JPH06507726A - 光ファイバ・レートジャイロ - Google Patents
光ファイバ・レートジャイロInfo
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- JPH06507726A JPH06507726A JP5511497A JP51149793A JPH06507726A JP H06507726 A JPH06507726 A JP H06507726A JP 5511497 A JP5511497 A JP 5511497A JP 51149793 A JP51149793 A JP 51149793A JP H06507726 A JPH06507726 A JP H06507726A
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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】
光ファイバ・レートジャイロ
技術分野
本発明は、次に述べる各部から構成される、いわゆる光ファイバ・レートジャイ
ロに関するものである。すなわち、本発明は、コイル状に巻回される誘電体導波
路と、この誘電体導波路に、互いに反対方向へ回転する2つの電磁波を送出する
ための分離器を備える電磁波源と、前記2つの電磁波が、前記誘電体導波路の伝
搬時間τ、に実質的に等しい半期間τ、にて、交互に、対称的、がっ周期的な位
相変調となるように制御するとともに、傾斜可変の位相ランプを受信する電気光
学的移相手段であって、前記2つの電磁波のうちの一方が前記誘電体導波路に対
し前段となり、他方が後段となるように配置される電気光学的移相手段と、干渉
検出器によって受信される、前記2つの電磁波の移相を相殺するべく、前記位相
ランプのセンスおよび値を制御する循環計測手段とを備える。
くわえて、この循環計測手段は2つの異なる移相器を備え、このうちの一方が変
調信号を受信し、他方が位相ランプを受信する。これらはまた、結合された信号
を受信する−の移相器を備える。
背景技術
このようなタイプのレートジャイロを記載した文献は、非常に多くのものがあり
、誘電体導波路には、一般に数百回巻回されたコイル状の光ファイバが用いられ
る。そして、これらレートジャイロは、サニャブク効果に基づいている。すなわ
ち、同一源から発した2つの電磁波が、互いに反対方向からファイバコイルに注
入され、次に検出器付近で結合されるとき、レートジャイロが静的状態であるな
らば、光路長は互いに等しい。反対に、フィルが軸について速度Ωで回転するな
らば、2つの電磁波は、2つの異なる光路長で伝搬し、この結果、次式で示され
る移相φ、が発生する。
φ、−(4πLR)/λ、c。
ここで、L、R,λ0.およびC0の各々は、それぞれファイ1<の総延長、コ
イルの半径、真空中での波長、および真空中の光速を示す。
検出器によって受信される瞬間的な、fワーPは、P = P e/ 2 (1
+COSφ、)となる。この式においてP、は、回転がないときに受信するノ<
ワーである。
p / P eを単に測定することにより速度Ωを与えるレートジャイロは、実
際問題として使われはしないであろう。前述したタイプのレートジャイロでは、
基本構成において、容易ならない2つの欠点を解決することができる。
このうち第1の欠点は、P/P、に起因しており、このp / P @が、φ、
がほとんど「0」であるときには、CO3−,の変化が小さいので、非直線特性
で小さく変化することである。上述したレートジャイロにおける電気光学的移相
手段によって、動作点が、スケールの高い、かつ速度関数での信号変化が実質的
にリニア特性となる領域に4行する。電気光学的移相手段は、コイルの伝搬時間
ζこ等しい半期間τ、(すなわち、光ファイバの伝搬時間τ、)であるとともに
、約π/2で非相反の移相φ、に対応する振幅を有する信号を受信する。この移
相は、第1に、一方の電磁波に印加され、第2に、ファイ、<の伝搬を有する他
方の電磁波に印加される。これは、電気光学的移相手段が、一方の電磁波に対し
ては前段となり、他方の電磁波に対しては後段となる位置に配置されるためであ
る。かようにして、レートジャイロは、干渉の各最大線の半強度となる動作点に
お0て交互に極性化される。いいかえれば、動作点は、正弦波の中間点であって
、対称的な2点間を特性P(φ)で振動する。
次に第2の欠点は、基本構成において、このレートジャイロが無価値な装置でな
い、という点である。前述したタイプのレートジャイロでは、この欠点は、非相
反の移相φ1を用いることによって、解決される。すなわち、(φ、+φ、)を
零に減じるように、互いに反対方向へ回転する2つの電磁波が同一の効果を受け
ないようにすることである。移相φ、は、2つの電磁波のうちの一方がコイルに
対し前段となり、他方が後段となるように配置される電気光学的移相手段に印加
される電圧ランプに基づき生成される。この電圧ランプは、(φ、+φ、)を相
殺するべく、傾斜可変となっている。このように、コイルの伝搬時に生じた、同
一の2つのランプにおける差に等しい移相が、2つの電磁波のうちの一方の位相
には、コイルを伝搬する前に生じる一方、他方の位相には、コイルを伝搬した後
に生じる。この移相φ、は、ランプの傾斜時には一定であり、ランプの傾斜に比
例するものであり、ランプは、速度Ωの符号に依存するセンスに一致する。
一般に循環計測手段は、アナログ構成である。しかしながら、この循環計測手段
のうち、特定の部分をディジタルの性質を利用して構成しよう、とする提案が従
来よりなされている。
発明の目的
本発明の目的は、前述したタイプのレートジャイロにおいて、循環計測手段を完
全にディジタル化(A/D変換器の入力とD/A変換器の循環出力とを除く)し
て提供するとともに、τ、とτ、とにおける不可避の不一致を解決することにあ
発明の開示
この目的のため、本発明は、特に前述したタイプのレートジャイロにおいて、干
渉検出器からの出力信号を受信するとともに、期間2τ、の基準信号を受信する
ディジタル復U器を有するループを、駆動するA/D変換器と、回転速度の概算
値を供給する第1の積分器と、帰還されたランプの誤差信号を積分して得られる
訂正信号を受信する訂正加算器であって、ランプを生成するために設けられる訂
正加算器ならびに第2の積分器とから循環計測手段を構成した点において特徴を
有している。
電気光学的移相手段が1つの移相器を有する場合に、サーボ制御を調節する制御
信号は(可能ならば、変調信号と加算した後に)、電気光学的移相手段に印加さ
れる。この変調信号はまたディジタル信号である。また、電気光学的移相手段が
一対の電極を有するのならば、D/A変換器の出力が備えられる。そして、また
、電気光学的移相手段が、それぞれが異なる重み付けを有し、かつそれぞれが循
環計測手段からの出力ビットのうちの1つを受信する複数の電極を有する限り、
電気光学的移相手段では直接ディジタル駆動が可能である。
本発明は、以降詳述する実施魁様の説明によって、この態様に限定されることな
く、より明白に理解されるであろう。
図面の簡単な説明
第1図は本発明の実施以外の、従来より広く知られた光および電気光学的機構を
有する先レートジャイロの構成を示す基本ブロック図、第2図は位相と可能な動
作点との出力変化を関数として示す図、第3図は第1図における各部の信号波射
を示すタイミングチャート、第4図および第5図は、第1図に示される装置に用
いて有効な復調器ならびにランプ生成器の実現可能な構成を示すブロック図、第
6a図は回転の2方向に対し実行される訂正方法を示す図、第6b図は回転の2
方向に対するランプの変調方法を示す図、第7図は異なる実施態様の要部構成を
示すブロック図である。
発明を実施するための最良の形態
第1図に示される光レートジャイロは、広く知られてはいるが(例えば、FR−
A−2670885#照)、簡単に述べられているにすぎない光学構造を有して
いる。この光学構造は、通常は光ファイバを巻回したコイルlOからなるコイル
状の誘電体導波路から構成される。、このコイルは、数センチメートル程度の半
径であって、50〜+ 000メ一トル程度の長さである。電磁波源12は、レ
ーザダイオードや超発光ダイオード等からなり、光学系+6でのファイ/イ両端
部に電磁波(光)を供給する。転換器14は、電磁波源12と光学系16との間
に配置され、これにより互いに反対方向からコイルlOへ伝搬する2つの電磁波
で供給される強度を回復することができる。また、光学系16は、ファイ、(両
端部に電磁波を送出する分離器を備え、さらに、電気光学的あるいは何らかの方
法により位相変調を行なう電気光学的移相手段31を備える。
第1図の例では、1つの位相器が、コイルの伝搬時間τl (回転速度Ωの変化
を無視できる時間)に等しい半期間τ、にて、交互に、周期的に変化する電気信
号と、循環計測手段により計算された傾斜可変ランプとの2つの信号を受信する
ために備えられる。このうち電気信号の振幅は、±π/2の光学位相を生じさせ
るような大きさであり、この信号によって、測定点が、感度と直線性とが最大に
なる領域に移行する。また、この電気信号は、矩形波であり、タイムベース18
から供給される信号MODに同期する信号であってもよい。このタイムベース1
8は、クロック20からの一定周波数信号を受信する。
また、第1図の例では、循環計測手段が、モジュール22に相当しており、検出
、フィルタおよびプリアンプを行なうために、センサおよびプリアンプから構成
され、入力23によりゼロリセットされる。その光学的強度がPで表わされる、
モジュール22からの出力v0は、A/D変換器27に供給され、例えば8ビツ
トの語長で量子化されて、(半期間τ、あたり−で)連続する標本値E1となる
。
rlJ番目を示す標本値E、は、ディジタル復調器26に供給され、このディジ
タル復調器26には、タイムベース18からの基準信号Aが供給される。このデ
ィジタル復調器26から出力された連続する復調信号り、は、不一致を示す信号
を構成しており、ディジタル積分器28に供給される。ここで、ディジタル積分
器28の出力信号は、回転速度の概算値Ωを示すものである。この概算値Ωは、
後述する訂正加算器を介した後において、位相ランプ生成830のディジタル積
分器を駆動する。また、位相ランプ生成器30は、出力Pおよび出力Mを供給す
る。これら出力Pおよび出力Mは、ランプの度合いに依存し、この生成器の能力
を越えた場合、すなわち、う/ブが特定の光学的移相(普通、2πである)に対
応する振幅に達した場合に出力されるパルスである。この結果、これら各Ifル
スは、レートジャイロの回転角度が一定値だけ増大する毎に出力されることにな
る。
前述したように、電気光学的移相手段31は、位相ランプと変調信号との和の供
給を受けるために、1つに移相器を備える。このため、2π訂正を受けた位相ラ
ンプ生成器30の後段には、ディジタルの加算器32が配置しており、タイムベ
ース18により供給されるディジタルの変調信号MODを受信する。ここで、D
/A変換器34は、電気光学的移相手段を駆動するのに十分な能力を有する。
第1図の例において、2π訂正を行なうループは積分器36を有している。この
積分器は、ディジタルの標本値E、の信号を受信する一方、ランプの帰還に対し
誤差ε2πで表わされる訂正信号にΣε2πを出力する。ここで、kは定数であ
り、この積分器出力については、後述する。また、この積分器は、位相ランプ生
成器3oからの出力Pおよび出力Mを処理するゲート3.6により制御される。
第1図に示される装置では、変調期間τ、とファイバの伝搬時間τ、との避ける
ことのできない不一致により生じる有害な結果を除去することが可能である。
動作点は、二つの点lおよび2の間における特性P=f(φ)で変動する。サニ
ャ1り効果による位相φ、を正確に補償するべく位相φ、を調整した場合、動作
点は対称的となる。そうでない場合、第2図に示すように、動作点は対称的でな
くなる。
モジュール22からの出力v9は、電圧値■、とvIとの間で振動する。ここで
、(V−V+)Aは、(φ、+φ、)を表わしており、Aは「−1」と「+1」
とを取り得る2進変数である。
実際には、干渉を検出する検出器は、期間τ、が正確には時間τ、に等しくない
ことに起因する過渡状管に従う。この過渡状態の期間は、1τ、−τ、1に等し
く、これは、時間で、に比べて十分に小さい。
A/D変換器27は、過渡状態より期間τ、だけ先行して離れた連続l11散時
間【1にて検出される信号を標本・量子化するように、タイムベース18により
制御される。
連続lIl散時開時間は、モジュール22における検出増幅の過渡特性を最小に
するように、変調における各半期間の終端部が選択される。連続離散時間t、、
でのディノタル出力値を示すElを用いて、ディジタル積分器26から出力され
る復調信号り、を示す上次のようになる。
八−+1 のとき、DI = El (AI −o)A−−1のとき、DI =
−El (A、=+)ここで、A、は、例えば位相変調が「+π/2」あるいは
r −w / 2 Jである場合に、それぞれ「1」あるいはrOJを取り得る
。ディノタル復調器26は、極めて簡単な方法では、第4図に示されるように、
排他的論理和と加算器とで構成可能である。
ディジタル積分器28は、各半期間τ、の終端部において次式の動作を行なう。
すなわち、ディジタル積分器28は、
を計算するとともに、Ω、をそのバッファ・レジスタに順次書き換えて記憶する
。
このとき、ディジタル積分器28のバフフトレジスタでは、桁溢れを防止する必
要がある。これは、例えば、同じ符号(Ω、−9およびDI)の和が同一符号の
結果を与えるという状Cでレジスタへの書き込みが実行されるのを強制させるこ
とで可能である。ディジタル積分器28のビット数で決まる能力は、要求される
ダイナミック・レスポンスの作用として選択される。
一方、位相ランプ生成器30は、各半期間τ、の終端部において、R1=R1−
1+Ω1
で定まるをRを出力する。
ごの式は、第5図で示される位相ランプ生成器30で実行される。このため、位
相ランプ生成器30には、加算器がバッファ・レジスタ42の後段に配置してイ
ル。tlPおよびMは、バッファ・レジスタにおける正および負の限界超えを示
す信号を構成している。また、出力PおよびMは、それぞれ角度の増加を示すと
ともに、ランプの桁溢れを引き起こす。
第1図では、ランプには変調信号が加算され、次にD/A変換器34によりアナ
ログ信号に変換される。位相φ、は次式のように適合される。
φ、 −K [R(t) −R(を−でl)]ここで、Rは、R+ およびR1
−1に対応して比例する。ここに、ディジタルの出力値は、速度Ωで示される。
バッファ・レジスタ42の桁溢れは、正の二数の和が負の結果となる、というこ
とをで検出することにより可能であり、その反対もまた同様に検出することが可
能である。
この桁溢れに対して実行されるべき訂正は、第6a図に示すように、回転速度の
符号に依存して、バッファ・レジスタ42の内容を書き加えるあるいは削除する
ことで行なわれる。第6a図に示される例では、位相ランプ生成器で用いられる
ビット数は11であり、変調を加えることにより、第6b図に示されるように、
さらにlビットが要求される。
訂正信号Cは、位相ランプ生成器30の正の桁溢れ状態の動作点3.4(第2図
#照)、および位相ランプ生成器30の負の桁溢れ状態の動作点5.6に動作点
を置き換えるように、積分器36を有するループにより計算される。この動作点
3.4は、それぞれ変調される位相[+π/2J、r−π/2」にしたがって達
し、また、動作点5.6は、それぞれ変調される位相「−π/2」、「十π/2
」にしたがって達する。
バッファ・レジスタ42のビット数がrnJならば、2π位相は、(2′″−〇
)で表わされる。ここで、Cは常に正であり、ε2πを自然2進で表示したもの
である。
ランプへ変調は、桁溢れ毎に2π訂正の検出を妨害することなしに、ランプの最
上位ビットを加えることと、加算器32にて(0,π/2)変調を加えることと
によって行なわれる。ランプの帰還に対応する実効値2π、は、厳密に言えば、
2πに等しくないならば、誤差ε2π=2π、−2πが、動作点3.4(あるい
は、動作点5,6)の間で、検出される。誤差ε2πが正であるならば、動作点
は、第2図に示す3a、4n、5aおよび68になる。
動作点3aは、速度Ωが負であってA=1という例に対応する一方、動作点58
は、速度Ωが正であってA=−1という例に対応している。
仮に、Elが、動作点38〜6aの1つで検出された電圧を示すならば、相似の
動作点の組に対する計算は、次のようになる。
E 1.I E 1−+ = K−sign (Ω)−sign(A) ・ε2
πこの式において、E、=−El、、、なので、El、、+E、=に−sign
(Ω) ・sign(A) ・ε2trである。ここで、Kは定数である。
ΩとAとは、(El、++E+)を測定し、次の式を実行することにより分離す
ることができる。
gign (Ω)−sign(A) ・ (E++++E+)=Kt2xこの不
一致は、ゼロリセットの度毎に、積分器36に供給される。
状態が定まると、積分器36は符号で割り当てれる値で安定する。最上位ビ。
トを反転することにより、2の補数表示は、自然2進表示に変換される。例えば
、3ビツトの場合、対応関係は次の表のようになる。
0 000 → 100
−1 1.11 最上位ビットの反転 011(この表において、第1列はlO
進数、第2列は2の補数表示、系3列は自然2進表示をそれぞれ示している。)
第6a図において、位相ランプへの訂正は、正の桁溢れにおいては加えることで
あり、負の桁溢れにおいては除去することである。
D/A変換は種々の方法で実行され得り、これにより、電気光学的移相手段31
の制御をアナログで行なうことが可能となる。
第1の欠点は、ランプが11ビツトで量子化されるのであれば、12ビツトのD
/A変換器34を用いることにより解決され、桁溢れすることなく、大きさπ/
2の変調をランプに付加することができる。アナログの基準に関して2π訂正を
行なうことにより、変化しやすいアナログの基準を有するようなり/A変換器を
必要としなくなる。
第2の欠点は、電気光学的移相手段31の電極をn個(nは加算器32の出力ビ
ット数である)に分割することにより解決される。これらの電極は、2を基数と
する等比数列で示される長さを有する。この解決において光学的積分には、なん
ら問題がない。
誤差と2πは、検出が直線領域にて行なわれる限り、自動的かつ十分に補償され
る。
サニヤック効果による位相φ、が一定であり、出力PあるいはMが出力される期
間tを考慮すると、サーボ制御は、次の式に基づいて行なわれる。
n H
+nす、 ÷ Σ (◆r)■ + Σ 1k 211(signe (T)
−0(1)1−1 k−1
式(+)において、nはt/τ、で計算されるステップ数を示す。さらに、n
N
Σ (φ1)ニー Σ 2rl(1◆Ik)(2)1−1 k■1
である。ここで、例えば、(φr) +が正であり、φ1が負である場合、これ
は、この式においてθは、レートジャイロの回転角を示す。
さらに、式(3)より、出力PあるいはMで示された増分である角度の重付けΔ
θは、λIceτ、/LDに等しいということが理解することができる。
ここに、誤差62πはもはや存在しない。
このように説明してきた方法では、ランプがnビットを越えて符号化された場合
に、2には2′で示されない、という特徴がある。すなわち、角度の増加を修正
することにより、測定が非正規化される。
桁溢れパルスの重付けに対応する角度増分よりも微小な分解能を得るために、角
度の増加を修正による効果を期待するならば、第7図のブロック図で示される構
成が用いられる。この図において、第1図と同一の部位には同一符号が付与され
ている。この構成においても、桁溢れすることなしに、ランプに変調を付加する
ことができる。
この例においても、位相ランプは、例えば211法に基づきバyファ・レジスタ
にて生成される。図示の例では、変調(0,+π/2)が、21で示されるラン
゛ブに付加される。この加算結果には、Nが乗算され、D/A変換器34への入
力は、2にのディジタル値である「21・N」となる。なお、この乗算は、乗算
器44にて実行される。また、Nは、誤差ε2πの積分値をN、に加算する加算
器46により得られる。すなわち、Nは、2πサーボ制御の大きさを調節するも
のである。
次に、D/A変換器のゲインは、(2”+2”)N、が(1−d)2”に等しく
なるように、初期化される。ここで、dは、D/A変換器34および電気光学的
移相手段31からなる部分の変換ゲインにおける最大変化である。
このように、ランプ生成器の出力において2xが211で不変とするような訂正
調節のサーボ制御が行なわれる。ランプ生成器を出力P、Mに対し並列に配置し
、このランプ生成器による数値を考慮することにより角度分解能を向上すること
が可能となる。
上述した態様では、電気光学的移相手段31への訂正信号は、ディジタル信号(
3111図においては加算器32の出力であり、第7図においては乗算器44の
出力である)として用いられた。これにより、電気光学的移相手段31が、上述
したように、異なる重付けを割り当てられた複数組の電極を用いて処理すること
が可能になる。さらに、異なる方向性を有する複数のコイルが、多軸レートジャ
イロを構成するならば、時分割多重を用いて変換器を1台とすることが可能であ
る。
このとき、変調信号は、移相手段をそれぞれ駆動するべく、組み合わせられる。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 1.コイル状に巻回される光ファイバコイル(10)と、このコイル(10)に 、互いに反対方向へ回転する2つの電磁波を送出するための分離器を備える電磁 波源(12)と、前記2つの電磁波を受信して干渉を検出する検出器(22)と 、前記2つの電磁波が、前記誘電体導波路の伝搬時間τlに実質的に等しい半期 間τmにて、交互に、対称的、かつ周期的な位相変調となるように制御するとと もに、傾斜可変の位相ランプを受信する電気光学的移相手段であって、前記2つ の電磁波のうちの一方が前記誘電体導波路に対し前段となり、他方が後段となる ように配置される電気光学的移相手段(31)と、前記検出器(22)によって 受信される、前記2つの電磁波の位相のズレを示す移相を相殺するべく、前記位 相ランプのセンスおよび値を制御する循環計測手段と を具備し、 前記検出器(22)からの出力信号を受信するとともに、期間2τmの基準信号 を受信するディジタル復調器(26)を有するループを駆動するA/D変換器と (27)、 回転速度の概算値Ωを出力する積分器(28)と、帰還されたランプの誤差信号 を積分して得られる訂正信号を受信する訂正加算器(29)と、 前記位相ランプを生成する位相ランプ生成器(30)とから、前記循環計測手段 を構成したことを特徴とする光ファイバ・レートジャイロ。 2.前記位相ランプ生成器(30)から出力される位相ランプに変調信号が加算 され、前記循環計測手段には位相器が備えられることを特徴とする請求項1記載 の光ファイバ・レートジャイロ。 3.前記循環計測手段の前段には、D/A変換器(34)が配置することを特徴 とする請求項1記載の光ファイバ・レートジャイロ。 4.前記D/A変換器(34)へのディジタル信号は、前記位相ランプと、前記 電気光学的移相手段に印加される変調信号との和であり、前記電気光学的移相手 段は、異なる重み付けが割り当てられた複数の電極を有することを特徴とする請 求項2記載の光ファイバ・レートジャイロ。 5.前記変調信号への加算による桁溢れを防止するべく、前記D/A変換器は、 前記位相ランプ生成器(30)を調節するよりも十分に多いビット数を有するこ とを特徴とする請求項2または3記載の光ファイバ・レートジャイロ。 6.前記訂正信号は、ディジタル積分器(36)からなるループにより供給され 、前記ディジタル積分器(36)は、前記A/D変換器(27)による標本値E fを受信するとともに、位相ランプの帰還に関して位相ランプ生成器(30)よ り出力される信号(出力PあるいはM)により制御されることを特徴とする請求 項1記載の光ファイバ・レートジャイロ。 7.前記A/D変換器は、伝搬時間τlと変調期間との重ならない時間外であっ て、変調期間τmの半分の期間の各終端部である連続離散時間tmlにて制御さ れることを特徴とする請求項1記載の光ファイバ・レートジャイロ。 8.乘算器(44)において2π訂正が実行されることを特徴とする請求項1記 載の光ファイバ・レートジャイロ。
Applications Claiming Priority (3)
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---|---|---|---|
FR9116003A FR2685471B1 (fr) | 1991-12-23 | 1991-12-23 | Gyrometre a fibre optique a traitement numerique du signal. |
FR9116003 | 1991-12-23 | ||
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