JPH0783672A - 光ファイバジャイロ - Google Patents

光ファイバジャイロ

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JPH0783672A
JPH0783672A JP5226999A JP22699993A JPH0783672A JP H0783672 A JPH0783672 A JP H0783672A JP 5226999 A JP5226999 A JP 5226999A JP 22699993 A JP22699993 A JP 22699993A JP H0783672 A JPH0783672 A JP H0783672A
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JP
Japan
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angular velocity
optical fiber
fiber gyro
value
signal
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Application number
JP5226999A
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English (en)
Inventor
Tatsuya Kumagai
達也 熊谷
Hiroshi Kajioka
博 梶岡
Munehiro Akiyama
宗広 秋山
Shigeru Obo
茂 於保
Hisao Sonobe
久雄 園部
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Hitachi Cable Ltd
Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Cable Ltd
Hitachi Ltd
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Publication date
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Priority to US08/305,490 priority patent/US5555235A/en
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C19/00—Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
    • G01C19/58—Turn-sensitive devices without moving masses
    • G01C19/64—Gyrometers using the Sagnac effect, i.e. rotation-induced shifts between counter-rotating electromagnetic beams
    • G01C19/72—Gyrometers using the Sagnac effect, i.e. rotation-induced shifts between counter-rotating electromagnetic beams with counter-rotating light beams in a passive ring, e.g. fibre laser gyrometers
    • G01C19/721—Details

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  • Optics & Photonics (AREA)
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 応答が早く、測定精度が高い光ファイバジャ
イロを提供すること。 【構成】 光源１からの光を光カプラ６ａで分岐し、分
岐された分岐光を位相変調器７で位相をずらした後それ
ぞれセンシングループ３に導き、センシングループ３を
伝搬した左右両回り光を光カプラ６ｂで再び結合した後
受光器４で検出し、信号処理回路２０で角速度情報を得
る位相変調方式の光ファイバジャイロにおいて、光ファ
イバジャイロ用校正器でセンシングループ３に加えた角
速度とその加えた角速度に対応して信号処理回路２０で
得られたデータ値とを記憶する記憶素子２１と、運用時
に信号処理回路２０で得られた検出値を基に記憶素子２
１に記憶させた角速度の値を検索する検索手段１１とを
備えたことを特徴としている。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、光ファイバジャイロに
関し、特に位相変調方式の光ファイバジャイロに関す
る。
【０００２】
【従来の技術】位相変調方式を用いた光ファイバジャイ
ロ装置の従来例を図３に示す。
【０００３】光ファイバジャイロの光学系は、レーザ光
源（以下光源という）１、偏光子２、光ファイバコイル
（センシングループ）３、受光器４及びプリアンプ５の
他、２個の光カプラ６ａ、６ｂをもって構成されてお
り、かつ、センシングループ３の伝搬光を位相変調する
ための位相変調器７を含む。光源１から出射されたレー
ザ光は、光カプラ６ａで分岐される。分岐された一方の
分岐光が偏光子２及び光カプラ６ｂを介してセンシング
ループ３に左回り光及び右回り光として送り込まれる。
センシングループ３を伝搬した光は、光カプラ６ｂによ
って再び合成され、偏光子２及び光カプラ６ａを介して
受光器４に導かれる。
【０００４】センシングループ３が、移動体と共にある
角速度Ωをもって回転すると、左右両回り光の間にサニ
ャック（ｓａｇｎａｃ）効果による位相差φS （以下単
に「サニャック位相差」という）が発生する。サニャッ
ク位相差φS とセンシングループ３の角速度Ωとの間に
は、数１で表される比例関係が成立するので、左右両回
り光の間の位相差（サニャック位相差φS ）を計測する
ことによって角速度Ωを求めることが可能である。
【０００５】
【数１】
【０００６】受光器４によって光電変換された出力信号
は、プリアンプ５を介して信号処理回路８に送出され
る。この信号処理回路８は、同期検波器９、Ａ／Ｄ変換
器１０、中央処理装置（ＣＰＵ）１１及び同期信号発信
器（以下発信器という）１２をもって構成されている。
【０００７】光学系に配設された位相変調器７は、発信
器１２からＤ／Ａ変換器１３及びローパスフィルタ（Ｌ
ＰＦ）１４を介して供給される一定周波数の正弦波信号
を受けて作動し、左右両回り光に対して所定の強度（位
相変調度ｍ）で位相変調を加える。この結果、受光器４
からの出力信号は、位相変調周波数（基本波）の信号成
分とその倍調波である複数の信号成分とを含むことにな
る。
【０００８】一般に、受光器４を介して取り出した出力
信号の瞬時値ｐは、左右両回り光の振幅（最大値）をそ
れぞれＰL 及びＰR とすると数２で表される。但し、ｍ
は位相変調度、ｆm は位相変調周波数、Ｊ0 （ｍ）〜Ｊ
4 （ｍ）は位相変調度ｍを引数とするベッセル関数、φ
S はサニャック位相差である。
【０００９】
【数２】
【００１０】受光器４の出力信号は、プリアンプ５を介
して同期検波器９に導かれ、発信器１２から供給される
同期信号の制御のもとで所望の周波数成分ごとに同期検
波される。
【００１１】同期検波された基本波成分、２倍調波成分
及び４倍調波成分をそれぞれＳ1 、Ｓ2 、Ｓ4 と表示す
ると、数２より次の数３〜数４を求めることができる。
【００１２】
【数３】
【００１３】
【数４】
【００１４】
【数５】
【００１５】数３、数４より、基本波成分Ｓ1 と２倍調
波成分Ｓ2 との間の比（Ｓ1 ／Ｓ2 ）を求めて前述の数
１を用いて変形すると、次の数６〜数８を得ることがで
きる。
【００１６】
【数６】
【００１７】
【数７】
【００１８】
【数８】
【００１９】
【数９】
【００２０】このようにして求めた数９に基づいて以下
の手法により角速度Ωが求められる。
【００２１】(1) 比（Ｓ4 ／Ｓ2 ）が一定になるように
位相変調器７を制御した場合には、Ｊ2 （ｍ）／Ｊ
1 （ｍ）の値が一定値になるため定数を代入すると、Ｓ
1 ／Ｓ2 の計測値からａｒｃｔａｎ関数を用いて角速度
Ωが求まる。
【００２２】(2) 比（Ｓ4 ／Ｓ2 ）が一定になるように
位相変調器７を制御しない場合には、Ｓ4 ／Ｓ2 の値か
らＪ2 （ｍ）／Ｊ1 （ｍ）を求め、Ｓ1 ／Ｓ2 の計測値
と乗算した結果をａｒｃｔａｎ関数に代入すると角速度
Ωが求まる。
【００２３】(3) 一般に、光ファイバジャイロの角速度
の検出感度を高めるため、増幅器（プリアンプ）でＳ1
をＫ倍に増幅した測定レンジを設ける手法が用いられる
が、レンジを切り換える条件としてＳ1 ×Ｋ倍の計測値
Ｓ0 で判定し、かつ、Ｓ0 の検出値をＫで除算して数８
に代入すると角速度Ωが求まる。
【００２４】また、以下の方法も提案されている。
【００２５】(4) ａｒｃｔａｎ関数を計算機又は関数表
で求め、折れ線近似又は実測したデータ値をメモリに入
力し、光ファイバジャイロ出力からテーブル検索するこ
とにより角速度を求める（特開平４−２３１８１４号公
報）。
【００２６】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、(1) 〜
(2) に示す方法ではマイクロコンピュータでａｒｃｔａ
ｎ関数を計算するために演算時間がかかり、光ファイバ
ジャイロの応答時間が遅くなってしまう。さらに光学
系、回路系の非線形な特性からａｒｃｔａｎ関数と計測
値とが一致せず、高性能化を図ることができない。
【００２７】(3) に示す方法では、 Ｓ0 の値でレンジ切り換え点を判定すると、光源出
力の変化で切り換え点が変化するため、光ファイバジャ
イロ校正時と運用時の状態が変化し、測定精度が劣化し
てしまう。
【００２８】 Ｓ0 の検出値をＫで除算する方法で
は、計測値の測定精度が演算のケタ落ちにより劣化して
しまう。
【００２９】また、従来の技術では、校正した場所の角
速度である地球の自転速度を補正する手段がないため、
地球の自転速度が誤差になってしまう。
【００３０】(4) 一般に特開平４−２３１８１４号公報
に示す方法では、光学系、回路系の非線形な特性からａ
ｒｃｔａｎ関数の値と計測値とが一致せず、そのずれ量
は個々の光ファイバジャイロで異なる。このため、関数
値でテーブル検索した場合、出力誤差となってしまい、
良い測定精度を得ることができない。
【００３１】そこで、本発明の目的は、上記課題を解決
し、応答が早く、測定精度が高い光ファイバジャイロを
提供することにある。
【００３２】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明は、光源からの光を光カプラで分岐し、分岐さ
れた分岐光を位相変調器で位相をずらした後それぞれセ
ンシングループに導き、センシングループを伝搬した左
右両回り光を光カプラで再び結合した後受光器で検出
し、信号処理回路で角速度情報を得る位相変調方式の光
ファイバジャイロにおいて、光ファイバジャイロ用校正
器でセンシングループに加えた角速度とその加えた角速
度に対応して信号処理回路で得られたデータ値とを記憶
する記憶素子と、運用時に信号処理回路で得られた検出
値を基に記憶素子に記憶させた角速度の値を検索する検
索手段とを備えたものである。
【００３３】また、記憶素子に記憶するデータは、位相
変調器の変調強度を一定値に制御し、信号処理回路で得
られるデータ値から得られる位相変調周波数信号と偶数
次高調波信号との比をデータとして記憶してもよい。
【００３４】信号処理回路のデータ値は、２つの偶数次
高調波信号の比から位相変調器の変調強度を求め、得ら
れた強度値及び位相変調周波数信号と偶数次高調波信号
との比から得られた値をデータとしてもよい。
【００３５】本発明の光ファイバジャイロは、角速度の
測定範囲を切り換えるための位相変調周波数信号を増幅
する増幅手段を有し、測定範囲を切り換える条件として
位相変調周波数信号の増幅した値と偶数次高調波信号と
の比を用い、記憶素子に記憶する信号処理回路検出値と
して位相変調周波数信号の増幅した値と偶数次高調波信
号との比及び位相変調周波数信号に増幅率を乗算した値
と偶数次高調波信号との比を用いてもよい。
【００３６】記憶素子に記憶する角速度の値は、校正器
で得られた角速度に校正した場所の角速度である地球の
自転速度を加算した値としてもよい。
【００３７】
【作用】上記構成によれば、光ファイバジャイロ用校正
器でセンシングループに加えた角速度とその加えた角速
度に対応して信号処理回路で得られたデータ値とを記憶
素子に記憶させてテーブルを作成し、このテーブルを検
索手段で検索するので、時間のかかるａｒｃｔａｎ関数
を用いることなく短時間で角速度の値が得られる。ま
た、測定範囲を切り換える場合において、位相変調周波
数信号の増幅した値と偶数次高調波信号との比を用いる
ことにより光源出力変化によるレンジ切り換え点の移動
が防止され、同期検波された基本波成分Ｓ1 に増幅器の
増幅率を乗算した値を検索データとしたので角速度の測
定精度が向上する。
【００３８】
【実施例】以下、本発明の一実施例を添付図面に基づい
て詳述する。
【００３９】図１は本発明の光ファイバジャイロの一実
施例の概略図である。尚、図３に示した光ファイバジャ
イロと同一の部材には共通の符号を用いた。
【００４０】光ファイバジャイロの光学系は、光源１、
偏光子２、センシングループ３、受光器４及びプリアン
プ５の他、２個の光カプラ６ａ、６ｂをもって構成され
ており、かつ、センシングループ３の伝搬光を位相変調
するための位相変調器７を含む。光源１から出射したレ
ーザ光は、光カプラ６ａで分岐され、分岐された一方の
分岐光が偏光子２及び光カプラ６ｂを介してセンシング
ループ３に左回り光及び右回り光として送り込まれる。
センシングループ３を伝搬した光は、光カプラ６ｂによ
って再び合成され、偏光子２及び光カプラ６ａを介して
受光器４に導かれる。
【００４１】受光器４によって光電変換された出力信号
は、プリアンプ５を介して信号処理回路２０に送り込ま
れる。この信号処理回路２０は、同期検波器９、Ａ／Ｄ
変換器１０、検索手段としてのＣＰＵ１１、記憶素子と
してのＥ2 ＰＲＯＭ（電気的書込み及び消去可能な読出
し専用メモリ）２１及び発信器１２をもって構成されて
いる。
【００４２】光学系に配設された位相変調器７は、発信
器１２からＤ／Ａ変換器１３及びＬＰＦ１４を介して供
給される一定周波数の正弦波信号を受けて作動し、左右
両回り光に対して所定の強度（位相変調度ｍ）で位相変
調を加える。この結果、受光器の出力信号は、位相変調
周波数（基本波）の信号成分とその倍調波である複数の
信号成分とを含むことになる。
【００４３】図２は図１に示した光ファイバジャイロを
校正する装置の構成例を示す図である。
【００４４】校正器は、光ファイバジャイロ２２を回転
させるターンテーブル２３と、ターンテーブル２３を回
転駆動するターンテーブルコントローラ２４と、ターン
テーブル２３の回転を制御するパーソナルコンピュータ
２５とで構成されている。
【００４５】パーソナルコンピュータ２５でターンテー
ブル２３の回転を制御して光ファイバジャイロ２２に加
える角速度ωを変化させる。各角速度における光ファイ
バジャイロ２の実測データｘをパーソナルコンピュータ
２５に取り込み、角速度ωと実測データｘとからなるテ
ーブルを作成する。
【００４６】ここで、実測データｘは、位相変調度が一
定になるように制御した場合には（Ｓ0 ／Ｓ2 ）又は
（Ｋ・Ｓ1 ／Ｓ2 ）であり、制御しない場合には（（Ｊ
2 （ｍ）／Ｊ1 （ｍ））・（Ｓ0 ／Ｓ2 ））又は（（Ｊ
2 （ｍ）／Ｊ1 （ｍ））・（Ｋ・Ｓ1 ／Ｓ2 ））であ
る。但し、Ｓ0 の測定範囲とＳ1 の測定範囲との選択
は、光ファイバジャイロ２２のＣＰＵ１１でＳ0 ／Ｓ2
の値により自動的に実行される。
【００４７】次に、角速度ωと実測データｘとで形成さ
れるテーブルにおいて、校正した場所の角速度である地
球の自転速度ωe を計測時に得られたωに加算し、新た
なテーブルを作成する。
【００４８】ここで、地球の自転速度ωe は数１０で表
される。
【００４９】
【数１０】
【００５０】但し、ψは緯度を示しており、時計回りの
方向を正とした。
【００５１】得られたテーブルは、角速度ωに対する実
測データｘの関数であるため、これをｘに対する角速度
ωのテーブルに変換する。実測データｘの間隔は一定で
ある方が光ファイバジャイロの処理に適しているため、
テーブルの変換に当たっては直線補間を用いることが望
ましい。
【００５２】計算されたテーブルデータを光ファイバジ
ャイロの信号処理回路２０内のＥ2 ＰＲＯＭに記憶さ
せ、光ファイバジャイロはこのテーブルデータを基に角
速度ωを検索する。角速度ωの算出に関しても直線補間
を用いることが望ましい。
【００５３】次に実施例の作用を述べる。
【００５４】あらかじめ光ファイバジャイロ用校正器の
ターンテーブル２３に光ファイバジャイロ２２を搭載し
て回転させることでセンシングループ３に加えた角速度
を求め、その加えた角速度に対応して信号処理回路２０
で得られたデータ値とを記憶素子に記憶させてテーブル
を作成し、このテーブルを信号処理装置２０内のＣＰＵ
１１で検索するので、時間のかかるａｒｃｔａｎ関数を
用いることなく短時間で角速度の値が得られる。また、
測定範囲を切り換える場合において、位相変調周波数信
号を増幅した値と偶数次高調波信号との比を用いること
により、光源１の出力変化によるレンジ切り換え点の移
動が防止され、同期検波された基本波成分Ｓ1 に増幅器
の増幅率を乗算した値を検索データとしたので、角速度
の測定精度が向上する。
【００５５】次に、テーブルの具体例について説明する
が、これに限定されるものではない。
【００５６】ｘ1 をＳ0 ／Ｓ2 又は（Ｊ2 （ｍ）／Ｊ1
（ｍ））・（Ｓ0 ／Ｓ2 ）とし、ｘ2 をＫ・（Ｓ0 ／Ｓ
2 ）又は（Ｊ2 （ｍ）／Ｊ1 （ｍ））・（Ｋ・Ｓ0 ／Ｓ
2 ）とする。
【００５７】表１及び表２は、光ファイバジャイロをタ
ーンテーブルで回転させて角速度を測定した結果であ
る。両表に示すように、テーブルにはターンテーブル２
３の角速度ωａに対応したｘ1 及びｘ2 がそれぞれ記憶
されている。
【００５８】
【表１】
【００５９】
【表２】
【００６０】これら表１及び表２に示したテーブルのデ
ータに対し、地球の自転を考慮して補正計算を施すと表
３及び表４が得られる。
【００６１】
【表３】
【００６２】
【表４】
【００６３】但し、ωはターンテーブル２３の角速度ω
ａに地球の自転の角速度ωe を加えた値であり、ψは９
０°である（表１は表３に対応し、表２は表４に対応し
ている）。
【００６４】このようにして得られた表３及び表４は、
角速度ωの数値が等間隔にはなっておらず、角速度ωの
データの小さい（大きい）部分ではＡ／Ｄ変換器１０が
飽和するので一定値となってしまう。このため、直線補
間を用いて表３及び表４を補正すると表５及び表６が得
られる。
【００６５】
【表５】
【００６６】
【表６】
【００６７】ｘ1 は増幅された値であり、Ａ／Ｄ変換器
１０の変換電圧範囲が有限であることからある角速度以
上で飽和し、一定値となる。従って角速度が一定値とな
る前にレンジをｘ2 に切換える操作が実行される。
【００６８】尚、本実施例では偶数次高調波信号として
第２次及び第４次高調波信号を用いて説明したが、これ
に限定されるものではなく、他の次数の信号を用いて処
理するようにしてもよい。
【００６９】また、本実施例ではｘ1 とｘ2 とを別々の
テーブルに分けて説明したが、光源の出力変化によるレ
ンジ切り替え点の移動がなく、かつ電子回路の増幅度を
ソフトウェアで補正したため、ｘ1 、ｘ2 をｘとして一
つのテーブルで構成することも可能である。このように
すればメモリ容量を削減できる。
【００７０】
【発明の効果】以上要するに本発明によれば、次のよう
な優れた効果を発揮する。
【００７１】光ファイバジャイロ用校正器でセンシング
ループに加えた角速度とその加えた角速度に対応して信
号処理回路で得られたデータ値とを記憶する記憶素子
と、運用時に信号処理回路で得られた検出値を基に記憶
素子に記憶させた角速度の値を検索する検索手段とを備
えたので、応答が早く、測定精度が高い光ファイバジャ
イロを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光ファイバジャイロの一実施例の概略
図である。
【図２】図１に示した光ファイバジャイロを校正する装
置の構成例を示す図である。
【図３】位相変調方式を用いた光ファイバジャイロ装置
の従来例を示す図である。
【符号の説明】
１ （レーザ光源）光源 ３ センシングループ（光ファイバコイル） ６ａ、６ｂ 光カプラ ７ 位相変調器 １１ 検索手段（ＣＰＵ） ２０ 信号処理回路
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 秋山 宗広 茨城県日立市日高町５丁目１番１号 日立 電線株式会社日高工場内 (72)発明者 於保 茂 茨城県日立市久慈町4026番地 株式会社日 立製作所日立研究所内 (72)発明者 園部 久雄 茨城県日立市久慈町4026番地 株式会社日 立製作所日立研究所内

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 光源からの光を光カプラで分岐し、分岐
    された分岐光を位相変調器で位相をずらした後それぞれ
    センシングループに導き、該センシングループを伝搬し
    た左右両回り光を光カプラで再び結合した後受光器で検
    出し、信号処理回路で角速度情報を得る位相変調方式の
    光ファイバジャイロにおいて、光ファイバジャイロ用校
    正器でセンシングループに加えた角速度とその加えた角
    速度に対応して前記信号処理回路で得られたデータ値と
    を記憶する記憶素子と、運用時に信号処理回路で得られ
    た検出値を基に記憶素子に記憶させた角速度の値を検索
    する検索手段とを備えたことを特徴とする光ファイバジ
    ャイロ。
  2. 【請求項２】 記憶素子に記憶するデータは、前記位相
    変調器の変調強度を一定値に制御し、前記信号処理回路
    で得られるデータ値から得られる位相変調周波数信号と
    偶数次高調波信号との比をデータとして記憶することを
    特徴とする請求項１記載の光ファイバジャイロ。
  3. 【請求項３】 前記信号処理回路のデータ値は、２つの
    偶数次高調波信号の比から前記位相変調器の変調強度を
    求め、得られた強度値及び位相変調周波数信号と偶数次
    高調波信号との比から得られた値をデータとすることを
    特徴とする請求項１記載の光ファイバジャイロ。
  4. 【請求項４】 前記光ファイバジャイロは、前記角速度
    の測定範囲を切り換えるための位相変調周波数信号を増
    幅する増幅手段を有し、前記測定範囲を切り換える条件
    として位相変調周波数信号の増幅した値と偶数次高調波
    信号との比を用い、前記記憶素子に記憶する信号処理回
    路検出値として位相変調周波数信号の増幅した値と偶数
    次高調波信号との比及び位相変調周波数信号に増幅率を
    乗算した値と偶数次高調波信号との比を用いたことを特
    徴とする請求項１から請求項３までのいずれか一項記載
    の光ファイバジャイロ。
  5. 【請求項５】 前記記憶素子に記憶する角速度の値は、
    前記校正器で得られた角速度に校正した場所の角速度で
    ある地球の自転速度を加算した値としたことを特徴とす
    る請求項１記載の光ファイバジャイロ。
JP5226999A 1993-09-13 1993-09-13 光ファイバジャイロ Pending JPH0783672A (ja)

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EP94306686A EP0643284A1 (en) 1993-09-13 1994-09-12 Optical fiber gyro
CA002131858A CA2131858A1 (en) 1993-09-13 1994-09-12 Optical fiber gyro
US08/305,490 US5555235A (en) 1993-09-13 1994-09-13 Optical fiber gyro with memory storing data measured under application of angular velocity

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