JPH07159184A - 光学式ジャイロスコープ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】光学式ジャイロスコープに関し、特に、干渉計
的な開ループ型光ファイバ式ジャイロスコープに関す
る。 【構成】開ループ型ジャイロスコープにおいて、共通の
光源10からの時計回り（ＣＷ）ビームおよび反時計回り
（ＣＣＷ）ビームが光ファイバのコイル20の周囲を反対
方向に通過し、検出器24上で再び合わさる。位相変調器
22が、各段がコイル20の走行時間に等しい期間をもち、
一つ置きの段がゼロであるところの段状の位相変調を加
える。中間の段はゼロから２πまで線形に増大する。変
調なしでは、ＣＷビームとＣＣＷビームとは検出器上で
合わさり、このとき、合わさった強さはレートのコサイ
ンとして変化する。上記の変調が、コサインフリンジの
各側にある、段状の変調の振幅が増すにつれ漸進的にさ
らに移動する２個の点のサンプリングを生じさせる。サ
ンプルデータを処理して、ジャイロスコープに印加され
たレートを測定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】本発明は、光学式ジャイロスコープに関
し、特に、干渉計的な開ループ型光ファイバ式ジャイロ
スコープに関する。

【０００２】干渉計的な光ファイバ式ジャイロスコープ
においては、時計回り（ＣＷ）ビームおよび反時計回り
（ＣＣＷ）ビームが光ファイバのコイルの周囲を通過
し、コイルを離れるとただちに一つにまとめられて検出
器に干渉を加える。ジャイロスコープに加えられる回転
が、ＣＷビームとＣＣＷビームとの間に、レートに関連
した非相反性移相を誘発し、この移相が、検出器上の強
さを、印加されたレートでコサイン波状に変化させる。

【０００３】一般に、二つの異なる信号処理法を利用す
ることができる。閉ループ型システムにおいては、回転
によって誘発される移相を無効にするために、補償的な
非相反性移相を加える。開ループ型システムにおいて
は、検出器で合わさったビームの強さを利用して、印加
されたレートを測定する。いずれの方法においても、計
測量がレートと線形に関連し、このときの比例定数が換
算係数（Scale Factor）と呼ばれる。

【０００４】以前には、高精度の換算係数を達成するに
は閉ループ型アーキテクチャを使用しなければならない
と考えられていた。これに関連して、「高精度」とは、
航空機およびミサイルへの応用に必要とされるレート範
囲である±500 度／sec またはそれ以上のレート範囲に
わたり、理想的な出力に対して100 ppm 以内の誤差しか
ない換算係数性能をいう。民間用途および軍用途におけ
る慣性航法ならびに遠距離ミサイルの誘導にはこれくら
い精度が必要とされる。

【０００５】通常はリングレーザ式ジャイロスコープシ
ステムが現在使用されている敏捷な軍用航空機または軍
艦の場合、レート範囲にわたって約５ppm のなおも高い
換算係数の精度が求められ、これは、最高精度の換算係
数が要求される例を示すものである。

【０００６】これらの用途の場合に、より高価なリング
レーザ式ジャイロスコープに代えてファイバ式ジャイロ
スコープを用いるためには、この水準の換算係数性能が
要求される。ジャイロスコープセンサの費用はシステム
全体の費用のうちの最大の要素の一つであるため、リン
グレーザ式ジャイロスコープに代えてファイバオプチッ
ク式ジャイロスコープを用いると、はるかに低価格の航
行システムを製造することができると思われる。

【０００７】閉ループ型アーキテクチャをもつファイバ
オプチック式ジャイロスコープの場合、ゼロレートでは
無効信号が存在するように光学変調が加えられる。レー
トが加わると、復調ののち、レートに比例する信号が導
出される。この信号を利用して、フィードバックループ
をエラー信号として作動させ、第二の信号を位相変調器
に印加してこのエラー信号を無効にする。典型的な例に
おいては、変調は、ファイバコイルにとって正しい周波
数で作動する方形波からなる。これは、位相変調器を、
コイルの一端の、コイルと再結合との回路の後に配設し
たときに二つの方向の間で180 °の移相を生じさせる周
波数であり、１／（２＊ループ走行時間）によって算出
される。「ループ走行時間」とは、光がコイルの一端か
ら他端まで伝播するのにかかる時間である。フィードバ
ック信号は通常、光学回路の中の位相変調器に印加され
るセロダインランプである。これは、時間ｔの間に０ラ
ジアンから２πラジアンに達すると即座に０にリセット
され、そこで処理が再開される、線形の位相変調ランプ
からなる。ランプの頂上がちょうど２πラジアンである
ならば、これは、１／ｔHzの周波数偏移に相当し、この
周波数偏移が、レート信号の無効化に必要とされる周波
数偏移であり、その周波数がレート出力である。この信
号は通常、印加されたレートを無効にするために、感知
コイルの他端において方形波変調に印加される。この場
合、ジャイロスコープの出力は、レートに比例する、セ
ロダインランプの周波数である。これは、広いレート範
囲にわたって非常に良好な換算係数性能をもたらすが、
次の欠点を有している。

【０００８】（ａ）ループの周囲の光がＣＷ方向とＣＣ
Ｗ方向とで異なる周波数にあり、それにより、ジャイロ
スコープが根本的に非相反性になる。したがって、ジャ
イロスコープのバイアス性能が低下するおそれがある。

【０００９】（ｂ）セロダインリセット振幅をちょうど
２πラジアンに保持するためには、非常に正確なサーボ
ループを実施する必要がある。これを行う方法が考案さ
れてはいるが、サーボを駆動するための情報が十分にな
いとき、低いレートでの実施に問題がある。ある実施態
様においては、サーボを駆動するための信号は、非常に
低いレートではめったに起こらないフライバックで得ら
れる。

【００１０】（ｃ）ゲインおよびフィードバックの属性
を有するフィードバックループは、いかなるものであっ
ても、低いレートでロックイン挙動を被るおそれがあ
る。これは、ゼロレート付近のレート範囲で極端な換算
係数誤差を生じさせ、それにより、感度がひどく影響さ
れたり、完全に失われたりすることがある。

【００１１】対照的に、従来の開ループ型ジャイロスコ
ープの式型は、高い程度の相反性により、良好なジャイ
ロスコープドリフト性能を提供するものの、レートに対
して出力された光のコサイン波曲線を非常に高い精度に
まで正確に追随することが困難であることにより、一般
に劣る換算係数性能を提供すると考えられる。

【００１２】先の我々の英国特許出願第9304016.0 号に
おいて、我々は、光検出器の信号から１ｆ、２ｆおよび
４ｆの各周波数の三つの信号を抽出して（１ｆの変調周
波数をもって）、三つの未知数、すなわち、角レート
（つまり所望の出力）、光検出器に当たる光の強さおよ
び位相変調の振幅を計算に入れることを含む信号処理技
術を記載している。

【００１３】光の強さおよび位相変調器の振幅がいずれ
も温度のような外部的摂動および時間による変化を被
り、これらのパラメータが、レートを決定する式に入る
ため、このような補正が必要である。我々の以前の技術
においては、三つの信号から二つの比率を形成して強さ
効果を除去し、一方の比率（１ｆ／２ｆ）の逆タンジェ
ントを取り除いてレートを抽出し、もう一方の比率（２
ｆ／４ｆ）を利用して位相変調の振幅を決定する。

【００１４】これはかなり複雑な式型であり、比率が意
味あるものになるよう、非常に近く合わさなければなら
ない三つの周波数の三つの信号チャネルを必要とする。

【００１５】本発明によると、光が時計回り（ＣＷ）方
向および反時計回り（ＣＣＷ）方向に周囲を伝播するこ
とができるところのコイルもしくはリングを感知軸の周
囲に画定する手段と、該コイルもしくはリングの中に、
時計回り（ＣＷ）ビームおよび反時計回り（ＣＣＷ）ビ
ームを導入して、該コイルもしくはリングの周囲を互い
に反対方向に伝播させるためのビーム入力手段と、該Ｃ
Ｗビームおよび該ＣＣＷビームが該コイルもしくはリン
グの周囲を通過したのちに該ＣＷビームと該ＣＣＷビー
ムとを合わせるための手段と、該ＣＷビームと該ＣＣＷ
ビームとを合わせたビームの強さを検出するための検出
器手段と、該ＣＷビームと該ＣＣＷビームとの間に複数
の異なる移相を加えるための位相変調器手段と、該移相
ごとに検出された相当する強さをモニタして、それによ
り、完全なフリンジの少なくとも主要部分にかかる強さ
をサンプリングするための処理装置手段とを含む光学式
ジャイロスコープが得られる。

【００１６】

【実施例】本発明を上記に説明してきたが、本発明は、
上述した特徴や以下の記載に述べる特徴を発明的に組み
合わせたものにも及ぶ。本発明は種々の方法で実施する
ことができ、以下、添付の図面を参照しながら、その二
つの実施態様を例にとって説明する。

【００１７】図１は、開ループ型ファイバオプチック式
ジャイロスコープの第一の実施態様を示す略図である。
図２は、ＣＷビームおよびＣＣＷビームに加えられる位
相変調を示す図。図３および図４は、それぞれ正の回転
レートおよび負の回転レートの場合の、検出された強さ
の連続する対の差分信号および和分信号を示す図であ
る。図５および図６は、それぞれ図３および図４の和分
データおよび差分データのフーリエ変換を示す図であ
る。図７は、開ループ型ファイバオプチック式ジャイロ
スコープの第二の実施態様であって、位相変調の最大の
大きさを設定するための制御ループを組み込んだ実施態
様を示す略図である。図８および図９は、それぞれ正弦
状の歪みをあたえたランプの形状を示す駆動信号とジャ
イロスコープからの対応する出力信号をあらわすグラフ
である。図１０および図１１は、それぞれ線形ランプの
形状を示す駆動信号とジャイロスコープからの対応する
出力信号をあらわすグラフである。

【００１８】まず図１を参照すると、エッジ発光ダイオ
ード（ＥＬＥＤ）や超ルミネセンスダイオード（ＳＬ
Ｄ）のような広帯域光源10からの光が単モードファイバ
12の中に結合されて、第一の50：50カプラ14に達する。
ここから、光はモードフィルタもしくは偏光子16を経由
して第二の50：50カプラ18に達し、このカプラがビーム
を分割してＣＷビームおよびＣＣＷビームを形成し、こ
れらのビームが光ファイバのコイル20の両端に入り込
む。コイル20の一端には広帯域位相変調器22（通常はニ
オブ酸リチウムからなるもの）が設けられている。第二
のカプラ18および位相変調器22はいずれも集積光学回路
の一部であってもよい。

【００１９】集積光学回路を使用する場合、コイル20の
両端を集積光学回路に接続するためには、コイルファイ
バが複屈折性の高いファイバであるかどうかに依存し
て、可能な方法が二つある。コイルが複屈折性の高いフ
ァイバである場合、通常は複屈折性の高い二つのファイ
バを複屈折性の高いコイルファイバに溶融結合したもの
に集積光学回路をファイバ結合する。

【００２０】あるいはまた、コイルが複屈折性の高いフ
ァイバでない場合、偏光解消子を二つの高複屈折性出力
ファイバに取り付け、さらにこれらのファイバを比較的
低い複屈折性のコイルに取り付けることができる。偏光
解消子はそれぞれ、１本の高複屈折性ファイバを、その
高速軸および低速軸が集積光学回路からの高複屈折性フ
ァイバの相当する軸に対して45°になるように溶融接合
したものからなることができる。

【００２１】ＣＷビームおよびＣＣＷビームは、コイル
の周囲を通過したのち、第二のカプラ18で再び合わさっ
て、さらにモードフィルタもしくは偏光子16を経由して
第一のカプラ14に達し、このカプラが、合わさったビー
ムの一成分を光検出器24に通過させる。

【００２２】変調器22によって加えられる位相変調を図
２に示す。上のグラフは、ＣＷビームで見られる位相変
調を示し、下のグラフは、ＣＣＷビームで見られる位相
変調を示す。各位相変調段は期間τ（τはループ走行時
間である）を有し、それにより、位相変調器がコイル20
のＣＷ端に配設されているため、ＣＣＷ位相は、ＣＷ位
相を一段だけ遅らせたものと等しい。段の高さもしくは
振幅は、ゼロで始まり、２πまで定率で増大し、次いで
ゼロにリセットする線形のランプとして変化する。した
がって、段の高さは、時間０＜ｔ＜τではゼロであり、
時間τ＜ｔ＜２τではΔφ₁ であり、時間３τ＜ｔ＜４
τではΔφ₂ である、などとなる。

【００２３】変調は、正と負とが対になった一連の移相
Δφ_n でできており、このとき対の中の各移相の大きさ
は等しいが、対の間での大きさはゼロから２πまで段階
的に増し、次いでゼロにリセットすることが理解されよ
う。したがって、変調器22への駆動信号は、ｏ、ｖ₁ 、
ｏ、ｖ₂ 、ｏ、ｖ₃ とステップしてゆく。

【００２４】印加されるレートがなく、位相変調がない
場合、光検出器24によって検出される強さは最大値にあ
り、強さをレートに関連させるコサイン曲線（本明細書
では「フリンジ」ともいう）のピークに一致するべきで
ある。一般には、一つ置きのサインの一連の漸増する移
相をもってすると、ゼロ位相変調点に対して対称的に位
置する一連の対の位相サンプル点でコサイン曲線が効果
的にサンプリングされる。加えられる回転がなく、光検
出器上の強さが最大値にある特別な場合には、サンプル
の正／負の対は、曲線の各側を下るにつれ、それぞれ同
じ大きさになる。回転が加えられると、この回転がフリ
ンジもしくはコサイン曲線を、加えられた回転の大きさ
およびセンスに依存する方向にある程度だけ偏移させ、
それによりゼロ位相変調点がコサイン曲線の側辺の一方
を下る。したがって、サンプルの正／負の対は、異なる
大きさのものになりやすいが、それでもなお、位相変調
が２πまで傾斜するならばコサイン曲線の完全な２π期
間をサンプリングする。

【００２５】位相段の形状の理由は、以下の式から理解
することができる。光検出器22の光Ｉの強さを表す一般
式は、次のように書き表すことができる。 Ｉ_i ＝ａ₀ ＋ ａ₁ ［１＋cos(ａ₂ ＋ △φ_i )］ △φ_i ＝ ａ₃ △Ｖ_i＝ ａ₃ ［Ｖ_i (ｔ)−Ｖi (t-t)］ （１） 式中、ａ₀ は電子オフセットであり、ａ₁ はフリンジパ
ターンの強さであり、ａ₂ はＳΩ（Ｓはジャイロスコー
プの換算係数であり、Ωは角レート（ラジアン／sec ）
である）であり、ａ₃ は位相変調器の換算係数（ラジア
ン／Ｖ）であり、Ｖ_i (t)は位相変調器22への入力電圧
であり、τはループ走行時間である。

【００２６】コイルの一端に位相変調が加えられ、二つ
の方向の間でループ走行時間（τ）一つ分の遅延が生
じ、それにより、式（１）に差分が出る。上述したよう
に、ΔＶの正の値ごとに電圧変化のセンスを逆にするこ
とにより、負の値を生成することが可能である。

【００２７】16ビットのデジタル・アナログ変換器（Ｄ
ＡＣ）26を使用して、ループ走行時間と同期化した位相
変調器22に電圧を印加する。したがって、ＤＡＣ26から
の連続するＯ、Ｖ、Ｏが、正のΔＶを生じさせたのち、
期間τだけ遅れて、正確に整合した負のΔＶを続けて生
じさせる。これが、コサインフランジの各側の２個の点
のサンプリングを起こし、それらの点は、上記に説明し
たように、ゼロレートでは同じ強さを有する。サンプリ
ングされた２個の点それぞれの大きさＶi ならびに強さ
Ｉ_i ⁺およびＩ_i ^-は、次のように書き表すことができる。 Ｉ_i ⁺ ＝ａ₀ ＋ａ₁ ［１＋cos (ａ₂ ＋ａ₃ △Ｖ_i) ］ Ｉ_i ^- ＝ａ₀ ＋ａ₁ ［１＋cos (ａ₂ −ａ₃ △Ｖ_i) ］ （２） また、二つの値それぞれの大きさＶi 、差分ΔＩi およ
び和分ΣＩi は、次のようにして得ることができる。

【００２８】 △Ｉ_i ＝Ｉ_i ⁺−Ｉ_i ^- ＝ ２ａ₁ sina ₂ sina ₃ △Ｖ_i ΣＩ_i ＝２（ａ₀ ＋ａ₁ ）＋２ａ₁ cosa ₂ cosa ₃ △Ｖ_i （３） これにより、データから二つの信号、すなわち和分（Σ
Ｉ_i ）および差分（ΔＩ_i ）が導出される。16ビットの
分解能をもつアナログ・デジタル変換器（ＡＤＣ）28
を、その前のサンプル・ホールド増幅器（図示せず）と
ともに使用する。信号の収集は、デジタル・アナログ変
換器26の信号と同期化される。サンプル・ホールド増幅
器は、数値間の遷移が収集されるデータの中に及ぶこと
のないよう、広い帯域幅を有している。和分信号および
差分信号は、それぞれレートに対するコサインおよびサ
イン波依存性ならびに時間軸に相当する位相変調振幅Δ
φ₁ に対するコサインおよびサイン依存性を有してい
る。このデータからレートを抽出するためには、種々の
方法が可能である。魅力的なある方法は、高速フーリエ
変換の使用である。一つの複素数フーリエ変換を、入力
における実数部分および虚数部分としての和分および差
分とともに使用することができ、出力において、二つの
変換を次のように分けることができる。

【００２９】ｈ（ｔ）が実数ならば、Ｈ（ｆ）＝Ｈ
（ｆ）^* である。ただし、Ｈ（ｆ）は、ｈ（ｔ）の複素
数フーリエ変換である。ｈ（ｔ）が虚数ならば、Ｈ（−
ｆ）＝Ｈ（ｆ）^* である。よって、Ｈ（−ｆ）＋Ｈ
（ｆ）* ＝２Ｈ（ｆ）_realであり、また、Ｈ（−ｆ）−
Ｈ（ｆ）* ＝Ｈ（ｆ）_imagである。

【００３０】これにより、一つの複素数フーリエ変換か
ら、和分信号および差分信号にそれぞれ相当する実数部
分の変換および虚数部分の変換を別々に抽出することが
できる。高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を使用するために
は、データセットは、２ⁿ （ｎは整数である）個のデー
タ点を有する必要がある。通常のｎ＝７の場合、和分信
号および差分信号の両方について128 個の点に相当す
る。600 メートルのファイバコイルの場合、同期周波数
は約170 kHz であり、毎秒340 キロサンプルを与え、こ
のとき各正のサンプルの後に相当する負のサンプルが続
く。この周波数能力を提供するためには、16ビットの分
解能をもつアナログ・デジタル変換器およびデジアル・
アナログ変換器を利用することができる。典型的なデジ
タル信号処理装置（ＤＳＰ）30、例えば、毎秒2,500 万
の浮動小数点演算（ＭＦＬＯＰＳ）処理能力をもつ、50
MHz クロックで作動するＡＴ＆Ｔ社のＤＳＰ32Ｃを使用
すると、256 個の点を蓄積するには0.7 ミリ秒かかり、
ＦＦＴを実施するには通常400 マイクロ秒かかる。

【００３１】図３および図４は、＋10度／sec のレート
および−10度／sec のレートの場合の和分信号および差
分信号を128 個のデータ点で示す。これは、コサインお
よびサインが和分および差分の二つのセットのデータの
時間に依存することを明らかに示す。また、差分データ
には、正のレートと負のレートとの間で位相の反転が見
られるが、和分データは同じ位相にあることがわかる。

【００３２】図５および図６はＦＦＴを示し、−10度／
sec レートの場合の和分データおよび差分データそれぞ
れについてチャネルにおける振幅を表している。各和分
信号および差分信号は、ＦＦＴの第一のチャネルに見ら
れるＤＣオフセットを有している。和分信号および差分
信号のＦＦＴの第二のチャネルがレート信号を表す。Ｆ
ＦＴにおいてはウィンドウ処理がないため、レートから
の情報はいくつかのチャネルに広がる。そのため、正し
い振幅は、次のように書き表すことができる。 （４） 式中、ＮP は雑音力であり、Ｓは、和分信号および差分
信号の両方のフーリエ変換の信号力である。式（４）の
合計において、（ｉ）番目の要素が実数部分であり、
（ｉ＋１）番目の要素が虚数部分である。他ならぬこの
技術においては、信号の正確な位相が未知であるため、
このような、実数部分と虚数部分との合計が必要とな
る。信号の合計はｎ＝３から始まる。なぜならば、ｎ＝
１およびｎ＝２は、必要とされる信号に相当しないＤＣ
項の実数部分および虚数部分に相当するからである。こ
の合計は、128 個のデータ点をもつＦＦＴの場合に当て
はまる。式（３）のＮの値が、白色雑音であると推測さ
れるチャネルあたりの雑音力を定める。より高い周波数
成分にわたる合計を利用して雑音力値を出し、次いでそ
の値を、信号力Ｓを定める信号情報から引く。レートは
次のようにして抽出される。

【００３３】 （５） 式中、Ｓ１およびＳ２は、それぞれ差分および和分の項
を表す信号である。この比率を取り除くと、強さの変動
の効果が除去される。この比率はまた、差分信号の虚数
部分の符号および和分信号の実数部分の符号によって与
えられる、フーリエ変換の振幅の符号を含まなければな
らない。

【００３４】この逆タンジェントがレートを位相角とし
て算出し、この位相角が、先の較正によるジャイロスコ
ープの換算係数の知識、すなわち位相角（ａ₂ ）とレー
ト（Ω）と換算係数（Ｓ）との関係が−ａ₂ ＝ＳΩであ
ることにより、度／sec 単位のレートに換算される。

【００３５】高速フーリエ変換を利用する上記の方法に
は次の利点がある。

【００３６】１．三つのチャネルを有する、上記に説明
した以前の開ループ型ジャイロスコープ式型とは異な
り、すべての情報を抽出するのに使用される情報が１チ
ャネル分しかない。 ２．比率を取り除いて逆タンジェントを出すことによ
り、強さの変動の効果を除くことができる。 ３．位相変調振幅の変動の効果は、ＦＦＴにおける信号
の周波数を変えることである。これは、ＦＦＴの周波数
チャネルの幅に対してわずかだけ変化し、このわずかな
変化が、より大きな側帯域振幅を生じさせる。しかし、
ＦＦＴにおいて考慮すべき信号は一つしかなく、最初い
くつかのチャネルの合計がこれらの信号を計算に入れて
いることが知られているため、これが決定的ではない。
したがって、この方法は、位相変調器の換算係数の変動
による影響を比較的受けない。 ４．高めの周波数成分の控除により、雑音が除去され
る。

【００３７】５．解析がデジタル式に実施され、アナロ
グ信号からデジタル信号への変換ののちでも精度は高い
はずである。これは、実施する場合には16ビットの装置
であるＤＡＣおよびＡＤＣを含む。慣性航法装置の必要
性を満たすのに必要な水準の精度を得るのに16ビットで
十分であることが示された。 ６．すべてのデータを１ミリ秒のうちに収集、解析する
ことができ、それにより、中間精度のジャイロスコープ
にとって典型的な長さである600 ｍのコイルの場合に、
典型的なデジタル信号処理装置を典型的なＤＡＣおよび
ＡＤＣとともに使用すると、レートの実時間抽出を良好
な帯域幅で実施することができる。 ７．開ループ型ジャイロスコープの使用は、その相反性
が、二つの方向において異なる周波数の光を通常は有す
る同等な閉ループ型ジャイロスコープよりも優れている
ため、より良いジャイロスコープバイアス安定性をもた
らす。上述した方法に代わるある方法は、フーリエ変換
を必要とすることなく、レートを抽出する。この代替方
法を包含する実施態様はより高速であり、また、より優
れた精度および一貫性を提供するはずである。

【００３８】第二の実施態様においては、デジタル信号
処理の作動を改善するために、位相変調器に入るピーク
電圧をサーボシステムによって制御して、走査が完全な
フリンジを的確に覆うことを保証する。この実施態様に
おいては、位相固定ループを実施することによってこれ
を行う。

【００３９】次に図７に示す第二の実施態様を参照する
と、光学系の配設は図１の場合と同じであり、図２の場
合と同じ形態の位相変調が加えられている。上記したよ
うにして和分信号および差分信号を抽出して、それぞれ
コサイン波の応答およびサイン波の応答を出す。これら
の信号の周波数は、位相変調器に印加される電圧によっ
て設定される。完全なフリンジを超えるならば周波数は
さらに高くなり、その逆も同様である。和分信号および
差分信号は次のように書き表すことができる。

【００４０】 △Ｉ_i ＝ ２ａ₁ sina₂ sina₃ △Ｖ_i ΣＩ_i ＝ ２（ａ₀ ＋ ａ₁ ） ＋ ２ａ₁ cos ａ₂ cos ａ₃ △Ｖ_i （６） 式中、ａ3 は位相変調器の換算係数（ラジアン／Ｖ）で
ある。これは時間とともに変化し、十分に測定すること
ができず、よって変数として式から除かなければならな
い。これが位相固定ループの目的である。次のような四
つの信号が抽出される。

【００４１】 （７） 式中、ωは、完全なフリンジが的確に走査されるときの
所望の周波数である（移相の程度およびフリンジをサン
プリングするのにかかる時間によって決まる）。周波数
が正しくないとき、基準周波数ωと入力信号との間に移
相が出る。和分信号を利用して制御ループのエラー信号
を導出する。なぜならば、このエラー信号は、レートが
存在しない場合でも存在し、数値がかなり高いある特定
のレートでのみ消滅するからである。積分の最後の位相
は次式によって算出される。

【００４２】 （８） 式中、ｎは読取りのｎ番目のセットである。実際には、
ランプ間隔にわたってＡＤＣにおいて獲得されたデータ
を合計し、このデータにサインまたはコサイン関数を掛
けることにより、積分を実施する。付録Ａには、信号処
理をシミュレートするＦＯＲＴＲＡＮプログラムを記載
しており、これは、光検出器上の電子雑音のシミュレー
ションをも含む。この雑音は計算結果の精度に影響しな
い。

【００４３】そして、サーボのエラー信号が、ｎ番目の
セットのデータと（ｎ−１）番目のセットのデータとの
間の位相における差分であり、それにより、位相変調器
にかかるピーク電圧が次式によって算出される。

【００４４】 Ｖ_(new) ＝ Ｖ_(old) −ｇａｉｎ^* （φ_n−φ_n-1） （９） 式中、「gain（ゲイン）」は、安定なサーボの作動を得
るために実験によって設定されるサーボの比例ゲインで
ある。数サイクルののち、これが正しい数値に収束して
完全なフリンジを出す。式（９）におけるように数サイ
クルののちに起こるべき正しいピーク作動電圧に達する
と、二つのπにかかる積分が正しいフーリエ変換を算出
するため、式（８）の四つの信号は、レートを抽出する
ための情報を含む。次に、Ｓ2 積分のサインがレートの
センスを算出するため、角レートが次式によって算出さ
れる。

【００４５】 （10） この方法は、ソフトウェアにおいてフーリエ変換を利用
するよりも速く実施しうると考えられ、サーボの作動
は、完全なフリンジに及ぶ走査が常に行われ、それによ
り、計算結果が一貫して正確であることを意味する。電
子系の略図を図７に示す。位相変調器を駆動するＤＡＣ
26は、前記の実施態様の図２に示すものと同じステップ
信号を有し、そのデータはループ走行時間と同期化して
いる。さらなる要素は第二のＤＡＣ32であり、これは、
基準としての電圧Ｖ(ref) を第一のＤＡＣ26に印加する
ことにより、第一のＤＡＣ26の基準電圧を設定する。第
一のＤＡＣ26の基準電圧Ｖ(ref) を変えることは、ピー
ク電圧を変えることになる。処理装置30が電圧Ｖ(ref)
をサーボの出力に応じて調節する。積分器をさらに含
め、それにより、正しい条件が設定されたとき、それが
保持されるようにしてもよい。ここで、基準電圧は次式
によって算出される。 （11） これにより、位相変調を制御して、強さ波形もしくはフ
リンジの完全な２π期間を掃引する。 追加の添付書類Ａ ＩＦＯＧの位相固定ループを実施する信号処理プログラ
ムをシミュレートするためのＦＯＲＴＲＡＮプログラム
速度Ωは、上に例示したように様々な方法でこのデータ
から引き出すことができる。この速度は、正弦および余
弦を乗じ、位相変調で走査した全縁部にわたって積分し
て求めることもできる。これは、次式であたえられる。

【００４６】 （Ａ） この方法では、十分満足な結果が得られるが、低速域で
は、ジャイロの感度が最も低い部分、余弦波のｏとπ
（感度の最も低い点）のあたりの山と谷の多くのデータ
が存在することから改善の余地がある。低速域での感度
が最も高い点は、π／２および３π／２のあたりであ
る。任意の速度に関して右周り信号と左周り信号の最大
の分離がこれらの屈折点で生じることから、感度が最も
高い部分が存在するのはこれらの点である。したがっ
て、上に述べた方式の中には低速で過剰なノイズが生じ
るものもあると思われる。通常は、低速では高い感度が
得られる方形波変調が用いられるが、これには閉ループ
方式で使用しなければ高速で直線性が失われるという欠
点がある。図８および図９ならびに図１０および図１１
を参照して説明した方法は、広い範囲の速度できわめて
すぐれた換算係数が得られるがまた低速域でもきわめて
よいバイアス安定性と低ノイズ・レベルを示す開ループ
方式の利点を利用したものである。そのねらいは、低速
域ですぐれた感度が得られる方形波変調を用いた感度に
近づきながら、広い範囲の速度ですぐれた直線性が得ら
れる同方式を用いることができるようにすることであ
る。

【００４７】このため、本発明の発明者らは、以前の用
いられていた線形ランプに代わって、低速域の屈折点で
の最高の感度域のあたりにデータ点を集中させる非線形
ランプを含む新規の方法を開発した。このようにするこ
とによって、高速でのすぐれた換算係数を保持しなが
ら、最善のジャイロ・バイアスが求められる低速での性
能を改善し、両者の間によいバランスを確立することが
できる。好ましいグラフは、ほぼ線形のランプでその上
に変調成分が加えられているものである。変調成分は、
好ましくは周期性があり、また好ましい実施形態にあっ
ては正弦状の形状を有する。この場合には、同じ基本信
号処理を採用して全縁部にわたって積分を行なうが、積
分が単純でないために余分な乗法因子が存在することに
なる。しかし、この因子は定数であろうし、したがって
求められたすべての速度に関してそれを使用することが
できる。次に、改善された点の集積を有するランプを示
す関数の例を下に示す。

【００４８】 （Ｂ） 図面の図８と図９は、速度ゼロと小さい適用速度の場合
の歪みの効果を示し、図１０と図１１は、比較のために
歪みのないすなわち線形のランプを示す。図８からわか
るように、線形ランプにはｓｉｎ２ω成分による歪みが
あたえられ、そのためより多くの点がπ／２および３π
／２のあたりに集積している。その結果、図９からわか
るように、これらの部分ではジャイロスコープの出力に
歪みが生じ、ほぼ余弦状の形状に代わって通常なら余弦
曲線の傾斜が最大の部分で波形に歪みがあたえられ、付
加的なサンプリング点が得られるようになっている。

【００４９】 添付書類Ｂ 乗算定数に０．５を用いて非線形駆動を設定したときに
０．３８８８４０２に等しいい乗法因数ｃをあたえる歪
んだ形の関数のコンピュータ・モデルを添付書類Ｂに示
す。これは、上の式（Ｂ）の第二項である。この場合、
速度は、次式で求められる。

【００５０】 （Ｃ） 因数ｃは、上の式にすでに加えられている。この関数
は、高次の調和関数が付加された形であるがいぜん全縁
部にわたって周期的であるので、積分によって積分和の
定数項が除かれる、逆正接を用いて速度を求めることが
できる。以前に述べたと同様に、駆動信号の山の高さは
閉ループ・サーボで調節されて２π条件が維持される。
以前と同じ積分が用いられ、それがサーボを駆動して換
算係数がわずかに異なるが２π条件をロックするための
正しい判別式をあたえるものとなる。

【００５１】この開発によって、計算を行なうためのデ
ジタル信号プロセッサを用いて容易に実施することので
きる開ループ方式のデジタル干渉計測型光ファイバー・
ジャイロスコープの信号処理のための改良されたアプロ
ーチが得られる。関数の詳細な形は決定的に重要なもの
ではないが、低速で屈折点のあたりに点を集積させる効
果をもちながら全縁部にわたって周期性を保持するもの
でなければならない。

【００５２】これによって、（方形変調と同様に）低速
でのすぐれたバイアス安定性と分解能というメリットが
得られ、しかも高速でのすぐれた直線性というメリット
も得られることになる。また、この方式は、閉ループ方
式では影響をうける低速でのロックインを生じない。閉
ループ方式では、また、帯域幅の減少という現象を生じ
るが、この方式では、帯域幅は、任意に設定されるサン
プル間隔によって設定される。

【図面の簡単な説明】

【図１】 開ループ型ファイバオプチック式ジャイロス
コープの第一の実施態様を示す略図。

【図２】 ＣＷビームおよびＣＣＷビームに加えられる
位相変調を示す図。

【図３】 正の回転レートおよび負の回転レートの場合
の、検出された強さの連続する対の差分信号および和分
信号を示す図。

【図４】 正の回転レートおよび負の回転レートの場合
の、検出された強さの連続する対の差分信号および和分
信号を示す図。

【図５】 図３および図４の和分データおよび差分デー
タのフーリエ変換を示す図。

【図６】 図３および図４の和分データおよび差分デー
タのフーリエ変換を示す図。

【図７】 開ループ型ファイバオプチック式ジャイロス
コープの第二の実施態様を示す略図。

【図８】 正弦状の歪みをあたえたランプの形状を示す
駆動信号とジャイロスコープからの対応する出力信号を
あらわすグラフである。

【図９】 正弦状の歪みをあたえたランプの形状を示す
駆動信号とジャイロスコープからの対応する出力信号を
あらわすグラフ。

【図１０】 線形ランプの形状を示す駆動信号とジャイ
ロスコープからの対応する出力信号をあらわすグラフ。

【図１１】 線形ランプの形状を示す駆動信号とジャイ
ロスコープからの対応する出力信号をあらわすグラフ。

【符号の説明】

図１中 10…広帯域光源 12…単モードファイバ 14…カプラ 16…偏光子 18…カプラ 20…コイル 22…変調器 24…光検出器 26…ＤＡＣ 28…ＡＤＣ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 アラン・リチヤード・マルバーン イギリス国．ピイエル６・６デイイー．デ ボン．プリマウス．クリツタフオード・ロ ード．（番地なし）．ブリテツシユ・エア ロスペース・システムズ・アンド・エクイ プメント・リミテツド内

Claims (18)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光が時計回り（ＣＷ）方向および反時計
   回り（ＣＣＷ）方向に周囲を伝播することができるとこ
   ろのコイルもしくはリングを感知軸の周囲に画定する手
   段と、 該コイルもしくはリングの中に、時計回り（ＣＷ）ビー
   ムおよび反時計回り（ＣＣＷ）ビームを導入して、該コ
   イルもしくはリングの周囲を反対方向に伝播させるため
   のビーム入力手段と、 該ＣＷビームおよび該ＣＣＷビームが該コイルもしくは
   リングの周囲を通過したのちに該ＣＷビームと該ＣＣＷ
   ビームとを合わせるための手段と、 該ＣＷビームと該ＣＣＷビームとを合わせたビームの強
   さを検出するための検出器手段と、 該ＣＷビームと該ＣＣＷビームとの間に複数の異なる移
   相を加えるための位相変調器手段と、 該移相ごとに検出された相当する強さをモニタして、そ
   れにより、完全なフリンジの少なくとも主要部分にかか
   る強さをサンプリングするための処理装置手段とを含む
   ことを特徴とする光学式ジャイロスコープ。
2. 【請求項２】 該位相変調器手段が、該ＣＷビームと該
   ＣＣＷビームとの間に、完全なフリンジを実質的にサン
   プリングするのに十分な複数の移相を加える請求項１記
   載の光学式ジャイロスコープ。
3. 【請求項３】 該位相変調器手段が、所定の大きさの複
   数の正の移相と、該正の大きさに等しい大きさの相当す
   る複数の負の移相からなる一連の移相を加える請求項１
   または２記載の光学式ジャイロスコープ。
4. 【請求項４】 該一連の移相が、実質的に同じ大きさの
   正の移相と負の移相との複数の対からなり、それらの対
   の移相の大きさが、一連の移相を通じて漸進的に変化す
   るものである請求項３記載の光学式ジャイロスコープ。
5. 【請求項５】 移相の大きさが段階的に０から２πまで
   線形に増す請求項４記載の光学式ジャイロスコープ。
6. 【請求項６】 最大位相変調が２πになるように制御す
   るためのサーボ制御手段をさらに含む請求項５記載の光
   学式ジャイロスコープ。
7. 【請求項７】 該一連の移相が反復するものである請求
   項３〜６のいずれか１項記載の光学式ジャイロスコー
   プ。
8. 【請求項８】 該位相変調器手段が、該ＣＷビームおよ
   び該ＣＣＷビームの両方に対し、該コイルもしくはリン
   グの一端において、各段の期間がコイルもしくはリング
   の走行時間に実質的に等しいところの段状の変調波形を
   加える請求項１〜７のいずれか１項記載の光学式ジャイ
   ロスコープ。
9. 【請求項９】 変調波形が、ｏ、Δφ₁ 、ｏ、Δφ₂ 、
   ｏ、Δφ₃ ・・・・２πの大きさのものであり、それに
   より、変調が、強さフリンジの２πにかけて掃引する請
   求項８記載の光学式ジャイロスコープ。
10. 【請求項１０】 処理装置手段が、移相の大きさごと
    に、正の移相について検出された強さおよび負の移相に
    ついて検出された強さをモニタする請求項３〜９のいず
    れか１項記載の光学式ジャイロスコープ。
11. 【請求項１１】 処理装置手段が、移相の大きさごとに
    モニタした二つの強さの和分および差分を測定して、そ
    れにより、一連の和分および差分それぞれのデータを得
    る請求項10項記載の光学式ジャイロスコープ。
12. 【請求項１２】 該処理装置手段が、該和分データおよ
    び該差分データの少なくとも一方に基づいて、ジャイロ
    スコープが被るレートを測定する請求項10記載の光学式
    ジャイロスコープ。
13. 【請求項１３】 該処理装置手段が、該和分データおよ
    び該差分データの少なくとも一方にフーリエ変換を施し
    て、それにより、印加されたレートを得る請求項12記載
    の光学式ジャイロスコープ。
14. 【請求項１４】 該処理装置手段が、 （ｉ）該和分データにコサイン関数を掛け、積分して第
    一の信号を算出し、 （ii）該和分データにサイン関数を掛け、積分して第二
    の信号を算出し、 (iii) 該差分データにコサイン関数を掛け、積分して第
    三の信号を算出し、 （iv）該差分データにサイン関数を掛け、積分して第四
    の信号を算出し、 第一、第二、第三および第四の該信号を利用して、印加
    されたレートを得る請求項12記載の光学式ジャイロスコ
    ープ。
15. 【請求項１５】 実質的に、添付の図面を参照しながら
    本明細書に説明し、添付の図面に示したとおりの装置。
16. 【請求項１６】 先行するいずれかの項に記載の光ジャ
    イロスコープにおいて、前記位相変調器が前記ＣＷおよ
    びＣＣＷビームの間で、プリセットされた最小値とプレ
    セットされた最大値の間で変化しまた各ステップの間で
    前記最小値に戻る一連のステップの反復からなる段階波
    形を有する位相変調を行ない、前記ステップによって規
    定されるランプの形状が非直線的である光ジャイロスコ
    ープ。
17. 【請求項１７】 前記ランプの形状が周期的変調成分を
    含みながらほぼ直線的である請求項１６に記載の光ジャ
    イロスコープ。
18. 【請求項１８】 前記変調が正弦形状である請求項１７
    に記載の光ジャイロスコープ。