the gyroscope. Applying a phase ramp creates a DC differential phase shift between waves propagating in opposite directions. However, commonly used fiber optic phase modulators cannot provide a phase tilt. Therefore, the phase ramp is simulated using a periodic repetitive waveform with a ramp.

このような或る波形は鋸歯状波であり、それは、一方の
周波数の位相変調を、その第2の高調波周波数での位相
変調と組合わせることによって、かつ鋸歯変調波形を近
似的にシミュレートするように位相および振幅関係を調
整することによってシミュレートされてもよい。各々の
鋸歯変調波形のピークでリセット処理を行なうので、か
つ互いに逆方向に伝播する波の2つの光学経路の相互関
係があるので、位相差は適時に一定になることができな
い。この問題は、最初に上で説明した実施例の第2の変
調信号に代わって、鋸歯波形を用いることによって克服
される。このような置換で、光学出力信号は鋸歯波形の
傾斜部分が存在するときの時間期間の間ゲートを通さ
れ、かつ出力信号は他のすべての時間ではゲートを通さ
れない。したがって、上述した態様で第2の変調の振幅
または周波数を調整することによって、DCサグナック
位相シフトは、出力信号がゲートを通されるとき位相傾
斜により作り出されるDC位相差変調により0にされる
ことができ、かつ0のサグナック位相シフトもまた、出
力信号がゲートを通されない期間の間シミュレートされ
る。
One such waveform is a sawtooth, which simulates a sawtooth modulation waveform by combining the phase modulation of one frequency with the phase modulation of its second harmonic frequency. May be simulated by adjusting the phase and amplitude relationships to Since the reset process is performed at the peak of each sawtooth modulation waveform, and the two optical paths of the waves propagating in the opposite directions are related to each other, the phase difference cannot be timely made constant. This problem is overcome by first using a sawtooth waveform instead of the second modulated signal in the embodiment described above. With such a permutation, the optical output signal is gated during the time period when the ramp portion of the sawtooth waveform is present, and the output signal is not gated at all other times. Therefore, by adjusting the amplitude or frequency of the second modulation in the manner described above, the DC Sagnac phase shift is nulled out by the DC phase difference modulation created by the phase ramp when the output signal is gated. And a 0 sagnac phase shift is also simulated during the period when the output signal is not gated.

出力信号のゲート処理は、光源で、または検出器でもし
くは検出器の後で行われてもよい。差動位相シフトを決
定する位相傾斜の傾きは鋸歯波形変調信号の変調振幅を
調整することによって制御される。これは、エラーフィ
ードバック信号、および上述したようなエラー補正変調
器を用いることによって達成される。
The gating of the output signal may be done at the light source or at the detector or after the detector. The slope of the phase slope that determines the differential phase shift is controlled by adjusting the modulation amplitude of the sawtooth modulated signal. This is achieved by using an error feedback signal and an error correction modulator as described above.

もちろん、三角歯波形位相変調もまた、鋸歯波形変調と
同じ態様で用いられることができる他の形式の波形でも
ある。このような三角歯波形は変調周波数と、その変調
周波数の第3高調波の組合せにより作り出されてもよ
い。
Of course, triangular tooth waveform phase modulation is also another type of waveform that can be used in the same manner as sawtooth waveform modulation. Such a triangular tooth waveform may be created by the combination of the modulation frequency and the third harmonic of the modulation frequency.

この発明のこれらおよび他の利点は、添付図面を参照し
て最もよく理解される。
These and other advantages of the invention are best understood with reference to the accompanying drawings.

好ましい実施例の詳細な説明 この発明の好ましい実施例の議論を進める前に、この発
明に用いられる基本的な回転センサの議論が、この改良
点を十分に理解するために必要である。第1図は、この
発明に用いられる形式の基本的な構造を有する回転セン
サを示す。これは、連続的な長尺のまたはストランドの
光学ファイバ12へ光を導くための光源10を含み、そ
のファイバの一部は検知ループ14へ巻回されている。
ここに用いられているように、参照数字12は、光学フ
ァイバの全体の連続するストランドを一般に示している
が、参照数字12にサフィックス(A,B,Cなど)が
付いたものは光学ファイバ12の部分を示すものであ
る。
Detailed Description of the Preferred Embodiments Before proceeding with a discussion of the preferred embodiments of the present invention, a discussion of the basic rotation sensor used in the present invention is necessary to fully understand this improvement. FIG. 1 shows a rotation sensor having a basic structure of the type used in the present invention. It includes a light source 10 for directing light to a continuous, elongated or strand of optical fiber 12, a portion of which is wound into a sensing loop 14.
As used herein, reference numeral 12 generally designates an entire continuous strand of optical fiber, while reference numeral 12 with a suffix (A, B, C, etc.) indicates an optical fiber 12 Shows the part of.

図示した実施例において、光源10は、0.82ミクロ
ンのオーダの波長を有する光を作り出すヒ化ガリウム
(GaAs)レーザを含む。特定の実施例によれば、光
源10は、ニュージャージー州,サウス・プレインフィ
ールド,3005 ハードレー・ロードのジェネラル・
オプトロニクス・コーポレーションから商業的に入手で
きる、モデルGO−DIPレーザダイオードであっても
よい。ストランド12のようなファイバ光学ストランド
は、好ましくは、たとえば、80ミクロンの外径と、4
ミクロンのコア直径を有する単一モードファイバであ
る。ループ14はスプールまたは他の適当な支持部材
(図せず)のまわりに巻かれたファイバ12の複数のタ
ーン(巻数)を含む。特定の実施例によれば、ループ1
4は、14センチメートルの直径を有するフォームの上
に巻かれたファイバの約1000ターンを有してもよ
い。
In the illustrated embodiment, the light source 10 comprises a gallium arsenide (GaAs) laser that produces light having a wavelength on the order of 0.82 microns. According to a particular embodiment, the light source 10 is a general purpose light source at 3005 Hurdley Road, South Plainfield, NJ.
It may be a model GO-DIP laser diode, commercially available from Optronics Corporation. Fiber optic strands, such as strand 12, preferably have an outer diameter of, for example, 80 microns, and 4
It is a single mode fiber with a core diameter of micron. Loop 14 comprises a plurality of turns of fiber 12 wound around a spool or other suitable support member (not shown). According to a particular embodiment, loop 1
4 may have about 1000 turns of fiber wound on a foam having a diameter of 14 centimeters.

好ましくは、ループ14は、中心から始まって対称的に
巻回され、それによりループ14の対称点は接近してい
る。これは、回転センサの環境的な感度を減少させるも
のと思われる、なぜならばこのようなシンメトリによっ
て、時間により変化する温度および圧力勾配が互いに逆
方向に伝播する波の双方に同様な影響を及ぼすからであ
る。
Preferably, the loop 14 is symmetrically wound starting from the center so that the points of symmetry of the loop 14 are close together. This appears to reduce the environmental sensitivity of the rotation sensor because such symmetry has a similar effect on both waves propagating in opposite directions with time-varying temperature and pressure gradients. Because.

光源10からの光は、光源10に対してファイバ12を
当接させることによって、ファイバ12の一方端へ光学
的に結合される。光を案内しかつ処理するための種々の
コンポーネントは、連続的なストランド12に沿って種
々の場所に位置決めされまたは形成される。これらのコ
ンポーネントの相対的な配置を説明する目的で、連続的
なファイバ12は12Aないし12Gの符号の付いたそ
れぞれ7つの部分に分けられるものとして説明されてお
り、これらの部分12Aないし12Eは、光源10へ結
合されるループ14の側にあり、部分12Fおよび12
Gはループ14の反対側にある。
Light from the light source 10 is optically coupled to one end of the fiber 12 by abutting the fiber 12 against the light source 10. The various components for guiding and processing light are positioned or formed at various locations along the continuous strand 12. For purposes of illustrating the relative placement of these components, continuous fiber 12 is described as being divided into seven sections, each labeled 12A-12G, which sections 12A-12E are Located on the side of the loop 14 that is coupled to the light source 10 and is part 12F and 12
G is on the opposite side of loop 14.

偏光制御装置24が、ファイバ部分12Aおよび12B
の間で、光源10に隣接している。制御装置24として
用いるのに適した偏光制御装置の形式は、本願発明の譲
受人に譲渡された。同時係属中のアメリカ合衆国特許出
願連続番号第183,975(1980年9月4日に出
願)の“ファイバ光学偏光コンバータ”に詳細に説明さ
れており、ここでは参照することによって援用する。偏
光制御装置24の簡単な説明については後で行なう。し
かしながら、この制御装置24は、与えられた光の偏光
の状態および方向の両方の調節を許容するということを
ここで理解すべきである。
The polarization controller 24 includes fiber sections 12A and 12B.
And is adjacent to the light source 10. The type of polarization controller suitable for use as controller 24 has been assigned to the assignee of the present invention. Co-pending U.S. Patent Application Serial No. 183,975 (filed Sep. 4, 1980) is described in detail in "Fiber Optic Polarization Converter", which is incorporated herein by reference. A brief description of the polarization controller 24 will be given later. However, it should be understood here that this controller 24 allows adjustment of both the state and direction of polarization of a given light.

ファイバ12は、次いで、ファイバ部分12Bおよび1
2Cの間に配置される、方向性結合器26の、Aおよび
Bの符号の付いたポートを通過する。結合器26は光学
出力を、結合器26の符号CおよびDの付いたポートを
通過する光学ファイバの第2のストランドへ結合し、ポ
ートCはポートAと、結合器の同じ側にあり、かつポー
トDはポートBと結合器の同じ側にある。ポートDから
延びるファイバ28の端部は“NC”(not conn ect
ed)の符号の付いた点で非反射的に終端し、他方、ポー
トCから延びるファイバ29の端部は光検出器30へ光
学的に結合される。特定の例によれば、光検出器30は
標準的な、逆バイアスされたシリコン,PIN型のフォ
トダイオードであってもよい。結合器26は、1980
年4月11日に提出されたアメリカ合衆国特許出願連続
番号第139,511号,“ファイバ光学方向性結合
器”の部分継続出願である、1981年9月10日に出
願された同時係属中の特許出願連続番号第300,95
5の“ファイバ光学方向性結合器”に詳細に説明されて
おり、これらの特許出願は共に本願出願の譲受人に譲渡
されている。これらの同時係属中の特許出願はここで参
照することによって援用する。
Fiber 12 is then coupled to fiber sections 12B and 1
It passes through the ports labeled A and B of the directional coupler 26 located between 2C. Coupler 26 couples the optical output to a second strand of optical fiber passing through the ports labeled C and D of coupler 26, port C being on the same side of the coupler as port A, and Port D is on the same side of the coupler as port B. The end of the fiber 28 extending from port D is "NC" (not connect).
The end of the fiber 29 extending from port C is optically coupled to the photodetector 30 while terminating non-reflectively at the point labeled ed). According to a particular example, the photodetector 30 may be a standard, reverse biased, silicon, PIN type photodiode. Combiner 26 is 1980
United States Patent Application Serial No. 139,511, "Fiber Optic Directional Coupler", a partial continuation application filed on April 11, 1994, filed September 10, 1981, co-pending patent Application serial number 300,95
5, "Fiber Optic Directional Coupler", both of which patent applications are assigned to the assignee of the present application. These co-pending patent applications are incorporated herein by reference.

結合器26のポートBから延びるファイバ部分12C
は、ファイバ部分12Cおよび12Dの間に配置される
偏光子32を通過する。単モード光学ファイバは任意の
光波に対する進路の2つの偏光モードを有する。偏光子
32は、ファイバ12の偏光モードの一方のモードにお
いて光を通過させ、他方、他の偏光モードにおいては光
の通過を妨げる。好ましくは、上述した偏光制御装置2
4は、与えられた光の偏光を調整するために用いられ、
それにより、このような偏光が実質的に、偏光子32に
より通される偏光モードと同じとなる。これによって、
与えられた光が偏光子を通過するとき光学出力の損失が
減少される。この発明に用いるための偏光子の好ましい
形式は、本願発明の譲受人に譲渡された、1980年1
0月10日に提出された同時係属中のアメリカ合衆国特
許出願連続番号第195,934号の、“偏光子および
方法”に詳細に説明されており、ここでは参照すること
によって援用する。
Fiber portion 12C extending from port B of coupler 26
Passes through a polarizer 32 located between the fiber sections 12C and 12D. Single-mode optical fibers have two polarization modes in the path for any light wave. Polarizer 32 allows light to pass in one of the polarization modes of fiber 12 while blocking light in the other polarization mode. Preferably, the polarization control device 2 described above
4 is used to adjust the polarization of the given light,
Thereby, such polarization is substantially the same as the polarization mode passed by the polarizer 32. by this,
The loss of optical power is reduced when a given light passes through the polarizer. A preferred form of polarizer for use in this invention was assigned to the assignee of the present invention, 1980, 1
Co-pending United States Patent Application Serial No. 195,934, filed on Oct. 10, "Polarizers and Methods," is described in detail and incorporated herein by reference.

偏光子32を通過した後、ファイバ12はファイバ部分
12Dおよび12Eの間に配置される、方向性結合器3
4のAおよびBの符号の付いたポートを通過する。この
結合器34は、好ましくは、結合器26を参照して上述
したと同じ形式のものである。ファイバ12は、偏光制
御装置36がループ14とファイバ部分12Eとの間に
配置されて、ループ14に巻回される。この偏光制御装
置36は、制御装置24を参照して議論した形式のもの
であってもよく、かつ、これらの互いに逆方向に伝播す
る波の干渉によって形成される。光学出力信号が、最初
の光学出力損失で偏光子32によって、効果的に通され
る偏光を有するように、ループ14を介して互いに逆方
向に伝播する光波の偏光を調整するために利用される。
このように、偏光制御装置24および26の両方を用い
ることによって、ファイバ12を伝播する光の偏光は最
大光学パワー出力のために調整されることができる。
After passing through the polarizer 32, the fiber 12 is arranged between the fiber portions 12D and 12E, the directional coupler 3
4 through ports labeled A and B. This combiner 34 is preferably of the same type as described above with reference to combiner 26. The fiber 12 is wound on the loop 14 with a polarization controller 36 disposed between the loop 14 and the fiber portion 12E. The polarization controller 36 may be of the type discussed with reference to the controller 24 and is formed by the interference of these counter-propagating waves. The optical output signal is utilized to adjust the polarization of the light waves propagating in opposite directions through the loop 14 to have polarizations that are effectively passed by the polarizer 32 at the initial optical power loss. .
Thus, by using both polarization controllers 24 and 26, the polarization of the light propagating in fiber 12 can be adjusted for maximum optical power output.

AC信号発生器40により駆動される位相変調器38
は、ループ14と、第2の方向性結合器34との間でフ
ァイバ部分12Fに装着される。この変調器38は、フ
ァイバ12が巻かれたPZT円筒を含む。ファイバ12
は、それが発生器40からの変調信号に応答して放射方
向に拡がるとき、それはファイバ12を拡げるように円
筒部へ結合される。
Phase modulator 38 driven by AC signal generator 40
Is mounted in the fiber portion 12F between the loop 14 and the second directional coupler 34. The modulator 38 comprises a PZT cylinder around which the fiber 12 is wound. Fiber 12
Is coupled to the barrel so as to expand the fiber 12 as it expands radially in response to the modulated signal from the generator 40.

この発明とともに用いるのに適した代替の形式の変調器
(図示せず)は、円筒の両端で2倍の長さの毛細管へ結
合されるファイバ12の4つの部分を長手方向に引延ば
すPZT円筒を含む。当業者は、このような代替の形式
の変調器は、変調器38と比べて、より少ない程度の偏
光変調を伝播する光学信号に与えてもよいということを
認識するであろうが、しかしながら、変調器38は、偏
光変調の望ましくない効果を除去する周波数で作動され
てもよいということが後でわかるであろう。したがっ
て、変調器のどの形式も、この発明において使用するの
に適している。
An alternative type of modulator (not shown) suitable for use with the present invention is a PZT cylinder that longitudinally extends four sections of fiber 12 that are coupled to double length capillaries at both ends of the cylinder. including. Those skilled in the art will recognize that such alternative forms of modulator may provide a lesser degree of polarization modulation to the propagating optical signal as compared to modulator 38, however, however, It will be appreciated later that the modulator 38 may be operated at a frequency that eliminates the unwanted effects of polarization modulation. Therefore, any type of modulator is suitable for use in the present invention.

次に、ファイバ12は結合器34のCおよびDの符号の
付いたポートを通過し、ファイバ部分12FはポートD
から延び、ファイバ部分12GはポートCから延びる。
ファイバ部分12Gは“NC”(not connected)の符
号の付いた点で非反射的に終端する。
The fiber 12 then passes through the ports labeled C and D of the coupler 34, and the fiber section 12F receives the port D.
And a fiber portion 12G extends from port C.
The fiber portion 12G is non-reflectively terminated at a point labeled "NC" (not connected).

AC発生器40からの出力信号はライン44上で、基準
信号としてロック−イン増幅器46へ供給され、ロック
イン増幅器46はまたライン48によって、光検出器3
0の出力を受けるように接続される。増幅器46に対す
るライン44上のこの信号は、基準信号を与えて、増幅
器46が、変調器38の変調周波数、すなわち、光学出
力信号の第1高調波成分で検出器出力信号を同期的に検
出することができるようにし、他方、この周波数の他の
すべての高調波を阻止する。
The output signal from the AC generator 40 is provided on line 44 as a reference signal to a lock-in amplifier 46, which is also connected by line 48 to the photodetector 3
Connected to receive a 0 output. This signal on line 44 to amplifier 46 provides a reference signal which causes amplifier 46 to synchronously detect the detector output signal at the modulation frequency of modulator 38, ie the first harmonic component of the optical output signal. While blocking all other harmonics of this frequency.

ロックイン増幅器は当該技術分野において周知であり、
商業的に入手可能である。
Lock-in amplifiers are well known in the art,
It is commercially available.

検出器出力信号の第1高調波成分の大きさは、ループ1
4の回転速度に対し、或る限られた作動範囲を通じて比
例するということが後でわかるであろう。増幅器46
は、この第1高調波成分に比例する信号を出力し、かつ
したがって回転速度を直接表示し、これは表示パネル4
7上で可視的に表示されてもよい。しかしながら、第1
図に示される検出方法は、第9図の議論に関してわかる
ように、比較的小さな回転速度に対してのみ用いられる
ことができる。
The magnitude of the first harmonic component of the detector output signal is determined by loop 1
It will be seen later that a rotational speed of 4 is proportional over a limited operating range. Amplifier 46
Outputs a signal proportional to this first harmonic component and thus directly displays the rotational speed, which is indicated by the display panel 4
7 may be displayed visually. However, the first
The detection method shown in the figure can only be used for relatively small rotational speeds, as can be seen in the discussion of FIG.

結合器26および34 この発明の回転センサまたはジャイロスコープにおける
結合器26および34として用いるための好ましいファ
イバ光学方向性結合器を第2図に示す。結合器は、その
一方側から取除かれたクラッディングの一部を有する単
一モードファイバ光学材料の、第2図の50A,50B
で示される2個の光学ファイバストランドを含む。2個
のストランド50Aおよび50Bは、それぞれのブロッ
ク53Aおよび53Bに形成される、それぞれの円弧状
スロット52Aおよび52Bに装着される。ストランド
50Aおよび50Bは、光がストランドのコア部分間で
転送される相互作用領域54を形成するように、クラッ
ディングが密に間隔を隔てて除去されたストランドの部
分で、位置決めされる。除去された材料の量は、各スト
ランド50Aおよび50Bのコア部分が他方のエバネセ
ントフィールド内にあるようなものである。結合器の中
心でのストランド間の中心間の間隔は、典型的には、約
2−3コア直径よりも小さい。
Couplers 26 and 34 A preferred fiber optic directional coupler for use as couplers 26 and 34 in the rotation sensor or gyroscope of the present invention is shown in FIG. The coupler is a single mode fiber optic material having a portion of the cladding removed from one side thereof, 50A, 50B of FIG.
It includes two optical fiber strands indicated by. The two strands 50A and 50B are mounted in respective arcuate slots 52A and 52B formed in respective blocks 53A and 53B. The strands 50A and 50B are positioned at the portions of the strand where the cladding has been closely spaced so as to form an interaction region 54 where light is transferred between the core portions of the strands. The amount of material removed is such that the core portion of each strand 50A and 50B is within the evanescent field of the other. The center-to-strand spacing between the strands at the center of the coupler is typically less than about 2-3 core diameters.

相互作用領域54のストランド間で転送される光は方向
性であるということを注目するのが重要である。すなわ
ち、入力ポートAへ与えられる光のすべては、実質的
に、ポートCへ逆方向性結合することなく、出力ポート
BおよびDへ与えられる。同様に、入力ポートCへ与え
られる光のすべては、実質的に、出力ポートBおよびD
へ与えられる。さらに、この方向性は対称である。した
がって、入力ポートBまたは入力ポートDのいずれかへ
供給される光は、出力ポートAおよびCへ与えられる。
さらに、結合器は偏光に関して実質的に非弁別的であ
り、かつしたがって、結合された光の偏光を保つ。この
ように、たとえば、垂直偏光を有する光ビームがポート
Aへ入力されれば、ポートAからポートDへ結合された
光は、ポートAからポートBへ光が真直ぐに通過するの
と同様に、垂直に偏光されたままである。
It is important to note that the light transferred between the strands of interaction region 54 is directional. That is, substantially all of the light provided to input port A is provided to output ports B and D without being backward coupled to port C. Similarly, substantially all of the light applied to input port C is output ports B and D.
Given to. Moreover, this directionality is symmetrical. Therefore, light supplied to either input port B or input port D is provided to output ports A and C.
Moreover, the combiner is substantially non-discriminatory with respect to polarization, and thus preserves the polarization of the combined light. Thus, for example, if a light beam with vertically polarized light is input to port A, the light coupled from port A to port D will be similar to the light passing straight from port A to port B. It remains vertically polarized.

前述の説明から、結合器はビーム分割器として機能し、
与えられた光を2個の互いに逆方向に伝播する波W1,
W2(第1図)へ分割するということがわかる。さら
に、結合器は、付加的に、互いに逆方向に伝播する波が
ループ14(第1図)を横切った後、それらの波を再結
合する働きをする。
From the above description, the combiner functions as a beam splitter,
Two waves W1 propagating a given light in opposite directions
It can be seen that it is divided into W2 (Fig. 1). In addition, the combiner additionally serves to recombine the counter-propagating waves after they have crossed the loop 14 (FIG. 1).

図示の実施例において、結合器26,34の各々は、5
0%の結合効率を有する、なぜならばこの結合効率の選
択を行なうことにより光検出器30(第1図)で最大光
出力が与えられるからである。ここに用いられているよ
うに、用語“結合効率”はパーセントとして表現され、
結合されたパワーと、全出力パワーとのパワー比として
規定される。たとえば、第2図を参照して、光がポート
Aへ与えられれば、結合効率は、ポートBおよびDでの
パワー出力の総和に対するポートDのパワーの比に等し
いであろう。さらに、結合器34のための50%の結合
効率は、互いに逆方向に伝播する波W1,W2が等しい
大きさになるのを確実にする。
In the illustrated embodiment, each of the combiners 26, 34 has five
It has a coupling efficiency of 0%, since the selection of this coupling efficiency gives the maximum light output at the photodetector 30 (FIG. 1). As used herein, the term "coupling efficiency" is expressed as a percent,
It is defined as the power ratio between the combined power and the total output power. For example, referring to FIG. 2, if light is provided to port A, the coupling efficiency will be equal to the ratio of the power at port D to the sum of the power outputs at ports B and D. Furthermore, the 50% coupling efficiency for the coupler 34 ensures that the waves W1, W2 propagating in opposite directions are of equal magnitude.

偏光子32 第1図の回転センサに用いるための好ましい偏光子を第
3図に示す。この偏光子は、ファイバ12により伝えら
れる光のエバネセントフィールド内に位置決めされる、
複屈折結晶60を含む。ファイバ12は、一般に矩形の
水晶のブロック64の上面63に通ずるスロット62に
装着される。スロット62は円弧状に曲げられた底部壁
を有し、かつファイバは、それがこの底部壁の輪郭に追
従するように、スロット62に装着される。ブロック6
4の上面63は領域67におけるファイバ12から、ク
ラッデイングの一部を除去するように重ねられる。結晶
60は、ファイバ12のエバネセントフィールド内に結
晶60を位置決めするように、その結晶の下面68がブ
ロック64の上面63に面した状態で、ブロック64上
に装着される。ファイバ12および複屈折材料60の相
対屈折率は、所望の偏光モードの波の速さが、ファイバ
12におけるよりも複屈折結晶60における方が大き
く、他方の不所望な偏光モードの波の速さが複屈折結晶
60におけるよりもファイバ12における方が大きいよ
うに、選ばれる。所望の偏光モードの光は、ファイバ1
2のコア部分により案内されたままであるのに対し、不
所望な偏光モードの光はファイバ12から複屈折結晶6
0へ結合される。このように、偏光子32は一方の偏光
モードにおいて光を通過させることができ、他方、他方
偏光モードにおいては光の通過を妨げる。前に示したよ
うに、偏光制御装置24,36(第1図)は、偏光子に
よる光学パワー損失が最小にされるように、それぞれ、
与えられた光および光学出力信号の偏光を調整するため
に用いられることもできる。
Polarizer 32 FIG. 3 shows a preferred polarizer for use in the rotation sensor of FIG. This polarizer is positioned within the evanescent field of the light carried by fiber 12.
A birefringent crystal 60 is included. The fiber 12 is mounted in a slot 62 that communicates with an upper surface 63 of a generally rectangular crystal block 64. The slot 62 has an arcuately bent bottom wall, and the fiber is mounted in the slot 62 so that it follows the contour of this bottom wall. Block 6
The upper surface 63 of 4 is overlaid to remove some of the cladding from the fiber 12 in region 67. The crystal 60 is mounted on the block 64 with the lower surface 68 of the crystal facing the upper surface 63 of the block 64 so as to position the crystal 60 within the evanescent field of the fiber 12. The relative refractive index of the fiber 12 and the birefringent material 60 is such that the wave velocity of the desired polarization mode is greater in the birefringent crystal 60 than in the fiber 12 and the wave velocity of the other undesired polarization mode is higher. Is larger in the fiber 12 than in the birefringent crystal 60. The light of the desired polarization mode is transmitted to the fiber 1
The light of the undesired polarization mode remains guided by the core part of the fiber 2, while the light of the undesired polarization mode is transmitted from the fiber 12 to the birefringent crystal 6.
Tied to 0. In this way, the polarizer 32 can pass light in one polarization mode, while preventing light from passing in the other polarization mode. As previously indicated, the polarization control devices 24, 36 (FIG. 1) each have the following features to minimize optical power loss by the polarizer:
It can also be used to adjust the polarization of a given light and optical output signal.

偏光子制御装置24,36 第1図の回転センサに使用するために適した偏光制御装
置の1つの形式を第4図に示す。制御装置は、複数個の
直立したブロック72Aないし72Dが装着されるベー
ス70を含む。ブロック72のうちの隣接するものの間
には、スプール74Aないし74Cが、それぞれ、シャ
フト76Aないし76C上に接線方向に装着される。シ
ャフト76は、互いに軸方向に整列されており、かつブ
ロック72間で回転自在に装着される。スプール74
は、概して、円筒状であり、かつシャフト76に対して
接線方向に位置決めされる。
Polarizer Controllers 24,36 One form of polarization controller suitable for use in the rotation sensor of FIG. 1 is shown in FIG. The controller includes a base 70 on which a plurality of upright blocks 72A-72D are mounted. Between adjacent blocks 72, spools 74A-74C are mounted tangentially on shafts 76A-76C, respectively. The shafts 76 are axially aligned with each other and are rotatably mounted between the blocks 72. Spool 74
Is generally cylindrical and is tangentially positioned with respect to the shaft 76.

ストランド12はシャフト76における軸方向のボアを
介して延び、かつ3個のコイル78Aないし78Cを形
成するためスプール74の各々のまわりに巻かれる。コ
イル78の半径は、ファイバ12がコイル78の各々に
おいて複屈折媒体を形成するように応力が加えられるよ
うなものである。3個のコイル78Aないし78Cは、
ファイバ12の複屈折を調整するように、かつしたがっ
て、ファイバ12を通過する光の偏光を制御するよう
に、それぞれシャフト74Aないし74Cの軸のまわり
で互いに独立に回転される。
Strands 12 extend through axial bores in shaft 76 and are wound around each of spools 74 to form three coils 78A-78C. The radii of the coils 78 are such that the fiber 12 is stressed to form a birefringent medium in each of the coils 78. The three coils 78A to 78C are
Each is independently rotated about the axis of shafts 74A-74C to adjust the birefringence of fiber 12 and thus control the polarization of light passing through fiber 12.

コイル78のターンの直径および数は、外側のコイル7
8Aおよび78Cが4分の1波長の空間的な遅延を与
え、他方中心のコイル78Bが2分の1波長の空間的遅
延を与えるようなものである。4分の1波長コイル78
Aおよび78Cは偏光の離心率を制御し、かつ2分の1
波長コイル78Bは偏光方向を制御する。これは、ファ
イバ12を伝播する光の偏光の全調節範囲を与える。
The diameter and number of turns of the coil 78 depends on the outer coil 7
8A and 78C provide a quarter wavelength spatial delay, while the central coil 78B provides a half wavelength spatial delay. Quarter-wave coil 78
A and 78C control the eccentricity of the polarized light, and
The wavelength coil 78B controls the polarization direction. This gives the full range of polarization adjustment for the light propagating in the fiber 12.

偏光方向(他の方法で中央コイル78Bにより与えられ
る)は2個の4分の1波長コイル78Aおよび78Cに
よって偏光の離心率を正しく調整することによって間接
的に制御されてもよいので、偏光制御装置は2個の4分
の1波長コイル78Aおよび78Cのみを提供するよう
に修正されてもよいということが理解されよう。したが
って、偏光制御装置24および36は、第1図におい
て、2個の4分の1波長コイル78Aおよび78Cのみ
を含むものとして示されている。この形態により、制御
装置24−36の全的な寸法が減少されるので、スペー
スの制限のある本願発明のある種の応用に対しては有利
であるかもしれない。
The polarization direction (otherwise provided by the central coil 78B) may be indirectly controlled by properly adjusting the eccentricity of the polarization by two quarter-wave coils 78A and 78C, so that polarization control It will be appreciated that the device may be modified to provide only two quarter wave coils 78A and 78C. Accordingly, polarization controllers 24 and 36 are shown in FIG. 1 as including only two quarter wave coils 78A and 78C. This configuration reduces the overall size of the controller 24-36, which may be advantageous for certain space-constrained applications of the present invention.

このように、偏光制御装置24および36は、与えられ
た光および逆方向に互いに伝播する波の両方の偏光を確
立し、維持しかつ制御するための手段を提供する。
Thus, the polarization controllers 24 and 36 provide a means for establishing, maintaining and controlling the polarization of both the given light and the waves propagating in opposite directions to each other.

位相変調または偏光制御なしの動作 偏光子32(第1図)および位相変調器38の機能およ
び重要性を十分に理解する目的で、回転センサの動作に
ついて、まず、これらのコンポーネントがシステムから
除去されたかのように説明する。したがって、第5図は
変調器38、偏光子32およびそれから除去された関連
の成分を備えた、概略ブロック図形式で、第1図の回転
センサを示す。
Operation Without Phase Modulation or Polarization Control In order to fully understand the function and importance of the polarizer 32 (FIG. 1) and the phase modulator 38, for the operation of the rotation sensor, these components are first removed from the system. Explain as if it were. Thus, FIG. 5 shows, in schematic block diagram form, the rotation sensor of FIG. 1 with modulator 38, polarizer 32 and associated components removed therefrom.

その中で伝播するため、光レーザ源10からファイバ1
2へ結合される。光は結合器26のポートAに入り、そ
こで、光の一部がポートDを介して失われる。光の残り
の部分は結合器のポートBからポートAへ伝播し、そこ
で、それは等しい振幅の2つの互いに逆方向に伝播する
並W1,W2へ分割される。波W1はループ14のまわ
りを時計方向にポートBから伝播し、他方、波W2はル
ープ14のまわりを反時計方向にポートDから伝播す
る。
Fiber 1 from the optical laser source 10 to propagate therethrough.
Is bound to 2. The light enters port A of coupler 26 where some of the light is lost via port D. The remaining part of the light propagates from port B of the coupler to port A, where it is split into two counter-propagating parallels W1, W2 of equal amplitude. Wave W1 propagates around loop 14 clockwise from port B, while wave W2 propagates around loop 14 counterclockwise from port D.

波W1,W2がループ14を横切った後、それらは結合
器34によって再結合されて光学出力信号を形成し、そ
れは結合器34のポートAから結合器26のポートBへ
伝播する。光学出力信号の一部は結合器26のポートB
からポートCへ結合器されてファイバ29に沿って光検
出器30へ伝播する。この光検出器30は、光学出力信
号によって、そこに印加される光の強度に比例する電気
信号を出力する。
After the waves W1, W2 have traversed the loop 14, they are recombined by the combiner 34 to form an optical output signal, which propagates from port A of the combiner 34 to port B of the combiner 26. Part of the optical output signal is port B of the combiner 26.
From C to port C and propagates along fiber 29 to photodetector 30. The photodetector 30 outputs an electrical signal proportional to the intensity of light applied thereto by the optical output signal.

光学出力信号の強度は、波W1,W2が結合器34で再
結合され、または干渉されるときに、波W1,W2間の
干渉の量および形式、すなわち、建設的かまたは破壊的
かにしたがって、変化する。取敢えず、ファイバの複屈
折の効果を無視して、波W1,W2はループ14のまわ
りの同じ光学経路を進む。したがって、ループ14が静
止しているものと想定すれば、波W1,W2は結合器3
4で再結合されるとき、それらは、そらの間に何の位相
差もなく、建設的に干渉し、かつ光学出力信号の強度は
最大となる。しかしながら、ループ14が回転されてい
ると、互いに逆方向に伝播する波W1,W2はサグナッ
ク効果に従って位相がシフトされ、それにより、それら
が結合器34で重畳されると、それらは破壊的に干渉し
て光学出力信号の強度を減少させる。ループ14の回転
により生じる、波W1,W2間のこのようなサグナック
位相差は、次の関係によって規定される。
The strength of the optical output signal depends on the amount and form of interference between the waves W1, W2, ie constructive or destructive, when the waves W1, W2 are recombined or interfered in the combiner 34. ,Change. For now, ignoring the effects of fiber birefringence, the waves W1, W2 follow the same optical path around the loop 14. Therefore, assuming that the loop 14 is stationary, the waves W1, W2 are
When recombined at 4, they interfere constructively without any phase difference between them, and the intensity of the optical output signal is maximized. However, when the loop 14 is rotated, the counter-propagating waves W1, W2 are phase-shifted according to the Sagnac effect, so that when they are superposed in the combiner 34, they interfere destructively. To reduce the intensity of the optical output signal. Such a Sagnac phase difference between the waves W1, W2 caused by the rotation of the loop 14 is defined by the relationship:

ここにおいて、Aは光学ファイバのループ14により結
合された領域であり、 Nはその領域Aのまわりの光学ファイバのターン数であ
り、 Ωは、ループの面に垂直な軸のまわりのループの角速度
であり、かつ λおよびcは、ループへ与えられた光の、それぞれ波長
および速度の自由空間の値である。
Where A is the region coupled by the loop 14 of optical fiber, N is the number of turns of the optical fiber around that region A, and Ω is the angular velocity of the loop about an axis perpendicular to the plane of the loop. And λ and c are the free-space values of wavelength and velocity, respectively, of the light provided to the loop.

光学出力信号の強度(I)は、波W1,W2間のサグ
ナック位相差(Δφ)の関数であり、次の方程式によ
り定義される。
The intensity of the optical output signal (I T) is a function of the Sagnac phase difference ([Delta] [phi R) between the waves W1, W2, defined by the following equation.

ここにおいて、IおよびIは、それぞれ、波W1,
W2の個々の強度である。
Here, I 1 and I 2 are respectively waves W1,
It is the individual intensity of W2.

方程式(1)および(2)から、光学出力信号の強度は
回転速度(Ω)の関数であることがわかる。このよう
に、そのような回転速度の表示は、検出器30を用い
て、光学出力信号の強度を測定することによって得られ
る。
From equations (1) and (2) it can be seen that the intensity of the optical output signal is a function of the rotational speed (Ω). Thus, such an indication of rotational speed is obtained by measuring the intensity of the optical output signal using detector 30.

第6図は曲線80を示し、この曲線は、互いに逆方向に
伝播する波W1,W2間のサグナック位相差(△φ
と、光学出力信号の強度(I)との間の関係を示す。
曲線80は余弦曲線の形状を有し、かつ光学出力信号の
強度は、サグナック位相差が0のとき最大である。互い
に逆方向に伝播する波W1,W2間の位相差が完全にル
ープ14の回転により生じる場合は、曲線80は垂直軸
のまわりを対称に変化する。しかしながら、1981年
7月29日に出願された、同時係属中のアメリカ合衆国
特許出願連続番号288,212,“偏光されない光を
用いたファイバ光学回転センサ”に議論されているよう
に、偏光された光では、互いに逆方向に伝播する波W
1,W2間の付加的な、非相反的な位相差は、光学ファ
イバ12の残留複屈折によって生じるかもしれない。こ
の出願は、参照することによってこに援用する。この付
加的な非相反位相差は、完全に偏光されない光が用いら
れれば生じない。
FIG. 6 shows a curve 80, which is the Sagnac phase difference (Δφ R ) between the waves W1 and W2 propagating in opposite directions.
And the intensity ( IT ) of the optical output signal.
The curve 80 has the shape of a cosine curve, and the intensity of the optical output signal is maximum when the Sagnac phase difference is zero. If the phase difference between the counter-propagating waves W1, W2 is caused entirely by the rotation of the loop 14, the curve 80 changes symmetrically about the vertical axis. However, polarized light, as discussed in co-pending US patent application serial no. 288,212, "Fiber Optic Rotation Sensor Using Unpolarized Light," filed July 29, 1981. Then, the waves W propagating in opposite directions
An additional, non-reciprocal phase difference between 1 and W2 may be caused by the residual birefringence of the optical fiber 12. This application is incorporated herein by reference. This additional non-reciprocal phase difference does not occur if completely unpolarized light is used.

単一モードファイバ12の2つの偏光モードの各々にお
いて進行する光は異なる速さで進行するので、複屈折に
より誘起される位相差は生じない。複屈折は、一方の偏
光モードで進む光の一部を他方のモードへ結合させる。
これは波W1,W2間に、非回転的に誘起された位相差
を作り出し、これによって、波W1,W2は、第6図の
曲線80を歪ませまたはシフトさせるように干渉する。
このようなシフトは、第6図の透視線で示される曲線8
2によって示される。
Since the light traveling in each of the two polarization modes of the single mode fiber 12 travels at different speeds, there is no phase difference induced by birefringence. Birefringence couples some of the light traveling in one polarization mode into the other mode.
This creates a non-rotationally induced phase difference between the waves W1, W2, which causes the waves W1, W2 to interfere to distort or shift the curve 80 of FIG.
Such a shift is represented by the curve 8 shown in perspective in FIG.
Indicated by 2.

このような複屈折により誘起される、非相反的な位相差
は、回転的に誘起されるサグナック位相差と区別するこ
とができず、かつ温度や圧力などのようなファイバ複屈
折を変化させる環境的なファクタに依存する。したがっ
て、ファイバ複屈折は、ファイバ光学回転センサにおけ
る主たるエラー源の原因である。
The non-reciprocal phase difference induced by such birefringence is indistinguishable from the rotationally induced Sagnac phase difference, and is an environment that changes the fiber birefringence such as temperature and pressure. Depends on the actual factor. Therefore, fiber birefringence is the main source of error in fiber optic rotation sensors.

偏光子32による動作 ファイバ複屈折による非相反動作の問題は、1個の偏光
モードのみを用いることができるようにする偏光子32
(第1図)によってこの発明の回転センサにおいて解決
される。偏光子32は、第5図の参照数字84で示され
る点においてシステムへ導入されるとき、偏光子32を
通過する光は、一方の選ばれた偏光モードにおいてルー
プ14へ伝播する。さらに、互いに逆方向に伝播する波
は光学出力信号を形成するように再結合されるとき、ル
ープへ与えられる光と同じ偏光のものではない任意の光
が光検出器30へ到達するのを妨げられる、なぜならば
光出力信号は偏光子32を通過するからである。このよ
うに、光出力信号は、それが結合器34のポートAから
結合器26のポートBへ進むとき、ループへ与えられた
光と同じ偏光を正確に有する。
Operation with Polarizer 32 The problem of nonreciprocal operation due to fiber birefringence is that polarizer 32 allows only one polarization mode to be used.
(FIG. 1) solves the problem in the rotation sensor of the present invention. When the polarizer 32 is introduced into the system at the point indicated by reference numeral 84 in FIG. 5, light passing through the polarizer 32 propagates to the loop 14 in one selected polarization mode. Further, the counter-propagating waves, when recombined to form the optical output signal, prevent any light that is not of the same polarization as the light provided to the loop from reaching photodetector 30. Is because the optical output signal passes through the polarizer 32. Thus, the optical output signal has exactly the same polarization as the light provided to the loop as it travels from port A of coupler 34 to port B of coupler 26.

それゆえに、同じ偏光子32を介して入力光および光学
出力信号を通過させることによって、ただ1つの光学経
路のみが用いられ、それによって、2個の可能な偏光モ
ードにおける異なる伝播速度により生じる複屈折により
誘起される位相差の問題を除去する。すなわち、選ばれ
たモードから、選ばれていないモードへ、ファイバにお
ける複屈折により転送されるすべての光をフィルタして
しまうことにより、伝播速度が異なるため、選ばれたモ
ードに関して位相を利得しまたは損失するかもしれない
選ばれないモードにおいてすべての光波を除去すること
ができる。さらに、偏光子制御装置24,36(第1
図)は、偏光子32での光学パワー損失を減少させかつ
したがって検出器30での信号強度を最大にするため、
それぞれ与えられた光および光学出力信号の偏光を調整
するために用いられることができるということが注目さ
れるべきである。
Therefore, by passing the input light and the optical output signal through the same polarizer 32, only one optical path is used, which results in birefringence caused by different propagation velocities in the two possible polarization modes. Eliminates the problem of phase difference induced by. That is, by propagating all the light transferred by the birefringence in the fiber from the selected mode to the non-selected mode, the propagation speeds are different, thus gaining the phase for the selected mode or All light waves can be rejected in unselected modes that may be lost. Further, the polarizer control devices 24 and 36 (first
The figure) reduces the optical power loss in the polarizer 32 and thus maximizes the signal strength at the detector 30,
It should be noted that each can be used to adjust the polarization of a given light and optical output signal.

位相変調器38に伴なう動作 再び第6図を参照して、曲線80は余弦関数であるの
で、光学出力信号の強度は、波W1,W2間での小さな
サグナック位相差(△φ)に対して非線形であるとい
うことがわかる。さらに、光学出力信号の強度は、△φ
の小さな値に対して、位相差の変化に対しては比較的
鈍感である。このような非線形性および不感応性のた
め、検出器30によって測定される光学強度(I
を、ループ14回転速度を表わす信号に変換(方程式1
によって)するのは難しい。
Operation with Phase Modulator 38 Referring again to FIG. 6, since the curve 80 is a cosine function, the intensity of the optical output signal is a small Sagnac phase difference (Δφ R ) between the waves W1 and W2. It can be seen that it is nonlinear with respect to. Furthermore, the strength of the optical output signal is Δφ
It is relatively insensitive to changes in phase difference for small values of R. Due to such non-linearity and insensitivity, the optical intensity ( IT ) measured by the detector 30.
To a signal representing the rotational speed of the loop 14 (Equation 1
It's hard to do).

さらに、偏光子32を用いて上述したように、波W1,
W2間の、複屈折により誘起される位相差が除去される
が、ファイバ複屈折により生じる偏光モード間の交差結
合が生じる。この交差結合は、交差結合された光が偏光
子32上の光検出器32に達するのを妨げられるので、
光学出力信号の光学強度を減少させる。したがって、フ
ァイバ複屈折における変化により、第6図の曲線80の
振幅は、たとえば、曲線84で示されるように変化す
る。第6図の曲線80,82,84は等倍に描かれてい
ないということが理解されよう。
Further, as described above using the polarizer 32, the waves W1,
The birefringence induced phase difference between W2 is eliminated, but there is cross-coupling between polarization modes caused by fiber birefringence. This cross-coupling prevents the cross-coupled light from reaching the photodetector 32 on the polarizer 32, so
Decrease the optical intensity of the optical output signal. Thus, due to changes in fiber birefringence, the amplitude of curve 80 in FIG. 6 changes, for example, as shown by curve 84. It will be appreciated that the curves 80, 82, 84 in FIG. 6 are not drawn to scale.

前述の問題点は、第1図に示される位相変調器38、信
号発生器40およびロックイン増幅器46を用いて同期
検出システムによって解決される。
The aforementioned problems are solved by a sync detection system using the phase modulator 38, signal generator 40 and lock-in amplifier 46 shown in FIG.

第7図を参照して、位相変調器38は信号発生器40の
周波数で、伝播する波W1,W2の各々の位相を変調さ
せる。しかしながら、第1図から見られるように、位相
変調器38はループ14の一方端に配置される。このよ
うに、波W1の変調必ずしも、波W2の変調と同相であ
る必要はない。事実、この同期検出システムの適切な動
作に対しては、波W1,W2の変調は180゜逆相であ
るのが好ましい。第7図を参照して、正弦波曲線90に
より示される波W1の変調は、曲線92で示される波W
2の変調と180゜逆相であるのが好ましい。波W2の
変調に関して波W1の変調との間にそのような180゜
の位相差を与える変調周波数を用いるということは、そ
れが検出器30により測定される光学出力信号において
変調器により誘起される振幅変調を除去するという点に
おいて、特に有利である。この変調周波数(f)は次
の方程式を用いて計算される。
Referring to FIG. 7, the phase modulator 38 modulates the phase of each of the propagating waves W1 and W2 at the frequency of the signal generator 40. However, as seen in FIG. 1, the phase modulator 38 is located at one end of the loop 14. Thus, the modulation of wave W1 does not necessarily have to be in phase with the modulation of wave W2. In fact, for proper operation of this sync detection system, the modulation of the waves W1, W2 is preferably 180 ° out of phase. Referring to FIG. 7, the modulation of the wave W1 represented by the sinusoidal curve 90 is represented by the wave W represented by the curve 92.
It is preferably 180 ° out of phase with the modulation of 2. Using a modulation frequency that provides such a 180 ° phase difference between the modulation of wave W2 and the modulation of wave W1 means that it is induced by the modulator in the optical output signal measured by detector 30. It is particularly advantageous in that it eliminates amplitude modulation. The modulation frequency (f m) is calculated using the following equation.

ここにおいて、Lは互いに逆方向に伝播する波W1,W
2に対する結合器34と変調器38との間の差動ファイ
バ長、すなわち、変調器38と、ループ14の他方側の
対称点との間の、ファイバに沿って測定された距離であ
り、 neqは、単1モードファイバ12のための等価屈折率
であり、かつ cはループ14へ与えられた光の自由空間の速さであ
る。
Here, L is waves W1 and W propagating in opposite directions.
The differential fiber length between the coupler 34 and the modulator 38 for 2, ie the distance between the modulator 38 and the point of symmetry on the other side of the loop 14, measured along the fiber, n eq is the equivalent refractive index for the single mode fiber 12 and c is the free space velocity of the light provided to the loop 14.

“適切な”周波数と呼ばれるこの変調周波数(f
で、曲線90および92に従ってこれらの互いに逆方向
に伝播する波W1,W2の位相変調から分岐する、これ
らの波W1,W2間の位相差(△φ)は、第7図にお
いて正弦波曲線94で示される。この曲線94は、曲線
90から曲線92を減算してW1およびW2間の位相差
を得ることによって得られる。波W1,W2間の位相差
の変調もまた、ちょうどサグナック位相シフトがそうで
あるように第6図の曲線80に従って光学出力信号の強
度(I)を変調させる、なぜならばこのような位相変
調△φは、回転的に誘起されたサグナック位相差△φ
と区別できないからである。
"Suitable" This modulation frequency is called frequency (f m)
And the phase difference (Δφ 1 ) between these waves W1 and W2, which branch from the phase modulation of these counter-propagating waves W1 and W2 according to curves 90 and 92, is a sinusoidal curve in FIG. Denoted at 94. This curve 94 is obtained by subtracting curve 92 from curve 90 to obtain the phase difference between W1 and W2. Waves W1, modulation of the phase difference between W2 also just Sagnac phase shift modulate the intensity of the optical output signal (I T) according to Figure 6 of curve 80, as is the case, since such phase modulation Δφ 1 is the rotationally induced Sagnac phase difference Δφ
This is because it cannot be distinguished from R.

(a) 第7図の曲線94により規定される位相変調△
φと、(b)光学出力信号の強度(I)のときのサ
グナック位相差△φとの効果を図解的に示す第8図お
よび第9図を参照することによって、前述の説明がより
十分に理解されよう。第8図および第9図の議論を進め
る前に、変調された光出力信号の強度(I)は、波W
1,W2間の全位相差の関数であるということを理解す
べきである。このような全位相差は、回転的に誘起され
たサグナック位相差△φと、時間変化する変調により
誘起される位相差△φとの両方からなる。波W1,W
2間の全位相差△φは、次のように表わされる。
(A) Phase modulation Δ defined by the curve 94 in FIG.
and phi 1, by referring to FIG. 8 and FIG. 9 shows schematically the effect of the Sagnac phase difference △ phi R when the (b) the intensity of the optical output signal (I T), the foregoing description Be better understood. Before proceeding with the discussion of FIGS. 8 and 9, the intensity of the modulated optical output signal ( IT ) is
It should be understood that it is a function of the total phase difference between 1 and W2. Such a total phase difference consists of both the rotationally induced Sagnac phase difference Δφ R and the phase difference Δφ 1 induced by the time-varying modulation. Wave W1, W
The total phase difference Δφ between the two is expressed as follows.

△φ=△φ+△φ …(4) したがって、回転的に誘起された位相差△φのみなら
ず、変調により誘起された位相差△φの効果は第8図
および第9図を参照して考慮されるので、曲線80のた
めの水平軸は、第6図におけるように、回転的に誘起さ
れた位相差のみよりもむしろ、全体の位相差が考慮され
ているということを示すため△φとして改めて符号が付
けられている。
Δφ = Δφ R + Δφ 1 (4) Therefore, not only the rotationally induced phase difference Δφ R, but also the effect of the phase difference Δφ 1 induced by modulation is shown in FIGS. 8 and 9. As will be considered with reference to the figures, the horizontal axis for curve 80 is that the total phase difference is considered, rather than only rotationally induced phase differences, as in FIG. In order to indicate that, a symbol is newly added as Δφ.

今第8図を参照して、光学出力信号の強度Iのときの
位相変調△φ(曲線94)の効果を議論する。曲線8
0は2つの干渉しているコヒーレントな波から生じる光
学出力信号の強度と、これらの波の間の位相差△φとの
間の関係を示す。これらの間の相対位相角度は、193
で示されるように、0であるとき、組合わされた波の結
果的に生じる強度は195で示されるように最大であ
る。波W1およびW2間の相対位相が0でないとき、組
合わされた光学信号は、位相差△φの大きさに依存して
より小さな強度を有する。相対位相差が、それぞれ19
7および199で示されるように+または−180゜に
なるまで、Δφが増大するに従って減少し続ける。+ま
たは−180゜の位相差で、2つの互いに逆方向に伝播
する波は完全に破壊的に干渉し、その結果生じる強度は
197および199で示されるように0である。
Now referring to FIG. 8, the effect of the phase modulation Δφ 1 (curve 94) on the intensity I T of the optical output signal will be discussed. Curve 8
Zero indicates the relationship between the optical output signal strength resulting from two interfering coherent waves and the phase difference Δφ between these waves. The relative phase angle between them is 193
When 0, the resulting intensity of the combined wave is maximum, as shown at 195. When the relative phase between the waves W1 and W2 is non-zero, the combined optical signal has a smaller intensity depending on the magnitude of the phase difference Δφ. The relative phase difference is 19
It continues to decrease as Δφ increases until it becomes + or −180 ° as shown by 7 and 199. With a phase difference of + or -180 °, the two counter-propagating waves interfere completely destructively and the resulting intensity is 0, as indicated by 197 and 199.

第8図において、ループ14は静止しており、かつした
がって、光学信号はサグナック効果によって影響を受け
ないと想定する。特に、変調により誘起される位相差曲
線94によって、光学出力信号は曲線96によって示さ
れるように変化するということがわかる。曲線96は、
W1およびW2間の瞬間的な位相差△φを表わす、曲
線94上の点を、その大きさの位相差に対する結果的に
生じる光学的な強度を表わす曲線80上へ変換すること
によって得られる。曲線94上のすべての点は曲線80
上へ変換されると、かつ対応する強度がプロットされる
と、曲線96が生じる。曲線80を通じての曲線94へ
の移行は、曲線80の垂直軸に関して対称であり、その
ため検出器30によって測定される光学強度は、曲線9
6によって示されるように、変調周波数の第2高調波に
等しい周波数で周期的に変化する。
In FIG. 8 it is assumed that the loop 14 is stationary and thus the optical signal is unaffected by the Sagnac effect. In particular, it can be seen that the phase difference curve 94 induced by the modulation causes the optical output signal to change as shown by curve 96. The curve 96 is
Obtained by transforming the point on curve 94, which represents the instantaneous phase difference Δφ 1 between W1 and W2, onto curve 80, which represents the resulting optical intensity for a phase difference of that magnitude. . All points on curve 94 are curve 80
Once converted up and the corresponding intensities plotted, the curve 96 results. The transition through curve 80 to curve 94 is symmetrical with respect to the vertical axis of curve 80 so that the optical intensity measured by detector 30 is
As indicated by 6, it varies periodically at a frequency equal to the second harmonic of the modulation frequency.

上述したように、ロックイン増幅器46は信号発生器4
0(第1図)から変調周波数fで基準信号によって同
調されるので、ロックイン増幅器は変調器38の変調周
波数f、すなわち、第1高調波で検出器出力信号のみ
を同期的に検出する。しかし、検出器出力信号は、曲線
96によって示されるように、変調周波数の第2高調波
にあるので、増幅器46から出力信号は0であり、表示
装置47は0の回転速度を示す。
As described above, the lock-in amplifier 46 serves as the signal generator 4
Since it is tuned by the reference signal from 0 (FIG. 1) at the modulation frequency f m , the lock-in amplifier synchronously detects only the detector output signal at the modulation frequency f m of the modulator 38, ie the first harmonic. To do. However, because the detector output signal is at the second harmonic of the modulation frequency, as shown by curve 96, the output signal from amplifier 46 is zero and display 47 shows a rotational speed of zero.

複屈折により誘起される振幅の変動は光学出力信号に生
じても、第6図の曲線84を参照して議論したように、
第8図の曲線96は第2高調波周波数のままであるとい
うことが注目されるべきである。したがって、このよう
な複屈折より誘起された振幅の変動は増幅器46の出力
信号に何の影響も及ぼさない。それゆえに、これまでに
説明した検出システムは、複屈折の変化に不感応である
実質的により安定した動作点を与える。
Even though the birefringence-induced amplitude variation occurs in the optical output signal, as discussed with reference to curve 84 in FIG.
It should be noted that the curve 96 in FIG. 8 remains at the second harmonic frequency. Therefore, the fluctuation of the amplitude induced by such birefringence has no influence on the output signal of the amplifier 46. Therefore, the detection system described thus far provides a substantially more stable operating point that is insensitive to changes in birefringence.

ループ14が回転されるとき、互いに逆方向に伝播する
波W1,W2は、サグナック効果に従って上述したよう
に位相がシフトされる。サグナック位相シフトは、一定
の回転速度に対して一定の位相差△φを与える。この
サグナック位相シフトは、変調器38によって作り出さ
れた位相差△φを増し、それにより、全曲線94は、
第9図に示されるように、△φに等しい量だけ、第8
に示す位置から位相が移される。これによって、光学出
力信号は点99および101の間で曲線80に沿って非
対称的に変化する。これは曲線96によって示されるよ
うな光学出力信号を生じる。
When the loop 14 is rotated, the counter-propagating waves W1, W2 are phase-shifted as described above according to the Sagnac effect. The Sagnac phase shift provides a constant phase difference Δφ R for a constant rotational speed. This Sagnac phase shift increases the phase difference Δφ 1 produced by the modulator 38 so that the total curve 94 becomes
As shown in FIG. 9, an amount equal to Δφ R
The phase is shifted from the position shown in. This causes the optical output signal to change asymmetrically along the curve 80 between points 99 and 101. This produces an optical output signal as shown by curve 96.

曲線96上の点は次のように導き出される。曲線94上
の103で示される組合わされた位相差は、曲線80上
の点101を介して曲線96上の点105へ移る。曲線
94上の点107は曲線80上の点109を介して曲線
96上の点111へ移る。同様に、点113は点99を
介して点115へ移り、かつ点117は点109を介し
て点119へ移る。最後に、点121は点101を介し
て点123へ移る。
The points on curve 96 are derived as follows. The combined phase difference indicated by 103 on curve 94 moves through point 101 on curve 80 to point 105 on curve 96. Point 107 on curve 94 moves to point 111 on curve 96 via point 109 on curve 80. Similarly, point 113 moves to point 115 via point 99 and point 117 moves to point 119 via point 109. Finally, point 121 moves to point 123 via point 101.

光学出力信号96は正弦波曲線98の透視線で示される
ように第1高調波成分を有する。第1高調波成分98の
ピーク振幅は、しかしながら、点115での光学出力信
号の振幅に正確にマッチする必要はないが、或る場合に
はマッチする必要があるかもしれない。
The optical output signal 96 has a first harmonic component, as shown by the perspective of sinusoidal curve 98. The peak amplitude of the first harmonic component 98, however, need not exactly match the amplitude of the optical output signal at point 115, but in some cases it may.

この正弦波曲線98のRMS値は回転的に誘起されたサ
グナック位相差△φの正弦に比例するということが後
でわかるであろう。増幅器46は変調器38の基本周波
数を有する信号を同期的に検出するので、増幅器46は
曲線98のRMS値に比例する信号を出力する。この信
号はループの回転速度を示すために用いられることがで
きる。
It will be seen later that the RMS value of this sinusoidal curve 98 is proportional to the sine of the rotationally induced Sagnac phase difference Δφ R. Since amplifier 46 synchronously detects the signal having the fundamental frequency of modulator 38, amplifier 46 outputs a signal proportional to the RMS value of curve 98. This signal can be used to indicate the rotational speed of the loop.

第9図の図面はループ14の一方の回転方向(たとえば
時計方向)に対する光学出力信号の強度波形を示す。し
かしながら、もしループ14が等しい速さで逆方向(た
とえば、反時計方向)に回転されれば、光学出力信号の
強度波形96は、それが曲線98が第9図に示される位
置から180度シフトされるように移し変えられるであ
ろうということを除き、第9図に示されるのと全く同一
になるであろうということが理解されよう。
The drawing of FIG. 9 shows the intensity waveform of the optical output signal for one direction of rotation of the loop 14 (eg clockwise). However, if the loop 14 is rotated at the same rate and in the opposite direction (eg, counterclockwise), the intensity waveform 96 of the optical output signal will cause the curve 98 to shift 180 degrees from the position shown in FIG. It will be appreciated that it would be exactly the same as shown in FIG. 9 except that it would be translated as described.

ロックイン増幅器46は、第1高調波98の位相を、信
号発生器40から基準信号の位相と比較することによっ
て、曲線98に対するこの180゜位相差を検出し、ル
ープの回転が時計方向から反時計方向かどうかを決定す
る。回転方向によって、増幅器46は表示装置47に対
して正または負の信号のいずれかを出力する。しかしな
がら、回転方向にかかわらず、信号の大きさはループ1
4の回転の速度が等しいものに対しては同じである。
The lock-in amplifier 46 detects this 180 ° phase difference with respect to the curve 98 by comparing the phase of the first harmonic 98 with the phase of the reference signal from the signal generator 40 and the rotation of the loop counterclockwise. Determines if it is clockwise. Depending on the direction of rotation, the amplifier 46 outputs either a positive or negative signal to the display device 47. However, regardless of the direction of rotation, the magnitude of the signal is loop 1
The same is true for equal speeds of rotation of four.

増幅器の出力信号の波形が曲線100として第10図に
示される。この曲線100は正弦波であり、ループ14
の回転が時計方向か反時計方向かどうかによって、12
5で示される、0回転速度出力電圧から正方向にまたは
負方向に変化することがわかる。さらに、曲線100
は、実質的に線形な部分102を有し、この部分102
は、原点に関して対称的に変化しかつ回転を測定するた
めの比較的幅広い動作範囲を与える。さらに、曲線10
0の傾斜は小さなサグナック位相シフトに対してもその
線形動作レンジ102を通じて優れた感度を与える。
The waveform of the output signal of the amplifier is shown as curve 100 in FIG. This curve 100 is a sine wave and loop 14
12 depending on whether the rotation is clockwise or counterclockwise
It can be seen that the zero rotation speed output voltage indicated by 5 changes in the positive direction or in the negative direction. Furthermore, the curve 100
Has a substantially linear part 102, which part 102
Provides a relatively wide range of motion for measuring rotation that changes symmetrically with respect to the origin. Furthermore, the curve 10
A zero slope provides excellent sensitivity through its linear operating range 102, even for small Sagnac phase shifts.

このように、同期検出システムを用いることによって、
小さなサグナック位相シフトに対する非線形性、不感応
性、および複屈折により誘起される振幅変動という上述
した問題点は、点97および95間の曲線80のどこか
に、第9図の点99および101を維持するループ14
の回転速度に対しては減少されまたは除去される。
Thus, by using a sync detection system,
The above-mentioned problems of non-linearity, insensitivity to small Sagnac phase shifts, and amplitude fluctuations induced by birefringence can be seen at some point in the curve 80 between points 97 and 95, at points 99 and 101 in FIG. Loop 14 to maintain
Is reduced or eliminated for the rotational speed of.

このようにこれまでに開示した検出システムのさらなる
利点は、技術状態において、変調器38のような位相変
調器は偏光変調を通じて、直接にまたは間接に、光学出
力信号において振幅変調を誘起すること、すなわち、位
相変調器もまた選択されない偏光モードへ、そこを通過
する光のあるものをシフトさせるという事実に関するも
のである。しかしながら、方程式(3)を参照して行な
った議論から思い出されるように、波W1およびW2の
変調間の位相差が180゜である特定のまたは“適切
な”周波数で作動することによって、変調器38により
互いに逆方向に伝播する波W1,W2の各々に誘起され
る、この振幅変調の奇数高調波周波数成分は、波が光学
出力信号を形成するように重畳されるときに互いに打消
し合う。したがって、上述した検出システムは光学出力
信号の奇数高調波、すなわち基本周波数のみを検出する
ので、不所望な振幅変調の効果は除去される。それゆえ
に、方程式(3)によって規定される特定の周波数で作
動することによって、かつ光学出力信号の奇数高調波の
みを検出することによって、この発明の回転センサは変
調器により誘起された振幅および偏光変調とは独立に作
動し得る。
Thus, a further advantage of the previously disclosed detection systems is that, in the state of the art, phase modulators such as modulator 38 induce amplitude modulation in the optical output signal, either directly or indirectly through polarization modulation, That is, it relates to the fact that the phase modulator also shifts some of the light passing through it into unselected polarization modes. However, as will be recalled from the discussion made with reference to equation (3), by operating at a specific or "appropriate" frequency where the phase difference between the modulation of waves W1 and W2 is 180 °, The odd harmonic frequency components of this amplitude modulation, induced in each of the counter-propagating waves W1, W2 by 38, cancel each other out when the waves are superposed to form the optical output signal. Therefore, the detection system described above detects only the odd harmonics of the optical output signal, ie the fundamental frequency, thus eliminating the effects of unwanted amplitude modulation. Therefore, by operating at a particular frequency defined by equation (3), and by detecting only the odd harmonics of the optical output signal, the rotation sensor of the present invention provides a modulator-induced amplitude and polarization. It can operate independently of modulation.

適切な周波数で作動するさらに他の利点は、互いに逆方
向に伝播する位相W1,W2の各々において変調器38
により誘起される。位相変調の偶数高調波は、これらの
波が光学出力信号を形成するために重畳されるときに相
殺されるということである。これらの偶数高調波は、重
畳することによって、検出システムによりさもなくば検
出されたかもしれない光学信号におけるスプリアス奇数
高調波を発生するので、これらの除去は、回転検知の精
度を改善することになる。
Yet another advantage of operating at the proper frequency is that the modulator 38 in each of the counter-propagating phases W1, W2.
Induced by. The even harmonics of the phase modulation are that they cancel when they are superimposed to form the optical output signal. These even harmonics, by superimposing, generate spurious odd harmonics in the optical signal that might otherwise have been detected by the detection system, so their removal could improve the accuracy of rotation detection. Become.

方程式(3)によって規定される周波数で位相変調器3
8を作動させるのに加えて、光学出力信号の強度の検出
された第1高調波の振幅が最大にされるように位相変調
の大きさを調整するのも好ましい、なぜならばこれは回
転検知感度および精度を改善するからである。第7図、
第8図および第9図でZの符号の付いた寸法によって示
される、波W1,W2間の、変調器により誘起される位
相差△φの振幅が1.84ラジアンであるとき、光学
出力信号の強度の第1高調波は、与えられた回転速度に
対して、最大にあるということがわかっている。これ
は、位相差が△φを持つ、それぞれIおよびIの個
々の強度を有する2つの重畳された波の全強度(I
に対する以下の方程式を参照することによってより十分
に理解されるかもしれない。
Phase modulator 3 at the frequency defined by equation (3)
In addition to activating 8, it is also preferable to adjust the magnitude of the phase modulation so that the amplitude of the detected first harmonic of the intensity of the optical output signal is maximized, since this is the sensitivity of rotation detection. And to improve accuracy. Figure 7,
The optical output when the amplitude of the modulator-induced phase difference Δφ 1 between the waves W1, W2 is 1.84 radians, as indicated by the dimension labeled Z in FIGS. 8 and 9. It has been found that the first harmonic of the signal strength is at a maximum for a given rotational speed. This is the total intensity ( IT ) of two superposed waves with individual intensities of I 1 and I 2 , respectively, with a phase difference of Δφ.
It may be more fully understood by reference to the following equation for.

ここで、 △φ=△φ+△φ …(6) △φ=Z sin(2πft) …(7) したがって、 △φ=△φ+Z sin(2πft) …(8) cos(△φ)のフーリエ展開は次のとおりである。 Here, Δφ 1 = Δφ R + Δφ 1 (6) Δφ 1 = Z sin (2πf m t) (7) Therefore, Δφ = Δφ R + Z sin (2πf m t) ( 8) The Fourier expansion of cos (Δφ) is as follows.

ここにおいて、J(z)は変数zのn次ベッセル関数
であり、zは波W1,W2間の、変調器により誘起され
た位相差のピーク振幅である。
Here, J n (z) is the n-th order Bessel function of the variable z, and z is the peak amplitude of the phase difference induced by the modulator between the waves W1 and W2.

それゆえに、Iの第1高調波のみを検出することによ
り次の式が得られる。
Therefore, the following equation is obtained by detecting only the first harmonic of I T.

このように、光学出力信号の強度の第1高調波の振幅は
第1ベッセル関数J(z)の値に依存する。J
(z)はzが1.84ラジアンに等しいとき最大であ
るので、位相変調の振幅は、好ましくは、波W1,W2
間の、変調器により誘起された位相差△φの振幅
(z)が1.84ラジアンであるように選ばれなければ
ならない。
Thus, the amplitude of the first harmonic of the intensity of the optical output signal depends on the value of the first Bessel function J 1 (z). J
Since 1 (z) is maximum when z equals 1.84 radians, the amplitude of the phase modulation is preferably the waves W1, W2.
In between, the amplitude (z) of the phase difference Δφ 1 induced by the modulator must be chosen to be 1.84 radians.

後方散乱効果の減少 周知のように、現在の技術状態の光学ファイバは光学的
に完全なものではなく、ファイバの基礎材料における密
度の変動のような不完全さを有する。これらの不完全さ
のためファイバの屈折率に変動を生じ、それにより少量
の光の散乱を生じる。この現象は一般にレイリー散乱と
称されている。このような散乱のため、或る光はファイ
バから失われるが、そのような損失量は比較的小さく、
それゆえに主たる関心事ではない。
Reduction of Backscattering Effects As is well known, current state of the art optical fibers are not optically perfect and have imperfections such as variations in density in the fiber's base material. These imperfections cause variations in the index of refraction of the fiber, which results in a small amount of light scattering. This phenomenon is generally called Rayleigh scattering. Due to such scattering, some light is lost from the fiber, but such loss is relatively small,
Therefore it is not the main concern.

レイリー散乱に関連する主たる問題は、失われる散乱光
に関するものではなく、むしろ、もとの伝播方向と逆の
方向にファイバを伝播するように反射される光に関する
ものである。これは、一般に、“後方散乱された”光と
称される。このような後方散乱された光は互いに逆方向
に伝播する波W1,W2からなる光とコヒーレントであ
るので、それはそのような互いに逆方向に伝播する波と
建設的にまたは破壊的に干渉することができ、かつそれ
によって、検出器30によって測定されるような光学出
力信号の強度に変動を生じる。
The main problem associated with Rayleigh scattering is not with the scattered light lost, but rather with the light reflected back in the fiber in the direction opposite to the original direction of propagation. This is commonly referred to as "backscattered" light. Since such backscattered light is coherent with light composed of counter-propagating waves W1, W2, it must interfere constructively or destructively with such counter-propagating waves. And thereby causes variations in the intensity of the optical output signal as measured by detector 30.

互いに逆方向に伝播する波とコヒーレントな一方の波か
らの後方散乱光の部分は、ループ14の中心のコヒーレ
ンシ長内で散乱されるものである。したがって、光源の
コヒーレンシ長を減少させることによって、後方散乱さ
れた光と、互いに逆方向に伝播する波との間のコヒーレ
ンシが減少される。後方散乱された光の残りの部分は互
いに逆方向に伝播する波と干渉性ではなく、かつしたが
って、それらの間の干渉は、それが平均化されるように
ランダムに変化する。それゆえに、後方散乱された光の
非干渉性部分は、実質的に一定の強度を有するものであ
り、かつしたがって、それは光学出力信号の強度に意義
ある変動を生じない。
The portion of the backscattered light from one wave coherent with the wave propagating in the opposite direction is scattered within the coherency length of the center of the loop 14. Therefore, by reducing the coherency length of the light source, the coherency between backscattered light and waves propagating in opposite directions is reduced. The rest of the backscattered light is not coherent with the waves propagating in opposite directions to each other, and therefore the interference between them varies randomly as it is averaged. Therefore, the incoherent portion of the backscattered light is of substantially constant intensity, and thus it does not cause any significant variation in the intensity of the optical output signal.

したがって、この発明においては、後方散乱の影響は、
光源10として、たとえば、1メートルまたはそれ以下
のような比較的短いコヒーレンシ長を有するレーザを用
いることによって減少される。特定の例によれば、光源
10は上述したように、ジェネラル・オプトロニクス・
コーポレーションから商業的に入手可能なモデルGO−
DIPレーザダイオードを含んでもよい。
Therefore, in the present invention, the influence of backscattering is
It is reduced by using as the light source 10 a laser having a relatively short coherency length, for example 1 meter or less. According to a particular example, the light source 10 is, as described above, a general optronics light source.
Model GO-commercially available from Corporation
It may include a DIP laser diode.

後方散乱された波と、伝播している波との間の破壊的ま
たは建設的干渉を禁止する代わりの方法は、ファイバル
ープ14の中心でそのシステムにおける付加的な位相変
調器を含むことである。この位相変調器は変調器38と
同期しない。
An alternative way to inhibit destructive or constructive interference between backscattered and propagating waves is to include an additional phase modulator in the system at the center of fiber loop 14. . This phase modulator is not synchronized with modulator 38.

伝播する波は、ループのまわりを進行するときに1回だ
けこの付加的な位相変調器を通過する。波が付加的な変
調器に達する前に伝播している波から生じる後方散乱に
対して、その後方散乱はこの付加的な変調器によって位
相変調されないであろう、なぜならば波を伝播する光源
も後方散乱それ自体も付加的な変調器を通過しなかった
からである。
The propagating wave passes through this additional phase modulator only once as it travels around the loop. In contrast to the backscatter that results from the wave propagating before the wave reaches the additional modulator, that backscatter will not be phase modulated by this additional modulator because the light source propagating the wave also This is because the backscatter itself did not pass through the additional modulator.

他方、波がこの付加的な位相変調器を通過した後伝播し
ている波から生じる後方散乱に対しては、その伝播して
いる波が付加的な位相変調器を通過したとき1回、かつ
後方散乱が付加的な変調器を通過したとき1回、後方散
乱は効果的に2倍、位相変調されるであろう。
On the other hand, for backscattering resulting from a wave propagating after the wave has passed through this additional phase modulator, once when the propagating wave has passed through the additional phase modulator, and Once the backscatter passes through the additional modulator, the backscatter will effectively be phase modulated by a factor of 2.

このように、その付加的な位相変調器がφ(t)の位相
変調を誘起すれば、ループ14の中心における場合を除
き、任意の点で始まる後方散乱された波は、0または2
φ(t)のいずれかの位相シフトを有し、それらのいず
れかは伝播している波に対してφ(t)位相シフトに関
して時間変化している。この時間変化する干渉は、時間
平均され、効果的に後方散乱の影響を除去する。
Thus, if the additional phase modulator induces a phase modulation of φ (t), the backscattered wave starting at any point, except at the center of loop 14, will have 0 or 2
Any of them has a phase shift of φ (t), which is time varying with respect to the propagating wave with respect to the φ (t) phase shift. This time-varying interference is time-averaged, effectively eliminating the effects of backscatter.

後方散乱からの破壊的なまたは建設的な干渉を禁止する
さらに他の代わりの方法では、変調器38と同期されな
い、付加的な位相変調器が光源10の出力で誘起されて
もよい。
In yet another alternative method of inhibiting destructive or constructive interference from backscatter, an additional phase modulator, not synchronized with modulator 38, may be induced at the output of light source 10.

この場合、ループ14の中心以外の任意の点で生じる後
方散乱は、後方散乱が生じた伝播する波の場合と異な
り、光源10から検出器30への異なる光学経路長を有
する。
In this case, the backscatter that occurs at any point other than the center of the loop 14 has a different optical path length from the light source 10 to the detector 30, unlike the backscattered propagating wave.

このように、伝播している波はループ14を1回横切る
が、後方散乱された波およびそれから生じた伝播してい
る波はループ14の一部を2回横切るであろう。この部
分はループの半分でなければ、経路長は異なる。
Thus, the propagating wave will traverse the loop 14 once, but the backscattered wave and the propagating wave resulting therefrom will traverse a portion of the loop 14 twice. If this part is not half of the loop, the path length is different.

経路長が異なるので、検出器30に到達する伝播する波
は、同時に検出器30に到達する後方散乱された波と異
なる時間に光源10で発生されているであろう。
Because of the different path lengths, the propagating waves that reach the detector 30 will be generated at the light source 10 at different times than the backscattered waves that reach the detector 30 at the same time.

光源10で付加的な位相変調器により誘起された位相シ
フトは、伝播している波に関しては位相シフトφ(t)
を誘起するが、後方散乱された波に対しては位相シフト
φ(t+K)の位相シフトを誘起し、ここにおいてKは
変調器を通過する波の経路間の時間差である。φ(t+
K)はφ(t)に関して時間変化しているので、後方散
乱された干渉は時間について平均化され、効果的に、後
方散乱の影響を除去する。
The phase shift induced in the light source 10 by the additional phase modulator is the phase shift φ (t) for the propagating wave.
, Which induces a phase shift of the phase shift φ (t + K) for backscattered waves, where K is the time difference between the paths of the waves passing through the modulator. φ (t +
Since K) is time varying with respect to φ (t), the backscattered interference is averaged over time, effectively eliminating the backscattering effect.

ゲート処理された波を用いた拡大されたダイナミックレ
ンジ検出システム 第1図ないし10図を参照して上述した検出システムは
ループ14のための回転速さのあるレンジ内で非常に有
効な回転検知システムである。しかしながら、ダイナミ
ックレンジはある現象によって制限される。第9図を参
照して、曲線80が周期的であるということがわかる。
それゆえに、大きな回転速度は、曲線94を点97また
は点95のいずれかを介して移動させるのに十分大きな
△φを生じさせれば、関数96は第2の、より高い回
転速度に対して繰返す。この第2の回転速度は、第9図
に示されるサグナック位相シフト△φを生じた回転速
度よりも実質的に大きいが、出力光学信号96を用いて
より低い速度とは区別できないであろう。すなわち、よ
り大きな或る回転速度からの△φが十分に大きくて曲
線80の第2の突出部上の2つの新しい点99′および
101′間で作動するように曲線94を移動させたとす
れば、出力光学信号96は、そのような場合、点99お
よび101間で曲線94が作動するような示された場合
とは区別できないであろう。
Extended Dynamic Range Detection System Using Gated Waves The detection system described above with reference to FIGS. 1-10 is a very effective rotation sensing system within a range of rotational speeds for loop 14. Is. However, the dynamic range is limited by certain phenomena. With reference to FIG. 9, it can be seen that the curve 80 is periodic.
Therefore, if a large rotational speed causes Δφ R to be large enough to move curve 94 through either point 97 or point 95, then function 96 will yield a second, higher rotational speed. Repeat. This second rotational speed is substantially greater than the rotational speed that produced the Sagnac phase shift Δφ R shown in FIG. 9, but would be indistinguishable from the lower speed using the output optical signal 96. . That is, one could move curve 94 such that Δφ R from some higher rotational speed was sufficiently large to operate between two new points 99 'and 101' on the second protrusion of curve 80. For example, the output optical signal 96 would be indistinguishable from the case shown in which curve 94 operates between points 99 and 101 in such a case.

この発明は、光学ファイバジャイロスコープの検出レン
ジを拡大するための新規な方法および関連の装置を含
む。この方法を達成するに際し、上述した光学ファイバ
ジャイロスコープは、方程式3によって上述した“適切
な”周波数またはバイアス周波数(f)よりもはるか
に低い付加的な周波数レベル(f)で互いに逆方向に
伝播する光波の変調を含むように修正される。
The present invention includes a novel method and associated apparatus for extending the detection range of a fiber optic gyroscope. Upon achieving this method, an optical fiber gyroscope described above, opposite directions through the above-mentioned "appropriate" frequency or bias frequency (f m) much lower additional frequency level than (f m) by Equation 3 Is modified to include the modulation of the light wave propagating in the.

検知ループにおいて非対称的に配置された相反位相変調
器では、信号をその変調器に印加することによって、ル
ープにおける2個の互いに逆方向に伝播する波の位相間
の差動シフト△φが作られることができる。この△φ
は変調周波数fで時間変化しており、かつ何のDC
条件も含んでいない、なぜならばその変調サイクルの半
分において変調器により作られる位相シフトは次の半サ
イクルにおいて作られるものにより相殺されるからであ
る。
In an asymmetrically arranged reciprocal phase modulator in the sense loop, applying a signal to the modulator creates a differential shift Δφ c between the phases of two counter-propagating waves in the loop. Can be This △ φ
c is the modulation frequency f c and changes with time, and what DC
It also does not include the condition, because the phase shift produced by the modulator in one half of its modulation cycle is canceled by the one produced in the next half cycle.

対照的に、回転により生じる差動位相シフト△φはD
C量であってもよく、したがって△φは直接△φ
なくするようにするために用いられることができない。
しかしながら、ジャイロスコープは変調波形の他の半サ
イクルごとにゲートがオフの処理をされれば、残りの半
サイクルにおいて作られる平均△φはこれらの同じ半
サイクルにおいて回転により作られた信号を直接なくす
ために用いられることができる。ゲートをオンにした半
サイクルの間△φを作り出す信号の振幅をモニタする
ことによって、センサの回転速度を決定することができ
る。
In contrast, the differential phase shift Δφ R caused by rotation is D
It may be a C amount, so Δφ c cannot be used directly to eliminate Δφ R.
However, if the gyroscope is gated off every other half-cycle of the modulation waveform, the average Δφ c produced in the remaining half-cycles will directly affect the signal produced by rotation in these same half-cycles. It can be used to eliminate. By monitoring the amplitude of the signal that produces Δφ c during the gate-on half cycle, the rotational speed of the sensor can be determined.

上述したように、作動点をバイアスするためのバイアス
周波数fで、バイアス位相変調周波数よりもはるかに
低い付加的な変調周波数fを課することによって、か
つ次いでf波形の他の半サイクルごとにジャイロをオ
フにゲートすることによって、位相差変調波形が作ら
れ、その時間平均値は正味のDCレベルを有する。周波
数fで第2の位相変調の振幅を調整することによっ
て、位相差変調のこの時間平均DC値はこれらの同じ半
サイクルにおいて発生される△φを効果的になくすよ
うに調整されてもよい。上述した技術は、出力信号につ
いての回転の影響を効果的になくす働きをする。なぜな
らばゲートされた信号がオフの時間期間の間は何の回転
も識別されないからであり、かつ△φの効果は、ゲー
トされた信号がオンのとき周波数fで位相変調するこ
とによって打消される。回転量は、△φの影響をなく
すために必要であったfでの位相差変調の振幅に比例
するので、回転速度は第2の変調信号の振幅をモニタす
ることによって決定されることができる。この方法につ
いては、その方法を実現するのに用いられる装置の説明
に関して、以下により詳細に説明する。
As mentioned above, by imposing an additional modulation frequency f m, which is much lower than the bias phase modulation frequency, at the bias frequency f m for biasing the operating point, and then another half cycle of the f m waveform. By gating the gyro off every time, a phase difference modulated waveform is created, the time average of which has a net DC level. By adjusting the amplitude of the second phase modulation at the frequency f m , this time-averaged DC value of the phase difference modulation may be adjusted to effectively eliminate the Δφ R generated in these same half cycles. Good. The techniques described above serve to effectively eliminate the effects of rotation on the output signal. Because no rotation is discerned during the time period when the gated signal is off, and the effect of Δφ R is canceled by phase-modulating at the frequency f m when the gated signal is on. To be done. Rotation amount is proportional to the amplitude of the phase difference modulation at f m was necessary to eliminate the influence of △ phi R, the rotational speed can be determined by monitoring the amplitude of the second modulated signal You can This method is described in more detail below with respect to the description of the apparatus used to implement the method.

第11図を参照して、ここに説明する方法に関して用い
られるとき、検出レンジの意義ある増大を与えるととも
に、そのような検出により与えられる結果の信頼性の改
善を行なう装置の好ましい実施例が見られる。第11図
の検出システムは第1図に示されるシステムのコンポー
ネントの多くを実施する。したがって、簡略化のため、
同じ構造および機能を有する第1図および第11図のこ
れらのコンポーネントについては対応の参照数字を付す
る。
Referring to FIG. 11, a preferred embodiment of an apparatus is provided which, when used in connection with the method described herein, provides a significant increase in detection range and improves the reliability of the results provided by such detection. To be The detection system of FIG. 11 implements many of the components of the system shown in FIG. Therefore, for simplicity,
Corresponding reference numerals are assigned to those components of FIGS. 1 and 11 that have the same structure and function.

第11図の回路において、検出器30からの光学出力信
号はライン48を介して増幅器300を介して伝達さ
れ、増幅器300において、その強度は電気回路に十分
に用いられることができるように拡大される。増幅器3
00から、出力信号はライン302を通過して従来の電
子ゲート304へ至る。ゲート304の動作は、AC信
号発生器308からライン306を介して受信されたゲ
ート信号により制御される。ライン306上の信号の位
相はライン306における従来の位相遅延装置を用いて
調整されることができる。
In the circuit of FIG. 11, the optical output signal from detector 30 is transmitted via line 48 through amplifier 300, where its intensity is magnified so that it can be fully used in electrical circuits. It Amplifier 3
From 00, the output signal passes through line 302 to a conventional electronic gate 304. The operation of gate 304 is controlled by the gating signal received from AC signal generator 308 on line 306. The phase of the signal on line 306 can be adjusted using a conventional phase delay device on line 306.

信号発生器308は周波数fで第2の位相変調信号を
発生し、この周波数fは任意に選択されるが、前述し
たように、“適切な”周波数fで典型的にはセットさ
れるバイアス位相変調のそれよりもはるかに低いもので
なければならない。
Signal generator 308 generates a second phase-modulated signal at the frequency f m, although this frequency f m is selected arbitrarily, as described above, "appropriate" is typically at the frequency f b is set Must be much lower than that of bias phase modulation.

ゲート304からの信号は、信号発生器308において
発生される第2の位相変調周波数fでライン310上
へ同期的にゲートされる。次に、その信号はバンドパス
フィルタ312へ伝送され、このフィルタ312はライ
ン310から受信された信号のf周波数成分のみをラ
イン314上へ通過させる。その大きさを偏光させるた
め任意の他の信号がない場合、ライン314上の周波数
の信号はループ14が受けた回転量を表わす。
The signal from gate 304 is synchronously gated onto line 310 at a second phase modulation frequency f m generated in signal generator 308. The signal is then transmitted to bandpass filter 312, which passes only the f b frequency component of the signal received on line 310 onto line 314. The signal at frequency f b on line 314 represents the amount of rotation experienced by loop 14 in the absence of any other signal to polarize its magnitude.

以下に説明するように、ライン314上の信号は、周波
数fの第2の位相変調の振幅を制御するフィードバッ
ク信号を発生するため、ロックイン増幅器46に関して
用いられる。この第2の位相差変調の適切な振幅調整
で、信号が発生され、この信号によって、位相変調器3
8は、ライン314上の周波数fの信号が時間平均的
に、ループ回転速度にかかわらずゼロ方向へ駆動される
ように、ループにおいて互いに逆方向に伝播する波に影
響を及ぼす。
As described below, the signal on line 314 is used with lock-in amplifier 46 to generate a feedback signal that controls the amplitude of the second phase modulation at frequency f m . With the appropriate amplitude adjustment of this second phase difference modulation, a signal is generated, which signal causes the phase modulator 3
8 affects the waves propagating in opposite directions in the loop such that the signal at frequency f b on line 314 is driven in a time average, towards zero, regardless of loop rotation speed.

上述したフィードバック信号を発生するために、ライン
314上の信号はロックイン増幅器46へ伝送される。
さらに、ロックイン増幅器は、AC信号発生器40によ
り発生されたバイアス変調周波数fに対応するライン
316からの基準信号を受ける。一般に、この周波数f
は方程式(3)を用いて前に計算したように、“適切
な”周波数に対応する。
The signal on line 314 is transmitted to lock-in amplifier 46 to generate the feedback signal described above.
In addition, the lock-in amplifier receives a reference signal from line 316 corresponding to the bias modulation frequency f b generated by the AC signal generator 40. Generally, this frequency f
b corresponds to the "appropriate" frequency, as previously calculated using equation (3).

ライン314および316から受けた信号に応答して、
ロックイン増幅器46は“エラー信号”を発生し、この
信号はライン314からの入力信号の振幅に比例するも
のであり、かつライン316からの基準信号の周波数に
マッチしている。このエラー信号は第10図の曲線10
0のどこかに横たわる。特定の場合、エラー信号は、入
力ライン48上の第1高調波成分の固定された振幅を生
じる固定された回転速度のための曲線100上の或るD
Cレベルであろう。もしも第1高調波成分の振幅が変化
すれば、エラー信号のDCレベルは動作点が曲線100
に沿ってシフトするにしたがって変化するであろう。
In response to the signals received on lines 314 and 316,
The lock-in amplifier 46 produces an "error signal" which is proportional to the amplitude of the input signal from line 314 and matches the frequency of the reference signal from line 316. This error signal is the curve 10 in FIG.
Lying somewhere in 0. In a particular case, the error signal is some D on curve 100 for a fixed rotational speed that produces a fixed amplitude of the first harmonic component on input line 48.
It will be C level. If the amplitude of the first harmonic component changes, the DC level of the error signal is 100 ° at the operating point.
It will change as you shift along.

前に説明したように、周波数fでの第2の位相変調が
なければ、曲線100は、第9図の曲線80が周期的で
あるので、周期的となる。それゆえに、光学出力信号9
6のf周波数成分の大きさは、サグナック位相シフト
を増大させることにより、全体の位相シフト曲線94が
曲線80の他の突出部へ押出されるので、周期的に変化
するであろう。すなわち、曲線100上の、134(第
10図)は、結果的に生じる全体的な位相シフト曲線の
極大および極小が曲線80の第2の突出部上の対称的に
平衡した点を通じて移り変わるようにサグナック位相効
果は十分遠くまで曲線94を押し出す場合を表わす。結
果的に生じる出力波形96は、0回転速度の場合に対し
第8図に描かれた出力光学信号96と同じように現わ
れ、かつ第1の高調波成分を有しないであろう。波形9
6はこの場合第1の高調波成分を有しないので、ロック
イン増幅器の出力は回転速度が0でないという事実にも
かかわらず0であろう。
As explained previously, without the second phase modulation at the frequency f m , the curve 100 would be periodic, since the curve 80 of FIG. 9 is periodic. Therefore, the optical output signal 9
The magnitude of the f b frequency component of 6 will change periodically as increasing the Sagnac phase shift pushes the entire phase shift curve 94 to the other protrusions of curve 80. That is, on curve 100, 134 (FIG. 10) is such that the resulting global phase shift curve maxima and minima transition through the symmetrically balanced points on the second protrusion of curve 80. The Sagnac phase effect represents the case of pushing the curve 94 far enough. The resulting output waveform 96 will appear similar to the output optical signal 96 depicted in FIG. 8 for the zero rotation case and will have no first harmonic component. Wave 9
Since 6 has no first harmonic component in this case, the output of the lock-in amplifier will be zero despite the fact that the rotational speed is not zero.

この発明の検出システムは、ライン314上の第1高調
波信号の変化に応答して周波数fの第2の位相変調信
号の振幅を調整することによって、フィードバックエラ
ー信号を用いることによってこの問題を解決している。
調節された第2の位相変調信号は、次に、以下に説明す
るように、ライン314上の周波数fの信号が効果的
に打消されるようにループの互いに逆方向に伝播する波
の位相変調を調整するために用いられる。その結果、た
とえその回転がサグナック位相シフトが第10図の曲線
100上の点134へ押されるようなものであっても、
第2位相変調信号の振幅は、そのようなフィードバック
がないと、第10図の134によって示される点を越え
て曲線94を配置するであろう高速度で実際の回転速度
の準備表示を与える。
The detection system of the present invention addresses this problem by using the feedback error signal by adjusting the amplitude of the second phase modulated signal at frequency f m in response to changes in the first harmonic signal on line 314. Has been resolved.
The adjusted second phase-modulated signal is then phased with the opposite propagating waves of the loop so that the signal at frequency f b on line 314 is effectively canceled, as described below. Used to adjust the modulation. As a result, even if the rotation is such that the Sagnac phase shift is pushed to point 134 on curve 100 of FIG.
The amplitude of the second phase modulated signal, in the absence of such feedback, provides a readiness indication of the actual rotational speed at the high speed that would place curve 94 beyond the point indicated by 134 in FIG.

フィードバックエラー信号に応答して第2の位相変調信
号の振幅を調整する機能はエラー補正変調器130によ
って行なわれる。これを達成するために、エラー補正変
調器130はライン318を介してロックイン増幅器4
6からエラー信号を受け、かつまたライン320上の、
信号発生器308からの第2の変調信号を受ける。好ま
しくは、第2の変調信号は正弦波波形を規定する。
The function of adjusting the amplitude of the second phase modulation signal in response to the feedback error signal is performed by the error correction modulator 130. To achieve this, error correction modulator 130 uses lock-in amplifier 4 via line 318.
6 receives the error signal, and also on line 320,
The second modulated signal from the signal generator 308 is received. Preferably, the second modulated signal defines a sinusoidal waveform.

ライン318上のノン−ゼロエラー信号を受けると、エ
ラー補正変調器130は、ライン318上のエラー信号
の大きさを0に減少させるため、または予め定められた
0の範囲内に減少させるために、エラー信号の大きさお
よび符号に応答して第2位相変調信号の振幅を増大しま
たは減少させる。ライン318上のエラー信号のための
予め定められるレベルに達すると、変調器130は、エ
ラー信号が再び変化するまで、第2位相変調信号の振幅
を維持する。
Upon receiving a non-zero error signal on line 318, error correction modulator 130 may reduce the magnitude of the error signal on line 318 to zero, or to reduce it within a predetermined zero range. , Increase or decrease the amplitude of the second phase modulation signal in response to the magnitude and sign of the error signal. When the predetermined level for the error signal on line 318 is reached, the modulator 130 maintains the amplitude of the second phase modulated signal until the error signal changes again.

エラー信号の変化を検出すると、変調器130は、再
び、ライン318上のエラー信号が再び0に減少されま
たは予め定められる0の範囲内に減少されるまで、第2
の位相変調信号の振幅を変化させる。調節された第2位
相変調信号はエラー補正変調器130からライン322
上へ伝送される。ここに説明したフィードバックアプロ
ーチもまた、高複屈折ファイバから作られるもののよう
な、他の形式のジャイロスコープにも適用できる。
Upon detecting a change in the error signal, the modulator 130 again outputs the second signal until the error signal on line 318 is again reduced to zero or within a predetermined zero range.
The amplitude of the phase modulation signal of is changed. The adjusted second phase modulation signal is output from the error correction modulator 130 to the line 322.
Transmitted up. The feedback approach described here is also applicable to other types of gyroscopes, such as those made from highly birefringent fibers.

ライン322上の調節された第2位相変調信号は、ライ
ン324上の、信号発生器40からのバイアス変調信号
と組合せられる。ライン324からのこの組合わせられ
た信号は、互いに逆方向に伝播する波かつ、したがっ
て、上述した方法に従って、検出器30からの出力信号
に影響を及ぼすように、位相変調器38へ与えられる。
このように、第2位相変調信号は、回転速度によって互
いに逆方向に伝播する光波の位相差において発生された
位相シフトを実質的になくすため互いに逆方向に伝播す
る光波の位相差をバイアスする働きをする。この文脈に
おいて、第2位相変調信号により与えられるバイアス
は、回転速度によって生じた周波数fの出力信号の成
分を補償する働きを行なうのみらず、それはその回転速
度によって発生された位相差信号を効果的になくし、そ
れによって出力信号からのその関連の成分を取除く。
The adjusted second phase modulation signal on line 322 is combined with the bias modulation signal from signal generator 40 on line 324. This combined signal from line 324 is provided to phase modulator 38 to affect the counter-propagating waves and thus the output signal from detector 30 in accordance with the method described above.
As described above, the second phase modulation signal serves to bias the phase difference between the light waves propagating in the opposite directions in order to substantially eliminate the phase shift generated in the phase difference between the light waves propagating in the opposite directions due to the rotation speed. do. In this context, the bias provided by the second phase-modulated signal not only serves to compensate the component of the output signal at frequency f b caused by the rotational speed, but it also affects the phase difference signal generated by that rotational speed. Effectively eliminates, thereby removing its associated component from the output signal.

回転速度は、バンドパスフィルタ326を介してライン
324へ接続される出力表示装置208を用いることに
よって決定されてもよい。特に、ライン324からの変
調信号は、第2の変調周波数fの信号のみを通過させ
ることができるフィルタ326へライン330によって
接続される。フィルタ326からの信号は、ライン33
2上を介して出力表示装置208へ至る。表示装置20
8上の信号は、周波数fの第2変調信号の振幅に対応
し、かつしたがって、回転速度を決定するために用いら
れてもよい。表示装置208および回転速度を決定する
ための関連の回路については以下に詳細に説明する。
The speed of rotation may be determined by using the output display 208 connected to the line 324 via a bandpass filter 326. In particular, the modulated signal from line 324 is connected by line 330 to a filter 326 that can only pass signals at the second modulation frequency f m . The signal from filter 326 is on line 33.
2 to the output display device 208. Display device 20
The signal on 8 corresponds to the amplitude of the second modulated signal of frequency f m and may therefore be used to determine the speed of rotation. The display 208 and associated circuitry for determining rotational speed are described in detail below.

第12図を参照することによって、第11図に示された
装置におけるループ回転および位相変調の結果として、
互いに逆方向に伝播する波間で受ける結果的に生じる相
対位相シフトを図解的に説明することができる。第12
図において、光検出器30でとられた光学出力信号(図
示せず)は結果的に生じるまたは全位相シフト曲線35
0を含み、この曲線350は、(一定回転速度に対する
一定バイアス352により示される)サグナック位相シ
フト△φと、曲線354によって示される正弦関数的
に時間変化する、第2の位相差変調信号△φ(cos
ωt)と、正弦関数的に時間変化する、バイアス位相
差変調差信号△φ(cos ωt)との総和を表わ
す。その結果生じる位相シフト△φはしたがって次のよ
うに定義される。
By referring to FIG. 12, as a result of loop rotation and phase modulation in the apparatus shown in FIG.
The resulting relative phase shift experienced between waves propagating in opposite directions can be illustrated graphically. 12th
In the figure, the optical output signal (not shown) taken at the photodetector 30 is the resulting or total phase shift curve 35.
0, this curve 350 includes a Sagnac phase shift Δφ R (indicated by a constant bias 352 for a constant rotational speed) and a sinusoidally time-varying second phase difference modulation signal Δ indicated by curve 354. φ m (cos
ω m t) and the bias phase difference modulation difference signal Δφ b (cos ω b t) which changes sinusoidally with time are represented. The resulting phase shift Δφ is therefore defined as

△φ=(△φcos ωt)+(△φcos ωt) +△φ …(11) △φの時間平均値は、信号の一部をゲートオフすること
によってほぼ0の値に調整されることができる。したが
って、第12図に図解されるように、周波数fの第2
の位相差変調354の他の半サイクルがすべてゲートオ
フされる。この状況における第2位相差変調354の振
幅を調整することによって、ゲートオンされるバイアス
変調信号350の部分は垂直軸355に関して位置決め
されることができる。
△ phi = the time average value of (△ φ b cos ω b t ) + (△ φ m cos ω m t) + △ φ R ... (11) △ φ is approximately 0 by gating off a portion of the signal Can be adjusted to a value. Therefore, as illustrated in FIG. 12, the second of the frequency f m is
All other half-cycles of the phase-difference modulation 354 of <RTIgt; By adjusting the amplitude of the second phase difference modulation 354 in this situation, the portion of the bias modulation signal 350 that is gated on can be positioned with respect to the vertical axis 355.

第11図に示される回路において、ゲート304は、信
号発生器308からのゲート信号を用いることによって
第2位相変調信号と同期してオンおよびオフされる。こ
のように、ライン306上のゲート信号が第2位相変調
信号周波数fの各半サイクルでゲート304を切換え
るように同期された状態で、第12図の波形が発生され
ることができる。第12図に示すように、信号がゲート
オフされる時間の間、0の値が検出器30の出力に存在
することが理解されよう(第11図)。
In the circuit shown in FIG. 11, the gate 304 is turned on and off in synchronization with the second phase modulation signal by using the gate signal from the signal generator 308. Thus, the waveform of FIG. 12 can be generated with the gate signal on line 306 synchronized to switch gate 304 at each half cycle of the second phase modulation signal frequency f m . It will be appreciated that a value of 0 is present at the output of detector 30 during the time the signal is gated off, as shown in FIG. 12 (FIG. 11).

上述した条件の結果として発生される周波数fの出力
信号が第13図の360で示される。図解の目的で、ラ
イン360は第2位相変調波形354に関して等倍で描
かれていないことに注目される。したがって、周波数f
の出力信号のゲートされた部分の時間平均値が0に等
しくなるまで、第2位相変調信号354の振幅を調整す
ることによって、ループの回転速度を決定することがで
きることがわかる。特に、回転速度はOエラー信号を生
じた第2位相変調信号の振幅を観察することによって決
定される。
The output signal at frequency f b generated as a result of the above conditions is shown at 360 in FIG. Note that for purposes of illustration, line 360 is not drawn to scale with respect to the second phase modulation waveform 354. Therefore, the frequency f
It can be seen that the rotational speed of the loop can be determined by adjusting the amplitude of the second phase modulated signal 354 until the time averaged value of the gated portion of the output signal of b is equal to zero. In particular, the rotation speed is determined by observing the amplitude of the second phase modulation signal that produced the O error signal.

変調信号がない場合、バイアス変調周波数fの検出器
出力振幅Iは数学的に次のように説明できる。
If no modulation signal, the detector output amplitude I b of the bias modulation frequency f b can be mathematically explained as follows.

=CP(△φ)sin △φ …(12) ここにおいて、Cは定数であり、 Pは検出器に入射する光学パワーであり、 △φは互いに逆方向に伝播する波間の位相差変調の振
幅であり、 Jは第1種の第1次ベッセル関数であり、かつ △φは検知コイルの互いに逆方向に伝播する波間の位相
差である。
I b = CP 0 J 1 (Δφ b ) sin Δφ (12) where C is a constant, P 0 is the optical power incident on the detector, and Δφ b propagates in opposite directions. Is the amplitude of the phase difference modulation between the waves, J 1 is the first-order Bessel function of the first kind, and Δφ is the phase difference between the waves propagating in opposite directions of the sensing coil.

第2位相変調信号はさらに、バイアス変調周波数f
りもはるかに低い周波数fで印加されるとき、回転に
より誘起された非相反位相シフト△φが存在するとき
の位相差変調の波形は第12図に示されるとおりであ
る。光検出器30からの信号が、周波数fの位相変調
の各サイクルの50%の間オフにスイッチされるとき、
バイアス変調周波数fの復調された出力パワーは第1
3図に示される。ロックイン増幅器が周波数fの位相
変調の多くのサイクルにわたりその信号を積分する条件
の下で、復調された出力パワーは位相差変調△φの振
幅を調整することによって0にされることができる。こ
のことは、回転により誘起された非相反位相シフトがゲ
ーティングでの位相変調により時間平均について相殺さ
れることができることを意味する。復調された出力パワ
ーは第13図の360で図解される。この出力信号36
0の時間平均は次のように説明される。
The second phase modulated signal is further applied with a frequency f m much lower than the bias modulation frequency f b , and the waveform of the phase difference modulation in the presence of the rotation-induced non-reciprocal phase shift Δφ R is This is as shown in FIG. When the signal from photodetector 30 is switched off for 50% of each cycle of phase modulation of frequency f m ,
The demodulated output power of the bias modulation frequency f b is the first
It is shown in FIG. The demodulated output power can be zeroed by adjusting the amplitude of the phase difference modulation Δφ m , provided that the lock-in amplifier integrates its signal over many cycles of the phase modulation of frequency f m. it can. This means that non-reciprocal phase shifts induced by rotation can be offset with respect to time average by phase modulation with gating. The demodulated output power is illustrated at 360 in FIG. This output signal 36
The time average of 0 is explained as follows.

ここで、T=1/f; ω=2πf;および △は周波数fでの位相差変調の振幅である。 Here, T = 1 / f m ; ω m = 2πf m ; and Δ m are the amplitudes of the phase difference modulation at the frequency f m .

復調されたパワーを0にするため周波数fでの第2の
変調信号の大きさΔφと、サグナック位相シフト△φ
との間の関係は次の式から得られることができる。
And size [Delta] [phi m of the second modulated signal of the demodulated power at the frequency f m to zero, Sagnac phase shift △ phi
The relationship with R can be obtained from the equation:

ここにおいて、Jはn次ベッセル関数である。 Here, J n is an n-th order Bessel function.

方程式14により説明される。△φの値に対する第2
位相差変調の振幅の関係は第14図に図解的に示され
る。第14図の曲線370は、ジャイロが電子的に閉ル
ープ形態で作動されるときの回転に対するセンサの応答
を示す。曲線370は、第11図に示されるゲートされ
た装置におけるサグナック位相シフト(△φ)を実質
的に0にするのに必要な第2位相差変調Δφの振幅を
説明する伝達関数または倍率をグラフ的に示す。
It is described by equation 14. Second for the value of Δφ R
The amplitude relationship of the phase difference modulation is shown diagrammatically in FIG. Curve 370 of FIG. 14 shows the response of the sensor to rotation when the gyro is operated electronically in a closed loop configuration. Curve 370 is a transfer function or scale factor that describes the amplitude of the second phase difference modulation Δφ m required to bring the Sagnac phase shift (Δφ R ) to substantially zero in the gated device shown in FIG. Is shown graphically.

第14図の倍率は、用いられた位相変調器のそれによっ
てのみ制限されるジャイロスコープ動作のためのダイナ
ミックレンジを与える単調特性を有することがわかる。
完全な直線性からの、倍率曲線370の小さなずれは、
正味の非相反位相シフトがDC位相シフトに代わって時
間変化する位相シフトを用いて0に平均化されるという
事実からくるものである。したがって、この発明は、先
行技術のセンサが、いくつかの可能な回転速度のうちの
どれがその特定の特性を持つ検出器出力を生じているの
かを知ることができないであろうようなより高い回転速
度に対する検出器出力信号の曖昧性を除去する手段を提
供する。
It can be seen that the scale factor of FIG. 14 has a monotonic characteristic that provides a dynamic range for gyroscopic operation which is limited only by that of the phase modulator used.
The small deviation of the magnification curve 370 from perfect linearity is
This results from the fact that the net non-reciprocal phase shift is averaged to zero with a time varying phase shift instead of a DC phase shift. Thus, the present invention is higher than prior art sensors would be unable to know which of several possible rotational speeds are producing the detector output with its particular characteristics. Means are provided for disambiguating the detector output signal with respect to rotational speed.

周波数fの第2位相変調信号の周波数が任意であるの
で、その周波数および位相は適切な周波数で作動された
バイアス位相変調に対して固定された関係を有しないこ
とが必要である。その結果、その2つの励起信号を発生
しかつ制御するコンポーネントには安定性がそれほど要
求されない。さらに、2つの変調の間の周波数および位
相関係を欠くことによって、2つの励起信号の電気的な
組合せ、および回転センサの感度を妥協させることなく
信号位相変調器へこれらを適用することが可能となる。
Since the frequency of the second phase modulated signal at frequency f m is arbitrary, it is necessary that its frequency and phase have no fixed relationship to the bias phase modulation operated at the appropriate frequency. As a result, the components that generate and control the two excitation signals are less demanding on stability. Furthermore, the lack of a frequency and phase relationship between the two modulations makes it possible to apply them to signal phase modulators without compromising the electrical combination of the two excitation signals and the sensitivity of the rotation sensor. Become.

第11図の装置の他のコンポーネントのいくつかは以下
により詳細に説明される。
Some of the other components of the device of Figure 11 are described in more detail below.

第15図はエラー補正変調器130の一実施例を示す。
この実施例において、ライン318上のエラー信号は積
分器として接続される演算増幅器の反転入力へ結合され
る。実際的な積分器の正確な構造的な詳細は、当業者に
とって周知であり、さらにこれ以上の詳細な説明は行な
わない。
FIG. 15 shows an embodiment of the error correction modulator 130.
In this embodiment, the error signal on line 318 is coupled to the inverting input of an operational amplifier connected as an integrator. The exact structural details of practical integrators are well known to those skilled in the art and will not be described in further detail.

演算増幅器の分野において周知されているように、コン
デンサにかかる負のフィードバック電圧は点170を事
実上の接地に保とうとする。すなわち、点170の電圧
は負のフィードバックによって0ボルトまたは0ボルト
近くに保持される。しかしながら、何の電流もこの事実
上の短絡によって接地へ流れない。インピーダンスR
172によって示される、ロックイン増幅器46の出力
インピーダンスを介して演算増幅器169へ流れる入力
電流iinは、点170から接地へのインピーダンスが
0であるので、その出力インピーダンスRにより除算
されるロックイン増幅器46の出力エラー電圧に等し
い。しかし、接続点170から接地へは何の電流も流れ
ないので、入力電流iinはコンデンサ168を流れ、
かつ接地に対する出力電圧Vは時間の関数としてライ
ン174上に形成される。時間の関数として出力電圧V
のための表現は次のとおりである。
As is well known in the operational amplifier art, the negative feedback voltage across the capacitor tends to keep point 170 at virtual ground. That is, the voltage at point 170 is held at or near 0 volts by negative feedback. However, no current flows to ground due to this virtual short circuit. Impedance R 0
The input current i in flowing through the output impedance of the lock-in amplifier 46 to the operational amplifier 169, indicated by 172, is a lock-in divided by its output impedance R 0 because the impedance from point 170 to ground is 0. Equal to the output error voltage of amplifier 46. However, since no current flows from the connection point 170 to ground, the input current i in flows through the capacitor 168,
And the output voltage V 0 with respect to ground is formed on line 174 as a function of time. Output voltage V as a function of time
The expression for 0 is:

ここにおいて、Cはコンデンサ168の値である。 Here, C is the value of the capacitor 168.

第16図を参照して、演算増幅器積分器169のための
応答特性が示される。第16図(A)はライン318上
の仮定的なエラー信号を示す。ライン174上の積分器
の出力電圧Vは第16図(B)にプロットされる。
Referring to FIG. 16, the response characteristic for the operational amplifier integrator 169 is shown. FIG. 16A shows a hypothetical error signal on line 318. The output voltage V 0 of the integrator on line 174 is plotted in FIG. 16 (B).

第16図(B)からわかるように、0エラー信号に対し
ては、出力電圧曲線は0の傾斜を有し、かつノン−ゼロ
エラー信号の大きさを増大させていくと、Vのための
出力電圧曲線の傾斜の大きさが増大する。すなわち、傾
斜の符号はエラー信号が正であるか負であるかどうかに
依存し、かつ時間の或る瞬間における傾斜の勾配は、時
間の任意の瞬間のエラー信号の大きさに依存する。
As can be seen from FIG. 16 (B), for a 0 error signal, the output voltage curve has a slope of 0, and as the magnitude of the non-zero error signal is increased, it becomes V 0 . The magnitude of the output voltage curve slope increases. That is, the sign of the slope depends on whether the error signal is positive or negative, and the slope of the slope at any instant in time depends on the magnitude of the error signal at any instant in time.

エラー信号が原点から点176まで増大すると、積分器
の出力信号Vは点176Bまで増える。再び、第15
図を参照して、モトローラにより製造されるMC149
6Lのような従来の平衡変調器、および関連の回路は、
ライン174上のこの入力電圧Vを、ライン322上
の駆動信号のエンベロープにおける対応の変化に変換す
る。すなわち、変調器188の振幅はライン174上の
信号で、ライン320上の固定された振幅信号を変調す
る。ライン322上のこの駆動信号は次に、ライン32
4(第11図)へ伝送され、ライン324では、それは
発生器40からのバイアス変調信号と組合わされかつ位
相変調器38へ与えられる。
As the error signal increases from the origin to point 176, the integrator output signal V 0 increases to point 176B. Once again, the 15th
Referring to the figure, MC149 manufactured by Motorola
Conventional balanced modulators, such as the 6L, and related circuits,
This input voltage V 0 on line 174 is converted to a corresponding change in the envelope of the drive signal on line 322. That is, the amplitude of modulator 188 modulates the fixed amplitude signal on line 320 with the signal on line 174. This drive signal on line 322 is then sent to line 32
4 (FIG. 11), on line 324, it is combined with the bias modulation signal from generator 40 and provided to phase modulator 38.

ライン322上の駆動信号の振幅が増大するとき、光学
出力信号における低周波成分の振幅が上昇し始める。そ
れが十分遠くまで上昇すると、ゲートされた信号の時間
平均値は回転により生じる第1高調波成分を打消そうと
する。これは、第16図(A)の点176および177
間に示されるエラー信号を減少させようとする。減少し
ていくエラー信号は、点176Bおよび177B間に示
されるように、第16図(B)における積分器の出力電
圧Vの傾斜の勾配を変化させる。第16図(A)の点
177で、駆動信号の大きさは、光学出力の回転により
生じた第1の高調波成分のすべてを打ち消すのにちょう
ど十分なものである。これは、点177Bおよび178
B間で、Vに対する積分器の出力電圧曲線の平らな点
ノン−ゼロ部分によって反映される。
As the amplitude of the drive signal on line 322 increases, the amplitude of the low frequency component in the optical output signal begins to increase. When it rises far enough, the time averaged value of the gated signal attempts to cancel the first harmonic component caused by the rotation. This is the point 176 and 177 in FIG. 16 (A).
Try to reduce the error signal shown in between. The decreasing error signal changes the slope of the slope of the integrator output voltage V 0 in FIG. 16 (B), as shown between points 176B and 177B. At point 177 in FIG. 16A, the magnitude of the drive signal is just sufficient to cancel out all of the first harmonic components caused by the rotation of the optical output. This is points 177B and 178
Between B, it is reflected by the flat point non-zero portion of the integrator output voltage curve for V 0 .

この仮定的な状況における時間178で、ループ14の
回転速度は、エラー信号が符号を変化させかつ第16図
(A)における178と180との間に示されるように
大きさが増大し始めるように変化する。これによって、
出力電圧Vに減少が生じる、なぜならば電流iin
方向を変化させかつコンデンサ168上の電圧が変化し
始めるからである。このことが、第16図(B)の点1
78Bおよび180B間に示される。この効果は、駆動
信号の振幅を減少させることであり、この駆動信号の振
幅によって、エラー信号は第16図(A)の点180お
よび182間に見られるようにゼロ方向へ戻る傾向とな
る。
At time 178 in this hypothetical situation, the speed of rotation of loop 14 begins to increase in magnitude as the error signal changes sign and is shown between 178 and 180 in FIG. 16 (A). Changes to. by this,
A decrease in output voltage V 0 occurs because current i in changes direction and the voltage on capacitor 168 begins to change. This is point 1 in FIG. 16 (B).
Shown between 78B and 180B. The effect is to reduce the amplitude of the drive signal, which tends to cause the error signal to return to the zero direction as seen between points 180 and 182 in FIG. 16 (A).

仮定的な状況における時間182で、ループ14の回転
は、再び、より多くの第1高調波成分が、点182と1
84との間に示されるようにエラー信号曲線を偏平化す
るようにサグナック位相シフトにより発生されるように
変化する。これによって、積分器出力電圧は一定の傾斜
で下方向に傾斜して点182Bおよび184B間での第
2のまたは低周波位相変調信号の振幅を減少させる。
At time 182 in the hypothetical situation, the rotation of loop 14 again causes more of the first harmonic component to become at points 182 and 1
84 and 84 to vary as generated by the Sagnac phase shift to flatten the error signal curve. This causes the integrator output voltage to ramp downward with a constant ramp to reduce the amplitude of the second or low frequency phase modulated signal between points 182B and 184B.

時間184で、ループの回転速度は、再び、変化する
が、エラー信号はなおも負およびノン−ゼロである。ノ
ン−ゼロエラー信号によって、積分器出力電圧Vが減
少し続け、それによって駆動信号の振幅を変化させかつ
エラー信号を、点184と186との間に示されるよう
にゼロ方向は移動させる。
At time 184, the rotational speed of the loop changes again, but the error signal is still negative and non-zero. Non - by a zero error signal, the integrator output voltage V 0 continues to decrease, it by and the error signal changes the amplitude of the drive signal, the zero direction as shown between points 184 and 186 move.

一旦エラー信号がゼロに達すると、積分器出力電圧は、
サグナックにより発生された第1高調波成分のすべてま
たは実質的にすべてを打ち消させるどのような振幅でも
定常に保持する。時間186での状況は、ライン140
上の駆動信号の振幅がの後方散乱により発生される第1
高調波成分の相殺をちょうど生じさせるように適切なレ
ベルへ調整された、ループ14におけるノン−ゼロ一定
回転速度を示す。
Once the error signal reaches zero, the integrator output voltage is
It holds steady any amplitude that cancels all or substantially all of the first harmonic component generated by the Sagnac. The situation at time 186 is line 140
The first drive signal amplitude generated by the backscattering of
3 shows a non-zero constant rotational speed in loop 14, adjusted to an appropriate level just to cause cancellation of harmonic components.

当業者は、もしも回転が一方方向に加速し続ければ、出
力電圧Vは上の安全なレベルへ上昇し、たとえば、第
15図の回路のための振幅変調器188におけるコンポ
ーネントの失敗を生じさせるということを理解しよう。
このような事態を避けるため、電圧制限装置は、V
最大の正および負電圧の脱線を制限するため積分器へ結
合されなければならない。
Those skilled in the art will appreciate that if the rotation continues to accelerate in one direction, the output voltage V 0 will rise to the safe level above, causing a component failure in the amplitude modulator 188 for the circuit of FIG. 15, for example. Let's understand that.
In order to avoid such a situation, the voltage limiting device must be coupled to the integrator for limiting the excursions of the maximum positive and negative voltage V 0.

第17図を参照して、第15図において積分器190を
置換えるためにエラー補正変調器回路130の一部のた
めの好ましい実施例を示す。この実施例において、差動
増幅器192の反転入力はライン318上のエラー信号
へ結合され、かつその出力はライン174によって振幅
変調器188へ結合される。
Referring to FIG. 17, there is shown a preferred embodiment for a portion of the error correction modulator circuit 130 to replace the integrator 190 in FIG. In this embodiment, the inverting input of differential amplifier 192 is coupled to the error signal on line 318 and its output is coupled to amplitude modulator 188 by line 174.

第17図に示されたシステムが働く態様は、第18図を
参照してよりよく理解され、その第18図は、全体的な
回転センサを概略内に示しており、3−ポート回路網1
96により表わされるセンサのコンポーネントは差動増
幅器192へ結合される。センサの電子的なコンポーネ
ントの光学部分およびほとんどは、2個のインピーダン
スZおよびZのいずれかの端部へ結合された2つの
入力を有する電圧分割インピーダンス回路網196によ
って表わされている。この分割器の中点は、差動増幅器
192の反転入力へ結合される。
The manner in which the system shown in FIG. 17 works is better understood with reference to FIG. 18, which schematically shows a general rotation sensor, which is a 3-port network 1
The components of the sensor represented by 96 are coupled to differential amplifier 192. The optical part and most of the electronic components of the sensor are represented by a voltage division impedance network 196 having two inputs coupled to either end of the two impedances Z 1 and Z 2 . The midpoint of this divider is coupled to the inverting input of differential amplifier 192.

回転がループに与えられると、回転信号(記号)は3ポ
ート回路網196の第2入力へ与えられ、この回路網1
96は、差動増幅器192の反転入力へ結合されるライ
ン318へ与えられるエラー信号を生じる。この入力エ
ラー信号と、この場合接地電位であるところの、ライン
133上の基準信号との間の差が、差動増幅器192に
よって繊幅され、かつ反転され、増幅された差信号が出
力ライン194へ与えられる。この出力ラインもまた回
路網196の第1入力へ結合され、それにより負のフィ
ードバックが、回転信号により生じた点198の電圧を
打ち消そうとするインピーダンスZを介して生じる。
When rotation is applied to the loop, the rotation signal (symbol) is applied to the second input of the 3-port network 196, which network 1
96 produces an error signal provided on line 318 which is coupled to the inverting input of differential amplifier 192. The difference between this input error signal and the reference signal on line 133, which is ground potential in this case, is filtered and inverted by the differential amplifier 192 and the amplified difference signal is output line 194. Given to. This output line is also coupled to the first input of network 196, which causes negative feedback through impedance Z 1 which tends to cancel the voltage at point 198 caused by the rotation signal.

ライン194上の信号は、次いで、点198で揺動する
電圧を最小にしようとする。点198は、物理的に、第
11図のロックイン増幅器46の出力を表わす。インピ
ーダンスZおよびZは、システムの光学および電子
的部分の全体的な伝達関数およびループ利得を示す事実
上のインピーダンスである。
The signal on line 194 then seeks to minimize the voltage swing at point 198. Point 198 physically represents the output of lock-in amplifier 46 of FIG. Impedances Z 1 and Z 2 are virtual impedances that represent the overall transfer function and loop gain of the optical and electronic parts of the system.

システムの時間応答、位相マージン、バンド幅および感
度は応用に依存する設計選択事項であり、かつ標準的な
フィードバックシステムの分折がシステムパラメータを
確立するために用いられることができる。
System time response, phase margin, bandwidth and sensitivity are application-dependent design choices, and standard feedback system folds can be used to establish system parameters.

インピーダンスZを介してのフィードバックの効果
は、ロックイン増幅器の出力ライン318上のエラー信
号の揺れを、第10図のボックス200で示される小さ
なレンジに押えることである。このレンジは、設計選択
事項であり、差動増幅器192の利得に依存する。より
高い利得は、入力信号のより小さな範囲の変動を生じ
る、すなわち、より小さなボックスを生じるが、安定性
は劣る。
The effect of the feedback via impedance Z 1 is to constrain the error signal swing on the lock-in amplifier output line 318 to the small range indicated by box 200 in FIG. This range is a design choice and depends on the gain of the differential amplifier 192. Higher gains result in a smaller range of variation of the input signal, ie smaller boxes, but less stability.

ライン322上の第2位相変調駆動信号の大きさを増大
させまたは減小させることによってエラー信号をゼロま
たは実質的にゼロに減少させるようにノン−ゼロエラー
信号に反応する何らかの構造がこの発明の目的のために
十分であろう。ある実施例に対しては、エラー信号をゼ
ロまたはほぼゼロに減少させる相殺振幅の第2の位相変
調駆動信号のレベルを維持するのが望ましい。この機能
を達成するために用いられる正確な回路はこの発明にと
って問題ではない。
Any structure responsive to the non-zero error signal to reduce the error signal to zero or substantially zero by increasing or decreasing the magnitude of the second phase modulated drive signal on line 322 is contemplated by the present invention. Will be enough for the purpose. For certain embodiments, it is desirable to maintain the level of the second phase modulation drive signal with a cancellation amplitude that reduces the error signal to zero or near zero. The exact circuitry used to accomplish this function is not a problem for this invention.

エラー補正変調器のために用いられ得る代わりの回路
は、第19図に示されるようなものである。この実施例
において、ライン318上のエラー信号は比較プロセサ
201の入力へ結合される。比較プロセサは、この場合
接地電位であるその基準入力203へ与えられる基準電
圧を有する。比較プロセサは、ライン318上のエラー
信号を、ライン203上の基準信号と比較し、3出力の
うちの1つを発生する。エラー信号が正で、ノン−ゼロ
であれば、出力ライン205は論理1レベルであるとし
て駆動される。もしもエラー信号が負でノン−ゼロであ
れば、ライン207が駆動される。最後に、エラー信号
が基準信号に等しければ、ライン205が駆動される。
An alternative circuit that can be used for the error correction modulator is as shown in FIG. In this embodiment, the error signal on line 318 is coupled to the input of compare processor 201. The comparison processor has a reference voltage applied to its reference input 203, which in this case is ground potential. The compare processor compares the error signal on line 318 with the reference signal on line 203 and produces one of three outputs. If the error signal is positive and non-zero, then output line 205 is driven as a logic 1 level. If the error signal is negative and non-zero, line 207 is driven. Finally, if the error signal is equal to the reference signal, line 205 is driven.

アップダウンカウンタ211はライン205へ結合され
るアップ入力を有し、かつライン205が能動的なとき
ゼロからカウントアップを開始する。任意の瞬間のバス
213上のデータがカウントの2進表示を表わす場合、
カウントが進むに従って、2進カウントが出力バス21
3上のディジタルパターンを連続的に変化させている。
Up-down counter 211 has an up input coupled to line 205 and starts counting from zero when line 205 is active. If the data on the bus 213 at any moment represents a binary representation of the count,
As the count progresses, a binary count is output on the bus 21.
The digital pattern on 3 is continuously changed.

ディジタル−アナログコンバータ215は連続的にまた
は周期的に、バス213上の2進カウントの値をサンプ
リングし、かつディジタルデータを、ライン174上の
アナログ出力信号に変換する。このアナログ信号は、ラ
イン320上の第2の位相変調駆動信号を振幅変調して
それをライン322へ与えるため、従来の振幅変調器1
88によって用いられる。
Digital-to-analog converter 215 continuously or periodically samples the value of the binary count on bus 213 and converts the digital data to an analog output signal on line 174. This analog signal amplitude-modulates the second phase-modulated drive signal on line 320 and provides it on line 322, so that the conventional amplitude modulator 1
Used by 88.

第2の位相変調駆動信号の変化する振幅はライン318
上の変化しているエラー信号において反映される。すな
わち、エラー信号は基準信号電圧方向に傾いていくであ
ろう。
The varying amplitude of the second phase modulation drive signal is on line 318.
This is reflected in the changing error signal above. That is, the error signal will tilt toward the reference signal voltage.

エラー信号が基準電圧に達すると、コンパレータプロセ
ッサ201は、カウンタ211のストップ入力へ結合さ
れるライン209を駆動し、それによりカウントを停止
させる。D/Aコンバータは、次いで第2の高調波駆動
信号の振幅レベルを、エラー信号が再び変化するまで、
そのときに存在するレベルに定常に保持する。
When the error signal reaches the reference voltage, comparator processor 201 drives line 209, which is coupled to the stop input of counter 211, thereby stopping counting. The D / A converter then changes the amplitude level of the second harmonic drive signal until the error signal changes again.
The level existing at that time is constantly maintained.

エラー信号が負になりかつノン−ゼロになると、プロセ
スが繰返されるが、カウンタ211はゼロからまたはそ
のとき存在する正のカウントからカウントダウンし始め
る。そのカウントが、ライン207が駆動されたときに
ゼロであったならば、デコーダ217は変化符号ライン
219を駆動し、このライン219によって、D/Aコ
ンバータ215がライン174上のアナログ出力電圧の
符号を変化させる。もしもライン207が付勢されたと
きにカウントがゼロでなければ、デコーダ217はライ
ン219を駆動せず、かつD/Aコンバータ215はラ
イン205が駆動されたときと同じ符号にライン174
上のアナログ信号を留めるが、しかしカウントが減少す
るに従って振幅を下げ始める。このプロセスはライン2
09が付勢されるまで続く。
When the error signal goes negative and goes to non-zero, the process repeats, but the counter 211 begins counting down from zero or from the positive count present. If the count was zero when line 207 was driven, decoder 217 drives change sign line 219 which causes D / A converter 215 to sign the analog output voltage on line 174. Change. If the count is not zero when line 207 is activated, decoder 217 will not drive line 219 and D / A converter 215 will be at the same sign as when line 205 was driven.
Holds the analog signal above, but begins to lower its amplitude as the count decreases. This process is line 2
It continues until 09 is activated.

伝達関数は同じ領域において線形ではないので、サグナ
ック位相シフトの大きさへ、第2の高調波駆動信号の振
幅を移すために用いられる線形エレメントがエラーを招
く。伝達関数をストアするためまたは回転速度もしくは
第2高調波駆動信号の相殺振幅を与えられたサグナック
位相シフトのための伝達関数を解決するため出力に装置
が用いられてもよい。すなわち、サグナック位相シフト
による出力の第1高調波成分を打消すライン322上の
駆動信号の振幅から、回転速度またはサグナック位相シ
フトそれ自体へ変換するのが有利である。これは第11
図の出力表示回路208の目的である。
Since the transfer function is not linear in the same region, the linear element used to transfer the amplitude of the second harmonic drive signal to the magnitude of the Sagnac phase shift introduces error. A device may be used at the output for storing the transfer function or for solving the transfer function for the rotational speed or the Sagnac phase shift given the canceling amplitude of the second harmonic drive signal. That is, it is advantageous to convert the amplitude of the drive signal on line 322, which cancels the first harmonic component of the output due to the Sagnac phase shift, to the rotational speed or the Sagnac phase shift itself. This is the eleventh
This is the purpose of the output display circuit 208 shown.

第20図は出力表示装置208のための好ましい回路を
示す。ライン322上へバンドパスフィルタ326を介
して通された駆動信号の第1高調波はロックイン増幅器
210の入力へ結合される。ロックイン増幅器は駆動信
号に同調され、すなわち、それは、その基準信号とし
て、第11図の信号発生器308からのライン320上
の変調されない信号を有する。ロックイン増幅器210
の目的は、所望の波形をとりちらすライン322上のす
べてのノイズをフィルタしてしまうことである。このノ
イズは、電力線、電磁障害、ライン324上の駆動信号
とのクロストークおよび他の種々雑多な根源に基づくノ
イズから生じ得る。
FIG. 20 shows a preferred circuit for output display 208. The first harmonic of the drive signal, passed through bandpass filter 326 on line 322, is coupled to the input of lock-in amplifier 210. The lock-in amplifier is tuned to the drive signal, ie it has as its reference signal an unmodulated signal on line 320 from the signal generator 308 of FIG. Lock-in amplifier 210
The purpose of is to filter out all the noise on line 322 that scatters the desired waveform. This noise can result from noise due to power lines, electromagnetic interference, crosstalk with drive signals on line 324, and other miscellaneous sources.

ライン212上の出力信号は、ロックイン増幅器の出力
212のフィルタされた駆動信号の振幅に比例し、かつ
アナログ−ディジタル(A/D)コンバータ214へ結
合されており、コンバータ214ではそれはディジタル
データに変換される。このデータは、方程式(15)の
伝達関数によって決定される駆動信号の各振幅に対応す
る回転速度に関しディジタルデータを記憶するメモリ2
18におけるルックアップテーブルをアドレスするため
にマイクロプロセッサまたはコンピュータ216によっ
て用いられる。
The output signal on line 212 is proportional to the amplitude of the filtered drive signal at the output 212 of the lock-in amplifier and is coupled to an analog-to-digital (A / D) converter 214, which converts it to digital data. To be converted. This data is a memory 2 that stores digital data relating to the rotational speed corresponding to each amplitude of the drive signal determined by the transfer function of equation (15).
Used by the microprocessor or computer 216 to address the look-up table at 18.

A/Dコンバータ214の出力217のディジタルデー
タは、マイクロプロセッサ216によって用いられて、
ライン332上の駆動信号のその特定の振幅に対する回
転速度または対応するサグナック位相シフトを示すディ
ジタルデータを記憶するROM218の正しいアドレス
をアクセスする。マイクロプロセッサ216がこのアド
レス機能を行なうためのプログラムは、当業者にとって
明らかであり、この機能を行なうための任意のプログラ
ムが十分であろう。ROMからのディジタルデータ出力
は、ディジタル−アナログコンバータ220によってア
ナログ形式に変換されることができ、またはそれはディ
ジタル形式で用いられることもできる。
The digital data at the output 217 of the A / D converter 214 is used by the microprocessor 216 to
The correct address of ROM 218 is accessed which stores digital data indicative of the rotational speed or corresponding Sagnac phase shift of the drive signal on line 332 for that particular amplitude. The program for the microprocessor 216 to perform this address function will be apparent to those skilled in the art, and any program for performing this function will suffice. The digital data output from the ROM can be converted to analog form by digital-to-analog converter 220, or it can be used in digital form.

他の実施例では、マイクロプロセッサ216は、変数△
φとして、A/Dコンバータ214からのデータを用
いることによって方程式(14)の伝達関数を解決する
ようにプログラムされることができる。これらの実施例
において、ROM218は方程式(14)に要求される
計算を行なうためのプログラムを含むであろう。この計
算を行なうために用いられる正確なプログラムは問題で
はなく、この計算を行なうためのプログラムは当業者に
知られるであろう。この計算を行なうことができる何ら
かのプログラムは、この発明の目的のために適している
であろう。
In another embodiment, the microprocessor 216 uses the variable Δ.
It can be programmed to solve the transfer function of equation (14) by using the data from the A / D converter 214 as φ m . In these examples, ROM 218 would contain programs to perform the calculations required by equation (14). The exact program used to make this calculation does not matter, and the program for making this calculation will be known to those skilled in the art. Any program capable of performing this calculation would be suitable for the purposes of this invention.

他の実施例は、ロックイン増幅器210に代わってR.
M.S.電圧計を用いてもよいが、そのような構造はエ
ラーを導くようである。なぜならばライン332上の何
らかのノイズは、平均化されて、駆動信号の誤りの振幅
として誤って解釈されるかもしれない。R.M.S.電
圧計は、第21図に示される電圧分割器の中点にその入
力を有する。駆動信号は抵抗R1およびR2からなる電
圧分割器の接続点221へ与えられる。抵抗R1および
R2は、接続点221での駆動信号の与えられた振幅に
対して、回転速度に比例する振幅を有する信号が接続点
222で発生されるように線形領域において伝達関数の
傾斜を反映させるように選ばれる。この信号はR.M.
S.電圧計の入力へ結合されて、サグナック位相シフト
または回転速度として読まれる。
In another embodiment, R.R.
M. S. A voltmeter may be used, but such a structure seems to lead to errors. Because some noise on line 332 may be averaged and misinterpreted as the amplitude of the error in the drive signal. R. M. S. The voltmeter has its input at the midpoint of the voltage divider shown in FIG. The drive signal is applied to the connection point 221 of the voltage divider formed by the resistors R1 and R2. The resistors R1 and R2 reflect the slope of the transfer function in the linear region so that for a given amplitude of the drive signal at the connection point 221, a signal having an amplitude proportional to the rotational speed is generated at the connection point 222. Chosen to let. This signal is the R. M.
S. Coupled to the input of the voltmeter and read as a Sagnac phase shift or rotational speed.

さらに、オシロスコープもまた、駆動信号の振幅を検出
するために、第23図に示されるように、R.M.S.
電圧計に代わって用いられることができる。また、抵抗
R3およびR4からなる線形スケーリング回路網もオシ
ロスコープへその入力をスケールするために用いられ
る。第21図および第22図の実施例は、伝達関数の線
形領域において最も正確である。
Furthermore, the oscilloscope also detects the amplitude of the drive signal, as shown in FIG. M. S.
It can be used instead of a voltmeter. A linear scaling network of resistors R3 and R4 is also used to scale its input to the oscilloscope. The embodiments of Figures 21 and 22 are most accurate in the linear region of the transfer function.

より低い変調周波数の波形を測定することができる任意
の他の装置もまた出力表示回路208のために用いられ
ることができる。たとえば、アナログ曲線整合装置は、
伝達関数曲線を補償するためにかつ回転速度に比例する
出力を与えるために用いられることができる。さらに、
第20図のROMルックアップテーブルおよびマイクロ
プロセッサは、簡略化した第20図の実施例もまた適当
な結果のためほぼ線形領域において用いられることがで
きるように、伝達関数曲線のほぼ線形領域において分配
されることができる。
Any other device capable of measuring lower modulation frequency waveforms can also be used for the output display circuit 208. For example, an analog curve matching device
It can be used to compensate the transfer function curve and to provide an output proportional to the rotational speed. further,
The ROM lookup table and microprocessor of FIG. 20 is distributed in the approximately linear region of the transfer function curve so that the simplified FIG. 20 embodiment can also be used in the approximately linear region for suitable results. Can be done.

拡大されたダイナミックレンジにわたり、一般に線形的
な倍率で回転を検知するための方法および装置の他の好
ましい実施例が、第23図ないし第29図を参照して説
明されてもよい。
Another preferred embodiment of a method and apparatus for sensing rotation with a generally linear scale over an extended dynamic range may be described with reference to FIGS. 23-29.

第1図に示されるもののような装置において、非対称的
に位置決めされた位相変調器38を介して時間変化する
信号を導入することによって、検出器30の出力で測定
されるときに互いに逆方向に伝播する波の間に位相差が
生じる。このような誘起された差動位相シフト△φ
(t)は次のように定義される。
In a device such as that shown in FIG. 1, by introducing a time-varying signal through an asymmetrically positioned phase modulator 38, the signals will be in opposite directions when measured at the output of detector 30. A phase difference occurs between propagating waves. Such induced differential phase shift Δφ
(T) is defined as follows.

△φ(t)=φ(t)−φ(t−τ)…(16) ここにおいて、φ(t)は時間tにおける位相変調器に
より発生された位相シフトであり、かつ τは位相変調器38を通過する干渉している波の間の時
間差である。
Δφ (t) = φ (t) −φ (t−τ) (16) where φ (t) is the phase shift generated by the phase modulator at time t, and τ is the phase modulator. The time difference between the interfering waves passing through 38.

第23図を参照して、与えられた時間△φ(t)での互
いに逆方向に伝播する波間のDC位相差は400で示さ
れるもののような線形位相の傾斜を、位相変調器38を
介して逆方向に伝播する波へ与えることによって達成さ
れる。特に、線形的な位相傾斜400は、検知ループを
反時計方向に伝播する波に対する、変調器38を介して
の傾斜信号入力の影響を示す。反時計方向に伝播する信
号に対する同じ入力信号の影響はライン402によって
示される。傾斜400と402との間の差τの量は、検
知ループにおける位相変調器38の非対称配置に依存す
る。
Referring to FIG. 23, the DC phase difference between the waves propagating in opposite directions at a given time Δφ (t) has a linear phase slope, such as that shown at 400, through the phase modulator 38. It is achieved by giving a wave propagating in the opposite direction. In particular, the linear phase slope 400 shows the effect of the slope signal input through the modulator 38 on waves propagating counterclockwise through the sense loop. The effect of the same input signal on the signal propagating counterclockwise is shown by line 402. The amount of difference τ between slopes 400 and 402 depends on the asymmetrical placement of phase modulator 38 in the sense loop.

反時計方向および時計方向に伝播する波の間の位相差信
号△φ(t)は404で示される。この位相差は、傾斜
信号の傾きを調整することによってその大きさが変えら
れるDC値であるということが特に興味ある。したがっ
て、傾斜信号が位相変調器38を介して与えられて、回
転により誘起されるサグナック位相シフトを効果的にな
くすように調節されることができるDC位相差大きさを
生じるということが明らかとなる。
The phase difference signal Δφ (t) between the counterclockwise and clockwise propagating waves is shown at 404. It is of particular interest that this phase difference is a DC value whose magnitude can be changed by adjusting the slope of the slope signal. It thus becomes apparent that the tilt signal is provided via the phase modulator 38 to produce a DC phase difference magnitude that can be adjusted to effectively eliminate the rotation induced Sagnac phase shift. .

そのようなランプ関数を発生する或る手段は、検知ルー
プにおける非対称位置に配置される周波数シフタを用い
ることであろう。この場合、△φは次のように規定され
るであろう。
One means of generating such a ramp function would be to use frequency shifters placed asymmetrically in the sense loop. In this case, Δφ would be defined as:

△φ=2πτ△f …(17) ここにおいて、△fは周波数シフト量である。周波数シ
フタの使用によって、回転速度の測定として周波数出力
を用いることができるようにできるという付加的な利点
が得られるであろう。しかしながら、ジャイロスコープ
の応用に適してファイバ形式の周波数シフタは報告され
ていない。
Δφ = 2πτΔf (17) Here, Δf is the frequency shift amount. The use of a frequency shifter would have the additional advantage of allowing the frequency output to be used as a measure of rotational speed. However, no fiber type frequency shifter suitable for gyroscope application has been reported.

ファイバ長を変調する変調器38のような普通に用いら
れるファイバ光学位相変調器は、互いに逆方向に伝播す
る波間のDC差動位相シフトを作り出すために連続する
位相傾斜を与えることができない。したがって、この応
用において位相変調器を用いるためには、位相傾斜をシ
ミュレートする必要がある。
Commonly used fiber optic phase modulators, such as the modulator 38 that modulates the fiber length, cannot provide a continuous phase tilt to create a DC differential phase shift between waves propagating in opposite directions. Therefore, in order to use the phase modulator in this application, it is necessary to simulate the phase tilt.

第24図は位相傾斜をシミュレートするために用いられ
てもよい1つの波形を図解する。特に、第24図(A)
のライン406は、検知ループにおいて鋸歯状波を反時
計方向に伝播する信号に与える場合を示す。非対称的に
位置決めされた位相変調器から、検知ループの時計方向
に伝播する信号へ与えられる、同じ鋸歯の波形の影響を
示す。第24図(B)におけるライン410は、第24
図(A)において示される干渉している波間の位相差に
より作られた位相差信号(△φ(t))を示す。
FIG. 24 illustrates one waveform that may be used to simulate phase tilt. In particular, FIG. 24 (A)
Line 406 shows the case where a sawtooth wave is applied to the signal propagating counterclockwise in the sensing loop. Figure 6 shows the effect of the same sawtooth waveform on the clockwise propagating signal of the sensing loop from an asymmetrically positioned phase modulator. The line 410 in FIG.
The phase difference signal (Δφ (t)) generated by the phase difference between the interfering waves shown in FIG.

ライン410によって表わされる波形から見られるよう
に、2個の光学経路のリセットプロセスおよび相互関係
のため、位相差は常に一定ではあり得ない。しかしなが
ら、ライン410がDC値を規定するときの412で示
されるこれらの期間の間、DCサグナック位相シフトは
位相変調の振幅または周波数を調整することによってな
くされることができる。したがって、互いに逆方向に伝
播する光波の位相差へ、実質的にDC位相バイアスを与
えることによって、互いに逆方向に伝播する光波の位相
差が受けるサグナック位相シフトは、実質的にゼロにさ
れる。412で示されるセグメントに含まれていない期
間の間、ゼロサグナック位相シフトが、第1図の検出器
30から受けられた回転信号をターンオフすることによ
ってシミュレートされることができるということがさら
に注目されよう。
As can be seen from the waveform represented by line 410, the phase difference may not always be constant due to the reset process and interrelationship of the two optical paths. However, during these periods, shown at 412 when line 410 defines the DC value, the DC Sagnac phase shift can be eliminated by adjusting the amplitude or frequency of the phase modulation. Therefore, by applying a substantially DC phase bias to the phase difference between the light waves propagating in opposite directions, the Sagnac phase shift received by the phase difference between the light waves propagating in opposite directions is made substantially zero. It is further noted that during the period not included in the segment shown at 412, a zero sagnac phase shift can be simulated by turning off the rotation signal received from the detector 30 of FIG. See.

その結果、回転により誘起されたサグナック位相シフト
は、時間の部分の間位相変調誘起された位相差によっ
て、かつその時間の残りの間検出器30でまたは検出器
30の後で、光源10の信号をオフにすることによって
効果的になくすことができる。差動位相シフトを決定す
る、傾斜の傾きは、変調信号の振幅を調整することによ
って制御されることができる。もちろん、傾斜形式の形
態を有する他の波形もまた同様な効果を生じるために用
いられることができるということが理解されよう。たと
えば、DC位相変調出力信号の発生は、三角波形状のよ
り短い傾斜長さのため、鋸歯状波の場合よりも長い期間
その信号がターンオフされるということが必要とされる
であろうという理解で、三角波波形位相変調が利用でき
る。
As a result, the rotation-induced Sagnac phase shift is due to the phase modulation induced phase difference during a portion of time and at or after detector 30 for the rest of the time at the signal of light source 10. It can be effectively eliminated by turning off. The slope of the slope, which determines the differential phase shift, can be controlled by adjusting the amplitude of the modulation signal. Of course, it will be appreciated that other waveforms having a ramp-type morphology can also be used to produce a similar effect. For example, with the understanding that the generation of a DC phase modulated output signal would require that the signal be turned off for a longer period than in the case of a sawtooth wave due to the shorter ramp length of the triangular wave shape. , Triangular wave phase modulation can be used.

もっとも普通に用いられるファイバ光学位相変調器の1
つは、前に説明したように、まわりに巻かれたファイバ
の数ターンを持つ圧電シリンダである。不幸にも、この
装置の周波数応答は幅広い周波数レンジにわたって均一
ではない。その結果、その波形の各フーリエ成分の振幅
および位相が制御されない限り、第24図に示される形
式の鋸歯波形位相変調を達成することはほとんど不可能
である。
One of the most commonly used fiber optic phase modulators
The first is a piezoelectric cylinder with several turns of fiber wrapped around it, as explained previously. Unfortunately, the frequency response of this device is not uniform over a wide frequency range. As a result, it is almost impossible to achieve a sawtooth waveform phase modulation of the type shown in FIG. 24 unless the amplitude and phase of each Fourier component of the waveform is controlled.

上述した不均一性の問題を克服するための1つの方法
は、すべてのファイバ光学回転センサにおいて正弦波位
相変調を組合わせることによって近似的な態様で鋸歯ま
たは三角形波形を発生することである。たとえば、鋸歯
波形は、ある周波数の位相差変調を、その周波数の第2
高調波と組合わせることによってシミュレートされ、第
2高調波の振幅およびそれらの波の位相関係は適切に調
整されている。同様に、三角形波形は、ある周波数の位
相差変調を、周波数の第3高調波と組合わせることによ
って発生されることができ、それは振幅および位相関係
に対して適切に調整されていたものである。
One way to overcome the non-uniformity problem described above is to generate a sawtooth or triangular waveform in an approximate manner by combining sinusoidal phase modulation in all fiber optic rotation sensors. For example, a sawtooth waveform may be used for phase difference modulation of one frequency and second phase of that frequency.
Simulated by combining with the harmonics, the amplitudes of the second harmonics and the phase relationships of those waves are adjusted appropriately. Similarly, a triangular waveform can be generated by combining the phase difference modulation of a frequency with the third harmonic of the frequency, which was properly adjusted for the amplitude and phase relationship. .

第25図は鋸歯状波形をシミュレートするためすべての
ファイバ光学ジャイロスコープに用いられる波形の1つ
の好ましい集合体を示す。特に、鋸歯波をシミュレート
するための第1の位相変調信号はφ(t)を規定す
る、第25図(A)の正弦波450を含む。ライン45
0は、検知ループにおける反時計方向に伝播する波につ
いての正弦波位相変調信号の影響を示し、かつライン4
52は、時計方向に伝播する波についてのこの同じ正弦
波変調信号の影響を示す。
FIG. 25 shows one preferred set of waveforms used in all fiber optic gyroscopes to simulate a sawtooth waveform. In particular, the first phase modulated signal for simulating a sawtooth wave comprises the sine wave 450 of FIG. 25 (A) defining φ 1 (t). Line 45
0 indicates the effect of a sinusoidal phase-modulated signal on a counterclockwise propagating wave in the sense loop, and line 4
52 shows the effect of this same sinusoidal modulation signal on a wave propagating clockwise.

第25図(B)において、ライン454は、正弦波変調
信号450の第2高調波周波数にある第2位相変調信号
の反時計方向に伝播する波についての影響を説明する。
この第2高調波位相変調信号はφ(t)として示され
る。第25図(B)のライン456は、時計方向に伝播
する波についての、第2高調波位相変調信号の影響を図
解する。
In FIG. 25B, line 454 illustrates the effect on the counterclockwise propagating wave of the second phase modulated signal at the second harmonic frequency of the sinusoidal modulated signal 450.
This second harmonic phase modulated signal is shown as φ 2 (t). Line 456 in FIG. 25 (B) illustrates the effect of the second harmonic phase modulated signal on the clockwise propagating wave.

第25図(C)は、第25図(A)および第25図
(B)の変調信号の総和からなる波形を示す。特に、4
58で示される鋸歯形式の波形は、波形450および4
54の和を含み、かつこの変調信号に対する、反時計方
向に伝播する波の応答を示す。同様に、460で示され
る鋸歯形式の波形は、波形452および456の総和を
記述し、かつ回転センサにおける時計方向に伝播する波
についてのこの波形の影響を示す。
FIG. 25 (C) shows a waveform composed of the sum of the modulated signals of FIG. 25 (A) and FIG. 25 (B). Especially 4
The sawtooth waveform shown at 58 has waveforms 450 and 4
The sum of 54 and the response of the counterclockwise propagating wave to this modulated signal is shown. Similarly, a sawtooth waveform, shown at 460, describes the sum of waveforms 452 and 456 and shows the effect of this waveform on the clockwise propagating wave at the rotation sensor.

第25図(D)は、時間に関する位相差変調を示す。4
62で示されるこの信号は、したがって、波形458
(φ(t))および波形460(φ(t−τ))の間の
差を含み、ここにおいて、τは位相変調器を通過する干
渉波間の時間差である。第25図(D)の波形は次のよ
うに説明できる。
FIG. 25 (D) shows phase difference modulation with respect to time. Four
This signal, shown at 62, therefore has a waveform 458.
(Φ (t)) and the waveform 460 (φ (t−τ)), where τ is the time difference between the interfering waves passing through the phase modulator. The waveform of FIG. 25 (D) can be explained as follows.

△φ=cos ωt+0.3 cos 2ωt…(18) 第24図に関して説明したように、波形462(△φ
(t))は、一般に線形である、464で示される部分
を含むということに注目されよう。先に説明したよう
に、位相差信号をゲートすることによって、位相差変調
462の一般に線形のまたはDC部分を用いて効果的
に、回転により誘起されたサグナック位相シフトをなく
すことができる。第24図の鋸歯波形におけるように、
DC部分464の振幅は、位相変調の振幅または周波数
を調整することによって制御されることができる。この
ように、位相差変調464のDC状部分は、サグナック
位相シフト△φをなくすために用いられることがで
き、かつ、464部分に含まれない期間の間の信号ター
ンオフは、その時間の残りの間ゼロ△φをシミュレー
トするために用いられることができる。
Δφ = cos ω mt + 0.3 cos 2ω mt (18) As described with reference to FIG. 24, the waveform 462 (Δφ
It should be noted that (t)) includes the portion indicated at 464, which is generally linear. As explained above, by gating the phase difference signal, the generally linear or DC portion of the phase difference modulation 462 can be used to effectively eliminate rotation-induced Sagnac phase shifts. As in the sawtooth waveform of FIG. 24,
The amplitude of the DC portion 464 can be controlled by adjusting the amplitude or frequency of the phase modulation. Thus, the DC-like portion of the phase difference modulation 464 can be used to eliminate the Sagnac phase shift Δφ R , and the signal turn off during the period not included in the 464 portion is the rest of the time. Can be used to simulate a zero Δφ R.

第26図は、第11図の回転センサにおけるより低い周
波数(f)の第2変調信号としてもし第25図(C)
の鋸歯波形458が導入されたならば存在し得る位相変
調の組合わされた影響を図解的に示す。第26図はま
た、これらの状況の下で位相変調の結果として検出され
るであろう出力信号を示す。
FIG. 26 shows the lower frequency (f m ) second modulation signal in the rotation sensor of FIG. 11 if FIG. 25 (C).
5 schematically illustrates the combined effects of phase modulation that may be present if the sawtooth waveform 458 of ## EQU1 ## was introduced. FIG. 26 also shows the output signal that would be detected as a result of phase modulation under these circumstances.

特に、固定された回転速度でのサグナック位相シフトか
ら生じる位相シフトのためのDC値が352で示され
る。鋸歯の第2変調信号により発生される位相変調信号
は354で示される。さらに、バイアス変調信号
(f)によって発生される位相変調が350で示され
る。第11図の実施例に用いられる正弦波変調波形の場
合のように、鋸歯変調信号は、バイアス変調周波数f
よりもはるかに低い周波数になければならないことが注
目される。
In particular, the DC value for the phase shift resulting from the Sagnac phase shift at a fixed rotational speed is shown at 352. The phase modulation signal generated by the sawtooth second modulation signal is shown at 354. In addition, the phase modulation produced by the bias modulation signal (f b ) is shown at 350. As with the sinusoidal modulation waveform used in the embodiment of FIG. 11, the sawtooth modulation signal has a bias modulation frequency f b.
It is noted that it must be at a much lower frequency than.

上述した位相変調信号は、△φであるDC位相シフト
352について振動することが第26図に見られる。よ
り低い周波数の、第2位相変調354の振幅は、そのラ
イン354の一般に平らなまたはDC部分が垂直軸35
5上に位置決めされるように調整されたということがわ
かる。したがって、第11図の装置の光源10または検
出器30の出力のいずれかをゲートすることによって、
464で示されるようなより低い周波数変調信号354
のDC部分の間に発生される結果的に生じる出力信号の
これらの部分のみを出力することができる。このゲート
処理された期間464の間に、生ずる信号は垂直軸35
5に関して振動する。残りの期間の間、出力信号はゼロ
に等しく、したがってサグナック位相シフトがゼロにさ
れる状況をシミュレートしている。
It can be seen in FIG. 26 that the phase modulated signal described above oscillates for a DC phase shift 352 that is Δφ R. At a lower frequency, the amplitude of the second phase modulation 354 is such that the generally flat or DC portion of its line 354 has a vertical axis 35.
It can be seen that it has been adjusted to be positioned on. Therefore, by gating either the light source 10 or the detector 30 output of the apparatus of FIG.
A lower frequency modulated signal 354 as shown at 464.
It is possible to output only those parts of the resulting output signal that are generated during the DC part of the. During this gated period 464, the resulting signal is the vertical axis 35.
Vibrate about 5. For the rest of the period, the output signal is equal to zero, thus simulating a situation where the Sagnac phase shift is zeroed.

上述したようにかつ第26図の464で示される期間の
間、回転センサをゲートすることから生じる出力は、第
26図の466で示される波形によって近似される波形
を有する出力信号を発生する。
The output resulting from gating the rotation sensor as described above and for the period shown at 464 in FIG. 26 produces an output signal having a waveform approximated by the waveform shown at 466 in FIG.

出力信号466は第1高調波を含まず、サグナック位相
シフト△φがゲートされた期間の間実質的にゼロにさ
れていたということを示しかつオフ期間の間モニタされ
ていないということを示すという事実が特に興味ある。
このように、第2位相変調信号の振幅をモニタすること
によって、高い回転の拡大されたダイナミック条件にお
いても、ジャイロスコープが受ける回転量を決定するこ
とができる。この信号の振幅を検出しその回転速度を決
定するための好ましい回路は、第11図に示されるセン
サに関して前に説明した。
The output signal 466 does not contain the first harmonic, indicating that the Sagnac phase shift Δφ R was substantially zero during the gated period and is not monitored during the off period. I am particularly interested in the fact that
As described above, by monitoring the amplitude of the second phase modulation signal, it is possible to determine the amount of rotation that the gyroscope receives even under a dynamic condition in which high rotation is expanded. A preferred circuit for detecting the amplitude of this signal and determining its rotational speed has been previously described with respect to the sensor shown in FIG.

第27図は、シミュレートされたランプ変調信号を用い
て回転をモニタするために用いられる回転センサの好ま
しい一実施例を示す。第27図に示される装置のコンポ
ーネントの多くのものは構成および動作において、第1
1図の装置に含まれるエレメントに対応することに注目
されたい。それゆえに、対応するエレメントは対応する
参照数字で示されている。
FIG. 27 shows a preferred embodiment of a rotation sensor used to monitor rotation using a simulated ramp modulation signal. Many of the components of the apparatus shown in FIG. 27 are first in configuration and operation.
Note that it corresponds to the elements contained in the device of FIG. Corresponding elements are therefore indicated with corresponding reference numerals.

その構成に基づいて、第27図に示される回転センサ
は、第11図のセンサと実質的に同一である態様で機能
することが明らかとなる。しかしながら、第27図に示
されるセンサは一般に、鋸歯波のように形作られる低周
波変調信号で、正弦波の第2変調信号を置換える。鋸歯
変調信号を発生するために、信号発生器308は正弦波
波形をライン500上へ伝送する。この正弦波波形は実
質的に、第11図の発生器308からライン320へ伝
送された波形と同一である。さらに、信号発生器308
からの正弦波波形もまたライン502上で、周波数逓倍
器504へ伝送され、この逓倍器504は周波数f
正弦波変調信号を受けかつその周波数を2倍にして、振
幅調整装置506へ伝送される、周波数2fの第2高
調波を発生する。
Based on its construction, it becomes apparent that the rotation sensor shown in FIG. 27 functions in a manner that is substantially identical to the sensor of FIG. However, the sensor shown in FIG. 27 generally replaces the sinusoidal second modulation signal with a low frequency modulation signal shaped like a sawtooth wave. The signal generator 308 transmits a sinusoidal waveform onto line 500 to generate a sawtooth modulated signal. This sinusoidal waveform is substantially the same as the waveform transmitted on line 320 from generator 308 of FIG. Further, the signal generator 308
The sinusoidal waveform from is also transmitted on line 502 to frequency multiplier 504, which receives the sinusoidal modulated signal of frequency f m and doubles its frequency for transmission to amplitude adjuster 506. And generate a second harmonic of frequency 2f m .

装置506は、ポテンショメータのような、信号の振幅
を調整するための従来の手段を含んでもよい。振幅調整
装置506から、変調が位相シフト回路508へ伝送さ
れ、この回路において、その位相は、第25図(A)お
よび第25図(B)に示される波形間の関係に一般的に
対応する関係で発生器308からの第1高調波位相変調
信号に関してシフトされる。振幅調整回路506および
位相シフト回路508は、信号発生器308によって発
生される正弦波変調波形が一定周波数fに維持されて
いる限り、1回の時間調整によって手動的に設定され
る。
The device 506 may include conventional means for adjusting the amplitude of the signal, such as a potentiometer. From the amplitude adjuster 506, the modulation is transmitted to a phase shift circuit 508, where its phase generally corresponds to the relationship between the waveforms shown in FIGS. 25 (A) and 25 (B). It is shifted with respect to the first harmonic phase modulation signal from generator 308. The amplitude adjustment circuit 506 and the phase shift circuit 508, as long as the sinusoidal modulation waveform generated by the signal generator 308 is maintained at a constant frequency f m, it is manually set by timing the one.

位相シフト回路508からの第2高調波波形はライン5
00に接続するライン510上へ伝送される。したがっ
て、ライン500上の第1高調波信号と、ライン510
上の第2高調波信号が結合されて、第25図(C)に図
解されるもののような、一般に鋸歯形状を有する位相変
調波形を発生する。ライン500および510からの信
号は結合されかつライン320を介してエラー補正変調
器130へ伝送され、そこで、結合された信号が、第1
1図において図解した回転センサを参照して説明した態
様で処理される。
The second harmonic waveform from the phase shift circuit 508 is line 5
00 on line 510. Therefore, the first harmonic signal on line 500 and line 510
The second harmonic signal above is combined to produce a phase modulation waveform having a generally sawtooth shape, such as that illustrated in FIG. 25 (C). The signals from lines 500 and 510 are combined and transmitted via line 320 to error correction modulator 130, where the combined signals are first
Processing is performed in the manner described with reference to the rotation sensor illustrated in FIG.

上で説明したように、第27図の回転センサは、鋸歯波
の傾斜のついた部分により発生される位相変調から生じ
る出力の部分のみを検出するように出力信号をゲートす
ることによって、サグナック効果のDC影響をゼロにす
る働きをする。その結果、信号発生器308からの、ラ
イン306上のゲート信号は、ゲート304が鋸歯波の
傾斜のついた部分の間のみオンにされるように調整され
なければならない。信号発生器308からのゲート信号
はライン320上の変調信号の各期間の約30%ゲート
するように設定されなければならないということがわか
っている。ゲートされるライン320の波形の部分は、
第25図(D)の464で識別されるゲートされた期間
を上方向に単に外挿補間することによって識別される。
As explained above, the rotation sensor of FIG. 27 gates the output signal so as to detect only the portion of the output resulting from the phase modulation produced by the sloping portion of the sawtooth wave, thereby providing the Sagnac effect. It works to reduce the DC effect of. As a result, the gating signal on line 306 from signal generator 308 must be adjusted so that gate 304 is only turned on during the ramped portion of the sawtooth wave. It has been found that the gating signal from signal generator 308 must be set to gate about 30% of each period of the modulating signal on line 320. The portion of the waveform of gated line 320 is
It is identified by simply extrapolating upwards the gated period identified at 464 in FIG.

第28図を参照することによって、第27図の回転セン
サの使用から生じる伝達関数または倍率は実質的に線形
であることがわかる。この結果は、サグナック位相シフ
ト(△φ)が、実質的にDCの信号を規定する位相差
変調(△φ)によってゼロにされているという事実の
ために得られる。このように、第28図のグラフで示す
ように、サグナック効果により発生される位相差変調の
大きさの増大は、鋸歯波変調信号のランプ部分により発
生される位相差変調の大きさにおける対応する増大によ
って効果的になくすことができる。
By referring to FIG. 28, it can be seen that the transfer function or magnification resulting from the use of the rotation sensor of FIG. 27 is substantially linear. This result is obtained due to the fact that the Sagnac phase shift (Δφ R ) is zeroed out by the phase difference modulation (Δφ m ) which defines a substantially DC signal. Thus, as shown in the graph of FIG. 28, the increase in the magnitude of the phase difference modulation generated by the Sagnac effect corresponds to the magnitude of the phase difference modulation generated by the ramp portion of the sawtooth modulated signal. The increase can effectively eliminate it.

第11図の回転センサの場合のように、バンドパスフィ
ルタ326は周波数fの信号を、ライン330から、
出力表示装置208へ通過させ、この表示装置208
は、サグナック位相シフトを打ち消してしまうのに必要
な位相変調信号の振幅を識別することによって回転速度
を決定するために用いられる。
As with the rotation sensor of FIG. 11, the bandpass filter 326 provides a signal at frequency f m from line 330,
This output device 208 is passed through to the output display device 208.
Is used to determine the rotational speed by identifying the amplitude of the phase modulation signal required to cancel the Sagnac phase shift.

第28図に示される倍率の線形性はジャイロスコープの
倍率の光源の波長依存性を現実的に除去する。これは、
位相差変調の振幅は、サグナック位相シフトが回転速度
(1/λ)に対して有するのと同じ、与えられた信号に
対する波長依存性を有しているために可能である。光源
の波長は制御するのが困難であるという事実を考慮する
と、この位相変調アプローチはスケールファクタの安定
性を改善することができる。システムの安定性は、さら
に、フィードバック変調周波数fおよび2fが位相
変調器の共振周波数と一致しなければ改善される。さら
に、fの高調波周波数がバイアス変調周波数fと一
致しなければ、回転信号における付加的なオフセットま
たはノイズもまた除去される。
The linearity of the magnification shown in FIG. 28 practically eliminates the wavelength dependence of the light source of the gyroscope magnification. this is,
The amplitude of the phase difference modulation is possible because it has the same wavelength dependence for a given signal that the Sagnac phase shift has for rotational speed (1 / λ). Considering the fact that the wavelength of the light source is difficult to control, this phase modulation approach can improve the stability of the scale factor. The stability of the system is further improved if the feedback modulation frequencies f m and 2f m do not match the resonant frequency of the phase modulator. Moreover, if the harmonic frequency of f m does not match the bias modulation frequency f b , then additional offset or noise in the rotation signal is also removed.

第27図の回転センサにおいて、2個の周波数成分のゲ
ートする時間間隔および相対振幅は、与えられた信号に
対する位相変調器の直線応答を想定するサグナック位相
シフトの10−5から最大20ラジアンのオーダの倍率
の直線性を与えるように調整されることができる(たと
えば、△φ(t)α(cos(ωt)+0.4cos(2ω
t)のとき)。
In the rotation sensor of FIG. 27, the gated time intervals and relative amplitudes of the two frequency components are on the order of 10 −5 to 20 radians maximum of the Sagnac phase shift, which assumes the linear response of the phase modulator for a given signal. Can be adjusted to give linearity of the magnification of (eg, Δφ (t) α (cos (ω mt ) +0.4 cos (2ω
mt )).

第11図の回転センサおよび第27図の回転センサの両
方において、ゲート処理は光学パワーの損失および、セ
ンサがゲートオフされている時間期間の間回転情報の損
失の可能性を誘起する。第11図(A)の装置は、典型
的には、その装置がほぼその時間の半分の間ゲートオフ
されるので、光学パワーの半分の損失を含む。第27図
の装置では、波形の約30%のゲートで、光学出力の損
失はその時間の約70%の間生じる。この情報の損失
は、測定される回転角度θにおける突然の変化がゲート
アウトの時間間隔内で生じるときに、その回転角度のエ
ラーを生じ得る。一例として、多くの応用における予期
される最大加速度を表わすために用いられる値である、
|tθ/dt2|=1,000゜/secの加速度を用いて方
形波角加速度の全サイクルの場合を考える。15kHzの
典型的なゲート周波数fに対して、かつゲート処理が
その時間の半分の間生じている状態で、ゲートアウトさ
れる時間間隔の最初の半分内での上述の量の加速度およ
びそれに続く、その間隔の残り半分内で同じ大きさの減
速により、約2.8×10−7゜のθのエラーが生じ
る。このように、ここに説明した位相検知装置の信頼性
は非常に優れており、ゲート構成の影響が回転速度の測
定におけるエラーの傾向を非常に小さくしているという
ことが明らかとなる。
In both the rotation sensor of FIG. 11 and the rotation sensor of FIG. 27, gating induces a loss of optical power and potential loss of rotation information during the time the sensor is gated off. The device of FIG. 11 (A) contains a loss of half the optical power, since the device is typically gated off for approximately half of its time. In the device of FIG. 27, at about 30% of the gate on the waveform, the loss of optical power occurs for about 70% of the time. This loss of information can cause errors in the measured rotation angle θ when abrupt changes in the rotation angle occur within the gate-out time interval. As an example, a value used to represent the maximum expected acceleration in many applications,
Consider the case of a full cycle of square wave angular acceleration using an acceleration of | t 2 θ / dt 2 | = 1,000 ° / sec 2 . For a typical gating frequency f m of 15 kHz and with gating occurring for half of that time, the above-mentioned amount of acceleration and subsequent acceleration within the first half of the time interval being gated out. The same magnitude of deceleration within the other half of the interval causes an error of θ of approximately 2.8 × 10 −7 °. Thus, it becomes clear that the phase sensing device described herein is very reliable and that the effect of the gate configuration makes the error tendency in measuring the rotational speed very small.

第29図は鋸歯波形を用いた回転センサの他の実施例を
示す。この実施例において、信号発生器308は、方形
波パルスの列を含む、周波数fの変調信号を発生す
る。これらの方形波パルスは2fを含む、周波数f
の高調波を含む。これらの方形波パルスは、エラー補正
変調器130へライン320を介して伝送され、かつ第
11図および第27図に図解したセンサに関して前に説
明した態様で処理される。
FIG. 29 shows another embodiment of the rotation sensor using the sawtooth waveform. In this example, the signal generator 308 produces a modulated signal of frequency f m , which comprises a train of square wave pulses. These square-wave pulses include 2f m and have a frequency f m
Including harmonics of. These square wave pulses are transmitted to the error correction modulator 130 via line 320 and processed in the manner previously described for the sensor illustrated in FIGS. 11 and 27.

変調器130により発生される方形波信号は、ライン5
30を介してローパスフィルタ532へ伝送される。フ
ィルタ532は、エラー補正変調器130から伝送され
た変調の第1および第2高調波を除くすべてを除去す
る。フィルタされた信号は、次に、ライン534を介し
て位相調整回路536へ伝送される。位相調整回路53
6の1つの特定の実施例は、位相変調のための所望の鋸
歯波形を発生するように、第1高調波に関して第2高調
波の位相を修正するために用いられるチューニング可能
なバンドパスフィルタを含む。
The square wave signal generated by modulator 130 is on line 5
It is transmitted to the low pass filter 532 via 30. The filter 532 removes all but the first and second harmonics of the modulation transmitted from the error correction modulator 130. The filtered signal is then transmitted via line 534 to phase adjustment circuit 536. Phase adjustment circuit 53
One particular embodiment of No. 6 is a tunable bandpass filter used to modify the phase of the second harmonic with respect to the first harmonic to produce the desired sawtooth waveform for phase modulation. Including.

位相調整回路536からの鋸歯波形変調信号はライン5
38上へ伝送され、そこで、それが、ライン324上の
信号発生器40により発生される正弦波変調周波数f
と結合される。生じた信号は、変調信号として、位相変
調器38へ与えられる。他のすべての点において、第2
9図のセンサは第27図のセンサと同一の態様で機能す
る。
The sawtooth waveform modulation signal from the phase adjustment circuit 536 is line 5
38, where it is generated by the signal generator 40 on line 324, the sinusoidal modulation frequency f b.
Combined with. The generated signal is given to the phase modulator 38 as a modulation signal. Second in all other respects
The sensor of Figure 9 functions in the same manner as the sensor of Figure 27.

第29図に示される回転センサの1つの特定の実施例は
次のように構成されかつ評価される。検知コイルのファ
イバ長および半径は、それぞれ約580メータ、および
7センチメートルである。用いられる光源の波長は約8
30ナノメータである。位相変調器38は、まわりに巻
かれたファイバの数ターンを持つ圧電中空シリンダを含
む。圧電シリンダの第1共振周波数は約20kHzであ
る。信号発生器40により発生されるバイアス変調周波
数fは172kHzであり、約1.8ラジアンに等しい
位相差変調(△φ)の振幅を生じる。
One particular embodiment of the rotation sensor shown in FIG. 29 is constructed and evaluated as follows. The fiber length and radius of the sensing coil are approximately 580 meters and 7 centimeters, respectively. The wavelength of the light source used is about 8
It is 30 nanometers. The phase modulator 38 comprises a piezoelectric hollow cylinder with several turns of fiber wrapped around it. The first resonance frequency of the piezoelectric cylinder is about 20 kHz. The bias modulation frequency f b generated by the signal generator 40 is 172 kHz, resulting in a phase difference modulation (Δφ b ) amplitude equal to about 1.8 radians.

鋸歯波形周波数変調は次のように発生されてもよい。方
形波パルス列が信号発生器308によって発生され、こ
の発生器308は15kHzの繰返し周波数fのパルス
発生器を含む。この信号の周波数スペクトルは基本周波
数fの高調波を含む。ローパス電気フィルタ532
は、fの第1および第2高調波のみを残しすべての周
波数成分を抑制する。これらの周波数成分(15kHzお
よび30kHz)の相対振幅は、パルス発生器からの方形
波パルスの幅を変化させることによって調整される。可
変バンドパスフィルタは、2個の周波数成分の相対位相
を調整するために用いられる、位相調整回路536を含
む。発生器40からのバイアス変調信号と組合わされる
この信号は位相変調器38へ与えられる。
The sawtooth frequency modulation may be generated as follows. A square wave pulse train is generated by a signal generator 308, which includes a pulse generator with a repetition frequency f m of 15 kHz. The frequency spectrum of this signal contains harmonics of the fundamental frequency f m . Low pass electrical filter 532
Suppresses all frequency components, leaving only the first and second harmonics of f m . The relative amplitudes of these frequency components (15 kHz and 30 kHz) are adjusted by varying the width of the square wave pulse from the pulse generator. The variable bandpass filter includes a phase adjustment circuit 536 used to adjust the relative phase of the two frequency components. This signal, combined with the bias modulation signal from the generator 40, is provided to the phase modulator 38.

シリコン光検出器30からの電気信号は、ライン306
上で伝送されるパルス発生器308からの同期信号によ
って、電気スイッチまたはゲート304でゲートされ
る。ゲートする位相は、トリガ信号のパルス遅延を調整
することによって調整されてもよい。検出器30からの
信号の約30%が、線形化された倍率を得るためゲート
304を通過するように許容される。ゲート304から
の信号はライン310を横切りかつバンドパスフィルタ
312を介して伝送され、それにより、バイアス変調周
波数f上のみの通過を可能にする。この信号は、次い
で、信号発生器40からの、f周波数の基準信号と対
比して、ロックイン増幅器46において測定される。基
準信号に対してフィルタ312からの信号の比較によ
り、増幅器46におけるロックからエラー信号が発生さ
れ、これは、明細書の最初の部分で説明したエラー補正
変調器130へ伝達される。第29図の回路の動作から
生じる実際の倍率は、第28図において520で示され
る倍率に対応する。
The electrical signal from the silicon photodetector 30 is on line 306.
The synchronization signal from the pulse generator 308 transmitted above is gated on the electrical switch or gate 304. The gating phase may be adjusted by adjusting the pulse delay of the trigger signal. About 30% of the signal from detector 30 is allowed to pass through gate 304 to obtain a linearized scale factor. The signal from gate 304 is transmitted across line 310 and through bandpass filter 312, which allows it to pass only above bias modulation frequency f b . This signal is then measured in the lock-in amplifier 46 against the reference signal at f b frequency from the signal generator 40. The comparison of the signal from the filter 312 to the reference signal produces an error signal from the lock in the amplifier 46, which is communicated to the error correction modulator 130 described in the first part of the specification. The actual scale factor resulting from the operation of the circuit of FIG. 29 corresponds to the scale factor indicated by 520 in FIG.

ここに説明した回転センサは単一位相変調器の使用を示
しているが、別の位相変調器がバイアス位相変調器およ
びより低い周波数の第2位相変調器のために用いられる
ことができるということが当業者に理解されよう。さら
に、受入れることができる結果を伴なって、ここに説明
したゲート回路に関して他の波形が用いられることがで
きるということも認められよう。このような代わりの実
施例も、ここに説明しかつ特許請求したこの発明の範囲
内にあると考えられる。
Although the rotation sensor described here illustrates the use of a single phase modulator, it should be understood that another phase modulator can be used for the bias phase modulator and the lower frequency second phase modulator. Will be understood by those skilled in the art. It will also be appreciated that other waveforms can be used with the gating circuits described herein, with acceptable results. Such alternative embodiments are also considered to be within the scope of the invention described and claimed herein.

要約すると、ここに説明した発明は回転速度の非常に広
いレンジにわたり回転検知のためのダイナミックレンジ
を拡大することにおいて先行技術以上の意義ある改善を
含むのみならず、この発明はまた、(1)ただ1個の位
相変調器を選択的に用いながら、拡大されたダイナミッ
ク回転検知を得るための手段を与え、(2)倍率の光源
波長依存性を実質的に抑えることによって非常に改善さ
れた安定性でそのような回転検知を行ない、かつ(3)
倍率または伝達関数を線形化しかつ、それによって、検
知装置において要求される信号処理を意義深く簡略化す
ることによって、産業界における他の長く存在する問題
点を克服する。
In summary, not only does the invention described herein include a significant improvement over the prior art in extending the dynamic range for rotation sensing over a very wide range of rotation speeds, the invention also includes (1) While using only one phase modulator selectively, it provides a means to obtain extended dynamic rotation detection, and (2) greatly improves the stability by substantially suppressing the source wavelength dependence of magnification. Such rotation is detected by the sex, and (3)
By linearizing the magnification or transfer function and thereby significantly simplifying the signal processing required in the sensing device, other long-standing problems in industry are overcome.

この発明は、その精神または本質的な特徴から逸脱する
ことなく、他の特定の形式においても実施されることが
できる。説明した実施例はすべての点に関し、図解的な
ものにすぎず、限定的な意味であると考慮すべきでな
い。それゆえに、この発明の範囲は、前述の説明による
よりもむしろ、添付の特許請求の範囲によって示される
ものである。特許請求の範囲の意味および均等範囲内に
あるすべての変更はその範囲内に含まれるべきものであ
る。
The present invention may be embodied in other specific forms without departing from its spirit or essential characteristics. The described embodiments are in all respects only schematic and should not be considered in a limiting sense. The scope of the invention is, therefore, indicated by the appended claims rather than by the foregoing description. All changes that come within the meaning and range of equivalency of the claims are to be embraced within their scope.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

第1図は、基本的な回転センサの概略図であり、ファイ
バ光学材料からなる連続的な、中断されていないストラ
ンドに沿って位置決めされたファイバ光学コンポーネン
トを示し、かつさらに、検出システムに関連する信号発
生器、光検出器、ロックイン増幅器および表示装置を示
す。 第2図は第1図の回転センサに用いるためのファイバ光
学方向性結合器の一実施例の断面図である。 第3図は第1図の回転センサに用いるためのファイバ光
学偏光子の一実施例の断面図である。 第4図は第1図の回転センサに用いるためのファイバ光
学偏光制御装置の一実施例の斜視図である。 第5図は第1図の回転センサの概略図であり、偏光子、
偏光制御装置および位相変調器がそこから除去されてい
る。 第6図は回転的に誘起されるサグナック位相差の関数と
して、光検出器により測定される、光学出力信号の強度
のグラフであり、複屈折誘起された位相差および複屈折
誘起された振幅変動の影響を図解する。 第7図は互いに逆方向に伝播する波の間の位相差および
互いに逆方向に伝播する波の各々の位相変調を示す、時
間の関数としての位相差のグラフである。 第8図は、ループが静止しているとき、検出器により測
定される、光学出力信号の強度についての位相変調の影
響を示す概略図である。 第9図はループが回転しているとき検出器により測定さ
れる光学出力信号の強度についての位相変調の影響を示
す概略図である。 第10図は、回転的に誘起されたサグナック位相差の関
数としての増幅器出力信号のグラフであり、第1図の回
転センサのための動作範囲を示す。 第11図は拡大されたダイナミックレンジを持つゲート
された閉ループ回転センサの好ましい一実施例の図であ
る。 第12図は、サグナック効果から生じる一定バイアスに
関してのより低い周波数位相変調およびバイアス位相変
調から生じる全体的な位相シフトの図である。 第13図はサグナック効果から生じる一定バイアスに関
してのより低い周波数の位相変調のための全体の位相シ
フト、およびゲート処理から生じる光学出力信号の図で
ある。 第14図は第11図に示される回転センサの倍率のグラ
フである。 第15図はエラー補正変調器の回路図である。 第16図はサンプルエラー信号に対する第15図の変調
器の応答の図である。 第17図は好ましいエラー補正変調器の図である。 第18図は第17図のエラー補正変調器を用いた全体の
センサの概略図である。 第19図は第11図の実施例に用いられ得る他のエラー
補正変調器の図である。 第20図はより低い周波数駆動信号の振幅を回転速度に
変換するため回転センサ用の出力回路の好ましい実施例
の図である。 第21図は倍率の線形領域に用いられ得る出力表示回路
の図である。 第22図は倍率の線形領域に用いられ得る他の出力表示
回路の図である。 第23図はランプ波形により変調される干渉している波
の間の相対位相差を示すグラフである。 第24図は鋸歯波形により変調される干渉している波の
間の相対位相、およびこれらの干渉している波の間の位
相差を示す図である。 第25図は鋸歯波を形成する1つの方法の図解図であ
り、かつさらに鋸歯波形により変調される干渉している
波の間の相対位相を示すとともに、これらの干渉してい
る波の間の位相差を示す。 第26図はバイアス位相変調から生じる全体的な位相シ
フトおよびサグナック効果から生じる一定バイアスに関
してより低い周波数鋸歯波形位相変調、およびゲート処
理から生じる出力信号の図である。 第27図は拡大されたダイナミックレンジおよび実質的
に線形化された倍率を有するゲート処理された閉ループ
回転センサの好ましい一実施例の図である。 第28図は第27図に示されるセンサの倍率の図であ
る。 第29図は拡大されたダイナミックレンジおよび実質的
に線形な伝達関数を有するゲート処理された、閉ループ
回転センサの他の好ましい実施例の図である。 図において、10は光源、12は光学ファイバ、14は
検知ループ、24は偏光制御装置、26は方向性結合
器、30は光検出器、32は偏光子、36は偏光制御装
置、38は位相変調器、46は増幅器、47は表示パネ
ルを示す。
FIG. 1 is a schematic of a basic rotation sensor, showing fiber optic components positioned along a continuous, uninterrupted strand of fiber optic material, and further associated with a detection system. A signal generator, a photodetector, a lock-in amplifier and a display device are shown. 2 is a cross-sectional view of one embodiment of a fiber optic directional coupler for use in the rotation sensor of FIG. FIG. 3 is a sectional view of an embodiment of a fiber optic polarizer for use in the rotation sensor of FIG. FIG. 4 is a perspective view of an embodiment of a fiber optic polarization controller for use in the rotation sensor of FIG. FIG. 5 is a schematic diagram of the rotation sensor of FIG.
The polarization controller and the phase modulator have been removed therefrom. FIG. 6 is a graph of the optical output signal intensity measured by a photodetector as a function of rotationally induced Sagnac phase difference, showing the birefringence induced phase difference and the birefringence induced amplitude variation. Illustrates the effect of. FIG. 7 is a graph of phase difference as a function of time showing the phase difference between counter-propagating waves and the phase modulation of each counter-propagating wave. FIG. 8 is a schematic diagram showing the effect of phase modulation on the intensity of the optical output signal as measured by the detector when the loop is stationary. FIG. 9 is a schematic diagram showing the effect of phase modulation on the intensity of the optical output signal measured by the detector when the loop is rotating. 10 is a graph of amplifier output signal as a function of rotationally induced Sagnac phase difference, showing the operating range for the rotation sensor of FIG. FIG. 11 is a diagram of a preferred embodiment of a gated closed loop rotation sensor with extended dynamic range. FIG. 12 is a diagram of the overall frequency shift resulting from the lower frequency phase modulation and the bias phase modulation for a constant bias resulting from the Sagnac effect. FIG. 13 is a diagram of the overall phase shift for lower frequency phase modulation for a constant bias resulting from the Sagnac effect and the optical output signal resulting from gating. FIG. 14 is a graph of the magnification of the rotation sensor shown in FIG. FIG. 15 is a circuit diagram of the error correction modulator. FIG. 16 is a diagram of the response of the modulator of FIG. 15 to a sample error signal. FIG. 17 is a diagram of a preferred error correction modulator. FIG. 18 is a schematic diagram of the whole sensor using the error correction modulator of FIG. FIG. 19 is a diagram of another error correction modulator that may be used in the embodiment of FIG. FIG. 20 is a diagram of a preferred embodiment of an output circuit for a rotation sensor for converting the amplitude of a lower frequency drive signal into a rotation speed. FIG. 21 is a diagram of an output display circuit that can be used in the linear region of magnification. FIG. 22 is a diagram of another output display circuit that can be used in the linear region of magnification. FIG. 23 is a graph showing the relative phase difference between interfering waves modulated by the ramp waveform. FIG. 24 shows the relative phase between the interfering waves modulated by the sawtooth waveform and the phase difference between these interfering waves. FIG. 25 is a schematic illustration of one method of forming a sawtooth wave, and further showing the relative phase between the interfering waves modulated by the sawtooth waveform and showing between these interfering waves. Indicates the phase difference. FIG. 26 is a diagram of the overall phase shift resulting from bias phase modulation and the lower frequency sawtooth phase modulation for constant bias resulting from the Sagnac effect and the output signal resulting from gating. FIG. 27 is a diagram of a preferred embodiment of a gated closed loop rotation sensor with expanded dynamic range and substantially linearized scaling. FIG. 28 is a diagram of the magnification of the sensor shown in FIG. FIG. 29 is a diagram of another preferred embodiment of a gated, closed loop rotation sensor with extended dynamic range and a substantially linear transfer function. In the figure, 10 is a light source, 12 is an optical fiber, 14 is a detection loop, 24 is a polarization controller, 26 is a directional coupler, 30 is a photodetector, 32 is a polarizer, 36 is a polarization controller, and 38 is a phase. A modulator, 46 is an amplifier, and 47 is a display panel.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭55−93010(JP,A) 特開 昭58−501597(JP,A) ─────────────────────────────────────────────────── --Continued from the front page (56) References JP-A-55-93010 (JP, A) JP-A-58-501597 (JP, A)

Claims (14)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】光学ループを用いて物理パラメータを検知
し測定するための装置であって、前記光学ループ内を反
対方向に伝搬する光波を発生するための光源と、前記反
対方向に伝搬する光波に応答する検出器とを含み、前記
反対方向に伝搬する光波の位相差は前記物理パラメータ
に従ってシフトされ、かつ前記光波は第1の周波数で位
相変調されかつ組合わされて出力信号を形成し、 少なくとも前記出力信号の成分を選ばれた時間において
ブランクしてゲートされた信号を生成するためのゲート
回路と、 前記反対方向に伝搬する光波の位相差を第2の実質的に
一定の周波数でバイアスするための位相差変調器と、 前記検出器の出力に応答して前記位相差変調器の前記第
2の周波数での周期的バイアスを、前記物理パラメータ
により生じた前記ゲートされた信号における成分を零に
するように調節するための制御素子と、 前記周期的バイアスの量を測定して前記物理パラメータ
の大きさを決定するための回路とを備える、物理パラメ
ータを検知し測定するための装置。
1. A device for detecting and measuring a physical parameter using an optical loop, comprising a light source for generating a light wave propagating in the optical loop in the opposite direction, and a light wave propagating in the opposite direction. A detector responsive to the phase difference of the counter-propagating light waves is shifted according to the physical parameter, and the light waves are phase modulated at a first frequency and combined to form an output signal, at least A gate circuit for blanking the components of the output signal at a selected time to produce a gated signal, and biasing the phase difference of the light waves propagating in the opposite direction at a second substantially constant frequency. A differential phase modulator for generating a periodic bias at the second frequency of the differential phase modulator in response to the output of the detector, the physical bias being generated by the physical parameter. Sensing a physical parameter, comprising a control element for adjusting the component in the gated signal to zero, and a circuit for measuring the amount of the periodic bias to determine the magnitude of the physical parameter. Device for measuring.
【請求項2】前記ゲート回路は、前記第2の周波数成分
をブランクにする、特許請求の範囲第1項記載の物理パ
ラメータを検知し測定するための装置。
2. An apparatus for detecting and measuring physical parameters according to claim 1, wherein said gating circuit blanks said second frequency component.
【請求項3】前記第2の周波数は前記第1の周波数より
も低い、特許請求の範囲第1項記載の物理パラメータを
検知し測定するための装置。
3. An apparatus for detecting and measuring a physical parameter according to claim 1, wherein the second frequency is lower than the first frequency.
【請求項4】前記第2の周波数の変調信号を発生するた
めの第1の信号発生器をさらに備え、前記第1の信号発
生器は前記位相差変調器を前記制御素子を介して駆動す
る、特許請求の範囲第1項ないし第3項のいずれかに記
載の物理パラメータを検知し測定するための装置。
4. A first signal generator for generating a modulated signal of the second frequency, the first signal generator driving the phase difference modulator via the control element. An apparatus for detecting and measuring a physical parameter according to any one of claims 1 to 3.
【請求項5】前記ゲート回路は、 前記検出器に接続されかつ前記第1の信号発生器に応答
して前記反対方向に伝搬する光波の選択された部分を消
去するためのゲート素子と、 前記ゲート素子を前記制御素子へ接続し、前記ゲート素
子の出力を基準信号と比較し、かつ前記制御素子を駆動
して前記第1の周波数の変調の振幅を前記物理パラメー
タにより前記ゲートされた信号に生じた成分を相殺する
ように調整するためのフィードバック回路とを備える、
特許請求の範囲第4項記載の物理パラメータを検知し測
定するための装置。
5. The gate circuit comprises: a gate element connected to the detector and for erasing a selected portion of the light wave propagating in the opposite direction in response to the first signal generator; Connecting a gate element to the control element, comparing the output of the gate element with a reference signal, and driving the control element to change the amplitude of the modulation of the first frequency to the gated signal according to the physical parameter. A feedback circuit for adjusting so as to cancel the generated components,
An apparatus for detecting and measuring physical parameters according to claim 4.
【請求項6】前記位相差変調器は、実質的に直流位相バ
イアスを前記反対方向に伝搬する光波に与える、特許請
求の範囲第1項記載の物理パラメータを検知し測定する
ための装置。
6. The apparatus for detecting and measuring physical parameters of claim 1 wherein said phase difference modulator imparts a substantially DC phase bias to said counter-propagating light waves.
【請求項7】前記反対方向に伝搬する光波に対し第2の
周波数の位相ランプ変調を与えるためのバイアス回路を
さらに備える、特許請求の範囲第6項記載の物理パラメ
ータを検知し測定するための装置。
7. The method for detecting and measuring a physical parameter according to claim 6, further comprising a bias circuit for applying a phase ramp modulation of a second frequency to the light wave propagating in the opposite direction. apparatus.
【請求項8】前記バイアス回路は、 前記第2の周波数の第1の変調信号を生成するための第
1の信号発生器と、 前記第1の変調信号に応答して、結果変調信号を生成す
るように前記第1の変調信号を修正するための電子回路
とを含み、前記結果変調信号の少なくとも一部はランプ
波形を規定し、かつさらに前記バイアス回路は電気的に
前記第1の信号発生器に接続され、前記物理パラメータ
に応答して前記結果変調信号の振幅を調節するためのエ
ラー訂正変調器を備え、 前記位相差変調器は前記結果変調信号を前記反対方向に
伝搬する光波へ与え、これにより前記結果変調信号のラ
ンプ波形部分の間前記位相ランプ変調により生じた位相
差変調の実質的に直流成分が前記位相差において前記物
理パラメータにより生じた位相シフトを零にする、特許
請求の範囲第7項記載の物理パラメータを検知し測定す
るための装置。
8. The bias circuit includes a first signal generator for generating a first modulated signal of the second frequency, and a resultant modulated signal in response to the first modulated signal. An electronic circuit for modifying the first modulated signal so that at least a portion of the resulting modulated signal defines a ramp waveform, and further the bias circuit electrically conducts the first signal generation. An error correction modulator for adjusting the amplitude of the resultant modulated signal in response to the physical parameter, the phase difference modulator providing the resultant modulated signal to the light wave propagating in the opposite direction. , Whereby substantially the DC component of the phase difference modulation produced by the phase ramp modulation during the ramp waveform portion of the resultant modulation signal causes the phase shift produced by the physical parameter at the phase difference to be zero. Apparatus for measuring and detecting a physical parameter in the range 7 claim of claims.
【請求項9】前記検出器に電気的に接続されかつ前記第
1の信号発生器に応答して前記位相差信号の選択された
部分を消去するためのゲート素子と、 前記ゲート素子に電気的に接続され、前記位相差信号の
非消去部分を検出して基準信号と比較し、かつ該比較結
果に従ってフィードバックエラー信号を生成し、前記エ
ラー訂正変調器が、前記結果変調信号の振幅が前記フィ
ードバックエラー信号の振幅を小さくするように調整さ
れるように制御するためのフィードバック回路とをさら
に備える、特許請求の範囲第8項記載の物理パラメータ
を検知し測定するための装置。
9. A gate element electrically connected to said detector for erasing a selected portion of said phase difference signal in response to said first signal generator; And a non-erased portion of the phase difference signal is detected and compared with a reference signal, and a feedback error signal is generated according to the comparison result, the error correction modulator outputs the amplitude of the resultant modulation signal to the feedback signal. An apparatus for detecting and measuring a physical parameter according to claim 8, further comprising a feedback circuit for controlling the amplitude of the error signal to be adjusted so as to be small.
【請求項10】前記電子回路は、 前記第1の信号発生器に電気的に結合されて前記第1の
変調信号の高調波である第2の変調信号を生成するため
の周波数逓倍器と、 前記高調波の振幅を前記第1の変調信号の振幅と対応す
るように調節するための振幅調整回路と、 前記第1および第2の変調信号の波形の和の一部がラン
プ波形を規定するように前記高調波の位相を前記第1の
変調信号に関してシフトさせるための位相シフト手段
と、 前記第1の信号発生器と前記位相シフト手段との間に設
けられ前記第1および第2の変調信号を組合わせて前記
結果変調信号を形成するための電気的接続とを備える、
特許請求の範囲第8項記載の物理パラメータを検知し測
定するための装置。
10. The electronic circuit includes a frequency multiplier electrically coupled to the first signal generator to generate a second modulated signal that is a harmonic of the first modulated signal, An amplitude adjusting circuit for adjusting the amplitude of the harmonic so as to correspond to the amplitude of the first modulation signal, and a part of the sum of the waveforms of the first and second modulation signals defines a ramp waveform. Phase shift means for shifting the phase of the harmonic with respect to the first modulation signal, and the first and second modulations provided between the first signal generator and the phase shift means. Electrical connections for combining signals to form the resulting modulated signal,
An apparatus for detecting and measuring a physical parameter according to claim 8.
【請求項11】第1の周波数で位相変調されるとともに
組合わされて出力信号を形成する反対方向に伝搬する光
波をその内部を伝搬させるための光学ループを利用して
物理パラメータを決定するための方法であって、 前記出力信号の少なくとも成分を選択された時間におい
てブランクにしてゲートされた信号を生成するステップ
と、 前記反対方向に伝搬する光波の位相を第2の実質的に固
定された周波数でバイアスして、前記物理パラメータに
より生じた前記ゲートされた信号における成分を実質的
に零とするステップと、 前記バイアスの量を測定して前記物理パラメータを決定
するステップとを備える、物理パラメータを決定する方
法。
11. A method for determining a physical parameter utilizing an optical loop for propagating counter-propagating light waves phase modulated at a first frequency and combined to form an output signal therein. A method of blanking at least a component of the output signal at a selected time to produce a gated signal, the phase of a light wave propagating in the opposite direction to a second substantially fixed frequency. Biasing the physical parameter to substantially zero the component in the gated signal caused by the physical parameter; and measuring the amount of the bias to determine the physical parameter. How to decide.
【請求項12】前記反対方向に伝搬する光波の位相をバ
イアスするステップは、 前記反対方向に伝搬する光波を第2の実質的に固定され
た周波数で位相変調するステップと、 前記出力信号に応答してフィードバック信号を生成する
ステップとを備え、前記フィードバック信号は前記位相
変調により零とされなかった反対方向に伝搬する光波の
位相差における前記物理パラメータにより生じた位相シ
フトの量の目安を与え、 さらに前記フィードバック信号に応答して前記第2の周
波数の前記位相変調の振幅を調節するステップとを備え
る、特許請求の範囲第11項記載の物理パラメータを決
定する方法。
12. Biasing the phase of said counter-propagating light wave in phase modulating said counter-propagating light wave at a second substantially fixed frequency, and responsive to said output signal. Generating a feedback signal, the feedback signal providing a measure of the amount of phase shift caused by the physical parameter in the phase difference of the oppositely propagating light waves that were not zeroed by the phase modulation, Adjusting the amplitude of the phase modulation of the second frequency in response to the feedback signal.
【請求項13】前記バイアスの量を測定するステップ
は、前記第2の周波数の位相変調の振幅を監視するステ
ップを含む、特許請求の範囲第11項記載の物理パラメ
ータを決定する方法。
13. A method for determining a physical parameter according to claim 11, wherein the step of measuring the amount of bias comprises the step of monitoring the amplitude of the phase modulation of the second frequency.
【請求項14】前記バイアスするステップは、前記第2
の周波数に相当する期間の少なくとも一部分の間位相ラ
ンプ変調を前記反対方向に伝搬する光波に与え、これに
より前記反対方向に伝搬する光波の位相差に対し直流位
相バイアスを与えて前記ゲートされた信号において前記
物理パラメータにより生じた成分を実質的に零とするス
テップとを備える、特許請求の範囲第11項記載の物理
パラメータを決定する方法。
14. The step of biasing comprises the step of:
Of the gated signal by applying a phase ramp modulation to the counterpropagating light wave for at least a portion of a period corresponding to the frequency of 12. The method of claim 11, wherein the component caused by the physical parameter is substantially zero.
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