光干渉角速度計

トップ :: G 物理学 :: G01 測定;試験

【発明の名称】	光干渉角速度計
【発明者】	【氏名】岡田健一
【要約】	【課題】折り返し雑音の影響を小さくする光干渉角速度計を提供する。【解決手段】光ファイバコイル４を互いに逆回りに伝播する左右周回光の干渉光強度により入力された回転角速度を検出する光干渉角速度計において、光ファイバコイル４を伝播する左右周回光間に互いに逆極性の光位相差バイアシングを交互に印加する光位相変調器３３を具備し、干渉光強度を検出する受光器５、受光器５から得られる電気信号を入力する電気的フィルタ５１、電気的フィルタ５１のアナログ出力信号のピーク値をサンプリングするピークサンプリング回路５２より成るアナログ信号処理部５’を具備し、アナログ信号処理部５’の出力信号をディジタル信号に変換するＡＤコンバータ６を具備し、入力角速度に対応する出力信号を取り出すディジタル信号処理部７を具備する光干渉角速度計。

【特許請求の範囲】
【請求項１】光ファイバコイルを互いに逆回りに伝播する左右周回光の干渉光強度により光ファイバコイル軸周りに入力された回転角速度を検出する光干渉角速度計において、光ファイバコイルを伝播する左右周回光間に互いに逆極性の光位相差バイアシングを交互に印加する光位相変調器を具備し、干渉光強度を検出する受光器、受光器から得られる電気信号を入力して特定範囲の周波数成分を取り出す電気的フィルタ、電気的フィルタのアナログ出力信号の正および負のピーク値をサンプリングするピークサンプリング回路より成るアナログ信号処理部を具備し、アナログ信号処理部の出力信号をディジタル信号に変換するＡＤコンバータを具備し、ＡＤコンバータのディジタル出力信号を処理し入力角速度に対応する出力信号を取り出すディジタル信号処理部を具備することを特徴とする光干渉角速度計。
【請求項２】請求項１に記載される光干渉角速度計において、電気的フィルタは電気的帯域通過フィルタより成り、電気的帯域通過フィルタの中心周波数は光位相差バイアシングの周波数に一致していることを特徴とする光干渉角速度計。
【請求項３】請求項１および請求項２の内の何れかに記載される光干渉角速度計において、光位相変調器による光位相差バイアシングは両周回光間に±π／２の光位相差を交互に印加するものであることを特徴とする光干渉角速度計。

【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、光干渉角速度計に関し、特に、受光器から出力される検出信号にＡＤ変換を施すに際して折り返し雑音の影響を小さくしてジャイロ出力のランダムノイズを減少する光干渉角速度計に関する。
【０００２】
【従来の技術】図４を参照して従来例を説明する。図４はクローズドループ型光干渉角速度計の従来例を示す。図４において、光源１出射した光は、光カプラ２、光集積回路３の偏光子部３１、Ｙ分岐部３２を経て、光学路としての光ファイバコイル４の両端に右回り光（ＣＷ光）、左回り光（ＣＣＷ光）として入射される。光ファイバコイル４を伝播するＣＷ光、ＣＣＷ光は、Ｙ分岐部３２の片端に配置した光位相変調器３３および光位相変調器３４により位相変調される。即ち、光位相変調器３３に位相変調信号を印加して光ファイバコイル４の一方の端部においてＣＷ光およびＣＣＷ光を位相変調する。これに対して、光位相変調器３４にフィードバック位相信号を印加して光ファイバコイル４の他方の端部において両光間の位相差を常にゼロに打ち消す制御をしている。位相変調されたＣＷ光ファイバコイル４の一方のファイバ端に入射する一方、ＣＣＷ光は、光ファイバコイル４の他方のファイバ端に入射する。ＣＷ光は光ファイバコイル４を時計方向に巡回伝播してその他方のファイバ端を介して出射し、光集積回路３に再び送り込まれる。ＣＣＷ光も、光ファイバコイル４を反時計方向に巡回伝播してその一方のファイバ端を介して出射し、光集積回路３に再び送り込まれる。ここで、光ファイバコイル４の中心軸に関して角速度が入力されると、サニャック効果に基づいてＣＷ光とＣＣＷ光の間にサニャック位相差が発生するので、光ファイバコイル４を伝播後の再び光集積回路３に送り込まれたＣＷ光およびＣＣＷ光は光集積回路３のＹ分岐部３２において相互に干渉して干渉縞を発生を発生する。この干渉光は偏光子部３１、光カプラ２を経て光電変換器である受光器５に受光され、その干渉縞の干渉光強度を電気信号に変換する。この電気信号に基づいて光ファイバコイル４の中心軸回りに入力される角速度を検知することができる。この光干渉角速度計は、ＣＷ光およびＣＣＷ光に対して入力角速度に基づいて発生したサニャック位相差を打ち消す向きにフィードバック位相を与え、光ファイバコイル４の両光間の位相差を常にゼロに制御するクローズドループ制御が実施され、与えたフィードバック量を測定してこれを入力角速度として検知している。これにより、クローズドループ光干渉角速度計は光源出射光量の変動、光学部伝送損失の変動その他の変動の影響を殆ど受けない。
【０００３】ここで、フィードバック位相の与え方について説明する。光電変換された入力角速度に対応する電気信号は受光器５において適切な値に増幅されてからＡＤコンバータ６に供給される。ＡＤコンバータ６においてＡＤ変換されたディジタル電気信号は、ディジタル信号処理部７の同期検波回路７２によりクローズドループにおける制御誤差信号が取り出される。
【０００４】同期検波回路７２から出力されるフィードバック信号は、積分器７３により積分され、その積分出力はディジタルフェーズランプ発生回路７４に入力され、積分出力に対応した繰り返し周波数の階段状鋸歯状波が生成される。次いで、階段状鋸歯状波はＤＡコンバータ９においてＤＡ変換され、アナログ量のフィードバック位相信号として光集積回路３に設置される光位相変調器３４に印加され、光ファイバコイル４の左右両光間にフィードバック位相差Δφ_fが発生する。
【０００５】このフィードバック位相信号としては、図５に示される如く光ファイバコイル４の光の位相差が２πになったところでリセットされる階段状鋸歯状波（ディジタルフェーズランプ）が利用される。この階段状鋸歯状波の一段の階段の幅は、光フィバコイル４を伝播する光の通過時間τに合わせて設定され、一段の階段の高さは、入力角速度に比例して現われる。光フィバコイル４を伝播する左右両光が受ける階段状鋸歯状波の位相偏移は、互いにτ時間ずれているので両光間に一段の階段の高さに等しい量のフィードバック位相差Δφ_fが付与される。このフィードバック位相差Δφ_fはクローズドループ作動状態においてサニャック位相差Δφ_sと極性が正反対で絶対量が等しいものとして現われる。一方、階段状鋸歯状波の繰返し周波数ｆは、ｆ＝２Ｒ・Ω／ｎλ・・・・・・・・（１）
ここで、Ｒ：光ファイバコイルの半径ｎ：光ファイバ屈折率λ：光の波長フィードバック位相信号として、図６に示される鋸歯状波を利用することもできる。鋸歯状波の繰返し周波数は、式（１）式と同じであり、入力角速度Ωと比例関係にある。そこで、この周波数のパルス出力をジャイロ出力として取り出すことができる。
【０００６】図７を参照して位相差バイアシングの付与について説明する。以上のクローズドループ型光干渉角速度計において、τ時間のパルス幅の矩形波で、＋π／４と－π／４の位相変調が交互に加えられる。干渉光の変化率の最大である＋π／２と－π／２の点に着目して、両光間には図７（ｂ）に示される如くに＋π／２と－π／２が交互に与えられる矩形波状の位相差バイアシングが付与される。
【０００７】図７（ｂ）のＩの領域は、クローズドループ制御における制御エラーが０の場合、即ち、両光間の位相差が０であることを示す。IIの領域は制御エラーが生じて両光間に位相差Δφε（＝Δφ_s－Δφ_f）が生じた場合を示す。その結果、図４における受光器５に到達する干渉光Ｉは位相差バイアシングのΦ₁、Φ₂、・・・・・・、Φ₈に対応して、Ｉ₁、Ｉ₂・・・・・・、Ｉ₈として現われてくる。Ｉの領域においてはΦ₁に対応するＩ₁、Φ₂に対応するＩ₂、Φ₃に対応するＩ₃、Φ₄に対応するＩ₄の間にレベル差はないが、IIの領域においてはΦ₅、Φ₇に対応するＩ₅、Ｉ₇とΦ₆、Φ₈に対応するＩ₆、Ｉ₈間にレベル差が生じる。
【０００８】ここで、Ｉ₁、Ｉ₃、Ｉ₅、Ｉ₇に対応する干渉光出力をＩ_Aとして、Ｉ₂、Ｉ₄、Ｉ₆、Ｉ₈に対応する干渉光出力をＩ_Bとすると、図７（ｃ）の受光光量のグラフを参照して、Ｉ_A、Ｉ_Bは次式で表わすことができる。
Ｉ_A＝－（Ｐ₀ ／２）ｓｉｎΔφε・・・・・・・・（２）
Ｉ_B＝（Ｐ₀ ／２）ｓｉｎΔφε・・・・・・・・（３）
Ｉ_AとＩ_Bの差ΔＩを求めるとΔＩ＝Ｉ_A－Ｉ_B＝－Ｐ₀ｓｉｎΔφε・・・・・・・・・・・・・・・・（４）
ここで、Ｐ₀：受光器に到達する干渉光の最大値Δφε：制御誤差（位相＝Δφ_s－Δφ_f）
Δφ_s：サニャック位相差Δφ_f：フィードバック位相差となる。式（４）は、ΔＩを知れば、制御誤差Δφεを知ることができることを示している。この干渉光は、受光器５において光電変換され、増幅器５０により増幅された後、ＡＤコンバータ６に入力される。ＡＤコンバータ６においては、干渉光Ｉ₁、Ｉ₂、・・・・・・に対応した電気信号をそれぞれ逐次読み込み、ディジタル信号に変換する。同期検波回路７２はエンコードされたディジタル信号を逐次減算処理し、式（４）に対応するディジタル量を出力する。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】検出された干渉光に対応する光電変換されたアナログ信号をＡＤコンバータ６に入力してサンプリングする場合、通常、元のアナログ信号を復元する必要上、サンプリング定理に従って、サンプリング周波数ｆ_sは元のアナログ信号の最高周波数ｆ_cに対してｆ_s＞２ｆ_cに設定される。
【００１０】ところが、上述した光ファイバジャイロの従来例の場合、図７に示される如くＩ₂、Ｉ₂、・・・・・・で示される受光光量のレベルを読み取るに際して、矩形波のアナログ信号ができる限り変形しないことを必要とする。これには、受光器５からＡＤコンバータ６の前段までに挿入されている図示されない低域通過フィルタ（ＬＰＦ）のカットオフ周波数ｆ_LPFを、サンプリング周波数ｆ_sより充分大きく、ｆ_LPF＞１０ｆ_sに設計している。従って、ノイズを含むアナログ信号は、サンプリング周波数ｆ_sより高い周波数成分を有することになる。従って、サンプリング周波数ｆ_sより高い周波数成分についてはアンダサンプリング状態にあり、これにより折り返し雑音が発生する。この折り返し雑音の発生はジャイロ出力としてのランダムノイズの増をもたらす。ここで、この低域通過フィルタは、これを１次遅れの低域通過フィルタにより構成すると、等価雑音帯域ｆ_nは、次で表わされる。
【００１１】
ｆ_n≒１.６ｆ_LPF・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（５）
一方、受光器５から出力される雑音をＶ_n［Ｖ_rms／√（Ｈｚ）］とすると、ＡＤコンバータ６に入力されるアナログ信号に含まれるランダム雑音成分Ｖ_n1［Ｖ_rms］は、次式で表わされる。
Ｖ_n1＝Ｖ_n√（ｆ_n）＝Ｖ_n√（１.６ｆ_LPF）・・・・（６）
ここで、ｆ_LPF＝１０ｆ_sとすると、式（６）はＶ_n1＝４Ｖ_n√（ｆ_s）・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（７）
となる。ところで、折返し雑音の発生しない限界の条件は、ｆ_c＝（１／２）ｆ_sであるので、折返し雑音のない時のランダム雑音成分Ｖ_n2は、式（６）より、Ｖ_n2＝Ｖ_n√（ｆ_n／２）・・・・・・・・・・・・・・・・・・（８）
となる。ところで、ランダム雑音の最大周波数成分ｆ_cは低域通過フィルタの等価雑音帯域ｆ_nと同一である。
【００１２】ここで、アンダサンプリング状態の時と折返し雑音のない時の雑音レベルの比を取ってみる。
Ｖ_n1／Ｖ_n2＝４√（２）＝５.６６・・・・・・・・・・（９）
即ち、光ファイバジャイロの従来例は、本来の光ファイバジャイロが含むランダムノイズと比較して、５. ６６倍のノイズをアンダーサンプリングにより発生していることになり、この折り返し雑音の発生は光ファイバジャイロの精度を向上する際の障害となっている。そして、受光器５および増幅器５０より成るアナログ信号処理部５’において、増幅器５０の増幅度を上昇すると、これに対応して当然に雑音も増幅されるし、増幅器５０およびＡＤコンバータ６の入力範囲に制限され、必要充分な増幅度をとることができない場合も生ずる。特に、受光器５に到達する光量が少ない場合に必要充分な増幅度をとることができない。
【００１３】受光器５に到達する光量を少なく抑制する必要のある場合としては以下の如き場合がある。
■ 光ファイバジャイロを高温作動させ、或いは長寿命用途に供する場合、光ファイバジャイロの光源の光量をしぼって使用する。
■ １個の光源から多軸の光ファイバジャイロに光を分配して使用する。
【００１４】以上の光ファイバジャイロの従来例は、これら■および■の場合の用途に供することは困難であった。この発明は、上述の問題を解消した光干渉角速度計を提供するものである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】請求項１：光ファイバコイル４を互いに逆回りに伝播する左右周回光の干渉光強度により光ファイバコイル軸周りに入力された回転角速度を検出する光干渉角速度計において、光ファイバコイル４を伝播する左右周回光間に互いに逆極性の光位相差バイアシングを交互に印加する光位相変調器３３を具備し、干渉光強度を検出する受光器５、受光器５から得られる電気信号を入力して特定範囲の周波数成分を取り出す電気的フィルタ５１、電気的フィルタ５１のアナログ出力信号の正および負のピーク値をサンプリングするピークサンプリング回路５２より成るアナログ信号処理部５’を具備し、アナログ信号処理部５’の出力信号をディジタル信号に変換するＡＤコンバータ６を具備し、ＡＤコンバータ６のディジタル出力信号を処理して入力角速度に対応する出力信号を取り出すディジタル信号処理部７を具備する光干渉角速度計を構成した。
【００１６】そして、請求項２：請求項１に記載される光干渉角速度計において、電気的フィルタは電気的帯域通過フィルタ５１より成り、電気的帯域通過フィルタ５１の中心周波数は光位相差バイアシングの周波数に一致している光干渉角速度計を構成した。また、請求項３：請求項１および請求項２の内の何れかに記載される光干渉角速度計において、光位相変調器３３による光位相差バイアシングは両周回光間に±π／２の光位相差を交互に印加するものである光干渉角速度計を構成した。
【００１７】
【発明の実施の形態】実施の形態を図１を参照して説明する。図１において、図４における部材と共通する部材には共通する参照符号を付与している。図１の実施例は、図４において、アナログ信号処理部５’を、増幅器５０の後段に電気的帯域通過フィルタ５１を接続し、電気的帯域通過フィルタ５１の後段にピークサンプリング回路５２を接続したものに相当する。そして、ピークサンプリング回路５２の出力端をＡＤコンバータ６の入力端に接続している。この電気的帯域通過フィルタ５１は、その中心周波数ｆ₀が位相変調周波数ｆ_pに等しく設定されている。位相変調周波数ｆ_pは、±π／２の矩形波状位相差バイアシングを生じさせる必要から、通常、ｆ_p＝１／２τに設定される。その理由は、±π／４の位相変調信号を位相変調器に印加して左右両回り光に±π／２の位相差を持った矩形波状バイアシングを生じさせるには矩形波の片幅がτである必要があることによる。但し、左右両回り光が光ファイバコイル中を伝播する時間：τ＝ｎＬ／ｃ、ｎは光ファイバコイルの屈折率、ｃは光速、Ｌは光ファイバコイルの長さである。ここで、図８を参照するに、図８（ｂ）は矩形波の片幅がτではない場合を示す。この場合、位相差バイアシングは点線の丸印で包囲されるところで不連続であり、全体として矩形波とはならない。図８（ｃ）は矩形波の片幅がτである場合を示す。この場合、位相差バイアシングは実線により示される如く全体として矩形波となる。
【００１８】電気的帯域通過フィルタ５１の利得特性は図２に示される如く設計することができる。
選択度：Ｑ＝ｆ₀ ／（ｆ₂－ｆ₁）、ｆ_s＝ｆ₀、Ｑ＝５とすると、電気的帯域通過フィルタ５１の等価雑音帯域Ｂは、１.２ｆ_s／５＝０.２４ｆ_sとなる。これは折り返し雑音が発生するｆ_s＞２ｆ_cの条件を充分に満足する。
【００１９】ここで、図３をも参照して説明するに、干渉光に対応する光電変換されたアナログ信号は図３（ａ）に示されるが如き信号であり、これを増幅器５０において必要な電圧に増幅してから、電気的帯域通過フィルタ５１を通過せしめられる。電気的帯域通過フィルタ５１を通過した出力信号は、図３（ｂ）に示される如く干渉光の強度変化に伴って正弦波形状の波形となる。この正弦波形状の波形は、ピークサンプリング回路５２に入力される。ピークサンプリング回路５２においては、干渉光出力Ｉ₁、Ｉ₂、・・・・に対応する光位相変調の各位相バイアシングの時間のの中点において図３（ｂ）の波形をサンプリングし、この波形の正のピーク値および負のピーク値を取得し、これをサンプルホールドする。図３（ｃ）はエンコードするクロックパルス列である。ピークサンプリング回路５２にサンプルホールドされた正のピーク値および負のピーク値は、次いで、ＡＤコンバータ６に入力され、ＡＤ変換される。
【００２０】
【発明の効果】以上の通りであって、この発明によれば、ＡＤコンバータの前段に電気的帯域通過フィルタを設けたことにより、等価雑音帯域を大幅に小さくすることができる。これにより、データサンプリングにより発生する折返し雑音の影響を小さくすことができ、最終的に光干渉角速度計の出力ノイズを小さく抑制することに貢献する。そして、アナログ信号に含まれる雑音の大きさを小さくしたことによりアナログ信号処理部の増幅度を要求に応じて高くすることができ、受光器に到達する光量を少なく抑制する必要のある場合にも増幅度を要求に応じて高くして対処することができる。
【００２１】また、この発明はディジタル位相変調信号処理をする光ファイバジャイロにおける折り返し周波数雑音を除去するものであることは上述した通りであるが、ピークサンプリング回路を具備してアナログの電気的帯域通過フィルタを介して得られる正弦波状の信号のピークサンプリングをすることにより、ディジタル型の不連続な光位相差バイアシングに伴うリンギング、受光器で発生する雑音、外部から混入するスパイク雑音その他の雑音に対しても、有効にこれを除去する効果を奏する。

【出願人】	【識別番号】０００２３１０７３【氏名又は名称】日本航空電子工業株式会社
【出願日】	平成１１年７月１２日（１９９９．７．１２）
【代理人】	【識別番号】１０００６６１５３【弁理士】【氏名又は名称】草野卓（外１名）
【公開番号】	特開２００１－２１３６３（Ｐ２００１－２１３６３Ａ）
【公開日】	平成１３年１月２６日（２００１．１．２６）
【出願番号】	特願平１１－１９７２４４