JPH0625669B2 - 光干渉角速度計 - Google Patents

光干渉角速度計

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JPH0625669B2
JPH0625669B2 JP62220759A JP22075987A JPH0625669B2 JP H0625669 B2 JPH0625669 B2 JP H0625669B2 JP 62220759 A JP62220759 A JP 62220759A JP 22075987 A JP22075987 A JP 22075987A JP H0625669 B2 JPH0625669 B2 JP H0625669B2
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Description

【発明の詳細な説明】 「産業上の利用分野」 この発明は少くとも一周する光学路の両端に右回り光、
左回り光とを通し、光学路を通った右回り光、左回り光
を干渉させ、その干渉光から光学路に入力された角速度
を計測する光干渉角速度計に関する。
「従来の技術」 第3図に示すようにレーザなどの光源11からの光12
が光分配結合器13により右回り光14と左回り光15
とに分配され、これらの光14,15は少くとも一周する光
学路16の両端に入射され、光学路16をそれぞれ右回
り、左回りに通って光学路16より出射光17,18と
して出射され、これら出射光17,18は、光分配結合
器13により結合されて互に干渉し、干渉光19として
受光器21に受光される。
光学路16は例えば光ファイバを複数回ループ状に巻い
たもので構成される。光学路16にその周方向の角速度
が印加されない状態においては、出射光17および18
の位相差はほぼゼロであるが、光学路16の軸心回りに
角速度Ωが印加されると、この角速度によっていわゆる
サグナック効果が生じ、光学路16を伝搬した出射光1
7,18 の間に位相差ΔφΩが生じる。この位相差ΔφΩ
は、 で表わされる。ここでRはループ状に構成された光学路
16の半径、Lはループ状に構成された光学路16の長
さ、λは光源11の光の波長、cは光の速度を示す。さ
らに干渉光19の光強度Iは、 I0∝1−cosΔφΩ …(2) となる。従って干渉光19の強度Iを測定することに
よって角速度Ωを検出することができる。
しかしこの場合、入力角速度が小さな場合においては位
相差ΔφΩが小さく、cos ΔφΩの変化が僅かであり、
感度が極端に低くなる。
このような点から従来より入力感度を最適化するため第
4図に示すように光学路16の一端と光分配結合器26
との間に、例えば電歪振動子に光ファイバを巻回して構
成した位相変調器22を直列に挿入し、変調信号源23
からの駆動信号により互に逆方向に伝搬する光28,2
9を位相変調する方法がとられている。
第4図は、(1)式で述べたサグナック位相差ΔφΩを精
度よく検知するために、光源11と光分配結合器26
(光カプラ)との間に光分配結合器27と偏光子25を
挿入し、光分配結合器27のA′ポートに受光器21を
配置している。この場合の受光器21に到達する干渉光
0′は、 となる。
ここでP:受光器21に到達する最大光量 J:n次のベッセル関数(n=0,1,2,3…) x:2Asinπf0τ A:位相変調の振幅 τ:光学路16を通る光の伝搬時間 f:位相変調器22の駆動周波数 t′:t−τ/2 (3)式から明らかなように干渉光の強度I0′には、cos
ΔφΩに比例する項と、sinΔφΩに比例する項とが含
まれている。
そこでsin ΔφΩ成分を光干渉角速度計(光ファイバジ
ャイロ)の出力Vとして取り出すため受光器21の出
力が同期検波回路24において位相変調周波数fで同
期検波される。同期検波回路24の出力Vは、 V1=K1・P0・J1(x)・sinΔφΩ …(4) ここでK:定数 で表わされる。(4)式より光干渉角速度計の出力V1の振
幅は、受光器21に到達する最大光量P及び位相変調
の動作に関連したJ1(x)の変動で変わる。ここでJ1(x)
を安定化するためには、J1(x)の変数であるxを安定に
保てばよい。その方法については、例えば先行技術とし
て特開昭62-12811号公報に示されるように干渉光I0′に
含まれている第1種ベッセル関数の奇数次のベッセル関
数相互又は、偶数次のベッセル関数相互が実質的に等し
くなるよう各同期検波回路からの出力で位相変調の振幅
Aを自動制御すればよい。
しかしながら受光器21に到達する最大光量P0は、光
源11からの出射光量、光源11からの出射光が光学路
16を経て受光器21に到達するまでの間の光伝送損失
及び光の偏波状態などの変動で変わる。応用物理学会・
光ファイバセンサ研究会発行の5th Workshop on Optic
al Sensors June25,1987に記載のWOFS5−10によれば
各光部品の伝送損失が−20℃〜+70℃の温度で0.
1〜0.2db変動し、その結果出力Vの振幅として2
〜7%変動すると述べている。
光干渉角速度計のバイアスドリフト性能を1度/時ぐら
いに求めると、一般に要求される入出力特性としてのス
ケールファクタの安定性は、少なくとも0.1%以下と
なる。したがって、スケールファクタを安定に保つ何等
かの手法がなければ、上述スケールファクタ安定性要求
の0.1%以下は、達成できない。そこで従来次の方法
でスケールファクタの安定化が行なわれていた。第5図
は、(4)における出力Vの振幅K1・P0・J1(x)を一
定に保つスケールファクタ安定化回路の機能ブロック図
を示す。受光器21の出力は同期検波回路30,31で
位相変調周波数fとその2倍の周波数2fでそれぞ
れ同期検波され、同期検波回路30,31の各出力は2
乗回路32,33で2乗され、それら2乗出力V1 2とV
2 2とを加算器34で加算するとその出力電圧は、 V=1 2+V2 2 =(K1・P0・J1(x)・sin2ΔφΩ+(K2・P0・J2(x)・cos2Δφ
Ω …(5) ここでK1,K:定数(増幅利得、光電変換利得、同期
検波利得など。) となる。ここで予かじめK1・P0・J1(x)=K2・P0
2(x)となるように増幅利得を調整し、その時の振幅を
Kとすると、出力電圧Vは、(5)式より V=K2・(sin2ΔφΩ+cos2ΔφΩ)=K…(6) となる。ここで出力電圧Vの初期値すなわち基準値をK
R 2とし基準信号発生回路36からの基準値KR 2と出力電
圧Vとの差分を差動増幅器35でとり、その差分を積分
器37を通して光源光量調整回路38に負帰還すると、
先に述べたような光源、光伝送損失及び光の偏波状態が
変動しても出力Vの振幅を一定に保つことができる。
これについて具体的に説明すると次のようになる。受光
器21に到達する最大光量Pが何等か原因で減少し基
準信号発生回路36からの基準値KR 2より電圧Vが下が
ると差動増幅器35は正の信号を発生する。ここで、こ
の正の信号で光源11の出射光量が増加するよう系を設
定すると受光器21に到達する最大光量Pは、増加す
る。一方最大光量Pが何等かの原因で増加し、電圧V
が基準値KR 2よりも大きくなると差動増幅器35は負の
信号を発生し、光源11の出射光量を減少させる。その
結果、受光器21に到達する最大光量P0は、減少する
ので、電圧Vを常に基準値KR 2に保つことができる。す
なわち出力Vの振幅を一定に保つことができる。
又受光器21の後段に外部信号によって利得が可変でき
る利得調整開路を配置し、その回路に前記積分器37か
らの出力を負帰還しても同様に出力Vの振幅を一定に
保つことができる。
「発明が解決しようとする問題点」 従来のスケールファクタ安定化回路は、よりよいスケー
ルファクタ安定のため第1種ベッセル関数のJ1(x),J
2(x)の変数であるxが、高安定である必要があった。そ
こで先行技術として特開昭62-12811 号公報で示された
上記x値の安定化手段を用いても、制御誤差が生じxの
値がわずかであるが変わる。通常xの値は、出力V
最大感度となるx=1.84に設定される。このx=1.
84では、第6図に示すようにJ1(x)は、xの変動に対し
安定であるが出力Vの係数であるJ2(x)は、xに対し
安定な位置でなく、xの変動に対し敏感である。このよ
うにxが変動すると、K1・P0・J1(x)≠K2・P0・J
2(x)となり(6)式が成り立たなくなる。すなわちスケー
ルファクタ安定化回路が正常に作動しなくなり、光干渉
角速度計の入出力特性としてのスケールファクタを高安
定に維持できなくなる。
この発明の目的は入出力特性としてのスケールファクタ
を高安定に保つ光干渉角速度計を提供することにある。
「問題点を解決するための手段」 この発明によれば少くとも一周する光学路に右回り光と
左回り光とが通され、その光学路を伝搬してきた右回り
光と左回り光とが干渉手段で干渉され、その干渉手段と
光学路との一端との間に右回り光、左回り光に位相変化
を与える位相変調手段が縦続的に挿入され、干渉手段か
らの干渉光の光強度が光電変換手段により電気信号とし
て検出され、その電気信号の内、位相変調手段の光変調
周波数の1倍、2倍及び3倍波成分が第1、第2及び第
3同期検波手段でそれぞれ同期検波され、その第3同期
検波手段からの出力が、約2.2 されて第1同期検波手段
の出力に加算手段で加算され、その加算出力と、第2同
期検波手段の出力とのそれぞれの2乗の和が一定になる
ように加算手段及び第2同期検波手段の前段の電気回路
の出力又は光電変換手段に到達する光量が制御される。
「実施例」 第1図にこの発明の要部を示す。第1図において受光器
21からの光電変換信号を、同期検波回路40において
位相変調周波数f0の3倍数3f0で同期検波し、同期検
波回路40の出力Vを増幅器41でK倍し、位相変
調周波数fで同期検波した同期検波回路24の出力V
に加算器42で加算すると、加算器42の出力Vは、 V=K1・P0・J1(x)・sinΔφΩ+Km・K3・P0・J3(x)・sinΔφΩ…(7) ここでK1,K3:定数(増幅利得、光電変換利得及び同期
検波回路などの利得) となる。ここで増幅利得を調整し、K=K=K
すると(7)式は、 V0=K0・P0・(J1(x)+Km・J3(x))・sinΔφΩ…(8) となる。ここでKm2.2に設定すると(J1(x)+Km
・J3(x))は、第6図に示すようにx≒3.05で最大値と
なり、その近辺では、xに対し安定な特性を示すように
なる。又そのx≒3.05では、J2(x)も最大値を示し、x
に対し安定な特性を示している。そこで(5)式における
の代わりに、このVを用いれば、前記x値を安定
に保つ手段において制御誤差が生じ、Xの値が変わって
も、VとVの振幅は、常に等しくなりスケールファ
クタ安定化回路は、正常に動作するようになる。又V
は、xに対し安定であるので光干渉角速度計の出力とし
て使用できる。
第2図にこの発明の実施例を示し、第1図、第5図と対
応する部分には同一符号を付けてある。各部の機能は、
前述の通りであるが、実施例では、光干渉計の出力V
OUT として、上述Vのリニアライザ43で直線化して
出力している。この時のVOUT は、 VOUT =K1・P0・J1(x)・ΔφΩ …(9) となる。
加算器42の出力Vと同期検波回路45の出力V
をベクトル合成し、その絶対値が基準値から変動した量
を求め、この量に応じて出力VOUT を数値補正してもよ
い。
「発明の効果」 以上述べたようにこの発明によれば、環境変化(温度・
振動など)等で位相変調レベルが変動しても光干渉角速
度計のスケールファクタ安定化回路を正常に動作させる
ことができる。そのため環境変化(温度・振動など)に
ともなう光源、光学系の光伝送損失及び光学系における
光の偏波状態があっても入出力特性としてのスケールフ
ァクタを安定に保つことができるようになる。
【図面の簡単な説明】
第1図はこの発明の要部を示すブロック図、第2図はこ
の発明による光干渉角速度計の実施例を示すブロック
図、第3図は光干渉角速度計の基本系を示す図、第4図
は従来の光干渉角速度計を示すブロック図、第5図は従
来のスケールファクタ安定化回路を示すブロック図、第
6図は第1種ベッセル関数を示す図である。

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】少なくとも一周する光学路と、 その光学路に対し右回り光および左回り光を通す手段
    と、 その光学路を伝搬してきた右回り光と左回り光を干渉さ
    せる干渉手段と、 その干渉手段と上記光学路の一端との間にこれらと縦続
    的に配されて右回り光と左回り光に位相変化を与える位
    相変調手段と、 上記干渉手段よりの干渉光の光強度を電気信号として検
    出する光電変換手段と、 この光電変換手段によって電気信号に変換された信号の
    内、上記位相変調手段における光変調周波数の1倍,2
    倍及び3倍波成分をそれぞれ同期検波する第1,第2及
    び第3同期検波手段と、 上記第3同期検波手段からの出力を約2.2 倍にして、上
    記第1同期検波手段からの出力に加算する加算手段と、 上記第2同期検波手段からの出力と上記加算手段からの
    出力とのそれぞれの2乗の和が一定となるように上記加
    算手段と第2同期検波手段より前段の電気回路の出力又
    は、上記光電変換手段に到達する光量を制御する手段と
    を具備した光干渉角速度計。
  2. 【請求項2】上記加算手段からの出力と上記第2同期検
    波手段からの出力との合成ベクトルの絶対量が基準値か
    ら変動した量を求め光干渉角速度計の出力を数値補正す
    る手段を有する特許請求の範囲第1項記載の光干渉角速
    度計。
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