JPH0868639A - 高分解能リングレーザジャイロスコープシステム - Google Patents
高分解能リングレーザジャイロスコープシステムInfo
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- JPH0868639A JPH0868639A JP4800009A JP80000992A JPH0868639A JP H0868639 A JPH0868639 A JP H0868639A JP 4800009 A JP4800009 A JP 4800009A JP 80000992 A JP80000992 A JP 80000992A JP H0868639 A JPH0868639 A JP H0868639A
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- JP
- Japan
- Prior art keywords
- ring laser
- resolution
- angular velocity
- sample
- laser gyroscope
- Prior art date
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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
- G01C19/66—Ring laser gyrometers
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- Engineering & Computer Science (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Radar, Positioning & Navigation (AREA)
- Remote Sensing (AREA)
- Gyroscopes (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】 分解能を向上したジャイロスコープの角度測
定の方法及びシステムを提供する。 【構成】 本発明が開示する高分解能リングレーザ ジ
ャイロスコープは、好ましい実施例では、高速フィルタ
ーと組み合わせて使用されるサンプル抽出周波数変調位
相ロックループ（又は「チャープ」）を含んで構成され
る。光学的に積分された角速度データを収集し、このデ
ータを累積するために、高速フィルター（好ましくは移
動平均ディジタルフィルター）を使用することによって
高分解能が達成される。データ収集過程においては、累
積データが周波数変調（「チャーパー」）位相ロックル
ープによって設定される速度でサンプル抽出され、ディ
ジタルフィルターへのエイリアシングの影響に起因する
望ましくないデータを排除する。
定の方法及びシステムを提供する。 【構成】 本発明が開示する高分解能リングレーザ ジ
ャイロスコープは、好ましい実施例では、高速フィルタ
ーと組み合わせて使用されるサンプル抽出周波数変調位
相ロックループ（又は「チャープ」）を含んで構成され
る。光学的に積分された角速度データを収集し、このデ
ータを累積するために、高速フィルター（好ましくは移
動平均ディジタルフィルター）を使用することによって
高分解能が達成される。データ収集過程においては、累
積データが周波数変調（「チャーパー」）位相ロックル
ープによって設定される速度でサンプル抽出され、ディ
ジタルフィルターへのエイリアシングの影響に起因する
望ましくないデータを排除する。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、リングレーザ ジャイ
ロスコープ即ち角速度センサのヘテロダイン検出器から
送出されて電子的に処理されたデータの分解能の向上に
係り、更に詳しくは高分解能のマルチオシレータ リン
グレーザ ジャイロスコープに関するものである。
ロスコープ即ち角速度センサのヘテロダイン検出器から
送出されて電子的に処理されたデータの分解能の向上に
係り、更に詳しくは高分解能のマルチオシレータ リン
グレーザ ジャイロスコープに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】リングレーザ角速度センサは、活性領域
誘導レーザガスを収容する環状コンジットを画定したモ
ノリシック固体ブロック内部のリングレーザで一般に構
成される。ジャイロスコープの光路内には、少なくとも
２つのレーザビームが環状光路の回りを時計回り及び反
時計回りの方向に対向伝搬する。気体媒質平面型リング
レーザ ジャイロスコープは２０年前に開発され、それ
以後信頼できて比較的環境に影響されない慣性回転セン
サとして発展してきた。平面型リングレーザ ジャイロ
スコープ（ｐｌａｎａｒ ｒｉｎｇ ｌａｓｅｒ ｇｙ
ｒｏｓｃｏｐｅｓ）は、三角形及び四角形のいずれの幾
何学形状のものも、商用及び軍用の航空機における慣性
航法システム及び飛行制御システムに正規に使用されて
いる。リングレーザ ジャイロスコープが回転輪型機械
式ジャイロスコープに優る主たる利点は、性能の永久劣
化を生ずることなく比較的強い機械的衝撃に耐える得る
能力を有することである。前記及びその他の特徴ゆえ
に、大抵のリングレーザ ジャイロスコープ慣性航法シ
ステムの期待平均故障間隔は以前の機械式ジャイロスコ
ープ システムの数倍も長い。
誘導レーザガスを収容する環状コンジットを画定したモ
ノリシック固体ブロック内部のリングレーザで一般に構
成される。ジャイロスコープの光路内には、少なくとも
２つのレーザビームが環状光路の回りを時計回り及び反
時計回りの方向に対向伝搬する。気体媒質平面型リング
レーザ ジャイロスコープは２０年前に開発され、それ
以後信頼できて比較的環境に影響されない慣性回転セン
サとして発展してきた。平面型リングレーザ ジャイロ
スコープ（ｐｌａｎａｒ ｒｉｎｇ ｌａｓｅｒ ｇｙ
ｒｏｓｃｏｐｅｓ）は、三角形及び四角形のいずれの幾
何学形状のものも、商用及び軍用の航空機における慣性
航法システム及び飛行制御システムに正規に使用されて
いる。リングレーザ ジャイロスコープが回転輪型機械
式ジャイロスコープに優る主たる利点は、性能の永久劣
化を生ずることなく比較的強い機械的衝撃に耐える得る
能力を有することである。前記及びその他の特徴ゆえ
に、大抵のリングレーザ ジャイロスコープ慣性航法シ
ステムの期待平均故障間隔は以前の機械式ジャイロスコ
ープ システムの数倍も長い。
【０００３】平面型リングレーザ ジャイロスコープ
は、非機械式の真のストラップダウン慣性航法システム
の最初の試みであった。回転速度が低いと、ミラーから
の後方散乱が振動するビームの一方のエネルギーを逆向
き伝搬するビームに結合させ、振動周波数をロックし、
その結果、低回転速度ではゼロ回転情報しか導出しなか
った。現用の平面構造（ｐｌａｎａｒ ｃｏｎｆｉｇｕ
ｒａｔｉｏｎ）を有するリングレーザ ジャイロスコー
プは、この周知のロックイン現象を避けるために、角速
度センサにバイアスを与えるための機械式ディザ機構を
使用する。機械式ディザ機構はロックインの影響の低減
に非常に有効であり、リングレーザ ジャイロスコープ
を存続可能な航法用ジャイロスコープにした。しかしな
がら、効果的な機械式ディザを加えるリングレーザ ジ
ャイロスコープはリングレーザの出力に雑音成分を付加
し、ひいては最終的精度を低下させる。また、機械式デ
ィザの存在は、ミラー系或いは全体のいずれのディザで
あろうとも、完全ストラップダウン慣性航法装置という
望ましい目標から逸脱することになる。
は、非機械式の真のストラップダウン慣性航法システム
の最初の試みであった。回転速度が低いと、ミラーから
の後方散乱が振動するビームの一方のエネルギーを逆向
き伝搬するビームに結合させ、振動周波数をロックし、
その結果、低回転速度ではゼロ回転情報しか導出しなか
った。現用の平面構造（ｐｌａｎａｒ ｃｏｎｆｉｇｕ
ｒａｔｉｏｎ）を有するリングレーザ ジャイロスコー
プは、この周知のロックイン現象を避けるために、角速
度センサにバイアスを与えるための機械式ディザ機構を
使用する。機械式ディザ機構はロックインの影響の低減
に非常に有効であり、リングレーザ ジャイロスコープ
を存続可能な航法用ジャイロスコープにした。しかしな
がら、効果的な機械式ディザを加えるリングレーザ ジ
ャイロスコープはリングレーザの出力に雑音成分を付加
し、ひいては最終的精度を低下させる。また、機械式デ
ィザの存在は、ミラー系或いは全体のいずれのディザで
あろうとも、完全ストラップダウン慣性航法装置という
望ましい目標から逸脱することになる。
【０００４】これらの問題点に着目して、代替的バイア
ス技術として、磁気ミラーに（カー効果を用いて）、或
いは直接に利得媒質（ゼーマン効果を用いて）か又はフ
ァラデー回転子として知られる固体ガラス素子に磁界を
加えるることによる非反転ファラデー効果（ｎｏｎｒｅ
ｃｉｐｒｏｃａｌ Ｆａｒａｄａｙ ｅｆｆｅｃｔ）を
使用する手段が開発され、該手段を磁界と組み合わせて
用いると、一方のビームが逆向きのビームの移相とは反
対のファラデー効果移相を生じ、それによって２つの逆
方向回転ビームの周波数が分割される。単純な偏光回転
に代わって実用的な移相を実現するためには、最適には
２組の逆向きの円偏光ビームが所望の結果を得るための
単一光路内に存在する。このマルチオシレータ リング
レーザ ジャイロスコープの理論の一例は、１９８９年
４月４日レイセオン社（Ｒａｙｔｈｅｏｎ Ｃｏｒｐｏ
ｒａｔｉｏｎ）出願（発明者、テリィ Ａ．ドルシュナ
ー（Ｔｅｒｒｙ Ａ．Ｄｏｒｓｈｎｅｒ）の米国特許第
４，８１８，０８７号明細書、発明の名称「オルソヘド
ラル リングレーザ ジャイロ（ＯＲＴＨＯＨＥＤＲＡ
Ｌ ＲＩＮＧ ＬＡＳＥＲ ＧＹＲＯ」に見られる。マ
ルチオシレータ リングレーザ ジャイロスコープ内の
非平面光路（ｎｏｎｐｌａｎａｒ ｒａｙ ｐａｔｈ）
は円偏光され相反的に分割された光を確実に形成する。
非平面光路は、偏光を相反的に大きく回転させ、所要の
円偏光を生ずる。非平面相反移相は、図２に示す利得曲
線Ｇを有する２つのファラデーバイアス ジャイロスコ
ープをも実現する。非平面光路は、その幾何学的形状に
よって、光を一方は左円偏光し他方は右円偏光した２つ
の別々のジャイロスコープに分割する。この分割は相反
分割として知られ、典型的には１００ＭＨｚ代の範囲に
ある。ファラデー素子を非平面型リングレーザ ジャイ
ロスコープのビーム経路に配置することによって、該フ
ァラデー素子に適当な磁界を加えると、各ジャイロの非
相反分割が実現される。少なくとも４つのモード、即
ち、左円偏光反時計回りビーム（Ｌａ）、左円偏光時計
回りビーム（Ｌｃ）、右円偏光時計回りビーム
（Ｒｃ）、及び右円偏光反時計回りビーム（Ｒａ）、が
作られる。時計回りモードと反時計回りモードの間のフ
ァラデー分割は約１ＭＨｚである。少なくとも４つのミ
ラーが環状共振器経路を形成し、該共振器経路は図２の
各利得曲線によって表される２つのジャイロスロープを
含む。ミラーのうちの１つは僅かに透光性を有し、光が
共振器から離脱して信号処理用の光検出機構に入射する
できるようにする。ファラデーバイアスを除去するため
に、信号が電子的に処理される際には、ジャイロスコー
プのスケールファクタは慣用のリングレーザ ジャイロ
スコープの２倍になる。ファラデー素子を使用する非平
面幾何学形状のマルチオシレータ リングレーザ ジャ
イロスコープは、光ビーム経路の部分を占める能動媒質
を形成するためにガス放電ポンプを用いて現在製造され
る。
ス技術として、磁気ミラーに（カー効果を用いて）、或
いは直接に利得媒質（ゼーマン効果を用いて）か又はフ
ァラデー回転子として知られる固体ガラス素子に磁界を
加えるることによる非反転ファラデー効果（ｎｏｎｒｅ
ｃｉｐｒｏｃａｌ Ｆａｒａｄａｙ ｅｆｆｅｃｔ）を
使用する手段が開発され、該手段を磁界と組み合わせて
用いると、一方のビームが逆向きのビームの移相とは反
対のファラデー効果移相を生じ、それによって２つの逆
方向回転ビームの周波数が分割される。単純な偏光回転
に代わって実用的な移相を実現するためには、最適には
２組の逆向きの円偏光ビームが所望の結果を得るための
単一光路内に存在する。このマルチオシレータ リング
レーザ ジャイロスコープの理論の一例は、１９８９年
４月４日レイセオン社（Ｒａｙｔｈｅｏｎ Ｃｏｒｐｏ
ｒａｔｉｏｎ）出願（発明者、テリィ Ａ．ドルシュナ
ー（Ｔｅｒｒｙ Ａ．Ｄｏｒｓｈｎｅｒ）の米国特許第
４，８１８，０８７号明細書、発明の名称「オルソヘド
ラル リングレーザ ジャイロ（ＯＲＴＨＯＨＥＤＲＡ
Ｌ ＲＩＮＧ ＬＡＳＥＲ ＧＹＲＯ」に見られる。マ
ルチオシレータ リングレーザ ジャイロスコープ内の
非平面光路（ｎｏｎｐｌａｎａｒ ｒａｙ ｐａｔｈ）
は円偏光され相反的に分割された光を確実に形成する。
非平面光路は、偏光を相反的に大きく回転させ、所要の
円偏光を生ずる。非平面相反移相は、図２に示す利得曲
線Ｇを有する２つのファラデーバイアス ジャイロスコ
ープをも実現する。非平面光路は、その幾何学的形状に
よって、光を一方は左円偏光し他方は右円偏光した２つ
の別々のジャイロスコープに分割する。この分割は相反
分割として知られ、典型的には１００ＭＨｚ代の範囲に
ある。ファラデー素子を非平面型リングレーザ ジャイ
ロスコープのビーム経路に配置することによって、該フ
ァラデー素子に適当な磁界を加えると、各ジャイロの非
相反分割が実現される。少なくとも４つのモード、即
ち、左円偏光反時計回りビーム（Ｌａ）、左円偏光時計
回りビーム（Ｌｃ）、右円偏光時計回りビーム
（Ｒｃ）、及び右円偏光反時計回りビーム（Ｒａ）、が
作られる。時計回りモードと反時計回りモードの間のフ
ァラデー分割は約１ＭＨｚである。少なくとも４つのミ
ラーが環状共振器経路を形成し、該共振器経路は図２の
各利得曲線によって表される２つのジャイロスロープを
含む。ミラーのうちの１つは僅かに透光性を有し、光が
共振器から離脱して信号処理用の光検出機構に入射する
できるようにする。ファラデーバイアスを除去するため
に、信号が電子的に処理される際には、ジャイロスコー
プのスケールファクタは慣用のリングレーザ ジャイロ
スコープの２倍になる。ファラデー素子を使用する非平
面幾何学形状のマルチオシレータ リングレーザ ジャ
イロスコープは、光ビーム経路の部分を占める能動媒質
を形成するためにガス放電ポンプを用いて現在製造され
る。
【０００５】マルチオシレータ リングレーザ ジャイ
ロスコープは、光学的にバイアスされた（ファラデーセ
ルによって）２つの信号を発生する。一方の信号周波数
はファラデー周波数＋角速度周波数の１／２；他方はフ
ァラデー周波数−角速度周波数の１／２である。ジャイ
ロスコープは、これら２つの信号の位相（積分された周
波数）を出力する。それらの位相の差は回転角の増分を
表す。しかしながら、出力信号は、ジャイロスコープの
位相で２πだけ離れた離散的レベル（即ち、干渉縞）で
量子化される。
ロスコープは、光学的にバイアスされた（ファラデーセ
ルによって）２つの信号を発生する。一方の信号周波数
はファラデー周波数＋角速度周波数の１／２；他方はフ
ァラデー周波数−角速度周波数の１／２である。ジャイ
ロスコープは、これら２つの信号の位相（積分された周
波数）を出力する。それらの位相の差は回転角の増分を
表す。しかしながら、出力信号は、ジャイロスコープの
位相で２πだけ離れた離散的レベル（即ち、干渉縞）で
量子化される。
【０００６】マルチオシレータからの２つの出力信号
は、同種偏光逆方向伝搬する光学信号ビームをヘテロダ
イン処理することによって発生する。このような信号は
ヘテロダイン信号と称せられる。１つ又はそれ以上のヘ
テロダイン信号が左円偏光ジャイロスコープについて作
られ、１つ又はそれ以上のヘテロダイン信号が右円偏光
ジャイロスコープについて作られる。これは光学的偏光
子か又は他の信号処理機構を用いて行われる。ヘテロダ
イン信号は強度縞を表す。
は、同種偏光逆方向伝搬する光学信号ビームをヘテロダ
イン処理することによって発生する。このような信号は
ヘテロダイン信号と称せられる。１つ又はそれ以上のヘ
テロダイン信号が左円偏光ジャイロスコープについて作
られ、１つ又はそれ以上のヘテロダイン信号が右円偏光
ジャイロスコープについて作られる。これは光学的偏光
子か又は他の信号処理機構を用いて行われる。ヘテロダ
イン信号は強度縞を表す。
【０００７】光学的信号縞がヘテロダイン信号によって
発生し、一対の光電センサによって検出される。縞が計
数され、そのディジタル計数値が、マルチオシレータ
リングレーザ ジャイロスコープで感知される角度増分
の測定量となる。
発生し、一対の光電センサによって検出される。縞が計
数され、そのディジタル計数値が、マルチオシレータ
リングレーザ ジャイロスコープで感知される角度増分
の測定量となる。
【０００８】縞のディジタル角度測定量の増分は、リン
グレーザ センサのスケールファクターによって決まる
が、それれらは典型的には１パルスにつき１乃至２弧秒
の桁である。
グレーザ センサのスケールファクターによって決まる
が、それれらは典型的には１パルスにつき１乃至２弧秒
の桁である。
【０００９】真の角度とパルスによって表示される角度
との間の差が誤差であり、量子化誤差又は量子化雑音と
称せられる。リングレーザ ジャイロスコープ自体は非
常に正確な角度を測定できるが、角速度検出及び検出信
号を処理する電子機器による制約が存在する。
との間の差が誤差であり、量子化誤差又は量子化雑音と
称せられる。リングレーザ ジャイロスコープ自体は非
常に正確な角度を測定できるが、角速度検出及び検出信
号を処理する電子機器による制約が存在する。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】通常、１乃至２弧秒の
分解能が航法目的には適当である。しかし、照準及び追
跡分野における多数の新用途では、一層向上した分解能
を必要とする。これらの用途でのマルチオシレータ リ
ングレーザ ジャイロスコープは、０．０１或いは０．
００１弧秒さえ達する超高分解能出力を必要とする。例
えば、地上又は宇宙設置の観測所又は望遠鏡の位置決め
のように、一層高い角度分解能を用いて照準又は追跡す
ることが望ましい多数のこのような用途がある。分解能
を微細化するための（特に技術的現状のディジタル技術
による）技術が幾つか存在する。このような技術はサン
プル値データシステムに依存し、エイリアシング誤差を
生じ易い（用語「エイリアシング」は周期関数信号の重
複が存在することを表現するために用いられる。エイリ
アシングは、連続又は離散的周期関数のディジタルサン
プリングに関連する性質である。エイリアシングの主要
な影響の一つは、サンプリング速度の整倍数だけ周波数
が異なる２つの周期信号を識別できないことである。こ
の意味で、エイリアシングが存在すると、サンプル値デ
ータは累積偽信号又は誇張された情報を含むことにな
る。ディジタルフィルターを作動させる場合には、エイ
リアシングが実質上低減されるか又は消去されなければ
ならない。）
分解能が航法目的には適当である。しかし、照準及び追
跡分野における多数の新用途では、一層向上した分解能
を必要とする。これらの用途でのマルチオシレータ リ
ングレーザ ジャイロスコープは、０．０１或いは０．
００１弧秒さえ達する超高分解能出力を必要とする。例
えば、地上又は宇宙設置の観測所又は望遠鏡の位置決め
のように、一層高い角度分解能を用いて照準又は追跡す
ることが望ましい多数のこのような用途がある。分解能
を微細化するための（特に技術的現状のディジタル技術
による）技術が幾つか存在する。このような技術はサン
プル値データシステムに依存し、エイリアシング誤差を
生じ易い（用語「エイリアシング」は周期関数信号の重
複が存在することを表現するために用いられる。エイリ
アシングは、連続又は離散的周期関数のディジタルサン
プリングに関連する性質である。エイリアシングの主要
な影響の一つは、サンプリング速度の整倍数だけ周波数
が異なる２つの周期信号を識別できないことである。こ
の意味で、エイリアシングが存在すると、サンプル値デ
ータは累積偽信号又は誇張された情報を含むことにな
る。ディジタルフィルターを作動させる場合には、エイ
リアシングが実質上低減されるか又は消去されなければ
ならない。）
【００１１】以前から、リングレーザ ジャイロスコー
プ（平面型２モード ディザ形式ジャイロスコープ）の
分解能を向上させる試みは行われていた。米国特許第
４，５３３，２５０号明細書（１９８５年８月６日出
願、発明者カラハン（Ｃａｌｌａｇｈａｎ）等）には、
「環状角速度センサのための読出し装置（ＲＥＡＤＯＵ
Ｔ ＡＰＰＲＡＴＵＳ ＦＯＲ ＲＩＮＧ ＡＮＧＵＬ
ＡＲ ＲＡＴＥ ＳＥＮＳＯＲ）」が開示されている。
前記特許明細書は、パルスの時間間隔を測定して特定の
時刻における角度を内挿によって決定するための技術を
開示している。この解決方法は過度の雑音に起因する問
題を生ずる可能性をもつ。米国特許第４，７９１，４６
０号（１９８８年１２月１３日出願、発明者バーグスト
ローク（Ｂｅｒｇｓｔｒｏｍ）等、及び発明の名称「環
状角速度センサのための読出し（ＲＥＡＤＯＵＴ ＦＯ
Ｒ ＲＩＮＧ ＡＮＧＵＬＡＲ ＲＡＴＥ ＳＥＮＳＯ
Ｒ）」は、アナログヘテロダイン波形の加重和を用いて
別の移相波形を発生し、それによって１サイクルにつき
一層多くのゼロ交差を与え、従って一層高い分解能を提
供する機構を開示している。この解決方法もまた雑音問
題を生じ、しかも比較的正確な加重係数に依存してい
る。
プ（平面型２モード ディザ形式ジャイロスコープ）の
分解能を向上させる試みは行われていた。米国特許第
４，５３３，２５０号明細書（１９８５年８月６日出
願、発明者カラハン（Ｃａｌｌａｇｈａｎ）等）には、
「環状角速度センサのための読出し装置（ＲＥＡＤＯＵ
Ｔ ＡＰＰＲＡＴＵＳ ＦＯＲ ＲＩＮＧ ＡＮＧＵＬ
ＡＲ ＲＡＴＥ ＳＥＮＳＯＲ）」が開示されている。
前記特許明細書は、パルスの時間間隔を測定して特定の
時刻における角度を内挿によって決定するための技術を
開示している。この解決方法は過度の雑音に起因する問
題を生ずる可能性をもつ。米国特許第４，７９１，４６
０号（１９８８年１２月１３日出願、発明者バーグスト
ローク（Ｂｅｒｇｓｔｒｏｍ）等、及び発明の名称「環
状角速度センサのための読出し（ＲＥＡＤＯＵＴ ＦＯ
Ｒ ＲＩＮＧ ＡＮＧＵＬＡＲ ＲＡＴＥ ＳＥＮＳＯ
Ｒ）」は、アナログヘテロダイン波形の加重和を用いて
別の移相波形を発生し、それによって１サイクルにつき
一層多くのゼロ交差を与え、従って一層高い分解能を提
供する機構を開示している。この解決方法もまた雑音問
題を生じ、しかも比較的正確な加重係数に依存してい
る。
【００１２】エンコーダー及びジャイロスコープの出力
分解能を向上させるために、他の技術も過去に提案され
たことがある。これらの技術は、アナログヘテロダイン
電圧を読み取るためのＡ／Ｄ変換器、又はヘテロダイン
信号の高調波を作り出すための乗算器を用いな内挿法を
含む。しかし、これらの技術は良好な雑音抑制能力を持
たず、検出器及び電子回路構成要素の利得、位相、及び
オフセットの変動に敏感である。
分解能を向上させるために、他の技術も過去に提案され
たことがある。これらの技術は、アナログヘテロダイン
電圧を読み取るためのＡ／Ｄ変換器、又はヘテロダイン
信号の高調波を作り出すための乗算器を用いな内挿法を
含む。しかし、これらの技術は良好な雑音抑制能力を持
たず、検出器及び電子回路構成要素の利得、位相、及び
オフセットの変動に敏感である。
【００１３】非常に細密な角度分解能が要求される用途
に向けて、リングレーザ ジャイロスコープの読出し問
題を回避する数種の方法が研究された。比較的精密でか
つ正確に弧秒の何分の一かの端数まで測定できるような
高分解能のリングレーザ ジャイロスコープが求められ
ているのである。
に向けて、リングレーザ ジャイロスコープの読出し問
題を回避する数種の方法が研究された。比較的精密でか
つ正確に弧秒の何分の一かの端数まで測定できるような
高分解能のリングレーザ ジャイロスコープが求められ
ているのである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】本明細書では、周波数に
関係する感度を低減し、エイリアシングを回避して、デ
ィジタル分解能を向上する新規のシステムを開示する。
本発明の高分解能システムはサンプル値データのディジ
タル処理に依存する。本発明は、多数のサンプルを平均
化し、それを使用して出力分解能を向上できる高速フィ
ルターの使用を教示する。このようなフィルターは、ジ
ャイロスコープのランダムウォークの高速評価を可能に
するためにソフトウェアで使用されていた。高速フィル
タリング機構はエイリアシング問題を惹起する。このよ
うなエイリアシングを回避するためには、ジャイロスコ
ープのファラデー周波数に対して特定な関係にあるサン
プリング周波数を選ぶことができる。しかし、これはフ
ァラデー周波数の変動に関して比較的厳密な制限を課す
ることになる。雑音又は速度の存在下において、エイリ
アシング問題に対する一層良い解決方法は量子化雑音を
ランダム化することである。本明細書の発明は更に１ス
テップのフィルタリング過程を含む。ハードウェア／ソ
フトフェア機械化によって、ジャイロスコープデータの
高速の（２ＭＨｚを超える）サンプリング及びフィルタ
リングが可能になり、それによって実質的な時間遅れを
伴わないで極めて効果的な分解能向上が得られる。前記
高速フィルタリング技術は多数のサンプルを平均化し、
従って良好な誤差抑制能力を有する。機械化は本来ディ
ジタル的であるから、利得、移相、及びオフセットが顕
著な誤差の原因になることはない。ファラアデーバイア
スは周期的な量子化雑音を発生する。量子化誤差の性質
（即ち、のこぎり波）からして、バイアス周波数の全高
調波が存在する。これらの振幅が僅か１／Ｎに減衰する
ことは明らかである。従って、高速フィルターが何等の
減衰も与えない低周波数帯に紛れ込む強い高調波が確実
に存在しない高速サンプリング周波数を選定するように
留意しなければならない。
関係する感度を低減し、エイリアシングを回避して、デ
ィジタル分解能を向上する新規のシステムを開示する。
本発明の高分解能システムはサンプル値データのディジ
タル処理に依存する。本発明は、多数のサンプルを平均
化し、それを使用して出力分解能を向上できる高速フィ
ルターの使用を教示する。このようなフィルターは、ジ
ャイロスコープのランダムウォークの高速評価を可能に
するためにソフトウェアで使用されていた。高速フィル
タリング機構はエイリアシング問題を惹起する。このよ
うなエイリアシングを回避するためには、ジャイロスコ
ープのファラデー周波数に対して特定な関係にあるサン
プリング周波数を選ぶことができる。しかし、これはフ
ァラデー周波数の変動に関して比較的厳密な制限を課す
ることになる。雑音又は速度の存在下において、エイリ
アシング問題に対する一層良い解決方法は量子化雑音を
ランダム化することである。本明細書の発明は更に１ス
テップのフィルタリング過程を含む。ハードウェア／ソ
フトフェア機械化によって、ジャイロスコープデータの
高速の（２ＭＨｚを超える）サンプリング及びフィルタ
リングが可能になり、それによって実質的な時間遅れを
伴わないで極めて効果的な分解能向上が得られる。前記
高速フィルタリング技術は多数のサンプルを平均化し、
従って良好な誤差抑制能力を有する。機械化は本来ディ
ジタル的であるから、利得、移相、及びオフセットが顕
著な誤差の原因になることはない。ファラアデーバイア
スは周期的な量子化雑音を発生する。量子化誤差の性質
（即ち、のこぎり波）からして、バイアス周波数の全高
調波が存在する。これらの振幅が僅か１／Ｎに減衰する
ことは明らかである。従って、高速フィルターが何等の
減衰も与えない低周波数帯に紛れ込む強い高調波が確実
に存在しない高速サンプリング周波数を選定するように
留意しなければならない。
【００１５】本発明の分解能向上手段は、任意のファラ
デーバイアス周波数と共に作動させる一般的な適用可能
性を有する分解能向上技術の発達に焦点を置く。この目
標を支えるために、実質的にエイリアシング効果を消去
するサンプリング周波数チャープ技術が開発されてい
る。チャープは、短時間の周波数変調は可能であるが長
時間の周波数安定性を維持する位相ロックループに基づ
く。従って、ファラデー周波数の変動（又は変化）が予
期される場合、しかも／又は適当な周波数選定が不可能
な場合には、チャープドサンプリング クロックが使用
できる。
デーバイアス周波数と共に作動させる一般的な適用可能
性を有する分解能向上技術の発達に焦点を置く。この目
標を支えるために、実質的にエイリアシング効果を消去
するサンプリング周波数チャープ技術が開発されてい
る。チャープは、短時間の周波数変調は可能であるが長
時間の周波数安定性を維持する位相ロックループに基づ
く。従って、ファラデー周波数の変動（又は変化）が予
期される場合、しかも／又は適当な周波数選定が不可能
な場合には、チャープドサンプリング クロックが使用
できる。
【００１６】分解能を向上しかつエイリアシングを回避
するために、本発明の装置は、ディジタルサンプリング
に関して高速フィルター及びチャープドサンプリング周
波数を使用する。従って、本発明の特徴は、リングレー
ザの角速度センサからの出力信号の分解能を向上するこ
とである。更に詳しくは、本発明の特徴は、マルチオシ
レータ リングレーザ ジャイロスコープからの出力信
号の分解能を向上することである。また、本発明の特徴
は、このような角速度センサからの出力信号を発生する
サンプル値データシステムにおけるエイリアシングを回
避することである。
するために、本発明の装置は、ディジタルサンプリング
に関して高速フィルター及びチャープドサンプリング周
波数を使用する。従って、本発明の特徴は、リングレー
ザの角速度センサからの出力信号の分解能を向上するこ
とである。更に詳しくは、本発明の特徴は、マルチオシ
レータ リングレーザ ジャイロスコープからの出力信
号の分解能を向上することである。また、本発明の特徴
は、このような角速度センサからの出力信号を発生する
サンプル値データシステムにおけるエイリアシングを回
避することである。
【００１７】本発明のその他の目的は、添付の図面を参
照して次の説明を理解すれば明らかになろう。
照して次の説明を理解すれば明らかになろう。
【００１８】
【実施例】マルチオシレータ ジャイロスコープ装置１
０の平面図を図１に示す。非常に良好な寸法安定性を有
する水晶ブロックのようなレーザブロック１１が用いら
れる。ブロック内部においてミラー１２、１４、１６、
及び１８の間の閉じた光路（図示せず）内をコンジット
が延びている。リングレーザ内部で対向伝搬する光ビー
ムが幾分透明なミラー１８を介してヘテロダインセンサ
２０に抽出され、該センサが本発明によって処理される
光学信号を発生する。
０の平面図を図１に示す。非常に良好な寸法安定性を有
する水晶ブロックのようなレーザブロック１１が用いら
れる。ブロック内部においてミラー１２、１４、１６、
及び１８の間の閉じた光路（図示せず）内をコンジット
が延びている。リングレーザ内部で対向伝搬する光ビー
ムが幾分透明なミラー１８を介してヘテロダインセンサ
２０に抽出され、該センサが本発明によって処理される
光学信号を発生する。
【００１９】リングレーザ ジャイロウコープは、増分
角度（Δθ′Ｓ）を出力する角速度積分器である。リン
グレーザ ジャイロスコープは、増分角度の代表値であ
るディジタル計数値を出力する。検出機構が光検出機構
を横断して通過する干渉縞の数を計数する。これによっ
て、ジャイロスコープの出力（ディジタル計数値）が量
子化される。一見したところ、このデータの量子化はリ
ングレーザ ジャイロスコープの出力の角度分解能を限
定するように映る。これらの増分はジャイロスコープの
スケースファクターによって定まり、典型的には１パル
スにつき１乃至２弧秒の桁（１８ｃｍのマルチオシレー
タ リングレーザ ジャイロスコープで１．５弧秒）で
ある。しかし、この有限な分解能が原因となって、ジャ
イロスコープの角度量子化雑音が発生する。その上、光
学的には、マルチオシレータ リングレーザ ジャイロ
スコープは角速度積分器であり、かつそれ自体は、本質
的に無限な分解能に合わせて角度変化を追跡する。従っ
て、得られる量子化は読出し機構の限界である。
角度（Δθ′Ｓ）を出力する角速度積分器である。リン
グレーザ ジャイロスコープは、増分角度の代表値であ
るディジタル計数値を出力する。検出機構が光検出機構
を横断して通過する干渉縞の数を計数する。これによっ
て、ジャイロスコープの出力（ディジタル計数値）が量
子化される。一見したところ、このデータの量子化はリ
ングレーザ ジャイロスコープの出力の角度分解能を限
定するように映る。これらの増分はジャイロスコープの
スケースファクターによって定まり、典型的には１パル
スにつき１乃至２弧秒の桁（１８ｃｍのマルチオシレー
タ リングレーザ ジャイロスコープで１．５弧秒）で
ある。しかし、この有限な分解能が原因となって、ジャ
イロスコープの角度量子化雑音が発生する。その上、光
学的には、マルチオシレータ リングレーザ ジャイロ
スコープは角速度積分器であり、かつそれ自体は、本質
的に無限な分解能に合わせて角度変化を追跡する。従っ
て、得られる量子化は読出し機構の限界である。
【００２０】マルチオシレータ リングレーザ ジャイ
ロスコープは全回転角を累積する。しかし、先述のよう
に、リングレーザ ジャイロスコープの読出し機構は一
般にヘテロダイン検出器出力の量子化手段及び増分角度
を得るために一定時間間隔における遷移（ｔｒａｎｓｉ
ｔｉｏｎｓ）を計数する手段から構成されるから、この
量子化過程はジャイロスコープのスケールファクターに
依存する量子化階段（ｑａｎｔｉｚａｔｉｏｎ ｓｔｅ
ｐ）に通ずる。この量子化の結果として、絶対角分解能
は限定される。しかし、ジャイロスコープ内部では正確
な回転角が保持されているから、絶対角度は＋／−０．
５量子化量（ｑａｎｎｔａ）の範囲内で常に正確である
ことに注目すべきである。ジャイロスコープ読出し過程
の妥当なモデルを図３に示す。角速度はジャイロスコー
プへの入力であり、ここではジャイロスコープは角速度
積分器２６である。次いで測定角θの出力が予め定めら
れた速度ＦＳで標本化され（サンプル抽出及び量子化器
３０で）、更に２８（１−Ｚ-1）で表示される遅延変換
関数によって、ジャイロスコープ及びヘテロダイン検出
システム２２の出力がΔθとなるように、電気光学的に
量子化された測定信号が処理される。
ロスコープは全回転角を累積する。しかし、先述のよう
に、リングレーザ ジャイロスコープの読出し機構は一
般にヘテロダイン検出器出力の量子化手段及び増分角度
を得るために一定時間間隔における遷移（ｔｒａｎｓｉ
ｔｉｏｎｓ）を計数する手段から構成されるから、この
量子化過程はジャイロスコープのスケールファクターに
依存する量子化階段（ｑａｎｔｉｚａｔｉｏｎ ｓｔｅ
ｐ）に通ずる。この量子化の結果として、絶対角分解能
は限定される。しかし、ジャイロスコープ内部では正確
な回転角が保持されているから、絶対角度は＋／−０．
５量子化量（ｑａｎｎｔａ）の範囲内で常に正確である
ことに注目すべきである。ジャイロスコープ読出し過程
の妥当なモデルを図３に示す。角速度はジャイロスコー
プへの入力であり、ここではジャイロスコープは角速度
積分器２６である。次いで測定角θの出力が予め定めら
れた速度ＦＳで標本化され（サンプル抽出及び量子化器
３０で）、更に２８（１−Ｚ-1）で表示される遅延変換
関数によって、ジャイロスコープ及びヘテロダイン検出
システム２２の出力がΔθとなるように、電気光学的に
量子化された測定信号が処理される。
【００２１】マルチオシレータ リングレーザ ジャイ
ロスコープ内では、大きなファラデーバイアスが両方の
ジャイロスコープに存在する。角速度が抽出されると、
バイアスは共通モードで真の回転角速度のみを残して消
去される。それでも、両方のジャイロスコープの出力が
再結合前に量子化される限りファラデーバイアスを有利
に使用できる。バイアスの存在によって、多数のディジ
タル遷移がサンプリング期間に確実に起こり、それによ
って高速フィルター平均が行えるようになる。もし、両
方のジャイロスコープ（全てのマルチオシレータは物理
的には同一の光路を使用する２つの別個のジャイロスコ
ープを有する）での量子化量が非相関（これは比較器に
雑音を注入することによって確実に可能となる）である
と仮定すると、再結合においても分解能向上が達成でき
る。
ロスコープ内では、大きなファラデーバイアスが両方の
ジャイロスコープに存在する。角速度が抽出されると、
バイアスは共通モードで真の回転角速度のみを残して消
去される。それでも、両方のジャイロスコープの出力が
再結合前に量子化される限りファラデーバイアスを有利
に使用できる。バイアスの存在によって、多数のディジ
タル遷移がサンプリング期間に確実に起こり、それによ
って高速フィルター平均が行えるようになる。もし、両
方のジャイロスコープ（全てのマルチオシレータは物理
的には同一の光路を使用する２つの別個のジャイロスコ
ープを有する）での量子化量が非相関（これは比較器に
雑音を注入することによって確実に可能となる）である
と仮定すると、再結合においても分解能向上が達成でき
る。
【００２２】増分角度Δθがジャイロスコープシステム
の出力端２２に発生すれば、次いでこの信号が、図３に
示すように高速度Ｎサンプル移動平均フィルター３２及
びその後段のＮサンプル積算器３４から成る高速フィル
ター２４に与えられる。移動平均フィルター３２で濾波
した後、フィルター３２からの出力データが高速積算器
３４用としてデータサンプル抽出器３６で標本化（サン
プリング速度ＦＳで）される。移動平均の期間が積算期
間に等しければ、以下に詳細を説明するハードウェアの
好ましい実施例（図６）に示すように本質的にデータ蓄
積を必要としない効率的な実施が可能となる。高速フィ
ルター２４の出力は分解能を向上した増分角度Δθであ
り、これはＮサンプル積算器３４からの出力信号がサン
プル抽出器３８によってサンプリング速度ＦＳ／Ｎで標
本化された後に得られる。高速フィルター２４は線形で
あるから、更に単純化できる。２つのジャイロスコープ
の出力が別々に量子化され、抽出され、次いで濾波され
る。この場合、単一のフィルターのみが必要であるが、
同じ分解能向上が得られる。しかし、再結合前に量子化
過程を導入することが非常に重要である。もし、２つの
ッジャイロスコープの出力が光学的に結合され、次いで
量子化されると、ジャイロスコープに高角速度が絶えず
存在しない限り高速フィルタリング技術は無効になる。
このような理由から、マルチオシレータ リングレーザ
ジャイロスコープの偏光出力信号の検出のためには電
子技術が使用されることが望ましい。
の出力端２２に発生すれば、次いでこの信号が、図３に
示すように高速度Ｎサンプル移動平均フィルター３２及
びその後段のＮサンプル積算器３４から成る高速フィル
ター２４に与えられる。移動平均フィルター３２で濾波
した後、フィルター３２からの出力データが高速積算器
３４用としてデータサンプル抽出器３６で標本化（サン
プリング速度ＦＳで）される。移動平均の期間が積算期
間に等しければ、以下に詳細を説明するハードウェアの
好ましい実施例（図６）に示すように本質的にデータ蓄
積を必要としない効率的な実施が可能となる。高速フィ
ルター２４の出力は分解能を向上した増分角度Δθであ
り、これはＮサンプル積算器３４からの出力信号がサン
プル抽出器３８によってサンプリング速度ＦＳ／Ｎで標
本化された後に得られる。高速フィルター２４は線形で
あるから、更に単純化できる。２つのジャイロスコープ
の出力が別々に量子化され、抽出され、次いで濾波され
る。この場合、単一のフィルターのみが必要であるが、
同じ分解能向上が得られる。しかし、再結合前に量子化
過程を導入することが非常に重要である。もし、２つの
ッジャイロスコープの出力が光学的に結合され、次いで
量子化されると、ジャイロスコープに高角速度が絶えず
存在しない限り高速フィルタリング技術は無効になる。
このような理由から、マルチオシレータ リングレーザ
ジャイロスコープの偏光出力信号の検出のためには電
子技術が使用されることが望ましい。
【００２３】２つのジャイロスコープの出力の間には、
無用の偏光を完全に除く能力がないこと、及び電子的結
合（接地、容量等）に起因する相互結合がある。ジャイ
ロスコープによっては、これが１乃至２０％に及ぶこと
がある。ジャイロスコープの出力が矩形波整形されて計
数される場合は、これが和及び差の周波数の等価量とな
る。差周波数は低周波数になり、濾波されない。従っ
て、高分解能かつ低雑音のためには偏光間の良好な分離
が必須である。
無用の偏光を完全に除く能力がないこと、及び電子的結
合（接地、容量等）に起因する相互結合がある。ジャイ
ロスコープによっては、これが１乃至２０％に及ぶこと
がある。ジャイロスコープの出力が矩形波整形されて計
数される場合は、これが和及び差の周波数の等価量とな
る。差周波数は低周波数になり、濾波されない。従っ
て、高分解能かつ低雑音のためには偏光間の良好な分離
が必須である。
【００２４】量子化境界を十分な高頻度で横切れば（雑
音、運動、又はファラデーバイアスのような要因によ
り）、データを高速フィルターできる。これによって、
多数の境界横断の平均化が得られ、分解能を向上する。
濾波された出力は図５及び６に示すようにして再構成さ
れる。
音、運動、又はファラデーバイアスのような要因によ
り）、データを高速フィルターできる。これによって、
多数の境界横断の平均化が得られ、分解能を向上する。
濾波された出力は図５及び６に示すようにして再構成さ
れる。
【００２５】システム処理装置又は計算機に適当な高分
解能データを確実に伝送するためには、周波数変調器４
６のようなチャープド サンプリングクロックが長時間
的にはシステムオシレータ６０にロックすることが必須
である。そうしないと、ジャイロスコープのデータに容
認できないジッタ及びドリフトが発生する。これは、図
３に示すように、位相ロックループ（ＰＬＬ）サンプリ
ング周波数変調器４６によって行われる。
解能データを確実に伝送するためには、周波数変調器４
６のようなチャープド サンプリングクロックが長時間
的にはシステムオシレータ６０にロックすることが必須
である。そうしないと、ジャイロスコープのデータに容
認できないジッタ及びドリフトが発生する。これは、図
３に示すように、位相ロックループ（ＰＬＬ）サンプリ
ング周波数変調器４６によって行われる。
【００２６】図３に示すように、ＰＬＬは所望のサンプ
リングクロックのチャープサンプリング信号として、電
圧制御オシレータ５２の出力端においてＦＳ及び１／Ｎ
計数器（ｄｉｖｉｄｅ−ｂｙ−Ｎ ｃｏｕｎｔｅｒ）５
４の出力端においてＦＳ／Ｎを本来発生する。チャープ
の振幅はＰＬＬ積分器５１の時定数によって簡単に設定
される。変調器４６の所要の機能を実行するための回路
の設計及び構成においては、ＰＬＬの電圧制御オシレー
タ（ＶＣＯ）５２の周波数スプレッドを測定するために
スペクトル分析器を使用できる。前記スペクトル７１を
図１２に示す。スペクトル７１は、所望の中心周波数
（ＣＦ）周辺の広範囲に亙って周波数が比較的一様に変
調されることを示す。従って、ＶＯＣ５２はサンプリン
グクロック４６の信号源として使用できる。図３と共
に、図４の信号タイミング図を参照すれば、ＰＬＬがシ
ステムオシレータ６０（ただし、システム高周波サンプ
リング速度ＦＳが１／Ｎ計数器５８を経て処理され、信
号ＷＢ＝ＦＳ／Ｎを発生する）にロックされた後に変調
器クロック４６のクロック信号が発生し、しかもオシレ
ータから出て分割されたクロック信号ＷＢに１／Ｎ計数
器５４の出力信号ＷＡが乗算される（乗算器／相関器５
６で）。（図４を参照すると、信号ＷＡ及びＷＢが互い
に同矩象（ｉｎ ｐｈａｓｅ ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ）
にあることに留意すべきである。）次いで、波形ＷＡと
ＷＢとの積、波形ＷＣ、が積分器５１の入力端に供給さ
れる。図４に示すように、積分器５１の出力波形、
ＷＤ、は三角波である。次に、この信号、波形ＷＤ、は
加算ノード５０で基準電圧ソース４８と加算される。こ
のソース電圧はシステムオシレータ６０の周波数に整合
するように変化する。このようにして、サンプリング周
波数変調器が、エイリアシングの回避を助けるために望
ましいサンプリング速度基準を発生する。
リングクロックのチャープサンプリング信号として、電
圧制御オシレータ５２の出力端においてＦＳ及び１／Ｎ
計数器（ｄｉｖｉｄｅ−ｂｙ−Ｎ ｃｏｕｎｔｅｒ）５
４の出力端においてＦＳ／Ｎを本来発生する。チャープ
の振幅はＰＬＬ積分器５１の時定数によって簡単に設定
される。変調器４６の所要の機能を実行するための回路
の設計及び構成においては、ＰＬＬの電圧制御オシレー
タ（ＶＣＯ）５２の周波数スプレッドを測定するために
スペクトル分析器を使用できる。前記スペクトル７１を
図１２に示す。スペクトル７１は、所望の中心周波数
（ＣＦ）周辺の広範囲に亙って周波数が比較的一様に変
調されることを示す。従って、ＶＯＣ５２はサンプリン
グクロック４６の信号源として使用できる。図３と共
に、図４の信号タイミング図を参照すれば、ＰＬＬがシ
ステムオシレータ６０（ただし、システム高周波サンプ
リング速度ＦＳが１／Ｎ計数器５８を経て処理され、信
号ＷＢ＝ＦＳ／Ｎを発生する）にロックされた後に変調
器クロック４６のクロック信号が発生し、しかもオシレ
ータから出て分割されたクロック信号ＷＢに１／Ｎ計数
器５４の出力信号ＷＡが乗算される（乗算器／相関器５
６で）。（図４を参照すると、信号ＷＡ及びＷＢが互い
に同矩象（ｉｎ ｐｈａｓｅ ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ）
にあることに留意すべきである。）次いで、波形ＷＡと
ＷＢとの積、波形ＷＣ、が積分器５１の入力端に供給さ
れる。図４に示すように、積分器５１の出力波形、
ＷＤ、は三角波である。次に、この信号、波形ＷＤ、は
加算ノード５０で基準電圧ソース４８と加算される。こ
のソース電圧はシステムオシレータ６０の周波数に整合
するように変化する。このようにして、サンプリング周
波数変調器が、エイリアシングの回避を助けるために望
ましいサンプリング速度基準を発生する。
【００２７】図１１に示すように、高速フィルター２４
の通過帯域はサンプリング周波数ＦＳの各倍数毎に正確
に再現される。図１０の高調波（例えば、１−１０）
は、マルチオシレータ リングレーザ ジャイロスコー
プのファラデーバイアスの量子化の結果である。従っ
て、もしファラデー周波数の高調波が通過帯域９１（Ｆ
Ｓ、２ＦＳ、３ＦＳ、又は４ＦＳ）の一つにあれば、量
子化雑音のエイリアシングが発生する（図１１参照のこ
と）。高速フィルター通過帯域９０内のデータのみであ
ることが望ましい。
の通過帯域はサンプリング周波数ＦＳの各倍数毎に正確
に再現される。図１０の高調波（例えば、１−１０）
は、マルチオシレータ リングレーザ ジャイロスコー
プのファラデーバイアスの量子化の結果である。従っ
て、もしファラデー周波数の高調波が通過帯域９１（Ｆ
Ｓ、２ＦＳ、３ＦＳ、又は４ＦＳ）の一つにあれば、量
子化雑音のエイリアシングが発生する（図１１参照のこ
と）。高速フィルター通過帯域９０内のデータのみであ
ることが望ましい。
【００２８】低周波数に紛れ込む低次の高調波がないよ
うにサンプリング周波数を選定することによって、これ
を回避することができる。高次の高調波（即ち、１１次
及びそれ以上）が含まれる場合は、エイリアシングは重
大な問題とはならない。
うにサンプリング周波数を選定することによって、これ
を回避することができる。高次の高調波（即ち、１１次
及びそれ以上）が含まれる場合は、エイリアシングは重
大な問題とはならない。
【００２９】この選定サンプリング周波数方法は、異な
るファラデーバイアスのジャイロスコープを使用する
か、或いはファラデー周波数がドリフトする（例えば、
温度に伴って）と、分解能向上度が低減するという問題
を提起する。
るファラデーバイアスのジャイロスコープを使用する
か、或いはファラデー周波数がドリフトする（例えば、
温度に伴って）と、分解能向上度が低減するという問題
を提起する。
【００３０】エイリアシングの影響を確認するために、
エイリアシング条件を含むシュミレーションを行った。
エイリアシングが実効（ＲＭＳ）雑音レベルを増大し、
データに非常に大きな周期的信号をもたらすことが認め
られた。上述のエイリアシング現象は角度雑音に関して
性能低下を生じ得る。図３のチャープ周波数変調器４６
は、エイリアシングに関連する問題を回避するのに有用
である。変調器４６の使用は、ファラデー周波数の値に
影響されない分解能向上技術を提供する。サンプリング
周波数を予め定めた範囲に亙って連続的に「チャープす
る」（即ち、変動させる）ことによって、離散的高調波
のエイリアシングが効果的に防止できる。シミュレーシ
ョン研究によれば、平均値の周辺で三角波的に（波形Ｗ
Ｄのように）＋／−２％変動するサンプリング周波数を
用いることによって、エイリアシングの影響は実質的に
減少するか又は事実上消去されることが分かった。図３
の周波数変調技術を用いれば、ＲＭＳ誤差（平均２乗誤
差の平方根）が減少し、エイリアシングが存在する場合
に通常認められる大きな離散的な周波数が全て消去され
ることが分かった。
エイリアシング条件を含むシュミレーションを行った。
エイリアシングが実効（ＲＭＳ）雑音レベルを増大し、
データに非常に大きな周期的信号をもたらすことが認め
られた。上述のエイリアシング現象は角度雑音に関して
性能低下を生じ得る。図３のチャープ周波数変調器４６
は、エイリアシングに関連する問題を回避するのに有用
である。変調器４６の使用は、ファラデー周波数の値に
影響されない分解能向上技術を提供する。サンプリング
周波数を予め定めた範囲に亙って連続的に「チャープす
る」（即ち、変動させる）ことによって、離散的高調波
のエイリアシングが効果的に防止できる。シミュレーシ
ョン研究によれば、平均値の周辺で三角波的に（波形Ｗ
Ｄのように）＋／−２％変動するサンプリング周波数を
用いることによって、エイリアシングの影響は実質的に
減少するか又は事実上消去されることが分かった。図３
の周波数変調技術を用いれば、ＲＭＳ誤差（平均２乗誤
差の平方根）が減少し、エイリアシングが存在する場合
に通常認められる大きな離散的な周波数が全て消去され
ることが分かった。
【００３１】図３のクロックチャープ回路機構４６の効
果を評価するために、発明者等はその設計を試験した。
ジャイロスコープの出力（即ち、ファラデー周波数＋角
速度の１／２及びファラデー周波数−角速度の１／２）
に相当するように２基の精密周波数合成器を使用した。
これによって、発明者等はファラデー周波数を量子化エ
イリアシングが活発に作用する帯域に同調することがで
きた。固定サンプリングクロックについて多数のこのよ
うな試験を実施した後、チャープド サンプリングクロ
ックについてもこれらの試験を再度実施した。得られた
結果を図１３及び１４に示す。図１３はサンプリングク
ロックをチャープする前の高分解能信号ＮＣが理解し難
いことを示しているが、これに対して、図１４では同じ
パラメーターがチャープ即ち周波数変調されたクロック
４６によって順調に処理される（信号ＣＥＲを発生し
て）ことを示す。図から分かるように、変調器４６はデ
ータ雑音特性を大幅に改善する。雑音のＲＭＳは大きさ
で一桁ほど減少し、エイリアシングから発生する非常に
強い周期的信号が消去されている。図１３及び１４は、
「ＣＥＲ」を含む周期的高調波信号及び「ＮＣ」を含ま
ないチャープ変調器４６の使用結果を示す。
果を評価するために、発明者等はその設計を試験した。
ジャイロスコープの出力（即ち、ファラデー周波数＋角
速度の１／２及びファラデー周波数−角速度の１／２）
に相当するように２基の精密周波数合成器を使用した。
これによって、発明者等はファラデー周波数を量子化エ
イリアシングが活発に作用する帯域に同調することがで
きた。固定サンプリングクロックについて多数のこのよ
うな試験を実施した後、チャープド サンプリングクロ
ックについてもこれらの試験を再度実施した。得られた
結果を図１３及び１４に示す。図１３はサンプリングク
ロックをチャープする前の高分解能信号ＮＣが理解し難
いことを示しているが、これに対して、図１４では同じ
パラメーターがチャープ即ち周波数変調されたクロック
４６によって順調に処理される（信号ＣＥＲを発生し
て）ことを示す。図から分かるように、変調器４６はデ
ータ雑音特性を大幅に改善する。雑音のＲＭＳは大きさ
で一桁ほど減少し、エイリアシングから発生する非常に
強い周期的信号が消去されている。図１３及び１４は、
「ＣＥＲ」を含む周期的高調波信号及び「ＮＣ」を含ま
ないチャープ変調器４６の使用結果を示す。
【００３２】図５及び６を参照すれば、ジャイロスコー
プの出力信号の特性（即ち、振幅及びオフセット）にあ
まり影響されないで純粋にディジタルハードウェアを用
いて高速フィルター２４が実現でき、しかも、微量の雑
音の存在下にあっては一層良好に実際に作動する。高速
フィルター（図３の２４のような）はデータを標本化す
るために使用される。移動平均フィルター（又は特殊な
「有限インパルス応答フィルター（Ｆｉｎｉｔｅ Ｉｍ
ｐｕｌｓｅ Ｒｅｓｐｏｎｓｅ Ｆｉｌｔｅｒ）」）の
作動については、以前に本出願の譲受人と同一の譲受人
であって、１９８７年１月６日出願、米国特許第４，６
３４，２８３号、発明の名称「高速フィルターによるレ
ーザジャイロ試験データの量子化誤差を減少するための
方法及び装置（ＭＥＴＨＯＤ ＡＮＤ ＡＰＰＡＲＡＴ
ＵＳ ＦＯＲ ＲＥＤＵＣＩＮＧ ＱＵＡＮＴＩＺＡＴ
ＩＯＮ ＥＲＲＯＲ ＩＮ ＬＡＳＥＲ ＧＹＲＯ Ｔ
ＥＳＴ ＤＡＴＡ ＴＨＲＯＵＧＨ ＨＩＧＨ ＳＰＥ
ＥＤ ＦＩＬＴＥＲＩＮＧ）」に（本発明の発明目的と
は異なる速度で異なる目的のために）開示されたことが
ある。もし十分に（即ち、ハードウェアで）高速で実行
されれば、フィルターは極小時間遅れ及び広帯域幅を提
供する。図５の別の実施例では、高速フィルターがフィ
ルター積算器８５とＮサンプル積算器８７とから構成さ
れる。図３の変調器回路４６から供給される高速クロッ
ク信号ＦＳがハードウェア構成品８５及び８７を駆動す
る。１／Ｎ計数器６９が低周波サンプル抽出信号（ＮＳ
／Ｎ）（図３に示すような）をＮサンプル積算器８７、
ラッチ６７、及び最終的な高分解能測定用のサンプル抽
出器７７に供給するために使用される。この代替実施例
のハードウェアは、ジャイロスコープのヘテロダイン検
出器からのアップ（Ｕ）及びダウン（Ｄ）計数値を加算
ノード７３に供給し、＋１、０、又は−１の形のパルス
（Ｐ）の流れをサンプル抽出速度ＦＳで供給する。パル
ス（Ｐ）はフィルター積算器８５及びメモリー９７へ送
られ、該メモリーでは標本化パルス（Ｐ）の現在値が長
さＮの円形バッファー１０１のアドレス指示器９９によ
って規定された位置にロードされる。そして、Ｐの現在
値からＮ番目の古いＰの値が減算されて（加算ノード７
５で）フィルター積算器８５へ供給される。この代替実
施例ではメモリー９７及びそのバッファー１０１に多量
のデータを蓄積する必要があることが理解されよう。累
積器８５によって作られる出力信号は移動平均フィルタ
ーであり、信号がＮサンプル累積器８７を経て処理され
るから、図１４に示すように、サンプル抽出器７７の出
力は分解能を向上した信号をもたらす。
プの出力信号の特性（即ち、振幅及びオフセット）にあ
まり影響されないで純粋にディジタルハードウェアを用
いて高速フィルター２４が実現でき、しかも、微量の雑
音の存在下にあっては一層良好に実際に作動する。高速
フィルター（図３の２４のような）はデータを標本化す
るために使用される。移動平均フィルター（又は特殊な
「有限インパルス応答フィルター（Ｆｉｎｉｔｅ Ｉｍ
ｐｕｌｓｅ Ｒｅｓｐｏｎｓｅ Ｆｉｌｔｅｒ）」）の
作動については、以前に本出願の譲受人と同一の譲受人
であって、１９８７年１月６日出願、米国特許第４，６
３４，２８３号、発明の名称「高速フィルターによるレ
ーザジャイロ試験データの量子化誤差を減少するための
方法及び装置（ＭＥＴＨＯＤ ＡＮＤ ＡＰＰＡＲＡＴ
ＵＳ ＦＯＲ ＲＥＤＵＣＩＮＧ ＱＵＡＮＴＩＺＡＴ
ＩＯＮ ＥＲＲＯＲ ＩＮ ＬＡＳＥＲ ＧＹＲＯ Ｔ
ＥＳＴ ＤＡＴＡ ＴＨＲＯＵＧＨ ＨＩＧＨ ＳＰＥ
ＥＤ ＦＩＬＴＥＲＩＮＧ）」に（本発明の発明目的と
は異なる速度で異なる目的のために）開示されたことが
ある。もし十分に（即ち、ハードウェアで）高速で実行
されれば、フィルターは極小時間遅れ及び広帯域幅を提
供する。図５の別の実施例では、高速フィルターがフィ
ルター積算器８５とＮサンプル積算器８７とから構成さ
れる。図３の変調器回路４６から供給される高速クロッ
ク信号ＦＳがハードウェア構成品８５及び８７を駆動す
る。１／Ｎ計数器６９が低周波サンプル抽出信号（ＮＳ
／Ｎ）（図３に示すような）をＮサンプル積算器８７、
ラッチ６７、及び最終的な高分解能測定用のサンプル抽
出器７７に供給するために使用される。この代替実施例
のハードウェアは、ジャイロスコープのヘテロダイン検
出器からのアップ（Ｕ）及びダウン（Ｄ）計数値を加算
ノード７３に供給し、＋１、０、又は−１の形のパルス
（Ｐ）の流れをサンプル抽出速度ＦＳで供給する。パル
ス（Ｐ）はフィルター積算器８５及びメモリー９７へ送
られ、該メモリーでは標本化パルス（Ｐ）の現在値が長
さＮの円形バッファー１０１のアドレス指示器９９によ
って規定された位置にロードされる。そして、Ｐの現在
値からＮ番目の古いＰの値が減算されて（加算ノード７
５で）フィルター積算器８５へ供給される。この代替実
施例ではメモリー９７及びそのバッファー１０１に多量
のデータを蓄積する必要があることが理解されよう。累
積器８５によって作られる出力信号は移動平均フィルタ
ーであり、信号がＮサンプル累積器８７を経て処理され
るから、図１４に示すように、サンプル抽出器７７の出
力は分解能を向上した信号をもたらす。
【００３３】この機械化は多量のデータ蓄積を通常必要
とするが、この蓄積の必要性を解消する技術が開発され
ている。この技術を図６に示す。高速フィルターは高速
計数器７０（これは既にあらゆるリングレーザ ジャイ
ロスコープ システムにある）及びレジスター７４付き
の高速加算器７２を用いて簡単に実現できる。計数器７
０が、エッジ検出器６６及び６８によって計数器７０に
供給されるジャイロスコープのパルス（Ｕ及びＤ）積算
する。デッジ検出器６６及び６８は、関連するディジタ
イザーの状態が変化するたびにパルスを供給する。これ
が、実効的には、量子化過程となる。（ヘテロダイン検
出器、Ａ及びＢ、は左及び右円偏光ジャイロスコープに
対してそれぞれ感度を有する。これらはヘット信号（ｈ
ｅｔ ｓｉｇｎａｌｓ）６１及び６３をディジタイザー
６２及び６４に供給する。次いで、ディジタイザー６２
及び６４はエッジ検出器にディジタル状態のヘテロダイ
ン信号を供給する。反復パターンを無くし及び２つのデ
ィジタイザー間の相関を避けるために微量の雑音をディ
ジタイザーに注入するのが得策である。）通常は、故意
に雑音を注入する必要は無く、固有の電子的雑音で十分
である。次に計数器７０の内容が加算器７２によってレ
ジスター７４に加算される。低速（ＦＳ／Ｎ）で、計数
器７０及びレジスター７４の内容はラッチされ（ラッチ
７６Ａ及び７８Ａに）、クリアされる。ラッチされた値
はラッチ７６Ａ及び７８から供給される。同時に、シス
テム計算機は、サンプル抽出器７６Ｂ及び７８Ｂを介し
て７６Ａ及び７８Ａのラッチされた値を読み取って、そ
れらを結合して、加算器８８を通って濾波された出力を
形成するように指令を受ける。高速フィルターのハード
ウェア部分はゲートアレイ内に完全に組み込める。ソフ
トウェア部分は極小デューティサイクルのみを必要とす
る。高速フィルターに対応する方程式は次のようにな
る。
とするが、この蓄積の必要性を解消する技術が開発され
ている。この技術を図６に示す。高速フィルターは高速
計数器７０（これは既にあらゆるリングレーザ ジャイ
ロスコープ システムにある）及びレジスター７４付き
の高速加算器７２を用いて簡単に実現できる。計数器７
０が、エッジ検出器６６及び６８によって計数器７０に
供給されるジャイロスコープのパルス（Ｕ及びＤ）積算
する。デッジ検出器６６及び６８は、関連するディジタ
イザーの状態が変化するたびにパルスを供給する。これ
が、実効的には、量子化過程となる。（ヘテロダイン検
出器、Ａ及びＢ、は左及び右円偏光ジャイロスコープに
対してそれぞれ感度を有する。これらはヘット信号（ｈ
ｅｔ ｓｉｇｎａｌｓ）６１及び６３をディジタイザー
６２及び６４に供給する。次いで、ディジタイザー６２
及び６４はエッジ検出器にディジタル状態のヘテロダイ
ン信号を供給する。反復パターンを無くし及び２つのデ
ィジタイザー間の相関を避けるために微量の雑音をディ
ジタイザーに注入するのが得策である。）通常は、故意
に雑音を注入する必要は無く、固有の電子的雑音で十分
である。次に計数器７０の内容が加算器７２によってレ
ジスター７４に加算される。低速（ＦＳ／Ｎ）で、計数
器７０及びレジスター７４の内容はラッチされ（ラッチ
７６Ａ及び７８Ａに）、クリアされる。ラッチされた値
はラッチ７６Ａ及び７８から供給される。同時に、シス
テム計算機は、サンプル抽出器７６Ｂ及び７８Ｂを介し
て７６Ａ及び７８Ａのラッチされた値を読み取って、そ
れらを結合して、加算器８８を通って濾波された出力を
形成するように指令を受ける。高速フィルターのハード
ウェア部分はゲートアレイ内に完全に組み込める。ソフ
トウェア部分は極小デューティサイクルのみを必要とす
る。高速フィルターに対応する方程式は次のようにな
る。
【００３４】 ループ ハードウェア： Ｉ＝１乃至Ｎに対して Ｓ＝Ｓ＋入力 （ブロック ７０） Ａ＝Ａ＋Ｓ （ブロック ７２） 次のＩに対して Ｓ１ ＝Ｓ （ブロック ７８） Ａ１ ＝Ａ （ブロック ７６） Ｓ ＝０ Ａ ＝０ ソフトウェア： 出力 ＝（Ａ１−Ａ1 old）＋Ｎ＊Ｓ1 old （ブロック ８６，９２，８８） Ａ1 old ＝ Ａ１ （ブロック ８２） Ｓ1 old ＝ Ｓ１ （ブロック ８４） ループ終了
【００３５】図６の好ましい実施例において、量子化雑
音パワーは上述の場合には、Ｎに及ぶ係数ほど減少し、
Ｎの平方根に及ぶ効果的な分解能向上をもたらす。１／
Ｎ計数器８０は低速サンプル抽出速度（ＦＳ／Ｎ）を図
６に示すハードウェアシステムに供給する。マイクロプ
ロセッサーは高速フィルター（計数器７０、レジスター
７４、及びラッチ７６Ａ及び７８Ａ）から所要の標本化
計数値（Ｓ）及び積算計数値（Ａ）を提供され、加算器
８８の出力端で高分解能増分出力角Δθを導出できる。
積算計数値Ａは１サイクル遅延（８２）し、遅延したＡ
信号及び新たなＡ信号が結合して（加算ノード８６で）
デルタＡ信号を形成し、これが加算ノード８８に供給さ
れる。この積算されたＡ（デルタ）信号がノード８８で
標本化計数値Ｓ（遅延Ｚ変換器８４によって１サイクル
遅延している）と結合され、更に利得Ｎ（９２）を乗算
される。高速フィルターを効果的にするためには、平均
化時間内に多量の量子化境界交差（ｑａｎｔｉｚａｔｉ
ｏｎ ｂｏｕｎｄａｒｙ ｃｒｏｓｓｉｎｇｓ）が起こ
る必要がある。ディザ形式リングレーザ ジャイロスコ
ープでは、これらはディザ運動によって与えられる。マ
ルチオシレータ リングレーザ ジャイロスコープで
は、ファラデーバイアスによって境界交差を発生させる
ことができる。しかしながら、ファラデーバイアスは比
較的一定であるから、エイリアシングを招く量子化誤差
パターンが存在し得る。これが低周波量子化誤差（これ
は濾波できない）発生する可能性を含む。これを回避す
るために、一二の方法を用いることができる。好ましい
解決策は超高速計数器及び加算器（１０ＭＨｚ或いはそ
れ以上）を含めることである。高速サンプル抽出によっ
て、量子化誤差中に存在する高次の高調波のみを確実に
拾うことができる。高調波の強さは高次では低減し、そ
れらのエイリアシングによる誤差は重大な影響をもたら
さない。回路４６によって作られる「サンプル抽出周波
数変調器」の付加がエイリアシングを減少させて、１０
ＭＨｚより低い周波数を許容可能にする。
音パワーは上述の場合には、Ｎに及ぶ係数ほど減少し、
Ｎの平方根に及ぶ効果的な分解能向上をもたらす。１／
Ｎ計数器８０は低速サンプル抽出速度（ＦＳ／Ｎ）を図
６に示すハードウェアシステムに供給する。マイクロプ
ロセッサーは高速フィルター（計数器７０、レジスター
７４、及びラッチ７６Ａ及び７８Ａ）から所要の標本化
計数値（Ｓ）及び積算計数値（Ａ）を提供され、加算器
８８の出力端で高分解能増分出力角Δθを導出できる。
積算計数値Ａは１サイクル遅延（８２）し、遅延したＡ
信号及び新たなＡ信号が結合して（加算ノード８６で）
デルタＡ信号を形成し、これが加算ノード８８に供給さ
れる。この積算されたＡ（デルタ）信号がノード８８で
標本化計数値Ｓ（遅延Ｚ変換器８４によって１サイクル
遅延している）と結合され、更に利得Ｎ（９２）を乗算
される。高速フィルターを効果的にするためには、平均
化時間内に多量の量子化境界交差（ｑａｎｔｉｚａｔｉ
ｏｎ ｂｏｕｎｄａｒｙ ｃｒｏｓｓｉｎｇｓ）が起こ
る必要がある。ディザ形式リングレーザ ジャイロスコ
ープでは、これらはディザ運動によって与えられる。マ
ルチオシレータ リングレーザ ジャイロスコープで
は、ファラデーバイアスによって境界交差を発生させる
ことができる。しかしながら、ファラデーバイアスは比
較的一定であるから、エイリアシングを招く量子化誤差
パターンが存在し得る。これが低周波量子化誤差（これ
は濾波できない）発生する可能性を含む。これを回避す
るために、一二の方法を用いることができる。好ましい
解決策は超高速計数器及び加算器（１０ＭＨｚ或いはそ
れ以上）を含めることである。高速サンプル抽出によっ
て、量子化誤差中に存在する高次の高調波のみを確実に
拾うことができる。高調波の強さは高次では低減し、そ
れらのエイリアシングによる誤差は重大な影響をもたら
さない。回路４６によって作られる「サンプル抽出周波
数変調器」の付加がエイリアシングを減少させて、１０
ＭＨｚより低い周波数を許容可能にする。
【００３６】第２の解決策は、サンプル抽出及び加算周
波数を低次の高調波のエイリアシングを回避するように
ディジタル的に選ぶレート乗算器の使用に関連する。レ
ート乗算器自体は反復パターンを有しているから、サン
プリングクロックにランダム又は疑似ランダム状のジッ
タをかけることも必要である。現在では妥当な経費で超
高速論理回路が使用可能になるから、第１の解決策のほ
うが簡単であるので好ましいと考えられる。リングレー
ザ ジャイロスコープ及びマルチオシレータ リングレ
ーザ ジャイロスコープに関して、上述のように分解能
向上技術を開示したが、この技術は、平均化時間に亙っ
て多数の境界交差発現を伴う量子化出力を有するエンコ
ーダ及びその他の装置にも適用できる。
波数を低次の高調波のエイリアシングを回避するように
ディジタル的に選ぶレート乗算器の使用に関連する。レ
ート乗算器自体は反復パターンを有しているから、サン
プリングクロックにランダム又は疑似ランダム状のジッ
タをかけることも必要である。現在では妥当な経費で超
高速論理回路が使用可能になるから、第１の解決策のほ
うが簡単であるので好ましいと考えられる。リングレー
ザ ジャイロスコープ及びマルチオシレータ リングレ
ーザ ジャイロスコープに関して、上述のように分解能
向上技術を開示したが、この技術は、平均化時間に亙っ
て多数の境界交差発現を伴う量子化出力を有するエンコ
ーダ及びその他の装置にも適用できる。
【００３７】図７には２つのジャイロスコープ出力のう
ちの一方の挙動の模様を示す。分解能向上の目的は量子
化境界間にある角度の検出を可能にすることである。 時間領域において、高速フィルターは、典型的な計算機
サンプル抽出間隔（例えば、５００ｍｓｅｃ）間にファ
ラデーバイアスが多数の計数値を発生するという事実を
利用する。このような多数の計数値の平均化によって、
計数の端数部分の分解が可能になる。
ちの一方の挙動の模様を示す。分解能向上の目的は量子
化境界間にある角度の検出を可能にすることである。 時間領域において、高速フィルターは、典型的な計算機
サンプル抽出間隔（例えば、５００ｍｓｅｃ）間にファ
ラデーバイアスが多数の計数値を発生するという事実を
利用する。このような多数の計数値の平均化によって、
計数の端数部分の分解が可能になる。
【００３８】高速フィルターは周波数領域でも解析でき
る。図８に示す量子化誤差波形はフーリエ成分に分解で
きる。（時間領域では、図７は、ジャイロスコープの回
転角の真値４０対量子化測定されたジャイロスコープ出
力４２を示す。図８は、時間に対する量子化誤差の大き
さ４４を示す。）図１０に示すような順に減少する振幅
を有するファラデー周波数及びその全高調波が表されて
いる。しかし、ファラデー周波数は典型的には非常に高
い（１ＭＨｚ乃至数ＭＨｚの桁）、かつ、所要のデータ
帯域幅は比較的狭い（１ｋＨｚの桁）から、図１０及び
１１に示すように非常に効果的な量子化フィルターを実
施することができる。先に教示したディジタル移動平均
フィルターがこの機能を遂行できる。このフィルターは
ＦＩＲ（有限インパルス応答）の変種から成り、入力が
（最終的には）出力されるという望ましい特性を有す。
高速で作動させると、このフィルターは有用な周波数で
は広い通過帯域を保ちながら、高周波の実質的な減衰を
生ずる。典型的な周波数応答曲線を図９に示す。図９が
５０００サンプルに対する周波数応答（９４、出力周波
数２０００Ｈｚ）が１０００サンプルに対する応答（９
６、出力周波数１００００Ｈｚ）よりも狭いことを示し
ていることに注目すべきである。
る。図８に示す量子化誤差波形はフーリエ成分に分解で
きる。（時間領域では、図７は、ジャイロスコープの回
転角の真値４０対量子化測定されたジャイロスコープ出
力４２を示す。図８は、時間に対する量子化誤差の大き
さ４４を示す。）図１０に示すような順に減少する振幅
を有するファラデー周波数及びその全高調波が表されて
いる。しかし、ファラデー周波数は典型的には非常に高
い（１ＭＨｚ乃至数ＭＨｚの桁）、かつ、所要のデータ
帯域幅は比較的狭い（１ｋＨｚの桁）から、図１０及び
１１に示すように非常に効果的な量子化フィルターを実
施することができる。先に教示したディジタル移動平均
フィルターがこの機能を遂行できる。このフィルターは
ＦＩＲ（有限インパルス応答）の変種から成り、入力が
（最終的には）出力されるという望ましい特性を有す。
高速で作動させると、このフィルターは有用な周波数で
は広い通過帯域を保ちながら、高周波の実質的な減衰を
生ずる。典型的な周波数応答曲線を図９に示す。図９が
５０００サンプルに対する周波数応答（９４、出力周波
数２０００Ｈｚ）が１０００サンプルに対する応答（９
６、出力周波数１００００Ｈｚ）よりも狭いことを示し
ていることに注目すべきである。
【００３９】チャープド サンプリングクロックを用い
て処理した高分解能データのスペクトルは標準量子化雑
音プロフィールを示している。 リングレーザ ジャイロスコープの分解能向上に関する
数種の選択的実施例を説明してきた。マルチオシレータ
リングレーザ ジャイロスコープに関して最も簡単で
最も信頼できるものは、高速フィルターである。
て処理した高分解能データのスペクトルは標準量子化雑
音プロフィールを示している。 リングレーザ ジャイロスコープの分解能向上に関する
数種の選択的実施例を説明してきた。マルチオシレータ
リングレーザ ジャイロスコープに関して最も簡単で
最も信頼できるものは、高速フィルターである。
【００４０】好ましい実施例を示したが、前記の好まし
い実施例に類似の機能を果たしたり、或いはここで説明
した本発明の基本的教示及び原理を実施して、適当な代
替策を得るような本発明の実施例に等価な代替案が考え
られること明らかである。例えば、図３の変調器４６に
類似のランダム出力特性を示す任意の周波数変調器は、
ディジタル的に濾波されるデータのエイリアシングの影
響に対処するに必要な信号源として作動させて有用であ
る。また、本発明の適用方法を主としてマルチオシレー
タ リングレーザ ジャイロスコープとの関係において
説明したが、２モード平面型ディザ形式リングレーザ
ジャイロスコープ及び全ての他の形式のリングレーザ角
速度センサをも本発明の特許請求の範囲内に包括すると
考える。従って、実質的に同等の機能又は構造を有する
代替実施は前記の本発明の特許請求の範囲内に包含され
ると考えるべきである。
い実施例に類似の機能を果たしたり、或いはここで説明
した本発明の基本的教示及び原理を実施して、適当な代
替策を得るような本発明の実施例に等価な代替案が考え
られること明らかである。例えば、図３の変調器４６に
類似のランダム出力特性を示す任意の周波数変調器は、
ディジタル的に濾波されるデータのエイリアシングの影
響に対処するに必要な信号源として作動させて有用であ
る。また、本発明の適用方法を主としてマルチオシレー
タ リングレーザ ジャイロスコープとの関係において
説明したが、２モード平面型ディザ形式リングレーザ
ジャイロスコープ及び全ての他の形式のリングレーザ角
速度センサをも本発明の特許請求の範囲内に包括すると
考える。従って、実質的に同等の機能又は構造を有する
代替実施は前記の本発明の特許請求の範囲内に包含され
ると考えるべきである。
【図１】マルチオシレータとして使用できるリングレー
ザ ジャイロスコープの平面図である。
ザ ジャイロスコープの平面図である。
【図２】リングレーザ ジャイロスコープの多重モード
共振周波数の相反及びファラデー分割の両方を示す、先
行技術の非平面型マルチオシレータ リングレーザ ジ
ャイロスコープの利得曲線の模式図である。
共振周波数の相反及びファラデー分割の両方を示す、先
行技術の非平面型マルチオシレータ リングレーザ ジ
ャイロスコープの利得曲線の模式図である。
【図３】マルチオシレータ センサ電子機器の好ましい
実施例、高速フィルター、及びチャープ制御器のシステ
ムブロック図である。
実施例、高速フィルター、及びチャープ制御器のシステ
ムブロック図である。
【図４】図３で識別された信号の出力波形を示すディジ
タルタイミング図である。
タルタイミング図である。
【図５】図３のシステムを実現するハードウェアを図解
する本発明の別の実施例を示す概略図である。
する本発明の別の実施例を示す概略図である。
【図６】本発明の好ましい実施例において図３のシステ
ムを実現するハードウェアを示す概略図である。
ムを実現するハードウェアを示す概略図である。
【図７】本発明のリングレーザ ジャイロスコープの真
の回転角度に対する量子化測定の累積値を比較して示す
グラフである。
の回転角度に対する量子化測定の累積値を比較して示す
グラフである。
【図８】本発明のリングレーザ ジャイロスコープにお
ける量子化に起因する誤差を示すグラフである。
ける量子化に起因する誤差を示すグラフである。
【図９】選定サンプル高速フルターを使用する高分解能
フィルターの周波数応答を表すグラフである。
フィルターの周波数応答を表すグラフである。
【図１０】図８の量子化誤差を示す周波数スペクトル図
である。
である。
【図１１】高速フィルター通過帯及びエイリアシングに
よる像を示す模式図である。
よる像を示す模式図である。
【図１２】図３の周波数変調器４６の作動効果を示すた
めに、収集したデータの一例を描いた「スペクトル成分
対周波数」のグラフである。
めに、収集したデータの一例を描いた「スペクトル成分
対周波数」のグラフである。
【図１３】前におけるエイリアシングを伴う高分解能ジ
ャイロスコープ出力を（パルスをサンプルに対して描い
て）表したグラフである。
ャイロスコープ出力を（パルスをサンプルに対して描い
て）表したグラフである。
【図１４】図１３と同様であるが、サンプル抽出周波数
のチャープを行った高分解能ジャイロスコープ出力を
（パルスをサンプルに対して描いて）表したグラフであ
る。
のチャープを行った高分解能ジャイロスコープ出力を
（パルスをサンプルに対して描いて）表したグラフであ
る。
２２ ジャイロスコープ及びヘテロダイン検出システム ２４ 高速フィルター ２６ 角速度積分器 ３０ サンプル抽出器 ３２ Ｎサンプル移動平均フィルター ３４ Ｎサンプル積算器 ３６ データサンプル抽出器 ４６ チャープ変調器 ５１ 位相ロックループ ５２ 電圧制御オシレータ ５４、５８ １／Ｎ計数器 ５６ 乗算／相関器 ６０ システムオシレータ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ダニエル エイ．タザーテス アメリカ合衆国91307 カリフォルニア州 ウエスト ヒルズ ギルモアー ストリー ト 23939 (72)発明者 ロバート イー．エブナー アメリカ合衆国91356 カリフォルニア州 ターザナ アリバ ドライブ 4628 (72)発明者 ネール ジェイ．ダーレン ドイツ連邦共和国7800 フレイブルグ イ ム グラサー 11 (72)発明者 ニビアー ケイ．ダッタ アメリカ合衆国91307 カリフォルニア州 ウエスト ヒルズ ウッドグレイド レー ン 24632
Claims (19)
- 【請求項１】 リングレーザ ジャイロスコープ及び慣
性誘導システムにおいて、検出される角速度情報の分解
能を向上するためのシステムであって、 光学的に積分された角速度を表す角度増分をディジタル
計数の形態で検出するための手段であって、前記リング
レーザ ジャイロスコープの出力光学系の位置に配置さ
れる前記検出手段、 角度増分情報を積算されたディジタル計数値としてサン
プル抽出及び積算するためのディジタルフィルター手
段、及び 予め定められた速度で積算されたディジタル計数値をサ
ンプル抽出するための周波数変調サンプル抽出手段であ
って、前記ディジタルフィルター手段における前記積算
されたディジタル計数値へのエイリアシングの影響を最
小化するサンプル抽出手段、 を含んで成り、 それによって角度及び角速度情報の分解能の向上を達成
することを特徴とするシステム。 - 【請求項２】 請求項１記載のリングレーザ ジャイロ
スコープから検出される角速度情報の分解能を向上する
ためのシステムであって、 角度増分情報をサンプル抽出及び積算するための前記デ
ィジタルフィルター手段が、 リセット可能なディジタル平均化フィルター、及び Ｎサンプル積算器を更に含むシステム。 - 【請求項３】 請求項２記載のリングレーザ ジャイロ
スコープから検出される角速度情報の分解能を向上する
ためのシステムであって、 前記リセット可能なディジタル平均化フィルターがＮサ
ンプル移動平均フィルターであるシステム。 - 【請求項４】 請求項１記載のリングレーザ ジャイロ
スコープから検出される角速度情報の分解能を向上する
ためのシステムであって、 予め定められた速度で積算されたディジタル計数値をサ
ンプル抽出するための前記周波数変調サンプル抽出手段
が、 システムオシレータ及び基準電圧発生器、及び 前記電圧発生器及び前記システムオシレータによって制
御される電圧制御オシレータを更に含み、 前記電圧制御オシレータが予め定められたサンプル抽出
速度を確立するために使用される信号を発生し、それに
よって、前記システムが、ジャイロスコープのサンプル
値のディジタルフィルタリング間に生ずるエイリアシン
グの影響に対処するシステム。 - 【請求項５】 請求項２記載のリングレーザ ジャイロ
スコープから検出される角速度情報の分解能を向上する
ためのシステムであって、 角度増分情報をサンプル抽出及び積算するための前記デ
ィジタルフィルター手段が、 フィルター積算器及びＮサンプル積算器、 予め定められた長さのサーキュラー バッファーを有す
るメモリー、 角速度情報をサンプル抽出及び量子化し、かつその種の
情報を前記メモリーからの出力信号と結合させて第１の
加算された信号を発生するための手段、及び 前記第１の加算された信号を前記フィルター積算器に供
給し、移動平均信号である前記フィルター積算器からの
第２の信号を前記Ｎサンプル積算器へ伝達する手段を更
に含み、 それによって、移動平均信号が積算されて、更なる処理
のためにマイクロコンピュターに高分解能信号を供給す
るシステム。 - 【請求項６】 請求項２記載のリングレーザ ジャイロ
スコープから検出される角速度情報の分解能を向上する
ためのシステムであって、 角度増分情報をサンプル抽出及び積算するための前記デ
ィジタルフィルター手段が、 前記リングレーザ ジャイロスコープからの角度回転を
表す光学的出力信号を量子化サンプル値として量子化及
び計数するための手段、 予め定められたサンプル抽出速度で前記サンプル抽出さ
れた量子化サンプル値を加算及び積算するための手段で
あって、前記加算及び積算手段が向上したサンプル値デ
ータ信号を供給する加算及び積算手段、及び 前記向上したサンプル値信号を前記量子化サンプル値と
結合させるための手段であって、それによって分解能を
向上した信号を得て、高分解能の増分角度変化を測定で
きる手段を更に含むシステム。 - 【請求項７】 請求項１記載のリングレーザ ジャイロ
スコープから検出される角速度情報の分解能を向上する
ためのシステムであって、 前記リングレーザ ジャイロスコープが多数の作動光学
モードを有し、少なくとも一対の前記モードがファラデ
ー周波数スプレッドによって相互に分離されるマルチオ
シレータ リングレーザ ジャイロスコープであって、 前記マルチオシレータ リングレーザ ジャイロスコー
プが光学的に積分された角速度データを前記角度増分検
出手段に供給し、前記角度増分検出手段において前記積
分された角速度データが定角増分を表すパルス群に量子
化され、前記量子化されたパルス群が一組の基本周波数
及び付随する高調波周波数の組によって特徴付けられる
真の積分された角速度データから偏移し、前記高調波周
波数が前記マルチオシレータ リングレーザ ジャイロ
スコープのファラデー周波数によって定められるスペク
トルによって前記基本周波数から及び相互に分離されジ
ャイロスコープであり、 前記ディジタルフィルター サンプル抽出手段が移動平
均フィルターのウィンドーを定め、前記移動平均フィル
ターのウィンドーが量子化された角速度データを前記基
本周波数の組から故意に濾波するために予め定められた
サンプル抽出ウィンドーであり、前記予め定められたサ
ンプル抽出ウィンドーが前記高調波周波数の基準周波数
へのエイリアシングに起因する前記高調波周波数による
本質的に無用の量子化角速度データをも濾波するディジ
タルフィルターサンプル抽出手段であり、 予め定められた速度で積算されたディジタル計数値をサ
ンプル抽出するための前記周波数変調サンプル抽出手段
が、更に動作上で前記ディジタルフィルターサンプル抽
出手段と関連し、前記周波数変調サンプル抽出手段が前
記マルチオシレータ リングレーザ ジャイロスコープ
からサンプル抽出されたデータの前記高調波に起因する
前記無用の量子化角速度データの影響を減少させた後
に、サンプル値積算ディジタル計数値が内挿されて、角
度測定の増分値を決定するサンプル抽出手段であり、 それによって、増分角度測定の高分解能がリングレーザ
ジャイロスコープ システムによって達成されるシス
テム。 - 【請求項８】 請求項７記載のリングレーザ ジャイロ
スコープから検出される角速度情報の分解能を向上する
ためのシステムであって、 前記ディジタルフィルターサンプル抽出手段が、 アップ／ダウン計数器、 高速加算器、 前記加算器と動作上関連する積算器、及び 前記計数器からサンプル抽出されたデータ出力を前記加
算器及び積算器からの積算されたデータの出力と結合さ
せるように構成され、それによって前記移動平均フィル
ターのウィンドーが定められるマイクロプロッサー を更に含むシステム。 - 【請求項９】 請求項８記載のリングレーザ ジャイロ
スコープから検出される角速度情報の分解能を向上する
ためのシステムにおいて、 予め定められた速度で積算されたディジタル計数値をサ
ンプル抽出するための前記周波数変調サンプル抽出手段
が高周波サンプル抽出速度信号（ＦＳ）を前記アップ／
ダウン計数器及び前記加算器に供給し、かつ 前記周波数変調サンプル抽出手段が低周波サンプル抽出
速度信号（ＦＳ／Ｎ）（ただし、Ｎは予め定められた低
周波サンプル抽出速度を設定するための数である）を前
記アップ／ダウン計数器及び前記積算器をリセットする
ために供給し、 それによって、前記移動平均フィルターのウィンドー
が、エイリアシング及び無用の高調波の影響を測定され
た角度増分から排除するようにデータを濾波し、その結
果内挿によって濾波されたデータから高分解能を特徴と
する角度測定の増分値を決定するシステム。 - 【請求項１０】 請求項９記載のリングレーザ ジャイ
ロスコープから検出される角速度情報の分解能を向上す
るためのシステムであって、 高周波サンプル抽出速度（ＦＳ）が１０ＭＨｚ及びＮ＝
１０００サンプルの値であり、低周波サンプル抽出速度
（ＦＳ／Ｎ）が１０，０００ＫＨｚであるシステム。 - 【請求項１１】 請求項９記載のリングレーザ ジャイ
ロスコープから検出される角速度情報の分解能を向上す
るためのシステムであって、 高周波サンプル抽出速度（ＦＳ）が１０ＭＨｚ及びＮ＝
５０００サンプルの値であり、低周波サンプル抽出速度
（ＦＳ／Ｎ）が２，０００ＫＨｚであるシステム。 - 【請求項１２】 リングレーザ ジャイロスコープ及び
慣性誘導システムにおいて検出される角速度情報の分解
能を向上するための方法であって、 光学的に積分された角速度を表すディジタル計数値の形
態で、前記リングレーザ ジャイロスコープの光路に沿
って配置されたヘテロダイン光学信号検出器からの角度
増分を検出するステップ、及び 角度増分情報をサンプル抽出及び積算し、積算されたデ
ィジタル計数値として前記ディジタル計数値をディジタ
ル的に濾波するステップ、 前記ディジタルフィルター手段においてエイリアシング
の影響を最小化するように周波数変調を用いることによ
って予め定められた速度で前記積算されたディジタル計
数値からサンプル抽出するステップを含んで成り、 それによって、それによって角度及び角速度情報の高分
解能を達成することを特徴とする方法。 - 【請求項１３】 請求項１２記載のリングレーザ ジャ
イロスコープ及び慣性誘導システムにおいて検出される
角速度情報の分解能を向上するための方法であって、 積算されたディジタル計数値として角度増分情報をサン
プル抽出及び積算する前記ディジタル計数値の前記ディ
ジタルフィルタリングが、 予め定められた有限な時間間隔における移動平均フィル
ターによって発生されたディジタルフィルター ウィン
ドーを経て前記積算されたディジタル計数値を濾波する
ステップと、 前記予め定められた有限な時間間隔に亙って前記積算さ
れたディジタル計数値の和を積算し、かつ前記積算され
たディジタル計数値の和の平均値を計算するステップを
含む方法。 - 【請求項１４】 請求項１３記載のリングレーザ ジャ
イロスコープ及び慣性誘導システムにおいて検出される
角速度情報の分解能を向上するための方法であって、 前記ディジタル計数値の前記ディジタルフィルタリング
が 量子化サンプル値データとして前記リングレーザ ジャ
イロスコープから角度回転を表す光学的出力信号を量子
化及びサンプル抽出するステップ、 予め定められたサンプル抽出速度で前記量子化サンプル
値データを加算及び積算して向上したサンプル抽出デー
タ信号を供給するステップ、及び 前記向上したサンプル値データ信号を前記量子化サンプ
ル値データと結合させて、高分解能増分角度変化が測定
される高分解能信号を得るステップ を更に含む方法。 - 【請求項１５】 請求項１２記載のリングレーザ ジャ
イロスコープ及び慣性誘導システムにおいて検出される
角速度情報の分解能を向上するための方法であって、 周波数変調を用いて予め定められた速度で前記積算され
たディジタル計数値をサンプル抽出するステップが、 高周波サンプル抽出速度信号（ＦＳ）で予め定められた
時間に亙って前記ディジタル計数値を計数するステッ
プ、 高周波サンプル抽出速度信号（ＦＳ）で予め定められた
時間に亙って前記計数値を加算及び積算するステップ、 予め定められた低周波変調サンプル抽出速度（ＦＳ／
Ｎ）で前記ディジタル計数値の前記計数ステップを再開
するステップ、 予め定められた低周波変調サンプル抽出速度（ＦＳ／
Ｎ）で加算及び積算されたディジタル計数値をデータプ
ロセッサーへ向けてラッチするステップ、及び 前記データプロセッサーにおいて前記ディジタル計数値
と前記積算されたディジタル計数値とを結合させて、前
記リングレーザ ジャイロスコープ回転の向上した角度
測定を導出するステップ を更に含む方法。 - 【請求項１６】 請求項１５記載のリングレーザ ジャ
イロスコープ及び慣性誘導システムにおいて検出される
角速度情報の分解能を向上するための方法であって、 周波数変調を用いて予め定められた速度で前記積算され
たディジタル計数値をサンプル抽出するステップが、 角度測定に由来するエイリアシング及び無用な高調波の
影響を排除するための前記データのフィルタリングを行
い、濾波されたデータから内挿によって、高分解能を特
徴とする角度測定の変化量を決定するステップ、 を更に含む方法。 - 【請求項１７】 請求項１６記載のリングレーザ ジャ
イロスコープ及び慣性誘導システムにおいて検出される
角速度情報の分解能を向上するための方法であって、 周波数変調を用いて予め定められた速度で前記積算され
たディジタル計数値をサンプル抽出するステップが、 濾波された積算データに及ぼすエイリアシングの影響を
排除するように、前記低周波変調サンプル抽出信号（Ｆ
Ｓ／Ｎ）を発生するために位相ロックループを駆動する
ステップを更に含む方法。 - 【請求項１８】 請求項１７記載のリングレーザ ジャ
イロスコープ及び慣性誘導システムにおいて検出される
角速度情報の分解能を向上するための方法であって、 高周波サンプル抽出速度（ＦＳ）が１０ＭＨｚ及びＮ＝
１０００サンプルの値であり、低周波サンプル抽出速度
（ＦＳ／Ｎ）が１０，０００ＫＨｚである方法。 - 【請求項１９】 請求項１７記載のリングレーザ ジャ
イロスコープ及び慣性誘導システムにおいて検出される
角速度情報の分解能を向上するための方法であって、 高周波サンプル抽出速度（ＦＳ）が１０ＭＨｚ及びＮ＝
５０００サンプルの値であり、低周波サンプル抽出速度
（ＦＳ／Ｎ）が２，０００ＫＨｚである方法。
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| JP2007132941A (ja) * | 2005-11-09 | 2007-05-31 | Honeywell Internatl Inc | 光ファイバ・ジャイロスコープの非同期復調 |
Also Published As
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