JPH1096634A - Phase modulation type optical fiber gyro - Google Patents

Phase modulation type optical fiber gyro

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JPH1096634A
JPH1096634A JP25166496A JP25166496A JPH1096634A JP H1096634 A JPH1096634 A JP H1096634A JP 25166496 A JP25166496 A JP 25166496A JP 25166496 A JP25166496 A JP 25166496A JP H1096634 A JPH1096634 A JP H1096634A
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JP
Japan
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signal
light
phase modulation
optical fiber
angular velocity
Prior art date
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Pending
Application number
JP25166496A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Hisao Sonobe
久雄 園部
Masahiro Komachiya
昌宏 小町谷
Tatsuya Kumagai
達也 熊谷
Katsuaki Daito
克明 大都
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Hitachi Cable Ltd
Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Cable Ltd
Hitachi Ltd
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Filing date
Publication date
Application filed by Hitachi Cable Ltd, Hitachi Ltd filed Critical Hitachi Cable Ltd
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Publication of JPH1096634A publication Critical patent/JPH1096634A/en
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To attain low cost and high performance by intermittently supplying drive current for coherence light source by the pulse signals with different base frequencies and detecting input angular velocity and outputting based on low frequency signals. SOLUTION: Photoelectric current generated by signal light changed from the current of coherence light source 1 into pulse type with a switch SW2 flows intermittently with a delay for a transmission time τ. this is converted to voltage with a resistor R1 , averaged with a low-pass filter of a resistor R3 and a capacitor C2 and input 12. Here, pulse signal Ef2 is added to a switch SW1 to close contacts A and C for only the period of flow of the photoelectric current and contacts B and C are closed for the other period, the current by the signal light is sent to an operation amplifier OA1 , which is converted to voltage in the resistor R2 to be an output Eoe-1 . This output waveform becomes a pulse series with a long period and is smoothed with the low-pass filter to be an output Eoe-2 with time axis of N times. This frequency becomes a low frequency the same as 1/N times of the base frequency of drive voltage of a phase modulator 3 and a signal processor 10 pays attention to this to detect and output the input angular velocity.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は光ファイバを用いて
角速度を検出するようにした光ファイバジャイロに係わ
り、特に自動車などの移動体に搭載し、方位等を検出す
るのに好適な小形の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 for detecting an angular velocity using an optical fiber, and particularly to a small-sized light suitable for being mounted on a moving body such as an automobile and detecting an azimuth. It relates to a fiber gyro.

【0002】[0002]

【従来技術】角速度検出用のセンサとしては、従来から
ジャイロ(ジャイロスコープ)が知られているが、近
年、ソリッドステート化されたジャイロとして光ファイ
バジャイロが実用化されるようになり、その例として特
開昭61−29715号「開ループ干渉計において生じ
る非可逆的位相シフトを測定するための装置」および特
開昭63−314410号「位相変調式光ファイバジャ
イロ」の記載を挙げることができる。
2. Description of the Related Art As a sensor for detecting an angular velocity, a gyroscope (gyroscope) has been conventionally known. In recent years, an optical fiber gyroscope has been put into practical use as a solid-state gyroscope. Japanese Patent Application Laid-Open No. Sho 61-29715, "Apparatus for measuring irreversible phase shift generated in an open loop interferometer" and Japanese Patent Application Laid-Open No. 63-314410, "Phase modulation type optical fiber gyro" can be cited.

【0003】ここに示したものは、位相変調式光ファイ
バジャイロのクローズドループ方式(特開昭61−29
715号)およびオープンループ方式(特開昭63−3
14410号)の基本構成であり、この場合、位相変調
器の駆動電圧の基本周波数の最適値は光ファイバループ
の光ファイバの全長によって定まり、駆動電圧の基本周
波数の最適値は光ファイバの全長に反比例する。光ファ
イバの全長が数十メートルの場合、駆動電圧の基本周波
数の最適値は数MHzになり、駆動電圧の波形が方形波
の場合、光電変換部および信号処理部は数十MHzの高
周波を扱うことができる特殊なものを使用する必要があ
った。
[0003] The one shown here is a closed-loop system of a phase modulation type optical fiber gyro (Japanese Patent Laid-Open No. 61-29).
No. 715) and an open loop system (Japanese Patent Laid-Open No. 63-3 / 1988).
In this case, the optimum value of the fundamental frequency of the drive voltage of the phase modulator is determined by the total length of the optical fiber of the optical fiber loop, and the optimum value of the fundamental frequency of the drive voltage is determined by the total length of the optical fiber. Inversely proportional. When the total length of the optical fiber is several tens of meters, the optimum value of the fundamental frequency of the driving voltage is several MHz, and when the waveform of the driving voltage is a square wave, the photoelectric conversion unit and the signal processing unit handle a high frequency of several tens MHz. Had to use something special that could.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術の光電変
換部および信号処理部は高周波を扱うことができる特殊
なものを使用していたため、装置が高価になり、また、
位相変調器の駆動電圧の光電変換部への回り込みなどに
起因する出力のバイアス発生などの不具合があった。
As the above-mentioned conventional photoelectric conversion unit and signal processing unit use special ones that can handle high frequencies, the apparatus becomes expensive, and
There has been a problem such as generation of an output bias due to a sneak of the drive voltage of the phase modulator into the photoelectric conversion unit.

【0005】本発明の目的は安価で、かつ高性能な位相
変調式光ファイバジャイロを提供することにある。
An object of the present invention is to provide an inexpensive and high-performance phase modulation type optical fiber gyro.

【0006】[0006]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、位相変調器に加える駆動電圧の基本周波数と基本周
波数が異なるパルス信号で可干渉性光源の駆動電流を断
続して二つの周波数の掛け算を行い、二つの周波数の和
と差のビート周波数を発生させ、その二つのビート周波
数のうちの差のビート周波数、すなわち周波数が低くな
った方の信号にもとづいて入力角速度の検出出力を得る
ようにする。
In order to achieve the above object, the drive current of the coherent light source is intermittently switched between two frequencies by a pulse signal having a fundamental frequency different from the fundamental frequency of the drive voltage applied to the phase modulator. Multiplication is performed to generate a beat frequency of the sum and difference of the two frequencies, and a detection output of the input angular velocity is obtained based on the beat frequency of the difference between the two beat frequencies, that is, the signal with the lower frequency. To do.

【0007】[0007]

【発明の実施の形態】以下、本発明による位相変調式光
ファイバジャイロの一実施例を詳細に説明する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, an embodiment of a phase modulation type optical fiber gyro according to the present invention will be described in detail.

【0008】まず、構成について説明すると、図1に示
される実施例は、大きく分けて、可干渉性光源1、光分
岐器2、位相変調器3、光ファイバループ4からなる光
学系と、それ以外の信号処理部からなるものである。光
学系は一例として、破線で囲ったように光分岐器2と位
相変調器3を一体化した光集積回路を使用し、また、ホ
トダイオードPDは可干渉性光源1の光の出力端の反対
側に近接させ、可干渉性光源1を通り抜けた信号光を受
光するような最も簡単な構成にしている。
First, the configuration will be described. The embodiment shown in FIG. 1 is roughly divided into an optical system including a coherent light source 1, an optical splitter 2, a phase modulator 3, and an optical fiber loop 4; Other than the signal processing unit. As an example, the optical system uses an optical integrated circuit in which the optical splitter 2 and the phase modulator 3 are integrated as surrounded by a broken line, and the photodiode PD is on the opposite side of the light output end of the coherent light source 1. , And receives the signal light passing through the coherent light source 1 in the simplest configuration.

【0009】図において、光学系の可干渉性光源1は例
えば一般のレーザダイオードまたは超発光形ダイオード
であり、モニタ用のホトダイオードPDを内蔵したもの
である。光分岐器2はニオブ酸リチュウムの基板にY字
形の光導波路を形成したものであり、モードフィルタの
効果を利用したビームスプリッタである。また、位相変
調器3は光導波路をはさむように両側に電極を設け、そ
の電極に駆動電圧Emを印加することによって光導波路
の屈折率を変え(等価的に光路長を変え)、光導波路部
を通過するときの伝搬時間に変化を与えるものであり、
交流的な光の位相バイアス手段として機能する。光ファ
イバループ4は全長数十mの例えば単一モードの偏波面
保存光ファイバをコイル状に巻いたものであり、入力角
速度Ωinのセンシング部である。なお、可干渉性光源
1と光分岐器2は光ファイバによって接続している。
In FIG. 1, a coherent light source 1 of an optical system is, for example, a general laser diode or a super-light emitting diode, and has a built-in monitoring photodiode PD. The optical splitter 2 is formed by forming a Y-shaped optical waveguide on a lithium niobate substrate, and is a beam splitter utilizing the effect of a mode filter. Further, the phase modulator 3 is provided with electrodes on both sides so as to sandwich the optical waveguide, and changes the refractive index of the optical waveguide (equivalently, changes the optical path length) by applying a drive voltage Em to the electrode, thereby changing the optical waveguide section. To change the propagation time when passing through
It functions as AC light phase bias means. The optical fiber loop 4 is formed by winding, for example, a single-mode polarization-maintaining single-mode optical fiber having a total length of several tens of meters in a coil shape, and is a sensing unit for input angular velocity Ωin. The coherent light source 1 and the optical splitter 2 are connected by an optical fiber.

【0010】最初に、この光学系の基本的な動作につい
て説明すると、まず、可干渉性光源1を出た光は光ファ
イバを介して光分岐器2に入って二つの方向に分岐し、
それぞれの光を光ファイバループ4を一巡させて元の分
岐点に戻し、二つの光を合成して一つの光にする。図に
破線の矢印で示したこの合成した光を信号光と呼ぶこと
にする。二つの光が合成される直前の位相関係は、それ
ぞれの光が位相変調器3を通過するときに電極にどのよ
うな大きさの駆動電圧Emが印加されていたかによって
決定され、例えば、時計回り方向(CW)の光が位相変
調器3を通過するときの電極の駆動電圧Emと、分岐点
を同時に出発した反時計回り方向(CCW)の光が位相
変調器3を通過するときの電極の駆動電圧Emが異なれ
ば、必ず二つの光に位相差が発生し、位相バイアスが与
えられる。電極に印加する駆動電圧Emの変化の半周期
を光ファイバループ4を光が伝搬する時間と等しくする
ことによって最も効率よく位相バイアスをが与えること
ができ、このときの変化の1周期の逆数が位相変調器3
の駆動電圧Emの最適な駆動周波数である。
First, the basic operation of the optical system will be described. First, light emitted from the coherent light source 1 enters an optical splitter 2 via an optical fiber and splits in two directions.
Each light loops through the optical fiber loop 4 to return to the original branch point, and the two lights are combined into one light. This combined light indicated by the dashed arrow in the figure will be referred to as signal light. The phase relationship immediately before the two lights are combined is determined by the magnitude of the drive voltage Em applied to the electrodes when the respective lights pass through the phase modulator 3, and is, for example, clockwise. The driving voltage Em of the electrode when the light in the direction (CW) passes through the phase modulator 3 and the driving voltage Em of the electrode when the light in the counterclockwise direction (CCW) starting from the branch point passes through the phase modulator 3 simultaneously. If the driving voltages Em are different, a phase difference always occurs between the two lights, and a phase bias is applied. The phase bias can be applied most efficiently by making the half cycle of the change in the drive voltage Em applied to the electrode equal to the time for light to propagate through the optical fiber loop 4, and the reciprocal of one cycle of the change at this time is Phase modulator 3
Is the optimum driving frequency of the driving voltage Em.

【0011】ここで、光ファイバの屈折率を1.5、光
ファイバループ4の全長を50m、光の真空中の伝搬速
度を30万km/sとすると、光ファイバループ4を光
が伝搬する時間(伝搬時間τとする)、すなわち駆動電
圧Emを変化させる半周期は伝搬時間τと等しい0.2
5μs、よって最適な駆動周波数の1周期は0.5μ
s、周波数は2MHzになる。通常、位相バイアスの大
きさは約1/2πにして入力角速度Ωinに対する光の
位相変化の感度を最大にしている。なお、信号光に含ま
れる駆動電圧Emの基本周波数と等しい周波数成分およ
び奇数調波成分は、入力角速度ΩinのSinに比例し
て増減し、信号光に含まれる位相変調器3を駆動するE
mの偶数調波成分は、入力角速度ΩinのCosに比例
して増減する。
Here, assuming that the refractive index of the optical fiber is 1.5, the total length of the optical fiber loop 4 is 50 m, and the propagation speed of the light in a vacuum is 300,000 km / s, the light propagates through the optical fiber loop 4. The time (propagation time τ), that is, a half cycle for changing the driving voltage Em is 0.2 which is equal to the propagation time τ.
5 μs, so one cycle of the optimal driving frequency is 0.5 μ
s, the frequency becomes 2 MHz. Usually, the magnitude of the phase bias is set to about 1 / 2π to maximize the sensitivity of the phase change of the light to the input angular velocity Ωin. The frequency component equal to the fundamental frequency of the drive voltage Em included in the signal light and the odd harmonic component increase and decrease in proportion to the Sin of the input angular velocity Ωin, and drive the phase modulator 3 included in the signal light.
The even harmonic component of m increases or decreases in proportion to the Cos of the input angular velocity Ωin.

【0012】次に、光電変換部および信号処理部につい
て説明すると、まず、光分岐器2を出た信号光は可干渉
性光源1をほぼ1倍の増幅度(厳密に云えば光ファイバ
と可干渉性光源1の結合損失を補う程度の増幅作用があ
る)で通過してホトダイオードPDに入り光電電流が抵
抗R1、R3に流れる。(ただし、スイッチSW1は接
点AとCが常時接続されているものとする) 抵抗R
3、コンデンサC2、光出力制御器12、スイッチSW
2(ここでは常時ON状態とする)からなる部分は可干
渉性光源1の光出力を指令値Epに見合った値に一定に
保持するものである。抵抗R3とコンデンサC2の回路
はローパスフィルタ作用のある負帰還回路であり、光電
電流の平均値が一定になるように制御するものである。
スイッチSW2の作用については後述する。
Next, the photoelectric conversion unit and the signal processing unit will be described. First, the signal light that has exited the optical splitter 2 causes the coherent light source 1 to have an amplification factor of approximately one-fold (strictly speaking, an optical fiber and an optical fiber). (There is an amplifying action that compensates for the coupling loss of the coherent light source 1), enters the photodiode PD, and the photoelectric current flows through the resistors R1 and R3. (However, the contact points A and C are always connected to the switch SW1.)
3, capacitor C2, optical output controller 12, switch SW
The portion consisting of 2 (in this case, it is always ON) keeps the light output of the coherent light source 1 constant at a value commensurate with the command value Ep. The circuit including the resistor R3 and the capacitor C2 is a negative feedback circuit having a low-pass filter function, and controls the average value of the photoelectric current to be constant.
The operation of the switch SW2 will be described later.

【0013】オペアンプOA1と抵抗R1、R2とコン
デンサC1とスイッチSW1からなる部分は最も一般的
な電流電圧変換回路であり、ホトダイオードPDと共に
光電変換回路を形成するものである。光電変換部出力E
oeは増幅器5によって所要の電圧レベルまで増幅し、
A/Dコンバータ6に入力電圧Einとして加え、ここ
でアナログ量をディジタル量に変換して信号処理部10
に入力している。信号処理部10には発信器11と波形
整形器7とD/Aコンバータ8が接続してあり、信号処
理部10は発信器11の出力のクロック信号Ef0に同
期して簡単な数値演算の実行と、クロック信号Ef0を
分周して所定の基本周波数のパルス信号Ef1〜Ef3
を発生し、A/Dコンバータ6およびD/Aコンバータ
8との信号のやり取りを行い、最終出力として外部へ数
値出力Ωoutを出すものである。波形整形器7は信号
処理部10から出たパルス信号Ef1を減衰もしくは増
幅して所定の大きさの方形波のパルス信号Ef1mに変
換してミキサ9に加えるものである。ここで、仮に、鋸
歯状電圧Erampを零とすると、ミキサ9の出力、す
なわち位相変調器3を駆動する駆動電圧Emの大きさ
は、前述した時計回り方向の光と反時計回り方向の光の
位相差がほぼπ/2になる値にすることが一般的であ
る。D/Aコンバータ8は信号処理部10の数値出力に
見合って鋸歯状電圧Erampを作ってミキサ9に加え
るものである。
The portion including the operational amplifier OA1, the resistors R1 and R2, the capacitor C1, and the switch SW1 is the most general current-voltage conversion circuit, and forms a photoelectric conversion circuit together with the photodiode PD. Photoelectric conversion unit output E
oe is amplified to a required voltage level by the amplifier 5,
The input voltage Ein is applied to the A / D converter 6, where the analog amount is converted into a digital amount and converted into a digital amount.
Is being entered. The signal processor 10 is connected to a transmitter 11, a waveform shaper 7 and a D / A converter 8, and the signal processor 10 executes a simple numerical operation in synchronization with a clock signal Ef0 output from the transmitter 11. And the frequency of the clock signal Ef0 is divided to generate pulse signals Ef1 to Ef3 having a predetermined fundamental frequency.
, And exchanges signals with the A / D converter 6 and the D / A converter 8 to output a numerical output Ωout to the outside as a final output. The waveform shaper 7 attenuates or amplifies the pulse signal Ef1 output from the signal processing unit 10, converts the pulse signal Ef1 into a square wave pulse signal Ef1m having a predetermined size, and adds the pulse signal Ef1m to the mixer 9. Here, assuming that the sawtooth voltage Eramp is zero, the output of the mixer 9, that is, the magnitude of the driving voltage Em for driving the phase modulator 3 is the same as that of the clockwise light and the counterclockwise light. In general, the phase difference is set to a value that becomes approximately π / 2. The D / A converter 8 generates a sawtooth voltage Eramp in accordance with the numerical output of the signal processing unit 10 and adds the sawtooth voltage Eramp to the mixer 9.

【0014】まず、入力角速度ΩinとA/Dコンバー
タ6の入力電圧EinとD/Aコンバータ8の出力の鋸
歯状電圧Erampとの関係について説明すると、前述
したように、入力角速度Ωinが零の場合、入力電圧E
inに含まれる駆動電圧Emの基本周波数成分およびそ
の奇数調波成分と同一成分は零であるため、入力角速度
Ωinを相殺する光学的な逆回し機構は動作せず、鋸歯
状電圧Erampは傾きが零である。
First, the relationship between the input angular velocity Ωin, the input voltage Ein of the A / D converter 6 and the sawtooth voltage Eramp of the output of the D / A converter 8 will be described. , Input voltage E
Since the fundamental frequency component of the drive voltage Em included in and the same component as the odd harmonic component thereof are zero, the optical reversing mechanism for canceling the input angular velocity Ωin does not operate, and the sawtooth voltage Eramp has a slope. It is zero.

【0015】一方、入力角速度Ωinが零でない場合
は、入力電圧Einに駆動電圧Emの基本周波数成分お
よび奇数調波成分が一時的に発生するが、直ちに静的な
逆回し機構が動作してこの周波数成分の電圧を相殺する
ように鋸歯状電圧Erampの電圧の傾きが変わり、最
終的に、前記周波数成分は零になる。鋸歯状波電圧Er
ampは無限に大きくすることができないため、途中で
リセットする必要がある。リセットの一例として、鋸歯
状波電圧ErampのPーPを光の位相差に換算して常
に2πにする方法がある。その場合、リセットの回数は
入力角度に比例し、単位時間当たりのリセットの回数
(回数/s)は入力角速度Ωinに比例するため、容易
に入力角速度Ωinを検出でき、出力Ωoutを出すこ
とができる。すなわち、スイッチSW1、SW2が動作
しないここまでの構成はクローズドループ式の位相変調
式光ファイバジャイロの基本構成であり、よく知られた
動作をするものである(動作の詳細については前記した
特開昭61−29715号の記載を参照されたい)。し
たがって、この構成によると、前述したように光ファイ
バループの全長が短い場合には位相変調器3の駆動電圧
Emの基本周波数が高くなるため、光出力制御部以外の
部分の周波数特性を高域特性が良好なものにする必要が
あり、特殊な部品を使用するため、装置が高価になる不
具合がある。
On the other hand, when the input angular velocity Ωin is not zero, a fundamental frequency component and an odd harmonic component of the drive voltage Em are temporarily generated in the input voltage Ein. The slope of the voltage of the sawtooth voltage Eramp changes so as to cancel the voltage of the frequency component, and finally, the frequency component becomes zero. Sawtooth voltage Er
Since amp cannot be increased indefinitely, it needs to be reset on the way. As an example of the reset, there is a method in which the PP of the sawtooth voltage Eramp is converted to the phase difference of light to always be 2π. In this case, the number of resets is proportional to the input angle, and the number of resets per unit time (number / s) is proportional to the input angular velocity Ωin. Therefore, the input angular velocity Ωin can be easily detected and the output Ωout can be output. . That is, the configuration up to this point in which the switches SW1 and SW2 do not operate is the basic configuration of the closed-loop phase modulation type optical fiber gyro, and performs a well-known operation. See the description of JP-A-61-29715). Therefore, according to this configuration, when the total length of the optical fiber loop is short as described above, the fundamental frequency of the drive voltage Em of the phase modulator 3 increases, so that the frequency characteristics of the parts other than the optical output control unit are changed to the high frequency range. It is necessary to have good characteristics, and there is a problem that the apparatus becomes expensive because special parts are used.

【0016】次に、図2を用いて本発明の基本動作につ
いて説明する。まず、上述したようにスイッチSW1、
SW2が動作していない場合で、かつ、入力角速度Ωi
nが零の場合、位相変調器3の駆動電圧Emを光の位相
バイアスがほぼπ/2になる所定の大きさのデューティ
ー50%の方形波とすると、光の位相バイアスおよび信
号光の波形は図示したようになり、信号光の波形はAo
領域とBo領域の両方の出力レベルがそれぞれ最大出力
の1/2になり、スパイクo部を除いた波形は平坦にな
る。スパイクoは伝搬時間τと駆動電圧Emの基本周波
数が不一致やデューティーが50%でない場合に位相バ
イアスが零になって発生するものであり、波高値は最大
値になる。
Next, the basic operation of the present invention will be described with reference to FIG. First, as described above, the switch SW1,
When SW2 is not operating and the input angular velocity Ωi
If n is zero and the drive voltage Em of the phase modulator 3 is a square wave having a predetermined magnitude of 50% duty and the phase bias of the light becomes substantially π / 2, the phase bias of the light and the waveform of the signal light become As shown, the waveform of the signal light is Ao
The output levels of both the region and the Bo region are each 1 / of the maximum output, and the waveform excluding the spike o portion is flat. The spike o occurs when the propagation time τ and the fundamental frequency of the drive voltage Em do not match or the duty is not 50%, and the phase bias becomes zero, and the peak value becomes the maximum value.

【0017】一方、入力角速度Ωinが零でない場合は
信号光の波形のAo領域とBo領域の出力レベルが異な
り、段差ができる。前述した逆回し機構が動作するとこ
の段差が零になるように鋸歯状電圧Erampの傾きが
制御され、信号光の波形は入力角速度Ωinが零のとき
と全く同じ波形になる。スイッチSW1、SW2が動作
していないときの光電電流の波形は図示していないが、
信号光の波形に可干渉性光源1の反出力端の直流的出力
が加算された波形になる。
On the other hand, when the input angular velocity Ωin is not zero, the output levels of the Ao region and the Bo region of the signal light waveform are different, and a step is formed. When the above-described reverse rotation mechanism operates, the slope of the sawtooth voltage Eramp is controlled so that the step becomes zero, and the waveform of the signal light becomes exactly the same as when the input angular velocity Ωin is zero. Although the waveform of the photoelectric current when the switches SW1 and SW2 are not operating is not shown,
A waveform is obtained by adding the DC output of the non-output end of the coherent light source 1 to the waveform of the signal light.

【0018】ここで、スイッチSW2のみがパルス信号
Ef3に応じて断続した場合について考えると、まず、
可干渉性光源1の光出力は可干渉性光源1の電流とほぼ
相似的に変化するため、可干渉性光源1の電流をスイッ
チSW2によってパルス状に変化させることによって光
出力がパルス状に変化し、その結果、信号光による光電
電流は図示したAi部、Bi部、スパイクi部のように
伝搬時間τに等しい時間遅延して断続的に流れる。さら
に、光電電流にはほとんど遅延しない可干渉性光源1の
反光出力側の光出力による電流が加わり、光電電流の波
形は図示したようになる。この光出力による光電電流は
信号光によるものの数十倍になる。光電電流は抵抗R1
によって電圧に変換され、前述したように抵抗R3とコ
ンデンサC2からなるローパスフィルタで平均化され光
出力制御器12に負帰還信号として加わり、最終的に、
光出力指令値Epに見合った値に光出力が一定に保持さ
れる。この動作はスイッチSW1が動作しても変わらな
い。
Here, considering the case where only the switch SW2 is intermittent in response to the pulse signal Ef3, first,
Since the light output of the coherent light source 1 changes substantially similar to the current of the coherent light source 1, the light output changes in a pulse shape by changing the current of the coherent light source 1 in a pulse shape by the switch SW2. As a result, the photoelectric current due to the signal light flows intermittently with a time delay equal to the propagation time τ as shown in the illustrated Ai, Bi and spike i portions. Further, a current due to the light output on the non-light output side of the coherent light source 1 that hardly delays is added to the photoelectric current, and the waveform of the photoelectric current is as shown in the figure. The photoelectric current due to this light output is several tens times larger than that due to the signal light. The photoelectric current is the resistance R1
Is converted to a voltage, averaged by the low-pass filter including the resistor R3 and the capacitor C2 as described above, and applied to the optical output controller 12 as a negative feedback signal.
The light output is kept constant at a value corresponding to the light output command value Ep. This operation does not change even when the switch SW1 operates.

【0019】ところで、この可干渉性光源1の反光出力
側の光出力によって流れる光電電流には入力角速度Ωi
nに関する情報が全くなく、この後の信号増幅や信号処
理の妨げになるものである。したがって、この有害な成
分を除去して信号光によって流れる成分のみを選択増幅
することによって増幅器5が飽和するような問題が解消
される。信号の選択はスイッチSW1のトグルスイッチ
としての作用によって実現し、スイッチSW1にパルス
信号Ef2を加え、図示したように信号光による光電電
流が流れている期間のみ接点Aと接点Cを閉じ、それ以
外の期間は接点Bと接点Cを閉じることによってオペア
ンプOA1に信号光による電流のみを選択して流すこと
ができ、その電流を抵抗R2(コンデンサC1がないと
仮定した場合)によって電圧に変換すると図の光電変換
部出力Eoe−1のようになる。ここで、パルス信号E
f2とパルス信号Ef3はパルスの周期が等しく、位相
とパルス幅が異なるものである。また、パルスの周期は
動作を理解しやすくするために周期=(2τ±α)のα
の値をかなり大きい値にしているために、光電変換部出
力Eoe−1の波形の繰り返し周期は短くなっており、
その基本周波数は信号光の基本周波数とほとんど変わら
ないように図示しているが、実際のαの値は2τの1〜
2%であり、光電変換部出力Eoe−1の波形の繰り返
し周期は長くなり、Ae部が数十個連続し、それにスパ
イクe部が数個連続し、さらにBe部が数十個連続する
ようなパルス列になり、そのパルス列をコンデンサC1
と抵抗R2からなる1次のローパスフィルタで平滑する
と光電変換部出力Eoe−2のようになり、時間軸がN
倍になって信号光の波形と相似形になる。信号光の波形
のAo部と光電変換部出力Eoe−2の波形のAe部、
同様に、Bo部とBe部が、スパイクo部とスパイクe
部がそれぞれ対応し、信号光の波形の周波数が1/Nに
なり、あたかも、位相変調器3の駆動電圧Emの基本周
波数を1/Nにした場合と全く同様になる。
Incidentally, the photoelectric current flowing due to the light output on the non-light output side of the coherent light source 1 has an input angular velocity Ωi
There is no information on n, which hinders subsequent signal amplification and signal processing. Therefore, the problem that the amplifier 5 is saturated by eliminating this harmful component and selectively amplifying only the component flowing by the signal light is solved. The selection of the signal is realized by the action of the switch SW1 as a toggle switch, a pulse signal Ef2 is applied to the switch SW1, and the contacts A and C are closed only during the period when the photoelectric current by the signal light flows as shown in FIG. By closing the contact points B and C during the period of, it is possible to selectively flow only the current due to the signal light to the operational amplifier OA1, and convert the current into a voltage by the resistor R2 (assuming that there is no capacitor C1). Of the photoelectric conversion unit. Here, the pulse signal E
f2 and the pulse signal Ef3 have the same pulse period and different phases and pulse widths. Also, the pulse period is α of period = (2τ ± α) in order to facilitate understanding of the operation.
Is considerably large, the repetition period of the waveform of the photoelectric conversion unit output Eoe-1 is short,
Although the fundamental frequency is shown so as not to be substantially different from the fundamental frequency of the signal light, the actual value of α is 2τ of 1 to 1.
2%, so that the repetition period of the waveform of the photoelectric conversion unit output Eoe-1 is long, so that several tens of Ae parts continue, several spike e parts continue, and several tens Be parts continue. Pulse train, and the pulse train is connected to the capacitor C1.
When the signal is smoothed by a primary low-pass filter composed of a resistor and a resistor R2, the output becomes a photoelectric conversion unit output Eoe-2, and the time axis is N
The waveform becomes similar to the waveform of the signal light. Ao portion of the signal light waveform and Ae portion of the photoelectric conversion portion output Eoe-2 waveform,
Similarly, the Bo portion and the Be portion correspond to the spike o portion and the spike e.
The components correspond to each other, and the frequency of the signal light waveform becomes 1 / N, which is exactly the same as when the fundamental frequency of the drive voltage Em of the phase modulator 3 is 1 / N.

【0020】ここで、Nは、N=2τ/αで表され、一
例としてαを2τの1%にすると、N=100になり、
前述したように、基本周波数が光ファイバループ4の全
長で決まる最適な2Mhzの駆動電圧Emで位相変調器
3を駆動した場合、光電変換部出力Eoe−2の波形の
周波数は駆動電圧Emの基本周波数を20khzにした
場合と全く同じになる。したがって、オペアンプOA1
の周辺、増幅器5、A/Dコンバータ6の部分では約1
00khz以下の低周波を扱えばよく、また、信号処理
部10もこの低周波信号に着目して信号処理すればよい
ため、安価な汎用部品を使用することができる。また、
静電的な結合が小さくなるため、光電変換部および増幅
部に駆動電圧Emが回り込むような現象がなくなり、出
力Ωoutにバイアスが発生するようなことがなくな
り、本発明の目的を達成することができる。Nを大きく
すると等価的に応答速度が低下するが、出力Ωoutの
精度(特に分解能など)に影響を与えるようなことはな
い。
Here, N is represented by N = 2τ / α. For example, if α is 1% of 2τ, then N = 100.
As described above, when the phase modulator 3 is driven with the optimum driving voltage Em of 2 Mhz whose fundamental frequency is determined by the entire length of the optical fiber loop 4, the frequency of the waveform of the photoelectric conversion unit output Eoe-2 is the basic frequency of the driving voltage Em. This is exactly the same as when the frequency is set to 20 kHz. Therefore, the operational amplifier OA1
, The amplifier 5, the A / D converter 6
It is sufficient to handle a low frequency of 00 kHz or less, and the signal processing unit 10 may perform signal processing by focusing on this low frequency signal, so that inexpensive general-purpose components can be used. Also,
Since the electrostatic coupling is reduced, the phenomenon that the drive voltage Em wraps around the photoelectric conversion unit and the amplification unit is eliminated, and no bias is generated in the output Ωout, thereby achieving the object of the present invention. it can. When N is increased, the response speed is equivalently reduced, but does not affect the accuracy (especially, resolution, etc.) of the output Ωout.

【0021】また、図3に示したように、光出力制御部
は図1の構成部品の内のスイッチSW1、抵抗R1、抵
抗R3、コンデンサC2を省略してホトダイオードPD
とオペアンプOA1を直結し、オペアンプOA1部で信
号光に可干渉性光源1の反光出力端出力が加わった光電
電流を電圧に変換し、同時に平滑化(1次のローパスフ
ィルタ)して得られた光電変換部出力Eoeを光出力制
御器12に負帰還信号として加え、可干渉性光源1の光
出力を指令値Epに見合った値に保持するような構成に
し、さらに、図示したようにコンデンサC3をオペアン
プOA1と増幅器5の間に直列に挿入して直流成分(可
干渉性光源1の反光出力端出力の成分)をカットし、増
幅器5において交流成分のみを増幅するような構成にす
ることによって図1に示した構成の効果と同様の効果が
得られる。
As shown in FIG. 3, the light output control unit omits the switch SW1, the resistor R1, the resistor R3 and the capacitor C2 of the components shown in FIG.
And the operational amplifier OA1 are directly connected to each other, and the operational amplifier OA1 converts the photoelectric current obtained by adding the output of the non-light output terminal of the coherent light source 1 to the signal light into a voltage, and at the same time, smoothes (first-order low-pass filter) the signal light. The output Eoe of the photoelectric conversion unit is applied to the optical output controller 12 as a negative feedback signal, so that the optical output of the coherent light source 1 is maintained at a value corresponding to the command value Ep. Is inserted in series between the operational amplifier OA1 and the amplifier 5 to cut a DC component (a component of an output of the non-light output terminal of the coherent light source 1), and the amplifier 5 amplifies only an AC component. The same effect as the effect of the configuration shown in FIG. 1 can be obtained.

【0022】上記の説明では、本発明の対象を光集積回
路を用いたクローズドループ方式の位相変調式光ファイ
バジャイロで、かつ、信号光の取り出し部を可干渉性光
源1の反光出力端にしているが、本発明の対象はこれに
限らず、例えば光分岐器を2個備えた一般のオープンル
ープ式の位相変調式光ファイバジャイロに適用すること
もできる。その場合に本発明の効果が変わることはな
い。
In the above description, the object of the present invention is a closed-loop type phase-modulation optical fiber gyro using an optical integrated circuit, and the signal light extraction section is set as the non-light output end of the coherent light source 1. However, the subject of the present invention is not limited to this. For example, the present invention can be applied to a general open loop type phase modulation type optical fiber gyro having two optical splitters. In that case, the effect of the present invention does not change.

【0023】以上のように、第1項、第4項および第5
項記載の発明によれば、低周波を扱えばよいため、安価
な部品を使用することができ、また、駆動電圧Emの回
り込みによるバイアス発生がなくなり、安価で高性能な
位相変調式光ファイバジャイロを提供することができ
る。
As described above, the first, fourth and fifth terms
According to the invention described in the paragraph, since low frequency can be handled, inexpensive parts can be used, and no bias is generated due to the sneak of the driving voltage Em, and a low-cost and high-performance phase-modulation optical fiber gyro is used. Can be provided.

【0024】また、第2項および第6項記載の発明によ
れば、光分岐器を1個にできるため、安価な位相変調式
光ファイバジャイロを提供することができる。
According to the inventions described in the second and sixth aspects, the number of optical splitters can be reduced to one, so that an inexpensive phase modulation type optical fiber gyro can be provided.

【0025】さらに、第3項および第7項記載の発明に
よれば、クローズドループ方式の位相変調式光ファイバ
ジャイロ特有の高分解能を失うことなく安価な位相変調
式光ファイバジャイロを提供することができる。
Further, according to the inventions described in the third and seventh aspects, it is possible to provide an inexpensive phase modulation type optical fiber gyro without losing the high resolution characteristic of the closed loop type phase modulation type optical fiber gyro. it can.

【0026】[0026]

【発明の効果】本発明によれば、安価で、かつ高性能な
位相変調式光ファイバジャイロが提供される。
According to the present invention, an inexpensive and high-performance phase modulation type optical fiber gyro is provided.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明にもとづく一実施例を示す位相変調式光
ファイバジャイロのブロック構成図である。
FIG. 1 is a block diagram showing a phase modulation type optical fiber gyro according to an embodiment of the present invention.

【図2】図2の実施例の動作例を示す波形図である。FIG. 2 is a waveform chart showing an operation example of the embodiment of FIG.

【図3】本発明にもとづくもう一つの実施例を示す位相
変調式光ファイバジャイロのブロック構成図である。
FIG. 3 is a block diagram of a phase modulation type optical fiber gyro showing another embodiment based on the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1:可干渉性光源、2:光分岐器、3:位相変調器、
4:光ファイバループ、10:信号処理部、11:発信
器、12:光出力制御器、SW1、SW2:スイッチ。
1: coherent light source, 2: optical splitter, 3: phase modulator,
4: optical fiber loop, 10: signal processing unit, 11: oscillator, 12: optical output controller, SW1, SW2: switch.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 熊谷 達也 茨城県日立市砂沢町880番地 日立電線株 式会社高砂工場内 (72)発明者 大都 克明 茨城県日立市砂沢町880番地 日立電線株 式会社高砂工場内 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing on the front page (72) Inventor Tatsuya Kumagai 880 Sunasawa-cho, Hitachi City, Ibaraki Prefecture Inside the Takasago Plant, Hitachi Cable Co., Ltd. (72) Inventor Katsuaki Oto 880, Sunasawa-machi, Hitachi City, Ibaraki Prefecture Hitachi Cable Co., Ltd. Inside the Takasago Plant

Claims (7)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】可干渉性光源と、該可干渉性光源の光出力
を調節する光出力制御手段と、前記可干渉性光源からの
光を2方向に分岐すると共に再度合成する光分岐部と、
前記分岐した光を互いに逆回転で伝搬させる光ファイバ
ループと、前記分岐した光に交流的な位相バイアスを与
えて信号光を得るるための、所定の発振源から分周した
第一の基本周波数のパルス信号で駆動される位相変調制
御手段と、前記信号光を電気信号に変換する光電変換部
と、前記電気信号から入力角速度の検出値を出力する信
号処理部とを含む位相変調式光ファイバジャイロにおい
て、前記光出力制御手段に前記発振源と同一の発振源か
ら分周した第二の基本周波数のパルス信号で駆動される
信号断続手段を設け、この第二の基本周波数と前記第一
の基本周波数を等価的に掛け算してその基本周波数の和
と差のビート周波数を発生させ、そのビート周波数のう
ちの低い方の周波数の信号にもとづいて前記信号処理部
で前記入力角速度の検出値を出力することを特徴とする
位相変調式光ファイバジャイロ。
A coherent light source; light output control means for adjusting the light output of the coherent light source; and a light branching unit for splitting light from the coherent light source in two directions and recombining the light. ,
An optical fiber loop for propagating the branched light in opposite directions to each other, and a first fundamental frequency divided from a predetermined oscillation source for obtaining an AC phase bias to the branched light to obtain a signal light Phase modulation optical fiber including: a phase modulation control unit driven by a pulse signal; a photoelectric conversion unit that converts the signal light into an electric signal; and a signal processing unit that outputs a detected value of an input angular velocity from the electric signal. In the gyro, the light output control means is provided with signal intermittent means driven by a pulse signal of a second fundamental frequency divided from the same oscillation source as the oscillation source, and the second fundamental frequency and the first A fundamental frequency is equivalently multiplied to generate a beat frequency of the sum and difference of the fundamental frequencies, and the input angular velocity is calculated by the signal processing unit based on a signal of a lower frequency of the beat frequencies. Phase modulation type optical fiber gyro and outputs the detected value.
【請求項2】前記信号光の取り出し位置を前記可干渉性
光源の光出力端の反対側にしたことを特徴とする請求項
1に記載された位相変調式光ファイバジャイロ。
2. The phase modulation type optical fiber gyro according to claim 1, wherein the signal light is taken out at a position opposite to a light output end of the coherent light source.
【請求項3】前記位相変調制御手段のみ、もしくは前記
光分岐部と位相変調制御手段を光集積回路で構成し、か
つ、前記信号処理部は前記位相変調制御手段に加える信
号として前記位相バイアスを与えるための本来の信号に
擬似的に前記入力角速度を相殺するための鋸歯状波信号
を重畳させ、この鋸歯状波信号の繰り返し数を前記入力
角速度の検出値を決定する要素とするように構成にした
ことを特徴とする請求項1に記載された位相変調式光フ
ァイバジャイロ。
3. An optical integrated circuit comprising only the phase modulation control means or the optical branching unit and the phase modulation control means, and the signal processing unit applies the phase bias as a signal to be applied to the phase modulation control means. A sawtooth signal for superimposing the input angular velocity is superimposed on the original signal to be given in a pseudo manner, and the number of repetitions of the sawtooth wave signal is used as an element for determining the detection value of the input angular velocity. 2. A phase modulation type optical fiber gyro according to claim 1, wherein:
【請求項4】可干渉性光源と、該可干渉性光源の光出力
を調節する光出力制御手段と、前記可干渉性光源からの
光を2方向に分岐すると共に再度合成する光分岐部と、
前記分岐した光を互いに逆回転で伝搬させる光ファイバ
ループと、前記分岐した光に交流的な位相バイアスを与
えて信号光を得るための、所定の発振源から分周した第
一の基本周波数のパルス信号で駆動される位相変調制御
手段と、前記信号光を電気信号に変換する光電変換部
と、前記電気信号から入力角速度の検出値を出力する信
号処理部とを含む位相変調式光ファイバジャイロにおい
て、前記光出力制御手段及び光電変換部のそれぞれに前
記発振源と同一の発振源から分周した第二の基本周波数
のパルス信号で駆動される信号断続手段を設け、その第
二の基本周波数と前記第一の基本周波数を等価的に掛け
算してその基本周波数の和と差のビート周波数を発生さ
せ、そのビート周波数のうちの低い方の周波数の信号に
もとづいて前記信号処理部で前記入力角速度の検出値を
出力することを特徴とする位相変調式光ファイバジャイ
ロ。
4. A coherent light source, light output control means for adjusting the light output of the coherent light source, and an optical branching unit for splitting light from the coherent light source in two directions and recombining the light. ,
An optical fiber loop for propagating the branched light in opposite rotations, and an AC phase bias to the branched light to obtain a signal light, of a first fundamental frequency divided from a predetermined oscillation source. Phase modulation type optical fiber gyro including phase modulation control means driven by a pulse signal, a photoelectric conversion unit for converting the signal light into an electric signal, and a signal processing unit for outputting a detected value of an input angular velocity from the electric signal In each of the optical output control means and the photoelectric conversion unit, a signal intermittent means driven by a pulse signal of a second fundamental frequency divided from the same oscillation source as the oscillation source is provided, and the second fundamental frequency And the first fundamental frequency are equivalently multiplied to generate a beat frequency of the sum and difference of the fundamental frequencies, and the signal is generated based on the signal of the lower frequency of the beat frequencies. Phase modulation type optical fiber gyro and outputs the detected value of the input angular velocity in physical unit.
【請求項5】前記光出力制御手段の信号断続手段を駆動
する信号と前記光電変換部の信号断続手段を駆動する信
号には所定量の位相差が設けられていることを特徴とす
る請求項4に記載された位相変調式光ファイバジャイ
ロ。
5. A signal for driving the signal interrupting means of the light output control means and a signal for driving the signal interrupting means of the photoelectric converter have a predetermined amount of phase difference. 4. A phase modulation type optical fiber gyro according to 4.
【請求項6】前記信号光の取り出し位置を前記可干渉性
光源の光出力端の反対側にしたことを特徴とする請求項
4に記載された位相変調式光ファイバジャイロ。
6. The phase-modulated optical fiber gyro according to claim 4, wherein the signal light is extracted at a position opposite to a light output end of the coherent light source.
【請求項7】前記位相変調制御手段のみ、もしくは前記
光分岐部と位相変調制御手段を光集積回路で構成し、か
つ、前記信号処理部は前記位相変調制御手段に加える信
号として前記位相バイアスを与えるための本来の信号に
擬似的に前記入力角速度を相殺するための鋸歯状波信号
を重畳させ、この鋸歯状波信号の繰り返し数を前記入力
角速度の検出値を決定する要素とするように構成にした
ことを特徴とする請求項4に記載された位相変調式光フ
ァイバジャイロ。
7. An optical integrated circuit comprising only said phase modulation control means or said optical branching section and phase modulation control means, and said signal processing section applies said phase bias as a signal to be applied to said phase modulation control means. A sawtooth signal for superimposing the input angular velocity is superimposed on the original signal to be given in a pseudo manner, and the number of repetitions of the sawtooth wave signal is used as an element for determining the detection value of the input angular velocity. 5. A phase modulation type optical fiber gyro according to claim 4, wherein:
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005515401A (en) * 2000-03-27 2005-05-26 ハネウェル・インターナショナル・インコーポレーテッド Laser diode light source dithering system and method for optical gyroscope

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005515401A (en) * 2000-03-27 2005-05-26 ハネウェル・インターナショナル・インコーポレーテッド Laser diode light source dithering system and method for optical gyroscope

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