JPH087071B2

JPH087071B2 - デジタル信号処理装置

Info

Publication number: JPH087071B2
Application number: JP1200785A
Authority: JP
Inventors: 幸三西川; 秀二園田; 裕久中田
Original assignee: Kubota Corp
Current assignee: Kubota Corp
Priority date: 1989-08-02
Filing date: 1989-08-02
Publication date: 1996-01-29
Anticipated expiration: 2011-01-29
Also published as: JPH0365611A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、信号発生部からのサンプリングデータを高
速フーリエ変換する演算部と、その演算部による演算結
果のうち実数部の正負を判別する判別部とを備えたデジ
タル信号処理装置に関し、例えば、移動車両等に搭載さ
れ回転角速度等を検出する位相変調方式の光ファイバジ
ャイロに用いられるデジタル信号処理装置に関する。

〔従来の技術〕

従来、この種のデジタル信号処理装置は、例えば、位
相変調方式の光ファイバジャイロを信号発生部として、
その信号発生部から光電変換部を介してサンプリングし
たデータから所定の周波数成分を抽出して、角速度演算
等を行う信号処理装置等に用いられていた。

位相変調方式の光ファイバジャイロは、光源と、光源
からの光を左右両回りに伝般させる光路とからなる光学
系と、前記光学系に設けられ所定の周波数で駆動する位
相変調器とで構成してあり、以下の原理に基づき回転角
速度等を演算導出するものである。

すなわち、前記光学系に角速度Ωで回転が加わると、
サグナック（Sagnac）効果により、前記光路を左右両回
りに伝般する光に位相差△θが生ずる。このとき、角速
度Ωと位相差ΔＱの間には、 △θ＝（８πA/λｃ）Ω （１） A:光路の取り囲む面積 C:真空中の光速 λ：真空中の波長なる式が成立つ。

前記位相変調器による変調電圧ｆ（ｔ）をｆ（ｔ）＝2bsinω_mt （２） b:変調度 ω_m:変調角周波数とすると、前記光路を通過する光は、右回りと左回りで
φだけ位相変調の位相がずれる。

φ＝ω_ｍτ＝nlω_m/c＝２πf_mnl/c （３） τ：光の通過時間 l:ファイバ長 n:屈折率 f_m:変調周波数前記光学系の光出力を光電変換部にて電気信号に変換
すると、Ｓ（△θ,t）＝|E₁sin｛ωｔ＋△θ/2 ＋bsin（ω_mt＋φ/2）｝＋E₂sin｛ωｔ−△θ/2 ＋bsin（ω_mt−φ/2）｝|² ＝1/2（E₁ ²＋E₂ ²）＋E₁E₂J₀（2bsin（φ/2））cos△θ （DCレベル信号分）＋2E₁E₂J₁（2bsin（φ/2））sin△θ cosω_mt（基本周波数成分S₁）＋2E₁E₂J₂（2bsin（φ/2））cos△θ cos2ω_mt（第２高調波成分S₂）＋2E₁E₂J₃（2bsin（φ/2））sin△θ cos3ω_mt（第３高調波成分S₃）＋2E₁E₂J₄（2bsin（φ/2））cos△θ cos4ω_mt（第３高調波成分S₄）＋ ……（４）となる。ここでJn（ｎ＝0,1,2・・・）はベッセル関数
である。

（４）式のうち、基本周波数成分S₁及び第２高調波成
分S₂を抽出することにより、△θが求まる。

△θ＝tan^-1［J₂（ξ）/J₁（ξ）・S₁/S₂］（５） ξ＝2bsin（φ/2）（５）式によれば、△θの値は不定となるが、S₁とS₂
の符号を調べることで特定することができる。

そして、第２高調波成分S₂及び第４高調波成分S₄との
比 S₂/S₄＝J₂（ξ）/J₄（ξ）（６）を一定にするようξ＝2bsin（φ/2）を制御することに
より（５）式の定数項Ｊ（ξ）/J₁（ξ）を一定に保持
していた。

つまり、前記光学系からの出力信号のうち基本変調周
波数成分と複数の高次変調周波数成分を抽出し、それら
複数の成分間での振幅比を所定値に収束すべく前記位相
変調器の駆動電圧を制御することにより、温度や圧力等
の環境変化による光ファイバ中の偏波状態の変動等に起
因するスケールファクタの変動を補償していた。

そして、従来のアナログ方式では、前記基本変調周波
数成分と複数の高次変調周波数成分を抽出するために、
前記光電変換部の後段に各周波数成分に対応する複数の
同期検波回路（ロックイン・アンプと称する）を設けて
信号処理装置を構成し、それら同期検波回路の各出力か
ら角速度演算、前記位相変調器の駆動周波数の制御等を
行なっていた。

しかし、上述した回路構成によれば、スケールファク
タの変動を補償するうえで、前記同期検波回路の安定性
がその角速度精度に大きな影響を及ぼすことになる。

つまり、前記同期検波回路では、アナログ信号を取扱
うために、温度特性に基づく出力電圧の変動や経時変化
により補償精度が劣化する虞があり、また、初期にゲイ
ン等の調整工程が複数の同期検波回路に必要とされ、そ
の際の調整誤差が補償精度に大きな影響を及ぼすことに
なるのである。

そこで、本出願人は、前記信号処理装置を、前記光電
変換部の出力信号を直接にデジタル信号に変換するA/D
変換部と、前記A/D変換部の出力信号に基づき前記角速
度演算等を行なうデジタル信号処理装置とから構成する
ことを、先に提案している（特願平１−79107号）。

〔発明が解決しようとする課題〕

上述のデジタル信号処理装置は、信号発生部からのサ
ンプリングデータを高速フーリエ変換し、所定の周波数
成分に対する演算結果のうち実数部の正負を判別するの
に、単に実数部の符号のみにより判別するものであっ
た。

例えば、光ファイバージャイロに加えられた回転方向
を判別する場合には、信号発生部からのサンプリングデ
ータを高速フーリエ変換して、（４）式に示す基本周波
数成分S₁を抽出し、判別部がその実数部のみを判別対象
として正負を判別することにより行っていた。

つまり、演算の結果、実数部が正ならば正転（時計回
り）、負ならば逆転（反時計回り）と判別するのであっ
た。

しかし、0.1〜0.01゜/Sといった微小な回転角速度が
加えられたときには、信号発生部の諸特性、電気的ノイ
ズ、前記演算部での誤差等の影響により、単に演算結果
のうち実数部の符号のみの判別では、正確な判断ができ
ないことがあるという欠点があった。

本発明の目的は上述した従来欠点を解消する点にあ
る。

〔課題を解決するための手段〕

この目的を達成するため、本発明によるデジタル信号
処理装置の特徴構成は、前記判別部を、実数と虚数とに
対応させた正負判別基準データを記憶する記憶手段と、
前記演算結果と前記正負判別基準データとを比較する比
較手段とから構成してあることにある。

〔作用〕

つまり、信号発生部からの出力信号をA/D変換部に直
接にデジタル信号に変換した後、演算部にてそのデジタ
ル信号を高速フーリエ変換し、所定の周波数成分に対応
した演算結果を抽出する。

そして、記憶手段に記憶してある実数と虚数とに対応
させた正負判別基準データと前記演算結果とを比較する
ことによって、前記演算結果における実数値の正負を判
別するのである。

例えば、信号発生部が位相変調方式の光ファイバジャ
イロである場合に、正負判別基準データは以下のように
決定される。つまり、前記光ファイバジャイロを基準系
としてのターンテーブルにセットし、左右に等量の回転
角速度を与えたときのサンプリングデータを高速フーリ
エ変換して、基本周波数成分S₁に対する演算結果をそれ
ぞれ抽出する。次に複素空間におけるそれら２点の演算
結果に対する垂直二等分線を示す方程式を求め正負判別
基準データとして記憶手段に記憶するのである。

その後、実測定系におき、サンプリングしたデータを
高速フーリエ変換し、基本周波数成分S₁に対する演算結
果が前記垂直二等分線の何れの側の領域に属するかによ
り、実測定系における前記演算結果における実数値の正
負を判別するのである。

〔発明の効果〕

従って、本発明によるデジタル信号処理装置によれ
ば、高速フーリエ変換の演算結果のうち実数部の正負の
判別を、信号発生部の諸特性、電気的ノイズ、前記演算
部での誤差等の影響を低減して、極めて正確な判別が可
能となった。

そして、例えば、位相変調方式の光ファイバージャイ
ロに用いた場合には、0.1〜0.01゜/Sといった微小な回
転角速度が加えられたときでも、極めて正確な回転方向
の検出が可能となった。

〔実施例〕

以下に本発明の実施例を図面に基づき説明する。

第１図に示すように、信号発生部（Ａ）としての位相
変調方式の光ファイバジャイロは、レーザダイオードな
どを用いた光源（２）と光源（２）からの光を左右両回
りに伝般させる光路（３）とからなる光学系（１）と、
前記光路（３）の一端に設けられ所定の周波数で駆動す
る位相変調器（６）とで構成してあり、前記信号発生部
（Ａ）からの光出力信号は光電変換部（７）を介して角
速度演算等を行なう信号処理装置（８）に入力される。

前記光路（３）は偏波保存型単一モード光ファイバを
コイル状に巻いてなる光ファイバループで構成され、前
記光源（２）からの光が偏波保存型光カップラ（４），
（４′）と偏光フィルタ（５）を介して導かれる。すな
わち、前記光源（２）と偏波保存型光カップラ（４）
（４′）と偏光フィルタ（５）と光路（３）とで光学系
（１）を構成してある。

前記位相変調器（６）は、前記光路（３）を構成する
光ファイバを前記光路（３）の一端で電歪素子（PZT）
に巻き付けて構成してあり、後述の駆動部（11）からの
信号で前記電歪素子を所定の周波数で駆動することによ
って、光ファイバを伸縮させて前記光路（３）中を伝般
する光の位相を変調する。すなわち、前記光学系（１）
と前記位相変調器（６）とで信号発生部（Ａ）を構成し
てある。

前記光電変換部（７）は、前記光路（３）を左右両回
りに伝般し前記偏波保存型光カップラ（４）から出力さ
れる光信号を電気信号に変換する光電変換部（7a）と光
電変換部（7a）により変換された微小な電気信号を適度
なレベルに増幅する前置増幅器（プリアンプ）（7b）と
で構成してある。

前記信号処理装置（８）は、前記前置増幅器（7b）か
らの出力信号をデジタル信号に変換するA/D変換部
（９）と、A/D変換部（９）からの出力信号に基づき角
速度演算、前記位相変調器（６）へのフィードバック制
御等を実行するデジタル信号処理装置（10）と、前記位
相変調器（６）を駆動する駆動部（11）と、前記A/D変
換部（９）及び前記駆動部（11）夫々に所定の信号を伝
えるタイミング信号発生部12と、前記デジタル信号処理
装置（10）からのフィードバックデータを前記駆動部
（11）に伝えるD/A変換部（13）等で構成してある。

前記A/D変換部（９）は、前記タイミング信号発生部
（12）の基準信号発生部（12a）から出力される周波数f
_rの基準信号を分周器（12b）にて周波数f_sに分周して得
られるサンプリングパルスに同期して前記前置増幅器
（7b）からの出力アナログ信号を取込むサンプルホール
ド回路と、サンプルホールド回路によりサンプルホール
ドされたアナログ信号をデジタル信号に変換するA/D変
換部とで構成してあり、前記光学系（１）からの出力信
号を取込む。

前記デジタル信号処理装置（10）は、前記A/D変換部
（９）からのサンプリングデータを高速フーリエ変換す
る演算部（10a）と、その演算部（10a）による演算結果
のうち実数部の正負を判別する判別部（10b）とからな
り、さらに判別部（10b）は判別基準データを記憶する
記憶手段（10b′）と、前記演算結果と前記判別基準デ
ータとを比較する比較手段（10b″）とから構成してあ
る。

次に、第２図に示すフローチャートに基づき、前記信
号処理装置（８）における光ファイバジャイロに加えら
れた回転方向を判別する処理手順を説明する。

まず、前記A/D変換部（９）を介して前記信号発生部
（Ａ）からの出力信号をサンプリングし〈＃１〉、前記
演算部（10a）においてそれらサンプリングデータに対
する高速フーリエ変換を行う〈＃２〉。

〈＃２〉における演算結果から、基本周波数成分S₁に
対する演算結果を抽出し〈＃３〉、前記記憶手段（10
b″）に記憶された判別基準式に前記演算結果を代入す
る〈＃４〉。

前記判別基準式は、以下の方法により予め求められた
式である。

まず、前記信号発生部（Ａ）および前記信号処理装置
（８）を基準となる系としてのターンテーブルにセット
して、左右に等量の回転角速度で回転させる。

それら両回転時にデータをサンプリングし、前記演算
部（10a）にて高速フーリエ変換を行い、基本周波数成
分S₁に対する演算結果P,Qを抽出する。

第３図に示すように、前記二つの演算結果である複素
数P,Qの実数部と虚数部をＸ−Ｙ座標に対応させて、そ
れら二点間の垂直二等分線を示す方程式（１）を求め
る。

l;y＝ｆ（ｘ）前記垂直二等分線を示す方程式（１）を前記判別基準
式として、前記記憶手段（10b″）に記憶する。

すなわち、〈＃４〉では基本周波数成分S₁に対する演
算結果の実数部と虚数部をＸ−Ｙ座標に対応させて、前
記方程式（１）に代入するのである。

その結果、ｙが正であれば正転（時計回り）と判別
し、ｙが負であれば逆転（反時計回り）と判別する〈＃
５〉。

図において、Ａ点からＤ点は実測定系における演算結
果をプロットしたもので、それぞれＡ点 … 0.5゜/sec. Ｂ点 … 5.0゜/sec. Ｃ点 …−0.5゜/sec. Ｄ点 …−5.0゜/sec. なる回転角速度を示す。

次に、前記基本周波数成分S₁に対する演算結果と、
（４）式における第２高調波成分S₂に対する演算結果と
から、（５）式に示す△θを演算し、回転角速度を導出
する〈＃８〉。

さらに、（６）式に基づき前記位相変調器（６）のフ
ィードバック制御等を行うのである〈＃９〉。

尚、上述の実施例では信号発生部として位相変調方式
の光ファイバジャイロを適用しているが、本発明による
デジタル信号処理装置は、それに限定するものではな
い。

尚、特許請求の範囲の項に図面との対照を便利にする
為に符号を記すが、該記入により本発明は添付図面の構
造に限定されるものではない。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明に係るデジタル信号処理装置の実施例を示
し、第１図はブロック構成図、第２図はフローチャート
であり、第３図は判別基準式のグラフを示す。（Ａ）……信号発生部、（10a）……演算部、（10）…
…デジタル信号処理装置、（10b）……判別部、（10
b′）……比較手段、（10b″）……記憶手段。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】信号発生部（Ａ）からのサンプリングデー
タを高速フーリエ変換する演算部（10a）と、その演算
部（10a）による演算結果のうち実数部の正負を判別す
る判別部（10b）とを備えたデジタル信号処理装置（1
0）であって、前記判別部（10b）を、実数と虚数とに対
応させた正負判別基準データを記憶する記憶手段（10
b″）と、前記演算結果と前記正負判別基準データとを
比較する比較手段（10b′）とから構成してあるデジタ
ル信号処理装置（10）。
【請求項２】前記信号発生部（Ａ）は、（ｉ）光源と光源からの光を左右両回りに伝般させる光
路とからなる光学系（１）と、（ii）前記光学系（１）に設けられ所定の周波数で駆動
する位相変調器（６）とで構成してある位相変調方式の光ファイバジャイロであ
る請求項１記載のデジタル信号処理装置。