JPH06501547A - 速度計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 速度計 本発明は、速度計に関し、特に変更された先ファイバサグナック干渉計の利用に 基づいた差動レーサドノプラー速度計に関する。本発明の特徴は、干渉計位相が 目標の変位ではなく、その速度に依存することである。ドツプラー周波数シフト を直接ｐｊ定するために使用する干渉計とは異なり、サグナック干渉計の実際の 利用は非常に高い速度に制限はされない。

したがって、速度に対する直接のレスポンスが不所望な低い周波数成分を効果的 に識別する高周波数振動速度の測定において特に利点か認められる。干渉計の感 度を最適にするため、ファイバループの複屈折の制御に基づいた受動的技術を使 用して２つのビーム間にπ／２位相バイアスを導入した。

ループ速度計における先ファイバ技術は良く知られている（１９８６年のＪａｃ ｋｓｏｎ、　Ｄ、　Ａ、氏、Ｊｏｎｅｓ、　Ｊ、　Ｄ、　Ｃ，氏によるＦｉｂｓ ｒ　０ｐｔｉｃ　５ｅｎｓｏｒＳの０ｐｔｉｃａ　Ａｃｔａ　３３の１４６９． １９８６年の１ａｃｋｓｏｎ、　Ｄ。

Ａ氏、Ｊｏｎｅｓ、　Ｊ、　Ｄ、　Ｃ，氏によるＥｘｔ「１ｎｓｉｃ　ｆｉｂｅ ｒ　ｏｐｔｉｃ　ｔｕｓｏ＋ｆｏｒ　＋ｅｍｏｌｓ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔの バート１および２のＯｐＬ　ａｎｄ　Ｌａ１ｅｒ　丁ｔｃｈの１８．２４３．２ ９９）　、多くの商業的な計器は、ソース／検出器モジュールと遠隔プローブの 間に柔軟性のある導波体を形成するためにファイバを使用することが有効である 。それらの特性がドツプラー信号の光信号処理を容易にするために開発された光 ファイバのさらに別の適用を考慮することが適当である。特に、ファイバおよび ファイバ部品の使用は、通常の光学装置が実際に使用できない干渉計の構成の実 行、を可能にする。

本発明において、光強度が目標速度に比例した周波数によって振幅変調される通 常の状況とは異なり、検出された光位相が目標速度の関数である干渉計装置を検 討した。したがって電子から光学ドメインへ周波数の弁別の信号処理ステップを 移すことを探求した。

速度の直接測定は、振動目標あるいは流れの測定における特定な値である。例え ば、平坦でない振動を測定するために使用される（目標が実効的に干渉計の１つ のミラーであるマイケルソン干渉計の構成をを有するような）通常の基準ビーム レーザ速度計の使用を考慮する。干渉計の位相は目標表面の変位に依存し、振動 周波数が増加される時に与えられた速度に対して位相変調の振幅は減衰する。し たかって高周波数振動の７ｊｌｌｌｊ定は困難であり、不所望な大きな振幅の低 周波数の周囲の振動の存在において高周波数信号を回復するために活性位相変調 技術の使用が通常必要である。

本発明によれば、先ファイバ放射導波体のループを含んでいる干渉計と、前記ル ープを廻って両方向に光信号を入射する手段と、および前記ループ内に配置され て前記放射導波体から運動目標へ前記光信号を放射するように構成されたプロー ブ手段とを具備し、前記目標からの反射後に前記信号を受信し、前記放射導波体 中に前記信号を再び導く速度計が提供される。

本発明の実施例は、添付図面に関する例によって説明されている。

図１は、本発明の１実施例において使用される先ファイバサグナック干渉計であ り、 図２は、試験的な配置であり、 図３は、種々のプローブ構成を示し、 図４は、信号振幅の測定のグラフであり、図５は、ネットワーク分析器の特性の ディスプレイであり、図６は、オンロスコープ波形である。

図２を参照すると、ファイバサグナック干渉計に基づいた新しい方法が示されて いる。伝統的な干渉計は光周波数およびトンプラーシフトを直接ａｊ定するため に使用されている。

例えば、マイケルソンおよびファプリー・ベロー干渉計の両者は、ドツプラーシ フトの測定の周波数弁別器としてこの方法において使用されている。しかしなが ら、このような技術は、非常に高速の測定に関してのみ適当である。一方、非常 に長い光路が必要な周波数分解能を与えるために要求され、非実用的な高度の技 巧がファプリー・ペローから要求される。

原理的に、非常に長い通路の不平衡なファイバ干渉計を形成することは可能であ る。しかしながら、このようなｊｔ器は非常に長いコヒーレンス長を有するレー ザソースの使用を要求し、測定されたドツプラーシフトはレーザ周波数雑音から 区別がつかない。

先ファイバサグナック干渉計の概要は図１に示されている。

光は、単一モードファイバ１によってソースＳおよびレンズＬから導かれて入射 され、方向性カブラＣ１で振幅分割される。分割された光線は、カブラで再結合 しているループ２を時計回りおよび反時計回りに伝播する。カブラアームによっ て戻される強度ｘｌ、Ｉ２は、光検出器ＰＤ１．ＰＤ２を使用して測定される。

理想的な損失のないカブラＣ１による干渉計に関して、再結合ビーム間の任意の 位相差φは、２つのビーム干渉計伝達関数によって出力強度を変調する。

Ｉｏ、２＋−Ｉ。□、。２（１＝　Ｖ工、２ｃｏｓψ）　（２，１）ここでＩ　 、　は一定の強度であり、■　、　は干渉縞の可０１［］２　］］ ２度である。静的の非複屈折ループにおいて、反対方向に伝播する波の光路長は 等しく、φ−０である。したがってループは、可視度Ｖに依存し、方向性カプラ の結合率Ｋに依存する反射率を有する反射器として動作する。

実際に、反対方向に伝播するビーム間の位相シフトは複屈折（ジャイロ効果を含 んでいる）、ループの回転（ファイバジャイロスコープ）およびループにおける 非均−的な動的通路長の変化によって生じられる。φは、中−φＢ＋φＤ　（２ ，２） ここでφ　は複屈折によるものであり、およびφ、は動的効果によるものである 。出力強度からの位相φの回復は、出力の偏光分析を処理するその後の信号およ び３×３方向性カプラ使用によるループ内の位相変調を含んでいるさまざまな機 構によって従来得られている。

本発明は、直角位相を保持するためにループ中で偏光制御装置を使用する新しい 方法を採用している。すなわち、φＢ−（２Ｎ−１）π／２　（２，３）Ｎは整 数であり、式（２，１）は次のようになる。

■！’２　”　工□１ｅ０２（１土Ｖ０，２ｓｉｎφ０）　（２，４）これらの 補足的な出力は、適当な加重を使用して減算される。

位相変調は、運動目標からのビームを反射するプローブで方向性カブラ付近のフ ァイバループを遮ることによって達成される。

時間ｔにおいて方向性カプラて再結合している２つの波面に注目する。これらは 、ループ内のプローブの非対称的な位置のために異なる時間ｔ−ｒ、ｔ−ｒ２て 目標に衝突し、次のような位相差を生ずる。

φＤ”　Φ２−　φ、　−２ｋ　［ｘ（ｔ−τ１）　−ｘ（ｔ−ｚ２’）］　（ ２、６）ここてＸは垂直の表面の変位であり、ｋ−２π／λてあり、λはソース 波長であり、Φｌ、Φ２は反対方向に伝播する波時間Δｔはファイバループの長 さによって決定される。

ファイバの長さである） ｎ＝ファイバの実行屈折率 Ｃ”真空における光の速度 速度による位相の周波数応答は、周波数ｆｓ−ω、／２によって振動する表面を 考慮することによって得られる。　・ｘ　−Ｘ　ｏ　Ｓ　ｉ　ｎｃｌ）５　ｔ（ ２−１０）ここで通常の速度は、 である。したがって、 φ０　−　２ｋｘ０　［ｓｌｎ　ω、（ｔ−て、）　−ｓｌｎ　ω、（ｔ−ｔ２ ）］（２，１２） ｊＣｏＩｌｌ　（ｔ□十τ２）／２　ａｎｄΔｔ　”　”Ｃ，−”Ｃ２応答にお けるロールオフはｆｓ＝Ｉ／２Δτで生し、ｆｓ＝ｌ／Δτでゼロになり、した がって要求されたシステム帯域幅に対する最大ループ遅延Δτを決定される。

サグナック干渉計の出力強度は、反対方向に伝播するビーム間の位相バイアスお よび偏光オフセットの導入によるループ複屈折によって変調される。さらに、ル ープにおいて任意の複屈折を生成する能力によって、任意の入射偏光状態は反対 方向に伝播するビームにもたらされる任意の位相差を有することができることが 示される。これは図１に見られる。ジ時計回りの方向におけるループの複屈折は ジョーンズ行列Ｊ　によって与えられる。反射の座標の変化によって次のよ＾ ループによる座標反転を表す。

ループに損失がないと仮定すると、Ｅ４．は次の式で与えられる。

ループは、全偏波状態に等しいと見なされる減衰ｅ−″Ｌを実際に有し、変形さ れた式が与えられる。

ここでＫは結合率であり、γは過度の損失であり、カブラは非複屈折と仮定され る。故に、 （Ｅ４士Ｅ、）、＝　ｅ−か”２（１−Ｙｏｌ−ＫＡ”ＥｌｔＥ、　（２，１９ ）（ここで干は、エルミート行列を表す）。φの一般的な位相オフセットおよび 同一の反射偏光状態に関して、が必要であるので、 これは、式（２，２３）を満足するＭを発見し、次に（２゜ポアンカレ球表示に おいて、任意の複屈折は与えられた軸に対して角度「の回転とし、で表される。

軸は複屈折の２つの偏光固有状態に対応し、角度「は高速固有状態と低速固有状 態の間の減速度における差によって与えられる。つまり、「＝２Φである。この ように任意のΦ、Ｅｌは一義的に竺を定および固何値ｅχｐ（±ｊΦ）は、 Ｅ　＋　、　Ｅ　ｌｂに対して置換して（２，２６） ＪＡ′に対して（２，２４）を解くために使用できる。

が要求される。

干渉性を有さずに５０％の反射の不所望な条件が生じられるように、条件Ｅ、＋ ＭＥ、＝０が容易に満たされることに注目すべきて、ある。それ故、位相変調器 は干渉計を設定するまで位相差および干渉縞可視度を監視するために使用されな ければならない。

干渉縞可視度Ｖ　、　は、カブラに反射して戻る光波の次のような３つのパラメ ータの積である。

１、それらの関連強度 ３、それらの相互可干渉ｖｃｏｈ　”　Ｉｙ、４１このように、反対方向に伝播 するビームのファイバの損失が等しいと仮定すると、別の効果のみがカブラによ るものである。

ｖ、はＶＩｎｔ　”　１ Ｖ２ハＶ１ｎｔ＝　１　（［２Ｋ（Ｉ　Ｊ）］−”　−１）−”２つの４分の１ 波長および１つの２分の１波長から構成される偏光制御装置は、任意の一般的な 複屈折を合成することを可能にする。実際のループ複屈折が±１によって与えら れ相互コヒーレンスはソースコヒーレンスおよび通路の長さの不平衡に依存する 。通路の長さの不平衡は複屈折、潜在的サブ波長によって単に遅延するので、■ への影響は一般的には全ての非常に広帯域のソースに対して極僅かである。

このセンサは、本質的に高い干渉縞可視度の利点を有する。

サグナックの位相分解能は、次の雑音ソースに依存する。

検出器充電流雑音あるいはショット雑音は、基本システム制限を設定する。可視 度か１に近いと仮定すると、システムが直角位相に近いとき、ＰＤＩの入射強度 は、Ｉ工＝　Ｉｏ、（１＋　ｓｉｎφＤ）、φＤは小　（２，２９）これは、検 出器充電流を生成する。

υ＝光光源用周波 数＝ニブランク数 η＝＝出器の凰子効果（６３３ｎ　ｍの波長で使用されるシリコン光検出器で０ ．６９）ショット雑音は、帯域幅Ｂにわたって測定される。

１工５ｈｏｔ　＝薊碩フ　（２，３１）システムか強度の変化を減少するように 減算される２つの反対位相を有する場合、次のようになる。

例えば、６３３ｎｍで２Ｘ１０−８ｒａｄＨ２−１／２は検出器ごとに１ｍＷの パワーが回復される。

レーザ位相／周波数雑音は、 匈　＝　んコ／Ｃ たけ干渉計における任意の先通路の長さの不平衡によって強度雑音に変換される 。しカルながら、この干渉計において、通路の不平衡は主にファイバコイルにお ける誘導された複屈折を曲げるための複屈折効果から生じ、少数の波長のみが存 在する。

Ｎか整数である通路の長さの不平衡〜Ｎλに関して、成するために、次のような 式を必要とする。

Δｆ −−０，３Ｘ　１０−’ 例えば、８３０ｎｍてｆ＝３６１ＴＨｚ、Δｆ＝１００ＭＨ２が必要である。

これは、例えばダイオードレーザの周波数雑音特性を十分に超える。サグナック はレーザ周波数における低速変化に反応せず、ループ伝播時間と比較され、共振 周波数雑音の底値は動的効果から上昇する。

コヒーレントレイレー雑音（ＣＲＮ）は、１次光とレイレー背面散乱の遅延され た自己ホモダイン型の混合による。１次および背面散乱光が同じ偏光状態であっ た場合、これは次のような位相エラーを導く。

Ｉ　ｃｉｒｃ−循環強度 Ｂ　＝帯域幅 ｆ　＝ソースのライン幅 １０ｄＢｋｍ”の減衰によって６３３ｎｍで動作される単一モートファイバのル ープに注目すると、はとんとかレイレー背面散乱される。

ファイバ中に背面散乱されたパワーは次の通りである。

°′°４“　（等方向性散乱と仮定） ここで、Ｎ、　Ａ、　−ファイバ開口数η　＝ファイバ屈折率 ２、広帯域ソース：高速周波数変調による低い可干渉性をシミュレートする５Ｌ ＥＤ、超蛍光ファイバあるいはレーザダイオードの使用 ３、背面散乱されたビームの偏光状態が可能な限り大きいファイバ長によって共 伝播する１次ビームに直交することの保証。

別の雑音は、ＣＲＮと同じタイプの遅延された自己ホモダイン雑音を生ずるプロ ーブにおける任意のファイバ接続あるいは不連続部からの反射による。互いの少 数のコヒーレンス長内の反射は、ファイバ内のソース周波数雑音および光通路長 の変動によって変化する出力信号を与える。さらに、ループの一巡の半分の長さ のコヒーレンス長内の領域において、背面散乱は１次光とコヒーレントであり、 ループ内の先通路の長さの変動に対応してるスペクトルを有する出力における雑 音を生ずる。

これらの効果はシステムにおける反射を避けることによって最小化され、コヒー レントレイレー雑音と同じ防止措置にレーザ振幅雑音は、反対位相出力が減算さ れる時に直角位相信号から直接的に変調する。それは原理的に、強度基準によっ て出力される光検出器のアナログあるいはデジタル分割によって除去される。こ のような装置は十分な動的領域および帯域幅を通常は有さないが、好ましい解法 は静かなソースを使用することである。

３つの基本的なプローブ型式は、この干渉計における使用について考慮される（ 図３のａ、ｂ）。これは理想的なケースを示す。両ファイバＦｌ、Ｆ２からのビ ームは、ビーム中央部を重複するために集束される。目標が滑らかな表面にある 場合、ファイバ間の効果的な結合が最小の後面反射に対して達成される。欠点は 、整列における複雑さおよび困難さである。

さらに図３（Ｃ）において、プローブビームは規準されるので、平坦な表面か使 用されなければならない。システムはｄ〉焦点距離ｆに対して通常不整列とされ るか、合理的な交差結合効率は最小の後方散乱のために達成される。

さらに別の実施例の図３（ｄ）のものは、必要な最も基本的な整列のみを有する ３つのプローブ型式の最も簡単なものである。方向性カブラＤＣはパワーを浪費 するか、目標からの背面散乱は交差結合と同様の大きさである。それ故ソースコ ヒーレンス時間は、ループ伝播時間よりもずっと短くなければならない。

これより、上記実施例の特性を他の速度干渉計の特性と比較する。

角周波数ω　のソースからの光が速度Ｖによって移動する目標から通常反射され 、不平衡なマイケルソン干渉計によって分析され、光通路の長さＬ　１．　Ｌ　 ２のアームの場合を考える。

目標の後、ω　はω　−ω　（１＋　２　ｖ　／　ｃ　）にドツプラＯｒ　Ｏ −シフトされる。再結合ビーム間の位相差は、次の式によっそれ故適切な位相回 復方法が存在すると仮定すると、次の位相依存性が見られる。

このシステムは、低速度の測定において、サグナックと比較される３つの明瞭な 欠点がある。

１、それは、潜在的速度の感度を制限するソースコヒーレンス長〉ΔＬを必要と する。

２、それは、第２の基準空洞か使用されない限り、ソースの周波数雑音と表面振 動によるドツプラーシフトの間の区別かできない。

３、それは、通路長の不平衡における変化に対して非常に敏感である。λ／４の ΔＬにおける変化はπ／２の位相シフトを生じ、厳しい状態を導く。

ａ（ΔＬ）／ΔＬ　＜＜　λ／４ΔＬ 例えば、λ＝６３３ｎｍ、ΔＬ＝１５０ｎｍで。

λ１４ΔＬχ１０−９　である０ 通路長の安定性は、ファイバ屈折率の強力な温度依存性のため、先ファイバ干渉 計における特に問題である。

ファプリー・ベロー干渉計は周波数シフトからの速度情報を回復するために成功 的に使用され、ソースコヒーレンス、周波数雑音に対する感度および厳しい安定 性の要求の同じ欠点を有するマイケルソンの明瞭な外延である。

サグナック干渉計は、符号およびシード粒子の適当な速度成分の大きさを与える 簡単な受動レーザドツプラー分析（ＬＤＡ）としてポテンシャルを提供する。プ ローブ型式Ｃを使用するこのようなシステムに注目する。

ビームのくびれ部を横切っているプローブの縦軸に沿った速度Ｖの粒子はＩ、（ ｔ）、Ｉ２　（ｔ）の相補的な出力でパルスを生成し、それにおいて１．＋１２ は背面散乱された光の強度を与え、（１−１）（１１＋Ｉ２）はビーム軸に沿っ た粒子の適当な符号の速度を与える。

干渉か起こる場合、それは粒子がビームτ　に費す時間はループ遅延Δτよりも 本質的に長い。この状況が満たされる時を調べるため、最大速度Ｖ　のシード粒 子による流れにのａ！ ついて検討する。ループ遅延は〜π／４の最大の動的位相シフトを与えるために 設定され、線形、良好な信号対雑音比を保証し、速度の曖昧さを避ける。づ７Ｌ ｈ”ｙ、線形領域Ｌ　の寸法は、次のようでなければならない。

λ 条件は実際的な光学システムに自動的に満たされる。

実験的な配置は図２において示されている。それは、約２１０ｍの長さくＬ）の ループ２に関する前に説明されているのと同様である。予防措置の数は、潜在的 雑音ソースを減少するために得られた。ソースレーザＳは、ミラーを結合するレ ーザ出力を反射して戻す干渉計からの反射を阻止するために偏光器および４分の １波長プレートＰＱを使用して干渉計から分離された。フレネル反射によって生 成されるファプリー・ベロー空洞から発生する干渉は、屈折率整合ゲルおよび顕 微鏡のカバーガラスを使用して最小化された。ファイバ接続は他の不所望な反射 を減少するため融着接続によって形成された。干渉計は、発砲体に埋め込むこと によって音響的、振動的、熱的に遮蔽された。第２の方向性カプラＣ２の目的は 、反射されたサグナック出力のｎ１定およびループに入るパワーの監視を可能に することであった。

目標速度に比例し、したがって固定された振動振幅の高調波振動目標の周波数に 比例した応答は、その実験的な装置がプローブ部分のない図２の装置である“閉 ループ試験において証明された。振動している表面は、圧電体管（ＰＺＴ）を使 用して約５０回巻かれたファイバを周期的に伸ばすことによってシミュレートさ れた。ＰＺＴ周波数応答特性は、マイケルソンファイバ干渉計を使用する補助的 な実験によって測定された。周波数応答特性は、ｄｃから約１０ｋＨｚまでほぼ 平坦で線形となることが認められ、それ以上の周波数の機械的共振は強い非線形 を伴うことが認められた。

干渉計の実験は、ＰＺＴの線形周波数応答領域にわたって実行された。ＰＤＩお よびＰＤ２の２つの先出力は、理論によって反対位相において変化することが認 められた。この観点は、観測された出力が予測された位相変調よりもファイバに おける屈曲損失によって生じられるような強度の変調のためてあったという可能 性を予め含む（強度の変調は同位相で変化する出力を生ずる）。出力の相補性は 、それが付加的なカブラを横切っているため１つの出力の信号の減少を補償する 独立した利得を有する、付加によって調へられる。付加は、カプラＣ１の非理想 的な特徴のためのわずかな変調を有する合理的な一定な強度のラインを生成した 。

干渉計の感度は、転送機能の任意の点で動作し、干渉縞の可視度を変化すること が可能であるように、理論上の予測にしたがって偏光制御装置の調整に依存され ることが認められた。試験は、最大の感度を示す直角位相点に調整される干渉計 によって行われた。サグナックにおける検出された光学位相が目標速度の関数で あるため、出力光電流が一定のＰＺＴ出力電圧でＰＺＴ変調周波数に比例した深 さに振幅変調されることを予想する。これは、図４（ＰＺＴ駆動装置の出力電圧 に関連して標準化された）に示される結果によって示されている。重ね合わされ た直線は、２１．２ｒａｄ／ｍｓ’の装置の感度に対応する。

光通路の距離における絶対的な変化を決定する２つの別の技術を開発した。

１つは、“干渉縞振幅“方法と呼ばれている。式（２，１）によって、高調波振 動表面（すなわち、ρＤ−ρ５ｓｌｎωｓｌ）のための直角位相（すなわち、φ Ｂ−π／２）におけるサグナック出力の検出された強度は、次の式によって与え らφ、を小さいと仮定すると、検出された信号の変調振幅は次ノ式によって与え られる。

工ｑｍ諺工９゜Ｖｑ中、　（３，２） サグナック出力干渉縞、ｖ　ｚｌの高い可視度のため、誘起された位相シフト（ ラジアン）は次の式によって与えられる。

つまり、干渉縞振幅に対して実際に変調された信号振幅の比によるものである。

Ｐ　Ｚ　Ｔによって誘起される位相シフトを決定する第２の経験的な方法は“高 調波振動”方法により、それによって偏光制御装置か直角位相の動作点あるいは 伝達関数の転回点に動作点を設定するために調整される時にシステムの出力を比 較する。

システムが転回点て動作されるならば、非本質的な位相φＢ−０てあり、小さい δ、近似を行う場合、検出された信これは、直角位相（第１の高調波振動）て出 力の周波数の２倍（第２高調波と呼ばれる）て変調される信号である。それ故、 変調振幅は次の通りである。

したかって、式（３，２）と比較し、Ｖ、−Ｖｑと仮定すると、次のような誘起 された位相シフトを導く。

位相シフトφ　は位相ンフタおよびループ遅延Δｒに対してｄΦ／ｄＶの推７ｉ ｐｊ値を使用して千Ｍｊされる。

このタイプのＰＺＴは、低周波数で（５２±５）ｍｒａｄＶ　ｔｕｒｎ”を典型 的に与える。ここで使用された５２の巻回は、予測されたｄΦ／ｄＶ−（２，７ ０±０．２６）　ｒａｄＶ−１を与える。全体的なループの長さは（２１０±１ ０）ｍと推定され、高調波励振に対してΔｒ＝　（１，０２±０゜０５μｓ）を 生じる。

表１に示される干渉縞振幅と高調波技術の両方によって計算された閉ループ試験 において誘起された位相シフト値のサンプル比較は、両方法が実験的なエラー内 における予測と一致することを示す。実質的に前者はさらに実行に都合がよいこ とが認められた。

誘起された位相シフトからのループの伝播時間（Δｒ）にわたって表面のピーク 速度（Ｖ　）を計算できる。つまり、式（２，１４）から、誘起したピーク位相 シフト振幅を誘導した。

■　はΔτが知られる場合に決定される。

閉ループ試験のためのこの方法によって計算された速度は、表２において与えら れる。

サグナック線形周波数応答特性は、１００Ｈｚ乃至１００ｋＨｚのＰＺＴ駆動装 置周波数を掃引するネットワーク分析器を使用して確認される。駆動装躍は、１ ０ｋＨｚまで一定の出力電圧を有することを示され、線形の応答特性の対応した 干渉計が図５に示された。

実質的な運動表面の実際の状況において動作している装置を示すため、プローブ 部分（図３のＣ）は図２におけるループに接続された。プローブファイバは長さ が３ｍであり、プローブビームは１０倍の顕微鏡の対物レンズを使用して無限焦 点に設定する。関数発生器から直接駆動された小さい圧電性のシェーカー（ＰＺ Ｓ）に取付けられた反射素子は、目標として使用された。目標距離までのファイ バは１６ｃｍに任意選択され、７ｉＩＩ定スポツト半径は約１．６ｍｍであった 。

プローブは、システムが閉ループの試験におけるような周波数に比例した同じ応 答特性を与えたことか示される位相変調を供給するために、向かい合っているフ ァイバにターゲットから戻される反対方向に伝播するビームとループにおけるＰ ＺＴを使用して直角位相で実行される開ループ静的ミラー試験を結合するために 整合されたが、プローブの不十分な再結合によって誘導される余分な損失のため の全信号強度において約５０％減少する。

振動ミラー試験はサンプル共振２２８周波数で実行され、誘起された位相シフト は干渉縞振幅方法を使用して計算された。検出された位相シフトは、１．１ｍｍ ５”乃至１５．６ｍｍ５’のピーク目標速度に対応している０、０２乃至０゜３ ０ラジアンに分布していた。

振動周波数２４４ｋＨｚの典型的な反対位相出力は図６に示されている。１つの 出力は、（３７，５±２．５）ｍＶの干渉縞振幅を有する（６．７５±０．２５ ）ｍＶの変調振幅、および（２５±５）ｍＶの十分な干渉縞を有する別の（４゜ ２５±０．２５）ｍＶの変調を示す。これらは、（０，１８±０．０１）ｒａｄ および（０，１７±０．０２）ｒａｄの首尾一貫性の位相シフトにそれぞれ対応 し、（９，５±０゜７）ｍｍｓ”および（８，９＋１．１）ｍｍｓ−’の速度に それぞれ対応する。

システムの雑音フロアは外部信号がない時に測定され、１００ｋＨｚ以上の周波 数領域の５０　ｎ　ｍ　ｓ　−’Ｈｚ　−１７２程度の目標速度に等しいことが 認められた。

サグナックは、ループの長さＬ＝２２０ｍに対応しているΔτ−１．０７μｓを 与える９３５ｋＨｚでゼロ応答を与えることが認められた。

これらの周波数を越えると低下するＰＺＴ応答特性によってのみ限定される９　 ０　ｋ　Ｈｚ乃至ＩＭＨｚの領域の周波数で振動する表面からの変調された信号 を測定した。

光フアイバサグナック干渉計は、出力が目標速度に直接依存する受動速度計を形 成するように構成される。ずっと低い速度は例えばファプリー・ベロー干渉計な どを使用せずにこの技術を使用して測定され、この技術はソース周波数雑音の効 果に対する感度が低い。振動表面の非接触速度測定の線形応答を有する実際的な 光フアイバサグナック速度計の動作が証明された。その線形は、１０ｋＨｚまで のシミュレート振動信号による試験によって実証され、少なくともｌ　Ｍ　Ｈｚ ”までの周波数でプローブを介する実際の振動表面から信号を検索することがで きることが示された。直角位相動作は、ファイバ複屈折の制御された導入を含む 新しい方法によって維持された。流体速度の測定において適用される技術を可能 にする別の設計を提供した。

表１ 誘起した位相シフト／　ｒ　ａ　ｄ 周波数　干渉縞　高調波法　予測 ／　ｋ　Ｈｚ　振幅法 ３　０．５９＝０．０７　０．５７’＝０．１０　０．４６±０．０６４　０． ６９　＝０．０９　０．７４　ｇｏ、＋４　０．６１　＝０．０７５　０Ｊ３± ０．１１　１．０３土０．１８　０．７６±０．０９表２ ピーク表面速度／ｃｍｓ” 周波数　干渉縞　高調波法　予測 ／　ｋ　Ｈｚ　振幅法 ３　２．９二０．３　２．８　＝０．５　２．３±０．３４　３．４　＝０．５ 　３．７　＝０．７　３．０　＝０．３５　４．１±０．５　５．１±０．９　 ３．８±０．４１’ｌＴＩ　ＪＪ−５１＋ノｌ１７１１Ｊ−八ｙζ−−目（１丁 ｐ１イ４７１７五ｏ”ｔ）ｙｃｖノ０ノ平成平成４年１２３巳８ １、国際出願番号 ＰＣＴ／ＧＢ９１１０１１１４ ２、発明の名称 速度計 ３、特許出願人 名称ブリティッシュ、テクノロジーグループ・リミテッド４、代理人 住所　東京都千代田区霞が関３丁目７番２号５、補正の提出年月日 １９９２年６月２３日 ６、添付書類の目録 （１）補正書の翻訳文　１通 請求の範囲 １．先ファイバ放射導波体のループ（２）、前記ループを廻って反λｊ方向にソ ース（Ｓ）から光信号を放射する手段と、前記ループ内に配置され、前記放射導 波体（Ｆｌ、Ｆ２）から可動目標（ＰＺＴ）への前記光信号の発射するように構 成したプローブ手段とを具備して前記目標からの反射後に前記信号を受信し、前 記放射導波体に前記信号を向は直す干渉計を具備していることを特徴とする速度 計。

２、前記光信号間に位相差を生成する位相制御手段（ＰＣ）を含むことを特徴と する請求項１記載の干渉計を具備している速度計。

３、前記位相制御手段（Ｐ　Ｃ）が光フアイバ放射導波体の前記ループにおける 複屈折を制御するための手段を具備する請求項２記載の干渉計を具備している速 度計。

４、前記位相制御手段（Ｐ　Ｃ）が前記光信号間へ実質上π／２の位相バイアス を導入するように構成されていることを特徴とする請求項１または２のいずれか 記載の干渉計を具備している速度計。

５、前記ループ中で直角位相を実質的に維持するために偏光制御手段（Ｐ　Ｃ） を含む請求項４記載の干渉計を具備している速度計。

６、放射ソース（Ｓ）が偏光器および４分の１波長プレート（ＰＱ）によって干 渉＝士から分離されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項記載 の干渉計を具備している速度計。

７、重なり合っているビームのくびれ部に２つのファイバ端部（Ｆｌ、Ｆ２）か らのビームを集束するための手段（Ｌｌｌ。

Ｌ１２）が設けられていることを特徴とする請求項１記載の干渉計を具備してい る速度計。

８．２つのファイバ端部（Ｆｌ、Ｆ２）からのビームが規準されることを特徴と する請求項１記載の干渉計を具備している速度計。

９、カプラ手段（ＤＣ）が前記プローブ手段の対抗しているアーム（Ｆｌ、Ｆ２ ）からの放射を結合するために設けられ、集束手段（Ｌｌ）か前記対抗している アームの１つのみからの放射を放射し、受信するために設けられていることを特 徴とする請求項１記載の干渉計を具備している速度計。

１０、前記目標から反射される放射および前記ループに入る放射のパワーの測定 を許容する方向性カブラ手段（Ｃ２）を具備することを特徴とする請求項１記載 の干渉計を具備している速度計。

国際調査報告 国際調査報告 フロントページの続き （７２）発明者　ポーズウィック、ウィリアム・ケネス・ドナルド イギリス国、イーエイチ１３・０デーデー、ニブインバラ、コリントン、ドレグ ホーン・ローン　４６ （７２）発明者　ハーベイ、ディピッドイギリス国、ジー６４・２イーエツクス 、グラスゴー、ビショップブリッグス、ブラッケンブレアー・ロード　４３、ペ ンナッキ−（７２）発明者　ジョンズ、ジュリアン・ディピッド・クレイトン イギリス国、イーエイチ４６・７エーエル、ピープレッシャー、ウェスト・リン トン、ドルフィントン、ペッギーズ・ノーウニ（７２）発明者　マクブライド、 ロイ イギリス国、イーエイチ８・７テーユー、ニブインバラ、ダディングストン・ミ ルズ

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. １．光ファイバ放射導波体のループ２、前記ループを廻って反対方向にソースＳ から光信号を放射する手段と、前記ループ内に配置され、前記放射導波体Ｆ１， Ｆ２から可動目標ＰＺＴへの前記光信号の発射するように構成したプローブ手段 とを具備して前記目標からの反射後に前記信号を受信し、前記放射導波体に前記 信号を向け直す干渉計を具備していることを特徴とする速度計。
2. ２．前記光信号間に位相差を生成する位相制御手段ＰＣを含むことを特徴とする 請求項１記載の干渉計を具備している速度計。
3. ３．前記位相制御手段ＰＣが光ファイバ放射導波体の前記ループにおける複屈折 を制御するための手段を具備する請求項２記載の干渉計を具備している速度計。
4. ４．前記位相制御手段ＰＣが前記光信号間へ実質上π／２の位相バイアスを導入 するように構成されていることを特徴とする請求項１または２のいずれか記載の 干渉計を具備している速度計。
5. ５．前記ループ中で直角位相を実質的に維持するために偏光制御手段ＰＣを含む 請求項４記載の干渉計を具備している速度計。
6. ６．放射ソースＳが偏光器および４分の１波長プレートＰＱによって干渉計から 分離されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項記載の干渉計を 具備している速度計。
7. ７．重なり合っているビームのくびれ部に２つのファイバ端部Ｆ１，Ｆ２からの ビームを集束するための手段Ｌ１１，Ｌ１２が設けられていることを特徴とする 請求項１記載の干渉計を具備している速度計。
8. ８．２つのファイバ端部Ｆ１，Ｆ２からのビームが視準されることを特徴とする 請求項１記載の干渉計を具備している速度計。
9. ９．カプラ手段ＤＣが前記プローブ手段の対抗しているアームＦ１，Ｆ２からの 放射を結合するために設けられ、集束手段Ｌ１が前記対抗しているアームの１つ のみからの放射を放射し、受信するために設けられていることを特徴とする請求 項１記載の干渉計を具備している速度計。
10. １０．前記目標から反射される放射および前記ループに入る放射のパワーの測定 を許容する方向性カプラ手段Ｃ２を具備することを特徴とする請求項１記載の干 渉計を具備している速度計。