JPH0663775B2 - 光ファイバ回転センサから出力される光信号を処理する装置 - 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
光ファイバ回転センサに関するものである。さらに特
に、この発明は光ファイバ回転センサからの出力信号を
処理してサニャックリングの逆伝搬光波間の回転誘導移
相を零化し、かつセンサの回転速度を決定するための装
置および方法に関するものである。

光ファイバリング干渉計は、典型的には光ファイバ材料
のそこに逆伝搬光波を有するループを含む。サニャック
効果に従えば、ループの回転の方向に移動する波は回転
の方向と反対に移動する波よりもループを通る通過時間
が長い。この移行時間の差は波の相対位相のシフトであ
ると思われる。移相の量は回転速度に依存する。ループ
を通過した後で、逆伝搬波は干渉し合って光出力信号を
形成するように結合される。光出力信号の強度は干渉の
型と量の関係で変化し、それは逆伝搬波の相対位相に依
存している。逆伝搬波の干渉により生じられる光出力信
号はループの回転速度の関数で強度が変化する。回転セ
ンシングは光出力信号を検出して、さらにそれを処理し
て移相の関数で回転速度を決定することにより達成され
る。

慣性航法応用に適するようにするために、回転センサは
非常に広いダイナミックレンジを有さなければならな
い。回転センサは１時間あたり0.01度ほどの低さでかつ
１秒あたり1000度ほどの高さで回転速度を検出すること
が可能でなければならない。測定すべき下限対上限比は
およそ10^９である。

光ファイバ回転センサのダイナミックレンジはフィード
バック信号をセンシングコイルの波に与えてサニャック
移相を零にすることにより増加され得ることがわかって
いる。サニャックシフトを零にするのに必要なフィード
バック信号の量を示す信号は処理されて回転速度を決定
し得る。

以前の信号処理技術は過度に複雑かつ高価で、航法グレ
ード回転センサに必要なダイナミックレンジにわたって
不正確である。以前の信号処理技術は、典型的には位相
変調器がスケールファクタの非線形性を引き起こす非線
形デイスであるので、低回転速度では不正確な結果をも
たらす。

発明の概要 この発明に従った信号処理回路は回路の複雑さを減じ、
低速でスケールファクタの非線形性を引き起こす非線形
位相変調器に関連する問題を解決する。

この発明に従った装置は、光ファイバのセンシングルー
プで１対の逆伝搬光波を嚮導して波を結合し、波の間の
位相差を示す干渉パターンを生じる光ファイバ回転セン
サから出力される信号を処理するための閉ループフィー
ドバックシステムである。この装置は、波の位相差を示
す電気信号を生じるための光検出器のような装置と、セ
ンシングループで光波の位相を変調するための装置と、
波の位相差に応答して、第１の時間間隔の間基準零移相
に交互に設定され次いで第２の時間間隔の間基準零と比
較される公知の基準移相の倍数に等しくなるようにセン
シングループの出力信号を設定するように調整される変
調信号で、変調装置を制御するための装置とを含む。

この発明に従った装置は、好ましくは第１および第２の
時間間隔の両方がセンシングループを通る光波の通過時
間に等しくなるように設定される。基準零と比較される
基準値は±π／２ラジアンの移相間を交互に繰返し得
る。基準零と比較される基準値は±π／Ｎラジアンの移
相間を交互に繰返し得て、ここでＮは実数なら何でもよ
い。基準零と比較される基準値はまた、２個のパターン
を組合わせた連続反復する第２の時間間隔の間３π／
２、π／２、−π／２、−３π／２ラジアンの移相間を
交互に繰返し得る。±π／Ｎ±（２π−π／Ｎ）のよう
な他の値が基準値に使用され得る。

この発明に従った装置はその装置に接続されて波の位相
差を示す電気信号を生じるゲート装置と、ゲート装置の
出力に接続されて回転の速度および方向を決定する速度
復調装置と、ゲート装置の出力に接続されて速度復調装
置の較正を調整する振幅復調装置とをさらに含み得る。

光ファイバのセンシングループで１対の逆伝搬光波を嚮
導しかつ波の間の位相差を示す干渉パターンを生じるよ
うに波を結合させる光ファイバ回転センサから出力され
る信号を処理するための方法は波の位相差を示す電気信
号を生じるステップと、センシングループで光波の位相
を変調するステップと、第１の時間間隔の間交互に基準
零に設定され、次いで第２の時間間隔の間公知の基準値
の整数倍に等しくなるようにセンシングループの出力信
号を設定するように調整される変調信号で変調装置を制
御するステップとを含む。

この発明に従った方法はセンシングループを通る光波の
通過時間に等しい第１および第２の時間間隔を設定する
ステップをさらに含み得る。

この発明に従った方法は、±π／２ラジアンの移相間を
交互に繰返すように基準値を設定するステップをさらに
含み得る。この発明に従った方法は、第２の時間間隔を
連続的に反復する間連続３π／２、π／２、−π／２、
−３π／２ラジアンの移相になるように基準値を設定す
るステップをさらに含み得る。

この発明に従った方法は、波の位相差を示す電気信号を
ゲートするステップと、ゲートされた電気信号を復調し
て回転速度および方向を決定するステップと、ゲートさ
れた電気信号を復調して回転速度信号の較正を調整する
ステップとをさらに含み得る。

好ましい実施例の説明 第１図を参照すると、光ファイバ回転センサ20は、光フ
ァイバ24にコヒーレント光を供給する光源22を含む。光
ファイバ24は光源ビームを光ファイバ指向性カプラ26に
嚮導し、それは光ファイバ24と光ファイバ28との間で光
を結合する。光ファイバ指向性カプラ26を通って伝搬
し、光ファイバ24に留まる光は第２の光ファイバ指向性
カプラ30に嚮導される。光ファイバ指向性カプラ30は光
ファイバ24と光ファイバ32の第３の長さ部分との間で光
を結合する。

光ファイバ指向性カプラ30を通って伝搬し、かつファイ
バ24に留まる光は次いでセンシングコイル34に伝搬す
る。光ファイバ指向性カプラ30からセンシングコイル34
に入る光はコイルで右回りの波を形成する。センシング
コイル34は別々の光ファイバから形成され得るか、また
はそれは光ファイバ24の一部で形成され得る。センシン
グコイル34を通過した後で、右回りの波が位相変調器36
に入る。

光ファイバ指向性カプラ30が光ファイバ24から光ファイ
バ32へ結合する光は左回りの波を形成する。光ファイバ
32は別のファイバであるかまたはセンシングコイル34を
形成する光ファイバの一部であればよい。左回りの波
は、センシングコイル34に入る前に、まず位相変調器36
を通過する。

右回りの波と左回りの波は、センシングコイル34を通過
する前に、同一位相を有する。34がコイルの平面を通る
線のまわりを回転しているならば、それら波は互いに関
連して移相を経験する。光ファイバ32の右回りの波は位
相変調器36を通過した後で光ファイバ指向性カプラ30に
入り、左回りの波はセンシングコイル34を通過した後で
光ファイバ指向性カプラ30に入る。左回りの波の一部が
光ファイバ指向性カプラ30を通って伝搬し、左回りの波
の残余は光ファイバ32の端部38へ結合する。右回りの波
の一部はファイバ32に留まり、右回りの波の残余は光フ
ァイバ指向性カプラ30により光ファイバ指向性カプラ26
へ結合される。

光ファイバジャイロスコープシステム20で使用され得る
光ファイバ指向性カプラおよび光ファイバ位相変調器は
下で説明される。光カプラ26および30の双方は実質的に
同一構造からなり得て、それゆえ光カプラ26の次の説明
は、光ファイバ24、28および32が単一モードファイバで
あるときに干渉センサシステム20に含まれるすべての光
カプラにあてはまる。

第１図のカプラ26および30として単一モード用途での使
用に適する光ファイバ指向性カプラは、1980年３月29日
発行のエレクトロニクス・レターズ（Electronics Let
ters）、第28巻、第28号、260−261頁および1985年１月
15日にショウ（Shaw）らに発行された米国特許第4,493,
528号に記載されている。その特許はリーランド・スタ
ンフォード・ジュニア・ユニバーシティの評議委員会
（the Board of Trustees of the Leland Stanf
ord Junior University）に譲渡されている。米国特
許第4,493,528号に開示されたカプラは下で簡単に説明
される。

第７図および第８図に例示されるように、カプラ26はそ
れぞれ１対の基板50および52に装設される、第１図の光
ファイバ24および28を含む。ファイバ24は基板50の光学
的に平坦な表面58に形成される曲面状の溝54に装設され
る。同様に、ファイバ28は基板52の光学的に平坦な表面
60に形成される曲面状の溝56に装設される。基板50およ
びそこに装設されるファイバ24はカプラハーフ62を含
み、基板52およびそこに装設されるファイバ28はカプラ
ハーフ64を含む。

曲面状の溝54および56は各々、通常は実質的に同一であ
るファイバ24および28の直径と比較すると大きい曲率半
径を有する。溝54および56の幅はファイバの直径よりも
わずかに大きく、ファイバ24、28がそれぞれ溝54および
56の底部の壁により規定される経路に合致することを可
能にする。溝54および56の深さは、それぞれ基板50およ
び52の中心での最小から基板50および52の端縁での最大
まで変化する。溝の深さの変化は光ファイバ24および28
が、それぞれ溝54および56に装設されるときに、それぞ
れ基板50および52の中心に向かって次第に集束しかつそ
れらの端縁に向かって発散することを可能にする。ファ
イバ24および28のこの緩やかな曲率は、ファイバ24およ
び28が急に屈曲したり、そうでなければ突然方向が変化
するのを防ぎ、モード摂動による出力損失を回避する。
溝54および56は断面が矩形であっもてよいが、溝54およ
び56はカプラ26を形成する際に使用され得るＵ字形また
はＶ字形のような他の断面形状を有してもよいことが理
解されるべきである。

第７図ないし第９図を参照すると、基板50および52の中
心では、溝54および56の深さはファイバ24および28の直
径より小い。基板50および52の端縁では、溝54および56
の深さは好ましくは少なくともファイバの直径と同じぐ
らいの大きさである。光ファイバ材料はラッピングのよ
うないずれか適当な方法によりファイバ24および28の各
々から除去されて、ファイバ24および28で楕円形でプレ
ーナ状表面を形成する。その楕円形表面は直面する関係
で並置され、ファイバ24および28の各々により伝搬され
る光のエバネセントフィールドが他方のファイバと相互
作用する相互作用領域66を形成する。除去される光ファ
イバ材料の量は基板50および52の端縁の近くでの零から
それらの中心での最大量まで次第に増加する。第４図な
いし第６図に示されるように、光ファイバ材料のテーパ
状の除去はファイバ24および28が次第に集束および発散
することを可能にし、それは相互作用領域66での後方反
射および光エネルギの過度の損失を回避するのに有利で
ある。

光は相互作用領域66でのエバネセントフィールド結合に
よりファイバ24と28の間で伝送される。光ファイバ24は
中心のコア68とそれを包囲するクラッド70を含む。ファ
イバ28はそれぞれコア68およびクラッド70と実質的に同
一であるコア72およびクラッド74を有する。コア68はク
ラッド70のものよりも大きい屈折率を有し、コア68の直
径はコア68内を伝搬する光がコアークラッド界面で内部
反射するようなものである。光ファイバ24により嚮導さ
れる光エネルギの大半はそのコア68に閉込められる。し
かしながら、ファイバ24の波動方程式の解と周知の境界
条件の適用とにより、エネルギ分布は、主としてコア68
にあるけれども、クラッド内へ延びてファイバの中心か
らの半径が増加するにつれて指数関数的に衰退する部分
を含むことが示される。ファイバ24内のエネルギ分布の
指数関数的に衰退する部分は一般にエバネセントフィー
ルドと呼ばれる。最初ファイバ24により伝搬される光エ
ネルギのエバネセントフィールドがファイバ28の中へ十
分な距離を延ばすと、エネルギはファイバ24からファイ
バ28へと結合するであろう。

適当なエバネセントフィールド結合を確実にするため
に、ファイバ24および28から除去される材料の量は、フ
ァイバ24および28のコア間の間隔が予め定められた臨界
区域内にあるようにするために注意深く制御されなけれ
ばならない。エバネセントフィールドはクラッドの中へ
短い距離を延ばし、ファイバコアの外側での距離ととも
に大きさが急速に減少する。このように、十分な光ファ
イバ材料が除去されて、２個のファイバ24および28によ
り伝搬される波のエバネセントフィールド間の重なりを
可能にすべきである。わずかな材料しか除去されなけれ
ば、コア同士はエバネセントフィールドが嚮導された波
の所望の相互作用を引き起こすことを可能にするほど十
分には近接せず、それゆえ不十分な結合が生じるであろ
う。

特定のカプラに対する臨界区域の程度はファイバのパラ
メータやカプラの幾何学的配置のような多数の要因に依
存する。臨界区域はステップインデックス形プロファイ
ルを有する単一モードファイバにはかなり狭くてもよ
い。ファイバ24および28の中心から中心までの間隔は典
型的には２ないし３コア直径よりも小さい。

第１図のカプラ26は26A、26B、26Cおよび26Dと表示され
る４個のポートを含む。それぞれカプラ26の左側と右側
にあるポート26Aおよび26Bはファイバ24に対応する。同
様にポート26Cおよび26Dはファイバ28に対応する。説明
するために、光信号入力はファイバ24を介してポート26
Aに与えられることが仮定される。信号はカプラ26を通
過し、ファイバ26と28の間での結合の量に依存してポー
ト26Bまたは26Dのいずれか一方またはその両方で出力さ
れる。「結合定数」は結合されたパワー対全出力パワー
の比と定義される。上述の具体例では、結合定数はポー
ト26Bおよび26Dで出力されるパワーの和によって除算さ
れる、ポート26Dで出力されるパワーの比である。この
比はしばしば「結合効率」と呼ばれ、それは典型的には
パーセントで表わされる。それゆえ、「結合定数」とい
う語がここで使用される場合、対応する結合効率は結合
定数の100倍に等しいことが理解されるべきである。

カプラ26は同調されてファイバ24および28の直面する表
面をオフセットすることにより「０」と「1.0」の間の
どの所望の値にも結合定数を調整し得て、エバネセント
フィールドの重なりの領域の面積を制御する。同調は基
板50および52を互いに関連して横方向または縦方向にス
ライドさせることにより達成される。

ファイバ24および28の一方から他方へ交差結合される光
はπ／２の移相を受けるが、交差結合されずにカプラ26
を真直ぐに通過する光は移相されない。たとえば、カプ
ラ26が0.5の結合定数を有し、光信号がポート26Aに入力
されるならば、ポート26Bおよび26Dでの出力は同等の大
きさになるであろうが、ポート26Dでの出力はポート26B
での出力に関連してπ／２だけ移相されるであろう。

カプラ26は非常に指向性があり、実質的にそれの一方の
側で与えられるすべての出力は他方の側のポートで出力
される。この指向性特性は、ポート26Bまたは26Dのいず
れかに与えられるいくらの光がポート26Aおよび26Bに届
けられるという点で左右対称である。カプラ26は本質的
に偏光に関しては非差別的であり、そこへ入力される光
の偏光を保存する。

第10図ないし第12図を参照すると、位相変調器36はニオ
ブ酸リチウムのような電気光学的に活性の物質の基板23
上に形成される光導波路21を含み得る。１対の電極25お
よび27が導波路21の両側の基板に装着される。電極25お
よび27はアルミニウムの気相成長により基板23上に形成
され得る。光導波路21は、まず基板23上に一片のチタン
を生成し、それを加熱して基板23の中へチタンを追い込
むことにより基板23に形成され得る。結果として生じる
導波路21は第10図および第11図に示されるような一般に
半円形の断面を有する。ファイバ32は第１図および第11
図に示されるような光導波路21の両側に当接結合される
２個の端部33および35を有するように切断されなければ
ならない。

電極にかかる電圧の印加は電気光学的効果の装置により
光導波路21の屈折率を変える。導波路21を通る光波の通
過時間は、真空中の光の速度により除去される、導波路
の長さとその屈折率の積である。このように光導波路21
の屈折率を変えることにより、それを通る光信号の通過
時間が変わる。光波を含む電磁界の正弦特性のせいで、
通過時間の変化は波の位相の変化と考えられる。TRWは
位相変調器36として使用するのに適する、ニオブ酸リチ
ウム位相変調器装置を販売している。

第１図に示される信号処理回路は位相変調器36に移相信
号を与えて、センシングループ34の回転速度により引き
起こされる光波の移相を直ちに零にする。検出器100の
出力は前置増幅器102に入力され、それは信号を増幅
し、それの条件をゲート104への入力に備えて整える。
検出器100はモトローラMFOD2404（Motorola MFOD240
4）のような市場で入手可能な装置であってもよく、そ
れは光ダイオードおよび広帯域特性を有するハイブリッ
ド増幅器を含む。ゲート104はシリコニクスDG271（Sily
conix DG271）のようなCMOSアナログスイッチであって
もよい。バイアスキャリア発生器106はゲート104と、位
相変調器36に接続されるスイッチ108の両方を制御す
る。ゲート104が導通状態にあると、前置増幅器102の出
力は増幅器110に入力される。増幅された信号は増幅器1
10から出力されて、次に速度復調器112に入力され、さ
らに振幅復調器120に入力される。速度復調器112の出力
は加算増幅器118へ入力を与える速度出力増幅器116へ入
力される。バイアスキャリア発生器106はまた速度復調
器112へ動作信号を与える。

増幅器110の出力はまた振幅復調器120へ入力され、それ
はバイアスキャリア発生器106から信号を受信する。振
幅復調器120から出力される信号は基準発生器122へ入力
され、それは出力を与えて加算増幅器118の利得を制御
する。

この発明の基本的な原理は、ジャイロを通る光波の通過
時間に等しい時間τの期間の間ジャイロ位相変調器信号
を零または基準零に設定することにより、ジャイロに既
知の零、すなわち基準状態をとらせることである。この
零すなわち基準状態においてはて、センシングループ34
の回転により引き起こされる移相を別にすれば、逆伝搬
光波同士は同相になるであろう。この零状態の後でかつ
次の状態の間、復調のためのバイアス信号と回転により
引き起こされる移相と同等でかつ逆である移相を引き起
こすであろう信号とが位相変調器に与えられる。これら
信号は通過時間τに等しい期間の間光検出器100により
わかるような回転誘導移相を検出して零にするであろ
う。

この測定期間の後で、位相変調器信号は再び通過時間τ
に等しい期間の間零すなわち基準レベルに設定されなけ
ればならない。この零期間の後で、回転誘導移相に等し
くかつ逆の移相を引き起こすであろう信号と、反対極性
のバイアス信号とが位相変調器36に与えられて、光検出
器100によりわかるようにセンシングループ34の回転速
度を零にする。センシングループ34の回転速度を零にす
るために位相変調器34に与えられる信号の振幅はジャイ
ロの出力速度に正比例する。

高精度回転センサでは、交互のキャリアバイアスレベル
は好ましくは±π／２と±３π／２との間で安定化さ
れ、ジャイロの１より大きいフリンジにわたって復調さ
れる。光ファイバジャイロへの回転速度信号の直接のフ
ィードバックを実現するのに必要な波形を発生する機能
を果たすであろう多くの可能な実施がある。この発明を
実行するのに適する１つの適当な組の波形が第２図ない
し第６図に示される。

第２図は所要のアルゴリズムを実現するための可能なキ
ャリアすなわちバイアス信号をグラフで示している。こ
の発明の説明を簡単にするために、第２図に例示される
信号は水平軸上に８期間ｔ_１ないしｔ_８に分割される時
間間隔を示している。各期間はセンシングループ34を通
過する光の通過時間τに等しい。第２図の垂直軸上の信
号の範囲は±２πである。信号の範囲は位相変調器36に
与えられる信号により引き起こされるセンシングループ
34の光の移相である。実際に実施する際には、それ以外
の数の期間が使用され得る。基本的な考え方は次のとお
りであり、すなわち回転速度は急速に変化し得るが、較
正利得はゆっくりと変化し得る環境現象である。

バイアスすなわちキャリアは、位相変調器36に与えられ
て回転情報の復調を可能にする信号である。時間間隔ｔ
_１の間、バイアス信号は位相変調器36で基準零に設定さ
れ、それはセンシングループ34で右回り（CW）光信号と
左回り（CCW）光信号との間の公知の位相関係の進展を
可能にする。時間ｔ_２で、センシングループ34の信号出
力に光検出器100で公知の基準値をもたせる信号が位相
変調器34に与えらる。第３図の増幅器110はセンシング
ループ34の出力信号を増幅する。センシングループ34の
出力信号の実際の値は任意であり、特定の用途およびジ
ャイロ状態に依存し得る。

第３の時間間隔ｔ_３の始めに、センシングループ34の出
力信号は再び１期間の間零に戻され、再びCWおよびCCW
光信号が時間間隔ｔ_１におけるのと同じ公知の状態をと
るのを可能にする。時間ｔ_４で、時間間隔ｔ_２におれる
のと同一振幅であるが反対極性を有する信号が位相変調
器36に与えられる。回転情報がなければ、この信号は時
間間隔ｔ_２の間に出力される信号と同じ振幅を有する出
力信号を光検出器100に与える。時間間隔ｔ_５の間、そ
の信号は再びｔ_１におけるような基準状態に戻される。

時間間隔ｔ_６の間、時間間隔ｔ_２で使用された信号と同
じ信号に２πを加えたものが位相変調器36に与えられ
る。この信号は、位相変調器スケーリング36のスケーリ
ングが正確ならば第２の時間間隔ｔ_２におけるのと同じ
である信号を光検出器100の出力で生じるであろう。位
相変調器スケーリングの振幅が時間間隔ｔ_２の間の出力
と同じでなければ、時間間隔ｔ_６の間に出力される信号
は別に復調されて、その出力に対する修正をするために
使用される。時間間隔ｔ_７の間、時間間隔ｔ_１の基準零
信号は再び位相変調器36に与えられる。

時間間隔ｔ_８において、時間間隔ｔ_４におけるのと同じ
である信号に２πを加えたものが位相変調器36に与えら
れる。この信号はｔ_４で使用される信号と同じ出力を与
えるであろうし、また位相変調器スケーリングの振幅を
修正するために使用され得る。ｔ_８の後で、位相変調器
36に与えられた信号のシーケンスが繰返して、再びｔ_１
で開始される。

第３図では、軸が第２図におけるのと同じであり、バイ
アスすなわちキャリア情報も同じである。ROTATION RA
TEと表示される信号がバイアス情報上に重ねられて示さ
れている。回転速度信号は正確な振幅、位相および極性
を有し、センシングループ34の回転速度を零化、すなわ
ちキャンセルする。なお第３図を参照すると、時間間隔
ｔ_１の間、位相変調器36の出力はまだ零に設定されてい
る。時間τの後に、CWおよびCCW光信号はセンシングル
ープ34の回転により引き起こされる光波の移相を除け
ば、同相になるであろうう。時間ｔ_２でバイアスすなわ
ちキャリア信号は、その振幅および極性が厳密にはセン
シングループ34の回転により引き起こされる速度を０に
するのに必要とされるものである信号で位相変調器36に
与えられる。その時光検出器100の正味出力は第１図に
関して説明されたものと厳密に同じになるべきである。

ｔ_３で位相変調器36は再び零に設定され、センシングコ
イル34の光波は回転速度により引き起こされる位相差を
除けば再び同相になるであろう。

ｔ_４で、時間間隔ｔ_２で使用されたものと反対極性のバ
イアス信号がｔ_２で用いられた回転信号と同じ振幅およ
び極性で位相変調器36に与えられる。これはｔ_２におけ
る信号と同じ光検出器出力を与えるであろう。ｔ_５で、
位相変調器36は再び零に設定され、バイアスは回転信号
と同じ振幅および極性で再び加算され、ｔ_２におけるの
と同じ出力を与える。

ｔ_７で信号は再び零に設定され、ｔ_８で回転零化信号と
同じ振幅および極性の信号が、光検出器110から出力さ
れた同じ信号に対する先に説明されたバイアスで再び加
算される。

第３図の２個の低い方のプロットは、センシングループ
34が回転加速を経験するときおよび検出器信号が零化さ
れるときの増幅器110の出力を表わす。回転加速の間、
ゲート102が開かれているときには、増幅器110の出力は
その上にノイズ重ねられた矩形の波である。回転誘導移
相が零化されるときには、増幅器110の出力はバックグ
ラウンド・ノイズだけである。

第４図はグラフの下部部分に沿って示されるGATEと呼ば
れる信号で第３図の情報を示している。このセンシング
ループで興味のある情報はｔ_２、ｔ_４、ｔ_６およびｔ_８
と表示される時間で起こる。興味のあるもの以外の時間
での光検出器の出力は、これら信号がゲート動作で阻止
されなければ、増幅器110の入力を不通にするであろ
う。GATE信号は、ゲート104に与えられると、不所望の
信号を効果的にゲート動作で阻止する。

第５図は、バイアスキャリアおよび回転速度零化信号な
らびに回転速度零化信号が不正確な値であることにより
引き起こされる光検出器100の出力のどのような誤差も
復調してセンシングループ34の回転速度を零にするのに
必要な信号を示している。光検出器100により出力さ
れ、ゲート信号によりゲート動作され、増幅され、さら
に速度復調器112により復調される信号が、フィードバ
ック信号を与えて回転速度零化信号を修正するためにこ
こで使用される。回転速度零化信号の振幅はセンシング
ループ34の回転速度に比例し、回転センサ20の出力とし
て使用される。

第６図は、出力振幅情報を復調するために使用される信
号とともにバイアスキャリアおよび速度零化信号を示し
ている。ｔ_６およびｔ_８で起こる信号はこの信号により
復調され、増幅器の利得をサーボ制御して±２π入力に
対し厳密に±２πラジアンの移相を位相変調器で引き起
こすために使用され得る。

第１図は上で説明されたアルゴリズムを実現するための
１つの可能な回路のブロック図を示している。第１図の
回路はアナログまたはディジタルいずれかの構成要素か
ら形成され得る。第１図を参照すると、検出器100の出
力は前置増幅器102により増幅され、ゲート104によりゲ
ート動作される。次いでゲートされた出力が増幅器110
により増幅され、速度復調回路112へ送られ、さらに振
幅復調器回路120へ送られる。速度増幅器はセンサルー
プ34の出力速度に正比例する信号を生じる。次にこの速
度信号はバイアスキャリア信号で加算され、第２図に示
されるようにオンおよびオフにスイッチされる。結果と
して生じる信号は速度サーボループを閉じるために使用
される。

振幅復調回路120は第６図の復調信号を用いて、出力が
厳密に±２πになるようにするであろう振幅まで準発生
器122をサーボ制御するために使用される誤差信号を発
生する。基準発生器122は速度増幅器116と加算増幅器11
8の利得を制御する。

第13図はこの発明の第２の実施例を示している。第13図
に含まれる光ファイバ回転センサの基本構造は第１図の
ものと同一である。第１図における対応する構成要素と
同じである第13図の構成要素は両方の図面で同じ参照番
号を有する。これら構成要素は光源22、カプラ26および
30、ファイバ24、28および32、位相変調器36、センシン
グコイル34、検出器102、前置増幅器103、ゲート104、
増幅器110、振幅復調器120、回転速度復調器11、回転速
度増幅器116および基準発生器122である。第１図にはな
いが第13図には示されている項目は、数字「２」で始ま
る参照番号を有する。

増幅器110から出力される信号は振幅復調器120に入力さ
れ、さらに回転速度復調器112に入力される。振幅復調
器120と回転速度復調器112の両方はシリコニクスDG271
（Siliconix DG271）のような市場で入手可能な復調器
回路であってもよい。回転速度復調器112はセンシング
ループから速度誤差信号を回収する。これら回転速度誤
差信号は回転速度増幅器116により増幅され、それはバ
ー・ブラウン3550（Burr Brown 3550）演算増幅器の
ような信号増幅装置であってもよい。増幅後、速度誤差
信号は、回転速度増幅器116の出力に接続されるアナロ
グディジタル変換器204によりディジタル信号に変換さ
れる。アナログディジタル変換器204は、バー・ブラウ
ンPCM75（Burr Brown PCM75）16ビットアナログディ
ジタル変換器のような、アナログ電気信号をディジタル
に変換するのに適する装置であればよい。

アナログディジタル変換器204からのディジタル回転速
度誤差信号はマイクロプロセッサ206へ入力され、それ
はロジック・デバイスシズ・インコーポレーテッド（Lo
gic Devices Inc.）の429C01ビットスライスマイクロ
プロセッサであってもよい。マイクロプロセッサ206は
誤差信号を累積し、それをスケールしさらにそれをマイ
クロコードおよび状態発生器PROM装置208からのバイア
スキャリア信号で加算するために使用される。マイクロ
プロセッサ206は状態装置として動作される。バイアス
キャリア信号の適当な状態と基準零期間をもたらす。マ
イクロプロセッサ206は従来通り動作され、クロックさ
れ、さらにその状態でゲートおよび復調信号を発生する
１組のPROM208により制御される。クロック210はマイク
ロプロセッサ206にクロック信号を供給する。クロック2
10はまたPROM208に信号を供給するカウンタ212にクロッ
ク信号を与える。

マイクロプロセッサ206のディジタル出力はフィードバ
ックディジタルアナログ変換器202と、16ビット出力レ
ジスタ214であってもよいディジタル回転速度出力イン
ターフェイスとの双方を駆動する。

振幅復調器120は出力信号を振幅基準増幅器200に与え、
それは基準発生器122を駆動する。基準発生器122の出力
はディジタルアナログ変換器202に入力される。ディジ
タルアナログ変換器202は信号をビデオ増幅器216に与
え、それは位相変調器36を駆動する。振幅復調器120は
増幅器110から信号を回収し、この信号を用いてディジ
タルアナログ変換器202の利得を制御し、その出力を２
πになるようにスケールする。

ディジタルアナログ変換器202はバー・ブラウン710（Bu
rr Brown710）であってもよく、それは16ビット装置で
ある。ディジタルアナログ変換器202の利得は、基準増
幅器200および基準発生器122を用いて制御されディジタ
ルアナログ変換器202およびビデオ増幅器の出力をスケ
ールし、そのためディジタルアナログ変換器202での全
スケールが２πまたは２πの倍数になる。出力ビデオ増
幅器216は、コムリニアCLC210（Comlinear CLC210）高
速演算増幅器のような、普通ビデオ信号に使用される周
波数範囲で電気信号を増幅するのに適する増幅器であれ
ばよい。

【図面の簡単な説明】

第１図はサニャックリングから出力される光信号を処理
してサニャック移相を零にするための光ファイバ回転セ
ンサおよび回路を例示する。 第２図はコイルで逆伝搬する光波間の回転誘導移相を感
知するためにセンシングコイルで光信号に与えられ得る
キャリアすなわちバイアス信号をグラフで例示する。 第３図は第２図の信号に第２のフィードバック信号、す
なわちセンシングコイルで光信号に与えられて、コイル
で逆伝搬する光波間の回転誘導移相を零にし得る第２の
キャリアすなわちバイアス信号を加えたものをグラフで
例示する。 第４図はゲート信号とバイアス信号および回転速度零化
信号の重なりとをグラフで例示する。 第５図は速度復調信号と重ねられたバイアス信号および
回転速度零化信号とをグラフで例示する。 第６図は１対の振幅復調信号と重ねられたバイアスキャ
リアおよび速度零化信号とをグラフで例示する。 第７図は第１図の光ファイバジャイロスコープに含まれ
得る光カプラの断面図である。 第８図は第７図の線８−８について破断された断面図で
ある。 第９図は第１図の光ファイバジャイロスコープに含まれ
得るカプラハーフの斜視図である。 第10図は第１図の光ファイバジャイロスコープに含まれ
得る集積された光位相変調器の斜視図である。 第11図は第10図の位相変調器の平面図である。 第12図は第10図および第11図の位相変調器の端面図であ
る。 第13図はこの発明の第２の実施例のブロック図である。 図において、20は光ファイバ回転センサ、24は光ファイ
バ、34はセンシングループ、36は変調装置、100は検出
装置、106はバイアスキャリア発生装置、112は速度復調
装置、120は振幅復調装置、122は基準発生装置である。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】光ファイバのセンシングループ（34）にお
   いて１対の対向して伝播する光波を案内し、かつ前記光
   波が干渉して干渉パターンの形で前記センシングループ
   （34）からの信号出力を発生するように前記光波を結合
   する光ファイバ回転センサから出力される光信号を処理
   する装置であって、前記干渉パターンに応答して前記光
   波の位相差を示す電気的検出器信号を発生する検出器
   （100）と、前記センシングループ（34）における前記
   光波の位相を変調する位相変調器（36）とを備え、 前記位相変調器（36）を変調信号で駆動する装置（106,
   108,112,116,118,120,122）をさらに備え、前記変調信
   号は以下の態様で制御され、 （ｉ） 前記変調信号は、前記センシングループ（34）
   における対向して伝播する光波が、前記センシングルー
   プ（34）の回転によって引起こされる移相を除いて同相
   となるように第１の時間間隔（ｔ_１）にわたって基準零
   値に設定され、 （ii） 前記変調信号はその後、第２の時間間隔
   （ｔ_２）にわたって所定のバイアスキャリア信号と零化
   信号との和に設定され、前記零化信号は、電気的検出器
   信号に応答して前記回転センサによって決定された前記
   センシングループ（34）の回転によって引起こされる移
   相と等しくかつ逆の移相を前記対向して伝播する光波に
   引起こすように設定され、かつ （iii） 前記変調信号はその後、前記基準零値と、前
   記所定のバイアスキャリア信号および零化信号の和との
   間で、連続的に交代し（ｔ_３,t_４，…,t_８）、 前記光信号処理装置はまた、前記バイアスキャリア信号
   をキャンセルするように前記電気的検出器信号を復調し
   て（112）、前記センシングループ（34）の回転速度を
   示す出力信号を与えるように構成される、光信号処理装
   置。
2. 【請求項２】前記基準零値に設定された変調信号を伴う
   前記第１の時間間隔（ｔ_１）および各後続の時間間隔
   （ｔ_３,t_５,t_７）は、前記センシングループを介する光
   波の通過時間に等しい、特許請求の範囲第１項記載の装
   置。
3. 【請求項３】前記バイアスキャリア信号および零化信号
   の和に設定された変調信号を伴う前記第２の時間間隔
   （ｔ_２）および各後続の時間間隔（ｔ_４,t_６,t_８）は、
   前記センシングループ（34）を介する光波の通過時間に
   等しい、特許請求の範囲第２項記載の装置。
4. 【請求項４】前記電気的検出器信号を受けるように接続
   されたゲート装置（104）と、 前記ゲート装置（104）の出力に接続されて回転速度を
   決定しかつ前記出力信号を発生する速度復調装置と、前
   記ゲート装置（104）の出力に接続されて前記速度復調
   器の較正を調整する振幅復調装置（120）と、 前記速度復調装置（112）に接続されてそこから速度信
   号を受取る加算増幅器（118）と、 前記加算増幅器（118）と前記振幅復調装置（120）との
   間に接続されて前記加算増幅器（118）に較正信号を供
   給する基準信号発生装置（122）と、 前記ゲート装置（104）と、前記速度復調装置（112）
   と、前記加算増幅器（118）との各々に接続されて、そ
   れらに動作信号を供給するバイアスキャリア発生器装置
   （106）とをさらに備え、前記加算増幅器（118）は、前
   記速度信号と、前記較正信号と、前記動作信号とを結合
   して、前記変調装置（36）が前記センシングループ（3
   4）における光波の位相を調整して零化信号を与えるよ
   うに前記位相変調装置（36）に対する駆動信号を発生す
   るように形成され、 前記加算増幅器（118）と、前記位相変調装置（36）と
   の間に接続されたスイッチング装置（108）をさらに備
   え、前記スイッチング装置（108）は、前記バイアスキ
   ャリア発生器装置（106）からの信号によって制御され
   て、前記駆動信号を前記位相変調装置（36）に選択的に
   与える、特許請求の範囲第１項記載の装置。
5. 【請求項５】前記変調信号は以下の態様で制御され、 （ｉ） 前記変調信号は、前記センシングループ（34）
   における対向して伝播する光波が、前記センシングルー
   プ（34）の回転によって引起こされる移相を除いて再度
   同相となるように、前記第２の時間間隔（ｔ_２）の直後
   の第３の時間間隔（ｔ_３）中に前記基準零値に設定さ
   れ、 （ii） 前記変調信号は、第４の時間間隔（ｔ_４）中
   に、前記第２の時間間隔（ｔ_２）における前記変調信号
   と極性が逆の値に設定され、 （iii） 前記変調信号は、前記センシングループ（3
   4）における対向して伝播する光波が、前記センシング
   ループ（34）の回転によって引起こされる移相を除いて
   再度同相となるように、第５の時間間隔（ｔ_５）中に前
   記基準零値に設定され、 （iv） 前記変調信号は、第６の時間間隔（ｔ_６）中
   に、前記第４の時間間隔（ｔ_４）に引起こされた移相か
   ら２πを差引いたものに等しい移相を対向して伝播する
   光波に引起こす値に設定され、 （ｖ） 前記変調信号は、前記センシングループ（34）
   において対向して伝播する光波が、前記センシングルー
   プ（34）の回転によって引起こされる移相を除いて再度
   同相となるように、第７の時間間隔（ｔ_７）中に前記基
   準零値に設定され、 （vi） 前記変調信号は、第８の時間間隔（ｔ_８）中
   に、前記第２の時間間隔（ｔ_２）中に引起こされた移相
   に２πを加えたものに等しい移相を対向して伝播する光
   波に引起こす値に設定され、 前記８個の時間間隔の各々は、前記センシングループ
   （34）を介する光波の通過時間に等しく、 記光信号処理装置は、前記検出器（100）に接続され
   て、第1,第3,第５および第７の時間間隔中に前記電気的
   検出器信号の通過を阻止するゲート装置（104）と、前
   記ゲート装置（104）の出力に接続されて回転速度を検
   出して前記出力信号を与える速度復調器（112）と、前
   記ゲート装置（104）の出力に接続されて前記速度復調
   器（112）の較正を調節する振幅復調器（120）とをさら
   に備える、特許請求の範囲第１項記載の装置。