JPH10300479A - 過変調を採用している光ファイバ・ジャイロスコープにおけるクロスカップリングを抑制するための方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 光ファイバ・ジャイロスコープにおいて、電
子的クロスカップリングによるバイアスの問題を解決す
る。 【解決手段】 位相変調器が改善されたランダム・ウォ
ーク性能を得るために、サナック干渉計のセンサ・コイ
ルの内部を反対方向に伝播している光ビーム間の過変調
の領域において、人工的な位相シフトのシーケンスを印
加する。そのシーケンスは±ａπ／２ｂおよび±（４ｂ
−ａ）π／２ｂ（但し、ａは奇数の整数であり、ｂは１
より大きい整数である）の位相シフトから構成される。
位相変調器をドライブするための波形が、隣接するドラ
イブ信号の値が、第１の角度方向においてａπ／２ｂま
たは−（４ｂ−ａ）π／２ｂだけ異なり、そしてその反
対の角度方向においては−ａπ／２ｂだけまたは（４ｂ
−ａ）π／２ｂだけ異なるようにプロットされた２πラ
ジアンのマッピングから導かれる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光ファイバ・ジャ
イロスコープに関する。より詳細には、本発明はステッ
プ過変調を採用している光ファイバ・ジャイロスコープ
における電子的クロスカップリングによるバイアスの問
題を解決するための装置および方法に関する。

【０００２】

【従来の技術、及び、発明が解決しようとする課題】サ
ナック（Ｓａｇｎａｃ）干渉計は一対の反対方向に伝播
している光ビームの間に生成されるノンレシプロカル
（ｎｏｎｒｅｃｉｐｒｏｃａｌ）な位相差の測定によっ
て回転を求めるための計測器である。それは一般にレー
ザなどの光源、いくつかのミラーまたは複数の巻き数の
光ファイバから構成されている光導波管、ビームスプリ
ッタ‐コンバイナー（ｂｅａｍｓｐｌｉｔｔｅｒ‐ｃｏ
ｍｂｉｎｅｒ）、検出器および信号プロセッサを含んで
いる。

【０００３】干渉計において、ビームスプリッタから入
ってくる波は単独の光径路に沿って反対方向に伝播す
る。その導波管は「レシプロカル（ｒｅｃｉｐｒｏｃａ
ｌ）」である。すなわち、光径路のどかに歪みがある
と、それは反対方向に伝播しているビームに同様に影響
する。ただし、その反対方向に伝播しているビームは必
ずしも同じ時刻において、あるいは同じ方向において、
そのような摂動（ｐｅｒｔｕｒｂａｔｉｏｎ）を経験す
るわけではない。時間間隔が光導波管の回りの光の伝播
時間に等しい場合に、時間的に変化する摂動が観測され
る可能性があるが、一方、「ノンレシプロカル」な摂動
は反対方向に伝播しているビームに異なった影響を与
え、その伝播の方向に従う影響を与える。そのようなノ
ンレシプロカルな摂動は２つのビームが伝播する光媒体
の対称性を乱す物理的効果によって生じる。

【０００４】２種類のノンレシプロカル効果は周知であ
る。ファラデー効果、すなわち、共線的光磁気効果は、
磁場が光材料の中の電子の優先的なスピンのオリエンテ
ーションを生成する時に発生し、一方、サナック効果、
すなわち、慣性的な相対論的効果は慣性的なフレームに
対する干渉計の回転が伝播時間の対称性を破る時に発生
する。後者の効果はリング・ジャイロスコープの動作原
理として採用されている。

【０００５】ジャイロスコープの測定された、すなわ
ち、検出された出力はジャイロスコープ・ループの完全
な１回の旋回の後に「組み合わせられた」ビーム（すな
わち、２つの反対方向に伝播しているビームから形成さ
れるコンポジット・ビーム）である。敏感な軸に対する
回転速度は反対方向に伝播しているビームの間に発生す
る位相シフトに比例している。従って、正確な位相シフ
トの測定が不可欠である。

【０００６】図１は光ファイバのコイルからの検出され
たビーム出力の強度（またはパワー、電界の２乗の関
数）と、ループを１回完全に通過してきた後の２つの反
対方向に伝播しているビームの間に存在する位相差との
間の周知の関係のグラフである。この図はビーム間の位
相差、△φの余弦値に比例している強度を示している。
そのような位相差は、例えば、回転によるノンレシプロ
カルな摂動の測度を提供する。ＤＣレベルが図１に示さ
れている。そのようなＤＣレベルは強度レベルの半分
（平均値）に対応している。

【０００７】小さな位相差、あるいは小さな位相差±ｎ
π（但し、ｎは整数）が検出された時（比較的遅い回転
速度に対応して）、その出力ビームの強度は、その測定
された位相差が出力の干渉縞の最大または最小の領域内
に入ることになるので、位相の偏差または誤差に比較的
感じ難くなることは干渉縞の形状の結果として周知であ
る。この現象はφ＝０、＋π、−π、＋２πおよび−２
πラジアンのそれぞれの領域における位相シフトに対応
している干渉縞の１０、１２、１２´、１４および１４
´に示されている。さらに、単なる強度は回転速度のセ
ンス、すなわち、方向の指示を提供しない。

【０００８】前記の理由のために、ゆっくりと生成され
た位相バイアスが反対方向に伝播している各ビームの上
に共通に重畳され、ビーム・ペアがセンサ・コイルの中
を通過する際に周期的に１つのビームを遅らせ、他のビ
ームを進ませる。「ノンレシプロカル・ヌルシフト（ｎ
ｕｌｌ‐ｓｈｉｆｔ）」としても知られている、位相シ
フトのバイアシングは、回転の存在を示している位相偏
位εに対するより大きな感度によって特徴付けられる領
域へ動作点をシフトすることによって、位相差に対する
強度測定の感度を高める。この方法で、光検出器におい
て観測される光の強度における変動、△Ｉ（またはパワ
ーΔＰ）は与えられたノンレシプロカルな位相摂動εに
対して高められる。

【０００９】与えられた位相摂動εの存在のために強度
効果を高めることによって、それに対応している位相摂
動に対する光検出器の出力感度における増加が得られ
る。これらはさらに、出力の電子回路の簡単化および精
度の改善につながる可能性がある。そのような出力の電
子回路は電子光変調器（複数機能の集積された光チッ
プ、すなわち、「ＭＩＯＣ：ｍｕｌｔｉｆｕｎｃｔｉｏ
ｎ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｏｐｔｉｃａｌ ｃｈｉｐ」
であることが多いが、ループの通過時間τの間にサイク
ルされる動作点の強度値を比較するための差動回路を含
んでいるのが普通である。現在、光ファイバ・ジャイロ
スコープは２τの周期で±π／２の間でサイクルされる
矩形波などの周期的な変調波形によって共通にバイアス
される。但し、τはファイバ・コイルを通って光が通過
する時間である。

【００１０】図１に戻って、従来の矩形波変調は動作点
１６と１６´との間の出力強度曲線のサイクリングに対
応する。１６および１６´の各点（±π／２の矩形波変
調）は強度の干渉縞の屈折点にある。そこでは位相差Δ
φの小さなノンレシプロカル摂動εによって光強度（パ
ワー）出力において最大の、そして本質的に線形の検出
可能な変化ΔＩ（ΔＰ）が結果として得られる。また、
２つの異なる動作点間に印加されたバイアスを交互に変
えることによって、システムはεの符号を求めることが
でき、従って回転の方向を求めることができる。（ま
た、同じ結果が±３π／２の変調によって得られる。こ
れは図１の曲線の点１８および１８´によって示されて
いる。）

【００１１】位相変調に加えて、「位相ヌリング」が干
渉計の出力に普通適用される。これによってノンレシプ
ロカル（サナック）効果による位相シフトを補正するた
めのネガティブ・フィードバック機構を通じて追加の位
相シフトが導入される。測定された位相差に傾斜が比例
している位相ランプ（アナログまたはディジタル）がこ
の目的のために普通生成される。普通、０〜２πラジア
ンの範囲をカバーするランプが、ヌリングの位相シフト
を提供する。というのは、その必要なシフトは電圧の制
限のために無限には増加させることができないからであ
る。２πの「リセット」は以前に説明された余弦関数の
結果としてモジュロ２πのベースで動作するジャイロ干
渉計にはトランスペアレントである。

【００１２】慣性系の主要な使用法の１つは、乗り物の
ヘッディングを決定することである。そのような決定は
ジャイロを含めたシステムのセンサの品質によって変わ
り、ジャイロの出力におけるノイズの量および種類によ
って影響される。特に、慣性の角速度を正確に測定する
ためのジャイロスコープの機能が正しいヘッディングの
決定に対するキーである。

【００１３】先進技術のジャイロ（例えば、レーザおよ
び光ファイバ・タイプの）出力のノイズ特性は統計的な
「角度のランダム・ウォーク（ｒａｎｄｏｍ ｗａｌ
ｋ）」特性を含んでいる。角度のランダム・ウォークは
角速度のホワイト・ノイズ（すなわち、そのパワー・ス
ペクトル密度（ＰＳＤ）が「フラット」、すなわち、周
波数に無関係であるノイズ）によって生じる。ホワイト
・ノイズによって汚染されている変数の各観測値（例え
ば、光ファイバ・ジャイロの角速度出力など）は統計的
に他のすべての変数から独立している。そのような多く
のサンプルの平均値は真の値に徐々に収れんする。平均
の測定値における不確定性は平均化の時間の平方根に逆
比例する。従って、角速度の測定値の不確定性は次の式
によって与えられる。

【数１】

【００１４】通常、慣性系の慣性のヘッディングの精度
は地球の回転速度が測定できる精度によって変わる。ヘ
ッディングの不確定性は上記の角速度の測定値の不確定
性に比例している。平均化の時間は、通常、短い（普通
は４分）ので、ランダム・ウォーク係数を小さく保つこ
とが重要である。さらに、ヘッディングが獲得された
時、積分された姿勢の角度におけるドリフトによって慣
性系の性能が劣化する。上記のような角度のランダム・
ウォーク・プロセスによって、時間の平方根の関数とし
て統計的に成長する角度誤差が生じる。従って、次の式
が成立する。

【数２】 ここでもランダム・ウォーク係数の小さいことが不可欠
である。

【００１５】図２は光ファイバ・ジャイロスコープにお
けるランダム・ウォーク（曲線２０）と光源のピーク・
パワーとの間に存在する関係を示している。光ファイバ
ジャイロの出力におけるホワイト・ノイズの原因はいく
つかあり得る。電子ノイズ（暗電流およびジョンソン・
ノイズまたはサーマル・ノイズの両方）、ショット・ノ
イズ、およびビート、あるいは同義語的な関連の強度ノ
イズがすべて貢献する可能性がある。ジャイロのランダ
ム・ウォークに対する電子ノイズの貢献はピーク・パワ
ーに逆比例する。ジャイロのランダム・ウォークに対す
るショット・ノイズの貢献はピーク・パワーの平方根に
逆比例する。また、その図の中に示されているように、
ビート・ノイズ（曲線２２）の貢献はピーク・パワーと
は無関係であり、従って、パワーの増加によってジャイ
ロのランダム・ウォークが減らされ得る範囲が限定され
る。対照的に、所定の範囲内でピーク・パワーが増加す
ることによって、電子的ノイズ（曲線２４）およびショ
ット・ノイズ（曲線２６）の貢献は減少する。そのよう
な範囲を超えてパワーが増加しても、ランダム・ウォー
クの性能は良くならない。

【００１６】ビート・ノイズの相対的な重要性は光源の
パワーと共に増加する。超高輝度（Ｓｕｐｅｒｌｕｍｉ
ｎｅｓｃｅｎｔ）ダイオードは約０．５ミリワットのピ
ーク・パワーを提供し、一方、稀土類がドープされた光
源の定格は普通は１０ミリワット近辺にある。図２を参
照すると、ランダム・ウォークに対するビート・ノイズ
の貢献はショット・ノイズの貢献に比べて小さく、さら
にそれは超高輝度ダイオードなどの低電力源が採用され
る時には電子的ノイズの貢献に比べて小さい。光源のパ
ワーが増加するにつれて、ビート・ノイズの貢献がジャ
イロスコープのノイズ性能を実質的に支配する。

【００１７】ジョージ Ａ．パブラスの「光ファイバ・
ジャイロスコープにおけるランダム・ウォークを減らす
ための方法」と題する米国特許出願第０８／２８３，０
６３号は上記の問題に対処する。そのような出願（本明
細書の譲受人が権利を所有する）はジャイロ・センサ・
コイルの内部で反対方向に伝播するビームの統計的過変
調バイアスに依存する方法を開示している。例えば、図
１のジャイロの出力曲線を従来の±π／２の動作点１６
と１６´との間ではなく、点２８と２８´との間（また
は、±３π／２の動作点１８と１８´との間）にバイア
スすることによって、ランダム・ウォークに対するビー
ト・ノイズ（および、同時に相対強度ノイズ）の貢献は
光源のパワーが増加すると共に減少することが示されて
いる。ランダム・ウォークの減少に及ぼすこのノイズ源
の以前の制限効果をなくすことによって、ハイパワー光
源の有用性が高められる。

【００１８】単独軸および複数軸のジャイロスコープの
構成の両方がシステム・クロストークから生じるバイア
ス誤差の対象となっている。例えば、ディジタル−アナ
ログ変換器の出力からの信号およびジャイロの制御ルー
プのドライバー増幅器からの信号が同期復調器の入力に
結合する可能性がある。さらに、３軸の構成において、
そのようなクロスカップリングは１つの軸を測定中のジ
ャイロスコープのディジタル−アナログ変換器およびド
ライバー増幅器と、他の軸の測定に対するジャイロの同
期復調器との間に発生する可能性がある。さらに、３軸
構成が単独の検出器で動作するようになっている場合、
そのコンポジット出力は他の軸の出力との間のクロスト
ークの対象となり得る。

【００１９】クロストークは従来の（最大感度の）また
は過変調タイプのいずれかのステップ型の変調の存在に
おける特定の問題を表す。矩形波などのステップ型の変
調波形を採用すると、その結果の復調関数は変調関数の
コピーとなる。これは、電気的な漏れまたはクロスカッ
プリングが位相変調器をドライブするための信号と復調
器に対する入力との間に発生する時にネット・バイアス
の値に対してジャイロの出力を服従させる。

【００２０】スパーリンガーは「補正不要の変調器の制
御によるディジタル位相ランプ・リセット付きの光ファ
イバ・サナック干渉計（Ｆｉｂｅｒ Ｏｐｔｉｃ Ｓａ
ｇｎａｃ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ Ｗｉｔｈ
Ｄｉｇｉｔａｌ ＰｈａｓｅＲａｍｐ Ｒｅｓｅｔｔｉ
ｎｇ ｖｉａ Ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ‐ＦｒｅｅＤｅｍ
ｏｄｕｌａｔｏｒ Ｃｏｎｔｒｏｌ）」と題する米国特
許第５，１２３，７４１号の中でクロストークの問題に
対する解決策を提供している。それはランダムまたは補
正不要のコンポーネント・シーケンスを組み込んでいる
ジャイロの位相変調器をドライブするための波形の設計
に依存している。クロストークの問題に対処している
が、この特許の方法は従来の最大感度、すなわち、±π
／２、±３π／２の変調に依存しており、従って過変調
の技法によって提供される利点を達成することができな
い。

【００２１】本明細書の譲受人の別の特許、すなわち、
「直交シーケンスを利用している光ファイバ・ジャイロ
スコープ（Ｆｉｂｅｒ Ｏｐｔｉｃ Ｇｙｒｏｓｃｏｐ
ｅＵｔｉｌｉｚｉｎｇ Ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ Ｓｅｑ
ｕｅｎｃｅｓ）」と題するマーク他の米国特許第５，１
８９，４８８号は光ファイバ・ジャイロスコープにおけ
る電子的クロストークを抑制するために関連付けられた
一次および二次の復調シーケンスの特性に関して決定論
的な変調シーケンスの選択を示している。その中で示さ
れている技法も従来の変調方式に限定されている。上記
の各技法は従来の変調波形（すなわち、±π／２、±３
π／２の変調に限定されている）の使用を前提としてお
り、それを仮定している。いずれも過変調のコンテキス
トにおけるクロストークの問題に対処はしていない。従
って、これらの技法は本質的に制限されたランダム・ウ
ォーク削減機能のシステムに関するものである。

【００２２】

【課題を解決するための手段】本発明は、第１の態様に
おいて、サナック干渉計による回転速度の測定のための
方法を提供することによって、従来の技術の前記および
他の欠点に対処する。その干渉計は１つの光源と、前記
光源からの出力から一対の光ビームを生成するためのカ
プラーとを含み、前記ビームをセンサ・コイルの反対の
端に導いてその中を反対方向に伝播させ、前記コイルの
中を通過させた後、前記ビームを再び組み合わせて出力
信号を提供するタイプの干渉計である。反対方向に伝播
するビームに一連の人工的な光位相シフトを加えるため
の変調器が設けられ、そしてその出力信号から回転速度
の情報を抽出するための復調器が提供される。

【００２３】本発明の方法は反対方向に伝播している光
ビームに一連の人工的な位相シフトを加えるために変調
器をドライブすることに関する。各位相シフトの持続時
間はセンサ・コイルの通過時間に等しい。人工的な位相
シフトのシーケンスは±ａπ／２ｂおよび±（４ｂ−
ａ）π／２ｂ（但し、ａは奇数の整数であり、ｂは１よ
り大きい整数である）の位相シフトの中から選択され
る。

【００２４】第２の態様においては、本発明はサナック
干渉計の位相変調器をドライブするための波形を生成す
るための方法を提供する。そのような方法は値のモジュ
ロ２πのマッピングをドライブするステップを含んでい
る。それは（ｉ）Ｓセグメントへのモジュロ２πのバッ
ピングをドライブするステップ、Ｓは次の式による自然
数である。 Ｓ×θ＝２πＮ （但し、θは｜ａπ／２ｂ｜でありＮ
は整数である） （ｉｉ）前記各セグメントに対して変調器をドライブす
るための１つの値を割り当て、第１の角度方向における
隣接するマッピング・セグメント間の各遷移がａπ／２
ｂまたは−（４ｂ−ａ）π／２ｂに対応し、反対方向の
角度方向における隣接するマッピング・セグメント間の
各遷移が−ａπ／２ｂまたは（４ｂ−ａ）π／２ｂに対
応するようにする。

【００２５】次にそのマッピングは第１の方向における
すべてのセグメントの中および反対方向のすべてのセグ
メントの中の所定のシーケンスに従って旋回され、ステ
ップ型の波形を生成する。

【００２６】その後、そのステップ型の波形に対応する
一次および二次の復調シーケンスが生成される。その一
次および二次の復調シーケンスは、基準が満足されるよ
うに復調シーケンスが生成されるまで所定の基準に従っ
て比較される。最後に、その基準を満足する復調シーケ
ンスに対応するステップ型の波形が選択される。

【００２７】第３の態様においては、本発明は、光のビ
ームが光ファイバのコイルの中を反対方向に伝播し、そ
れらの間に各ループ通過時間の間に印加される一連の人
工的な位相シフトの手段によって変調されるようなタイ
プの回転速度を測定するための方法における改善を提供
する。本発明によって提供される改善は、±ａπ／２ｂ
および±（４ｂ−ａ）π／２ｂ（但し、ａは奇数の整数
であり、ｂは１より大きい整数である）の中から位相シ
フトを選択することを含む。

【００２８】本発明の第４の態様は、位相変調器を含ん
でいるタイプの少なくとも１つの軸の回りの回転速度を
測定するためのサナック干渉計における１つの改善を提
供する。その位相変調器は少なくとも１つのセンサ・コ
イルの中を反対方向に伝播している一対の光ビームに対
して、そのセンサ・コイルの通過時間に等しい持続時間
の一連の光位相シフトを印加する。少なくとも１つのビ
ーム・ペアにおいて、組み合わせるためおよび復調する
ための手段が提供され、少なくとも１つの軸に関する回
転速度が求められる。

【００２９】本発明によると、前記のタイプのサナック
干渉計に対する改善は、±ａπ／２ｂおよび±（４ｂ−
ａ）２ｂ（但し、ａは奇数の整数であり、ｂは１より大
きい整数である）の人工的な位相シフトのシーケンスを
印加するためにステップ型の波形をドライブするため
の、位相変調器に対するビート・シーケンスを提供する
ためのゼネレータを含む。

【００３０】第５の態様においては、本発明は光ファイ
バ・ジャイロスコープの位相変調器をドライブするため
の、ステップ型の波形を生成するためのモジュロ２πの
マッピングを提供する。±ａπ／２ｂおよび±（４ｂ−
ａ）／２ｂ（但し、ａは奇数の整数であり、１より大き
い）の位相シフトが、そのジャイロのセンサ・コイルの
内部を反対方向に伝播しているビームに印加される。そ
のマッピングはＳ個のセグメントに分割された閉じた円
を含んでいる。各セグメントはステップ型の波形の１つ
の値に関連付けられている。ＳはＳ×θ＝２πＮ（但
し、θは｜ａπ／２ｂ｜であり、Ｎは整数である）とな
るような自然数である。値はマッピングのセグメントに
対して割り当てられ、第１の角度方向における隣接セグ
メント間の各遷移がａπ／２ｂまたは−（４ｂ−１）π
／２ｂのステップに等しく、そして反対の角度方向にお
ける隣接セグメント間の各遷移が−ａπ／２ｂまたは
（４ｂ−ａ）π／２ｂのステップに等しいように割り当
てられる。

【００３１】本発明の前記および他の特徴および利点は
以下の詳細記述からさらに明らかとなる。説明には一組
の図面が付随している。記載されているテキストの番号
に対応している図面の番号は本発明の特徴を指してい
る。記載された説明と図面の両方全体を通じて同じ番号
は同じ機能を指している。

【００３２】

【発明の実施の形態】本発明はステップ型の変調シーケ
ンスを採用している光ファイバ・ジャイロにおけるクロ
ストークの問題に向けられている。そのようなシーケン
スは最大の検出感度（±π／２、±３π／２）が採用さ
れている時に観測される「フロアー（ｆｌｏｏｒ）」を
超えるジャイロの出力のランダム・ウォークの内容を減
らす結果となる範囲において有益である。本発明におい
ては、ステップ型の過変調波形のランダムおよび決定論
的な波形の両方が、クロストークの消去または実質的な
削減による過変調の利点をジャイロの出力において提供
するジャイロの、光電子的位相変調器に対して印加する
ために選定される。本発明による過変調波形は結果の復
調シーケンスから実質的に相関がなくなっている。これ
によって、ジャイロが変調信号の漏れによるバイアスの
影響を受けないようになる。

【００３３】本発明は候補のステップ型の過変調波形を
生成するために所定の、あるいはランダムなパターンに
従って旋回させられるマッピングを生成するための方法
を提供する。次に、その旋回のパターンが、下記のデコ
リレーション（ｄｅｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ）に対する
必要な条件が満足されることを確保するためにチェック
される。その後、変調波形の性質（すなわち、決定論的
か、あるいはランダムか）によって十分条件が調べられ
る。

【００３４】この図はランダム、疑似ランダムまたは決
定論的な方法のいずれかに変換することができる。変調
シーケンスがランダムまたは疑似ランダムである場合、
米国特許第５，１２３，７４１号によって示されている
ように、出力の誤差が時間によって打ち消される。他
方、ほどよいタイム・フレーム内で出力の誤差の打消し
を得る決定論的過変調シーケンスだけが採用される。
「候補の」決定論的過変調シーケンスは米国特許第５，
１８９，４８８号に示されているような直交性の性質に
対する「スクリーン型」がある。従って、本発明は、
（１）ランダム・ウォークの削減（２）避けられないシ
ステム・クロストークの影響に対する感度の低下によっ
て特徴付けられるジャイロの出力を発生する、ジャイロ
のセンサ・コイルの内部で反対方向に伝播している光ビ
ーム間の位相差を人工的にバイアスするための変調シー
ケンスを示す。

【００３５】＜Ｉ．過変調シーケンスの生成＞図３は本
発明に従ってサナック干渉計の位相変調器をドライブす
るための波形を生成するための、モジュロ２πのマッピ
ングである。図３に従ってマッピングを採用することお
よび以下に説明される必要条件を満足することによっ
て、過変調の領域において人工的な位相シフトを課する
ためのランダムおよび決定論的なソースの波形を容易に
導くことができる。そのような変調はランダム・ウォー
ク特性が改善された干渉計出力信号を提供することが知
られている。さらに、十分条件も満足する決定論的波形
だけを採用することによって、ジャイロ・システムの寄
生クロストークの重要な問題に同時に対処することがで
きる。

【００３６】図３を参照すると、±３π／４および±５
π／４の人工的な位相シフトのシーケンスを導入するた
めのマッピングが配置されている。各ディスクリート位
相シフトはその持続時間が単独ループの転送時間τに等
しい。図３の図を図１のジャイロの出力の図と相互参照
することによって、生成されるべき過変調シーケンスは
ジャイロの出力曲線の３０、３０´および３２、３２´
に示されている点の間の「スイッチング」に関与する。

【００３７】図３のマッピングは８個のセグメントに分
割される閉じた円を含んでいる。図３のマッピングはセ
ンサ・コイル内の反対方向に伝播している光ビーム間
に、±３π／４および±５π／４の光学的位相シフトを
課するための、位相変調器をドライブするためのステッ
プ型の波形を生成するように配置されている。このステ
ップ型の過変調波形を生成するためのディスクリートな
値は各セグメントの内部にマークされている。従って、
図３のマッピングは次のように配置される。１つのセグ
メントから隣のセグメントへのマッピングに関する反時
計回り（方向「Ａ」）の各遷移が＋３π／４または−５
π／４の数値的な差に影響し、一方時計回り（方向
「Ｂ」）の各遷移は−３π／４または＋５π／４のいず
れかの数値差に影響する。物理的には、隣接セグメント
間の差、またはステップはステップ型の過変調波形の値
における変化によって加えられる。各遷移は完全な１回
の通過時間τの後に発生する。

【００３８】マッピングのセグメントを反時計回り、す
なわち、方向Ａに旋回させることによって、０、３π／
４、３π／２、π／４、π、７π／４、π／２、および
５π／４の過変調波形の値が順次生成され、最終の状態
は最初へ折り返し、すなわち、第１への遷移を行なう。
「Ｒ」とマークされている太線は±５π／４の遷移にお
けるマッピングの中央から放射状に延びており、それは
変調波形のモジュロ２πのロールオーバに対応してい
る。

【００３９】光学的位相シフトを発生させるステップ型
の波形を生成するための図３の代表的なマッピングを採
用するに先立って、図３のマッピングは±３π／４およ
び±５π／４の電圧ステップには制限されていないドラ
イブ波形を含めるために一般化することができることに
注意すべきである。同様なマッピングの手段によってス
テップ型の過変調波形を生成することは次の関係から導
かれる。 Ｓ×θ＝２πＮ （１）

【００４０】前の式においてθはラジアン単位での過変
調の領域における位相シフトのサイズを表し、Ｎは整数
であり、Ｓは過変調波形を生成するために必要なマッピ
ングのセグメント数の最小値を表す。式１に対する解を
与える位相シフトだけがマッピングの生成に適してお
り、従って適切な過変調波形の導出に適している。候補
の位相シフト、すなわち、±ａπ／２ｂが調べられ、そ
して上記の式に対する解を生じることが分かると、その
結果の変調波形は±ａπ／２ｂの位相シフトおよび±
（４ｂ−ａ）π／２ｂの位相シフトのロールオーバ値を
含むことになる。任意の式１に与えられた解に対する位
相シフトの絶対値およびロールオーバの値の和は２πで
ある。以下の表Ｉは上記の式１に基づいた位相差の値に
対するマッピングの設計を要約している。

【表１】

【００４１】＜ＩＩ．信号のデコリレーション：必要条
件＞候補のステップ型の過変調波形は図３のマッピング
（または、式１に従って導かれる同様なマッピング）か
ら、それを時計回り（方向Ｂ）と反時計回り（方向Ａ）
の回転の組合せの中で旋回させることによって得られ
る。各回転は１つのマッピング・セグメントから隣接す
る１つのセグメントへの遷移に関与する。前に指摘した
ように、セグメントからセグメントへの各遷移（すなわ
ち、変調電圧値から隣接する電圧値への遷移）は過変調
位相シフトまたはロールオーバ位相シフトのいずれかに
等しい値の変化を表す。

【００４２】過変調シーケンスのタイプ、すなわち、ラ
ンダム、疑似ランダムまたは決定論的の各タイプは、反
時計回りの回転が時計回りの回転とミックスされる方法
を決定する。例えば、乱数発生器を利用し、そして生成
された各偶数の番号に時計回りの回転を関係付け、生成
された各奇数番号に時計回りの回転を関係付ける決定規
則を採用することができる。対照的に、関連のマッピン
グに関する時計回りおよび反時計回りの回転の決定論的
なシーケンスはあらかじめ定められている。

【００４３】上記のように生成される過変調波形を定義
しているシーケンスは、ジャイロの復調器からデコリレ
ーションを実行できる候補としてクオリファイ（ｑｕａ
ｌｉｆｙ）するために、そしてクロストークのクリアの
ために２つの条件を満足しなければならない。第１の必
要条件として、十分に長い期間（すなわち、１秒程度）
にわたって時計回りの遷移の数は反時計回りの数に等し
くなければならない。第２の条件として、図３の中の図
のすべてのセクターは時計回りおよび反時計回りの両方
において少なくとも一度旋回されなければならない。さ
らに望ましい１つの条件として、各セクターは程よい時
間間隔（すなわち、１秒程度の）にわたって各方向にお
ける等しい数の時間、各セクターは旋回される必要があ
る。

【００４４】図４（ａ）および図４（ｂ）はサナック干
渉計の位相変調器をドライブするための図３のマッピン
グに従って得られる波形、および人工的光学位相シフト
が印加された結果のシーケンスをそれぞれ示している。
図４（ａ）の波形は過変調の領域内の位相変調器をドラ
イブするためのステップ型の波形を含んでいる。それは
光ファイバ・ジャイロの中の復調からの変調のデコリレ
ーション、および変調の変化の速度）に対する２つの必
要な条件を満足している一連の±３π／４、±５π／４
の電圧ステップを含んでいる。その波形の性質は決定論
的であり、先ず最初に反時計回り（方向Ａ）、そして次
の時計回り（方向Ｂ）の１全回転を通じて図３のマッピ
ングを掃引することによって形成される。図４（ｂ）は
ジャイロのセンサ・コイルの内部で反対方向に伝播して
いる光ビームに課される結果の人工的な光学的位相シフ
トの図である。採用されている決定論的な方式はかなり
単純であるが、図４（ａ）および図４（ｂ）は図３によ
るマッピングに関しての回転の他の任意の方式に対し
て、または異なるサイズの光学的位相シフトに基づく等
価のマッピングに関する回転の他の任意の方式に対して
適用可能である。

【００４５】これから分かるように、印加される一連の
人工的な位相シフト（図４（ｂ））は３π／４と−３π
／４の５回の位相シフト、および５π／４と−５π／４
の３回の位相シフトから構成されている。ステップ型の
波形を生成するための本発明の方法は、位相変調のスケ
ール・ファクタの誤差の自動観察も提供する。このプロ
セスまたは結果は図５の中で観察することができる。こ
の図はスケール・ファクタの誤差のためにそれぞれ３
４、３４′、３６、３６′から３４″、３４′′′、３
６″および３６′′′へそれぞれシフトされた、±３π
／４および±５π／４の動作点を持つジャイロの出力の
図である（すなわち、位相シフトが過大に印加されたも
の）。

【００４６】図５に示されているように、±３π／４と
±５π／４の点の間のスプリット３８はスケール・ファ
クタの誤差によって生じている。この図は過大な位相シ
フトが印加された場合の結果を示している。使われる位
相シフトが小さ過ぎた場合（スケール・ファクタが低過
ぎた場合）、このシフトによって方向が逆転される。シ
フト３８を観測することによって、制御のアルゴリズム
を使ってスケール・ファクタを適切な値に調整すること
（すなわち、ゼロ・スプリット）に調整することができ
る。さらに、スケール・ファクタに誤差がある場合、図
４６に示されているような３回の５π／４の遷移ごとに
５回の３π／４の遷移がある場合において、ジャイロの
出力において観測される正味の誤差は０であること、す
なわち、−５×（３π／４）＋３×（５π／４）−３×
（５π／４）＋５×（３π／４）＝０であることに注意
されたい。従って、３π／４および５π／４の遷移の
５：３での正しい重み付けが不可欠な条件である。もっ
と一般的には、±ａπ／２ｂおよび±（４ｂ−ａ）π／
２ｂの遷移が（４ｂ−ａ）：ａの比で重み付けられなけ
ればならない。

【００４７】＜III．復調：ランダム（疑似ランダム）
シーケンス＞本発明に従って生成されたランダムまたは
疑似ランダムのシーケンスに対して２つの必要な条件が
満足されると、時間についての変調信号の、そして変調
信号の変化の速度のデコリレーション（誘起された光学
的位相シフトに等しい）が復調シーケンスに関してその
後に続く。従って、スケール・ファクタの誤差の自己相
関に加えて、ステップ型の過変調組成のランダムおよび
疑似ランダム的に生成された信号がクロストークの存在
によって実質的に影響を受けないジャイロの出力信号を
作り出す。

【００４８】米国特許第５，１２３，７４１号はランダ
ムに生成された変調信号から得られた信号を寄生信号と
は統計的に独立である復調信号として使うことを示して
いる。その発明の中にあるように、ランダムまたは疑似
ランダムのステップ型の過変調波形の生成はジャイロの
出力信号からのクロストークの修正を実質的になくす。
ランダム・シーケンスは結果としてジャイロの出力信号
からクロストークの影響をなくす。一方、所定の長さの
ランダムに生成されたシーケンスの繰返しを含んでいる
疑似ランダムの波形は、実質的にジャイロの出力からク
ロストークの影響を消去するが、理論的には全面的に消
去するわけではない。

【００４９】＜IV．復調：直交シーケンス＞本発明にお
いて、変調波形および変調波形の変化の速度は直交性を
使うことによって復調シーケンスから相関が解除され
る。２つのシーケンスＡ_i、Ｂ_iはｎ個の時間間隔にわた
るＡ_iＢ_iの和がゼロに等しい場合に、「ｎ」の期間にわ
たって直交していると言われる。そのようなシーケンス
は決定論的である。ランダムまたは疑似ランダムのシー
ケンスと違って、直交的であるように設計されたシーケ
ンスのペアは予測可能な数の期間内において確実にゼロ
の平均値を持つ。対照的にランダムな性質を持つシーケ
ンスは予測不可能な長さの相関付けられたサブシーケン
スを含む可能性がある。直交シーケンスのこの特徴によ
って、光コイルの有限個数の変調された通過のデータ表
現を解析することができる。

【００５０】位相変調の問題に対する応用に対してすべ
ての波形が有用であるわけではなく、反対方向に伝播し
ているビームに人工的な位相差を印加する適切な波形を
選定するために発明者は直交の復調シーケンスに部分的
に基づいた一連の選択基準を導いた。

【００５１】本発明においては、決定論的な過変調シー
ケンスの選択のための十分条件として直交性の基準が採
用される。そのような基準を上記の図４（ａ）の代表的
なステップ型の波形に関連付け、そしてそれが導かれた
図３のマッピングを参照して、直交性に対する決定論的
な過変調電圧の評価は次のようになる。一次復調シーケ
ンスは波形の生成時に取られる図３のマッピングに関す
るセグメント間の遷移の方向（方向Ａは反時計回り、そ
して方向Ｂは時計回り）に従って＋１または−１の値を
割り当てることによって、図４（ａ）の中に示されてい
るタイプのステップ型の波形から導かれる。任意に、採
用された決まりはセグメントから隣のセグメントへの反
時計回りの遷移に対して＋１を割り当て、時計回りの遷
移に対して−１を割り当てる。

【００５２】以前に述べられたように、図４（ａ）の波
形は先ず最初に「ゼロ」電圧セグメントから８個の反時
計回りのステップを採取し、その次に別の８個の連続し
た時計回りの遷移を続けることによって図３のマッピン
グから生成される。前に説明したように、この決定論的
な方式は本発明に従ってドライブ波形を生成するための
２つの必要条件を満足する。前記から続く一次復調シー
ケンスは［＋１、＋１、＋１、＋１、＋１、＋１、＋
１、＋１、−１、−１、−１、−１、−１、−１、−
１、−１］である。二次復調シーケンスもやはり図３の
マッピングから導くことができる図４（ａ）のステップ
型の電圧波形から続く。また、そのような二次復調シー
ケンスも図３のマッピングから導かれる一連の＋１およ
び−１の値を含んでいる。

【００５３】二次の、すなわち、スケール・ファクタの
復調シーケンスはステップ型の波形の生成時にＲとマー
クされている太いロールオーバ軸が横切られた各瞬間に
対して＋１の値を割り当て、他のすべての回転の遷移に
対して−１を割り当てることによって決定される。ふた
たび図４（ａ）の代表的な決定論的波形に戻って、関連
付けられた二次シーケンスは［−１、−１、＋１、−
１、−１、＋１、−１、＋１、＋１、−１、＋１、−
１、−１、＋１、−１、−１］である。関連付けられて
いる一次および二次の復調シーケンスが直交しなければ
ならないことを規定している、サナック干渉計に対する
変調シーケンスを選択するための決定基準を評価するこ
とによって、先行している復調シーケンスを要素ごとの
ベースで乗算し、その後、結果の和を取らなければなら
ない。乗算によって−１、−１、＋１、−１、−１、＋
１、−１、＋１、−１、＋１、−１、＋１、＋１、−
１、＋１、＋１が得られ、その和は０である。従って、
図４（ａ）のステップ型の電圧波形は本発明に従って決
定論的な過変調波形に対する必要条件を満足するだけで
はなく、関連付けられた一次および二次の復調シーケン
スの、その直交性の十分条件をも満足する。

【００５４】上記のようにして導かれた候補のステップ
型の波形がジャイロの出力の品質に関連しているいくつ
かの基準に関して調べられる。実際に、位相シフトの数
多くの候補シーケンスがコンピュータに入力される可能
性がある。以前に述べたように、いくつかの規則（すな
わち、十分条件）は結果のディジタル復調シーケンスに
は関連付けられず、一方、他の規則はそのようなシーケ
ンスにだけ向いている。本発明による変調シーケンスの
検査は両方のタイプの基準に関して、そして任意の順序
で発生することができる。

【００５５】先ず最初に復調を参照して、ステップ型の
各波形が上記のように一次および二次の復調シーケンス
に変換される。次に、その一次および二次の復調シーケ
ンスのペアが要素ごとのベースで乗算されて直交性が決
定される。直交の一次および二次の復調ペアを発生しな
い波形は無視される。次に生き残った波形がさらに以下
に説明されるように解析されて不適切な方法が消去され
る。

【００５６】選択の第２の規則として、ステップ型の波
形の＋ａπ／２ｂ （ｂ≠１）と−（４ｂ−ａ）π／２
ｂの値の合計個数は−ａπ／２ｂと＋（４ｂ−ａ）π／
２ｂの値の合計個数に等しくなければならない。これは
＋ａπ／２ｂにおけるジャイロ出力の干渉縞に対する接
線の傾斜が−（４ｂ−ａ）π／２ｂにおける接線の傾斜
と同じであり、一方、−ａπ／２ｂと＋（４ｂ−ａ）π
／２ｂにおける接線の傾斜も等しいからである。ジャイ
ロの干渉縞の微分値、すなわち、傾斜は速度誤差を示す
ので、一次、すなわち、速度の復調はその曲線の接線、
すなわち、傾斜を調べる。復調された正の（または負
の）および負の（または正の）傾斜における点の数の間
の不等性によって強度信号におけるオフセットに対する
感度が導かれ、誤った速度の指示値を生じる可能性があ
る。

【００５７】最後の品質的選択基準は±（４ｂ−ａ）π
／２ｂの電圧値に対する±ａπ／２ｂの電圧値の数の比
が（４ｂ−ａ）／ａに等しくならなければならないこと
である。この条件または規則が満足されなかった場合、
スケール・ファクタの誤差の関数として見かけの平均強
度レベルのシフトが発生する。さらに、検出器またはプ
リアンプにおけるオフセットの存在によって、スケール
・ファクタの誤差の測定値が変動することになる。

【００５８】前に述べたように、候補のステップ型の波
形の検査のための上記の基準の他に、いくつかの規則が
暗黙の復調シーケンスに関連している。単独の軸および
複数のジャイロ・システムの両方に適用されるそのよう
な規則が以下に説明される。

【００５９】１．一次復調は二次復調シーケンスに対し
て直交していなければならない。既に述べたこの規則は
速度誤差およびスケール・ファクタの誤差が互いに衝突
しないことを確保するために必要である。すなわち、ス
ケール・ファクタの誤差の存在は速度の誤差を意味せ
ず、その逆も成立する。

【００６０】２．ステップ型の波形のディジタル表現お
よび個々のビット、それぞれの積分値および微分値は一
次および二次の復調シーケンスの両方に対して直交して
いる必要がある。

【００６１】３．電圧波形のディジタル表示の変化およ
び個々のビットの変化、それぞれの積分値および差分値
は一次および二次の復調シーケンスの両方に対して直交
していなければならない。

【００６２】４．単独検出器の構成の場合、どのジャイ
ロの一次復調器も他の任意のジャイロの一次変調および
他の任意のジャイロの二次変調に対して直交していなけ
ればならない。同様に、どのジャイロの二次復調も任意
の他のジャイロの一次復調および二次復調に直交してい
なければならない。これは単独のジャイロのシステムに
関して既に説明した数多くの条件に基づいて変調シーケ
ンスの選択に関して説明された手順の拡張を表す。

【００６３】５．単独検出器の構成の場合、電圧波形の
ディジタル表現および任意のジャイロの個々のビットお
よびそれぞれの積分および微分は、任意の他のジャイロ
の一次および二次の復調に対して直交していなければな
らず、波形の変化のディジタル表現および任意のジャイ
ロの個々のビットの変化は、任意の他のジャイロの一次
復調および二次復調に直交していなければならない。

【００６４】６．シーケンスの長さはループ・コントロ
ーラの十分なバンド幅を確保するために最小の長さ（３
２ジャイロ通過サイクル以下が好ましい）の長さである
ことが望ましい。というのは、そのようなバンド幅はシ
ーケンスの長さに逆比例するからである。

【００６５】上記の規則のうち、第１の規則は単独軸の
システムに対して絶対的に必要であり、一方、第４の規
則は単独の検出器を使っている複数軸のシステムに対し
て絶対的に必要である。さらに、規則１は複数の検出器
を採用している複数軸のシステムに対して満足されなけ
ればならない。他の規則は、望ましい条件（クロストー
クによるバイアスを消去するような）を設定するが、そ
れらは絶対に必要というものではない。

【００６６】＜Ｖ．過変調を処理するためのジャイロの
構成＞図６はジャイロの位相変調器をドライブするため
にステップ型の波形を利用するように構成されている３
軸の光ファイバ・サナック干渉計のブロック図である。
図６の構成は単独の光源４６および単独の検出器４８を
利用するシステムにおける光コイル４０、４２および４
４の出力を処理するのに適している。当業者であれば、
図６の回路およびそれに関連したステップ型の過変調波
形は本発明に従って容易に変更することができ、他の複
数のジャイロ・システム（例えば、２または４軸）にお
いて対応する利点を提供することは容易に分かる。

【００６７】図６に戻ると、レーザー・ダイオードの光
源４６が、光源および光のプリアンプの両方として動作
するように構成されている稀土類ドープのファイバ５２
をポンプするために、波長分割のマルチプレックス・フ
ァイバ・カプラー５０を経由してエネルギーを提供す
る。

【００６８】広帯域のファイバ源５２によって放出され
る光が、図に示されているように、一次（５０／５０）
カプラー５６および一対の二次（５０／５０）カプラー
５８および６０を含んでいるスプリッタ‐コンバイナー
（ｃｏｍｂｉｎｅｒ）ネットワーク５４に対して印加さ
れる。スプリッター‐コンバイナーのネットワーク５４
は、入射光を４つの波に等しく分割するように働く。そ
れらの４つの波のうちの３つは、３つの直交軸に関して
回転速度を測定するために、３つの光コイル４０、４２
および４４へ配送される。光エネルギーの第４の部分は
広帯域のファイバ・ソースのプリアンプ５２の出力を安
定化するための回路の一部を形成するモニター検出器６
２へ配送される。そのような回路は新しくもなく、本発
明の不可欠の特徴とも考えられないので、図６には詳細
は示されていない。

【００６９】複数機能の集積化された光チップ６４、６
６および６８が光コイル４０、４２および４４にそれぞ
れ関連付けられている。そのようなチップの各々がＬｉ
ＮｂＯ₃またはＬｉＴａＯ₃などの電子光アクティブ材料
のサブストレートを含んでいて、ｙジャンクションの導
波管がその上にデポジットまたは拡散されており、さら
に偏波器を含んでいて、スプリッタ‐コンバイナーのネ
ットワーク５４と光ファイバ・コイル４０、４２および
４４との間の両方のインターフェースとして機能し、コ
イルおよび位相変調器の内部の反対方向に伝播している
２つのビームの中に入力の光エネルギーを分離する（そ
して後で組み合わせる）ように働き、反対方向に伝播し
ているビームのペアの間に人工的な位相差を適用する。
後者に関して、６４、６６および６８の各チップは、本
発明に従って決定される過変調シーケンスを有効にする
ための位相変調機能を組み込んでいる。この機能はアナ
ログ波形に対して応答する。そのような波形は以下に説
明されるディジタル−アナログ変換器から受信される。

【００７０】４０、４２および４４の各光コイルは上記
のように他の２つのジャイロに対して印加された波形に
関連して（しかし、それとは独立に）、部分的に選択さ
れる別の波形によって変調される。ディジタル−アナロ
グ変換器７０、７２および７４は所望の光位相シフトを
誘起するために、チップ６４、６６および６８へそれぞ
れアナログの電気信号を提供する。

【００７１】ジャイロ４０、４２および４４の位相変調
された光信号出力はスプリッタ／コンバイナーのネット
ワーク５４を通って帰ってきて、カプラー５８および５
６において逐次組み合わせられる。その組み合わされた
信号は次に波長分割マルチプレックス・ファイバ・カプ
ラー５０を通って、光プリアンプとして入力の光信号に
作用する広帯域ファイバ・ソース５２へ転送される。次
にこの組み合わされた信号は共通の光検出器４８に印加
され、その中でそれは光の強度に比例する電流または電
圧に対応するように変換される。結果の電気信号は次に
プリアンプ７６へ印加され、そして次にアナログ−ディ
ジタル変換器７８へ印加され、３つのディジタル速度復
調器８０、８２および８４に対して同時に送信される増
幅されてディジタイズされた信号を作り出す。

【００７２】ディジタル信号プロセッサ８６は８０、８
２および８４の各速度復調器と通信し、ディジタル−ア
ナログ変換器７０、７２および７４へ向けて送るための
出力を提供し、ジャイロのコイル４０、４２および４４
に関連付けられている変調器に対して変調波形を印加す
る。８０、８２および８４の各速度復調器は、同じ組み
合わされた出力信号を受け入れながら、データ径路８
８、９０および９２をそれぞれ通って信号プロセッサ８
６からユニークな一次または速度復調シーケンスを受信
する。さらに、信号プロセッサ８６はバス９４、９６お
よび９８を通じて各軸に対する復調された速度を受信す
る。各速度復調器の出力は直交軸の１つに対する速度誤
差信号である。その復調された速度信号は次に信号プロ
セッサ８６（または、並列の個々の信号プロセッサ）に
よって処理されてフィードバックのランプ信号を生成す
る。そのランプ信号はそのジャイロに対する復調器から
の速度誤差信号をゼロにドライブするための特定のジャ
イロに対する変調シーケンスに対して追加される。

【００７３】変換器４８によって提供されるディジタル
信号は、位相変調器のスケール・ファクタ誤差の測定に
関連付けられている二次復調器１００、１０２および１
０４へも提供される。１００、１０２および１０４の各
復調器はデータ径路１０６、１０８、１１０をそれぞれ
通って信号プロセッサ５６からユニークな二次、すなわ
ち、スケール・ファクタの復調シーケンスをも受信す
る。さらに、信号プロセッサ５６はバス１１２、１１４
および１１６を通って各軸に対する復調されたスケール
・ファクタ・データを受信する。各スケール・ファクタ
復調器の出力は直交軸の１つに対するスケール・ファク
タの誤差信号である。その復調されたスケール・ファク
タ信号は次に信号プロセッサ８６によって（または、並
列の個々の信号プロセッサによって）処理されて残りの
スケール・ファクタの誤差に対する補正値を生成する。
そのような補正は多くの異なる方法の１つによって行な
うことができる。

【００７４】例えば、変調およびリセット値以外に速度
復調器８０、８２、および８４の出力を使って生成され
たディジタルのランプ信号を、位相変調器の感度誤差ま
たは変動に対して補正するスケール・ファクタで乗算す
ることができる。また、Ｄ／Ａ変換器７０、７２および
７４に対するディジタル入力がその位相変調器の感度に
比例したアナログ電圧を生成するように、Ｄ／Ａ変換器
７０、７２、および７４の基準電圧を調整することがで
きる。図６は速度およびスケール・ファクタの復調を別
々のブロックとして示しているが、信号処理プロセッサ
８６が十分なスループットを有している場合は、その信
号プロセッサ８６の内部で直接にこれらの機能を組み込
むことができる。

【００７５】図７は信号プロセッサ８６の構成のブロッ
ク図表現である。信号プロセッサ８６は８０、８２およ
び８４の３つの各速度復調器に対してユニークな基準信
号を提供し、その返りにそれらの復調器の出力の速度誤
差信号を受け取る。次に、その速度誤差信号が本発明に
従って操作され、次のループ通過時間の間に変調器６
４、６６および６８をドライブするためのフィードバッ
クおよび変調信号が導かれる。

【００７６】図７を参照しての図解および説明は、その
信号プロセッサの動作の詳細が単独軸に関してのみ示さ
れている限りにおいて或る程度単純化されている。しか
し、前記の説明から、関与する同様な処理によって他の
軸に対しても次の説明が適用可能であることは理解され
る。３つの軸に関連している信号の処理の間の唯一の実
質的な違いは、各軸に対して「割り当てられた」変調
（そして、従って、復調）シーケンスの間の違いから導
かれる。前の説明から明らかなように、決定論的に導か
れたステップ型の過変調波形に基づいて復調シーケンス
を選択するためのプロセスは、関連の選択規則を適用す
るにあたって複数軸のシステムの場合にすべての軸を考
慮に入れる。すなわち、復調シーケンス（そして、従っ
て、対応している変調シーケンス）は図６に示されてい
るような単独の検出器１８を利用している３軸のシステ
ムに対して「グループとして」選定される。

【００７７】図７を参照すると、各種の信号プロセッサ
の機能が点線で囲まれたセクション８６の内部に示され
ている。ディジタル−アナログ変換器７０の出力によっ
て変調され、そしてその出力が速度復調器８４において
復調されるジャイロの軸に注目して、そのような軸に対
するユニークな一次復調シーケンスが、一次復調／変調
ゼネレータ１１８（３つのゼネレータのうちの１つ）か
ら受信されることが観測できる。そのようなシーケンス
は決定論的、ランダムまたは疑似ランダムであり得る。
上記のように、その一次復調／変調ゼネレータ１１８か
ら受信されたシーケンスが、検出器４８において受信さ
れたコンポジットの出力信号から対応している軸に対す
る速度誤差信号を抽出するために速度復調器８４に印加
される。決定論的な過変調が採用されている場合、ゼネ
レータ１１８は＋１および−１の値のあらかじめプログ
ラムされたシーケンスを記憶するためのレジスタを含ん
でいる。ランダムの過変調が採用されている場合、ゼネ
レータ１１８は＋１および−１のランダム・シーケンス
を提供する乱数発生器を含んでいる。最後に、疑似ラン
ダムの過変調の場合、ゼネレータ１１８は所定のビット
長のレジスタと組み合わせられた乱数発生器を含んでい
る。

【００７８】速度誤差信号はランプ・ゼネレータ１２０
に対して印加され、そのジャイロの位相ランプに対応す
るディジタル・シーケンスを作り出す。

【００７９】ディジタル積分器１２２は先ず最初にディ
ジタルの一次復調シーケンスをゼネレータ１１８から受
信する。積分器１２２は図３に示されているようなマッ
ピングに関して一次シーケンスによって記述されている
遷移を実質的に「追跡」する。以前に説明されているよ
うに、その一次復調シーケンスによって表される遷移は
ディジタル復調シーケンスに対して加えられた人工的な
位相シフトに関連している。変調はジャイロの位相変調
器に対するドライブ信号を提供するために、ランプ・ゼ
ネレータ１２０によって生成されたディジタル・ランプ
に対して追加される。しかし、利用できる限定されたド
ライブ電圧範囲を収容するために、その信号をロールオ
ーバまたはリセットしてそれが２ｎπの範囲をカバーす
るようにする必要がある。

【００８０】ディジタル・コンパレータであってもよい
が、バイナリ・フォーマットのディジタル・データの適
切なスケーリングから直接の結果として得られてもよい
ロールオーバ・センサ１２４が、図３のマッピングの中
に示されているようなロールオーバ遷移を検出するため
に使われる。ロールオーバ遷移がセンスされると、調べ
られている軸の二次復調シーケンスが、その軸に対する
二次復調シーケンスを作り出すために上記のように対応
してセーブされる。バッファ１２６がその二次復調シー
ケンスを受け付ける。次に、その二次復調が、Ａ／Ｄ変
換器７８によって提供されるＦＯＧ出力信号のディジタ
ル表現で動作する二次復調器１０４に対して印加され
る。二次復調器１０４は実際の位相変調のスケール・フ
ァクタ（または感度）をマッチさせるために、正しい値
にそのディジタル出力をスケールする乗算器１２８の手
段によってそのスケール・ファクタ誤差を求め、それに
対して補正する。

【００８１】乗算器１２８の出力はジャイロの位相変調
器の感度に対して適切にスケールされて組み合わせられ
た変調およびランプ信号のディジタル表現を含んでい
る。次に、乗算器１２８の出力は電子光変調器６４をド
ライブするために選択された軸のディジタル−アナログ
変換器７０に対して印加される。

【００８２】光ファイバ・ジャイロの位相変調器をドラ
イブするためのステップ型の波形の選択に関して本発明
の内容を採用することによって、より低いランダム・ウ
ォーク、実質的なバイアスなしの過変調の意味での利点
を利用することができる。そのようなクロストークの効
果は本発明に従って決定論的な、あるいはランダムな変
調方式が採用される場合に消去され、一方、それらは意
味のある期間の疑似ランダム過変調が採用された場合に
は無視できる程度になる。

【００８３】図８は最小のランダム・ウォーク性能を得
るための本発明による単独軸のサナック光ファイバ干渉
計の略図である。ファイバ・コイル１３０が図６に関し
て要素６４、６６、および６８として以前に示されてい
たタイプの集積型の光チップ１３２に付加されている。
ｙジャンクション１４２が集積された光チップ１４２に
実装され、入ってくる光を時計回りおよび反時計回りの
方向の伝播に分離している。ｙジャンクション１４２に
おける再組合せの後、出力ビームは検出器１３８へ導か
れる。（ｙジャンクション１４２のベースがカプラー１
３４に対して付加され、その１つの分岐は光源１３６に
接続され、そして他の分岐は検出器１３８に接続されて
いる。

【００８４】従って、光源１３６から発せられた光（半
導体または光ファイバのソースであってよい）はカプラ
ー１３４およびｙジャンクション１４２を経由してファ
イバ・コイル１３０に入り、一方、コイル１３０から出
てくる光はｙジャンクション１４２によって組み合わせ
られてカプラー１３４を通って検出器１３８へ回送され
る。） 検出器１３８はその光出力を電気信号に変換
し、次にその信号は導体１４０に沿って、図６の要素７
６および７８として示されているような増幅器およびＡ
／Ｄ変換器に対して印加される。ジャイロの変調および
制御は図６の要素７０として示されているようなＤ／Ａ
の変換器の手段によって生成されるジャイロのドライブ
信号と一緒に図６の中に示されているような構成の単独
チャネルを通して実行される。そのドライブ信号は集積
された光チップ１３２の位相変調器を制御する。従っ
て、単独の速度変調器および二次変調器がジャイロの軸
あたりに使われていることを除いて、図６および図７の
内容は図８の単独軸の干渉計に対して適用される。

【００８５】本発明はその現在好適な実施形態に関して
説明されてきたが、それに限定されるわけではない。む
しろ、本発明は特許請求の範囲の請求項の集合によって
規定される範囲においてのみ制限され、それに等価なも
ののすべてをその範囲に含んでいる。

【図面の簡単な説明】

【図１】過変調の領域を持つ従来の矩形波変調を図示し
て対比するための、光ファイバ・ジャイロスコープの出
力の位相シフトの関数としての光強度（または、パワ
ー）のグラフである。

【図２】光ファイバ・ジャイロの出力のランダム・ノイ
ズ成分と光源のピーク・パワーとの間の関係を示してい
るグラフである。

【図３】本発明に従ってサナック干渉計の位相変調をド
ライブするための波形を生成するためのマッピングであ
る。

【図４（ａ）】干渉計の位相変調器をドライブする信号
および、人工の光位相シフトの結果のシーケンスを示し
ている波形である。それぞれジャイロのセンサ・コイル
の内部を反対方向に伝播している光ビームに印加される
波形である。

【図４（ｂ）】干渉計の位相変調器をドライブする信号
および、人工の光位相シフトの結果のシーケンスを示し
ている波形である。それぞれジャイロのセンサ・コイル
の内部を反対方向に伝播している光ビームに印加される
波形である。

【図５】本発明に従って生成される人工的な位相シフト
のシーケンスにおける暗黙のスケール・ファクタの誤差
の補正を示すための、位相シフトの関数としての光ファ
イバ・ジャイロスコープの出力の強度またはパワーのグ
ラフである。

【図６】直交復調シーケンスに基づいている変調を利用
するために構成された３軸光ファイバ・サナック干渉計
のブロック図である。

【図７】本発明の変調プロセスの実装を示すための機能
ブロック図である。

【図８】最小のランダム・ウォーク基準に対する本発明
による単独軸光ファイバ信号干渉計の単純化された回路
図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ダニエル エー．タザルテス アメリカ合衆国，913094 カリフォルニ ア，ウエスト ヒルズ，ジャスティス ス トリート 23729 (72)発明者 アマド コルドヴァ アメリカ合衆国，91307 カリフォルニア, ウエスト ヒルズ，ウッドレイク アヴァ ニュー 6704

Claims (31)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 サナック干渉計によって回転速度を測定
   するための方法であって、前記干渉計が、光源と、該光
   源の出力から一対の光ビームを生成して該ビームをセン
   サ・コイルの反対の端に導いてその中を反対方向に伝播
   させ、前記ビームを前記コイルの通過後、再び組み合わ
   せて出力信号を提供するためのカプラーと、前記の反対
   方向に伝播しているビームに一連の人工的な光位相シフ
   トを印加するための変調器と、前記出力信号から回転速
   度の情報を抽出するための復調器とを含むタイプの干渉
   計であり、 ａ）人工的な位相シフトのシーケンスを前記の反対方向
   に伝播している光ビームに印加し、前記の各位相シフト
   の持続時間がセンサ・コイルの通過時間に等しいように
   するための前記変調器をドライブするステップと、 ｂ）±ａπ／２ｂおよび±（４ｂ−ａ）π／２ｂの値か
   ら前記人工のシフト値を選択し、ａが奇数の整数であ
   り、ｂが１より大きい整数であるような選択するステッ
   プとを含む方法。
2. 【請求項２】 シーケンスを選択するステップが、前記
   の値のモジュロ２πのマッピングを導くステップをさら
   に含んでいることを特徴とする、請求項１に記載の方
   法。
3. 【請求項３】 前記のモジュロ２πのマッピングを導く
   ステップが、 ａ）各セグメントが前記位相変調器をドライブするため
   のステップ型の波形の１つの値に関連付けられていて、
   Ｓが、 Ｓ×θ＝２πＮ （但し、θは｜ａπ／２ｂ｜であり、
   Ｎは整数である） に従う自然数である場合に、前記マッピングをＳ個のセ
   グメントに分割するステップと、 ｂ）（ｉ）第１の角度方向における隣接セグメント間の
   各遷移がａπ／２ｂまたは−（４ｂ−ａ）π／２ｂのス
   テップに等しく、反対の角度方向の隣接マッピング・セ
   グメント間の各遷移が−ａπ／２ｂまたは（４ｂ−ａ）
   π／２ｂのステップに等しく、そして（ｉｉ）各値が２
   π以下であるように、前記の値を前記セグメントに割当
   てるステップと、 ｃ）ロールオーバ軸によって前記第１の角度方向におい
   て値が減少する隣接セグメント間の各境界をマークする
   ステップとをさらに含んでいることを特徴とする、請求
   項２に記載の方法。
4. 【請求項４】 ａ）前記マッピングのすべてのセグメン
   トを第１の方向に旋回させ、 ｂ）前記マッピングのすべてのセグメントを反対の方向
   に旋回させることによって、前記変調器をドライブする
   ための前記値を選択するステップをさらに含んでいるこ
   とを特徴とする、請求項３に記載の方法。
5. 【請求項５】 疑似ランダム・シーケンスに従って前記
   マッピングを旋回させることによって前記ステップ型の
   波形を導くステップをさらに含んでいる、請求項４に記
   載の方法。
6. 【請求項６】 ランダムに生成されたシーケンスに従っ
   て前記マッピングを旋回させることによって前記ステッ
   プ型の波形を導くステップをさらに含んでいることを特
   徴とする、請求項４に記載の方法。
7. 【請求項７】 決定論的なシーケンスに従って前記マッ
   ピングを旋回させることによって、前記ステップ型の波
   形を導くステップを含んでいる、請求項４に記載の方
   法。
8. 【請求項８】 ａ）第１のステップ型の波形に対応する
   一次および二次の復調シーケンスを生成するステップ
   と、次に、 ｂ）次に、所定の基準に従って前記の一次復調シーケン
   スと二次復調シーケンスを比較するステップと、次に、 ｃ）前記基準が満足されるように復調シーケンスが生成
   されるまで、少なくとも１回以上のステップ型の波形に
   ついてステップａおよびｂを繰り返すステップと、 ｄ）前記基準を満足する復調シーケンスに対応している
   前記ステップ型の波形を選択するステップとをさらに含
   んでいる、請求項７に記載の方法。
9. 【請求項９】 選定されたシーケンスに対応している一
   次および二次の復調シーケンスを生成するステップが、
   前記マッピングの所定の遷移に対して＋１または−１を
   割り当てるステップをさらに含んでいることを特徴とす
   る、請求項８に記載の方法。
10. 【請求項１０】 前記一次シーケンスを導くステップ
    が、 ａ）前記マッピングの反時計回りの各遷移に対して＋１
    を割り当てるステップと、 ｂ）前記マッピングの時計回りの各遷移に対して−１を
    割り当てるステップとをさらに含んでいることを特徴と
    する、請求項９に記載の方法。
11. 【請求項１１】 前記二次シーケンスを導くステップ
    が、 ａ）遷移が前記マッピングのロールオーバ軸を横切るた
    びに＋１の値を割り当てるステップと、 ｂ）遷移がロールオーバ軸以外の軸を横切るたびに−１
    の値を割り当てるステップとをさらに含んでいることを
    特徴とする、請求項１０に記載の方法。
12. 【請求項１２】 前記復調シーケンスを比較するステッ
    プが、 ａ）前記シーケンスを要素ごとのベースで乗算するステ
    ップと、次に、 ｂ）次に、前記乗算の積の和を取るステップとを含んで
    いることを特徴とする、請求項１１に記載の方法。
13. 【請求項１３】 選択のステップが、前記乗算の積の和
    が０に等しいシーケンスを選択するステップをさらに含
    んでいることを特徴とする、請求項１２に記載の方法。
14. 【請求項１４】ａ）前記の各位相シフトを要素ごとのベ
    ースで前記一次復調シーケンスによって乗算するステッ
    プと、 ｂ）前記乗算の積の和を取るステップと、 ｃ）前記乗算の積の和が０であるシーケンスを選択する
    ステップをさらに含んでいる、請求項１３に記載の方
    法。
15. 【請求項１５】ａ）前記各位相シフトを前記二次復調シ
    ーケンスによって要素ごとのベースで乗算するステップ
    と、次に、 ｂ）前記乗算の積の和を取るステップと、次に、 ｃ）前記乗算の積の和が０であるシーケンスを選択する
    ステップとをさらに含んでいる、請求項１４に記載の方
    法。
16. 【請求項１６】ａ）前記シーケンスの連続している位相
    シフトの間の遷移の値を計算するステップと、次に、 ｂ）前記各遷移を前記一次復調シーケンスによって要素
    ごとのベースで乗算するステップと、次に、 ｃ）前記乗算の積の和を取るステップと、次に、 ｄ）前記乗算の積の和がゼロであるシーケンスを選択す
    るステップとをさらに含んでいる、請求項１３に記載の
    方法。
17. 【請求項１７】 サナック干渉計の位相変調器をドライ
    ブするための波形を生成するための方法であって、 ａ）（ｉ）前記モジュロ２πのマッピングをＳ個のセグ
    メントに分割し、ＳがＳ×θ２πＮ（但し、θは｜ａπ
    ／２ｂ｜であり、Ｎは整数である）に従う自然数であ
    り、そして（ｉｉ）第１の角度方向における隣接のマッ
    ピング・セグメント間の各遷移がａπ／２ｂまたは−
    （４ｂ−ａ）π／２ｂであって、その反対の角度方向に
    おける隣接マッピング・セグメント間の各遷移が−ａπ
    ／２ｂまたは（４ｂ−ａ）π／２ｂであるように前記各
    セグメントに対して前記変調をドライブするための値を
    割り当てることによる値のモジュロ２πのマッピングを
    導くステップと、次に、 ｂ）第１の方向におけるすべての前記セグメントをスル
    ーして、そしてその反対の方向におけるすべての前記セ
    グメントをスルーして所定のシーケンスに従って前記マ
    ッピングを旋回させてステップ型の波形を生成するステ
    ップと、次に、 ｃ）前記ステップ型の波形に対応する一次および二次の
    復調シーケンスを生成するステップと、次に、 ｄ）所定の基準に従って前記一次復調シーケンスと二次
    復調シーケンスを比較するステップと、次に、 ｅ）前記基準が満足されるように復調シーケンスが生成
    されるまでステップｂを繰り返すステップと、次に、 ｆ）前記基準を満足する復調シーケンスに対応する前記
    ステップ型の波形を選択するステップとを含む方法。
18. 【請求項１８】 前記基準が一次および二次の復調シー
    ケンスの相互の直交性であることを特徴とする、請求項
    １７に記載の方法。
19. 【請求項１９】 一対の光ビームが光ファイバのコイル
    の内部を反対方向に伝播し、各ループの通過時間の間に
    それらの間に課される一連の人工的な位相シフトの手段
    によって変調されるタイプの、回転速度を測定するため
    の方法において、前記位相シフトを±ａπ／２ｂおよび
    ±（４ｂ−ａ）π／２ｂ（但し、ａは奇数の整数であ
    り、ｂは１より大きい整数である）から選択するステッ
    プを含んでいる方法。
20. 【請求項２０】 前記位相シフトを選択するステップ
    が、前記変調器を駆動するための値のモジュロ２πのマ
    ッピングを導くステップをさらに含んでいることを特徴
    とする、請求項１９に記載の方法。
21. 【請求項２１】 モジュロ２πラジアンのマッピングを
    導く前記ステップが、 ａ）Ｓが、 Ｓ×θ＝２πＮ （但し、θは｜ａπ／２ｂ｜であり、
    Ｎは整数である） に従う自然数であり、前記モジュロ２πのマッピングを
    Ｓ個のセグメントに分割するステップと、 ｂ）第１の角度方向における隣接マッピング・セグメン
    ト間の各遷移がａπ／２ｂまたは−（４ｂ−ａ）π／２
    ｂに対応し、そしてその反対の角度方向における隣接マ
    ッピング・セグメント間の各遷移が−ａπ／２ｂまたは
    （４ｂ−ａ）π／２ｂの位相シフトに対応するように、
    前記の各セグメントに対して前記変調器をドライブする
    ための値を割り当てるステップとをさらに含んでいるこ
    とを特徴とする、請求項２０に記載の方法。
22. 【請求項２２】 前記変調器をドライブするための前記
    値を選択するステップが、 ａ）第１の角度方向において前記セグメントのすべてを
    スルーして前記マッピングを旋回させるステップと、 ｂ）その反対の角度方向において前記セグメントのすべ
    てをスルーして前記マッピングを旋回させるステップと
    をさらに含んでいる、請求項２１に記載の方法。
23. 【請求項２３】 前記マッピングを疑似ランダム・シー
    ケンスに従って旋回させることによって前記ステップ型
    の波形を導くステップをさらに含んでいる、請求項２２
    に記載の方法。
24. 【請求項２４】 前記マッピングをランダムに生成され
    たシーケンスに従って旋回させることによって前記ステ
    ップ型の波形を導くステップをさらに含んでいる、請求
    項２２に記載の方法。
25. 【請求項２５】 前記マッピングを決定論的なシーケン
    スに従って旋回させることによって、前記ステップ型の
    波形を導くステップを含んでいる、請求項２２に記載の
    方法。
26. 【請求項２６】 ａ）前記マッピングの前記旋回に対応
    する一次および二次の復調シーケンスを生成するステッ
    プと、次に、 ｂ）所定の基準に従って前記の一次復調シーケンスと二
    次復調シーケンスを比較するステップと、次に、 ｃ）前記基準が満足されるように復調シーケンスが生成
    されるまで、さらに少なくとももう１つのステップ型の
    波形についてａおよびｂのステップを繰り返すステップ
    と、次に、 ｄ）前記基準を満足する復調シーケンスに対応する前記
    ステップ型の波形を選択するステップとをさらに含んで
    いる、請求項２５に記載の方法。
27. 【請求項２７】 少なくとも１つの軸の回りの回転速度
    を測定するためのサナック干渉計において、その干渉計
    は少なくとも１つのセンサ・コイルの中を反対方向に伝
    播している一対の光ビームに対してセンサ・コイルの通
    過時間に等しい持続時間の光位相シフトのシーケンスを
    印加するための位相変調器と、少なくとも１つの軸の回
    りの回転速度を求めるために、前記少なくとも１つのビ
    ーム・ペアを組み合わせるため、そして復調するための
    手段とを含んでいるタイプの干渉計であり、±ａπ／２
    ｂおよび±（４ｂ−ａ）π／２ｂ（但し、ａは奇数の整
    数であり、ｂは１より大きい整数である）の人工的な位
    相シフトのシーケンスを課するためのステップ型の波形
    を導くために、前記位相変調器に対してビット・シーケ
    ンスを提供するためのゼネレータを含むサナック干渉
    計。
28. 【請求項２８】 前記ゼネレータが乱数発生器をさらに
    含んでいることを特徴とする、請求項２７に記載のサナ
    ック干渉計。
29. 【請求項２９】 ±ａπ／２ｂおよび±（４ｂ−ａ）／
    ２ｂ（但し、ａは奇数の整数であり、ｂは１より大きい
    整数である）の人工的な位相シフトがジャイロのセンサ
    ・コイルの内部を反対方向に伝播しているビームに印加
    される、光ファイバ・ジャイロスコープの位相変調器を
    ドライブするためのステップ型の波形を生成するための
    モジュロ２πのマッピングであって、該マッピングが、
    組合せにおいて、 ａ）前記マッピングが閉じた円からなり、 ｂ）前記円がＳ個のセグメントに分割されていて、前記
    各セグメントが前記ステップ型の波形の１つの値に関連
    付けられていて、 ｃ）Ｓが、 Ｓ×θ＝２πＮ （但し、θは｜ａπ／２ｂ｜であり、
    Ｎは整数である） に従う自然数であり、 ｄ）前記セグメントの前記値は第１の角度方向における
    隣接セグメント間の各遷移がａπ／２ｂまたは−（４ｂ
    −ａ）π／２ｂのステップに等しく、その反対の角度方
    向における隣接セグメント間の各遷移が−ａπ／２ｂま
    たは（４ｂ−ａ）π／２ｂのステップに等しいようなマ
    ッピング。
30. 【請求項３０】 前記値のいずれもが２πを超えないこ
    とをさらに特徴とする、請求項２９に記載のモジュロ２
    πのマッピング。
31. 【請求項３１】 前記第１の角度方向において値が減少
    する隣接セグメント間の境界をマークするロールオーバ
    軸をさらに含んでいる、請求項３０に記載のモジュロ２
    πのマッピング。