JPS62108110A - 光フアイバジヤイロ - Google Patents

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〕 この発明は、光ファイバループ内を互いに逆方向に伝播
する光の位相差を検出してたとえば回転体の回転角速度
を検出する光ファイバジャイロに関する。

〔従来の技術〕

光７アイバソヤイロは、たとえば回転体の回転角速度を
検出する方式のひとつであり、回転体に固定された光フ
ァイバループを互いに逆方向に伝播する光のサニヤック
（Ｓａｇｎａｃ　）の位相差を検出する。この光ファイ
バループを用いた光ファイパソヤイロは、光源の出力端
から干渉光の検出側までの光の伝播路をすべて光ファイ
バで構成することも可能であり、精度が高く寿命も長い
。

この光ファイバソヤイロには、たとえば第２図のように
構成された位相変調方式のものがある。すなわち、光源
（たとえ°ばレーデダイオード）１２の出力光は光ファ
イバ１０１に導入されたのち、光方向性結合器（カプラ
）１３１に供給される。

光方向性結合器１３１は、たとえば２本の光ファイバの
コアを接近させて接合したものであシ、光ファイバ１０
１から光方向性結合器１３１に入射した光は、エバネセ
ント波の作用によって光ファイバ１０２に透過するもの
と光ファイバ１０３に結合するものとに分離される。

光ファイバ１０２に透過した光は、さらに光方向性結合
器１３２によって光ファイバループ１４を互いに逆方向
に伝播する二つの光に分けられる。この光ファイバルー
プ１４を伝播する両党には光位相変調器１５により位相
変調がかけられる。

一万発掘器１９は位相変調周波数ｆｏを出力し増幅器２
１で増幅された後、位相変調器１５を駆動する。

光フアイバルーフ°を伝播した二つの光は、光方向性結
合器１３２により光フアイバ１０２側へ進む光と光ファ
イバ１０４に進む光に分けられるが、光方向性結合器１
３２からの光は光ファイバループ１４を互いに逆方向に
伝播した二つの光の干渉光となる。光ファイバ１０３゜
１０４の端部は無反射終端である。

光ファイバ１０２からの干渉光は光方向性結合器１３１
によシ光ファイバ１０５に結合され、光検出器１６で電
気信号に変換される。位相変調器１５で位相変調がかけ
られるため光検出器１６からは第４図に示すような出力
電気信号が得られ増幅器１２で増幅された後、同期検波
器１８に導かれる。

同期検波器１８には、位相変調器１５の変調周波数ｆｏ
を発生する発振器１９の出力も導かれ、周波数ｆｏの成
分を抽出する。この同期検波出力は低域フィルタ２０に
供給される。

この低域フィルタ２０の出力は、ＤＣ成分であシ、第１
次のベッセル関数Ｊ１と画Δφ（Δφ：サニーｙツクの
位相差）の積Ｊ工・血Δφに比例する。

ベッセル関数は位相変調量の関数であシ、位相変調量を
第１次のベッセル関数値が大きく変化しない安定な点に
設定すれば、このフィルタ出力のＪｌ・比Δφは、Δφ
の正弦関数となって第３図に示されるように、出力とΔ
φの直線的関係部分ｌを利用して出力からΔφを一意的
に決めることができる。

しかしながら、これは、幽Δφの直線部分を利用するた
め、測定可能なΔφとしては小さな値でかつ狭い範囲で
しかなく、ダイナミックレンジが狭い。

これを改善するために、　ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣミＬＥ
ＴＴＥＲ３１０ｔｈ　Ｎｏｖｅｍｂｅｒ　１９８３　Ｖ
ｏｌ、１９　Ａ２３　　Ｐ、９９７に記載された方法が
ある。

すなわち位相変調方式の出力信号如け、変調周波数ｆ０
とその高調波成分（２ｆｏ　＝　：３ｆｏ　５４ｆ０．
・・・）がそれぞれサニヤックの位相差Δφ（検出レー
トに比例）を係数に含んで、次のように現われる。

出力Ｐ−Ｐ６　（Ｊｔ　（φｍ）−ｍΔφ・５ｉｎ２π
ｆ０ｔ　　変調周波（１次）Ｊ、（φｍ）’Ｑｌｌｌｉ
Δφ・自４πｆ６ｔ　　　　　　　２次Ｊｌ　（φｍ）
・血Δφ・５ｆｎ６πｆ、ｔ　　　　　　　　３次Ｊ４
　（φｍ）・邸Δφ・自８πｆｏ　ｔ　　　　　　　４
次〕・・−・・・・・（１） 但し、Ｊｎはｎ次のベッセル関数 φ、は変調量 この出力のうち、変調周波数の１次成分Ｓ１．２次成分
Ｓ！を同期検波し、比をとると、の関係があるため、サ
ニヤックの位相差Δφはとなる。したがって、出力信号
に含まれる変調周波数の１次成分８１％及び２次成分Ｓ
８から、サニヤックの位相差（レート）を検めできる。

このとき、Ａ２　（輻）／Ｊｘ　（φｍ）、すなわちφ
□をコンスタントにするため（Ｊｌ、Ｊｌ　を変調量φ
□の変動にかかわらず一定にしたい）、４次成分Ｓ４　
も検出し、 が一定値となるよう変調量φ。をコントロール（一定値
に保つ）して、精度を向上する。

この方法では二つの変調周波数成分の比Ｓ１／Ｓｎ、　
　を用いることで、光量変動を除去し、ｊａｎ−１の計
算でダイナミックレンジを広げている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかし、この方法では第５図に示すように、ベッセル関
数のＪ１″またはＪ！酸成分感度が良好な変調量φ。を
選定すると、変調量φ。の変動に対してＪｌ（φｍ）／
Ｊ鵞（φ１カ変動が大きくなる。

すなわち、感度をよくするためには、できるだけ大きな
出力振幅を得る必要があるが、そのために、第５図に示
すように、Ｊｌ　（またはＪｓ）を最大にする変調量φ
ｍ１（またはφｒｎ２）にするとＪｌの微係数、Ｊｌ　
（またはＪ１′）が太きくなる。したがって、変調量φ
□が変動した場合Ｊ２（またはＪｌ　）が大きく変動す
ることになり、その結果Ｊｔ（φｍ）／Ｊｚ（φｒｎ）
の変動が大きくなる。

また、変調量φｍ１（またはφｍ２）のところでは４次
のベッセル関数５４成分が小さく、変調量φ。を一定に
コントロールしにくいため、Ｊ２ｃ’！’（ＨンＪ１（
φ。）が安定せず検出精度が低下する欠点を有する。

この発明は、上記従来の欠点を除去するためになされた
もので、よ多安定したスケールファクタが得られ、高性
能ソヤイロを構成できる光ファイパノヤイロを提供する
ことを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

この発明の光フアイバジャイロは、位相変調周波数信号
を出力する発振手段と、光を位相変調する変調手段と、
光ファイバループを互いに逆方向に伝播した光の干渉光
を検出する光検出手段と、この光検出手段の出力から位
相変調周波数の（ｎ−１）倍、ｎ倍、（ｎ＋１）倍（ｎ
は１以上の整数）の周波数成分を抽出する抽出手段と、
この抽出手段の出力信号からサニヤックの位相差を求め
る導出手段と、を設けたものである。

〔作用〕

この発明は、光ファイバループを伝播する光の変調量φ
□を（ｎ−１）次と（ｎ＋１）次のベッセル関数が等し
くなるすなわちＪｎ−１（φｍ）＝Ｊｎ＋１（φｍ）を
満足する変調量の近くに設定し、光検出手段の干渉出力
から位相変調周波数の（ｎ−１）倍、ｎ倍、（ｎ＋１　
）倍、（ｎは１以上の整数）の周波数成分５ｌ−１＋Ｓ
Ｈ＊Ｓ１＋１を抽出する。そして、この周波数成分５ｎ
−１＋Ｓｎ＊Ｓｎ＋１〔実施例〕 以下、この発明の光ファイパソヤイロの実施例について
図面に基づき説明する。第１図はその一実施例の構成を
示すブロック図である。この第１図において、重複を避
けるために、第２図と同一部分には同一符号を付してそ
の説明を省略し、第２図とは異なる部分を主体に説明す
る。

この第１図を第２図と比較しても明らかなように１第１
図では、光源１２、光ファイバ１０１〜１０５、光ファ
イバループ１４、位相変調器１５、発振器１９（増幅器
を含んでもよい）、光検出器１６（増幅器を含んでもよ
い）光方向性結合器１３１，１３２は第２図と同様であ
り、以下に述べる点が第２図とは異なり、この発明の特
徴をなす部分である。

すなわち、光検出器１６の出力は同期検波器３０に送出
される。同期検波器３０には発振器１９０位相変調周波
数出力も供給される。

同期検波器３０の出力は演算回路４θに送出される。演
算回路４０は同期検波器３０の出力からサニヤックの位
相差Δφを導出し、また、位相変調量が一定になるよう
発振器１９も制御する。

次に、この発明の動作について説明する。第２図の場合
と同様に発振器１９の出力を位相変調器１５に送り、光
ファイバループ１４を互層に逆方向に伝播する光に位相
変調をかける。

このとき、位相変調周波数信号の振幅（変調量φｍ）は
、ベッセル関数Ｊｎ−１（φリーＪｎ＋１　（φ。）を
満足する近くに設定される。この位相変調を受けた光は
元方向性結合器１３２によシ、光ファイバ１０２へ進む
光と光７アイパ１０４へ進む光に分けられるが、光方向
性結合器１３２からの光は光ファイバループ１４を互い
に逆方向に伝播した二つの光の干渉光となる。

光ファイバｌθ２からの干渉光は光方向性結合器１３ノ
により光ファイバ１０５に結合されたのち光検出器１．
６で検出され、出力電気信号となって同期検波器３０に
送られる。

この同期検波器３０は光検出器１６の出力を発振器１９
０位相変調波出力の整数倍の周波数で同期検波し、周波
数が位相変調周波数の整数倍の信号成分５ｎ−１，Ｓｎ
、Ｓｎ＋１を抽出する。

この信号成分５ｎ−１，Ｓｎ、Ｓｎ＋１（ｎ≧１）は演
算回路４０に供給され、サニヤックの位相差Δφか によシ求められる。

数の（ｎ−１）倍の成分ｓｎ１と（ｎ＋１）倍の成分Ｓ
ｎ＋１が５ｎ−１”　Ｓｎ＋１となるように変調量φ。

をコントロールして一定に保つかまたは５ｎ１ｅ定する
ことによって決めることができる。

このようにしてサニヤックの位相差Δφを求める利点は
、ベッセル関数Ｊニー１”Ｊｎ＋１では微係数Ｊｎ＝Ｏ
となシ（ベッセル関数の性算）、また、Ｊｎ−１＋Ｊｎ
＋ｌを用いることで微係数Ｊｎ′−１または微係数Ｊ’
ｎ＋１＞微係数（Ｊｎ−１＋Ｊｎ＋１　）　’る変動が
小さいこと、およびＪｎ−１ｓＪｎ＋Ｊｎ＋１成分が比
較的同程度の感度にあるため、検出性度が良好となる点
にあり、従来の欠点を補うことが可能である。

次に、この発明の具体的な一例として変調周波数の２次
、３次、４次の高調波成分を利用する場合を説明する。

この場合は、第５図に示すように変調量φ□をＪ２　（
φｍ）　＝　Ｊ　４　（φｍ）、すなわちＪｓ　（φｍ
）が極大となる値φｒｎｓ　（約４．２ｒａｄ）に設定
する。これは、２次周波数変調成分Ｓｎ、＝房Δφ・Ｊ
２　（φｍ）と４次周波数変調成分５４＝（２）Δφ・
Ｊ４　（φｍ）を同期検波器３０により検波し、演算回
路４θで例えばＳ２と８４の差を検出しその差が零にな
るようすなわち５ｚ＝Ｓｔ（Ｊ２（φｍ）＝Ｊ４　（φ
ｍ））となるように発振器１９の出力振幅（変調量φｍ
）をコントロールすることにより行われる。（ここで、
Δφはサニーｙツクの位相差のため、Δφ中±９０°で
なければ、変調周波数成分Ｓ２　、ｓ４は検出可能であ
る）。さらに、同期検波器３０により３次変調周波数成
分５３＝＝地Δφ・Ｊｓ　（φ１１１）を検波し、演算
回路４０で（５）式の演算を行うことによシサニャソク
の位相差Δφを求めることができる。

この場合、第５図のベッセル関数曲線から分るように、
この変調量φｍＡでは微係数Ｊ′３；０（Ｊｓが極大）
であり、微係数（Ｊ２＋Ｊ４　）’も変調量φ□の変化
に対して比較的フラットなためなお、これと同様に変調
周波数成分５１１Ｓｚ＋Ｓ３の使用によるΔφｂ検出お
よび変調周波数成分Ｓ６＊５１ｅＳｘの使用によるΔφ
検出も可能である。

但し、前者の場合にはΔφキＯ（微小レート）での変調
周波数成分Ｓｔ、Ｓｎ、検出の工夫が必要であシ、また
、後者では変調周波数成分Ｓ。

検出のための回路が必要となる。

いずれの場合にも、従来の変調周波数成分Ｓ１＋８１　
だけを使用し、Ｓｔ／Ｓ２からサニヤックの位相差Δφ
を求める方式に比べ、この発明の方がより安定したスケ
ールファクタが得られ、高性能ソヤイロの構成が可能で
ある。

〔発明の効果〕

以上のように、この発明の光ファイバソヤイロによれば
、安定したスケール７アクタが得られ、高性能ソヤイロ
を構成できる利点全盲する。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の光ファイバソヤイロの一実施例の構
成を示すブロック図、第２図は従来の光７アイパノヤイ
ロのブロック図、第３図は従来の光２アイバノヤイロの
出力特性図、第４図は位相変調方式の光ファイバソヤイ
ロにおける位相変調波と光検出器出力の関係を示す図、
第５図は従来およびこの発明の光７アイバゾヤイロを説
明するためのベッセル関数曲線を示す図である。 １２・・・光源、１４・・・光ファイバループ、１５・
・・位相変調器、１６・・・光検出器、１９・・・発振
器、３０・・・同期検波器、４０・・・演算回路、１０
１〜１０５…光７アイパ、１３１，１３２・・・光方向
性結合器。 出願人代理人　　弁理士　鈴　江　武　彦第３図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 光を出力する光源と、この光源からの光を分配する分配
   手段と、この分配手段の出力光が互いに逆方向まわりに
   導かれる光ファイバループと、外部から位相変調周波数
   信号が供給されこの光ファイバループの互いに逆方向ま
   わりの光に位相変調をかける変調手段と、前記光ファイ
   バループの出力の干渉光を検出する検出手段と、この検
   出手段の出力信号が供給され前記変調手段の位相変調周
   波数の（ｎ−１）倍の周波数成分Ｓ＿ｎ＿−＿１、ｎ倍
   の周波数成分Ｓ＿ｎ、（ｎ＋１）倍の周波数成分Ｓ＿ｎ
   ＿＋＿１（ｎは１以上の整数）を抽出する抽出手段と、
   この抽出手段の出力信号が供給されｔａｎ＾−＾１（ｋ
   Ｓ＿ｎ／（Ｓ＿ｎ＿−＿１＋Ｓ＿ｎ＿＋＿１））（ｋは
   係数）を求めて前記光ファイバループの互いに逆方向ま
   わりの光の位相差を導出する導出手段と、前記位相変調
   周波数の（ｎ−１）倍及び（ｎ＋１）倍の周波数成分Ｓ
   ＿ｎ＿−＿１及びＳ＿ｎ＿＋＿１に含まれるベッセル関
   数成分がほぼ等しくなる値に振幅が設定された発振信号
   を前記位相変調周波数信号として前記変調手段に供給す
   る発振手段とを具備する光ファイバジャイロ。