サニャック干渉計用固有振動数検出器
光ファイバ・ジャイロ（ＦＯＧ）内の検知コイルの固有振動数を検出するシステムは、光源に接続されたファイバ・カップラと、ファイバ・カップラを介して光源から受け取った光を変調することのできる光集積回路チップ（ＩＯＣ）と、ＩＯＣと通信する検知コイルと、第１変調信号を光に付与する第１変調ジェネレータと、検知コイルの回転速度を表す検知コイルから戻る光を受ける光検出器と、を含む。上記と共に、第２の、好ましくは正弦波の変調信号を光に付与する第２変調ジェネレータと、光検出器によって少なくとも間接的に生成された信号と通信する高振動数復調器と、高振動数復調器と通信する低振動数復調器とが提供される。高振動数復調器は、基準振動数として第１変調信号を受け取り、低振動数復調器は、基準振動数として第２変調信号を受け取る。低振動数復調器の出力は、第２変調信号の振動数と固有振動数の偶数高調波との振動数差の大きさ及び符号を表す。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般には、サニャック干渉計に関し、より詳細には、光ファイバ・ジャイロスコープの検知コイルの固有振動数を検出することに関する。
【背景技術】
【０００２】
光ファイバ・ジャイロスコープ（ＦＯＧ、ｆｉｂｅｒ ｏｐｔｉｃ ｇｙｒｏｓｃｏｐｅ）検知コイルの固有振動数（「適切な」振動数と呼ばれることもある）は、ナビゲーションＦＯＧ及び高性能グレードＦＯＧの動作にとって、極めて重要なパラメータである。固有振動数は、本質的に検知コイルの光路長によって定義される。多くの率出力誤差の源は、固有振動数でバイアス変調を行うことによって低減され、又は実質上除去される。一般的に言うと、ＦＯＧが高性能要件に適合するためには、バイアス変調を固有振動数の少なくとも数ｐｐｍの範囲内で実行しなければならない。現在、新しい応用例は、こうしたタイプのジャイロに対して、より厳しい性能要件を求めつつある。
【０００３】
広い温度範囲にわたって動作しなければならないナビゲーション・グレードＦＯＧでは、バイアス変調を固有振動数に維持する現況技術の方法は、固有振動数を間接的に測定する方法を利用する。固有振動数は、コイルの温度測定値と、較正ルックアップ・テーブル上の較正係数から推定される。この方法は、較正のための広範な試験をとりわけ必要とし、且つ固有振動数の間接的測定であるので精度の限界を有するという欠点を有する。
【０００４】
宇宙ベースの照準応用例及び潜水艦ナビゲーション応用例のための高性能ＦＯＧは、現在、ファイバ・コイルの温度制御を使用して、固有振動数を一定値付近に維持している。次いで、温度制御型又は補償型水晶発振器から振動数を導出することにより、バイアス変調振動数が固有振動数付近に維持される。この方法は、１年から２年の比較的短い期間、比較的穏やかな実験室環境下でジャイロ動作を固有振動数に維持する場合に良好に働く。しかし、多年（例えば１０年以上）にわたる動作での水晶発振器のドリフトは、高性能に対して求められるものよりも、通常は大きい。更に、ファイバ・コイル自体のエージング効果により、コイルの固有振動数が、多年にわたって著しくドリフトする可能性がある。
【０００５】
ナビゲーションＦＯＧと高性能グレードＦＯＧの両方について、固有振動数に対してバイアス変調を制御するより良い方法は、固有振動数検出器と、ジャイロ・オペレーションを固有振動数に自動的に維持するサーボ制御ループとを利用することである。固有振動数検出器は、バイアス変調がコイル固有振動数のとき、ヌルであるエラー信号を供給する。サーボ・ループは、固有振動数検出器からのエラー信号をヌルにすることによってバイアス変調をコイル固有振動数に維持する。
【０００６】
固有振動数検出は、幾つかの方法によって実施することができる。米国特許第５,０９０,８０９号に記載されているそのような一方法は、レート信号の直角位相を復調して固有振動数についての情報を抽出することを含む。この方法は、固有振動数エラー信号を生成するのにスプリアス（ｓｐｕｒｉｏｕｓ）強度変調の形の位相変調器の不完全性に依拠する。この手法の欠点は、固有振動数の変化に対する固有振動数エラー信号の感度が光学構成部品の不完全性に依存することであり、これは、受け入れられるレベルであることがあり、又は受け入れられるレベルでないことがあり、装置ごとに激しく変化することがある。この欠点を克服するために、この特許は、位相変調器の長さを低減することにより、又は光回路に強度変調器を追加することにより、スプリアス強度変調の大きさを増加させることが望ましいことがあることを教示している。この方法は、光回路に著しい複雑さを追加し、追加の強度変調を導入し、それが他のタイプのジャイロ・エラーを生み出す可能性がある。この手法の別の欠点は、レート信号の直角位相を復調して固有振動数エラー信号を抽出することを含む検出プロセスである。実際の装置の復調プロセスを、厳密にレート信号の直角位相（９０度異相）内で行うことはできないので、レート信号チャネルと固有振動数エラー信号チャネルとの間で何らかのクロストークが生じる。このクロストークは、固有振動数サーボの性能を制限する。更に、固有振動数復調器が、レート復調器と同じ振動数で動作しているので、固有振動数復調器は、同一振動数のどんな干渉にも敏感となる。この干渉は、静電結合又は電磁結合、或いはグランド線又は電源線上の電圧降下によるスプリアス信号を引き起こす信号電流の形である可能性がある。信号干渉はまた、このタイプの固有振動数サーボの性能も制限する可能性がある。
【０００７】
別の手法が、米国特許第５，０９０，８０９号に勝る改良である米国特許第５，７３４，４６９号に記載されている。この手法も、レート信号の直角位相を復調することを含む。しかし、５０−５０デューティ・サイクルの方形波バイアス変調を実施することにより、固有振動数の変化に対する固有振動数エラー信号の感度が求められ、それが向上する。この方法の利点は、固有振動数エラー信号の感度を向上させるために光学構成部品の変更が不要であることである。しかし、この発明は、米国特許第５，０９０，８０９号についての先の段落で述べた直角位相検出に関連する同じ欠点を有する。更に、実施された実験室試験は、この方法、即ち直角位相検出を含むどんな方法も、高性能応用例に対して十分正確ではない可能性があることを示している。
【０００８】
従って、ＦＯＧのファイバ・ループの固有振動数を容易かつ正確に検出することができ、その結果、所望の安定性及び性能を有するＦＯＧが、長期間の広い温度範囲にわたって動作することのできる方式を提供することは、依然として必要である。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００９】
（発明の簡単な概要）
本発明は、従来技術の方法に関連する欠点を伴わない、固有振動数を検出する改良型の方法を提案する。具体的には、本発明による方法を利用することは、追加の光学構成部品を必要とせず、位相変調器又はバイアス変調の不完全性を必要とせず、直角位相復調を必要としない。更に、この新しい方法では、固有振動数及びバイアス変調振動数の０．３ｐｐｂの振動数分離の変化を検出できることが実証された。この性能のレベルは、ナビゲーションＦＯＧと高性能グレードＦＯＧとの両方について十分過ぎるほどであると考えられる。
【００１０】
より具体的には、本発明は、検知コイルを通じて伝播する光波に加えられる追加の位相変調の使用を含む。この追加の位相変調は、ジャイロ動作振動数と固有振動数との間の振動数差に比例する「エラー」信号を生成する。サーボ・ループは、「エラー」信号をヌルに駆動することにより、固有振動数に対してジャイロ動作振動数を制御する。
【００１１】
好ましい実施形態では、本発明は、光ファイバ・ジャイロ（ＦＯＧ）を備え、よく知られているように、光ファイバ・ジャイロ（ＦＯＧ）は、光源と、光源に結合されたファイバ・カップラと、ファイバ・カップラを介して光源から受け取った光を変調することのできる光集積回路チップ（ＩＯＣ）と、ＩＯＣと通信する検知コイルと、バイアス変調信号を光に付与するバイアス変調ジェネレータと、検知コイルの回転速度を表す検知コイルから戻る光を受ける光検出器と、を含む。本発明の原理によれば、ＦＯＧはまた、第２変調信号、好ましくは正弦波信号を光に付与する第２変調ジェネレータと、光検出器によって少なくとも間接的に生成された信号と通信する高振動数復調器と、高振動数復調器と通信する低振動数復調器と、を含む。動作の際に、高振動数復調器は、基準振動数として第２の正弦波変調信号を受け取り、低振動数復調器は、基準振動数としてバイアス変調信号を受け取り、低振動数復調器の出力は、第２変調信号の振動数と固有振動数の偶数高調波との振動数差の大きさ及び符号を表す。
【００１２】
次いでこの情報を使用して、ジャイロの動作振動数を検知コイルの固有振動数に維持することができ、それによって性能の向上が達成される。
【００１３】
この固有振動数検出器は、サニャック干渉計を使用するその他のタイプのセンサにも使用することができる。例えば、固有振動数サーボを使用して、リング干渉計を使用する光ファイバ電流センサの性能を改善することができる。更に、コイルの固有振動数が所望の測定量に敏感となるように他のタイプのセンサを構築することができる。
【００１４】
なお、以下の詳細な説明を関連する図面と共に読むときに、本発明の機能及び付随する利点をより完全に理解されよう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明は、通常のジャイロ動作中にコイルの固有振動数を検出する改良型の方法を提案する。この改良型の方法は、検知コイルを通じて伝播する光波に加えられる追加の位相変調の使用を含む。この追加の位相変調は、ジャイロ動作振動数と固有振動数との間の振動数差に比例する「エラー」信号を生成する。サーボ・ループは、「エラー」信号をヌルに駆動することにより、固有振動数に対してジャイロ動作振動数を制御する。
【００１６】
図１に、位相変調器に関連する固有振動数の概念を説明する助けとなる、検知コイルと、位相変調器を備える光集積回路チップとの図を示す。光ループ全体は、Ｙ接合部から、光集積回路チップを通り、ファイバ・コイルを通り、光集積回路チップを通ってＹ接合部に戻る光路を含む。位相変調が、光ループ内の地点ａ１で加えられた場合、変調後反時計回り（ＣＣＷ、ｃｏｕｎｔｅｒ−ｃｌｏｃｋｗｉｓｅ）光波は、地点ａ１から、ファイバ・コイルを通って地点ｂ１まで移動し、次いでＹ接合部まで移動しなければならなくなるのに対して、変調後時計回り（ＣＷ、ｃｌｏｃｋｗｉｓｅ）光波は、地点ａ１から、ファイバ・コイルを通って移動することなく直接Ｙ接合部まで短距離を移動するだけでよい。従って、変調後ＣＣＷ光波は、変調後ＣＷ光波と比べてかなりの遅延を受けることになる。変調後ＣＣＷ光波と変調後ＣＷ光波との間の相対的時間遅延は、光が地点ａ１からコイルを通って地点ｂ１まで移動するのにかかる時間τ１である。ただし、地点ｂ１及びａ１は、Ｙ接合部から同じ光路長を有する。ＣＣＷ光波とＣＷ光波の変調間の３６０度の整数倍の位相ずれを与える位相変調が生成される場合、ＣＷ波とＣＣＷ波が干渉するとき、ＣＷ波に対する位相変調は、ＣＣＷ波に対する位相変調と全く同じとなる。この条件下では、反時計回りに伝播する光波との間の位相変調差は存在せず、従って、２つの波の間の干渉による強度変動は生じない。この状態は、変調振動数が固有振動数ｆｅ１の偶数倍に設定されるときに生じる。固有振動数ｆｅ１は、以下によって与えられる：
ｆｅ１＝１／（２＊τ１）＝ｃ／（２＊Ｌ１）
（式１）。
上式で、Ｌ１は、地点ａ１からファイバ・コイルを通って地点ｂ１までの光路長であり、ｃは、真空中の光速度である。位相変調が、光ループ内の地点ａ２に加えられた場合、この位相変調器に関連する固有振動数ｆｅ２は、以下によって与えられる：
ｆｅ２＝１／（２＊τ２）＝ｃ／（２＊Ｌ２）
（式２）。
上式で、τ２は、光が地点ａ２からファイバ・コイルを通って地点ｂ２まで移動する時間であり、Ｌ２は、地点ａ２からファイバ・コイルを通って地点ｂ２までの光路長である。上記の説明は、位相変調器に関連する固有振動数が光ループ内の位相変調器の位置に依存することを示している。
【００１７】
図３に、改良型固有振動数検出器を使用する単純な開ループＩＦＯＧの機能図を示す。ここでは、話を簡単にするための一例として、開ループＩＦＯＧを使用する。しかし、本発明は、閉ループＩＦＯＧでも同様に機能する。光源１００からの光は、ファイバ・カップラ１０２を通って光集積回路チップ（ＩＯＣ）１０４まで通過し、光集積回路チップ（ＩＯＣ）では、光がＹ接合部１０６によって２つの波に分割される。この２つの光波は、検知コイル１０８を互いに逆方向に伝播し、次いでＹ接合部１０６で再合成される。次いで、再合成された波は、ファイバ・カップラ１０２に戻り、ファイバ・カップラ１０２は、光の一部を光検出器１１０に転送する。光検出器１１０での光度は、互いに逆方向に伝播する波の間の位相差に依存する。位相差は、コイル１０８の感知軸に沿った回転によって、又は互いに逆方向に伝播する波に時変位相変調を加えることによって生成される可能性がある。
【００１８】
バイアス変調は、非常に低い回転速度に対するジャイロスコープの感度を改善するために使用される。バイアス変調ジェネレータ１１２は、ＩＯＣ位相変調器１１４ａの１つに、振動数ｆ２の正弦波又は方形波駆動信号を印加する。これは、光検出器１１０で振動数ｆ２の回転速度に比例する信号を生成する。光検出器１１０は、光信号を電気信号に変換し、電気信号は、増幅器及びフィルタを通常は備える信号調整回路１２０を通過する。次いで、振動数ｆ２の回転信号は、ジャイロ信号処理機能１２２によって復調され、ジャイロ信号処理は、速度に比例するｄｃ信号を出力する。
【００１９】
本発明によれば、正弦波変調ジェネレータ１３０は、振動数ｆ１の正弦波信号を生成して、別のＩＯＣ位相変調器１１４ｂを駆動する（第２位相変調器は本発明には不要であり、従って位相変調器１１４ａを駆動するように正弦波変調ジェネレータ１３０を構成できることを当業者は理解されよう。更に、ジェネレータ１３０が方形波などの非正弦波信号を生成するように構成される場合でも本発明はなお機能し、それを行って変調ジェネレータ１３０の設計を単純化することができる）。理想的なケースでは、振動数ｆ１が、固有振動数ｆｅ１の偶数高調波に厳密に設定される場合、変調振動数ｆ１で位相差は生成されず、従って正弦波駆動信号は、光検出器１１０で信号を生成しない。しかし、正弦波駆動振動数ｆ１が、コイル固有振動数ｆｅ１の偶数高調波から逸脱する場合、結果として光検出器１１０で「エラー」信号が生じる。図２に、正弦波信号振動数ｆ１が、固有振動数ｆｅ１の偶数倍に等しくなく、厳密ではないが方形波バイアス変調振動数ｆ２の約２倍である場合にどのように固有振動数エラー信号が生成されるかを示す。上の余弦曲線１は、光検出器での光度を、光検出器で干渉する互いに逆方向に伝播する光波間の全位相差Δφの関数として示す。曲線２は、正味の位相変調を時間の関数として示す。正味の位相変調は、方形波バイアス変調と正弦波変調の合成である。検出器での干渉計強度出力である曲線３は、曲線２の点を曲線１上に平行移動することによって求めることができる。この例では、バイアス変調は、π／２と−π／２の間で交番する方形波であり、実際のバイアス変調に関して典型的な振幅である。バイアス変調がπ／２及び−π／２から切り替わるとき、曲線１の傾きは負から正に切り替わる。傾きの符号が交番するので、振動数ｆ１で生成された信号正弦波位相変調は、バイアス変調ｆ２で変調される。従って、エラー信号が、振動数ｆ１の周りの側波帯として発生する。側波帯は、振動数ｆ１＋／−ｎ＊ｆ２となる。ただしｎは、整数である。
【００２０】
固有振動数を検出するために、光検出器信号が、２つの位相敏感復調器によって復調される。まず、光検出器信号が、高振動数復調器１３２によって振動数ｆ１で復調される。次いで、高振動数復調器１３２の出力が、低振動数復調器１３４によって振動数ｆ２で復調される。「低振動数」復調器の出力は、固有振動数エラー信号であり、これは、固有振動数の正弦波駆動と偶数高調波の間の振動数差の大きさ及び符号を表す。２つの復調器の順序は、低振動数復調器が高振動数ｆ１を通過するように構成される限り、切り換えることができる。振動数ｆ１及びｆ２を選択する際に、注意を払わなければならない。振動数ｆ１が、振動数ｆ２の厳密な偶数倍となるように選択された場合、固有振動数検出器及びジャイロ・レート出力の性能が不十分となる可能性がある。振動数ｆ２の厳密な偶数倍からわずかに異なる振動数ｆ１を設定することにより、固有振動数検出器を、多くのエラー源の影響を受けないようにすることができる。この関係は以下によって与えられる：
ｆ１＝（ｍ＊ｆ２）−Δｆ
（式３）。上式で、ｍは偶数であり、Δｆは比較的小さい振動数偏位である。バイアス変調用の１組の位相変調器と、光ループ中の異なる地点の、正弦波変調用の別の１組の位相変調器とを備える光集積回路チップを使用するＦＯＧでは、好ましい方法は、正弦波変調振動数ｆ１が固有振動数ｆｅ１の偶数倍であるときに、変調振動数ｆ２が固有振動数ｆｅ２となるように、振動数差Δｆを選ぶことである。このようにして、固有振動数から離れた動作に関連するジャイロ・レート・エラーが、固有振動数エラー信号がゼロであるときに解消され、又は最小限に抑えられる。振動数Δｆは、正弦波位相変調器とバイアス位相変調器の間の光路長と、選ばれた偶数高調波数ｍとによって決定される。固有振動数検出器の感度は、偶数高調波数ｍに比例する。従って、ジャイロ電子回路がほとんど減衰なしに約ｆ１の振動数のエラー信号を通過させることができる限り、より大きいｍを選ぶことで、正弦波変調の振幅を増大させることなく、固有振動数検出器の感度を向上させることができる。多くの因子によって感度を向上させる能力を有することは、従来技術に勝って本発明が有する主な利点である。４ｋｍのファイバのコイルを有する典型的な高性能ＦＯＧでは、ｍが約６４であり、Δｆが２４Ｈｚである。
【００２１】
従来技術に勝って本発明が有する別の主な利点は、非同期２重復調プロセスである。Δｆがゼロでない式３を満たすｆ１及びｆ２を選ぶことにより、２重復調プロセスが多くのエラー源の影響を受けないようにされる。一例は、信号干渉によって引き起こされるエラーである。第１復調器は、振動数ｆ１の奇数倍で生じない任意の信号を拒絶し、第２復調器は、振動数ｆ２の奇数倍で生じない任意の信号を拒絶する。組み合わせた復調器は、振動数ｆ１＋／−ｎ＊ｆ２を有する信号だけを通過させる。ただし、ｎは整数である。高調波ｆ１の信号を高調波ｆ２の信号と混合するのに非線形プロセスが必要となるので、大部分の信号干渉源は、振動数ｆ１＋／−ｎ＊ｆ２とはならない。
【００２２】
本発明を実施するのに２つの別々の位相変調器は不要である。光ループの異なる地点にある２組の位相変調器を有することは、比較的長い光集積回路チップを必要とする。ある応用例は、可能な限りＦＯＧを小さくすることを必要とする。これらの小型のＦＯＧは、２組の別々の位相変調器を有する比較的長い光集積回路チップを収容するのに十分な空間をそのパッケージ内に有さず、従って１組の位相変調器だけを備える光集積回路チップを有する。このタイプのＦＯＧでは、正弦波変調が、バイアス変調と同じ位相変調器に印加される。Δｆがゼロに等しくない式３に示す同じ振動数関係式を維持することが、やはり重要である。この場合、固有振動数検出器出力は、正弦波変調振動数ｆ１が固有振動数ｆｅ２の偶数倍であるときに、やはりゼロとなる。しかし、バイアス変調振動数は、もはや厳密に固有振動数ｆｅ２ではない。固有振動数からずれて動作することに関連するレート・エラーは、比較的小さいがゼロではない振動数差Δｆを選ぶことによって、最小限に抑えることができる。一例は、１ｋｍのコイルを有するＦＯＧである。この場合の固有振動数は、約１００ｋＨｚとなる。ｍを６４となるように選び、Δｆを１６Ｈｚとなるように選んだ場合、バイアス変調振動数は、固有振動数からわずか２．５ｐｐｍずれるだけであり、小さいＦＯＧを含む大部分の応用例に対して十分過ぎるほどである。
【００２３】
非理想的な場合、正弦波振動数ｆ１が固有振動数の厳密に偶数倍ではないとき、固有振動数検出器にゼロ出力値を有するようにさせる何らかのエラー機構が存在する可能性がある。サーボ・ループが、固有振動数検出器の出力をゼロに維持している場合、正弦波変調は、光検出器１１０で望ましくない残留信号を生成する。回転速度を検出するメイン・ループ信号処理は、残留信号に敏感である可能性があり、その結果、振動数Δｆで回転速度が誤って表示される。多くの応用例では、振動数Δｆが十分高い場合、このことは、問題ではない。しかし、振動数Δｆでの正弦波レート・エラーを許容することのできないジャイロ応用例が存在する可能性がある。幸いにも、この効果を除去する方式がある。
【００２４】
回転速度の誤った表示を生成することなく追加の変調を使用する一方式は、参照により本明細書に組み込まれる米国特許第５，７８１，３００号に記載されている。米国特許第５，７８１，３００号に記載の方式は、後方散乱によるバイアス・エラーを低減する正弦波変調を追加することを含む。その後、この方式は、本発明による固有振動数を検出する優れた方式であることが判明した。より具体的には、正弦波変調振動数が、特別な条件を満たす固有振動数の偶数高調波に設定された場合、メイン・ジャイロ信号処理は残留信号の影響を受けないことが確認された。特別の条件は、メイン・ジャイロ信号処理がどのように行われるかによって決定される。方形波バイアス変調を使用する大部分のＦＯＧは、しばしば、バイアス変調があるレベルから別のレベルに遷移を行うときはいつでも、光信号中に望ましくないグリッチ（ｇｌｉｔｃｈ）を含む。こうしたグリッチがジャイロ信号処理を通過することが可能である場合、レート・エラーが生じる。グリッチの効果は、グリッチがかなりの振幅を有する信号の部分を遮断することによって、大きく低減することができる。これは通常、グリッチがかなりの振幅を有するときに対応するＡ／Ｄサンプルを処理しないことによって行われる。グリッチ中のサンプルを遮断するプロセスは、レート信号の復調プロセスを、バイアス変調振動数の整数倍のスプリアス信号に敏感にさせる。スプリアス信号が、ゲート期間内に生じるスプリアス信号の整数のサイクルが存在しないような振動数である場合、レート・エラーがスプリアス信号から生じる。しかし、スプリアス信号が、ゲート期間内で生じるスプリアス信号の整数のサイクルが存在するような振動数である場合、レート・エラーは生じない。正弦波位相変調に対する特別な条件は、整数の正弦波位相変調サイクルがΔｆがゼロのときにゲート期間内に適合するように整数ｍを選ぶことである。Δｆを十分小さく保つ限り、この特別な条件からのわずかなずれによるこのレート・エラーはなお小さい。
【００２５】
図４に、ジャイロの動作振動数を制御するサーボ・ループで改良型固有振動数検出器を使用する閉ループＦＯＧの機能図を示す。この構成では、正弦波変調は、様々なタイプのジャイロ・エラーを抑制するのに使用される同一の変調（エラー抑制変調）である。ダイレクト・デジタル・シンセサイザ（ＤＤＳ）回路２１０は、エラー抑制変調を生成する。帯域フィルタ２１２は、エラー抑制変調からスプリアス信号を除去するために、使用される。
【００２６】
現況技術のＦＯＧは、デジタル信号処理を使用する。良く知られているように、アナログ・フロント・エンド電子回路２２０によって、光検出器信号が増幅され、濾波され、デジタル化される。デジタル信号処理は、通常、フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ（ＦＰＧＡ）２３０で使用される。図４に、一方はレート・ループ処理用、他方は固有振動数検出器用の２つの経路２３２、２３４に分割されるデジタル信号を示す。
【００２７】
マスタ・クロックＤＤＳ回路２４０は、水晶発振器２４２からマスタ・クロック振動数を導出する。マスタ・クロック振動数は、ＦＰＧＡ２３０中の論理機能をクロックするのに使用される。バイアス変調振動数は、ＦＰＧＡ２３０によって生成され、マスタ・クロック振動数から導出される。
【００２８】
図３を参照して説明したように、本発明のデジタル固有振動数検出器は、２つのデジタル復調器１３２、１３４と、それに加えてサンプル・レジスタ２３６とを備えることが好ましい。第１復調器１３２は、振動数ｆ１で復調し、第２復調器１３４は、振動数ｆ２で復調する。サンプル・レジスタ２３６の出力は、固有振動数検出器の出力である。閉ループ動作では、サーボ機能２３８は、マスタ・クロック２４０の振動数を調節することによって、コイル固有振動数ｆｅ１の偶数高調波にエラー抑制振動数を維持する。エラー抑制振動数とバイアス変調振動数は共にマスタ・クロック振動数から導出されるので、このサーボ・ループは、バイアス変調振動数をコイル固有振動数ｆｅ２に自動的に維持する。
【００２９】
図５に、本発明による固有振動数検出器のデジタル実装のブロック図を示す。この設計は、連続的非同期２重復調を使用する。固有振動数検出器論理機構は、すべてのレジスタがそれによって刻時される同期クロック入力として、マスタ・クロック振動数ｆｍｃｌｋ入力の立上りを使用する。ｆｍｃｌｋ／２入力は、ｆｍｃｌｋ信号と同期し、ｆｍｃｌｋ／２に等しい。
【００３０】
好ましくは、クロックｆ１及びｆ２は、非同期５０パーセント・デューティ・サイクル方形波入力であり、ｆ１は、ｆ２のｍ倍から小さい振動数差を引いたものに等しく、ｍは整数である。クロックｆ１は、受信され、位相調節制御論理機構２３９に送られ、位相調節後のｆ１信号ｆ１θが生成される。位相調節制御論理機構２３９は、ｆ１θを生成するθ（ｋ：０）バス入力を使用して、３６０／２ｋ度単位のｆ１入力のプログラム可能位相調節を実現する。ただし、ｋは整数である。
【００３１】
第１復調器１３２は、位相調節後のｆ１θ信号の正の半分にわたってαを合計し、ｆ１θの負の半分にわたってαを減算し、αεを生成する。ｆ１θの立上りと同時に、第１復調器１３２の内容αεが、第２復調器１３４に転送され、次いでその後でゼロにリセットされる。第２復調器１３４は、ｆ２の正の半分にわたってαεを合計し、ｆ２の負の半分にわたってαεを減算し、φεを生成する。この動作は、継続的に実行される。
【００３２】
サンプル信号ｆｓが、立上り検出論理機構３１０から生成される。立上り検出論理機構３１０は、１／ｆｍｃｌｋよりも長い周期を有する正パルスｆ３を受け取り、パルス幅周期１／ｆｍｃｌｋを有するアクティブ高サンプル信号ｆｓを生成する。ｆｓの立下りと同時に、第２復調器１３４の内容φＥがサンプリング・レジスタ２３６に転送され、φε（ｎ）が生成される。ただし、ｎは整数である。転送と同時に、第２復調器１３４が、ほぼゼロにリセットされる。この動作が継続的に実行される。
【００３３】
ゲーティング制御論理機構３１２は、第１復調器１３２から第２復調器１３４への復調転送の省略を実現する。ｆｍｃｌｋ／２よりも長い周期を有する論理高ゲート信号ｆｇａｔｅ入力は、ｆｇを生成し、ｆｇａｔｅとｆｍｃｌｋ／２の４倍との和の期間、第１復調器１３２から第２復調器１３４への変調サイクル転送の省略を引き起こす。
【００３４】
本発明の好ましい実施形態の上述の開示は、例示及び説明のために提示した。これは網羅的なものではなく、開示の厳密な形態に本発明を限定するものでもない。上記の開示に照らして、本明細書に記載の実施形態の多くの変形形態及び修正形態が、当業者には明らかとなるであろう。本発明の範囲は、本明細書に添付の特許請求の範囲とその均等物だけによって定義されるべきである。
【００３５】
更に、本発明の代表的実施形態を説明する際に、本明細書は、本発明の方法及び／又はプロセスを特定の順序のステップとして提示することがあった。しかし、方法又はプロセスが本明細書に記載のステップの特定の順序に依拠しない範囲で、方法又はプロセスを、記載の特定の順序のステップに限定すべきではない。当業者は理解するであろうが、他の順序のステップも可能である。従って、本明細書に記載の特定の順序のステップを、特許請求の範囲に関する限定と解釈すべきではない。更に、本発明の方法及び／又はプロセスを対象とする特許請求の範囲は、その書かれた順序のステップの実施に限定されるべきではなく、順序を変更してもなお本発明の精神及び範囲内にとどまることができることを当業者は容易に理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明を例示する助けとなる表示を有する検知コイルを示す図である。
【図２】本発明に従って固有振動数エラー信号がどのように特定の条件下で生成されるかを示す図である。
【図３】本発明による固有振動数検出器を組み込む開ループ干渉光ファイバ・ジャイロの機能図である。
【図４】本発明による固有振動数検出器を組み込む閉ループ光ファイバ・ジャイロの機能図である。
【図５】本発明による固有振動数検出器のデジタル実装のブロック図を示す図である。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般には、サニャック干渉計に関し、より詳細には、光ファイバ・ジャイロスコープの検知コイルの固有振動数を検出することに関する。
【背景技術】
【０００２】
光ファイバ・ジャイロスコープ（ＦＯＧ、ｆｉｂｅｒ ｏｐｔｉｃ ｇｙｒｏｓｃｏｐｅ）検知コイルの固有振動数（「適切な」振動数と呼ばれることもある）は、ナビゲーションＦＯＧ及び高性能グレードＦＯＧの動作にとって、極めて重要なパラメータである。固有振動数は、本質的に検知コイルの光路長によって定義される。多くの率出力誤差の源は、固有振動数でバイアス変調を行うことによって低減され、又は実質上除去される。一般的に言うと、ＦＯＧが高性能要件に適合するためには、バイアス変調を固有振動数の少なくとも数ｐｐｍの範囲内で実行しなければならない。現在、新しい応用例は、こうしたタイプのジャイロに対して、より厳しい性能要件を求めつつある。
【０００３】
広い温度範囲にわたって動作しなければならないナビゲーション・グレードＦＯＧでは、バイアス変調を固有振動数に維持する現況技術の方法は、固有振動数を間接的に測定する方法を利用する。固有振動数は、コイルの温度測定値と、較正ルックアップ・テーブル上の較正係数から推定される。この方法は、較正のための広範な試験をとりわけ必要とし、且つ固有振動数の間接的測定であるので精度の限界を有するという欠点を有する。
【０００４】
宇宙ベースの照準応用例及び潜水艦ナビゲーション応用例のための高性能ＦＯＧは、現在、ファイバ・コイルの温度制御を使用して、固有振動数を一定値付近に維持している。次いで、温度制御型又は補償型水晶発振器から振動数を導出することにより、バイアス変調振動数が固有振動数付近に維持される。この方法は、１年から２年の比較的短い期間、比較的穏やかな実験室環境下でジャイロ動作を固有振動数に維持する場合に良好に働く。しかし、多年（例えば１０年以上）にわたる動作での水晶発振器のドリフトは、高性能に対して求められるものよりも、通常は大きい。更に、ファイバ・コイル自体のエージング効果により、コイルの固有振動数が、多年にわたって著しくドリフトする可能性がある。
【０００５】
ナビゲーションＦＯＧと高性能グレードＦＯＧの両方について、固有振動数に対してバイアス変調を制御するより良い方法は、固有振動数検出器と、ジャイロ・オペレーションを固有振動数に自動的に維持するサーボ制御ループとを利用することである。固有振動数検出器は、バイアス変調がコイル固有振動数のとき、ヌルであるエラー信号を供給する。サーボ・ループは、固有振動数検出器からのエラー信号をヌルにすることによってバイアス変調をコイル固有振動数に維持する。
【０００６】
固有振動数検出は、幾つかの方法によって実施することができる。米国特許第５,０９０,８０９号に記載されているそのような一方法は、レート信号の直角位相を復調して固有振動数についての情報を抽出することを含む。この方法は、固有振動数エラー信号を生成するのにスプリアス（ｓｐｕｒｉｏｕｓ）強度変調の形の位相変調器の不完全性に依拠する。この手法の欠点は、固有振動数の変化に対する固有振動数エラー信号の感度が光学構成部品の不完全性に依存することであり、これは、受け入れられるレベルであることがあり、又は受け入れられるレベルでないことがあり、装置ごとに激しく変化することがある。この欠点を克服するために、この特許は、位相変調器の長さを低減することにより、又は光回路に強度変調器を追加することにより、スプリアス強度変調の大きさを増加させることが望ましいことがあることを教示している。この方法は、光回路に著しい複雑さを追加し、追加の強度変調を導入し、それが他のタイプのジャイロ・エラーを生み出す可能性がある。この手法の別の欠点は、レート信号の直角位相を復調して固有振動数エラー信号を抽出することを含む検出プロセスである。実際の装置の復調プロセスを、厳密にレート信号の直角位相（９０度異相）内で行うことはできないので、レート信号チャネルと固有振動数エラー信号チャネルとの間で何らかのクロストークが生じる。このクロストークは、固有振動数サーボの性能を制限する。更に、固有振動数復調器が、レート復調器と同じ振動数で動作しているので、固有振動数復調器は、同一振動数のどんな干渉にも敏感となる。この干渉は、静電結合又は電磁結合、或いはグランド線又は電源線上の電圧降下によるスプリアス信号を引き起こす信号電流の形である可能性がある。信号干渉はまた、このタイプの固有振動数サーボの性能も制限する可能性がある。
【０００７】
別の手法が、米国特許第５，０９０，８０９号に勝る改良である米国特許第５，７３４，４６９号に記載されている。この手法も、レート信号の直角位相を復調することを含む。しかし、５０−５０デューティ・サイクルの方形波バイアス変調を実施することにより、固有振動数の変化に対する固有振動数エラー信号の感度が求められ、それが向上する。この方法の利点は、固有振動数エラー信号の感度を向上させるために光学構成部品の変更が不要であることである。しかし、この発明は、米国特許第５，０９０，８０９号についての先の段落で述べた直角位相検出に関連する同じ欠点を有する。更に、実施された実験室試験は、この方法、即ち直角位相検出を含むどんな方法も、高性能応用例に対して十分正確ではない可能性があることを示している。
【０００８】
従って、ＦＯＧのファイバ・ループの固有振動数を容易かつ正確に検出することができ、その結果、所望の安定性及び性能を有するＦＯＧが、長期間の広い温度範囲にわたって動作することのできる方式を提供することは、依然として必要である。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００９】
（発明の簡単な概要）
本発明は、従来技術の方法に関連する欠点を伴わない、固有振動数を検出する改良型の方法を提案する。具体的には、本発明による方法を利用することは、追加の光学構成部品を必要とせず、位相変調器又はバイアス変調の不完全性を必要とせず、直角位相復調を必要としない。更に、この新しい方法では、固有振動数及びバイアス変調振動数の０．３ｐｐｂの振動数分離の変化を検出できることが実証された。この性能のレベルは、ナビゲーションＦＯＧと高性能グレードＦＯＧとの両方について十分過ぎるほどであると考えられる。
【００１０】
より具体的には、本発明は、検知コイルを通じて伝播する光波に加えられる追加の位相変調の使用を含む。この追加の位相変調は、ジャイロ動作振動数と固有振動数との間の振動数差に比例する「エラー」信号を生成する。サーボ・ループは、「エラー」信号をヌルに駆動することにより、固有振動数に対してジャイロ動作振動数を制御する。
【００１１】
好ましい実施形態では、本発明は、光ファイバ・ジャイロ（ＦＯＧ）を備え、よく知られているように、光ファイバ・ジャイロ（ＦＯＧ）は、光源と、光源に結合されたファイバ・カップラと、ファイバ・カップラを介して光源から受け取った光を変調することのできる光集積回路チップ（ＩＯＣ）と、ＩＯＣと通信する検知コイルと、バイアス変調信号を光に付与するバイアス変調ジェネレータと、検知コイルの回転速度を表す検知コイルから戻る光を受ける光検出器と、を含む。本発明の原理によれば、ＦＯＧはまた、第２変調信号、好ましくは正弦波信号を光に付与する第２変調ジェネレータと、光検出器によって少なくとも間接的に生成された信号と通信する高振動数復調器と、高振動数復調器と通信する低振動数復調器と、を含む。動作の際に、高振動数復調器は、基準振動数として第２の正弦波変調信号を受け取り、低振動数復調器は、基準振動数としてバイアス変調信号を受け取り、低振動数復調器の出力は、第２変調信号の振動数と固有振動数の偶数高調波との振動数差の大きさ及び符号を表す。
【００１２】
次いでこの情報を使用して、ジャイロの動作振動数を検知コイルの固有振動数に維持することができ、それによって性能の向上が達成される。
【００１３】
この固有振動数検出器は、サニャック干渉計を使用するその他のタイプのセンサにも使用することができる。例えば、固有振動数サーボを使用して、リング干渉計を使用する光ファイバ電流センサの性能を改善することができる。更に、コイルの固有振動数が所望の測定量に敏感となるように他のタイプのセンサを構築することができる。
【００１４】
なお、以下の詳細な説明を関連する図面と共に読むときに、本発明の機能及び付随する利点をより完全に理解されよう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明は、通常のジャイロ動作中にコイルの固有振動数を検出する改良型の方法を提案する。この改良型の方法は、検知コイルを通じて伝播する光波に加えられる追加の位相変調の使用を含む。この追加の位相変調は、ジャイロ動作振動数と固有振動数との間の振動数差に比例する「エラー」信号を生成する。サーボ・ループは、「エラー」信号をヌルに駆動することにより、固有振動数に対してジャイロ動作振動数を制御する。
【００１６】
図１に、位相変調器に関連する固有振動数の概念を説明する助けとなる、検知コイルと、位相変調器を備える光集積回路チップとの図を示す。光ループ全体は、Ｙ接合部から、光集積回路チップを通り、ファイバ・コイルを通り、光集積回路チップを通ってＹ接合部に戻る光路を含む。位相変調が、光ループ内の地点ａ１で加えられた場合、変調後反時計回り（ＣＣＷ、ｃｏｕｎｔｅｒ−ｃｌｏｃｋｗｉｓｅ）光波は、地点ａ１から、ファイバ・コイルを通って地点ｂ１まで移動し、次いでＹ接合部まで移動しなければならなくなるのに対して、変調後時計回り（ＣＷ、ｃｌｏｃｋｗｉｓｅ）光波は、地点ａ１から、ファイバ・コイルを通って移動することなく直接Ｙ接合部まで短距離を移動するだけでよい。従って、変調後ＣＣＷ光波は、変調後ＣＷ光波と比べてかなりの遅延を受けることになる。変調後ＣＣＷ光波と変調後ＣＷ光波との間の相対的時間遅延は、光が地点ａ１からコイルを通って地点ｂ１まで移動するのにかかる時間τ１である。ただし、地点ｂ１及びａ１は、Ｙ接合部から同じ光路長を有する。ＣＣＷ光波とＣＷ光波の変調間の３６０度の整数倍の位相ずれを与える位相変調が生成される場合、ＣＷ波とＣＣＷ波が干渉するとき、ＣＷ波に対する位相変調は、ＣＣＷ波に対する位相変調と全く同じとなる。この条件下では、反時計回りに伝播する光波との間の位相変調差は存在せず、従って、２つの波の間の干渉による強度変動は生じない。この状態は、変調振動数が固有振動数ｆｅ１の偶数倍に設定されるときに生じる。固有振動数ｆｅ１は、以下によって与えられる：
ｆｅ１＝１／（２＊τ１）＝ｃ／（２＊Ｌ１）
（式１）。
上式で、Ｌ１は、地点ａ１からファイバ・コイルを通って地点ｂ１までの光路長であり、ｃは、真空中の光速度である。位相変調が、光ループ内の地点ａ２に加えられた場合、この位相変調器に関連する固有振動数ｆｅ２は、以下によって与えられる：
ｆｅ２＝１／（２＊τ２）＝ｃ／（２＊Ｌ２）
（式２）。
上式で、τ２は、光が地点ａ２からファイバ・コイルを通って地点ｂ２まで移動する時間であり、Ｌ２は、地点ａ２からファイバ・コイルを通って地点ｂ２までの光路長である。上記の説明は、位相変調器に関連する固有振動数が光ループ内の位相変調器の位置に依存することを示している。
【００１７】
図３に、改良型固有振動数検出器を使用する単純な開ループＩＦＯＧの機能図を示す。ここでは、話を簡単にするための一例として、開ループＩＦＯＧを使用する。しかし、本発明は、閉ループＩＦＯＧでも同様に機能する。光源１００からの光は、ファイバ・カップラ１０２を通って光集積回路チップ（ＩＯＣ）１０４まで通過し、光集積回路チップ（ＩＯＣ）では、光がＹ接合部１０６によって２つの波に分割される。この２つの光波は、検知コイル１０８を互いに逆方向に伝播し、次いでＹ接合部１０６で再合成される。次いで、再合成された波は、ファイバ・カップラ１０２に戻り、ファイバ・カップラ１０２は、光の一部を光検出器１１０に転送する。光検出器１１０での光度は、互いに逆方向に伝播する波の間の位相差に依存する。位相差は、コイル１０８の感知軸に沿った回転によって、又は互いに逆方向に伝播する波に時変位相変調を加えることによって生成される可能性がある。
【００１８】
バイアス変調は、非常に低い回転速度に対するジャイロスコープの感度を改善するために使用される。バイアス変調ジェネレータ１１２は、ＩＯＣ位相変調器１１４ａの１つに、振動数ｆ２の正弦波又は方形波駆動信号を印加する。これは、光検出器１１０で振動数ｆ２の回転速度に比例する信号を生成する。光検出器１１０は、光信号を電気信号に変換し、電気信号は、増幅器及びフィルタを通常は備える信号調整回路１２０を通過する。次いで、振動数ｆ２の回転信号は、ジャイロ信号処理機能１２２によって復調され、ジャイロ信号処理は、速度に比例するｄｃ信号を出力する。
【００１９】
本発明によれば、正弦波変調ジェネレータ１３０は、振動数ｆ１の正弦波信号を生成して、別のＩＯＣ位相変調器１１４ｂを駆動する（第２位相変調器は本発明には不要であり、従って位相変調器１１４ａを駆動するように正弦波変調ジェネレータ１３０を構成できることを当業者は理解されよう。更に、ジェネレータ１３０が方形波などの非正弦波信号を生成するように構成される場合でも本発明はなお機能し、それを行って変調ジェネレータ１３０の設計を単純化することができる）。理想的なケースでは、振動数ｆ１が、固有振動数ｆｅ１の偶数高調波に厳密に設定される場合、変調振動数ｆ１で位相差は生成されず、従って正弦波駆動信号は、光検出器１１０で信号を生成しない。しかし、正弦波駆動振動数ｆ１が、コイル固有振動数ｆｅ１の偶数高調波から逸脱する場合、結果として光検出器１１０で「エラー」信号が生じる。図２に、正弦波信号振動数ｆ１が、固有振動数ｆｅ１の偶数倍に等しくなく、厳密ではないが方形波バイアス変調振動数ｆ２の約２倍である場合にどのように固有振動数エラー信号が生成されるかを示す。上の余弦曲線１は、光検出器での光度を、光検出器で干渉する互いに逆方向に伝播する光波間の全位相差Δφの関数として示す。曲線２は、正味の位相変調を時間の関数として示す。正味の位相変調は、方形波バイアス変調と正弦波変調の合成である。検出器での干渉計強度出力である曲線３は、曲線２の点を曲線１上に平行移動することによって求めることができる。この例では、バイアス変調は、π／２と−π／２の間で交番する方形波であり、実際のバイアス変調に関して典型的な振幅である。バイアス変調がπ／２及び−π／２から切り替わるとき、曲線１の傾きは負から正に切り替わる。傾きの符号が交番するので、振動数ｆ１で生成された信号正弦波位相変調は、バイアス変調ｆ２で変調される。従って、エラー信号が、振動数ｆ１の周りの側波帯として発生する。側波帯は、振動数ｆ１＋／−ｎ＊ｆ２となる。ただしｎは、整数である。
【００２０】
固有振動数を検出するために、光検出器信号が、２つの位相敏感復調器によって復調される。まず、光検出器信号が、高振動数復調器１３２によって振動数ｆ１で復調される。次いで、高振動数復調器１３２の出力が、低振動数復調器１３４によって振動数ｆ２で復調される。「低振動数」復調器の出力は、固有振動数エラー信号であり、これは、固有振動数の正弦波駆動と偶数高調波の間の振動数差の大きさ及び符号を表す。２つの復調器の順序は、低振動数復調器が高振動数ｆ１を通過するように構成される限り、切り換えることができる。振動数ｆ１及びｆ２を選択する際に、注意を払わなければならない。振動数ｆ１が、振動数ｆ２の厳密な偶数倍となるように選択された場合、固有振動数検出器及びジャイロ・レート出力の性能が不十分となる可能性がある。振動数ｆ２の厳密な偶数倍からわずかに異なる振動数ｆ１を設定することにより、固有振動数検出器を、多くのエラー源の影響を受けないようにすることができる。この関係は以下によって与えられる：
ｆ１＝（ｍ＊ｆ２）−Δｆ
（式３）。上式で、ｍは偶数であり、Δｆは比較的小さい振動数偏位である。バイアス変調用の１組の位相変調器と、光ループ中の異なる地点の、正弦波変調用の別の１組の位相変調器とを備える光集積回路チップを使用するＦＯＧでは、好ましい方法は、正弦波変調振動数ｆ１が固有振動数ｆｅ１の偶数倍であるときに、変調振動数ｆ２が固有振動数ｆｅ２となるように、振動数差Δｆを選ぶことである。このようにして、固有振動数から離れた動作に関連するジャイロ・レート・エラーが、固有振動数エラー信号がゼロであるときに解消され、又は最小限に抑えられる。振動数Δｆは、正弦波位相変調器とバイアス位相変調器の間の光路長と、選ばれた偶数高調波数ｍとによって決定される。固有振動数検出器の感度は、偶数高調波数ｍに比例する。従って、ジャイロ電子回路がほとんど減衰なしに約ｆ１の振動数のエラー信号を通過させることができる限り、より大きいｍを選ぶことで、正弦波変調の振幅を増大させることなく、固有振動数検出器の感度を向上させることができる。多くの因子によって感度を向上させる能力を有することは、従来技術に勝って本発明が有する主な利点である。４ｋｍのファイバのコイルを有する典型的な高性能ＦＯＧでは、ｍが約６４であり、Δｆが２４Ｈｚである。
【００２１】
従来技術に勝って本発明が有する別の主な利点は、非同期２重復調プロセスである。Δｆがゼロでない式３を満たすｆ１及びｆ２を選ぶことにより、２重復調プロセスが多くのエラー源の影響を受けないようにされる。一例は、信号干渉によって引き起こされるエラーである。第１復調器は、振動数ｆ１の奇数倍で生じない任意の信号を拒絶し、第２復調器は、振動数ｆ２の奇数倍で生じない任意の信号を拒絶する。組み合わせた復調器は、振動数ｆ１＋／−ｎ＊ｆ２を有する信号だけを通過させる。ただし、ｎは整数である。高調波ｆ１の信号を高調波ｆ２の信号と混合するのに非線形プロセスが必要となるので、大部分の信号干渉源は、振動数ｆ１＋／−ｎ＊ｆ２とはならない。
【００２２】
本発明を実施するのに２つの別々の位相変調器は不要である。光ループの異なる地点にある２組の位相変調器を有することは、比較的長い光集積回路チップを必要とする。ある応用例は、可能な限りＦＯＧを小さくすることを必要とする。これらの小型のＦＯＧは、２組の別々の位相変調器を有する比較的長い光集積回路チップを収容するのに十分な空間をそのパッケージ内に有さず、従って１組の位相変調器だけを備える光集積回路チップを有する。このタイプのＦＯＧでは、正弦波変調が、バイアス変調と同じ位相変調器に印加される。Δｆがゼロに等しくない式３に示す同じ振動数関係式を維持することが、やはり重要である。この場合、固有振動数検出器出力は、正弦波変調振動数ｆ１が固有振動数ｆｅ２の偶数倍であるときに、やはりゼロとなる。しかし、バイアス変調振動数は、もはや厳密に固有振動数ｆｅ２ではない。固有振動数からずれて動作することに関連するレート・エラーは、比較的小さいがゼロではない振動数差Δｆを選ぶことによって、最小限に抑えることができる。一例は、１ｋｍのコイルを有するＦＯＧである。この場合の固有振動数は、約１００ｋＨｚとなる。ｍを６４となるように選び、Δｆを１６Ｈｚとなるように選んだ場合、バイアス変調振動数は、固有振動数からわずか２．５ｐｐｍずれるだけであり、小さいＦＯＧを含む大部分の応用例に対して十分過ぎるほどである。
【００２３】
非理想的な場合、正弦波振動数ｆ１が固有振動数の厳密に偶数倍ではないとき、固有振動数検出器にゼロ出力値を有するようにさせる何らかのエラー機構が存在する可能性がある。サーボ・ループが、固有振動数検出器の出力をゼロに維持している場合、正弦波変調は、光検出器１１０で望ましくない残留信号を生成する。回転速度を検出するメイン・ループ信号処理は、残留信号に敏感である可能性があり、その結果、振動数Δｆで回転速度が誤って表示される。多くの応用例では、振動数Δｆが十分高い場合、このことは、問題ではない。しかし、振動数Δｆでの正弦波レート・エラーを許容することのできないジャイロ応用例が存在する可能性がある。幸いにも、この効果を除去する方式がある。
【００２４】
回転速度の誤った表示を生成することなく追加の変調を使用する一方式は、参照により本明細書に組み込まれる米国特許第５，７８１，３００号に記載されている。米国特許第５，７８１，３００号に記載の方式は、後方散乱によるバイアス・エラーを低減する正弦波変調を追加することを含む。その後、この方式は、本発明による固有振動数を検出する優れた方式であることが判明した。より具体的には、正弦波変調振動数が、特別な条件を満たす固有振動数の偶数高調波に設定された場合、メイン・ジャイロ信号処理は残留信号の影響を受けないことが確認された。特別の条件は、メイン・ジャイロ信号処理がどのように行われるかによって決定される。方形波バイアス変調を使用する大部分のＦＯＧは、しばしば、バイアス変調があるレベルから別のレベルに遷移を行うときはいつでも、光信号中に望ましくないグリッチ（ｇｌｉｔｃｈ）を含む。こうしたグリッチがジャイロ信号処理を通過することが可能である場合、レート・エラーが生じる。グリッチの効果は、グリッチがかなりの振幅を有する信号の部分を遮断することによって、大きく低減することができる。これは通常、グリッチがかなりの振幅を有するときに対応するＡ／Ｄサンプルを処理しないことによって行われる。グリッチ中のサンプルを遮断するプロセスは、レート信号の復調プロセスを、バイアス変調振動数の整数倍のスプリアス信号に敏感にさせる。スプリアス信号が、ゲート期間内に生じるスプリアス信号の整数のサイクルが存在しないような振動数である場合、レート・エラーがスプリアス信号から生じる。しかし、スプリアス信号が、ゲート期間内で生じるスプリアス信号の整数のサイクルが存在するような振動数である場合、レート・エラーは生じない。正弦波位相変調に対する特別な条件は、整数の正弦波位相変調サイクルがΔｆがゼロのときにゲート期間内に適合するように整数ｍを選ぶことである。Δｆを十分小さく保つ限り、この特別な条件からのわずかなずれによるこのレート・エラーはなお小さい。
【００２５】
図４に、ジャイロの動作振動数を制御するサーボ・ループで改良型固有振動数検出器を使用する閉ループＦＯＧの機能図を示す。この構成では、正弦波変調は、様々なタイプのジャイロ・エラーを抑制するのに使用される同一の変調（エラー抑制変調）である。ダイレクト・デジタル・シンセサイザ（ＤＤＳ）回路２１０は、エラー抑制変調を生成する。帯域フィルタ２１２は、エラー抑制変調からスプリアス信号を除去するために、使用される。
【００２６】
現況技術のＦＯＧは、デジタル信号処理を使用する。良く知られているように、アナログ・フロント・エンド電子回路２２０によって、光検出器信号が増幅され、濾波され、デジタル化される。デジタル信号処理は、通常、フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ（ＦＰＧＡ）２３０で使用される。図４に、一方はレート・ループ処理用、他方は固有振動数検出器用の２つの経路２３２、２３４に分割されるデジタル信号を示す。
【００２７】
マスタ・クロックＤＤＳ回路２４０は、水晶発振器２４２からマスタ・クロック振動数を導出する。マスタ・クロック振動数は、ＦＰＧＡ２３０中の論理機能をクロックするのに使用される。バイアス変調振動数は、ＦＰＧＡ２３０によって生成され、マスタ・クロック振動数から導出される。
【００２８】
図３を参照して説明したように、本発明のデジタル固有振動数検出器は、２つのデジタル復調器１３２、１３４と、それに加えてサンプル・レジスタ２３６とを備えることが好ましい。第１復調器１３２は、振動数ｆ１で復調し、第２復調器１３４は、振動数ｆ２で復調する。サンプル・レジスタ２３６の出力は、固有振動数検出器の出力である。閉ループ動作では、サーボ機能２３８は、マスタ・クロック２４０の振動数を調節することによって、コイル固有振動数ｆｅ１の偶数高調波にエラー抑制振動数を維持する。エラー抑制振動数とバイアス変調振動数は共にマスタ・クロック振動数から導出されるので、このサーボ・ループは、バイアス変調振動数をコイル固有振動数ｆｅ２に自動的に維持する。
【００２９】
図５に、本発明による固有振動数検出器のデジタル実装のブロック図を示す。この設計は、連続的非同期２重復調を使用する。固有振動数検出器論理機構は、すべてのレジスタがそれによって刻時される同期クロック入力として、マスタ・クロック振動数ｆｍｃｌｋ入力の立上りを使用する。ｆｍｃｌｋ／２入力は、ｆｍｃｌｋ信号と同期し、ｆｍｃｌｋ／２に等しい。
【００３０】
好ましくは、クロックｆ１及びｆ２は、非同期５０パーセント・デューティ・サイクル方形波入力であり、ｆ１は、ｆ２のｍ倍から小さい振動数差を引いたものに等しく、ｍは整数である。クロックｆ１は、受信され、位相調節制御論理機構２３９に送られ、位相調節後のｆ１信号ｆ１θが生成される。位相調節制御論理機構２３９は、ｆ１θを生成するθ（ｋ：０）バス入力を使用して、３６０／２ｋ度単位のｆ１入力のプログラム可能位相調節を実現する。ただし、ｋは整数である。
【００３１】
第１復調器１３２は、位相調節後のｆ１θ信号の正の半分にわたってαを合計し、ｆ１θの負の半分にわたってαを減算し、αεを生成する。ｆ１θの立上りと同時に、第１復調器１３２の内容αεが、第２復調器１３４に転送され、次いでその後でゼロにリセットされる。第２復調器１３４は、ｆ２の正の半分にわたってαεを合計し、ｆ２の負の半分にわたってαεを減算し、φεを生成する。この動作は、継続的に実行される。
【００３２】
サンプル信号ｆｓが、立上り検出論理機構３１０から生成される。立上り検出論理機構３１０は、１／ｆｍｃｌｋよりも長い周期を有する正パルスｆ３を受け取り、パルス幅周期１／ｆｍｃｌｋを有するアクティブ高サンプル信号ｆｓを生成する。ｆｓの立下りと同時に、第２復調器１３４の内容φＥがサンプリング・レジスタ２３６に転送され、φε（ｎ）が生成される。ただし、ｎは整数である。転送と同時に、第２復調器１３４が、ほぼゼロにリセットされる。この動作が継続的に実行される。
【００３３】
ゲーティング制御論理機構３１２は、第１復調器１３２から第２復調器１３４への復調転送の省略を実現する。ｆｍｃｌｋ／２よりも長い周期を有する論理高ゲート信号ｆｇａｔｅ入力は、ｆｇを生成し、ｆｇａｔｅとｆｍｃｌｋ／２の４倍との和の期間、第１復調器１３２から第２復調器１３４への変調サイクル転送の省略を引き起こす。
【００３４】
本発明の好ましい実施形態の上述の開示は、例示及び説明のために提示した。これは網羅的なものではなく、開示の厳密な形態に本発明を限定するものでもない。上記の開示に照らして、本明細書に記載の実施形態の多くの変形形態及び修正形態が、当業者には明らかとなるであろう。本発明の範囲は、本明細書に添付の特許請求の範囲とその均等物だけによって定義されるべきである。
【００３５】
更に、本発明の代表的実施形態を説明する際に、本明細書は、本発明の方法及び／又はプロセスを特定の順序のステップとして提示することがあった。しかし、方法又はプロセスが本明細書に記載のステップの特定の順序に依拠しない範囲で、方法又はプロセスを、記載の特定の順序のステップに限定すべきではない。当業者は理解するであろうが、他の順序のステップも可能である。従って、本明細書に記載の特定の順序のステップを、特許請求の範囲に関する限定と解釈すべきではない。更に、本発明の方法及び／又はプロセスを対象とする特許請求の範囲は、その書かれた順序のステップの実施に限定されるべきではなく、順序を変更してもなお本発明の精神及び範囲内にとどまることができることを当業者は容易に理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明を例示する助けとなる表示を有する検知コイルを示す図である。
【図２】本発明に従って固有振動数エラー信号がどのように特定の条件下で生成されるかを示す図である。
【図３】本発明による固有振動数検出器を組み込む開ループ干渉光ファイバ・ジャイロの機能図である。
【図４】本発明による固有振動数検出器を組み込む閉ループ光ファイバ・ジャイロの機能図である。
【図５】本発明による固有振動数検出器のデジタル実装のブロック図を示す図である。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ファイバ・ジャイロ（ＦＯＧ）内の検知コイルの固有振動数を検出するシステムであって、前記ＦＯＧは、光源と、前記光源に接続されたファイバ・カップラと、前記ファイバ・カップラを介して前記光源から受け取った光を変調することのできる光集積回路チップ（ＩＯＣ）と、前記ＩＯＣと通信する検知コイルと、第１変調信号を前記光に付与する第１変調ジェネレータと、前記検知コイルの回転速度を表す前記検知コイルから戻る光を受ける光検出器と、を備え、前記システムは、
前記光に第２変調信号を付与する第２変調ジェネレータと、
前記光検出器によって少なくとも間接的に生成された信号と通信する高振動数復調器と、
前記高振動数復調器と通信する低振動数復調器と、
を備え、
前記高振動数復調器は、基準振動数として前記第２変調信号を受け取り、前記低振動数復調器は、基準振動数として前記第１変調信号を受け取り、
前記低振動数復調器の出力は、前記第２変調信号の振動数と前記検知コイルの固有振動数の偶数高調波との振動数差の大きさ及び符号を表す、システム。
【請求項２】
請求項１に記載のシステムであって、前記第１変調ジェネレータは、バイアス変調信号を生成する、システム。
【請求項３】
請求項１に記載のシステムであって、前記第２変調ジェネレータは、正弦波信号を生成する、システム。
【請求項４】
請求項１に記載のシステムであって、
前記光検出器と前記高振動数復調器との間に配設された信号調整回路を、
更に備えるシステム。
【請求項５】
請求項１に記載のシステムであって、前記第２変調ジェネレータは、前記ＩＯＣと通信する、システム。
【請求項６】
請求項１に記載のシステムであって、前記第２変調信号は、前記検知コイル固有振動数の偶数高調波である振動数を有する、システム。
【請求項７】
請求項１に記載のシステムであって、前記固有振動数検出器は、フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイで実装される、システム。
【請求項８】
請求項１に記載のシステムであって、前記固有振動数検出器は、前記ジャイロの動作振動数を制御するサーボ・ループで使用される、システム。
【請求項９】
請求項８に記載のシステムであって、前記サーボ・ループは、前記ジャイロを支持する電子回路のマスタ・クロックを制御する、システム。
【請求項１０】
光ファイバ・ジャイロ用の固有振動数検出器であって、
光ファイバ・ジャイロ（ＦＯＧ）の検知コイルに渡される光に第１振動数の第１駆動信号を加える手段と、
前記ＦＯＧの検知コイルに渡される光に第２振動数の第２駆動信号を加える手段と、
前記検知コイルから戻る光を検出し、検出した光を表す電気信号を生成する手段と、
前記第２振動数を基準振動数として使用して前記電気信号を復調する手段と、
前記第１振動数を基準振動数として使用して前記電気信号を更に復調する手段と、
前記更に復調するステップの結果を監視する手段であって、前記第２変調信号の振動数と前記検知コイルの固有振動数の偶数高調波との振動数差の大きさ及び符号を表す信号を供給する手段と、
を備える固有振動数検出器。
【請求項１１】
請求項１０に記載のシステムであって、
前記結果に応答して前記ＦＯＧの動作振動数を制御するサーボ機能を、
更に備えるシステム。
【請求項１２】
請求項１０に記載のシステムであって、前記サーボ機能は、マスタ・クロックを制御する、システム。
【請求項１３】
請求項１０に記載のシステムであって、前記第２駆動信号は、正弦波信号である、システム。
【請求項１４】
請求項１０に記載のシステムであって、
前記結果のサンプルを格納するサンプル・レジスタを、
更に備えるシステム。
【請求項１５】
光ファイバ・ジャイロの検知コイルの固有振動数を検出する方法であって、
光ファイバ・ジャイロ（ＦＯＧ）の検知コイルに渡される光に第１振動数の第１駆動信号を加えるステップと、
前記ＦＯＧの検知コイルに渡される光に第２振動数の第２駆動信号を加えるステップと、
前記検知コイルから戻る光を検出し、検出した光を表す電気信号を生成するステップと、
前記第２振動数を基準振動数として使用して前記電気信号を復調するステップと、
前記第１振動数を基準振動数として使用して前記電気信号を更に復調するステップと、
及び前記更に復調するステップの結果を監視して、前記第２変調信号の振動数と前記検知コイルの固有振動数の偶数高調波との振動数差の大きさ及び符号を表す信号を供給するステップと、
を含む方法。
【請求項１６】
請求項１５に記載の方法であって、
前記結果に応答して前記ＦＯＧの動作振動数を制御するサーボ機能を適用するステップを、
更に含む方法。
【請求項１７】
請求項１６に記載の方法であって、
前記サーボ機能でマスタ・クロックを制御するステップを、
更に含む方法。
【請求項１８】
請求項１５に記載の方法であって、前記第２駆動信号は、正弦波信号である、方法。
【請求項１９】
請求項１５に記載の方法であって、
前記結果のサンプルを格納するサンプル・レジスタを使用するステップを、
更に含む方法。
【請求項１】
光ファイバ・ジャイロ（ＦＯＧ）内の検知コイルの固有振動数を検出するシステムであって、前記ＦＯＧは、光源と、前記光源に接続されたファイバ・カップラと、前記ファイバ・カップラを介して前記光源から受け取った光を変調することのできる光集積回路チップ（ＩＯＣ）と、前記ＩＯＣと通信する検知コイルと、第１変調信号を前記光に付与する第１変調ジェネレータと、前記検知コイルの回転速度を表す前記検知コイルから戻る光を受ける光検出器と、を備え、前記システムは、
前記光に第２変調信号を付与する第２変調ジェネレータと、
前記光検出器によって少なくとも間接的に生成された信号と通信する高振動数復調器と、
前記高振動数復調器と通信する低振動数復調器と、
を備え、
前記高振動数復調器は、基準振動数として前記第２変調信号を受け取り、前記低振動数復調器は、基準振動数として前記第１変調信号を受け取り、
前記低振動数復調器の出力は、前記第２変調信号の振動数と前記検知コイルの固有振動数の偶数高調波との振動数差の大きさ及び符号を表す、システム。
【請求項２】
請求項１に記載のシステムであって、前記第１変調ジェネレータは、バイアス変調信号を生成する、システム。
【請求項３】
請求項１に記載のシステムであって、前記第２変調ジェネレータは、正弦波信号を生成する、システム。
【請求項４】
請求項１に記載のシステムであって、
前記光検出器と前記高振動数復調器との間に配設された信号調整回路を、
更に備えるシステム。
【請求項５】
請求項１に記載のシステムであって、前記第２変調ジェネレータは、前記ＩＯＣと通信する、システム。
【請求項６】
請求項１に記載のシステムであって、前記第２変調信号は、前記検知コイル固有振動数の偶数高調波である振動数を有する、システム。
【請求項７】
請求項１に記載のシステムであって、前記固有振動数検出器は、フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイで実装される、システム。
【請求項８】
請求項１に記載のシステムであって、前記固有振動数検出器は、前記ジャイロの動作振動数を制御するサーボ・ループで使用される、システム。
【請求項９】
請求項８に記載のシステムであって、前記サーボ・ループは、前記ジャイロを支持する電子回路のマスタ・クロックを制御する、システム。
【請求項１０】
光ファイバ・ジャイロ用の固有振動数検出器であって、
光ファイバ・ジャイロ（ＦＯＧ）の検知コイルに渡される光に第１振動数の第１駆動信号を加える手段と、
前記ＦＯＧの検知コイルに渡される光に第２振動数の第２駆動信号を加える手段と、
前記検知コイルから戻る光を検出し、検出した光を表す電気信号を生成する手段と、
前記第２振動数を基準振動数として使用して前記電気信号を復調する手段と、
前記第１振動数を基準振動数として使用して前記電気信号を更に復調する手段と、
前記更に復調するステップの結果を監視する手段であって、前記第２変調信号の振動数と前記検知コイルの固有振動数の偶数高調波との振動数差の大きさ及び符号を表す信号を供給する手段と、
を備える固有振動数検出器。
【請求項１１】
請求項１０に記載のシステムであって、
前記結果に応答して前記ＦＯＧの動作振動数を制御するサーボ機能を、
更に備えるシステム。
【請求項１２】
請求項１０に記載のシステムであって、前記サーボ機能は、マスタ・クロックを制御する、システム。
【請求項１３】
請求項１０に記載のシステムであって、前記第２駆動信号は、正弦波信号である、システム。
【請求項１４】
請求項１０に記載のシステムであって、
前記結果のサンプルを格納するサンプル・レジスタを、
更に備えるシステム。
【請求項１５】
光ファイバ・ジャイロの検知コイルの固有振動数を検出する方法であって、
光ファイバ・ジャイロ（ＦＯＧ）の検知コイルに渡される光に第１振動数の第１駆動信号を加えるステップと、
前記ＦＯＧの検知コイルに渡される光に第２振動数の第２駆動信号を加えるステップと、
前記検知コイルから戻る光を検出し、検出した光を表す電気信号を生成するステップと、
前記第２振動数を基準振動数として使用して前記電気信号を復調するステップと、
前記第１振動数を基準振動数として使用して前記電気信号を更に復調するステップと、
及び前記更に復調するステップの結果を監視して、前記第２変調信号の振動数と前記検知コイルの固有振動数の偶数高調波との振動数差の大きさ及び符号を表す信号を供給するステップと、
を含む方法。
【請求項１６】
請求項１５に記載の方法であって、
前記結果に応答して前記ＦＯＧの動作振動数を制御するサーボ機能を適用するステップを、
更に含む方法。
【請求項１７】
請求項１６に記載の方法であって、
前記サーボ機能でマスタ・クロックを制御するステップを、
更に含む方法。
【請求項１８】
請求項１５に記載の方法であって、前記第２駆動信号は、正弦波信号である、方法。
【請求項１９】
請求項１５に記載の方法であって、
前記結果のサンプルを格納するサンプル・レジスタを使用するステップを、
更に含む方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公表番号】特表２００７−５００３６２（Ｐ２００７−５００３６２Ａ）
【公表日】平成１９年１月１１日（２００７．１．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−５３３３３７（Ｐ２００６−５３３３３７）
【出願日】平成１６年５月２１日（２００４．５．２１）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００４／０１６２１９
【国際公開番号】ＷＯ２００４／１０６８５９
【国際公開日】平成１６年１２月９日（２００４．１２．９）
【出願人】（５００５７５８２４）ハネウェル・インターナショナル・インコーポレーテッド (1,504)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成１９年１月１１日（２００７．１．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年５月２１日（２００４．５．２１）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００４／０１６２１９
【国際公開番号】ＷＯ２００４／１０６８５９
【国際公開日】平成１６年１２月９日（２００４．１２．９）
【出願人】（５００５７５８２４）ハネウェル・インターナショナル・インコーポレーテッド (1,504)
【Ｆターム（参考）】
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