光ジャイロスコープのデジタル・フィードバックのシステム及び方法
【課題】光ジャイロスコープのデジタル・フィードバックのシステムおよび方法を提供する。
【解決手段】一実施形態では、光ファイバ・ジャイロスコープのための閉ループ・フィードバック信号を生成する方法が提供される。この方法は、２つの対向する方向に伝播する光波間の位相差を求めるための信号を復調するステップと、位相差に基づいて回転レートを求めるステップと、回転レートに基づいて、τ秒期間毎に１回、フィードバック・ランプ信号をインクリメントするステップと、フィードバック・ランプ信号が、前回のリセット以降に所定の回数だけインクリメントされたときにフィードバック・ランプ信号をリセットするステップとを備える。
【解決手段】一実施形態では、光ファイバ・ジャイロスコープのための閉ループ・フィードバック信号を生成する方法が提供される。この方法は、２つの対向する方向に伝播する光波間の位相差を求めるための信号を復調するステップと、位相差に基づいて回転レートを求めるステップと、回転レートに基づいて、τ秒期間毎に１回、フィードバック・ランプ信号をインクリメントするステップと、フィードバック・ランプ信号が、前回のリセット以降に所定の回数だけインクリメントされたときにフィードバック・ランプ信号をリセットするステップとを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ジャイロスコープのデジタル・フィードバックのシステム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
光ファイバ・ジャイロスコープは、航空機、ミサイル、衛星及び他の車両のナビゲーション用途で回転を測定するために使用される。光ファイバ・ジャイロスコープは、光ファイバのコイルを通って互い反対の方向に伝播する光波の位相差を求めることによって角回転を測定する。コイルを通って回転の反対方向に伝播する光波は、回転の方向に伝播する光波よりも短い時間を必要とする。多くの光ファイバ・ジャイロスコープは、回転に対する光ファイバ・ジャイロスコープの感度を高めるために閉フィードバック・ループ位相変調方式を使用する。これらの方式は、所望の変調ポイントへのロックを維持するために回転により生じた位相差を絶えず補償しなければならない。これらの方式の１つの問題点は、フィードバック方式内の電子回路が限られた出力範囲を有することであり、従って、電子回路の動作範囲内にとどめるためにフィードバック信号を周期的にリセットしなければならないことである。
【０００３】
現在は、電子回路の動作範囲内にとどめるために、光位相の２π値をもたらす値に達すると常に、フィードバック機構の回転補償コンポーネントがリセットされる。限られた出力範囲を有する電子回路の問題に取り組んだ場合、それに基づいてのフィードバック機構のリセットは、対象とするジャイロスコープ周波数帯域内にレート依存の正弦波信号（ＲＤＳ）を生成する。従って、レート依存の正弦波信号は、車両の回転を計算することの問題を生じさせる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本明細書を読みかつ理解したときに当業者にとって明らかになる上述の理由及び下記の他の理由により、当技術分野では光ジャイロスコープ用の改善されたフィードバック方式が必要とされる。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の諸実施形態は、光ジャイロスコープのデジタル・フィードバックのシステム及び方法を提供するものであり、それは下記の明細書を読んで学習することによって理解されるであろう。
【０００６】
一実施形態では、光ファイバ・ジャイロスコープの閉ループ・フィードバック信号を生成する方法が提供される。この方法は、２つの互いに反対の方向に伝播する光波の間の位相差を求めるために信号を復調するステップと、位相差に基づいて回転レート（回転速度）を求めるステップと、回転速度に基づいてτ秒期間毎に１回、フィードバック・ランプ信号（feedback ramp signal）をインクリメントするステップと、フィードバック・ランプ信号が、前回のリセット以降に所定の回数だけインクリメントされたときにフィードバック・ランプ信号をリセットするステップとを含む。
【０００７】
他の実施形態では、光ファイバ・ジャイロスコープのシステムが提供される。このシステムは、光ファイバ検出コイルが或る軸について回転したときに、光ファイバ検出コイルを伝播する第１の光波と、光ファイバ検出コイルを伝播する第２の光波との間に位相差を生じるようにされた光ファイバ検出コイルと：光ファイバ検出コイルに結合された光位相変調器であって、光ファイバ検出コイルを伝播する第１の光波と、光ファイバ検出コイルを伝播する第２の光波との間の第２の位相差を生ずるようにされるものであり、更に、変調波形に基づいて前記の第２の位相差を生ずるようになされた光位相変調器と：光ファイバ検出コイルに結合され、第１の光波と第２の光波とを受信するようにされた光検出器であって、更に、第１の光波と第２の光波との間の位相差を表す強度信号を出力するようにされた光検出器と：光検出器に結合され、第１の光波と第２の光波との間の位相差に基づいて光ファイバ検出コイルの回転レートを求めるようにされたプロセッサであって、更に、光ファイバ検出コイルの回転レートに基づいてフィードバック・ランプ信号を生成するようにされ、更に、固定周波数に基づいてフィードバック・ランプ信号をリセットするようにされ、更に、変調波形の第１の成分としてフィードバック・ランプ信号を出力するようにされたプロセッサと、を備える。
【０００８】
他の実施形態では、光ジャイロスコープの閉ループ変調波形フィードバック信号を生成するシステムが提供される。このシステムは、第１の光波と第２の光波との間の位相差を求めるために信号を復調する手段と：第１の光波と第２の光波との間の位相差に基づいて回転レートを求める手段であって、復調する手段に応答するものである、回転レートを求める手段と：フィードバック・ランプ信号を生成する手段であって、回転レートに基づいてフィードバック・ランプ信号をインクリメントするものであり、回転レートを求める手段に応答するものである、フィードバック・ランプ信号を生成する手段と：フィードバック・ランプ信号が、前回のリセット以降に所定の回数だけインクリメントされたときに、フィードバック・ランプ信号をリセットする手段であって、フィードバック・ランプ信号を生成する手段に応答するものである、フィードバック・ランプ信号をリセットする手段とを備える。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
好ましい実施形態の説明と添付の図面に照らして考察すると、本発明をより容易に理解することができ、本発明の他の利点や用途をより容易に明らかにすることができる。
【００１０】
以下の詳細な説明では添付の図面を参照するが、添付の図面は本発明の一部を形成するものであり、本発明を実施することができる具体的な例示的な実施形態を示したものである。これらの実施形態は、当業者が本発明を実施することができるように十分詳細に説明されており、従って、他の実施形態を使用することができること、及び本発明の範囲を逸脱することなく論理的、機械的、電気的な変更を実施できることが理解される。従って、以下の詳細な説明は限定するものと解釈すべきではない。
【００１１】
図１は、本発明の一実施形態の光ジャイロスコープ１００を示す図である。光ジャイロスコープ１００は、光源１０２、光スプリッタ１０８、位相変調器１１０、検出コイル１１２、及びファイバ・カプラ１０４を備える。検出コイル１１２は、軸１１３に巻かれたコイル状の光ファイバを備え、その軸についての回転が検出される。一実施形態では、光スプリッタ１０８と位相変調器１１０とはどちらも、単一の光多機能集積チップによって実装される。
【００１２】
動作に際して、光波は光源１０２によってもたらされ、ｙ分岐１０８で、検出コイル１１２を通って時計回り（ｃｗ）方向と反時計回り（ｃｃｗ）方向とに伝播する１対の波へと分離される。検出コイル１１２の軸１１３についての何れの回転も、光が伝わる一方向の光経路の実質的な増加と、他方向の光経路の減少とをもたらす。検出コイル１１２の回転によって生じた光経路長の差は、一般にサニャック効果（Sagnac effect）として知られている時計回りと反時計回りとに伝播する波の間の位相シフトをもたらす。
【００１３】
２つの互いに反対の方向に伝播する光波の間の位相差は、光波の位相差から回転を検出する能力を高めるために、光位相変調器１１０（バイアス変調器と呼ばれることもある）によって変調される。一実施形態では、第１の伝播する光波の位相は、検出コイル１１２を出るときに変調され、第２の伝播する光波の位相は、検出コイル１１２に入るときに変調される。検出コイル１１２を出た後、光源１０２へ向かって戻るときに、２つの戻ってくる光波は、ｙ分岐１０８で再び結合される。これらの戻り光波の間の位相差は、検出コイル１１２の回転レートの関数である。一実施形態では、中及び高性能の光ファイバ・ジャイロスコープ用に、位相変調はデジタル電子回路を用いてなされる。
【００１４】
位相変調器１１０によって使用される変調波形は、図３の３２０と３１０とにそれぞれ概略が示された、周波数（ｆｂ）のバイアス変調電圧信号とフィードバック・ランプ電圧信号との複合信号である。位相変調器１１０は、Ｖπの電圧を有する変調波形が位相変調器１１０に印加されたときに、ｃｗとｃｃｗとの光波の間に丁度１８０度の位相シフトを生じるように動作する。変調波形のバイアス変調信号成分を変化させることによって、伝播する光信号に既知の位相シフトをもたらし、それによって、再結合された光波を特定の動作ポイント（「ロック」ポイントとも呼ばれる）でサンプリングすることが可能となり、回転に対する感度を改善する。
【００１５】
高性能の光ファイバ・ジャイロスコープの場合、バイアス変調信号３２０は、互いに反対の方向に伝播する光波の間の光位相差が±π／２及び±３π／２のところで動作ポイントを提供するように構成される。これらの特定の動作ポイントが有利である１つの理由は、それらが余弦曲線の最も線形に近い領域を表すことである。一実施形態では、バイアス変調信号は４つのステップ（図３の３２１〜３２４に概略が示される）からなり、各ステップは、継続時間が１τの機関についての異なる動作ポイントを提供する（τは、光がファイバ検出コイル１１２を通過するために要する時間である）。バイアス変調周波数（ｆｂ）の典型的な範囲は２０ｋＨｚから１００ｋＨｚであり、図１のジャイロスコープ１００で使用される検出コイル１１２の長さに依存する。しかし、代替の動作ポイントやこの範囲外のバイアス変調周波数も、本発明の諸実施形態の範囲内であると考えられる。ランプ・フィードバック信号（図３の３１０に概略が示される）は、位相変調器１１０へ閉ループ・フィードバックを提供するものであり、一連の電圧ステップ（図３の３１１に概略が示される）からなる階段状の電圧信号を含み、各ステップの継続時間はτである。検出コイル１１２の回転は、２つの戻り光波に追加の位相シフトをもたらすので、閉ループ・フィードバック信号がない場合には、位相変調器１１０は、バイアス変調信号３２０だけに基づいて所望の動作ポイントへのロックを維持することができない。ランプ・フィードバック信号３１０は検出コイル１１２の回転に基づいて誤差信号を提供し、それがバイアス変調信号３２０と加算されると、位相変調器１１０は所望の動作ポイントで動作することが可能になる。従って、一般に、フィードバック・ランプ信号３１０の各ステップ変化の振幅は、軸１１３についての検出コイル１１２の回転レートの関数である。
【００１６】
変調波形を生成するために、ジャイロスコープ１００は更に、ファイバ・カプラ１０４と、光検出器１２２と、アナログ・デジタル変換器（ＡＤＣ）１１８と、フィードバック・プロセッサ１１６と、デジタル・アナログ変換器（ＤＡＣ）１１４とを備えたフィードバック回路を含む。一実施形態では、フィードバック・プロセッサ１１６は、デジタル信号プロセッサ、フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ、又は他のプログラマブル・プロセッサによって実装される。
【００１７】
一実施形態では、ファイバ・カプラ１０４は、結合された戻り光波を受光し、それらを光検出器１２２へ送る。光検出器１２２では、それらの戻り光波の間の位相差により光波間の相互干渉パターンを生じ、それが、光検出器１２２によって観測される光信号の強度に影響する。一実施形態では、観測される光の強度（Ｉ）は式Ｉ＝[（Ｉ０）／２＊（１＋ｃｏｓ（ΔΦ））]によって示される。この式において、ΔΦは、２つの戻り光波間の位相差であり、Ｉ０は、ΔΦがゼロのときの光のピーク強度である。
【００１８】
光検出器１２２は、得られた強度値を、検出コイル１１２の回転速度の関数である電圧信号へと変換する。一実施形態では、光検出器１２２の出力は、光検出器１２２によってもたらされる可能性のある信号中のＤＣ成分を除去するために、信号調整器１２０を通される。一実施形態では、信号調整器１２０は更に、追加のＡＣゲインおよびアンチエリアシング・フィルタリングなどのような追加の信号調整も提供するが、信号調整はこれらに限られるものではない。電圧信号は、アナログ・デジタル変換器１１８によってデジタル化される。
【００１９】
次に、デジタル化された電圧信号はフィードバック・プロセッサ１１６へ送られる。フィードバック・プロセッサ１１６は、デジタル化された電圧信号から回転速度情報を抽出する。速度情報は、一部において、変調波形のフィードバック・ランプ信号３１０成分を生成するために使用されるが、これについては以下でより詳細に説明する。
【００２０】
図２は、本発明の一実施形態のフィードバック・プロセッサ２００を示す。一実施形態では、フィードバック・プロセッサ２００は、図１に示されたジャイロスコープ１００のフィードバック・プロセッサ１１６を示す。フィードバック・プロセッサ２００は、レート復調器２０２と、レート・アキュムレータ２０４と、位相ステップ・アキュムレータ２０６と、ランプ・ステップ・カウンタ２１０と、バイアス変調器２１４と、加算器２１２とを備える。
【００２１】
一実施形態では、動作に際して、レート復調器２０２は、ＡＤＣ１１８からデジタル化された電圧信号を受信し、その信号を、バイアス変調信号周波数（ｆｂ）を使用して復調する。バイアス変調信号は、既知の位相シフト基準が使用され（即ち、位相変調器１１０が、動作ポイントの１つで変調を行い）、次いで既知の位相基準がレート復調器２０２によって除去されたときに、レート復調器２０２の出力における残っている位相差が、検出コイル１１２によって検出された回転レートを表すように、基準位相差を提供する。従って、検出コイル１１２が回転していないとき、レート復調器２０２の出力はゼロである。
【００２２】
レート・アキュムレータ２０４は、レート復調器２０２の出力を積分し、検出コイル１１２によって検出された回転レートに比例する非正規化レート信号を、出力する。一実施形態では、角回転出力測定値を提供するために、非正規化レート信号は正規化器（図示せず）へ提供され、正規化器は、非正規化レート信号をＶπの推定値によって除算して値を正規化する。次いで、その値は、角アキュムレータ（図示せず）によって積分されて、検出コイル１１２の角変位を表す出力信号が生成される。
【００２３】
閉ループ・フィードバックを実現するために、一実施形態では、位相ステップ・アキュムレータ２０６はレート・アキュムレータ２０４から非正規化レート信号を受信し、レート・アキュムレータ２０４の出力を蓄積することによってフィードバック・ランプ信号３１０を生成する。デジタル・アナログ変換器１１４の生成できる電圧の範囲は有限であるので、階段状のフィードバック・ランプ信号３１０を無限に増大することはできない。従って、フィードバック・プロセッサ２００は、周期的に位相ステップ・アキュムレータ２０６をリセットして、結果として、図３の３１０に概略が示された鋸歯状のフィードバック波形を生じさせる。
【００２４】
一実施形態では、位相ステップ・アキュムレータ２０６の周期的なリセットは、ランプ・ステップ・カウンタ２１０によって実施される。ランプ・ステップ・カウンタ２１０は、フィードバック・ランプ信号３１０のステップ増加を、規定されたランプ・ステップ数（Ｎステップ）までカウントし、次いで位相ステップ・アキュムレータ２０６をリセットし、その結果としてフィードバック・ランプ信号３１０をリセットする。結果として生じる鋸歯状フィードバック波形（３１０に概略が示される）は、各リセットまでの間に許容された規定のランプ・ステップ数に基づく一定の周波数を有する。ランプ・ステップ・カウンタ２１０は、フィードバック・ランプ信号３１０の振幅の関数としてではなく、時間（即ち、規定の数のτ秒のランプ・ステップ）の関数として位相ステップ・アキュムレータ２０６をリセットするので、本発明の諸実施形態は、可変周波数および固定振幅ではなく、固定周波数および可変振幅を有するフィードバック・ランプ信号を位相変調器１１０に提供する。この固定周波数は設計によって選択されるので、リセットの前に生ずるランプ・ステップの数の選択は、フィードバック・ランプ信号３１０から生じる望ましくない出力レートの振動が、特定の用途の対象となる重要な周波数帯域の外側に生ずるように、行われる。一方、本明細書を読むことで当業者には理解されるはずであるが、固定の振幅（２π毎など）に達したことに基づいてフィードバック・ランプ信号をリセットする方法は、対象となる回転信号に関係する周波数を有する振幅を生じる。フィードバック・ランプ信号３１０に対して適切な周波数を選択することによって、ユーザは、フィードバック・ランプ信号３１０によって生成されるジャイロスコープ誤差が、その用途にとって重要な周波数帯域内の周波数を有することを、実質的に避けることができる。一実施形態では、リセット周波数は、システム・サンプリング周波数（即ち、ジャイロスコープ１００の出力信号のデータ・レート）より大きく設定され、それにより、レート依存の正弦曲線状エラーが、対象となる回転データのシステム・サンプリング周波数より高い周波数で生ずることを保証する。一実施形態では、リセット周波数は、定格範囲の上端で動作するジャイロスコープ１００から予想される最大回転周波数よりも高く、設定される。一実施形態では、必要な場合には、オプションのデジタル・ノッチ・フィルタ（図示せず）を用いて、ジャイロスコープ１００の出力信号からこれらのエラーを完全に除去することができる。
【００２５】
一実施形態では、ランプ・ステップ・カウンタ２１０は、位相ステップ・アキュムレータ２０６からの各ステップ増加をカウントし、位相ステップ・アキュムレータ２０６がフィードバック・ランプを規定の数のランプ・ステップ（Ｎステップ）だけ増加させたときに、終了カウント出力パルス（ＴＣ）（図３の３４０に概略が示される）を生成する。終了カウント出力パルスに基づいて位相ステップ・アキュムレータ４０６がリセットされ、従ってフィードバック・ランプ信号がリセットされる。
【００２６】
一実施形態では、上述のバイアス変調周波数信号３２０は、フィードバック・プロセッサ２００のバイアス変調器２１４によって生成される。バイアス変調信号３２０は、加算器２１２によってフィードバック・ランプと加算される。結果として得られた結合信号は、位相変調器１１０へ変調波形を提供するために、ＤＡＣ１１４によってデジタル電圧信号へと変換される。
【００２７】
本明細書を読むことで当業者には理解されるはずであるが、任意の数のステップの後にフィードバック信号３１０をリセットすることは、動作ポイントのサイクルにおいて中断をもたらすことになり、その中断は、リセット後の１τの期間ついて低信頼データ期間（図３の３６０と３６２に概略が示される）をもたらす。この低信頼データ期間の発生を抑えるために、フィードバック・プロセッサ２００は更に、終了カウント出力パルス（ＴＣ）を受信するように結合された遅延２０８を備える。遅延２０８は、終了カウント出力パルスに１τの遅延を追加して、遅延された終了カウント出力パルス（遅延ＴＣ）を生成する。遅延終了カウント出力パルス（図３の３５０に概略が示される）は、位相ステップ・アキュムレータ２０６をリセットし（それによってフィードバック・ランプ信号３１０をリセットし）、また、ランプ・リセット後の１τの間にレート・アキュムレータ２０４が動作するのを禁止する。これにより、レート・アキュムレータ２０４によって低信頼のデータが処理されるのを阻止する。
【００２８】
フィードバック・ランプ信号３１０の各リセットの後の低信頼データを阻止することに関する１つの結果は、そのデータを阻止することが、デジタル・アナログ変換器１１４によって生じる何らかの変換エラーと組み合わされて、回転情報を伝える信号により高い雑音出力をもたらすということである。雑音のレベルは各リセット間のランプ・ステップの数に依存するので、雑音レベルは、各リセット間のランプ・ステップ数を増やすことによって（即ち、ランプ・リセット周波数を下げることによって）低減可能である。雑音に加えて、２π以外でのリセットもまた、光検出器１２２でのアナログ信号にスパイクをもたらし、それによって、光検出器１２２に結合された電子回路を飽和させる可能性がある。この問題を防止するために、一実施形態では、信号調整器１２０は更に、アナログ・デジタル変換器１１８へ送られる電圧信号の振幅を制限する飽和防止機能を備える。また、増大したスケール・ファクタ・エラーも、１τの低信頼データの阻止とデジタル・アナログ変換器１１４に関する非線形性との組合せによって、生じる可能性もある。これらのスケール・ファクタ・エラーもまた、ランプ・リセット周波数を下げることによって低減することができる。
【００２９】
前述のように、フィードバック・ランプ信号２１６の適切な周波数を選択することによって、ユーザは、フィードバック・ランプ信号２１６によって生成されるジャイロスコープ・エラーを、対象である回転データを伝える周波数帯域の範囲を超えるようにシフトすることによって、レート依存の正弦曲線を抑えることができる。同時に、雑音及びスケール・ファクタのエラーは、ランプ・リセット周波数の増加とともに増加する。従って、フィードバック・ランプ信号によってもたらされるレート依存の正弦曲線と、その用途の重要な周波数帯域との間の、所望される周波数分離を提供することと、ランプ・リセット周波数を調整して雑音及びスケール・ファクタのエラーを低減させることとの間には、トレードオフが存在する。何故ならば、ランプ・リセット周波数を低下させることは、ジャイロスコープの最大検出レートを低下させるからである。
【００３０】
低雑音レベルと、比較的高い最大回転レートを正確に測定する能力との両方を必要とする多くの用途が存在するので、本発明の他の実施形態は、固定周波数フィードバック・ランプと固定振幅フィードバック・ランプとの両方を使用するフィードバック変調方式を提供する。このような実施形態は、両方の方式の利点、即ち、低雑音である、重要周波数帯域内にランプにより誘導される誤差が生じない、低スケール・ファクタ誤差である、及び高最大検出レートである、という利点を有する。
【００３１】
図４は、固定振幅フィードバック・ランプ信号成分を有する変調波形を生成するための固定振幅フィードバック・ランプ発生器４３０を備えたフィードバック・プロセッサ４００の一実施形態を示す。一実施形態では、固定振幅フィードバック・ランプ発生器４３０は、レート復調器４０２と、レート・アキュムレータ４０４と、位相ステップ・アキュムレータ４０６と、ランプ・リミット検出器４０８とを備える。フィードバック・プロセッサ４００は更に、バイアス変調器４１４及び加算器４１２も備える。レート復調器４０２、レート・アキュムレータ４０４、及び位相ステップ・アキュムレータ４０６は、図２のレート復調器２０２、レート・アキュムレータ２０４、及び位相ステップ・アキュムレータ２０６に関して説明したのと同じ機能を有し動作する。更に、バイアス変調器４１４は、バイアス変調信号３２０（図３に示される）と同じ機能および特性を有し、それは図５の５２０に概略が示されている。
【００３２】
一実施形態では、レート・アキュムレータ４０４の出力は、検出コイル１１２によって得られた回転レートに比例し、位相ステップ・アキュムレータ４０６へ提供される。位相ステップ・アキュムレータ４０６は、レート・アキュムレータ４０４の出力を蓄積することによってフィードバック・ランプ信号（図５の５１０に概略が示される）を生成する。図２のランプ・ステップ・カウンタ２１０は、或る数のステップ増加の後に位相ステップ・アキュムレータ２０６をリセットするが、それとは対照的に、ランプ・リミット検出器４０８は、フィードバック・ランプ信号５１０が２πの光位相シフトを生ずる振幅に達したときに、位相ステップ・アキュムレータ４０６をリセットする。一実施形態では、加算器４１２によって、バイアス変調信号５２０がフィードバック・ランプ信号５１０と加算され、位相変調器１１０などの位相変調器への変調波形入力を生成するために、デジタル・アナログ変換器１１４によってデジタル信号からアナログ電圧へと変換される。
【００３３】
図５に示されるように、一実施形態では、フィードバック・ランプ信号５１０は、一定の振幅と可変の周波数とを有する階段状の波形を有する。各リセット間に生ずるτ秒ステップ増分（５１１に概略が示される）の数は、一定ではなく、検出コイル１１０の回転レートに応じて変化するので、フィードバック・ランプ信号５１０の周波数は可変となる。各ステップの増分によって生じる増分信号の増加量は、検出コイル１１２の回転の関数なので、フィードバック・ランプ信号５１０が２πの光位相シフトを生ずる振幅に達するまでに経過する時間量は、一定にはならない。従って、ランプ・リミット検出器は、フィードバック・ランプ信号５１０がその振幅に達すると、位相ステップ・アキュムレータ４０６をリセットする。
【００３４】
固定周波数フィードバック・ランプを使用するシステムと比較すると、２πの光位相シフト電圧でフィードバック・ランプ信号５１０の振幅をリセットすることは、高回転レートでの雑音及びスケール・ファクタ・エラーを低減するという利点を有する。しかし、固定振幅でフィードバック・ランプ５１０をリセットすることは、対象となる回転情報と同じ周波数帯域及び高調波帯域で生じるレート依存の正弦曲線状のエラーをもたらす。フィードバック・ランプ信号５１０の周波数は、ジャイロスコープ１００の入力回転レートに依存するので、結果として生ずるジャイロスコープの誤差（エラー）も回転レートに依存する。更に、本明細書を読むことで当業者には理解されるはずであるが、これらのジャイロスコープ誤差の振幅は、回転レートが低下するにつれて増大する。従って、固定振幅フィードバック・ランプ信号は、低回転レートを含む用途では問題が生じる。
【００３５】
図６は、本発明の他の実施形態によるフィードバック・プロセッサ６００を示すブロック図である。フィードバック・プロセッサ６００は、ハイブリッド・フィードバックを備えるものであり、周波数は、リセットとリセットの間の所望されるランプ・ステップ数（Ｎτ）を表す値がロードされたプログラマブル・ダウン・カウンタ７２０によって管理される。一実施形態では、プログラマブル・ダウン・カウンタ７２０は、１２ビットのプログラマブル・ダウン・カウンタである。プログラマブル・ダウン・カウンタ７２０は、各τ秒期間の後に、そのカウント値を１ずつ減少させる。一実施形態では、システムのマスタ・リセットの間に、又はプログラマブル・ダウン・カウンタ７２０のカウントが００１の値に達したときに、又は固定振幅リセット（以下で論ずる）が生じたときに、Ｎτがプログラマブル・ダウン・カウンタ７２０にロードされる。
【００３６】
プログラマブル・ダウン・カウンタ７２０は、プログラマブル・ダウン・カウンタ７２０が００１に達したときに、制御信号τ−ｃｎｔ−ｎｐ１をアクティブ論理ロー（Ｌｏｗ）からアクティブ論理ハイ（Ｈｉｇｈ）へと遷移させ、τ−ｃｎｔ−ｎｐ１は、１τの時間の間、論理Ｈｉｇｈを維持する。τ−ｃｎｔ−ｎｐ１が論理Ｌｏｗを維持しているときは、マルチプレクサＭＵＸＲＶＡＬ７２２は、レート復調器７０２からの回転レート出力を選択し、その回転レートをＴＷＡＣＣＵＭ７２４の加算器入力へ出力する。τ−ｃｎｔ−ｎｐ１がアクティブの論理Ｈｉｇｈのときは、ＭＵＸＲＶＡＬ７２２は、ＴＷＡＣＣＵＭ７２４への出力としてゼロ入力を選択して、ランプ・リセット後の１τ期間の間に生じる低信頼データに基づいてＴＷＡＣＣＵＭ７２４がフィードバック・ランプ信号を調整するのを、阻止する。
【００３７】
低回転レートでの動作の間は、ｉｎｊ＿ｒｓｔはＬｏｗに維持される。レート・リミット検出器７０６は、ランプ・アキュムレータ７０４から出力されるフィードバック・ランプ信号の振幅を測定し、ランプ・アキュムレータ７０４へｉｎｊ＿ｒｓｔを提供する。フィードバック・ランプ信号の振幅が所定の振幅リミット（例えば、振幅が２πの光位相シフトを生成するのに十分な振幅のときなど）に達したときに、レート・リミット検出器７０６は、ｉｎｊ＿ｒｓｔを論理Ｌｏｗから論理Ｈｉｇｈへと遷移させる。低回転レートでは、ｉｎｊ＿ｒｓｔはＬｏｗに維持される。なぜなら、フィードバック・ランプ信号が所定の振幅リミットに到達するより前に、プログラマブル・ダウン・カウンタ７２０が００１に達するからである。
【００３８】
固定周波数フィードバック・ランプ・モードの動作では、ｉｎｊ＿ｒｓｔはアクティブの論理Ｌｏｗを維持するので、マルチプレクサＭＵＸＡＤＪ７２６は、ＡＤＤＥＲ７２８への出力としてゼロ入力を選択する。これにより、固定周波数フィードバック・ランプ動作の間に固定振幅ベースのリセットが発生し得ないことを、保証する。τ−ｃｎｔ−ｎｐ１が論理Ｌｏｗを維持するとき、マルチプレクサＭＵＸＱＶＡＬ７３０は、ＡＤＤＥＲ７２８の出力を選択してＴＷＡＣＣＵＭ７２４へ送る。ＴＷＡＣＣＵＭ７２４は、ＭＵＸＱＶＡＬ７３０からの出力をＭＵＸＲＶＡＬ７２２の出力に加算して、その和をそれ自体のレジスタ（ＲＥＧ）に格納する。プログラマブル・ダウン・カウンタ７２０が００１の値に達せず、かつｉｎｊ＿ｒｓｔがアクティブ論理Ｌｏｗを維持する限り、ＴＷＡＣＣＵＭ７２４は、レート復調器７０２からのレート値を蓄積し、蓄積されたレート値に基づいて、インクリメントされたフィードバック・ランプ信号をτ毎に出力する（例えば、加算器６１２へ）。
【００３９】
プログラマブル・ダウン・カウンタ７２０が００１に達したとき、そのときが、フィードバック・ランプ信号をリセットするときであり、τ−ｃｎｔ−ｎｐ１は論理Ｈｉｇｈへ遷移する。フィードバック・ランプ信号をリセットするための量は、ｑｎｍ１（即ち、前のリセットの前に登録されたフィードバック・ランプ信号値）と、現在のフィードバック・ランプ信号値（即ち、現在のｒａｍｐ＿ａｃｃｕｍの値は、前回のリセット以降に蓄積された値である）との平均に基づく。ｒａｍｐ＿ａｃｃｕｍの値は、減算器７３４によってｑｎｍ１から減算され、ＤＩＶ２ ７３６によって２で除算される。τ−ｃｎｔ−ｎｐ１が論理Ｈｉｇｈに遷移すると、ＭＵＸＱＶＡＬ７３０は、Ａｄｄｅｒ７２８の出力ではなくＤＩＶ２ ７３６からの出力を選択してＴＷＡＣＣＵＭ７２４へ送る。この場合、ＴＷＡＣＣＵＭ７２４レジスタへの入力は、ＤＩＶ２ ７３６の出力とＭＵＸＲＶＡＬ７２２の出力の和である。この間に、ＭＵＸＲＶＡＬ７２２の出力はゼロなので、ＤＩＶ２ ７３６の出力とＭＵＸＲＶＡＬ７２２の出力の和は、ｑｎｍ１の値から現在のｒａｍｐ＿ａｃｃｕｍの値を減算して２で除算したものになる。次に、この加算の結果は、クロック入力（Ｅｎ）の立ち上りエッジで、ＴＷＡＣＣＵＭ７２４のＲＥＧ７３２に登録される。即ち、レジスタの３角のクロック・イネーブルｔｗ＿ｃ＿ｅｎがアクティブ論理Ｈｉｇｈになるときに、登録される。ｔｗ＿ｃ＿ｅｎ信号は、各τ時間フレーム毎に１度、１クロック入力期間の間、アクティブＨｉｇｈになる。要するに上述の動作は、プログラマブル・ダウン・カウンタ７２０によって規定されたリセット期間にわたるランプ・アキュムレータ７０４の出力の平均化を行い、その値を使用してランプ・アキュムレータ７０４をリセットし、それによって、リセット期間にわたるフィードバック・ランプ信号出力をセンタリングするとともに、フィード・フォワード・バイアスを最小にする。
【００４０】
前述のように、固定周波数リセットはダウン・カウンタ７２０が００１の値に達する毎に生じる。固定振幅リセット動作（以下で論ずる）から固定周波数リセット動作へ遷移するときに正しいリセット値が使用可能であることを保証するために、ｑｎｍ１の値を保持する出力レジスタＲＥＧＱＮＭ７３６は、ｔｗ＿ｃ＿ｅｎとｉｎｊ＿ｒｅｓｅｔが論理Ｈｉｇｈになる毎に、ｒａｍｐ＿ａｃｃｕｍの現在値を用いて更新され、これは、全ての固定振幅リセットの間に行われる。固定周波数フィードバック・リセット動作の間には、ｔｗ＿ｃ＿ｅｎとτ−ｃｎｔ−ｎｐ１が論理Ｈｉｇｈになる毎に、ｑｎｍ１はＲＥＧＱＮＭ１ ７３６の出力へと更新され、これは、プログラマブル・ダウン・カウンタ７２０が００１の値に達する毎に行われる。
【００４１】
固定周波数リセットの後、レート復調器７０２の出力は、破損している可能性のあるデータを含む。このデータは、制御ループへフィード・フォワードされることを阻止しなければならない。一実施形態では、ランプ・アキュムレータ７０４は、レート復調器禁止信号ｒｄｍｏｄ＿ｉｎｈｉｂを、レート復調器７０２へ出力して、破損した情報がランプ・アキュムレータ７０４へ提供されることを阻止する。一実施形態では、ｒｄｍｏｄ＿ｉｎｈｉｂは、１又は複数のτ秒期間のデータがランプ・アキュムレータ７０４へ提供されることを阻止するために、レート復調器７０２を阻止する。
【００４２】
一実施形態では、バイアス変調器６１４などのバイアス変調器は、Ｖπ（即ち、位相変調器１１０へ印加される、１８０度の光位相シフトを生じさせる電圧）の値の推定値に基づいてバイアス変調信号を生成する。この推定値は、典型的に、光検出器１１２からの電圧出力の復調された表現から、導き出される。フィードバック・ランプ信号の破損を避けるために、フィードバック・ランプ・リセットに続く低信頼データを阻止しなければならないのと同様に、バイアス変調信号を生成するために使用されるＶπの推定値の破損を避けるためにも、低信頼データは阻止しなければならない。従って、一実施形態では、ランプ・アキュムレータ７０４は、破損した情報がＶπ推定プロセスへ提供されるのを阻止するために、π復調器禁止信号、ｐｄｍｏｄ＿ｉｎｈｉｂ信号を出力する。一実施形態では、ｐｄｍｏｄ＿ｉｎｈｉｂは、リセット発生後のπ復調プロセスに関して、１また複数のτ期間の破損したデータを阻止する。
【００４３】
動作に際して、高回転レートでは、ランプ・アキュムレータ７０４は、固定周波数ベースのリセットが発生する前に、所定の振幅リミット（例えば、振幅が、２πの光位相シフトを生成するのに十分な場合など）に達するフィードバック・ランプ信号を生成する。フィードバック・ランプ信号の振幅が所定の振幅リミットに達すると、レート・リミット検出器７０６は、ｉｎｊ＿ｒｓｔを論理Ｌｏｗから論理Ｈｉｇｈへと遷移させる。一実施形態では、ｉｎｊ＿ｒｓｔ信号は、論理Ｌｏｗから論理Ｈｉｇｈへと遷移し、２τの期間の間、論理Ｈｉｇｈを維持して、その時点で論理Ｌｏｗへと戻るように遷移する。
【００４４】
高回転レート動作の間、τ−ｃｎｔ−ｎｐ１信号は論理Ｌｏｗ信号に維持されるが、それは、次の振幅ベースのリセットが発生する前にプログラマブル・ダウン・カウンタ７２０が００１までカウント・ダウンする可能性がないからである。このような状況下では、ＭＵＸＲＶＡＬ７２２は常に、レート復調器７０２の出力を選択してＴＷＡＣＣＵＭ７２４へ送る。
【００４５】
フィードバック・ランプ信号が所定の振幅リミットに達する前は、ｉｎｊ＿ｒｓｔは論理Ｌｏｗを維持し、ＭＵＸＡＤＪ７２６はゼロ入力を選択してＡＤＤＥＲ７２８へ出力する。ＡＤＤＥＲ７２８は、ｒａｍｐ＿ａｃｃｕｍの現在値にゼロ入力を加算し、その結果をＭＵＸＱＶＡＬ７３０へ出力する。τ−ｃｎｔ−ｎｐ１は論理Ｌｏｗなので、ＭＵＸＱＶＡＬ７３０は、ＡＤＤＥＲ７２８の出力を選択してＴＷＡＣＣＵＭ７２５へ出力し、ＴＷＡＣＣＵＭ７２５はｒａｍｐ＿ａｃｃｕｍの現在値とレート復調器７０２からのレート情報を加算する。
【００４６】
フィードバック・ランプ信号の振幅が所定の振幅リミットに達すると、レート・リミット検出器７０６は、ｉｎｊ＿ｒｓｔを論理Ｌｏｗから論理Ｈｉｇｈへと遷移させる。一実施形態では、ｉｎｊ＿ｒｓｔは、２τの期間の間、論理Ｈｉｇｈ値であることを想定する。この期間に、ＭＵＸＡＤＪ７２６は、ＡＤＤＥＲ７２８への出力として、位相差入力ｐｈｓｅ＿ｄｉｆを選択する。ｐｈｓｅ＿ｄｉｆ信号は、フィードバック・ランプ信号のリセットのための大きさを規定する。リセット後のデータの破損を避けるために、ｐｈｓｅ＿ｄｉｆは、±２πの光位相差を生ずることになるフィードバック・ランプ信号のリセットを提供しなければならない。一実施形態では、±２π位相シフトは、最初に第１のτ期間に±π／２位相シフトを加え、第２のτ期間に±３π／２位相シフトを加えることによって、２τ期間にわたって達成される。ｐｈｓｅ＿ｄｉｆの値は、ＡＤＤＥＲ７２８によってｒａｍｐ＿ａｃｃｕｍが加算され、その結果として得られた信号は、ＭＵＸＱＶＡＬ７３０を介して送られて、ＴＷＡＣＣＵＭ７３２のレジスタを調整してフィードバック・ランプ信号を結果的にリセットする。
【００４７】
図８は、光ファイバ・ジャイロスコープの閉ループ・フィードバック信号を生成するための、本発明の一実施形態による方法を示す流れ図である。この方法は８１０で始まり、信号を復調して２つの互いに反対の方向に伝播する光波の間の位相差を求める。光ジャイロスコープでは、光波は分離され、回転軸の周りに巻かれたコイル状の光ファイバを通って互いに反対の方向に伝播する。軸についての回転は、２つの互いに反対の方向に伝播する光波の間の位相シフトを生じさせる。分離された光波が再結合され、結合された光信号の強度が光検出器によって測定されると、検出器は、測定された強度を表す信号であって２つの互いに反対の方向に伝播する光波の間の位相差の関数である信号を、出力する。２つの互いに反対の方向に伝播する光波を既知の位相角によって位相変調するステップは、基準ポイントを提供し、それにより、８１０で信号が復調される際に、その結果が、回転軸の周りのコイル状の光ファイバの回転に比例する位相差となるようにする。次に、方法は８２０へ進み、位相差に基づいてコイル状の光ファイバの回転レートを求める。一実施形態では、回転レートを積分することによって、コイル状光ファイバの角変位を表す角度が提供される。２つの互いに反対の方向に伝播する光波の変調を所望の動作ポイントに維持するためには、コイル状光ファイバの回転によって生ずる位相シフトを補償するように、変調を調整しなければならない。従って、方法は８３０へ進み、回転レートに基づいてτ秒期間毎に１度、フィードバック・ランプ信号をインクリメント（増分）する。ここでのτは、光がコイル状光ファイバを通過するのに必要な時間である。上述のような理由によって、フィードバック・ランプ信号を実現する電子回路は、無制限にフィードバック・ランプ信号をインクリメントし続けることはできないので、何らかの基準でリセットしなければならない。従って、方法は８４０に進み、フィードバック・ランプが、前回のリセット以降に所定の回数だけインクリメントされたときに、フィードバック・ランプ信号をリセットする。一実施形態では、フィードバック・ランプ信号は、前回のリセット以降の期間にわたるフィードバック・ランプ信号レベルの平均に基づいて、フィードバック・ランプ信号を低下させることによって、リセットされる。一実施形態では、フィードバック・ランプ信号は、前のリセット以降にフィードバック・ランプ信号レベルが所定の値より上にインクリメントされたときに常にリセットされる。その場合、フィードバック・ランプ信号レベルは、２つの互いに反対の方向に伝播する光波の間の位相差が２πの位相シフトを生じる量だけ、低下させる。
【００４８】
図９は、光ファイバ・ジャイロスコープの閉ループ・フィードバック・システムを設計するための、本発明の一実施形態による方法を示す流れ図である。この方法は、９１０で始まり、対象の回転レートの帯域幅を決定する。光ジャイロスコープが使用される用途に応じて、光ジャイロスコープは、正確に動作することを期待される、角速度の定格範囲を有する。その範囲内で動作する限り、光ジャイロスコープは、その回転角レートの関数であるレート信号を生成する。対象の回転レートの帯域幅は、定格の角速度範囲内で動作するときには、予想され得るレート信号を含む。対象の回転レートの帯域幅の外側でフィードバック・ランプ・リセット周波数を選択することによって（９２０において）、フィードバック・ランプ・リセットによって生じる何れのレート依存の正弦曲線信号も、対象の帯域幅の外側に存在することになり、従って、正確なレート信号の生成を妨げることはない。選択されたフィードバック・ランプ・リセット周波数を実現するために、方法は９３０へ進み、最初に選択されたフィードバック・ランプ・リセット・レートに基づいてフィードバック・ランプ・リセットをリセットする前にフィードバック・ランプ信号をインクリメントするためのτ秒期間の数を決定する。時には、フィードバック・ランプ・リセットの選択された周波数が原因で、リセット直後に発生する低信頼のデータをブロックすることから、望ましくない量の雑音が生じることがある。その場合、この方法は更に、信号雑音を低減するために、もともと選択されていたフィードバック・ランプ・リセット・レートと、対象の回転レートの帯域幅との間の、より低いフィードバック・ランプ・リセット・レートを選択するステップを含む。次に、この方法は、そのより低いフィードバック・ランプ・リセット・レートに基づいて、フィードバック・ランプ・リセットをリセットする前にフィードバック・ランプ信号をインクリメントするためのτ秒期間の数を決定する。
【００４９】
フィードバック・プロセッサ、アナログ・デジタル変換器及びデジタル・アナログ変換器、復調器、アキュムレータ、並びに本発明の諸実施形態の他のエレメントを実装するために、幾つかの手段を使用できる。これらの手段には、デジタル・コンピュータ・システム、プログラマブル・コントローラ、フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイなどがあるが、これらに限られるものではない。従って、本発明の他の実施形態は、このようなコントローラによって実行されたときにコントローラが本発明の諸実施形態を実行することを可能にするための、コンピュータが読み取り可能な媒体に格納されたプログラム命令を含む。コンピュータ読取可能媒体には、パンチ・カード、磁気ディスク又はテープ、任意の光データ記憶システム、フラッシュ・リード・オンリ・メモリ（ＲＯＭ）、不揮発性ＲＯＭ、プログラマブルＲＯＭ（ＰＲＯＭ）、消去可能プログラマブルＲＯＭ（Ｅ−ＰＲＯＭ）、ランダム・アクセス・メモリ（ＲＡＭ）などのような、任意の形のコンピュータ・メモリや、他の任意の形の永久、半永久、もしくは一時的メモリ記憶システム又はデバイスなどが含まれるが、これらに限られるものではない。プログラム命令は、コンピュータ・システム・プロセッサによって実行されるコンピュータ実行可能命令や、超高速集積回路（ＶＨＳＩＣ）ハードウェア記述言語（ＶＨＤＬ）などのようなハードウェア記述言語を含むが、これらに限られるものではない。
【００５０】
本明細書においては個々の実施形態について例示し説明してきたが、当業者には、提示した個々の実施形態の代わりに同じ目的を達成することを意図した任意の構成を使用することができることが理解されよう。本出願は、本発明のどのような適合形態や変更形態も包含することを意図したものである。従って、本発明が本発明の特許請求の範囲とその均等物によって制限されることが明白に意図される。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】図１は、本発明の一実施形態の光ジャイロスコープを示すブロック図である。
【図２】図２は、本発明の一実施形態のフィードバック・プロセッサを示すブロック図である。
【図３】図３は、本発明の一実施形態のフィードバック・ランプ信号とバイアス変調信号を示す。
【図４】図４は、本発明の一実施形態のフィードバック・プロセッサを示すブロック図である。
【図５】図５は、本発明の一実施形態のフィードバック・ランプ信号とバイアス変調信号を示す。
【図６】図６は、本発明の一実施形態のフィードバック・プロセッサを示すブロック図である。
【図７】図７は、本発明の一実施形態を示すブロック図である。
【図８】図８は、本発明の一実施形態の方法を示す流れ図である。
【図９】図９は、本発明の一実施形態の方法を示す流れ図である。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ジャイロスコープのデジタル・フィードバックのシステム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
光ファイバ・ジャイロスコープは、航空機、ミサイル、衛星及び他の車両のナビゲーション用途で回転を測定するために使用される。光ファイバ・ジャイロスコープは、光ファイバのコイルを通って互い反対の方向に伝播する光波の位相差を求めることによって角回転を測定する。コイルを通って回転の反対方向に伝播する光波は、回転の方向に伝播する光波よりも短い時間を必要とする。多くの光ファイバ・ジャイロスコープは、回転に対する光ファイバ・ジャイロスコープの感度を高めるために閉フィードバック・ループ位相変調方式を使用する。これらの方式は、所望の変調ポイントへのロックを維持するために回転により生じた位相差を絶えず補償しなければならない。これらの方式の１つの問題点は、フィードバック方式内の電子回路が限られた出力範囲を有することであり、従って、電子回路の動作範囲内にとどめるためにフィードバック信号を周期的にリセットしなければならないことである。
【０００３】
現在は、電子回路の動作範囲内にとどめるために、光位相の２π値をもたらす値に達すると常に、フィードバック機構の回転補償コンポーネントがリセットされる。限られた出力範囲を有する電子回路の問題に取り組んだ場合、それに基づいてのフィードバック機構のリセットは、対象とするジャイロスコープ周波数帯域内にレート依存の正弦波信号（ＲＤＳ）を生成する。従って、レート依存の正弦波信号は、車両の回転を計算することの問題を生じさせる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本明細書を読みかつ理解したときに当業者にとって明らかになる上述の理由及び下記の他の理由により、当技術分野では光ジャイロスコープ用の改善されたフィードバック方式が必要とされる。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の諸実施形態は、光ジャイロスコープのデジタル・フィードバックのシステム及び方法を提供するものであり、それは下記の明細書を読んで学習することによって理解されるであろう。
【０００６】
一実施形態では、光ファイバ・ジャイロスコープの閉ループ・フィードバック信号を生成する方法が提供される。この方法は、２つの互いに反対の方向に伝播する光波の間の位相差を求めるために信号を復調するステップと、位相差に基づいて回転レート（回転速度）を求めるステップと、回転速度に基づいてτ秒期間毎に１回、フィードバック・ランプ信号（feedback ramp signal）をインクリメントするステップと、フィードバック・ランプ信号が、前回のリセット以降に所定の回数だけインクリメントされたときにフィードバック・ランプ信号をリセットするステップとを含む。
【０００７】
他の実施形態では、光ファイバ・ジャイロスコープのシステムが提供される。このシステムは、光ファイバ検出コイルが或る軸について回転したときに、光ファイバ検出コイルを伝播する第１の光波と、光ファイバ検出コイルを伝播する第２の光波との間に位相差を生じるようにされた光ファイバ検出コイルと：光ファイバ検出コイルに結合された光位相変調器であって、光ファイバ検出コイルを伝播する第１の光波と、光ファイバ検出コイルを伝播する第２の光波との間の第２の位相差を生ずるようにされるものであり、更に、変調波形に基づいて前記の第２の位相差を生ずるようになされた光位相変調器と：光ファイバ検出コイルに結合され、第１の光波と第２の光波とを受信するようにされた光検出器であって、更に、第１の光波と第２の光波との間の位相差を表す強度信号を出力するようにされた光検出器と：光検出器に結合され、第１の光波と第２の光波との間の位相差に基づいて光ファイバ検出コイルの回転レートを求めるようにされたプロセッサであって、更に、光ファイバ検出コイルの回転レートに基づいてフィードバック・ランプ信号を生成するようにされ、更に、固定周波数に基づいてフィードバック・ランプ信号をリセットするようにされ、更に、変調波形の第１の成分としてフィードバック・ランプ信号を出力するようにされたプロセッサと、を備える。
【０００８】
他の実施形態では、光ジャイロスコープの閉ループ変調波形フィードバック信号を生成するシステムが提供される。このシステムは、第１の光波と第２の光波との間の位相差を求めるために信号を復調する手段と：第１の光波と第２の光波との間の位相差に基づいて回転レートを求める手段であって、復調する手段に応答するものである、回転レートを求める手段と：フィードバック・ランプ信号を生成する手段であって、回転レートに基づいてフィードバック・ランプ信号をインクリメントするものであり、回転レートを求める手段に応答するものである、フィードバック・ランプ信号を生成する手段と：フィードバック・ランプ信号が、前回のリセット以降に所定の回数だけインクリメントされたときに、フィードバック・ランプ信号をリセットする手段であって、フィードバック・ランプ信号を生成する手段に応答するものである、フィードバック・ランプ信号をリセットする手段とを備える。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
好ましい実施形態の説明と添付の図面に照らして考察すると、本発明をより容易に理解することができ、本発明の他の利点や用途をより容易に明らかにすることができる。
【００１０】
以下の詳細な説明では添付の図面を参照するが、添付の図面は本発明の一部を形成するものであり、本発明を実施することができる具体的な例示的な実施形態を示したものである。これらの実施形態は、当業者が本発明を実施することができるように十分詳細に説明されており、従って、他の実施形態を使用することができること、及び本発明の範囲を逸脱することなく論理的、機械的、電気的な変更を実施できることが理解される。従って、以下の詳細な説明は限定するものと解釈すべきではない。
【００１１】
図１は、本発明の一実施形態の光ジャイロスコープ１００を示す図である。光ジャイロスコープ１００は、光源１０２、光スプリッタ１０８、位相変調器１１０、検出コイル１１２、及びファイバ・カプラ１０４を備える。検出コイル１１２は、軸１１３に巻かれたコイル状の光ファイバを備え、その軸についての回転が検出される。一実施形態では、光スプリッタ１０８と位相変調器１１０とはどちらも、単一の光多機能集積チップによって実装される。
【００１２】
動作に際して、光波は光源１０２によってもたらされ、ｙ分岐１０８で、検出コイル１１２を通って時計回り（ｃｗ）方向と反時計回り（ｃｃｗ）方向とに伝播する１対の波へと分離される。検出コイル１１２の軸１１３についての何れの回転も、光が伝わる一方向の光経路の実質的な増加と、他方向の光経路の減少とをもたらす。検出コイル１１２の回転によって生じた光経路長の差は、一般にサニャック効果（Sagnac effect）として知られている時計回りと反時計回りとに伝播する波の間の位相シフトをもたらす。
【００１３】
２つの互いに反対の方向に伝播する光波の間の位相差は、光波の位相差から回転を検出する能力を高めるために、光位相変調器１１０（バイアス変調器と呼ばれることもある）によって変調される。一実施形態では、第１の伝播する光波の位相は、検出コイル１１２を出るときに変調され、第２の伝播する光波の位相は、検出コイル１１２に入るときに変調される。検出コイル１１２を出た後、光源１０２へ向かって戻るときに、２つの戻ってくる光波は、ｙ分岐１０８で再び結合される。これらの戻り光波の間の位相差は、検出コイル１１２の回転レートの関数である。一実施形態では、中及び高性能の光ファイバ・ジャイロスコープ用に、位相変調はデジタル電子回路を用いてなされる。
【００１４】
位相変調器１１０によって使用される変調波形は、図３の３２０と３１０とにそれぞれ概略が示された、周波数（ｆｂ）のバイアス変調電圧信号とフィードバック・ランプ電圧信号との複合信号である。位相変調器１１０は、Ｖπの電圧を有する変調波形が位相変調器１１０に印加されたときに、ｃｗとｃｃｗとの光波の間に丁度１８０度の位相シフトを生じるように動作する。変調波形のバイアス変調信号成分を変化させることによって、伝播する光信号に既知の位相シフトをもたらし、それによって、再結合された光波を特定の動作ポイント（「ロック」ポイントとも呼ばれる）でサンプリングすることが可能となり、回転に対する感度を改善する。
【００１５】
高性能の光ファイバ・ジャイロスコープの場合、バイアス変調信号３２０は、互いに反対の方向に伝播する光波の間の光位相差が±π／２及び±３π／２のところで動作ポイントを提供するように構成される。これらの特定の動作ポイントが有利である１つの理由は、それらが余弦曲線の最も線形に近い領域を表すことである。一実施形態では、バイアス変調信号は４つのステップ（図３の３２１〜３２４に概略が示される）からなり、各ステップは、継続時間が１τの機関についての異なる動作ポイントを提供する（τは、光がファイバ検出コイル１１２を通過するために要する時間である）。バイアス変調周波数（ｆｂ）の典型的な範囲は２０ｋＨｚから１００ｋＨｚであり、図１のジャイロスコープ１００で使用される検出コイル１１２の長さに依存する。しかし、代替の動作ポイントやこの範囲外のバイアス変調周波数も、本発明の諸実施形態の範囲内であると考えられる。ランプ・フィードバック信号（図３の３１０に概略が示される）は、位相変調器１１０へ閉ループ・フィードバックを提供するものであり、一連の電圧ステップ（図３の３１１に概略が示される）からなる階段状の電圧信号を含み、各ステップの継続時間はτである。検出コイル１１２の回転は、２つの戻り光波に追加の位相シフトをもたらすので、閉ループ・フィードバック信号がない場合には、位相変調器１１０は、バイアス変調信号３２０だけに基づいて所望の動作ポイントへのロックを維持することができない。ランプ・フィードバック信号３１０は検出コイル１１２の回転に基づいて誤差信号を提供し、それがバイアス変調信号３２０と加算されると、位相変調器１１０は所望の動作ポイントで動作することが可能になる。従って、一般に、フィードバック・ランプ信号３１０の各ステップ変化の振幅は、軸１１３についての検出コイル１１２の回転レートの関数である。
【００１６】
変調波形を生成するために、ジャイロスコープ１００は更に、ファイバ・カプラ１０４と、光検出器１２２と、アナログ・デジタル変換器（ＡＤＣ）１１８と、フィードバック・プロセッサ１１６と、デジタル・アナログ変換器（ＤＡＣ）１１４とを備えたフィードバック回路を含む。一実施形態では、フィードバック・プロセッサ１１６は、デジタル信号プロセッサ、フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ、又は他のプログラマブル・プロセッサによって実装される。
【００１７】
一実施形態では、ファイバ・カプラ１０４は、結合された戻り光波を受光し、それらを光検出器１２２へ送る。光検出器１２２では、それらの戻り光波の間の位相差により光波間の相互干渉パターンを生じ、それが、光検出器１２２によって観測される光信号の強度に影響する。一実施形態では、観測される光の強度（Ｉ）は式Ｉ＝[（Ｉ０）／２＊（１＋ｃｏｓ（ΔΦ））]によって示される。この式において、ΔΦは、２つの戻り光波間の位相差であり、Ｉ０は、ΔΦがゼロのときの光のピーク強度である。
【００１８】
光検出器１２２は、得られた強度値を、検出コイル１１２の回転速度の関数である電圧信号へと変換する。一実施形態では、光検出器１２２の出力は、光検出器１２２によってもたらされる可能性のある信号中のＤＣ成分を除去するために、信号調整器１２０を通される。一実施形態では、信号調整器１２０は更に、追加のＡＣゲインおよびアンチエリアシング・フィルタリングなどのような追加の信号調整も提供するが、信号調整はこれらに限られるものではない。電圧信号は、アナログ・デジタル変換器１１８によってデジタル化される。
【００１９】
次に、デジタル化された電圧信号はフィードバック・プロセッサ１１６へ送られる。フィードバック・プロセッサ１１６は、デジタル化された電圧信号から回転速度情報を抽出する。速度情報は、一部において、変調波形のフィードバック・ランプ信号３１０成分を生成するために使用されるが、これについては以下でより詳細に説明する。
【００２０】
図２は、本発明の一実施形態のフィードバック・プロセッサ２００を示す。一実施形態では、フィードバック・プロセッサ２００は、図１に示されたジャイロスコープ１００のフィードバック・プロセッサ１１６を示す。フィードバック・プロセッサ２００は、レート復調器２０２と、レート・アキュムレータ２０４と、位相ステップ・アキュムレータ２０６と、ランプ・ステップ・カウンタ２１０と、バイアス変調器２１４と、加算器２１２とを備える。
【００２１】
一実施形態では、動作に際して、レート復調器２０２は、ＡＤＣ１１８からデジタル化された電圧信号を受信し、その信号を、バイアス変調信号周波数（ｆｂ）を使用して復調する。バイアス変調信号は、既知の位相シフト基準が使用され（即ち、位相変調器１１０が、動作ポイントの１つで変調を行い）、次いで既知の位相基準がレート復調器２０２によって除去されたときに、レート復調器２０２の出力における残っている位相差が、検出コイル１１２によって検出された回転レートを表すように、基準位相差を提供する。従って、検出コイル１１２が回転していないとき、レート復調器２０２の出力はゼロである。
【００２２】
レート・アキュムレータ２０４は、レート復調器２０２の出力を積分し、検出コイル１１２によって検出された回転レートに比例する非正規化レート信号を、出力する。一実施形態では、角回転出力測定値を提供するために、非正規化レート信号は正規化器（図示せず）へ提供され、正規化器は、非正規化レート信号をＶπの推定値によって除算して値を正規化する。次いで、その値は、角アキュムレータ（図示せず）によって積分されて、検出コイル１１２の角変位を表す出力信号が生成される。
【００２３】
閉ループ・フィードバックを実現するために、一実施形態では、位相ステップ・アキュムレータ２０６はレート・アキュムレータ２０４から非正規化レート信号を受信し、レート・アキュムレータ２０４の出力を蓄積することによってフィードバック・ランプ信号３１０を生成する。デジタル・アナログ変換器１１４の生成できる電圧の範囲は有限であるので、階段状のフィードバック・ランプ信号３１０を無限に増大することはできない。従って、フィードバック・プロセッサ２００は、周期的に位相ステップ・アキュムレータ２０６をリセットして、結果として、図３の３１０に概略が示された鋸歯状のフィードバック波形を生じさせる。
【００２４】
一実施形態では、位相ステップ・アキュムレータ２０６の周期的なリセットは、ランプ・ステップ・カウンタ２１０によって実施される。ランプ・ステップ・カウンタ２１０は、フィードバック・ランプ信号３１０のステップ増加を、規定されたランプ・ステップ数（Ｎステップ）までカウントし、次いで位相ステップ・アキュムレータ２０６をリセットし、その結果としてフィードバック・ランプ信号３１０をリセットする。結果として生じる鋸歯状フィードバック波形（３１０に概略が示される）は、各リセットまでの間に許容された規定のランプ・ステップ数に基づく一定の周波数を有する。ランプ・ステップ・カウンタ２１０は、フィードバック・ランプ信号３１０の振幅の関数としてではなく、時間（即ち、規定の数のτ秒のランプ・ステップ）の関数として位相ステップ・アキュムレータ２０６をリセットするので、本発明の諸実施形態は、可変周波数および固定振幅ではなく、固定周波数および可変振幅を有するフィードバック・ランプ信号を位相変調器１１０に提供する。この固定周波数は設計によって選択されるので、リセットの前に生ずるランプ・ステップの数の選択は、フィードバック・ランプ信号３１０から生じる望ましくない出力レートの振動が、特定の用途の対象となる重要な周波数帯域の外側に生ずるように、行われる。一方、本明細書を読むことで当業者には理解されるはずであるが、固定の振幅（２π毎など）に達したことに基づいてフィードバック・ランプ信号をリセットする方法は、対象となる回転信号に関係する周波数を有する振幅を生じる。フィードバック・ランプ信号３１０に対して適切な周波数を選択することによって、ユーザは、フィードバック・ランプ信号３１０によって生成されるジャイロスコープ誤差が、その用途にとって重要な周波数帯域内の周波数を有することを、実質的に避けることができる。一実施形態では、リセット周波数は、システム・サンプリング周波数（即ち、ジャイロスコープ１００の出力信号のデータ・レート）より大きく設定され、それにより、レート依存の正弦曲線状エラーが、対象となる回転データのシステム・サンプリング周波数より高い周波数で生ずることを保証する。一実施形態では、リセット周波数は、定格範囲の上端で動作するジャイロスコープ１００から予想される最大回転周波数よりも高く、設定される。一実施形態では、必要な場合には、オプションのデジタル・ノッチ・フィルタ（図示せず）を用いて、ジャイロスコープ１００の出力信号からこれらのエラーを完全に除去することができる。
【００２５】
一実施形態では、ランプ・ステップ・カウンタ２１０は、位相ステップ・アキュムレータ２０６からの各ステップ増加をカウントし、位相ステップ・アキュムレータ２０６がフィードバック・ランプを規定の数のランプ・ステップ（Ｎステップ）だけ増加させたときに、終了カウント出力パルス（ＴＣ）（図３の３４０に概略が示される）を生成する。終了カウント出力パルスに基づいて位相ステップ・アキュムレータ４０６がリセットされ、従ってフィードバック・ランプ信号がリセットされる。
【００２６】
一実施形態では、上述のバイアス変調周波数信号３２０は、フィードバック・プロセッサ２００のバイアス変調器２１４によって生成される。バイアス変調信号３２０は、加算器２１２によってフィードバック・ランプと加算される。結果として得られた結合信号は、位相変調器１１０へ変調波形を提供するために、ＤＡＣ１１４によってデジタル電圧信号へと変換される。
【００２７】
本明細書を読むことで当業者には理解されるはずであるが、任意の数のステップの後にフィードバック信号３１０をリセットすることは、動作ポイントのサイクルにおいて中断をもたらすことになり、その中断は、リセット後の１τの期間ついて低信頼データ期間（図３の３６０と３６２に概略が示される）をもたらす。この低信頼データ期間の発生を抑えるために、フィードバック・プロセッサ２００は更に、終了カウント出力パルス（ＴＣ）を受信するように結合された遅延２０８を備える。遅延２０８は、終了カウント出力パルスに１τの遅延を追加して、遅延された終了カウント出力パルス（遅延ＴＣ）を生成する。遅延終了カウント出力パルス（図３の３５０に概略が示される）は、位相ステップ・アキュムレータ２０６をリセットし（それによってフィードバック・ランプ信号３１０をリセットし）、また、ランプ・リセット後の１τの間にレート・アキュムレータ２０４が動作するのを禁止する。これにより、レート・アキュムレータ２０４によって低信頼のデータが処理されるのを阻止する。
【００２８】
フィードバック・ランプ信号３１０の各リセットの後の低信頼データを阻止することに関する１つの結果は、そのデータを阻止することが、デジタル・アナログ変換器１１４によって生じる何らかの変換エラーと組み合わされて、回転情報を伝える信号により高い雑音出力をもたらすということである。雑音のレベルは各リセット間のランプ・ステップの数に依存するので、雑音レベルは、各リセット間のランプ・ステップ数を増やすことによって（即ち、ランプ・リセット周波数を下げることによって）低減可能である。雑音に加えて、２π以外でのリセットもまた、光検出器１２２でのアナログ信号にスパイクをもたらし、それによって、光検出器１２２に結合された電子回路を飽和させる可能性がある。この問題を防止するために、一実施形態では、信号調整器１２０は更に、アナログ・デジタル変換器１１８へ送られる電圧信号の振幅を制限する飽和防止機能を備える。また、増大したスケール・ファクタ・エラーも、１τの低信頼データの阻止とデジタル・アナログ変換器１１４に関する非線形性との組合せによって、生じる可能性もある。これらのスケール・ファクタ・エラーもまた、ランプ・リセット周波数を下げることによって低減することができる。
【００２９】
前述のように、フィードバック・ランプ信号２１６の適切な周波数を選択することによって、ユーザは、フィードバック・ランプ信号２１６によって生成されるジャイロスコープ・エラーを、対象である回転データを伝える周波数帯域の範囲を超えるようにシフトすることによって、レート依存の正弦曲線を抑えることができる。同時に、雑音及びスケール・ファクタのエラーは、ランプ・リセット周波数の増加とともに増加する。従って、フィードバック・ランプ信号によってもたらされるレート依存の正弦曲線と、その用途の重要な周波数帯域との間の、所望される周波数分離を提供することと、ランプ・リセット周波数を調整して雑音及びスケール・ファクタのエラーを低減させることとの間には、トレードオフが存在する。何故ならば、ランプ・リセット周波数を低下させることは、ジャイロスコープの最大検出レートを低下させるからである。
【００３０】
低雑音レベルと、比較的高い最大回転レートを正確に測定する能力との両方を必要とする多くの用途が存在するので、本発明の他の実施形態は、固定周波数フィードバック・ランプと固定振幅フィードバック・ランプとの両方を使用するフィードバック変調方式を提供する。このような実施形態は、両方の方式の利点、即ち、低雑音である、重要周波数帯域内にランプにより誘導される誤差が生じない、低スケール・ファクタ誤差である、及び高最大検出レートである、という利点を有する。
【００３１】
図４は、固定振幅フィードバック・ランプ信号成分を有する変調波形を生成するための固定振幅フィードバック・ランプ発生器４３０を備えたフィードバック・プロセッサ４００の一実施形態を示す。一実施形態では、固定振幅フィードバック・ランプ発生器４３０は、レート復調器４０２と、レート・アキュムレータ４０４と、位相ステップ・アキュムレータ４０６と、ランプ・リミット検出器４０８とを備える。フィードバック・プロセッサ４００は更に、バイアス変調器４１４及び加算器４１２も備える。レート復調器４０２、レート・アキュムレータ４０４、及び位相ステップ・アキュムレータ４０６は、図２のレート復調器２０２、レート・アキュムレータ２０４、及び位相ステップ・アキュムレータ２０６に関して説明したのと同じ機能を有し動作する。更に、バイアス変調器４１４は、バイアス変調信号３２０（図３に示される）と同じ機能および特性を有し、それは図５の５２０に概略が示されている。
【００３２】
一実施形態では、レート・アキュムレータ４０４の出力は、検出コイル１１２によって得られた回転レートに比例し、位相ステップ・アキュムレータ４０６へ提供される。位相ステップ・アキュムレータ４０６は、レート・アキュムレータ４０４の出力を蓄積することによってフィードバック・ランプ信号（図５の５１０に概略が示される）を生成する。図２のランプ・ステップ・カウンタ２１０は、或る数のステップ増加の後に位相ステップ・アキュムレータ２０６をリセットするが、それとは対照的に、ランプ・リミット検出器４０８は、フィードバック・ランプ信号５１０が２πの光位相シフトを生ずる振幅に達したときに、位相ステップ・アキュムレータ４０６をリセットする。一実施形態では、加算器４１２によって、バイアス変調信号５２０がフィードバック・ランプ信号５１０と加算され、位相変調器１１０などの位相変調器への変調波形入力を生成するために、デジタル・アナログ変換器１１４によってデジタル信号からアナログ電圧へと変換される。
【００３３】
図５に示されるように、一実施形態では、フィードバック・ランプ信号５１０は、一定の振幅と可変の周波数とを有する階段状の波形を有する。各リセット間に生ずるτ秒ステップ増分（５１１に概略が示される）の数は、一定ではなく、検出コイル１１０の回転レートに応じて変化するので、フィードバック・ランプ信号５１０の周波数は可変となる。各ステップの増分によって生じる増分信号の増加量は、検出コイル１１２の回転の関数なので、フィードバック・ランプ信号５１０が２πの光位相シフトを生ずる振幅に達するまでに経過する時間量は、一定にはならない。従って、ランプ・リミット検出器は、フィードバック・ランプ信号５１０がその振幅に達すると、位相ステップ・アキュムレータ４０６をリセットする。
【００３４】
固定周波数フィードバック・ランプを使用するシステムと比較すると、２πの光位相シフト電圧でフィードバック・ランプ信号５１０の振幅をリセットすることは、高回転レートでの雑音及びスケール・ファクタ・エラーを低減するという利点を有する。しかし、固定振幅でフィードバック・ランプ５１０をリセットすることは、対象となる回転情報と同じ周波数帯域及び高調波帯域で生じるレート依存の正弦曲線状のエラーをもたらす。フィードバック・ランプ信号５１０の周波数は、ジャイロスコープ１００の入力回転レートに依存するので、結果として生ずるジャイロスコープの誤差（エラー）も回転レートに依存する。更に、本明細書を読むことで当業者には理解されるはずであるが、これらのジャイロスコープ誤差の振幅は、回転レートが低下するにつれて増大する。従って、固定振幅フィードバック・ランプ信号は、低回転レートを含む用途では問題が生じる。
【００３５】
図６は、本発明の他の実施形態によるフィードバック・プロセッサ６００を示すブロック図である。フィードバック・プロセッサ６００は、ハイブリッド・フィードバックを備えるものであり、周波数は、リセットとリセットの間の所望されるランプ・ステップ数（Ｎτ）を表す値がロードされたプログラマブル・ダウン・カウンタ７２０によって管理される。一実施形態では、プログラマブル・ダウン・カウンタ７２０は、１２ビットのプログラマブル・ダウン・カウンタである。プログラマブル・ダウン・カウンタ７２０は、各τ秒期間の後に、そのカウント値を１ずつ減少させる。一実施形態では、システムのマスタ・リセットの間に、又はプログラマブル・ダウン・カウンタ７２０のカウントが００１の値に達したときに、又は固定振幅リセット（以下で論ずる）が生じたときに、Ｎτがプログラマブル・ダウン・カウンタ７２０にロードされる。
【００３６】
プログラマブル・ダウン・カウンタ７２０は、プログラマブル・ダウン・カウンタ７２０が００１に達したときに、制御信号τ−ｃｎｔ−ｎｐ１をアクティブ論理ロー（Ｌｏｗ）からアクティブ論理ハイ（Ｈｉｇｈ）へと遷移させ、τ−ｃｎｔ−ｎｐ１は、１τの時間の間、論理Ｈｉｇｈを維持する。τ−ｃｎｔ−ｎｐ１が論理Ｌｏｗを維持しているときは、マルチプレクサＭＵＸＲＶＡＬ７２２は、レート復調器７０２からの回転レート出力を選択し、その回転レートをＴＷＡＣＣＵＭ７２４の加算器入力へ出力する。τ−ｃｎｔ−ｎｐ１がアクティブの論理Ｈｉｇｈのときは、ＭＵＸＲＶＡＬ７２２は、ＴＷＡＣＣＵＭ７２４への出力としてゼロ入力を選択して、ランプ・リセット後の１τ期間の間に生じる低信頼データに基づいてＴＷＡＣＣＵＭ７２４がフィードバック・ランプ信号を調整するのを、阻止する。
【００３７】
低回転レートでの動作の間は、ｉｎｊ＿ｒｓｔはＬｏｗに維持される。レート・リミット検出器７０６は、ランプ・アキュムレータ７０４から出力されるフィードバック・ランプ信号の振幅を測定し、ランプ・アキュムレータ７０４へｉｎｊ＿ｒｓｔを提供する。フィードバック・ランプ信号の振幅が所定の振幅リミット（例えば、振幅が２πの光位相シフトを生成するのに十分な振幅のときなど）に達したときに、レート・リミット検出器７０６は、ｉｎｊ＿ｒｓｔを論理Ｌｏｗから論理Ｈｉｇｈへと遷移させる。低回転レートでは、ｉｎｊ＿ｒｓｔはＬｏｗに維持される。なぜなら、フィードバック・ランプ信号が所定の振幅リミットに到達するより前に、プログラマブル・ダウン・カウンタ７２０が００１に達するからである。
【００３８】
固定周波数フィードバック・ランプ・モードの動作では、ｉｎｊ＿ｒｓｔはアクティブの論理Ｌｏｗを維持するので、マルチプレクサＭＵＸＡＤＪ７２６は、ＡＤＤＥＲ７２８への出力としてゼロ入力を選択する。これにより、固定周波数フィードバック・ランプ動作の間に固定振幅ベースのリセットが発生し得ないことを、保証する。τ−ｃｎｔ−ｎｐ１が論理Ｌｏｗを維持するとき、マルチプレクサＭＵＸＱＶＡＬ７３０は、ＡＤＤＥＲ７２８の出力を選択してＴＷＡＣＣＵＭ７２４へ送る。ＴＷＡＣＣＵＭ７２４は、ＭＵＸＱＶＡＬ７３０からの出力をＭＵＸＲＶＡＬ７２２の出力に加算して、その和をそれ自体のレジスタ（ＲＥＧ）に格納する。プログラマブル・ダウン・カウンタ７２０が００１の値に達せず、かつｉｎｊ＿ｒｓｔがアクティブ論理Ｌｏｗを維持する限り、ＴＷＡＣＣＵＭ７２４は、レート復調器７０２からのレート値を蓄積し、蓄積されたレート値に基づいて、インクリメントされたフィードバック・ランプ信号をτ毎に出力する（例えば、加算器６１２へ）。
【００３９】
プログラマブル・ダウン・カウンタ７２０が００１に達したとき、そのときが、フィードバック・ランプ信号をリセットするときであり、τ−ｃｎｔ−ｎｐ１は論理Ｈｉｇｈへ遷移する。フィードバック・ランプ信号をリセットするための量は、ｑｎｍ１（即ち、前のリセットの前に登録されたフィードバック・ランプ信号値）と、現在のフィードバック・ランプ信号値（即ち、現在のｒａｍｐ＿ａｃｃｕｍの値は、前回のリセット以降に蓄積された値である）との平均に基づく。ｒａｍｐ＿ａｃｃｕｍの値は、減算器７３４によってｑｎｍ１から減算され、ＤＩＶ２ ７３６によって２で除算される。τ−ｃｎｔ−ｎｐ１が論理Ｈｉｇｈに遷移すると、ＭＵＸＱＶＡＬ７３０は、Ａｄｄｅｒ７２８の出力ではなくＤＩＶ２ ７３６からの出力を選択してＴＷＡＣＣＵＭ７２４へ送る。この場合、ＴＷＡＣＣＵＭ７２４レジスタへの入力は、ＤＩＶ２ ７３６の出力とＭＵＸＲＶＡＬ７２２の出力の和である。この間に、ＭＵＸＲＶＡＬ７２２の出力はゼロなので、ＤＩＶ２ ７３６の出力とＭＵＸＲＶＡＬ７２２の出力の和は、ｑｎｍ１の値から現在のｒａｍｐ＿ａｃｃｕｍの値を減算して２で除算したものになる。次に、この加算の結果は、クロック入力（Ｅｎ）の立ち上りエッジで、ＴＷＡＣＣＵＭ７２４のＲＥＧ７３２に登録される。即ち、レジスタの３角のクロック・イネーブルｔｗ＿ｃ＿ｅｎがアクティブ論理Ｈｉｇｈになるときに、登録される。ｔｗ＿ｃ＿ｅｎ信号は、各τ時間フレーム毎に１度、１クロック入力期間の間、アクティブＨｉｇｈになる。要するに上述の動作は、プログラマブル・ダウン・カウンタ７２０によって規定されたリセット期間にわたるランプ・アキュムレータ７０４の出力の平均化を行い、その値を使用してランプ・アキュムレータ７０４をリセットし、それによって、リセット期間にわたるフィードバック・ランプ信号出力をセンタリングするとともに、フィード・フォワード・バイアスを最小にする。
【００４０】
前述のように、固定周波数リセットはダウン・カウンタ７２０が００１の値に達する毎に生じる。固定振幅リセット動作（以下で論ずる）から固定周波数リセット動作へ遷移するときに正しいリセット値が使用可能であることを保証するために、ｑｎｍ１の値を保持する出力レジスタＲＥＧＱＮＭ７３６は、ｔｗ＿ｃ＿ｅｎとｉｎｊ＿ｒｅｓｅｔが論理Ｈｉｇｈになる毎に、ｒａｍｐ＿ａｃｃｕｍの現在値を用いて更新され、これは、全ての固定振幅リセットの間に行われる。固定周波数フィードバック・リセット動作の間には、ｔｗ＿ｃ＿ｅｎとτ−ｃｎｔ−ｎｐ１が論理Ｈｉｇｈになる毎に、ｑｎｍ１はＲＥＧＱＮＭ１ ７３６の出力へと更新され、これは、プログラマブル・ダウン・カウンタ７２０が００１の値に達する毎に行われる。
【００４１】
固定周波数リセットの後、レート復調器７０２の出力は、破損している可能性のあるデータを含む。このデータは、制御ループへフィード・フォワードされることを阻止しなければならない。一実施形態では、ランプ・アキュムレータ７０４は、レート復調器禁止信号ｒｄｍｏｄ＿ｉｎｈｉｂを、レート復調器７０２へ出力して、破損した情報がランプ・アキュムレータ７０４へ提供されることを阻止する。一実施形態では、ｒｄｍｏｄ＿ｉｎｈｉｂは、１又は複数のτ秒期間のデータがランプ・アキュムレータ７０４へ提供されることを阻止するために、レート復調器７０２を阻止する。
【００４２】
一実施形態では、バイアス変調器６１４などのバイアス変調器は、Ｖπ（即ち、位相変調器１１０へ印加される、１８０度の光位相シフトを生じさせる電圧）の値の推定値に基づいてバイアス変調信号を生成する。この推定値は、典型的に、光検出器１１２からの電圧出力の復調された表現から、導き出される。フィードバック・ランプ信号の破損を避けるために、フィードバック・ランプ・リセットに続く低信頼データを阻止しなければならないのと同様に、バイアス変調信号を生成するために使用されるＶπの推定値の破損を避けるためにも、低信頼データは阻止しなければならない。従って、一実施形態では、ランプ・アキュムレータ７０４は、破損した情報がＶπ推定プロセスへ提供されるのを阻止するために、π復調器禁止信号、ｐｄｍｏｄ＿ｉｎｈｉｂ信号を出力する。一実施形態では、ｐｄｍｏｄ＿ｉｎｈｉｂは、リセット発生後のπ復調プロセスに関して、１また複数のτ期間の破損したデータを阻止する。
【００４３】
動作に際して、高回転レートでは、ランプ・アキュムレータ７０４は、固定周波数ベースのリセットが発生する前に、所定の振幅リミット（例えば、振幅が、２πの光位相シフトを生成するのに十分な場合など）に達するフィードバック・ランプ信号を生成する。フィードバック・ランプ信号の振幅が所定の振幅リミットに達すると、レート・リミット検出器７０６は、ｉｎｊ＿ｒｓｔを論理Ｌｏｗから論理Ｈｉｇｈへと遷移させる。一実施形態では、ｉｎｊ＿ｒｓｔ信号は、論理Ｌｏｗから論理Ｈｉｇｈへと遷移し、２τの期間の間、論理Ｈｉｇｈを維持して、その時点で論理Ｌｏｗへと戻るように遷移する。
【００４４】
高回転レート動作の間、τ−ｃｎｔ−ｎｐ１信号は論理Ｌｏｗ信号に維持されるが、それは、次の振幅ベースのリセットが発生する前にプログラマブル・ダウン・カウンタ７２０が００１までカウント・ダウンする可能性がないからである。このような状況下では、ＭＵＸＲＶＡＬ７２２は常に、レート復調器７０２の出力を選択してＴＷＡＣＣＵＭ７２４へ送る。
【００４５】
フィードバック・ランプ信号が所定の振幅リミットに達する前は、ｉｎｊ＿ｒｓｔは論理Ｌｏｗを維持し、ＭＵＸＡＤＪ７２６はゼロ入力を選択してＡＤＤＥＲ７２８へ出力する。ＡＤＤＥＲ７２８は、ｒａｍｐ＿ａｃｃｕｍの現在値にゼロ入力を加算し、その結果をＭＵＸＱＶＡＬ７３０へ出力する。τ−ｃｎｔ−ｎｐ１は論理Ｌｏｗなので、ＭＵＸＱＶＡＬ７３０は、ＡＤＤＥＲ７２８の出力を選択してＴＷＡＣＣＵＭ７２５へ出力し、ＴＷＡＣＣＵＭ７２５はｒａｍｐ＿ａｃｃｕｍの現在値とレート復調器７０２からのレート情報を加算する。
【００４６】
フィードバック・ランプ信号の振幅が所定の振幅リミットに達すると、レート・リミット検出器７０６は、ｉｎｊ＿ｒｓｔを論理Ｌｏｗから論理Ｈｉｇｈへと遷移させる。一実施形態では、ｉｎｊ＿ｒｓｔは、２τの期間の間、論理Ｈｉｇｈ値であることを想定する。この期間に、ＭＵＸＡＤＪ７２６は、ＡＤＤＥＲ７２８への出力として、位相差入力ｐｈｓｅ＿ｄｉｆを選択する。ｐｈｓｅ＿ｄｉｆ信号は、フィードバック・ランプ信号のリセットのための大きさを規定する。リセット後のデータの破損を避けるために、ｐｈｓｅ＿ｄｉｆは、±２πの光位相差を生ずることになるフィードバック・ランプ信号のリセットを提供しなければならない。一実施形態では、±２π位相シフトは、最初に第１のτ期間に±π／２位相シフトを加え、第２のτ期間に±３π／２位相シフトを加えることによって、２τ期間にわたって達成される。ｐｈｓｅ＿ｄｉｆの値は、ＡＤＤＥＲ７２８によってｒａｍｐ＿ａｃｃｕｍが加算され、その結果として得られた信号は、ＭＵＸＱＶＡＬ７３０を介して送られて、ＴＷＡＣＣＵＭ７３２のレジスタを調整してフィードバック・ランプ信号を結果的にリセットする。
【００４７】
図８は、光ファイバ・ジャイロスコープの閉ループ・フィードバック信号を生成するための、本発明の一実施形態による方法を示す流れ図である。この方法は８１０で始まり、信号を復調して２つの互いに反対の方向に伝播する光波の間の位相差を求める。光ジャイロスコープでは、光波は分離され、回転軸の周りに巻かれたコイル状の光ファイバを通って互いに反対の方向に伝播する。軸についての回転は、２つの互いに反対の方向に伝播する光波の間の位相シフトを生じさせる。分離された光波が再結合され、結合された光信号の強度が光検出器によって測定されると、検出器は、測定された強度を表す信号であって２つの互いに反対の方向に伝播する光波の間の位相差の関数である信号を、出力する。２つの互いに反対の方向に伝播する光波を既知の位相角によって位相変調するステップは、基準ポイントを提供し、それにより、８１０で信号が復調される際に、その結果が、回転軸の周りのコイル状の光ファイバの回転に比例する位相差となるようにする。次に、方法は８２０へ進み、位相差に基づいてコイル状の光ファイバの回転レートを求める。一実施形態では、回転レートを積分することによって、コイル状光ファイバの角変位を表す角度が提供される。２つの互いに反対の方向に伝播する光波の変調を所望の動作ポイントに維持するためには、コイル状光ファイバの回転によって生ずる位相シフトを補償するように、変調を調整しなければならない。従って、方法は８３０へ進み、回転レートに基づいてτ秒期間毎に１度、フィードバック・ランプ信号をインクリメント（増分）する。ここでのτは、光がコイル状光ファイバを通過するのに必要な時間である。上述のような理由によって、フィードバック・ランプ信号を実現する電子回路は、無制限にフィードバック・ランプ信号をインクリメントし続けることはできないので、何らかの基準でリセットしなければならない。従って、方法は８４０に進み、フィードバック・ランプが、前回のリセット以降に所定の回数だけインクリメントされたときに、フィードバック・ランプ信号をリセットする。一実施形態では、フィードバック・ランプ信号は、前回のリセット以降の期間にわたるフィードバック・ランプ信号レベルの平均に基づいて、フィードバック・ランプ信号を低下させることによって、リセットされる。一実施形態では、フィードバック・ランプ信号は、前のリセット以降にフィードバック・ランプ信号レベルが所定の値より上にインクリメントされたときに常にリセットされる。その場合、フィードバック・ランプ信号レベルは、２つの互いに反対の方向に伝播する光波の間の位相差が２πの位相シフトを生じる量だけ、低下させる。
【００４８】
図９は、光ファイバ・ジャイロスコープの閉ループ・フィードバック・システムを設計するための、本発明の一実施形態による方法を示す流れ図である。この方法は、９１０で始まり、対象の回転レートの帯域幅を決定する。光ジャイロスコープが使用される用途に応じて、光ジャイロスコープは、正確に動作することを期待される、角速度の定格範囲を有する。その範囲内で動作する限り、光ジャイロスコープは、その回転角レートの関数であるレート信号を生成する。対象の回転レートの帯域幅は、定格の角速度範囲内で動作するときには、予想され得るレート信号を含む。対象の回転レートの帯域幅の外側でフィードバック・ランプ・リセット周波数を選択することによって（９２０において）、フィードバック・ランプ・リセットによって生じる何れのレート依存の正弦曲線信号も、対象の帯域幅の外側に存在することになり、従って、正確なレート信号の生成を妨げることはない。選択されたフィードバック・ランプ・リセット周波数を実現するために、方法は９３０へ進み、最初に選択されたフィードバック・ランプ・リセット・レートに基づいてフィードバック・ランプ・リセットをリセットする前にフィードバック・ランプ信号をインクリメントするためのτ秒期間の数を決定する。時には、フィードバック・ランプ・リセットの選択された周波数が原因で、リセット直後に発生する低信頼のデータをブロックすることから、望ましくない量の雑音が生じることがある。その場合、この方法は更に、信号雑音を低減するために、もともと選択されていたフィードバック・ランプ・リセット・レートと、対象の回転レートの帯域幅との間の、より低いフィードバック・ランプ・リセット・レートを選択するステップを含む。次に、この方法は、そのより低いフィードバック・ランプ・リセット・レートに基づいて、フィードバック・ランプ・リセットをリセットする前にフィードバック・ランプ信号をインクリメントするためのτ秒期間の数を決定する。
【００４９】
フィードバック・プロセッサ、アナログ・デジタル変換器及びデジタル・アナログ変換器、復調器、アキュムレータ、並びに本発明の諸実施形態の他のエレメントを実装するために、幾つかの手段を使用できる。これらの手段には、デジタル・コンピュータ・システム、プログラマブル・コントローラ、フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイなどがあるが、これらに限られるものではない。従って、本発明の他の実施形態は、このようなコントローラによって実行されたときにコントローラが本発明の諸実施形態を実行することを可能にするための、コンピュータが読み取り可能な媒体に格納されたプログラム命令を含む。コンピュータ読取可能媒体には、パンチ・カード、磁気ディスク又はテープ、任意の光データ記憶システム、フラッシュ・リード・オンリ・メモリ（ＲＯＭ）、不揮発性ＲＯＭ、プログラマブルＲＯＭ（ＰＲＯＭ）、消去可能プログラマブルＲＯＭ（Ｅ−ＰＲＯＭ）、ランダム・アクセス・メモリ（ＲＡＭ）などのような、任意の形のコンピュータ・メモリや、他の任意の形の永久、半永久、もしくは一時的メモリ記憶システム又はデバイスなどが含まれるが、これらに限られるものではない。プログラム命令は、コンピュータ・システム・プロセッサによって実行されるコンピュータ実行可能命令や、超高速集積回路（ＶＨＳＩＣ）ハードウェア記述言語（ＶＨＤＬ）などのようなハードウェア記述言語を含むが、これらに限られるものではない。
【００５０】
本明細書においては個々の実施形態について例示し説明してきたが、当業者には、提示した個々の実施形態の代わりに同じ目的を達成することを意図した任意の構成を使用することができることが理解されよう。本出願は、本発明のどのような適合形態や変更形態も包含することを意図したものである。従って、本発明が本発明の特許請求の範囲とその均等物によって制限されることが明白に意図される。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】図１は、本発明の一実施形態の光ジャイロスコープを示すブロック図である。
【図２】図２は、本発明の一実施形態のフィードバック・プロセッサを示すブロック図である。
【図３】図３は、本発明の一実施形態のフィードバック・ランプ信号とバイアス変調信号を示す。
【図４】図４は、本発明の一実施形態のフィードバック・プロセッサを示すブロック図である。
【図５】図５は、本発明の一実施形態のフィードバック・ランプ信号とバイアス変調信号を示す。
【図６】図６は、本発明の一実施形態のフィードバック・プロセッサを示すブロック図である。
【図７】図７は、本発明の一実施形態を示すブロック図である。
【図８】図８は、本発明の一実施形態の方法を示す流れ図である。
【図９】図９は、本発明の一実施形態の方法を示す流れ図である。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ファイバ・ジャイロスコープ（１００）の閉ループ・フィードバック信号を生成する方法であって、
２つの互いに反対の方向に伝播する光波（ＣＷ、ＣＣＷ）の間の位相差を求めるために信号を復調する（２０２、４０２）ステップ（８１０）と、
前記位相差に基づいて回転レートを求めるステップ（８２０）と、
前記回転レートに基づいて、τ秒期間毎に１回、フィードバック・ランプ信号（３１０）をインクリメントするステップ（８３０）と、
前記フィードバック・ランプ信号（３１０）が、前回のリセット以降に所定の回数だけインクリメントされたときに、前記フィードバック・ランプ信号（３１０）をリセットするステップ（８４０）と
を備える方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法であって、
前記フィードバック・ランプ信号（３１０）をリセットするステップの後の１又は複数のτ秒期間に関して、信号を復調する前記ステップと回転レートを求める前記ステップとの一方又は両方を禁止するステップ
を更に備える方法。
【請求項３】
請求項１に記載の方法であって、
１又は複数の動作ポイントに基づいて前記２つの互いに反対の方向に伝播する光波（ＣＷ、ＣＣＷ）の間の前記位相差を増大するように適合されたバイアス変調信号を生成する（２１４、３２０）ステップと、
前記フィードバック・ランプ信号と前記バイアス変調信号とを加算する（２１２）ステップと
を更に備える方法。
【請求項４】
請求項３に記載の方法であって、前記バイアス変調信号を生成するステップが、
Ｖπの電圧値を推定するステップと、
前記フィードバック・ランプ信号（３１０）をリセットする前記ステップの後の１又は複数のτ秒期間に関して前記Ｖπの電圧値を推定する前記ステップを禁止するステップと
を更に備える、方法。
【請求項５】
請求項１に記載の方法であって、前記フィードバック・ランプ信号（３１０）が、前回のリセット以降に所定の回数だけインクリメントされたときに、前記フィードバック・ランプ信号（３１０）をリセットする前記ステップが、
前記前回のリセット以降の期間にわたる前記フィードバック・ランプ信号レベルの平均に基づいて前記フィードバック・ランプ信号（３１０）を低下させるステップ
を更に備える、方法。
【請求項６】
請求項１に記載の方法であって、
前記前回のリセット以降に前記フィードバック・ランプ信号レベル（５１０）が所定の値以上にインクリメントされたときに前記フィードバック・ランプ信号（５１０）をリセットするステップ
を更に備える方法。
【請求項７】
請求項６に記載の方法であって、
前記前回のリセット以降に前記フィードバック・ランプ信号レベル（５１０）が所定の値以上にインクリメントされたときに前記フィードバック・ランプ信号（５１０）をリセットする前記ステップが、
前記２つの互いに反対の方向に伝播する光波（ＣＷ、ＣＣＷ）の間の前記位相差に２πの位相シフトをもたらすように前記フィードバック・ランプ信号（５１０）を低下させるステップ
を更に備える、方法。
【請求項１】
光ファイバ・ジャイロスコープ（１００）の閉ループ・フィードバック信号を生成する方法であって、
２つの互いに反対の方向に伝播する光波（ＣＷ、ＣＣＷ）の間の位相差を求めるために信号を復調する（２０２、４０２）ステップ（８１０）と、
前記位相差に基づいて回転レートを求めるステップ（８２０）と、
前記回転レートに基づいて、τ秒期間毎に１回、フィードバック・ランプ信号（３１０）をインクリメントするステップ（８３０）と、
前記フィードバック・ランプ信号（３１０）が、前回のリセット以降に所定の回数だけインクリメントされたときに、前記フィードバック・ランプ信号（３１０）をリセットするステップ（８４０）と
を備える方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法であって、
前記フィードバック・ランプ信号（３１０）をリセットするステップの後の１又は複数のτ秒期間に関して、信号を復調する前記ステップと回転レートを求める前記ステップとの一方又は両方を禁止するステップ
を更に備える方法。
【請求項３】
請求項１に記載の方法であって、
１又は複数の動作ポイントに基づいて前記２つの互いに反対の方向に伝播する光波（ＣＷ、ＣＣＷ）の間の前記位相差を増大するように適合されたバイアス変調信号を生成する（２１４、３２０）ステップと、
前記フィードバック・ランプ信号と前記バイアス変調信号とを加算する（２１２）ステップと
を更に備える方法。
【請求項４】
請求項３に記載の方法であって、前記バイアス変調信号を生成するステップが、
Ｖπの電圧値を推定するステップと、
前記フィードバック・ランプ信号（３１０）をリセットする前記ステップの後の１又は複数のτ秒期間に関して前記Ｖπの電圧値を推定する前記ステップを禁止するステップと
を更に備える、方法。
【請求項５】
請求項１に記載の方法であって、前記フィードバック・ランプ信号（３１０）が、前回のリセット以降に所定の回数だけインクリメントされたときに、前記フィードバック・ランプ信号（３１０）をリセットする前記ステップが、
前記前回のリセット以降の期間にわたる前記フィードバック・ランプ信号レベルの平均に基づいて前記フィードバック・ランプ信号（３１０）を低下させるステップ
を更に備える、方法。
【請求項６】
請求項１に記載の方法であって、
前記前回のリセット以降に前記フィードバック・ランプ信号レベル（５１０）が所定の値以上にインクリメントされたときに前記フィードバック・ランプ信号（５１０）をリセットするステップ
を更に備える方法。
【請求項７】
請求項６に記載の方法であって、
前記前回のリセット以降に前記フィードバック・ランプ信号レベル（５１０）が所定の値以上にインクリメントされたときに前記フィードバック・ランプ信号（５１０）をリセットする前記ステップが、
前記２つの互いに反対の方向に伝播する光波（ＣＷ、ＣＣＷ）の間の前記位相差に２πの位相シフトをもたらすように前記フィードバック・ランプ信号（５１０）を低下させるステップ
を更に備える、方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２００７−２４８４６９（Ｐ２００７−２４８４６９Ａ）
【公開日】平成１９年９月２７日（２００７．９．２７）
【国際特許分類】
【外国語出願】
【出願番号】特願２００７−７０８６３（Ｐ２００７−７０８６３）
【出願日】平成１９年３月１９日（２００７．３．１９）
【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）】
【公開日】平成１９年９月２７日（２００７．９．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−７０８６３（Ｐ２００７−７０８６３）
【出願日】平成１９年３月１９日（２００７．３．１９）
【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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