JPS61147106A - 位相変調方式光フアイバジヤイロ - Google Patents

位相変調方式光フアイバジヤイロ

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JPS61147106A
JPS61147106A JP59268234A JP26823484A JPS61147106A JP S61147106 A JPS61147106 A JP S61147106A JP 59268234 A JP59268234 A JP 59268234A JP 26823484 A JP26823484 A JP 26823484A JP S61147106 A JPS61147106 A JP S61147106A
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洋三 西浦
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    • G01C19/58Turn-sensitive devices without moving masses
    • G01C19/64Gyrometers using the Sagnac effect, i.e. rotation-induced shifts between counter-rotating electromagnetic beams
    • G01C19/72Gyrometers using the Sagnac effect, i.e. rotation-induced shifts between counter-rotating electromagnetic beams with counter-rotating light beams in a passive ring, e.g. fibre laser gyrometers

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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、光ファイバジャイロに関するものであり、更
に詳述するならば、位相変調方式光ファイバジャイロに
関するものである。
従来の技術 (a)  光ファイバジャイロの原理 現在、航空機、飛翔体、自動車、ロボットなどのナビゲ
ーションや姿勢制御のための角速度センサとしてジャイ
ロが使用されるでいる。このジャイロを使用すれば、角
速度たけでなく、それを積分することにより方位などの
データも得ることができる。
そのようなジャイロの中で、光ファイバジャイロは、可
動部が全くなく且つ小型化が可能であり、更に、最小検
出可能角速度(感度)、ドリフト、画側範囲くダイナミ
ックレンジ)、スケールファクタの安定性の点において
、従来のジャイロに比較して優れているために、近年注
目され開発されている。
そのような光ファイバジャイロの例は、例えば、Gia
llorenzi T、G、、 Bucaro J、A
、 et al、 ”0pticalFiber 5e
nsor Technology ’、 IEBB J
、of QuantumBlectronics、 叶
−18,No、4. pp626−662.(1982
)  やCulshaw and !、P、G11es
  ”Fiber 0ptic Gyroscopes
″J、 Phys、 B :Sci、 Instrum
、、 1B、 pp5−15. (1983)や、坪用
、大塚「光ファイバジャイロスコープ」レーザ研究、旦
、 No、12. pp8B9−902 (1983)
などに詳しく示されている。
ここで、光ファイバジャイロの原理を第2図を参照して
説明する。
発光素子10からの光をビームスプリッタ12により分
割して、コイル状に多数回シングルモード光ファイバ1
8を巻回した光フアイバループすなわちセンサコイル2
0の両端に人力して、センサコイル20に右廻り(CW
)と左廻り(CCW)に光を伝搬させる。そのとき、セ
ンサコイル20が角速度Ωで回転していると、右廻り光
、左廻り光に位相差Δθが生じ、Δθを測定することに
よって角速度Ωを検出するものである。
センサコイル20の中を右廻りに伝搬した光及び左廻り
に伝搬した光の電界の強さEl、E、は、次のように表
される。
但し、E、、E2:左廻り光及び右廻り光の振幅ω:先
の角周波数 t:時間 Δθ:サニャック効果による位相差 卸に入射する。その受光素子26の検出強度から、位相
差△θを知ることができる。その位相差Δθは、次のよ
うに表すことができる。
但し、L:センサコイルのファイバ長 a:センサコイルの直径 C:真空中の光速度 λ:光の波長 Ω:回転角速度 これをサニヤック効果という。
位相差△θの検出方法には多様なものがあり、様々なも
のが提案されている。
最も簡単に、左廻り光、右廻り光の和を、受光素子で二
乗検波すると、出カニは、 I cx (1+cos(Δθ)  )  −・−・(
2)という形になる。
これはCOSの中に△θがあるので、Δθが0に近い時
の感度が悪いという欠点がある。
そこで、左廻り、右廻りの光のいずれかの位相を90°
ずらして、二乗検波するという光学機構が提案されてい
る。この場合、出力Iは、I a: (1+5in(Δ
θ) ) ・−・・(3)の形になるから、ΔθがOに
近い時の感度が良い。
しかし、いずれか一方の光を分離するためには、光路を
分離するための新たなビームスプリッタが3つ必要にな
る。また、分離された光路の長さを常に等しくしておか
なければならない。
Δθが0に近い時の感度の改善を、上述したように静的
な光学的な検出機構によって行うには、上記のような難
点がある。
(5)位相変調方式光ファイバジャイロそこで、動的な
機構によって、八〇を検出しようとする光ファイバジャ
イロも多く提案されている。例えば、位相バイアス方式
、位相変調方式、周波数変調方式などである。その中で
、最小検出可能角速度などの点で最も優れているものが
、位相変調方式光ファイバジャイロである。
位相変調方式光ファイバジャイロは、光ファイバのセン
サコイルの一方の端に、位相変調素子を設け、変調信号
の大きさを測定することにより位相差Δθを求める方式
である。
その位相変調方式光ファイバジャイロについて第3図を
参照して説明する 発光素子10からの可干渉光は、ビームスプリッタ12
により2つに分けられ、結合レンズ14及び16を介し
て、光ファイバ18の両端に結合される。そファイバの
センサコイル20内を右廻りと左廻りに伝搬し、反対側
の端部より出射し、ビームスプリッタ12により合成さ
れて受光素子26に入射する。
位相変調素子をセンサコイルに対して非対称な位置に設
けると、同時に発光素子を出た光が、右廻り、左廻りに
分けられてセンサコイルと位相変調素子巻回部とを通過
するが、変調の時刻が異なるので、受光素子で出力を二
乗検波した時、変調信号が出力に現われる。変調信号の
振幅にΔθが含まれるから、変調信号の大きさを知って
Δθを求めることができる。
例えば、位相変調器を左廻り光の入射端の近傍に設けた
とする。光ファイバのセンサコイルの長さがL1ファイ
バコアの屈折率をn1光速をCとすると、光がセンサコ
イルを通過するに要する時間τは τ=nL/c   ・・・(4) である。
変調信号が、上記したように、角周波数ω、の正弦波で
あるとする。同時に発光素子を出た光が、右廻り光、左
廻り光に分かれ、それぞれ位相変調を受ける時の、変調
信号の位相差φは、φ=ω0τ =nLωっ/C =2πfヨnL/c     ・ ・ ・(5)但し、
ω、=2πf。
となる。
サニヤック効果により、右廻り光、左廻り光は、±△θ
/2の位相差を持つが、位相変調素子によって、位相が
さらに変調される。位相変調素子の振幅をbとすると、
右廻り光、左廻り光の電界の強さEr、ELは、 ・・・(6) ・・・(7) となる。
以上のような電界強度を有する右廻り光、左廻り光は、
ビームスプリッタ12で合成されて受光素子26によっ
て二乗検波されるので、受光素子の出力S(△θ、1)
はE、とE、の和を二乗したものに比例する。
S(Δθ、t)=(Er+Et)”    ・−・(8
)これを計算すると、 +D、C,+(2ω以上) ・・・(9) 但し、D、 C,は直流成分を意味する。
(2ω以上)は、光の角振動数の2倍の振動数の項とい
う意味である。なお、これは検出器にはかからないので
0である。
となる。か(して、位相変調素子によりもたらされる位
相差φがあるので、Δθを、変調信号の振幅に関係づけ
て得ることができる。
そこで、D、 C,を省略して、S(Δθ、1)をベッ
セル函数を使って級数展開する。
・・・αQ ベッセル函数の母函数展開から、 に分けて、 S(△θ、1) =(SccosΔθ十S、sin△θ)E、E2−−(
13)、と1、書くと、θ−θ+π/2の変換をした後
、とおいて、上記SCと汎を書くと、 Sc= J、(ξ) ・ ・ ・(16) ・ ・ ・(17) となる。そこで、再び、S(Δθ、1)を表すと次の如
くである。
S(Δθ、1) = (El’十E2”)+ (2ωを以上の成分)十E
 + E 2 J o (ξ) cosΔθ−2E、E
2J2(ξ)CO82ω、t−Co5Δθ+高次成分 
           ・・・lO”これは、変調信号
ω、の基本波と、高周波信号の級数和である。
適当なフィルタを使えば、基本波ω、又は任意の次数の
高調波の信号を取り出すことができる。
どの信号を採用しても、cosΔθ又はsinΔθの大
きさを知ることができる。
その場合、その次数のベッセル函数Jl、(ξ)の値が
大きくなるよう、位相変調素子による変調の振幅b1変
調角周波数ω1、センサコイル通過時間τを設定すべき
である。
最も高感度が期待できるのは、(17)式の1次の項(
n=0)すなわちαQ″°式の右辺第2項である。
これは、基本波成分である。この基本波成分をP(△θ
、1)とすると、 P(Δθ、1) =2E、E2J、(ξ)にO8(IJII t−5in
Δθ・・・(18) である。かくして、sin八〇へ比例した出力かえられ
、基本波成分の振幅を求めて、Δθを知ることができる
更にここで、(18)式における八〇の係数を検討すれ
ば、Jl(ξ)を最大にすると感度が良くなる。
この第1次ベッセル関数Jl(ξ)はξ=1.8ときに
最大になる。そこで、ξ=1.8となるように変調度を
設定する。このとき、直流分JO(ξ)はほぼ0である
以上が位相変調方式の光ファイバジャイロの基本構成で
ある。
発明が解決しようとする問題点 (18)式を見て分かるように、右廻り光、左廻り光の
振幅E1、E2か、受光素子出力の基本波成分Pの振幅
の中に含まれている。また、J、(ξ)という係数もあ
る。
このような出力から、Δθを正確に求めることができる
ためには、E、、E、、Jl(ξ)の値が安定していな
ければならない。
ところが、これらの値は変動する。特に、光の振幅E1
、E2は変動しやすい。
El、E2は発光素子の出力の変動、光路差を除去する
ために挿入する偏光子を通過する光量の変原理的に10
0%変動した。
それに対して、定偏波ファイバを採用して、ファイバに
入射するときの偏波方向を定めておくことにより、大幅
に変動を制御できる。しかし、現状の定偏波ファイバで
は消光比の温度特性等に問題があり、ファイバ中を伝搬
する内に温度、圧力、歪等の影響で偏波状態が変動し、
その結果、受光素子に達する光の振幅E2、E2が変動
し、15〜30%程度のスケールファクタの変動が起き
る。
そこで、振幅E1、E2をモニタすることが考えられる
。すなわち、右廻り光、左廻り光の光路にそれぞれ、ビ
ームスプリフタを入れて、モニタ用にそれぞれの光を取
出してパワーを測定し、E l 。
E2を知るようにした光ファイバジャイロも提案されて
いる。
しかし、このような構成では、部品点数が増え、受光素
子に到達する光量が減少し、S/N比の低下を招く、と
いう欠点があった。
本発明者は先に、この問題の解決のために、受光素子出
力中の直流成分を検出し、ジャイロの出力をこの直流成
分で割算してsinΔθまたはcosΔθを求める方法
を発明した。しかし、この場合でも受光素子への到達光
量が低下すると、S/N比が劣化する等の問題が発生し
た。
そこで、本発明は、受光量のモニタのために受光素子へ
の到達光量を低下させることなく、光ファイバを伝搬す
る光量を一定に保持してスケールファクタの変動を実質
的になくすることができる位相変調方式光ファイバジャ
イロを提供せんとするものである。
問題点を 決するための手段 すなわち、本発明によるならば、センサコイルを構成す
る部分と位相変調素子が設けられた部分とを有する光フ
ァイバと、可干渉性光を発生する前記光ファイバの両端
から該光ファイバを伝搬した光を前記ビームスプリフタ
を介して結合して受ける受光素子と、前記受光素子の出
力を受けて位相変調周波数成分を検出する同期検波回路
とを少なくとも具備してなる位相変調方式光ファイバジ
ャイロにおいて、前記受光素子の出力を受けて直流成分
を検出する直流成分検出回路と、該直流成分検出回路の
出力を受けて前記直流成分が一定値になるように前記発
光素子の出力を制御する発光素子出力制御回路とを設け
たことを特徴とする光ファイバジャイロが提供される。
作用 以上のような位相変調方式光ファイバジャイロにおいて
、発光素子からの光は、ビームスプリフタで、2つの光
線に分けられ、右廻り光(CW)、左廻り光(CCW)
として、光ファイバの中を伝搬する。それら右廻り光と
左廻り光の一方が先に位相変調素子で位相変調を受け、
他方の光は後での位相変調を受ける。それと共に、セン
サコイルが受ける回転により、右廻り光と左廻り光との
間に位相差Δθが生じる。
そして、光ファイバを伝搬した右廻り光と左廻り光は、
光ファイバから出射して、ビームスプリフタで合一して
、受光素子に入射する。
受光素子は、光強度に比例した電気信号を発生し、その
出力を受ける同期検波回路は、その内の位相変調周波数
の成分のみを抽出するように検波して電圧信号を出力す
る。
それと共に、直流成分検出回路は、受光素子の出力を受
けて、それに含まれる直流成分の大きさを検出して、発
光素子出力制御回路に出力する。
その発光素子出力制御回路は、直流成分検出回路の出力
が一定になるように、発光素子の出力を制御する。
以上のような信号処理を解析するならば、次の如くであ
る。
今、右廻り光と左廻り光の最大振幅をE7、E2とし、
位相変調素子の変調角周波数をω1、変調の振幅をbと
すると、受光素子の出力の内の変調基本波ω1構成の振
幅は、(18)式から、2E、E2J、 (ξ) si
nΔθ  ・・・(19)である。また、αQ″式から
、直流成分は、(E l ′十E a ” )    
   ・・・(20)である。なお、上述したように、
J、(ξ)を最大にするため、ξ=1.8に設定するこ
とが多いが、このときJ。(ξ)=、0であるから、直
流成分の(20)式からJ。(ξ)の項は省略している
それぞれ右廻り光と左廻り光は、同一の光路を通るから
、ElとE2は比例する。そこで、比例定数をkとする
と、両者の関係は E2=kE1         ・・・(21)と表す
ことができる。この(21)式を利用して、(19)式
と(20)式を書き直すと、2kE、”J、(ξ) s
inΔθ  −−−(19)’一(1+ k”) El
”    ・・・(20)’上記した本発明による位相
変調方式光ファイバジャイロにおける直流成分検出回路
及び発光素子出力制御回路は、上記の(20)” 式の
値が一定になるように発光素子の出力を制御するもので
あり、これはElの値を一定にしていることになる。こ
の結果、(19)″ 式中のE、は一定となり、他の量
はサニヤック効果によるΔθの変化を除いて、不変であ
る。
かくして、上記した本発明による位相変調方式光ファイ
バジャイロにあっては、光源の出力の変動や、光ファイ
バの温度、圧力、歪みなどによる特性の変化による光路
状態の変化の影響を補償して、光ファイバを伝搬する右
廻り光及び左廻り光の振幅E1及びE2を一定に維持し
、スケールファクタの変動を効果的に抑制することがで
きる。
また、(20)式は、(10)’ 式かられかるように
、正確にはcosΔθに比例する項を含み、−(El”
+E22) +−EIE2JO(ξ) cosΔθ  ・・・(22
)となる。
以上の解析において、J、(ξ)は小さな値であり、か
つ微小回転域においてはcosΔθの変化も小さいため
、無視した。一方、回転域が高くなると、cosΔ0の
変化も大きくなり、この項の影響も顕在化してくる。し
かし、このために本発明の効果が弱められることはなく
、むしろ、新たな効果を生むことになる。
すなわち、位相変調方式においては、(19)式のよう
に△θのsinの形で検出するため、微小回転域での精
度は良いが、高速回転域の直線性が劣化するという問題
をも有する。ところが、高速回転域において(22)式
を一定にすると、cosΔθが減少しているので、その
結果、EIE2を太き(するように発光素子の制御が行
われる。このため、(19)式の係数E1、E2が大き
くなり、直線性を良くする。
実施例 以下添付図面を参照して本発明による位相変調方式光フ
ァイバジャイロの実施例を説明する。
第1図は、本発明による位相変調方式光ファイバジャイ
ロの1つの実施例の構成を示した図である。なお、位相
変調方式光ファイバジャイロの基本的条件を備えた最小
構成については、BzekielS、 and Ard
itty H,J、 : ”Fiber 0ptic 
RotationSensors’、 Springe
r−Verlag Berlin、  1982に詳し
い説明がある。
図示の位相変調方式光ファイバジャイロにおいては、気
体レーザ、半導体レーザ、スーパールミネッセントダイ
オードなどの発光素子30のような光源が設けられ、可
干渉性光ビームを発生する。
その発光素子30が発生する光ビームは、ハーフミラ−
のようなビームスプリッタ32に送られる。ビームスプ
リッタ32は、発光素子30から出射された光ビームを
透過光と反射光に分ける。2つに分けられた光ビームは
、それぞれレンズ34及び36を介して、定偏波光ファ
イバのような光ファイバ38の両端に結合される。
光ファイバ38は、光フアイバセンサを構成するように
、多数回コイル状に巻かれてセンサコイル40と、励振
交流電源42により周波数f、で駆動される位相変調素
子44に巻き付けられた部分46とからなっている。
位相変調素子44は、センサコイル44の端点A1Bの
内、いずれか一方の近傍に設けられる。また、位相変調
素子44は、光フアイバ中を透過する光の位相を周期的
に変化させるものであり、例えば、円柱形のピエゾ半導
体素子またはLNO素子(LiNbO3を材料とした素
子)のような圧電素子に光ファイバを巻きつけ、素子の
端面間に変調電圧を印加するようにしたもので構成でき
る。周波数f、の変調電圧を加えると、圧電素子の直径
が変化するから、これに巻きつけた光ファイバが伸縮す
る。これによって光路長が変化するから、ズ34及び3
6を介して出力されて、ビームスプリッタ32で合成さ
れ、受光素子48に入射する。
その受光素子48の電気出力は、同期検波器50の入力
に接続されている。同期検波器50は、励振交流電源4
2から周波数f7が供給されおり、受光素子48の出力
を周波数fつで同期検波し、周波数f。
の成分を示す電圧信号を出力する。
更に、受光素子48の出力は、直流成分検出回路52に
も供給される。この直流成分検出回路52は、例えば、
受光素子の出力を受けて増幅する増幅器と、その増幅器
の出力を受ける積分回路とを組合わせることによって構
成でき、受光素子48からの出力の内の直流成分を抽出
して、電圧信号を発光素子出力制御回路54に出力する
その発光素子出力制御回路54は、直流成分検出回路5
2からの電圧信号を基準電圧と比較して、直流成分検出
回路52からの電圧信号が一定になるように、発光素子
30の出力を制御する。
以上のように構成される位相変調方式光ファイバジャイ
ロは、次のように動作する。
発光素子30からの光ビームは、レンズ34を介して、
ビームスプリッタ32で2つに分けられ、それぞれレン
ズ34及び36を介して、光ファイバ38の両端に結合
される。
光ファイバ38に人力された光ビームは、回転を受けて
いるセンサコイル40の部分で位相差ができ、また、励
振交流電源42によって周波数f、の交流で駆動される
位相変調素子44に巻き付けられた部分46において位
相変調される。
そのように光ファイバ38において位相差ができ且つ位
相変調された右廻り光ビームと左廻り光ビームは、光フ
ァイバ38の両端からそれぞれレンズ34及び36を介
して出力されて、ビームスプリッタ32により合成され
、受光素子48に入射する。
受光素子48の電気出力は、励振交流電源42から位相
変調素子44の駆動周波数f1を参照周波数として受け
ている同期検波器50に人力される。その同期検波器5
0は、人力信号を周波数f、で同期検波して、周波数f
mの成分すなわち上記した(18)式の電圧信号を出力
する。すなわち、センサコイル40において発生した位
相差Δθを示す電圧信号が出力される。
直流成分検出回路52は、受光素子48の出力を受けて
、その直流成分を表す電圧信号を発光素子出力制御回路
54に出力する。その発光素子出力制御回路54は、入
力端子信号と基準電圧とを比較して、入力電圧信号がそ
の基準電圧より小さいときには、発光素子30の駆動電
圧を増大させて発光素子の出力を増大させ、反対に、基
準電圧より大きいときには、発光素子30の駆動電圧を
減少させて発光素子の出力を低下させる。かくして、発
光素子出力制御回路54により、上記した(20)’ 
式で表される、より具体的には(21)式で表される直
流成分が一定になるように、発光素子30が制御される
以上述べたように、上記した本発明による位相変調方式
光ファイバジャイロは、光ファイバの温度依存性による
通過光量の変動や、電源電圧の変動による発光光量の変
動などによって生じる、光ファイバを伝搬する光の強度
の変動を補償して、伝搬光量を一定に維持することがで
きる。従って、位相変調方式光ファイバジャイロにおけ
る出力のスケールファクタの変動が防止できる。それ故
、測定の信頼性が向上させることができる。
以上の本発明による位相変調方式光ファイバジャイロと
従来の位相変調方式光ファイバジャイロとを比較した結
果を述べると、以下の如きである。
従来の位相変調方式光ファイバジャイロにおいて光ファ
イバに定偏波ファイバを採用した場合、現状の定偏波フ
ァイバでは消光比の温度特性等の問題のため、15〜3
0%のスケールファクタ変動が起きた。それに対して、
本発明による位相変調方式光ファイバジャイロ1ごおい
て定偏波ファイバを使用いた場合、スケールファクタ変
動は1%以下にであった。
発明の効果 以上の説明から明らかなように、本発明による位相変調
方式光ファイバジャイロは、受光量のモニタのために受
光素子への到達光量を低下させることなく、光ファイバ
を伝搬する光量を一定に保持してスケールファクタの変
動を実質的になくすることができる。従って、より正確
で安定して測定ができる。
〔主な参照番号〕
10・・発光素子、12・・ビームスプリフタ、14.
16・・結合レンズ、18・・光ファイバ、20・・セ
ンサコイル収22・・位相変調素子、26・・受光素子
、30・・発光素子、32・・ビームスプリフタ、34
.36・・レンズ、38・・光ファイバ、40・・セン
サコイル、42・・励振交流電源、44・・位相変調素
子、48・・受光素子、50・・同期検波器、52・・
直流成分検出回路、 54・・発光素子出力制御回路 特許出願人 工業技術院長 等々力 達10・・・発光
素子 12・・・ビームスツブリフ9 18・・・大フアイノで 20・・・センサコイル 26・・・受光素子 10・・・発光素子 20・、・ センサコイ1し 22 ・ ・ ・ 相7^目斐者す1素す24・・ ・
 光ファイlv/)イ立相支囚N部26・ ・・ (9
覧溝(L 手続補正書(方式) 昭和10年!月17日

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)センサコイルを構成する部分と位相変調素子が設
    けられた部分とを有する光ファイバと、可干渉性光を発
    生する発光素子と、該発光素子からの光を分割して前記
    光ファイバの両端に供給するビームスプリッタと、前記
    光ファイバの両端から該光ファイバを伝搬した光を前記
    ビームスプリッタを介して結合して受ける受光素子と、
    前記受光素子の出力を受けて位相変調周波数成分を検出
    する同期検波回路とを少なくとも具備してなる位相変調
    方式光ファイバジャイロにおいて、前記受光素子の出力
    を受けて直流成分を検出する直流成分検出回路と、該直
    流成分検出回路の出力を受けて前記直流成分が一定値に
    なるように前記発光素子の出力を制御する発光素子出力
    制御回路とを設けたことを特徴とする光ファイバジャイ
    ロ。
  2. (2)前記直流成分検出回路は、前記受光素子の出力を
    受けて増幅する増幅器と、該増幅器の出力を受ける積分
    回路とから構成されていることを特徴とする特許請求の
    範囲第(1)項記載の位相変調方式光ファイバジャイロ
  3. (3)前記光ファイバは、定偏波光ファイバであること
    を特徴とする特許請求の範囲第(1)項または第(2)
    項記載の位相変調方式光ファイバジャイロ。
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