JPH0624278B2 - リングレーザジャイロスコープの回転速度を決定するための信号を生成するためのシステムおよび方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 この発明は一般に回転センサに関するものであり、特に
リングレーザジャイロスコープ回転センサに関するもの
である。また特に、この発明はリングレーザジャイロス
コープにおいて、リングレーザジャイロスコープ内を逆
方向に伝搬するビームの、低回転において共通の周波数
にロックするという傾向により生ずるランダムウォーク
誤差を減ずるための装置および方法に関連する。

リングレーザジャイロスコープは回転を検出するために
サニャック効果を採用する。平面閉ループの２つの逆伝
搬する光ビームはループの平面に垂直な軸を中心にした
そのループの回転速度に正比例して異なる走行時間を有
するであろう。このループは平面状である必要ではない
が、平面リングレーザジャイロスコープは最も単純な型
の光路を有する。

サニャック効果を利用して回転を検出するためには一般
に２つの基本的な技術が存在する。第１の技術はインタ
ーフェロメトリ的アプローチであり、それは典型的には
レーザである、外部光源からサニャックリングへ注入さ
れる２つの逆伝搬ビームの間の微分位相シフトを測定す
ることを含む。

このリングは光ビームを光路を周回するように反射する
ミラーかまたは光ファイバのコイルによる規定され得
る。この光路の出口においてビームは干渉を起こして、
普通フリンジパターンと呼ばれる白と黒のラインのパタ
ーンを作る。フリンジパターンの絶対的な変化はリング
の回転を表わす。そのような装置についての主な難点
は、誘導用途では、興味のある回転速度に対する変化が
非常に小さいことである。

リングレーザジャイロスコープは閉じた空洞の共振特性
を利用して、逆伝搬するビーム間のサニャック位相差を
周波数差に変換する。リングレーザジャイロスコープで
使用される光の、約１０^１５Ｈｚという高い光周波数に
より、微小な位相変化も、容易に測定可能なうなり周波
数となる。

リングレーザジャイロスコープは逆伝搬ビームが通過す
る閉じた光路を貫通するセンサ軸を有する。リングレー
ザジャイロスコープがそのセンサ軸を中心に回転してい
ないときには、２つの逆伝搬ビームの光路は同じ長さを
有し、そのため２つのビームは同じ周波数を有する。リ
ングレーザジャイロスコープのそのセンサ軸を中心にし
た回転は、回転の方向に移動する光の実効光路長を増加
させるが、一方で回転と反対の方向に移動する波の実効
光路長を減少させる。

レイジングまたは利得媒体が空洞の外部にあるかそれと
も内部にあるかに依存して、リングレーザジャイロスコ
ープは受動または能動に分類され得る。能動リングレー
ザジャイロスコープでは、閉じた光路により規定される
空洞は発振器となり、二方向から出力ビームはともにう
なりを生ずるように結合され得て、回転速度の測定値で
あるうなり周波数を与える。発振器によるアプローチ
は、空洞共振器の周波数フィルタリング特性が、受動空
洞よりもはるかに低く狭められて、極めて厳正な回転感
知能力を与えることを意味する。現在まで、リングレー
ザジャイロスコープ回転センサとしては、主に能動リン
グレーザに努力が傾注されてきた。現在市場で入手可能
な光回転センサのすべては能動リングレーザジャイロス
コープである。

能動リングレーザジャイロスコープでは、閉じた光路の
長さは少なくとも１個の可動ミラーにより最大強度を維
持するように制御される、最大強度は、レイジング利得
が最大である、閉じた全光路長が、波長の整数（約１０
^６）倍を含むときに達成される。最大強度は光路長の１
波長分の変化により分離されるのが認められる。光路長
の波長の数はレーザジャイロスコープのモードと呼ばれ
る。

リングレーザジャイロスコープの回転速度が在る一定範
囲内にあるときには、ビーム間の周波数差は消える。こ
の現象は周波数ロックインまたはモードロッキングと呼
ばれ、低回転速度ではリングレーザジャイロスコープは
装置が回転していないという偽表示を生じるので、リン
グレーザジャイロスコープについての主な難点となって
いる。リングレーザジャイロスコープの回転速度がロッ
クインが生じる値よりも大きい値で始まり、次に減じら
れるならば、ビーム間の周波数差は或る一定の入力回転
速度で消える。この入力回転速度はロックインしきい値
と呼ばれ、Ω_Ｌと示され得る。ロックインが生じている
間にわたる回転速度の範囲はリングレーザジャイロスコ
ープのデッドバンドである。

ロックインはビーム間の光の結合から生じると思われ
る。このカプリングはビームを閉じた光路に閉じ込める
ミラーからの後方散乱により主に生ずる。後方散乱は、
一方向のビームが逆の方向に伝搬するビームの周波数を
有する小さな成分を含むことを引き起こす。リングレー
ザジャイロスコープのロックイン効果は従来の電子発振
器で久しく観察され、理解されてきたカプリングに類似
する。

リングレーザジャイロスコープから出力される誤った回
転速度情報を引き起こすことに加えて、ロックインは定
在波がミラー表面に現われることを引き起こす。これら
定在波は高低吸収領域の回析格子を生じることがあり、
それにより生ずる局所的損失は、カプリングおよびロッ
クインを増加させる。リングレーザジャイロスコープを
ロックイン状態で動作させ続けることにより、ミラーが
恒久的に変形してしまうことがある。

低回転速度を正確に測定できないことにより、航法シス
テムでのリングレーザジャイロスコープの効力が減じら
れる。ロックインの効果を低減また除去して、そのよう
なシステムでリングレーザジャイロスコープの有効利用
を高めるために、相当量の研究および開発が行なわれて
きた。

ロックインに関する問題を解決するいくつかの公知のア
プローチがある。これらアプローチは、逆方向に周回す
るビーム間の周波数差にバイアスをかけて、レーザジャ
イロスコープの動作時間のすべてにおいて、あるいは大
部分においてロックイン領域を回避する形式をとってい
る。ファラデーセルまたは磁気ミラーのような電子光学
手段を周波数にバイアスをかけるために採用することも
あり、あるいはレーザジャイロスコープに、ジャイロ本
体によりバイアスをかけることもある。典型的には、電
気的方法または機械的方法のいずれかで周期的に速度を
逆にすることが行なわれている。なぜならば、こうして
付与されたバイアスの大きさを、慣性航法を可能にする
のに必要とされる精度では知ることができないことがし
ばしばだからである。速度の逆転により、付与されるバ
イアスは平均化される。

最も普通のうまいアプローチは、リングレーザジャイロ
スコープをそのセンサ軸を中心に機械的に振動させ、装
置がデッドバンドを通って絶えず揺れ、完全にはそこに
ロックされないようにすることを含む。リングレーザジ
ャイロスコープのこの機械的振動は普通ディザリングと
呼ばれる。典型的なリングレーザジャイロスコープは数
アーク分の角変位で約４００Ｈｚでディザリングされ得
る。

ディザリングは中央部分から延びる複数個のベーンまた
はブレードを含む撓み装置の上にリングレーザジャイロ
スコープのフレームを装設することにより達成される。
各ブレードは１対の圧電素子がそれの両側に装設され
る。各ブレード上の一方の圧電素子が長さを増し、他方
の圧電素子が長さを減じるように、圧電素子に電圧が印
加される。圧電素子のこういった長さの変化の効果はブ
レードに圧電素子を装設することによりブレードに伝達
される。各ブレードの一方の長さを増しながら他方を短
くすることにより、ブレードは撓むか曲がるようにさ
れ、各ブレードはリングレーザジャイロスコープの軸を
中心にわずかな回転を体験する。この電圧は振動性であ
るのでブレードの位相が絶えず振動し、ブレードに装設
されたリングレーザジャイロスコープのフレームはその
軸を中心に回転する。

普通ディザリングの振幅は制御され、モニタされる。支
持構造に関連するディザー発振角速度および変位は絶え
ずモニタされ得るので、それらはリングレーザジャイロ
スコープの出力信号から排除され得る。残留ロックイン
誤差のため、ディザリング振幅を一定にすることは望ま
しくないことがわかっている。典型的に実施されている
のは、ディザー駆動増幅器の振幅に不規則信号のスーパ
ーインポーズすることである。

たとえディザリングしても、残留する相応のロックイン
は存在する。周波数差の符号または方向が逆転すると、
２つのビーム間の周波数差が或る点で零になるので、そ
れら２つのビームはロックインする傾向にある。リング
レーザジャイロスコープの出力角度は普通周波数差から
得られるので、誤差が出力角度に累積していく。２つの
ビームがロックインされる期間は普通非常に短く、その
ため結果として生じる出力角度の誤差はいずれか１個の
符号の変化に対しても非常に小さい。それにもかかわら
ず、周波数差の符号が逆転する間にロックインから生じ
る誤差は累積しており、特に精密航法システムではやが
て相当な量となる。この誤差はしばしばランダムウォー
クまたはランダムドリフトと呼ばれる。

リングレーザジャイロスコープはジンバルのシステムに
装設され得る。典型的にはジンバルの装設システムで
は、リングレーザジャイロスコープのセンシング軸は慣
性基準に関連してまたは地上で固定された座標に関連し
て固定されている。

リングレーザジャイロスコープを装設する別な方法はそ
れらを車両に取付けて、センア軸が車両上の１組の直交
軸と整列されるようにすることである。加速度計もこの
車両に取付けられ、コンピュータが加速度計と回転セン
サから航法座標にデータを伝送する。この形状は吊下げ
式実現化と呼ばれる。そのスケールファクタの精度とダ
イナミツクレンジのせいで、リングレーザジャイロスコ
ープはスピニング・ロータ・ジャイロスコープよりも吊
下げ式システムにより適している。リングレーザジャイ
ロスコープのスケールファクタの精度は典型的にはスピ
ニング・ロータ・ジャイロスコープの精度の５ないし１
０倍である。

ハッチングス（Ｈｕｔｃｈｉｎｇｓ）等に与えられかつ
この発明の譲受人、リットン・システムズ・インコーポ
レーテッド（Ｌｉｔｔｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ，Ｉｎｃ．）
に譲渡された、米国特許第４，１１５，００４号は、ジ
ャイロスコープの振動のせいであるケースの振動運動を
減じるためにリングレーザジャイロスコープのケースに
釣合い重りを装設する二重ばねシステムを開示してい
る。この二重ばねシステムはケースとジャイロスコープ
との間に装設される第１の組のばねとケースと釣合い重
りとの間に装設される第２の組のばねを含む。

マクネア（ＭｃＮａｉｒ）等に与えられかつこの発明の
譲受人であるリットン・システムズ・インコーポレーテ
ッドに譲渡された、米国特許第４，３０９，１０７号
は、ジャイロスコープをディザリングすることにより発
生される振動エネルギを分離して、そのエネルギがジャ
イロスコープの据付けケースに渡されないようにするた
めの、リングレーザジャイロスコープディザリング機構
を開示している。マクネア等はハウジングまたはケース
にジャイロスコーウを装設し、そのジャイロスコープに
釣合い重りを装設し、さらにそのケースにその釣合い重
りを装設するための３ばねシステムを開示している。こ
の配置は、釣合い重りを用いて、ロックインを防げるた
めに機械的にディザリングすることにより引き起こされ
るジャイロスコープ内での振動に対する反作用を防げる
ことにより、ジャイロスコープのケースに伝わる角振動
エネルギの量を減じる。

ブラード（Ｂｕｌｌａｒｄ）に与えられた米国特許第
３，４６４，６５７号は、航空機の計器のフレームと取
付プラットフォームとの間で接続されてその計器から振
動エネルギを分離する、１組のばねを開示している。

キルパトリック（Ｋｉｌｌｐａｒｒｉｃｋ）に与えられ
た米国特許第３，３７３，６５０号は、周波数の変化す
るバイアスが逆方向に伝搬する２つのビームのうちの少
なくとも１つに付与されるディザリングシステムを開示
している。キルパトリックはファラデーセルと逆伝搬光
ビームの光路の２個の四分の一波長板を開示している。
このファラゼーセルは振動電流により付勢され、逆伝搬
ビームと相互作用する振動磁界を生ずるコイルを含む。
変化するバイアス逆伝搬ビーム間に変化する周波数差を
引き起こす。この周波数差は一般にロックインしきい値
で生じる周波数差よりも大きい。周波数差の極性は周期
的に交互にされて、符号が逆転する時間間隔にわたる周
波数差の時間積分は実質的に０となる。

米国特許第３，４６７，４７２号は米国特許第３，３７
３，６５０号でキルパトリックにより開示されたものに
類似するディザリングシステムを開示している。しかし
ながら、その特許はバイアスの符号変化が逆転するとき
にロックインから生じるランダムフォークを減じるため
にバイアスの量を不規則に変えるとを開示している。

エルバート（Ｅｌｂｅｒｔ）に与えられ、１９８１年２
月３日に発行された米国特許第４，２４８，５３４号は
リングレーザジャイロスコープを正弦でディザリングす
る機構を開示している。リングレーザジャイロスコープ
の出力は振動の両極端でロックインにより引き起こされ
る誤差に対し修正される。各零ディザー速度で干渉パタ
ーンの光の強度を測定する光ダイオードの出力は累積さ
れる。累積位相誤差が２πになると、オーバフローパル
スが発生されてリングレーザジャイロスコープの出力に
加算され、零ディザー速度でロックインにより引起こさ
れた累積誤差に対して修正する。

イグリー（Ｅｇｌｉ）等に与えられた米国特許第４，５
２６，４６９号はリングレーザジャイロスコープのため
の判別式装置を開示している。この判別式は逆伝搬波間
のエネルギの結合の重み付ベクトル和に関連しており、
ロックイン速度の大きさの相対変化を示すために用いら
れ得る。この判別式は逆伝搬波が移動する光路を変える
ために閉じたループで使用されて、ロックインの効果が
減じられるように逆伝搬波の間で結合されたエネルギの
重み付ベクトル和を調節する。

モルガン（Ｍｏｒｇａｎ）等に与えられた、米国特許第
４，５２９，３１１号は、リングレーザ角速度センサで
２つの逆伝搬ビーム間の瞬間位相差に関連する増分誤差
パラメータを使用して、センサの出力でのロックイン誤
差の寄与に対応する１組の誤差パラメータを発生させる
ことを開示している。この誤差パラメータはセンサ出力
で誤差を間接的に減じるために制御ルプーで使用され得
るか、あるいはこの誤差パラメータは誤差の低減および
補償に寄与するために使用される。

１９８２年１２月９日に出願され、かつこの発明の譲受
人、リットン・システムズ・インコーポレーテッドに譲
渡された、米国特許出願第４４８，３６３号は、センサ
がディザー角運動を示す信号を生じる、リングレーザジ
ャイロスコープ角回転感知システムのディザー制御器を
開示している。リングレーザジャイロスコープ本体をデ
ィザリングするための駆動回路はリングレーザジャイス
コープ本体の自然な振動の期間よりも短い間隔でサンプ
リングされる。このサンプルの絶対値はディザー発振信
号の最高振幅の平均に比例する測定値を得るために平均
化される。最高振幅が予め定められた最小値まで減衰す
ると、リングレーザジャイスコープに駆動トルクが付与
される。このサンプルの和が十分に増加すると、リング
レーザジャイスコープはその自然な周波数で振動するこ
とが可能となる一方、その振幅は駆動トルクが再び付与
される最小値までゆっくりと減衰する。これにより、最
大ディザー入力速度およびディザーの深さは平均して所
望の値に制御される。

発明の概要 この発明は、センサ軸のまわりを周波数ω_Ｄおよびディ
ザーの深さＢ_ｍで本体ディザリングされるリングレーザ
ジャイスコープのランダムウォーク誤差を減じるための
有効な方法を提供することにより先行技術のロックイン
誤差修正技術の不利な点を克服する。リングレーザジャ
イスコープの出力は、２つの逆伝搬光ビームの干渉によ
り形成されるうなり信号によりセンシング軸を中心に回
転の角度を測定した値である。ジャイスコープの入力速
度がロックイン領域を通過するとき、ディザリングされ
たリングレーザジャイスコープの出力のランダムウォー
ク誤差な主要な部分はロックインの残留誤差である。こ
の発明はロックイン領域を通過するたびごとにソフトウ
ェアで累算修正を起こさせる。累算修正はヘテロダイン
信号および個々のビーム強度信号からの情報から得られ
る。

先行技術のロックイン誤差修正技術に優るこの発明の一
利点は、リングレーザジャイスコープのディザーの能動
機械制御、空洞長制御、またはヘテロダイン読出エレク
トロニクス必要とされないことである。この発明ほ別な
利点は、形成される修正がリングレーザジャイスコープ
を動作使用する前にロックインの較正により予測され得
ない、ロックインパラメータＢ_Ｌおよび他の関連係数の
変化にわたって有効であることである。ロックインパラ
メータへの予測されない影響の一例は、最初に予測して
いたのとは異なる空洞長モードの獲得である。使用する
際にミラー表面の微粒子の汚染物またはビームの位置の
整列変化がロックインパラメータにかなりの影響を及ぼ
し得る。リングレーザジャイスコープの動作使用に必要
な温度較差にわたるロックインの変動は他の先行技術を
使用不能にするほど大きいことになる。

この発明に従ったシステムは、閉じた空洞内を２つの波
が反対方向に伝搬し、干渉して、センサ軸に関するリン
グレーザジャイスコープの回転速度の関数である干渉パ
ターンを形成するようなリングレーザジャイスコープの
回転速度を決定するための信号を生成するためのもので
あり、２つの波の干渉の結果生じる第１および第２のヘ
テロダイン信号を生成する手段と、該２つの波の強度の
和を表す強度和信号を生成するための手段と、該強度和
信号を該第１および第２のヘテロダイン信号の少なくと
も一方で復調するための手段とを含む。

この発明に従った方法は、閉じた空洞内を反対方向に２
つの波が伝搬し、センサ軸に対するリングレーザジャイ
スコープの回転速度の関数である干渉パターンを形成す
るようなリングレーザジャイスコープの回転速度を決定
するための信号を生成するための方法であり、該２つの
波の干渉の結果生ずる第１および第２のヘテロダイン信
号を生成するステップと、該２つの波の強度の和を表す
強度和信号を生成するステップと、該強度和信号を該第
１および第２のヘテロダイン信号の少なくとも一方で復
調するステップとを含む。

好ましい実施例の説明 第１図および第２図を参照すると、リングレーザジャイ
スコープ１０が支持物１２に装設されている。リングレ
ーザジャイスコープ１０は、それを使ってこの発明が実
施され得るような多くの装置の具体例であり、この発明
を第１図および第２図に示され、ここで説明されるリン
グレーザジャイスコープ１０の特定の実施例に制限する
ものではない。

リングレーザジャイスコープ１０はフレーム２０と支持
物１２の間に接続される複数個のばね１６ないし１８を
含む撓み機構１４により支持される。例示の実施例は３
個のばねを含むが、この発明はいくつのばねを用いても
実施され得る。第２図および第３図を参照すると、ばね
１６ないし１８は薄い長方形として形成され得るが、こ
の発明はその適用可能性がそのような形状を有するばね
に限定されない。

第２図および第３図を参照すると、１対の圧電ウェーハ
１６ａ、１６ｂ、１７ａ、１７ｂ、１８ａおよび１８ｂ
が、フレーム２０の中央の空３１に装設されているそれ
ぞればね１６ないし１８に装設されている。ばねおよび
ウェーハの組合わせはすべて本質的に同じものであり、
それゆえここではばね１６と圧電ウェーハ１６ａおよび
１６ｂのみが説明される。圧電ウェーハ１６ａおよび１
６ｂは一般に矩形の形状を有し、ばね１６の反対側に装
設される。圧電ウェーハ１６ａおよび１６ｂは好ましく
は、適当な接着剤によりばね１６に装設される。

圧電ウェーハ１６ａには、駆動電圧を印加することによ
り圧電ウェーハ１６ａが選択的に伸びるかまたは縮むよ
うに、極が形成される。圧電ウェーハ１６ｂにも極が作
られ、それに接続される１対の反対の電極２６および２
８を有する。圧電ウェーハ１６ａおよび１６ｂが反対の
極性を有するようにすれば、それらへ同じ駆動信号を付
与することにより一方のウェーハ、たとえばウェーハ１
６ａが伸び、他方のウェーハ１６ｂが縮むようにでき
る。ウェーハ１６ａと１６ｂとが同じ極性を有するなら
ば、それらへの駆動電圧は、相互に逆に伸び縮みすると
いう所望の効果を達成するためには、反対極性を有さな
ければならない。

圧電ウェーハ１７ａ、１７ｂ、１８ａおよび１８ｂはそ
れぞれ圧電ウェーハ１６ａおよび１６ｂと実質的に同一
である極性と駆動電圧を有する。それゆえ圧電ウェーハ
１６ａ、１７ａおよび１８ａが縮小し、一方で圧電ウェ
ーハ１６ｂ、１７ｂ、１８ｂが拡張するならば、ばね１
６、１７および１８はフレーム２０が支持物１２の周囲
を右回りに回転するように形成するであろう。駆動電圧
の符号の変化により支持分１２を中心としたフレーム２
０の左回りの回転が生じる。

第２図を参照すると、フレーム２０に形成される空洞３
０は、空洞３０内の閉じた光路を周回するように光を反
射する複数個のミラー３２ないし３５の間に存在する。
利得媒体３８が空洞３０内に閉込められる。この利得媒
体は典型的にはヘリウムガスとネオンガスの混合物から
なる。１対の陽極４３ａおよび４２ｂおよび陰極４４へ
の励起電圧の印加は、周知のように、このガス混合物で
のエネルギレベルの遷移が空洞３０で逆伝搬コヒーレン
ト光ビームを発生させることを引き起こす。

空洞３０がその縦方向の軸を中心に回転すると、２つの
逆伝搬ビームはミラー３２ないし３５からの連続的な反
射により、空洞３０のまわりを循環するうちに回転誘導
位相シフトを受ける。２つの逆伝搬ビームの位相の差の
変化の速度は縦方向の軸を中心にしたリングレーザジャ
イスコープ１０の回転速度を示している。空洞３０は２
つのビームに対し共振空洞として働くので、各ビームの
周波数は位相シフトの変化が検出可能であるように、厳
格に規定される。

ミラーのうちの１つ、たとえばミラー３２は部分的透過
性を有し、各ビームの一部はミラー３２の背後に設けら
れたプリズム４８に入射する。プリズム４８は逆伝搬ビ
ームを結合またはヘテロダイン結合するために形成さ
れ、それらビームが１対の光検出器５０Ａおよび５０Ｂ
に衝突する前に互いに干渉し合うようにする。結合され
たビームは検出器５０Ａおよび５０Ｂをわたって移動す
る干渉フリンジを生ずる。検出器５０Ａおよび５０Ｂの
出力は一般にヘテロダイン信号と呼ばれる。検出器５０
Ａおよび５０Ｂから出力されるこの信号はここではそれ
ぞれ、ヘテロダイン信号Ａ、すなわちＨＥＴ Ａ、およ
びヘテロダイン信号Ｂ、ＨＥＴ Ｂと呼ばれる。この２
つのビームの周波数差、すなわちうなり周波数は検出器
５０Ａおよび５０Ｂをわたる干渉フリンジの運動である
ことがわかる。したがって、このフリンジの運動の方向
は回転の方向と同一である。干渉パターンの各全サイク
ルは２πラジアンの位相、すなわち１サイクルのうなり
周波数に対応し、それゆえ固定された角回転増分に対応
する。全サイクルの干渉パターンが起こるたびごとに、
ヘテロダインカウントと呼ばれる信号が発生される。２
８ｃｍの光路長を有するリングレーザジャイスコープ１
０に対し、スケールファクタはヘテロダインカウントあ
たり約１．８アーク秒の回転である。

２つの周波数が検出器５０Ａおよび５０Ｂでヘテロダイ
ン結合するときに生じられるうなり信号の周波数は、リ
ングレーザジャイスコープ１０のその縦方向の軸を中心
にした回転速度に正比例する。第４図を参照すると、簡
単、バイアスをかけられていないリングレーザジャイス
コープ１０の回転速度がロックインしきい値速度Ω_Ｌま
で減じられると、逆伝搬ビームは同じ周波数でロックす
る。逆伝搬ビームの周波数は、第４図に示されるロック
インデッドバンドである、回転速度の１範囲±Ω_Ｌの間
は同じである。リングレーザジャイスコープ１０から出
力される信号は、デッドバンドの付近では非線形とな
り、それは理想的なリングレーザジャイスコープの出力
からのずれである。

第５図を参照すると、ロックインは主にミラー３２ない
し３５から後方散乱される放射により引き起こされると
思われる。逆伝搬ビームは４５゜の入射角度でミラー３
２ないし３５の各々に当たるので、理想的な、完全に平
坦なミラーからは後方散乱放射はないであろう。各ビー
ムの主要部分は、反射の法則に従って、たとえばミラー
３２から前方に反射される。しかし、たとえミラー３２
ないし３５が非常に高品質であったとしても、表面の不
完全さにより、各ビームの鏡面反射の一部があらゆる方
向に生ずる。反対方向へのビームの受入れ立体角内に後
方散乱されるビームからの光は、その反対方向へのビー
ムと結合する。その受入れ立体角は光の波長と空洞３０
と直径とに依存する。４５゜の入射角を有する典型的な
四角いリングレーザジャイスコープ１０に対しせは、ミ
ラー３２ないし３５のうちのいずれの１つからの全鏡面
反射も、そのおよそ１／１０^６が逆方向への伝搬ビーム
の受入れ角内へと散乱される。

第６Ａ図を参照すると、時間の関数としての検出器５０
の出力は、回転速度がロックインしきい値からかけ離れ
ているときには正弦波である。第６Ｂ図を参照すると、
回転速度がロックインしきい値に近いときには、検出器
５０の出力は所望の正弦波性からは歪められる。４９ｃ
ｍの空洞長を有する典型的なリングレーザジャイスコー
プに対しては、ロックインしきい値は約１００゜／ｈｒ
である。それゆえ、リングレーザジャイスコープ１０か
ら満足な結果を得るには、ロックインを回避することの
みならずデッドバンドに近い回転速度を回避することも
必要である。

入力速度、出力速度およびロックイン誤差に関連する微
分方程式は ＝ω＋Ｂ_LsinΨ （１） である。ここでは逆伝搬ビーム間の周波数差であり、
Ψは逆伝搬ビーム間の位相差（ラジアン）であり、ωは
入力回転速度であり、Ｂ_Ｌはロックイン速度である。

上の等式により、ロックイン現象を理解しやすくなる。
ω≦Ｂ_Lが成立する場合、＝０となるようなΨの値が
存在し、リングレーザジャイスコープ１０からの出力カ
ウントは存在しない。Ｂ_Ｌの典型的な値は、地球の回転
速度の何倍にもなる０．１゜／秒である。フレームを機
械的にディザリングすることにより振動性バイアスがリ
ングレーザジャイスコープ１０に付与されるならば、そ
の入力回転速度は ω＝ω₀＋B_mcos(ω_Dt) (2) であり、さらに位相差は ＝ω₀＋Ｂ_mcos(ω_Dt)＋Ｂ_LsinΨ (3) であり、そこでは ω_０＝非ディザー入力速度 ω_Ｄ＝ディザー角周波数 Ｂ_ｍ＝ディザーの深さの速度、すなわち１サイクルのデ
ィザーについてのディザー角速度の最大値である。

ディザーがあったとしても、逆伝搬ビーム間のカプリグ
の残留効果は無視できない。低回転速度に対し、ディザ
ー発振の方向が逆転する点でリングレーザジャイロスコ
ープ１０に誤差が生じる。この誤差は累積し、リングレ
ーザ回転センサの誤差の主な源泉となる。残留ロックイ
ン誤差の性質はリングレーザジャイロの出力角度でのラ
ンダムウォークである。出力ランダムウォークは角速度
の白色雑音として分析的に説明され、レーザジャイロラ
ンダムウォーク係数によりパラメータ化される。ロック
イン係数Ｂ_Ｌ、ディザーのパラメータ、およびランダム
ウォーク係数間の数学的関係はハモンズ（Ｈａｍｍｏｎ
ｓ）およびアシュビー（Ａｓｈｂｙ）著、「量子極限で
機械的にディザーされたリングレーザジャイロスコープ
（Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｌｙ Ｄｉｔｈｅｒｄ ＲＬＧ
ａｔ ｔｈｅ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｌｉｍｉｔ）」、Ｉ
ＥＥＥ ＮＡＥＣＯＮ １９７８年により得られる。デ
ィザーされたレーザジャイロの逆伝搬ビーム位相差に対
する上の等式（３）はロックイン誤差の項Ｂ_ＬｓｉｎΨ
のランダムな累積誤差を計算するために使用される。同
じ態様で、１ディザーサイクルあたり２度生じるロック
帯域の通過のたびごとの誤差の項の寄与を分析的に計算
することが可能である。ロック帯域を通過するたびごと
の誤差は次のように書かれ得ることがわかっており、そ
れは ΔΨ＝B_L[2π(B_mω_Ｄ）^−１］^１／２ｓｉｎ（Ψ_T±π/
4) (4) であり、そこではΨ_Ｔは折返しの瞬間の逆伝搬ビームの
位相差の値であり、さらにπ／４の項に対する符号の選
択は折返しでの逆転の方向、すなわち、左回りから右回
りまたは右回りから左回り、により決定される。

それゆえ残留デイザー誤差を計算し、それにより折返し
ごとの修正を形成することは理論的に可能である。この
修正は合計されてジャイロスコープの出力カウントとな
る。そのディザーパラメータω_ＤおよびＢ_ｍはサイクル
ごとに数パーセント変化する制御された変数である。修
正を形成するために、ディザー変数はそれらの平均値と
して採用され得る。その修正を形成するための主要な変
数は各終折流返しでの値Ψ_Ｔおよびロックイン速度の値
Ｂ_Ｌであり、それはビーム間のカプリング（後方散乱）
の尺度である。

ビーム間の位相差がヘテロダイン検出器で光干渉により
測定されるので、２個のヘテロダイン検出器出力は折返
しを検出するための基礎となる。ヘテロダイン信号から
得られる折返し位相差φ_Ｈの使用に関する難点は、この
ヘテロダインがカプリング位相からヘテロダイン検出器
の光配置の関数である位相値εだけオフセットされると
いうことである。このオフセットはΨ_Ｔ＝φ_Ｈ＋εと書
き表わされ得る。さらに、その修正の大きさは２つのビ
ーム間のカプリング係数Ｂ_Ｌの大きさに合わせて適当に
スケールされなければならない。εおよびＢ_Ｌの両方が
時間と温度の関数である。この発明は、基準として２個
のヘテロダイン信号とともに同期復調技術を用いてこの
ビームの強度の変動の和から位相値εおよびカプリング
係数Ｂ_Ｌの大きさを決定するための装置および方法を含
む。

２つの逆伝搬ビームの物理的カプリングは、入力速度を
主要な因子として、２つのビームの周波数差と２つのビ
ームの強度との双方に影響を与える。周波数および強度
変調を求めるレーザジャイロの方程式は、その実験結果
とともにたとえばアロノビッツ（Ａｒｏｎｏｗｉｔｚ）
およびリム（Ｌｉｍ）著、「レーザジャイロの正のスケ
ールファクタ修正（Ｐｏｓｉｔｉｖｅ Ｓｃａｌｅ Ｆ
ａｃｔｏｒ Ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ Ｌ
ａｓｅｒ Ｇｙｒｏ）」、ＩＥＥＥ ジャーナル・オブ
・クォンタム・エレクトロニクス、ＱＥ−１３巻、第５
号、１９７７年５月のような、いくつかの情報源で見ら
れる。この論文および他の類似する文献の論文の方法に
おいては、１ビームの強度および１ビームの周波数を求
めるための基本的なリングレーザの方程式を、強度和の
変数および周波数差の変数のものに書換えている。ロッ
クインにより生ずる周波数引込み効果は、適当に簡略化
した仮定を設けることにより、和の強度変数に関連付け
できる。本発明を展開する過程において、ここで説明し
ているような種類のリングレーザジャイロスコープに対
しては、物理的に得られる和の強度信号が、折返し修正
方法を実施するために必要なカップリング変数を得るた
めに用いることができるということが見いだされた。

第７図はこの発明の基本的概念を示している。第２図に
示される据付ブロック４９は、プリズム４８を用いた場
合と同様にレーザビームを干渉させるのではなく、その
レーザビームを２つの別個のビームに分離する。第７図
でＣＷ（右回り）およびＣＣＷ（左回り）と表示された
２つのビームは空洞３０の長さを制御するために処理さ
れ得る。この発明では、これら別個のビームはまたリン
グレーザジャイロスコープ１０およびヘテロダイン検出
器５０Ａおよび５０Ｂで２つの逆伝搬ビーム間の位相関
係をモニタするために使用される。これら別個のビーム
はこの発明ではリングレーザジャイロスコープ１０の２
つの逆伝搬ビーム間のカプリングの大きさを決定するた
めにさらに使用される。これら別個の光ビームを示す電
気信号がともに加算され、検出器５０Ａおよび５０Ｂか
らのヘテロダイン信号で復調される。復調された信号は
ＣＰＵ９３により処理されて、ヘテロダイン信号と和の
信号の間の位相関係を決定する。復調された信号の大き
さは角修正の尺度を確立するために使用され得る。この
ヘテロダイン信号は折返し検出器９０に入力され、それ
は折返しで位相φ_Ｈを示す信号と各折返しの回転センス
を示す信号とを生じる。このヘテロダイン信号は折返し
検出器９０から強度復調器９２へ出力され、この復調器
９２はまたリングレーザジャイロスコープ１０内を伝搬
するビームの個々の強度を示す信号を受信する。

第８図は第７図の高度復調器９２のブロック図である。
第８図を参照すると、２つの別個の信号ＣＷおよびＣＣ
Ｗは、別個のビーム強度を示すが、部分的反射ミラー９
９により伝送され、検出され、さらにそれぞれ１対の増
幅器１００および１０２に入力される。この増幅器は光
検出器の応答の差を補償するように調整可能である利得
を有する。増幅器１００および１０２の出力は合計され
て、次に高域フィルタ１０４へ入力され、増幅器１００
および１０２の利得になお存在し得る不均衡により引き
起こされる誤差を減じる。増幅された強度の和の信号は
オシロスコープ１０６のような適当なモニタ手段でモニ
タされ、増幅器１００および１０２の利得を調節するこ
とが必要であるかどうか決定する。この和の信号は可変
利得増幅器１０８により増幅され、この増幅器１０８の
利得は和の信号をそれの最大値でクリッピングすること
を回避するように調節される。最大値は普通は温度の関
数である。増幅器１００、１０２、および１０４の利得
を調節することが必要なのは、最初の較正のときのみで
ある。一度設定されれば、それ以上の調節は不必要であ
る。

増幅器１０８の出力は１対の復調器１１０および１１２
に入力され、それらはまたそれぞれヘテロダイン検出器
ＡおよびＢからの入力（ＨＥＴＡ、ＨＥＴ Ｂ）を受信
する。復調器１１０および１１２の出力はそれぞれ低域
フィルタ１１４および１１６へ入力される。低域フィル
タ１１４および１１６の出力は、図８において、低域フ
ィルタ１１４および１１６の出力においてスイッチとし
て示されたサンプリング手段によりサンプリングされ、
それぞれ和Ａ信号（ＳＵＭ Ａ）および和Ｂ信号（ＳＵ
Ｍ Ｂ）が得られる。

第９図は温度の関数としてこの発明の折返し修正方法の
効果を示すために、リングレーザジャイロスコープ１０
を用いて得られたデータをグラフ式に表示している。こ
のグラフは温度の関数として和の信号のパラメータεお
よびＢ_Ｌの点を含んでいる。適当な単位およびスケール
ファクタを用いて、温度、ランダムウォーク係数および
和の信号のパラメータが座標に点を描かれている。第９
図のグラフは、温度の関数としてのランダムウォーク係
数が和の信号の大きさと同じ一般的な変動を有している
ことを示している。それゆえ、和の信号の大きさはラン
ダムウォーク係数を決定するため処理され得る。ランダ
ムウォーク係数は１分ごとに計算され、各計算において
は、１秒ごとに得られる６０個のサンプルが用いられ
た。このジャイロに対し、ヘテロダイン信号の光位相は
３℃の温度変化ごとに一フルサイクルを回転するのがわ
かる。この出力信号に対する折返し修正は ΔΨ_correction＝B_L[2π(B_mω_d)^-1]_1/2sin(φ_H+ε±π/4), (5) としてディザー折返しごとに生じられたものである。こ
こでは変数は以前に規定されたものを用いている。上の
方程式のπ／４の項の符号は折返しがｃｃｗ（左回り）
からｃｗ（右回り）であるかそれともｃｗからｃｃｗで
あるかに依存している。折返しがｃｗからｃｃｗである
ときには、正符号が使用される。

この発明の折返し修正は、累積しているうなり位相誤差
がピーク強度の変動から予測可能であるという理論に基
づいている。この折返し修正方法は修正信号を発生する
ために折返し点を決定することおよびビーム強度に関連
する適当な信号をサンプリングすることを含む。折返し
ごとの修正は累積され、修正の大きさがカウント分解能
を越えるときにはヘテロダインパルスカウントに加算さ
れる。

この発明は、約３×１０^{-4 Q}（ｈｒ）^-0.5の量子極限の
みがレート雑音に寄与するように、残留する本体ディザ
ー誤差のすべてを取り除く性能を提供する。しかしなが
ら実際には、ディザー運動の折返しと変動を測定する精
度がこの改良を制限する。

第９図を参照すると、修正されたジャイロサンプルに対
し計算されたランダムウォーク係数は、位相誤差がラン
ダムではなく、折返し点と正弦関係にあることを示して
いる。残留ディザー誤差は、各折返しでのうなり信号の
位相とロックイン係数Ｂ_Ｌが既知であれば計算され得
る。リングレーザジャイロスコープ１０は典型的には約
４００Ｈｚの周波数でディザーされ、さらに一ディザー
サイクルにつき２つの折返しがあるので、折返し位相は
２倍のディザー周波数すなわち約８００Ｈｚで決定され
なければならない。

ビーム強度の変動は瞬間うなり位相および振幅に直接関
連する。しかしながら、強度変調は各ビームの全強度の
約１％ないし５％にすぎず、さらにその強度はそのビー
ムを変調させる他の電気的および機械的効果のせいで雑
音が多い。理論的には、ビームごとに、その位相の折返
しおよび折返し位相を検出することは可能である。しか
し実際には、ヘテロダイン検出器５０Ａおよび５０Ｂの
位置におけるうなり位相の直接の尺度を提供する、２つ
のヘテロダイン信号により、折返しおよび折返し位相を
検出することの方がより容易である。ヘテロダイン信号
を利用する場合、ヘテロダイン信号の折返し位相がビー
ムのカプリング位相と同一ではなく、検出器５０Ａおよ
び５０Ｂの設置時の幾何学的関係により決定される一定
の位相量だけオフセットされる、という不利な点が生ず
る。検出器５０Ａおよび５０Ｂの設置のジオメトリによ
り決定される固定された位相量だけオフセットされる、
という不利な点を有する。この位相オフセットは後で説
明されるフィードバック回路により決定され得る。この
フィードバック回路も、ロックイン係数の尺度を提供し
かつその修正をスケールするために使用され得る交差ビ
ームカプリングの振幅の尺度を提供する。

第１１図は折返しのすぐ前後の２個のヘテロダイン光検
出器の出力を表わすアナログ信号をグラフ式に例示して
いる。第１１図はまた、出力論理カウンタを駆動するた
めにヘテロダイン信号から得られる方形にされた論理信
号を示している。典型的にはディスクリートなハードウ
ェア論理により２個の方形にされた信号の各端縁にカウ
ント値を割当てることが実施される。これにより、完全
なフリンジ運動あたりの名目２アーク秒スケールファク
タは１カウントにつき０．５アーク秒にスケールされ
る。第１１図は折返しで生じる、ヘテロダインＡ信号と
ヘテロダインＢ信号との間の進みと遅れの逆転を示して
いる。折返しの点では、各アナログ信号の変化の割合
（スロープ）は０である。この特性は折返しでヘテロダ
イン信号をサンプリングするために折返し点を検出する
ために使用される。

この回路はまた作動可能信号と回転センス信号を発生さ
せる。作動可能信号はデータ処理準備ができていること
をコンピュータに知らせる。回転センス信号はどちらの
折返し（ｃｃｗ／ｃｗまたはｃｗ／ｃｃｗ）が検出され
たかを示す。コンピュータは折返しの処理を完了した後
で、追跡モードに折返し検出回路を戻すために追跡信号
を用いる。磁気ピックオフ信号は回転センス信号を与
え、さらにまたディザー発振の速度を検出するための手
段を提供する。折返し検出の期間をその速度の低い方の
絶対値を有するディザーの部分に限定することにより、
高い割合で同時の零スロープの為の検出をなくする。こ
の回路のさらなる利点は、入力回転速度がディザー折返
しから離れてかつ定められた速度範囲を外れて慣性折返
しを動かすときには折返しが示されない、ということで
ある。

リングレーザジャイロスコープ１０では、空洞の長さは
空洞を短くするかまたは長くするようにミラー３３を移
すことにより制御される。この空洞はフレームの温度が
変わると長さを換える。長さのこれらの変化は、一定に
保たれるべきである、空洞の共振周波数を変える。ハッ
チングス（Ｈｕｔｃｉｎｇｓ）等に対し１９８３年５月
１７日に発行され、リットン・システムズ・インコーポ
レーテッドに譲渡された、米国特許第４，３８３，７６
３号はミラーを撓ませることによりリングレーザジャイ
ロスコープ１０の光路長を制御するための装置および方
法を説明している。他の空洞長制御技術はこの発明とと
もに使用され得る。「リングレーザジャイロの光路長制
御器（Ｐａｔｈｌｅｎｇｔｈ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ
ｆｏｒ Ｒｉｎｇ Ｌａｓｅｒ Ｇｙｒｏ）」に対し１
９８４年１０月２日に出願され、リットン・システムズ
・インコーポレーテッドに譲渡された米国特許出願第６
５６，９４４号はこの発明とともに使用され得る光路長
制御システムを記載している。

第１０図を参照すると、ミラー３３はダイアフラムとし
て形成され得る。ミラー３３の外部端縁１５０は一般に
円筒形の支持物１５２に接続される。一般に円筒形のポ
スト１５６がミラー３３の中央部分の背部から延びる。
環状空洞１５８が支持物１５２とポスト１５６との間に
ある。空洞１５８に隣接するミラー３３の領域は非常に
薄く、ミラー３３の中心およびポスト１５６の軸方向の
動きを可能にする。薄膜１６０はポスト１５６の端部１
６４に隣接するベアリング部材１６２を支持する。複数
個の圧電変換器１６４は薄膜１６０の側部に装設され、
そうしてそれらへの電圧の印加は薄膜１６０、ベアリン
グ部材１６２、ポスト１５６およびミラー３３がポスト
１５６の軸に沿って動くようにする。

第１２図は、第７図の折返し検出器９０を含み得る回路
のブロック図である。ヘテロダイン信号の各々の変化の
割合を表わす信号は微分回路２００および２０２により
形成される。２個の微分された信号がＡＮＤゲート２０
４に入力されて、各折返しの瞬間を決定する。２個のヘ
テロダイン信号の零スロープの有効な同時検出が有効な
折返しとして受入れらえる期間は、磁気ピックオフ６０
（図１参照）に基づく速度の窓２１０を形成することに
より制限される。磁気ピックオフ６０は、図１に示され
るように支持物１２に対するフレーム２０の角速度によ
り変化する電気信号を生ずる。その目的は、折返しの誤
検出を回避することである。ヘテロダイン信号はサンプ
リングおよび保持回路２０６および２０８に入力され、
それらはサンプリング時にこのヘテロダイン信号の値を
ラッチする。回転向き（折返しの方向）を表わす理論値
も作動可能信号とともにラッチされ、コンピュータ（示
されていない）に折返しが検出されたという入力を与え
る。ＨＥＴ Ａ（ヘテロダインＡ）およびＨＥＴ Ｂの
サンプリングされた値を用いる三角法の論理により、ヘ
テロダイン折返しの位相φ_ＨがＨＥＴ Ａに関連して決
定される。ＨＥＴ ＡおよびＨＥＴ Ｂ信号は９０゜間
隔でのシヌソイドのサンプリングを表す。この理論はＨ
ＥＴ Ａの最大値の推定関数を含む。したがって、ＨＥ
Ｔ Ａの大きさのビルド変化または遅い時間変化によっ
てはこの発明は限定されない。ディスクリートな追跡論
理信号は、コンピュータがサンプリングされた信号を読
出した後、次の折返しを検出する状態に折返し検出器を
リセットする。

ヘテロダイン信号で折返しを検出しかつ折返しの位相を
決定する代替の方法は、この発明の範囲から逸脱するこ
となしに可能である。方形にされたヘテロダイン信号も
またヘテロダイン折返し位相を検出するために利用され
得る。再び第１１図を参照するとカウントの向きはジャ
イロが方向を逆転した後で＋１から−１へ変化する。時
間間隔Ｔ_ＡおよびＴ_Ｂは記録されて、ディザー運動の既
知のパラメータに基づいてヘテロダイン折返しの位相値
を計算するために使用され得る。

この発明の方法は正弦ではディザーされないリングレー
ザジャイロスコープに適用され得る。たとえば、説明さ
れた方法は、速度が周期的に逆にされる、速度バイアス
されたジャイロスコープに対し修正を起こさせるために
適用され得る。逆転ごとのこの修正の分析的形式は ΔΨ＝B_L[2π(kα)-1]^1/2sin(φ_H+ε±π/4)
(6) である。ここではαは折返しでのジャイロの加速度であ
り、Ｋはジャイロのスケールファクタである。

【図面の簡単な説明】

第１図は支持構造に装設されたリングレーザジャイロス
コープの斜視図である。 第２図は第１図のリングレーザジャイロスコープの平面
図である。 第３図はディザーばねに装設される圧電ドライバを示
す、第２図の線３−３に沿って破断された部分的断面図
である。 第４図は回転速度の関数としてリングレーザジャイロス
コープの出力うなり周波数を例示するグラフである。 第５図は第１図のリングレーザジャイロスコープに含ま
れ得る型のミラーからの前方反射および後方散乱光を例
示する図である。 第６Ａ図および第６Ｂ図は、第１図のリングレーザジャ
イロスコープのそれぞれロックインしきい値から遠く離
れたおよびロックインしきい値に近い回転速度の出力波
形を例示する図である。 第７図はこの発明の折返し修正装置のブロック図であ
る。 第８図は第７図の折返し修正装置に含まれる強度復調器
のブロック図である。 第９図は第１図のリングレーザジャイロスコープの温度
の関数として、ランダムウォーク係数、和の信号の大き
さおよび和の信号の位相の変動を表わすグラフである。 第１０図は第１図および第２図のリングレーザジャイロ
スコープに含まれ得る光路長制御システムを例示する図
である。 第１１図は第１図のリングレーザジャイロスコープに含
まれる２個のヘテロダイン光検出器の、ディザー運動の
折返しのちょうど前後の出力を表わすアナログ信号を例
示するグラフである。 第１２図は２個のヘテロダイン信号の変化の速度が同様
に零であるときにその点を検出することに基づいた、ア
ナログ折返し検出器のブロック図である。 図において、１０はリングレーザジャイロスコープ、１
２は支持物、１４はディザー、１６ないし１８はばね、
２０はフレームである。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】閉じた空洞内を２つの波が反対方向に伝搬
   し、干渉して、センサ軸に関するリングレーザジャイロ
   スコープの回転速度の関数である干渉パターンを形成す
   るようなリングレーザジャイロスコープの回転速度を決
   定するための信号を生成するためのシステムであって、 該２つの波の干渉の結果生じる第１および第２のヘテロ
   ダイン信号を生成する手段と、 該２つの波の強度の和を表わす強度和信号を生成するた
   めの手段と、 該強度和信号を該第１および第２のヘテロダイン信号の
   少なくとも一方で復調するための手段とを含む、リング
   レーザジャイロスコープの回転速度を決定するための信
   号を生成するためのシステム。
2. 【請求項２】閉じた空洞内を反対方向に２つの波が伝搬
   し、センサ軸に対するリングレーザジャイロスコープの
   回転速度の関数である干渉パターンを形成するようなリ
   ングレーザジャイロスコープの回転速度を決定するため
   の信号を生成するための方法であって、 該２つの波の干渉の結果生ずる第１および第２のヘテロ
   ダイン信号を生成するステップと、 該２つの波の強度の和を表わす強度和信号を生成するス
   テップと、 該強度和信号を該第１および第２のヘテロダイン信号の
   少なくとも一方で復調するステップとを含む、リングレ
   ーザジャイロスコープの回転速度を決定するための信号
   を生成するための方法。