JPH09133534A - Optical fiber gyro - Google Patents
Optical fiber gyroInfo
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- JPH09133534A JPH09133534A JP7317392A JP31739295A JPH09133534A JP H09133534 A JPH09133534 A JP H09133534A JP 7317392 A JP7317392 A JP 7317392A JP 31739295 A JP31739295 A JP 31739295A JP H09133534 A JPH09133534 A JP H09133534A
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は光ファイバジャイロ
に関し、特に位相変調方式光ファイバジャイロに関する
ものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an optical fiber gyro, and more particularly to a phase modulation type optical fiber gyro.
【0002】[0002]
【従来の技術】図6は、従来の位相変調方式光ファイバ
ジャイロの構成を示したものであり、光源101、第1
の光カプラ102、偏光子103、第2の光カプラ10
4、センシングループ105を備え、ジャイロ出力を検
出する受光器108、プリアンプ109と信号処理部1
10を備えている。またセンシングループ105の一端
には位相変調器106が設置されている。上記の構成に
よる従来の位相変調方式は、位相変調器106の変調周
波数と信号処理部110のロックインアンプ111で検
出する信号の基本周波数が、いずれも同じωm である点
が特徴である。また別の特徴として、前記位相変調器1
06に圧電素子が使用されている点を上げることができ
る。位相変調方式光ファイバジャイロの出力信号(ジャ
イロ信号)P(t)は次式(1)で表される。 P(t) =K{1+vcos(φs +φe sin ωmt) } (1) ここでKは光源強度パラメータ、vは干渉計効率(0≦
v≦1)、φs は入力回転角速度に比例したサニャック
位相差、φe は位相変調指数、ωm は位相変調角周波数
である。実際の装置ではセンシングループ105を左右
に回る光の伝搬時間差を利用して、位相変調をかけるよ
うにしている。このため、位相変調方式光ファイバジャ
イロにおいて、低コスト化及びサイズの小型化等の目的
でファイバ長を短くするためには、実用的な変調電圧に
対し、変調周波数ωm そのものを高く設定する必要があ
る。2. Description of the Related Art FIG. 6 shows the structure of a conventional phase modulation type optical fiber gyro.
Optical coupler 102, polarizer 103, second optical coupler 10
4. A light receiving device 108 including a sensing loop 105 for detecting a gyro output, a preamplifier 109, and a signal processing unit 1
Equipped with 10. A phase modulator 106 is installed at one end of the sensing loop 105. The conventional phase modulation method with the above configuration is characterized in that the modulation frequency of the phase modulator 106 and the fundamental frequency of the signal detected by the lock-in amplifier 111 of the signal processing unit 110 are both the same ω m . As another feature, the phase modulator 1
The point that the piezoelectric element is used for 06 can be raised. The output signal (gyro signal) P (t) of the phase modulation type optical fiber gyro is expressed by the following equation (1). P (t) = K {1 + vcos (φ s + φ e sin ω m t)} (1) where K is the light source intensity parameter, and v is the interferometer efficiency (0 ≦
v ≦ 1), φ s is a Sagnac phase difference proportional to the input rotation angular velocity, φ e is a phase modulation index, and ω m is a phase modulation angular frequency. In an actual device, phase modulation is performed by utilizing the difference in propagation time of light that rotates in the sensing loop 105 left and right. Therefore, in the phase modulation optical fiber gyro, in order to reduce the fiber length for the purpose of cost reduction and size reduction, it is necessary to set the modulation frequency ω m itself higher than the practical modulation voltage. There is.
【0003】[0003]
【発明が解決しようとする課題】しかし、前記従来技術
では変調周波数と検出信号の周波数が同じであるため、
変調周波数ωm を高く設定すると、信号処理において検
出及び演算速度の要求が厳しくなり、実現が困難になる
という問題があった。また、位相変調器に圧電素子を使
用するため変調周波数をあまり高くすることができない
という構造、特性上の問題があった。このため、変調周
波数ωm を高くすると共に、検出演算の速度については
低速化する方法が必要である。However, since the modulation frequency and the frequency of the detection signal are the same in the above-mentioned prior art,
When the modulation frequency ω m is set high, there is a problem that the detection and calculation speeds in the signal processing become strict, which makes it difficult to realize. Moreover, since a piezoelectric element is used for the phase modulator, there is a problem in structure and characteristics that the modulation frequency cannot be increased so much. Therefore, it is necessary to increase the modulation frequency ω m and decrease the detection calculation speed.
【0004】[0004]
【課題を解決するための手段】本発明は上記課題を解決
するために、物理量に対応した光位相差を持つ干渉光を
発生する手段を備え、該干渉光の光位相差を電気的に調
整する光位相変調器を備え、該干渉光の光位相差を検出
することにより、前記物理量を測定する光ファイバジャ
イロであって、該干渉光を光電変換して得られる電気信
号である干渉信号をサンプリングし、演算により前記物
理量を算出する光ファイバジャイロにおいて、前記光位
相変調器に第1、及び第2の変調信号を供給し、且つそ
れら2つの信号の変調角周波数ωm 、ω1 がω1 =n・
ωm +Δω(nは正負の整数;Δω<ω1 、ωm )を満
たすようにされていることを特徴とする光ファイバジャ
イロであり、特に係数nの絶対値を偶数に、中でもn=
2にするようにした光ファイバジャイロであり、また、
前記光位相変調器には電気光学効果を有する導波路材料
を使用するようにした光ファイバジャイロであり、前記
位相変調信号は前記演算を行う信号処理部のクロック信
号に基づき生成するようにした光ファイバジャイロであ
り、さらに、ΔωあるいはΔωを含む数式で与えられる
ビート周波数成分とそれらの高調波成分に基づぎ前記物
理量を算出するようにした光ファイバジャイロであり、
前記ビート周波数成分の検出には、該ビート周波数に同
期し、サンプリング周期を入力基本信号の1周期以上に
伸ばした同期ダウンサンプリング法を用いるようにした
光ファイバジャイロである。In order to solve the above problems, the present invention comprises means for generating interference light having an optical phase difference corresponding to a physical quantity, and electrically adjusting the optical phase difference of the interference light. An optical fiber gyro for measuring the physical quantity by detecting an optical phase difference of the interference light, which is an electric signal obtained by photoelectrically converting the interference light. In an optical fiber gyro for sampling and calculating the physical quantity by calculation, first and second modulation signals are supplied to the optical phase modulator, and the modulation angular frequencies ω m and ω 1 of these two signals are ω 1 = n
An optical fiber gyro characterized by satisfying ω m + Δω (n is a positive / negative integer; Δω <ω 1 , ω m ), and in particular, the absolute value of the coefficient n is set to an even number, in particular n =
It is an optical fiber gyro designed to be 2,
The optical phase modulator is an optical fiber gyro that uses a waveguide material having an electro-optical effect, and the phase modulation signal is an optical fiber gyro that is generated based on a clock signal of a signal processing unit that performs the calculation. A fiber gyro, further an optical fiber gyro configured to calculate the physical quantity based on a beat frequency component given by a mathematical expression including Δω or Δω and their harmonic components,
An optical fiber gyro is used for detecting the beat frequency component, which is synchronized with the beat frequency and uses a synchronous down-sampling method in which a sampling period is extended to one period or more of an input basic signal.
【0005】[0005]
【発明の実施の形態】本発明の光ファイバジャイロで
は、ω1 =n・ωm +Δω(nは正負の整数;Δω<ω
1 、ωm )の関係を満たす2つの変調角周波数ω1 、ω
m を同時に使用することで、ω1 、ωm よりはるかに低
いΔωあるいはΔωを含む数式で与えられるビート周波
数とそれらの高調波成分を検出するだけで、必要な物理
量特に角速度を計測できるようにしている。また、特
に、nの絶対値を偶数、中でも2に選ぶことで、Δω成
分による上記物理量を最適感度で検出できるようにして
いる。加えて、変調信号を信号処理部のクロック信号に
基づき生成し、またビート周波数成分とその高調波成分
を同期ダウンサンプリング法で検出することで、本発明
の位相変調法とディジタル信号処理の組み合わせを容易
にしている。更に光位相変調器に電気光学効果を有する
導波路材料、中でもニオブ酸リチウムを使用することに
より、従来の圧電素子に対し変調の安定性を維持したま
まループ長の短縮に必要な変調周波数の引き上げを容易
にしている。BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION In the optical fiber gyroscope of the present invention, ω 1 = nω m + Δω (n is a positive or negative integer; Δω <ω
1, the two modulation angular frequencies omega 1 satisfying the relation of omega m), omega
By using m at the same time, it becomes possible to measure the required physical quantity, especially the angular velocity, simply by detecting the beat frequencies and their harmonic components, which are given by the formulas that include Δω or Δω that is much lower than ω 1 and ω m. ing. Further, in particular, the absolute value of n is selected to be an even number, especially 2 so that the physical quantity due to the Δω component can be detected with optimum sensitivity. In addition, the modulation signal is generated based on the clock signal of the signal processing unit, and the beat frequency component and its harmonic component are detected by the synchronous downsampling method. Making it easy. Furthermore, by using a waveguide material that has an electro-optical effect for the optical phase modulator, especially lithium niobate, the modulation frequency required for shortening the loop length while maintaining the stability of modulation over conventional piezoelectric elements can be increased. Makes it easy.
【0006】[0006]
【実施例】以下、本発明について図面を用いて詳細に説
明する。図1は、本発明の第1の実施例である位相変調
方式光ファイバジャイロの構成図である。光源101か
らの光ビームは、第1の光カプラ102、偏光子103
を経て伝搬し、第2の光カプラ104に到達し、ここで
分岐してセンシングループ105を左、及び右回りに伝
搬する2つの光ビームとなる。これらの光ビームは、ピ
エゾシリンダ位相変調器106により、位相変調器駆動
回路107の発生する変調信号に応じて光位相を変調さ
れる。ここで、この変調方式がこの発明の核心部であ
る。本発明の位相変調方式光ファイバジャイロでは位相
変調器に対してω1 、ωmの2つの角周波数で特徴づけ
られる変調信号を加えて駆動するようにする。この時、
ジャイロ信号P′(t)は次式(2)で表すことができ
る。 P′(t) =K {1+vcos (φs +φe sin ωmt+φ1 sin ω1t)} (2) ここでφ1 は第2の位相変調指数である。本発明では、
更に条件を加えて次式(3)を満たすようにω1 、ωm
を決定するようにする。 ω1 =n・ωm +Δω (3) (nは正負の整数;0<Δω<ωm 、ω1 ) この時、ΔωあるいはΔωを含む数式で与えられるビー
ト周波数の成分からジャイロ信号成分を検出すること
で、サニャック位相差φs が求められる。これによりω
1 、ωm を高い周波数に維持したまま低いビート周波数
から回転角速度を演算できる。これについて具体的に説
明する。プログラマブルタイマ114により出力され、
周波数がωm 及び式(3)で与えられるω1 なる2つの
位相変調信号は、位相変調器駆動回路107においてた
し合わされ、位相変調器106を駆動する。変調信号は
正弦波と仮定しているが、例えば、もともとの位相変調
信号が矩形波の場合、適当なフィルタ処理によりこれら
を正弦波に近づけてから加えるようにすることができ
る。ここで一例として、式(3)においてn=1の場合
を考えると、式(2)よりΔω、ωm −Δω、2ωm −
Δωの各周波数成分(ビート周波数成分)、Sa 、S
b 、Sc は、 Δω; Sa =2KvJ1(φ1)J1(φe) cosφs (4) ωm −Δω; Sb =2KvJ1(φ1)J2(φe) sinφs (5) ここで、Jはベッセル関数である。 2ωm −Δω; Sc =2KvJ1(φ1)J3(φe) cosφs (6) となる。さて、変調器106により位相を変調された光
は、光カプラ104に至り、再び結合して干渉光とな
る。この干渉光は、光カプラ104から逆方向に進行
し、偏光子103を経て、第1の光カプラ102に戻
る。干渉光は、第1の光カプラ102において分岐し、
その一部がフォトダイオードを用いた光電変換回路10
8に至り、干渉信号として検出される。検出した信号は
プリアンプ109で適当なレベルに増幅され、信号処理
部110は、この干渉信号から必要な周波数成分を抽出
し回転角速度を演算するものである。この第1の例では
ロックインアンプ111ーa、111ーb、111ーc
を用いて同期検波を行う。ロックインアンプ111ー
a、111ーb、111ーcにはプログラマブルタイマ
114から式(4)、(5)、(6)の各周波数と同じ
同期信号を供給して、前述の各周波数成分を検出する。
検出した信号Sa 、Sb 、Sc はA/D変換器112に
おいて、プログラマブルタイマ114から供給される周
波数fs のトリガ信号により、一定周期でデジタル量に
変換される。サンプリングされたデータは演算部113
に取り込まれ角速度を算出するに至る。ここで注目すべ
き点は、従来の位相変調方式で角速度を算出するには変
調周波数の偶数次、奇数次調波成分をそれぞれS2p、S
2p+1として、それぞれは、 S2p=2KvJ2p (φe) cosφs (p=1、2、・・・) (7) S2p+1=2KvJ2p+1 (φe) sinφs (p=0、1、2・・) (8) により与えられた。これにより例えば、 X=S1 /S2 = {J1(φe)/J2(φe)}tanφs (9) Y=S4 /S2 = {J4(φe)/J2(φe)} (10) の関係を用い、変調指数φe の変動補償を考慮した上で
の角速度を算出した。この例では、4次調波成分までの
検出が必要である。勿論、より高次の周波数成分に注目
すれば、それだけ高い周波数成分の検出が必要となる。
これに対して、第1の実施例では、式(4)〜(6)か
ら明らかなように、最も高い周波数成分でも2次調波成
分の検出で十分である。以後、 x=Sb /Sa = {J2(φe)/J1(φe)} tanφs (11) y=Sc /Sa = {J3(φe)/J1(φe)} (12) として、式(9)、(10)と同様に変調指数φe の変
動補償を考慮した上での角速度を算出できる。これによ
り検出速度を従来の半分にでき、また演算部113の処
理速度要求も緩和される。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The present invention will be described in detail below with reference to the drawings. FIG. 1 is a configuration diagram of a phase modulation type optical fiber gyro which is a first embodiment of the present invention. The light beam from the light source 101 includes a first optical coupler 102 and a polarizer 103.
To reach the second optical coupler 104, where they are branched into two light beams that propagate left and right in the sensing loop 105. The optical phases of these light beams are modulated by the piezo cylinder phase modulator 106 according to the modulation signal generated by the phase modulator driving circuit 107. This modulation method is the core of the present invention. In the phase modulation type optical fiber gyro of the present invention, the phase modulator is driven by adding a modulation signal characterized by two angular frequencies of ω 1 and ω m . At this time,
The gyro signal P '(t) can be expressed by the following equation (2). P ′ (t) = K {1 + vcos (φ s + φ e sin ω mt + φ 1 sin ω 1 t)} (2) where φ 1 is the second phase modulation index. In the present invention,
Further conditions are added so that ω 1 and ω m satisfy the following equation (3).
To determine. ω 1 = n · ω m + Δω (3) (n is a positive or negative integer; 0 <Δω <ω m , ω 1 ) At this time, the gyro signal component is detected from the beat frequency component given by the formula including Δω or Δω By doing so, the Sagnac phase difference φ s is obtained. This makes ω
The rotational angular velocity can be calculated from a low beat frequency while maintaining 1 and ω m at high frequencies. This will be described specifically. Output by the programmable timer 114,
Two phase modulation signals of which frequency is ω m and ω 1 given by Expression (3) are added together in the phase modulator driving circuit 107 to drive the phase modulator 106. Although the modulation signal is assumed to be a sine wave, for example, when the original phase modulation signal is a rectangular wave, it is possible to add them after approximating them by a suitable filtering process. Here, as an example, considering the case where n = 1 in the equation (3), Δω, ω m −Δω, 2ω m − is obtained from the equation (2).
Each frequency component of Δω (beat frequency component), S a , S
b and S c are Δω; S a = 2KvJ 1 (φ 1 ) J 1 (φ e ) cos φ s (4) ω m −Δω; S b = 2KvJ 1 (φ 1 ) J 2 (φ e ) sinφ s (5) Here, J is a Bessel function. 2ω m −Δω; S c = 2KvJ 1 (φ 1 ) J 3 (φ e ) cos φ s (6). The light whose phase has been modulated by the modulator 106 reaches the optical coupler 104 and is recombined into interference light. The interference light travels in the opposite direction from the optical coupler 104, passes through the polarizer 103, and returns to the first optical coupler 102. The interference light is branched at the first optical coupler 102,
A photoelectric conversion circuit 10 using a photodiode
8 is detected as an interference signal. The detected signal is amplified to an appropriate level by the preamplifier 109, and the signal processing unit 110 extracts a necessary frequency component from this interference signal and calculates the rotational angular velocity. In this first example, lock-in amplifiers 111-a, 111-b, 111-c
Is used for synchronous detection. The lock-in amplifiers 111-a, 111-b, and 111-c are supplied from the programmable timer 114 with the same synchronizing signals as the frequencies of the expressions (4), (5), and (6), and the above-mentioned frequency components are supplied. To detect.
In the A / D converter 112, the detected signals S a , S b , and S c are converted into a digital amount in a constant cycle by a trigger signal of the frequency f s supplied from the programmable timer 114. The sampled data is the calculation unit 113.
The angular velocity is calculated. The point to be noted here is that even-order and odd-order harmonic components of the modulation frequency are S 2p and S, respectively, in order to calculate the angular velocity by the conventional phase modulation method.
As 2p + 1 , S 2p = 2KvJ 2p (φ e ) cos φ s (p = 1, 2, ...) (7) S 2p + 1 = 2KvJ 2p + 1 (φ e ) sinφ s (p = 0, 1, 2, ...) (8). Thereby, for example, X = S 1 / S 2 = {J 1 (φ e ) / J 2 (φ e )} tan φ s (9) Y = S 4 / S 2 = {J 4 (φ e ) / J 2 Using the relationship of (φ e )} (10), the angular velocity was calculated in consideration of the fluctuation compensation of the modulation index φ e . In this example, it is necessary to detect up to the fourth harmonic component. Of course, when attention is paid to higher frequency components, it is necessary to detect higher frequency components.
On the other hand, in the first embodiment, as is clear from the equations (4) to (6), it is sufficient to detect the second harmonic component even with the highest frequency component. Then, x = S b / S a = {J 2 (φ e ) / J 1 (φ e )} tanφ s (11) y = S c / S a = {J 3 (φ e ) / J 1 (φ e )} (12), the angular velocity can be calculated in consideration of the variation compensation of the modulation index φ e as in the equations (9) and (10). As a result, the detection speed can be halved as compared with the conventional one, and the processing speed requirement of the calculation unit 113 can be relaxed.
【0007】次に、本発明の第2の実施例について図2
を用いて説明する。図2は、図1に示す第1の実施例と
ハードの構成は全く同様であるが、式(3)においてn
=2の場合におけるものである。プログラマブルタイマ
114により出力され、周波数がωm 及び式(3)(但
しn=2)で与えられるω1 なる2つの位相変調信号
は、位相変調器駆動回路107においてたし合わされ、
位相変調器106を駆動する。位相変調器106によ
り、位相変調器駆動回路107の発生する変調信号に応
じて光位相が変調される。ここで式(3)においてn=
2の場合、式(2)よりビート周波数Δω、2Δω、4
Δωの成分に注目してみると、各周波数成分は、 Δω; Sa ′=2KvJ2(φe)J1(φ1) sinφs (13) 2Δω; Sb ′=2KvJ4(φe)J2(φ1) cosφs (14) 4Δω; Sc ′=2KvJ8(φe)J4(φ1) cosφs (15) となる。φs 依存性について、これらと従来の位相変調
法(変調周波数ωm )とを比べると式(7)、(8)よ
り、Δω、2Δω、4Δω成分がそのままωm 、2ω
m 、4ωm 成分に対応していることが分かる。この信号
を第1の実施例と同様にして、信号処理部110に取り
込む。本実施例ではロックインアンプ111ーa、11
1ーb、111ーcにプログラマブルタイマ114から
式(13)、(14)、(15)の各周波数と同じ同期
信号を供給し前述の各周波数成分を検出する。検出した
信号Sa ′、Sb ′、Sc ′はA/D変換器112にお
いて、プログラマブルタイマ114から供給される周波
数fs のトリガ信号により、一定周期でデジタル量に変
換される。サンプリングされたデータは演算部113に
取り込まれ角速度を算出するに至る。ここで、 x′=Sa ′/Sb ′ =[ {J2(φe)J1(φ1)} / {J4(φe)/J2(φ1)} ] tanφs (16) y′=Sc ′/Sb ′ = {J8(φe)J4(φ1)} / {J4(φe)/J2(φ1)} (17) を用いれば、変調指数φe の変動補償を考慮した上での
角速度を算出できる。この例ではΔωの4倍の周波数成
分の検出のみで可能である。この第2の実施例、つまり
式(3)においてn=2とした場合では、第1の実施
例、つまり式(3)においてn=1とした場合よりも演
算処理速度の要求が緩和されるという点でより大幅な効
果が得られる。ビートの基本周波数Δωの成分がφs に
比例する、即ち小さなφs に対しても最適の感度でふる
まうようになった点が上記第1の実施例と異なる重要な
点である。Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
This will be described with reference to FIG. FIG. 2 has exactly the same hardware configuration as that of the first embodiment shown in FIG.
= 2. The two phase modulation signals output by the programmable timer 114 and having a frequency of ω m and ω 1 given by equation (3) (where n = 2) are added together in the phase modulator drive circuit 107,
The phase modulator 106 is driven. The phase modulator 106 modulates the optical phase according to the modulation signal generated by the phase modulator driving circuit 107. Here, in the equation (3), n =
In the case of 2, the beat frequencies Δω, 2Δω, 4 are calculated from the equation (2).
Focusing on the component of Δω, each frequency component is Δω; S a ′ = 2KvJ 2 (φ e ) J 1 (φ 1 ) sinφ s (13) 2Δω; S b ′ = 2KvJ 4 (φ e ). J 2 (φ 1 ) cosφ s (14) 4Δω; S c ′ = 2KvJ 8 (φ e ) J 4 (φ 1 ) cosφ s (15) Regarding the φ s dependence, comparing these with the conventional phase modulation method (modulation frequency ω m ), from equations (7) and (8), Δω, 2Δω, and 4Δω components are ω m , 2ω as they are.
It can be seen that it corresponds to the m , 4ω m components. This signal is taken into the signal processing unit 110 in the same manner as in the first embodiment. In this embodiment, the lock-in amplifiers 111-a, 11
The 1-b and 111-c are supplied from the programmable timer 114 with the same synchronizing signals as the frequencies of the expressions (13), (14) and (15), and the above-mentioned frequency components are detected. The detected signals S a ′, S b ′, and S c ′ are converted into digital quantities in a constant cycle by the A / D converter 112 by the trigger signal of frequency f s supplied from the programmable timer 114. The sampled data is taken into the calculation unit 113 and the angular velocity is calculated. Here, x ′ = Sa ′ / Sb ′ = [{J 2 (φ e ) J 1 (φ 1 )} / {J 4 (φ e ) / J 2 (φ 1 )}] tanφ s (16 ) Y ′ = S c ′ / S b ′ = {J 8 (φ e ) J 4 (φ 1 )} / {J 4 (φ e ) / J 2 (φ 1 )} (17) The angular velocity can be calculated in consideration of the fluctuation compensation of the index φ e . In this example, it is possible to detect only the frequency component four times Δω. In the second embodiment, that is, in the case where n = 2 in the formula (3), the request for the arithmetic processing speed is relaxed as compared with the case in which n = 1 in the first embodiment, that is, the formula (3). In that respect, a larger effect can be obtained. Component of the fundamental frequency Δω beat is proportional to phi s, that is, that now behave in an optimal sensitivity is also important point different from the first embodiment for small phi s.
【0008】次に、本発明の第3の実施例について図3
を用いて説明する。図3は第1、第2の実施例で使用し
たピエゾシリンダ位相変調器106の箇所にニオブ酸リ
チウムを導波路とした位相変調器301を使用した場合
を示したものである。ニオブ酸リチウムの位相変調器3
01を用いると、圧電素子の構造的な共鳴を利用するピ
エゾシリンダ位相変調器106と比べ、電気光学効果に
基づいて数百kHzの高い周波数まで安定した光位相変
調を加えることが容易である。このため、本発明の位相
変調法との組み合わせにより変調周波数の高周波数化に
よるセンシングループ長の短縮をハード的に容易に実現
できる。勿論、位相変調器にはニオブ酸リチウムに限ら
ず電気光学効果を有する他の部材を使用してもよい。ニ
オブ酸リチウムに代表される電気光学効果を有する部材
を使用する場合には、更に従来のピエゾシリンダより温
度的にも安定な動作を期待することができる。図3の例
ではΔω、2Δω、4Δωを使用した信号処理を示して
いるが、この場合、例えば、Δω、2Δωのみによる信
号処理とすることもできる。即ち、第1の実施例、及び
第2の実施例における式(12)、(17)での変調指
数φeの変動補償は必要ない。このため本実施例では第
1及び第2の実施例の場合と比較して必要な検出速度は
さらに半減できる。逆に、変調指数の補償が必要ではあ
るが式(15)より4Δω成分が小さ過ぎて信号処理に
使えないような場合も実際には想定できる。この場合4
Δω成分の代わりに干渉信号Sの直流成分SD ′を利用
して、式(16)、(17)の代わりにSa ′/S
D ′、Sb ′/SD ′を信号処理に使うことも可能であ
る。Next, a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
This will be described with reference to FIG. FIG. 3 shows a case where a phase modulator 301 using lithium niobate as a waveguide is used at the location of the piezoelectric cylinder phase modulator 106 used in the first and second embodiments. Lithium niobate phase modulator 3
When 01 is used, it is easier to apply stable optical phase modulation up to a high frequency of several hundred kHz based on the electro-optic effect, as compared with the piezo cylinder phase modulator 106 that utilizes structural resonance of the piezoelectric element. Therefore, in combination with the phase modulation method of the present invention, the shortening of the sensing loop length by increasing the modulation frequency can be easily realized by hardware. Of course, the phase modulator is not limited to lithium niobate, and other members having an electro-optical effect may be used. When using a member having an electro-optical effect represented by lithium niobate, it is possible to expect a more stable operation in terms of temperature than a conventional piezo cylinder. Although the example of FIG. 3 shows the signal processing using Δω, 2Δω, and 4Δω, in this case, for example, the signal processing using only Δω and 2Δω can be performed. That is, it is not necessary to compensate the fluctuation of the modulation index φ e in the equations (12) and (17) in the first and second embodiments. Therefore, in the present embodiment, the required detection speed can be further halved as compared with the case of the first and second embodiments. On the contrary, the case where the modulation index needs to be compensated but the 4Δω component is too small from the equation (15) and cannot be used for signal processing can be actually assumed. In this case 4
By using the DC component S D ′ of the interference signal S instead of the Δω component, S a ′ / S instead of the equations (16) and (17)
It is also possible to use D ', Sb ' / SD 'for signal processing.
【0009】次に、本発明の第4の実施例について図4
を用いて説明する。図4は、位相変調方式光ファイバジ
ャイロにおいて位相変調器、偏光子、Y分岐(光カプ
ラ)を集積化した素子(光IC)402を使用し、さら
に光源の位置を通過する戻り光を光源の背面で検出する
SCOOP方式とした場合の構成図である。SCOOP
方式を使用しているため光カプラは光ICのY分岐以外
に必要でない。受光器付きの光源401からの光ビーム
は光IC402に到達し偏光される。さらにこの内部で
2方向に分岐してセンシングループ105を左、及び右
回りに伝搬する2つの光ビームとなる。これらの光ビー
ムは再び光IC402に到達し、この内部で位相変調器
駆動回路107の発生する変調信号に応じて光位相を変
調される。位相を変調された光は光IC402で再び結
合して、受光器付きの光源401で干渉信号として検出
される。位相変調には、Y分岐の一方の導波路で変調を
かける方法の他、例えば2つの導波路に逆位相で変調を
加えるPushーPull構成を利用することもでき
る。検出した信号はプリアンプ109で適当なレベルに
増幅され、以下第1〜第3の実施例と同様に処理され角
速度を算出する。Next, a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
This will be described with reference to FIG. In FIG. 4, an element (optical IC) 402 in which a phase modulator, a polarizer, and a Y-branch (optical coupler) are integrated in a phase modulation type optical fiber gyro is used, and the return light passing through the position of the light source is used as a light source. It is a block diagram when it is set as the SCOOP system which detects on the back surface. SCOOP
Since the system is used, the optical coupler is not necessary other than the Y branch of the optical IC. The light beam from the light source 401 with a light receiver reaches the optical IC 402 and is polarized. Further, it becomes two light beams that branch in two directions inside and propagate in the sensing loop 105 in the left and right directions. These light beams reach the optical IC 402 again, and inside thereof, the optical phase is modulated according to the modulation signal generated by the phase modulator driving circuit 107. The light whose phase is modulated is recombined by the optical IC 402 and detected as an interference signal by the light source 401 with a light receiver. For the phase modulation, in addition to the method of modulating in one waveguide of the Y branch, for example, a Push-Pull configuration in which modulation is performed in two waveguides in opposite phases can be used. The detected signal is amplified to an appropriate level by the preamplifier 109 and processed in the same manner as in the first to third embodiments to calculate the angular velocity.
【0010】次に本発明の第5の実施例について図5を
用いて説明する。図5は第4の実施例と同様の光学系に
おいて信号処理部110に同期ダウンサンプリング方式
を取り入れた場合の構成図である。第4の実施例と同
様、受光器付きの光源401で検出された干渉信号はプ
リアンプ109で適当なレベルに増幅される。光源とし
てモニタ用フォトダイオードを内蔵するレーザーダイオ
ード等の発光素子を利用すれば該フォトダイオード自体
を光の検出素子として使用できる。ここでは式(3)に
おいてn=2とし、式(13)〜(15)で与えられる
各周波数成分Δω、2Δω、4Δωを検出する場合を想
定しているが、勿論、他の場合への拡張は容易である。
一方、同期ダウンサンプリングを用いて前述のΔω、2
Δω、4Δωを検出する場合のダウンサンプリング周波
数fd はΔωを基本周波数として、 fd ={8/(8k+1)}・(Δω/2π) (18) とすればよい。プログラマブルタイマ114はA/D変
換器112にサンプリング周波数fd を供給する。増幅
された干渉信号は信号処理部501に取り込まれ、A/
D変換器112にて、一定周期でディジタル量に変換さ
れる。サンプリングされたデータは演算部502に取り
込まれ、それに基づき角速度を算出する。2つの変調信
号を用いた位相変調法、及び同期ダウンサンプリング法
はそれぞれが検出速度及び演算処理速度の緩和において
効果があり、これらを組み合わせることでより一層の効
果が実現できる。また、同期ダウンサンプリング法はア
ナログ電子回路部分における部品点数を削減するので、
これらの方式の組み合わせにより大幅なコスト削減が期
待できる。Next, a fifth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 5 is a configuration diagram in the case where a synchronous downsampling method is incorporated in the signal processing unit 110 in the optical system similar to that of the fourth embodiment. As in the fourth embodiment, the interference signal detected by the light source 401 with a light receiver is amplified by the preamplifier 109 to an appropriate level. If a light emitting element such as a laser diode incorporating a monitor photodiode is used as the light source, the photodiode itself can be used as a light detecting element. Here, it is assumed that n = 2 in the equation (3) and each frequency component Δω, 2Δω, 4Δω given by the equations (13) to (15) is detected, but of course, extension to other cases is possible. Is easy.
On the other hand, the above-mentioned Δω, 2
The downsampling frequency f d for detecting Δω and 4Δω may be set as follows: f d = {8 / (8k + 1)} · (Δω / 2π) (18) with Δω as the fundamental frequency. The programmable timer 114 supplies the sampling frequency f d to the A / D converter 112. The amplified interference signal is taken in by the signal processing unit 501, and A /
In the D converter 112, it is converted into a digital amount at a constant cycle. The sampled data is taken into the calculation unit 502, and the angular velocity is calculated based on it. The phase modulation method using the two modulation signals and the synchronous downsampling method are effective in mitigating the detection speed and the calculation processing speed, respectively, and by combining them, a further effect can be realized. Also, since the synchronous downsampling method reduces the number of parts in the analog electronic circuit part,
A significant cost reduction can be expected by combining these methods.
【0011】[0011]
【発明の効果】上記本発明の光ファイバジャイロにおい
ては、ω1 =n・ωm +Δω(nは正負の整数;Δω<
ω1 、ωm )の関係を満たす2つの変調角周波数ω1 、
ωm を同時に使用することで、ω1 、ωm よりはるかに
低いΔωあるいはΔωを含む数式で与えられるビート周
波数とそれらの高調波成分を検出するだけで、必要な物
理量特に角速度を計測できる。また、特にnの絶対値を
偶数、中でも2に選ぶことで、Δω成分による上記物理
量を最適感度で検出できる。加えて、変調信号を上記信
号処理部のクロック信号に基づき生成し、また上記ビー
ト周波数成分とその高調波成分を同期ダウンサンプリン
グ法で検出することで、上記本発明の位相変調法とディ
ジタル信号処理の組み合わせを容易にできる。更に上記
光位相変調器に電気光学効果を有する導波路材料、中で
もニオブ酸リチウムを使用することにより、従来の圧電
素子に対し変調の安定性を維持したままループ長の短縮
に必要な変調周波数の引き上げを容易にできる。以上に
より信号処理部の負担を少なくし、応答性に優れた光フ
ァイバジャイロを提供することができ、また、センシン
グループに用いる光ファイバの長さを短くすることによ
り、低コストの光ファイバジャイロを提供することがで
きる。In the optical fiber gyro of the present invention, ω 1 = nω m + Δω (n is a positive or negative integer; Δω <
two modulation angular frequencies ω 1 , satisfying the relationship of ω 1 , ω m ),
By using ω m at the same time, it is possible to measure the required physical quantity, particularly the angular velocity, simply by detecting the beat frequencies and their harmonic components, which are given by the mathematical formulas containing Δω or Δω, which are much lower than ω 1 and ω m . Also, by selecting the absolute value of n to be an even number, and especially to be 2, it is possible to detect the above physical quantity due to the Δω component with optimum sensitivity. In addition, the modulated signal is generated based on the clock signal of the signal processing unit, and the beat frequency component and its harmonic component are detected by the synchronous down-sampling method, whereby the phase modulation method and digital signal processing of the present invention are performed. Can be easily combined. Furthermore, by using a waveguide material having an electro-optical effect for the optical phase modulator, especially lithium niobate, the modulation frequency required for shortening the loop length while maintaining the stability of modulation with respect to the conventional piezoelectric element can be obtained. It can be pulled up easily. As described above, it is possible to reduce the load on the signal processing unit and provide an optical fiber gyro with excellent responsiveness. Also, by shortening the length of the optical fiber used for the sensing loop, a low-cost optical fiber gyro can be obtained. Can be provided.
【図1】本発明の光ファイバジャイロの第1の実施例を
示す構成図。FIG. 1 is a configuration diagram showing a first embodiment of an optical fiber gyro of the present invention.
【図2】本発明の光ファイバジャイロの第2の実施例を
示す構成図。FIG. 2 is a configuration diagram showing a second embodiment of the optical fiber gyro of the present invention.
【図3】本発明の光ファイバジャイロの第3の実施例を
示す構成図。FIG. 3 is a configuration diagram showing a third embodiment of the optical fiber gyro of the present invention.
【図4】本発明の光ファイバジャイロの第4の実施例を
示す構成図。FIG. 4 is a configuration diagram showing a fourth embodiment of an optical fiber gyro of the present invention.
【図5】本発明の光ファイバジャイロの第5の実施例を
示す構成図。FIG. 5 is a configuration diagram showing a fifth embodiment of the optical fiber gyro of the present invention.
【図6】従来の光ファイバジャイロの例を示す構成図。FIG. 6 is a configuration diagram showing an example of a conventional optical fiber gyro.
101 光源 301 ニオブ
酸リチウム位相変調器 102 光カプラ 401 受光器
付き光源 103 偏光子 402 光IC 104 光カプラ 501 信号処
理部 105 センシングループ 502 演算部 106 ピエゾシリンダ位相変調器 107 位相変調器駆動回路 108 受光器 109 プリアンプ 110 信号処理部 111 ロックインアンプ 112 A/D変換器 113 演算部 114 プログラマブルタイマReference Signs List 101 light source 301 lithium niobate phase modulator 102 optical coupler 401 light source with light receiver 103 polarizer 402 optical IC 104 optical coupler 501 signal processing unit 105 sensing loop 502 operation unit 106 piezo cylinder phase modulator 107 phase modulator driving circuit 108 light reception Device 109 Preamplifier 110 Signal processing unit 111 Lock-in amplifier 112 A / D converter 113 Operation unit 114 Programmable timer
フロントページの続き (72)発明者 園部 久雄 茨城県日立市大みか町7丁目1番1号 株 式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者 於保 茂 茨城県日立市大みか町7丁目1番1号 株 式会社日立製作所日立研究所内Front page continuation (72) Inventor Hisao Sonobe 7-1-1 Omika-cho, Hitachi-shi, Ibaraki Hitachi Research Laboratory, Hitachi Ltd. (72) Inventor Shigeru Oho 7-1-1 Omika-cho, Hitachi-shi, Ibaraki Hitachi, Ltd., Hitachi Research Laboratory
Claims (12)
を発生する手段を備え、該干渉光の光位相差を電気的に
調整する光位相変調器を備え、該干渉光の光位相差を検
出することにより、前記物理量を測定する光ファイバジ
ャイロであって、該干渉光を光電変換して得られる電気
信号である干渉信号をサンプリングし、演算により前記
物理量を算出する光ファイバジャイロにおいて、前記光
位相変調器に第1、及び第2の変調信号を供給し、且
つ、それら2つの信号の変調角周波数ωm 、ω1 が、ω
1 =n・ωm +Δω(nは正負の整数;Δω<ω1 、ω
m )を満たすようにされていることを特徴とする光ファ
イバジャイロ。1. An optical phase difference is provided which comprises means for generating interference light having an optical phase difference corresponding to a physical quantity, and an optical phase modulator which electrically adjusts the optical phase difference of the interference light. By detecting, is an optical fiber gyro that measures the physical quantity, sampling an interference signal that is an electrical signal obtained by photoelectrically converting the interference light, in an optical fiber gyro that calculates the physical quantity by calculation, The first and second modulation signals are supplied to the optical phase modulator, and the modulation angular frequencies ω m and ω 1 of these two signals are ω
1 = nω m + Δω (n is a positive or negative integer; Δω <ω 1 , ω
m )) fiber optic gyro characterized by being adapted to meet.
いて、|n|が偶数であることを特徴とする光ファイバ
ジャイロ。2. The optical fiber gyro according to claim 1, wherein | n | is an even number.
いて、|n|=2であることを特徴とする光ファイバジ
ャイロ。3. The optical fiber gyro according to claim 2, wherein | n | = 2.
ロにおいて、光位相変調器に電気光学効果を有する導波
路材料を使用することを特徴とする光ファイバジャイ
ロ。4. The optical fiber gyro according to claim 1, wherein a waveguide material having an electro-optic effect is used for the optical phase modulator.
いて、電気光学効果を有する導波路材料としてニオブ酸
リチウムを使用することを特徴とする光ファイバジャイ
ロ。5. The optical fiber gyro according to claim 4, wherein lithium niobate is used as a waveguide material having an electro-optical effect.
ロにおいて、光位相変調器は光カプラ、偏光子等の光学
素子と共に集積化され、電気光学効果を有する導波路材
料を使用して構成されていることを特徴とする光ファイ
バジャイロ。6. The optical fiber gyro according to claim 4 or 5, wherein the optical phase modulator is integrated with optical elements such as an optical coupler and a polarizer, and is formed by using a waveguide material having an electro-optical effect. A fiber optic gyro that is characterized by
ロにおいて、第1、及び第2の変調信号は、干渉信号を
サンプリングして演算を行う信号処理部のクロック信号
と同期して供給されることを特徴とする光ファイバジャ
イロ。7. The optical fiber gyro according to any one of claims 1 to 6, wherein the first and second modulated signals are supplied in synchronization with a clock signal of a signal processing unit that performs an operation by sampling an interference signal. An optical fiber gyro characterized by the above.
いて、第1、及び第2の変調信号はクロック信号から生
成されることを特徴とする光ファイバジャイロ。8. The optical fiber gyro according to claim 7, wherein the first and second modulated signals are generated from a clock signal.
ロにおいて、干渉信号からΔωあるいはΔωを含む数式
で与えられるビート周波数の基本波成分とその1つ以上
の高調波成分を検出し、それらに基づき演算して物理量
を算出することを特徴とする光ファイバジャイロ。9. The optical fiber gyro according to any one of claims 1 to 8, wherein a fundamental wave component of a beat frequency given by a mathematical expression including Δω or Δω and one or more harmonic components thereof are detected from the interference signal, and they are detected. An optical fiber gyro, which is characterized in that a physical quantity is calculated by calculation based on the calculation.
おいて、ビート周波数は基本波をΔωとし、その高調波
を2Δωとして、各周波数成分を検出し、それらに基づ
き演算して物理量を算出することを特徴とする光ファイ
バジャイロ。10. The optical fiber gyro according to claim 9, wherein a beat frequency is Δω, a harmonic thereof is 2Δω, each frequency component is detected, and a physical quantity is calculated based on the detected frequency components. Characteristic optical fiber gyro.
において、Δω、2Δωの各周波数成分の検出に加え、
干渉信号の直流成分の変動を検出し、信号の補正を行う
ことを特徴とする光ファイバジャイロ。11. The optical fiber gyro according to claim 10, in addition to detecting each frequency component of Δω, 2Δω,
An optical fiber gyro characterized by detecting fluctuations in the DC component of an interference signal and correcting the signal.
ャイロにおいて、ビート周波数成分の検出を、ビート周
波数に同期し、サンプリング周期を入力基本信号の1周
期以上に伸ばした同期ダウンサンプリング法を用いて行
うことを特徴とする光ファイバジャイロ。12. The optical fiber gyro according to claim 9, wherein detection of a beat frequency component is synchronized with a beat frequency, and a synchronous down-sampling method in which a sampling cycle is extended to one cycle or more of an input basic signal is used. An optical fiber gyro characterized by performing.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP7317392A JPH09133534A (en) | 1995-11-11 | 1995-11-11 | Optical fiber gyro |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP7317392A JPH09133534A (en) | 1995-11-11 | 1995-11-11 | Optical fiber gyro |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH09133534A true JPH09133534A (en) | 1997-05-20 |
Family
ID=18087746
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP7317392A Pending JPH09133534A (en) | 1995-11-11 | 1995-11-11 | Optical fiber gyro |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH09133534A (en) |
-
1995
- 1995-11-11 JP JP7317392A patent/JPH09133534A/en active Pending
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