光ファイバジャイロスコープ色雑音を減らすシステムおよび方法
位相ジャンプ振幅およびタイミングコントローラが、色雑音を抑制するために光ファイバジャイロスコープで使用される。位相ジャンプ振幅およびタイミングコントローラは、光ファイバジャイロスコープのループ閉エレクトロニクスのフィードバック信号に位相／電圧ジャンプを挿入する。この位相／電圧ジャンプが、駆動信号の反復パターンを壊す。ＩＯＣ時間依存特性は、反復信号がＩＯＣに印加されないので、ランダム化されたフィードバック信号によって完全に除去される。ランダム化された振幅は、光学誤差の平均が０になるように、±π位相全体の中にあることが好ましい。関心を持たれているスペクトル領域より高い固定周波数が、色雑音をより高い周波数にシフトすることができる。ランダム化された周波数が、色雑音を全スペクトルに拡散させ、ＲＤＳを完全に除去することができる。言い換えると、駆動回路およびＩＯＣの非線形性によって引き起こされる色雑音が、広範囲のスペクトルに拡散され、明瞭な周波数ピークがスペクトル領域に現れなくなる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、参照によってその全体が本願に組み込まれている２００２年４月３０日出願の米国特許出願第１０／１３５２４５号の一部継続出願である。
【０００２】
本発明は、全般的には、光ファイバジャイロスコープの制御に関し、具体的には、光ファイバジャイロスコープの色雑音を抑制する方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００３】
慣性座標系に関する方位および／またはターンの率を決定する慣性回転センサは、航空機などの航行可能なビークルによって使用される姿勢および機首方向基準形の重要な要素である。長期間にわたって、そのような方位およびターンの率の決定は、通常、回転質量型のジャイロスコープ（ｓｐｉｎｎｉｎｇ ｍａｓｓ ｇｙｒｏｓｃｏｐｅ）を使用して行われてきた。この分野での進歩が、多くの洗練と、特定の応用例に適したさまざまなタイプのジャイロスコープの開発をもたらした。近年、光ファイバジャイロスコープが、通常の回転質量型のジャイロスコープを上回る大きい改善として登場した。
【０００４】
光ファイバジャイロスコープは、通常、光ファイバループ内を進む反対に伝搬する光波を案内する光ファイバ材料のループを使用して構成される。ループを進む際に、逆伝搬波が組み合わされ、その結果、これらの波は、建設的にまたは破壊的に干渉し、光出力信号を形成する。この光出力信号の強度は、干渉の関数として変化し、この干渉は、逆伝搬波の相対位相に依存する。この情報から、慣性座標系に関する方位および／またはターンの率に関する決定を導出することができる。
【０００５】
閉ループ回転センサは、逆伝搬波の位相を調整する装置にサニャク位相シフトを示す信号を供給して、この波の間の回転によって誘導された位相差をゼロにする。サニャク位相シフトをゼロするためにいずれかの位相において波を調整しなければならない量が、感知ループの回転速度を示す。
【０００６】
慣性航法応用に適するためには、回転センサが、比較的広いダイナミックレンジを有しなければならない。通常の回転センサは、毎時０．００１°もの低さから毎秒１０００°もの高さまでの回転速度を検出することができる。通常の回転センサによって測定されるダイナミックレンジすなわち高い分解能と最も精密な分解能の比は、約９桁の大きさまたは１０９である。
【０００７】
閉ループ光ファイバ回転センサは、スケールファクタ安定性および線形性の増加に起因して魅力的である。さらに、閉ループ動作は、集積光位相変調器などの高速コンポーネントの可用性に起因して実現可能である。そのような位相変調器は、必要なダイナミックレンジで回転速度を測定するために所望の量の位相変調を提供するのに有効である。しかし、フィードバック信号のある電圧依存誤差、位相サーボ、または電気交叉結合のどれもが、サーボループをある回転速度でより不安定にする可能性がある。
【０００８】
特に、システムは、０または０付近の入力速度でより不安定になり、この場合に、光ファイバ回転センサ出力が、入力速度に関して非線形になる。通常、ループ閉エレクトロニクスフィードバック回路は、フィードバック依存電圧誤差がサニャク位相シフトによって誘導される速度を打ち消すポイントで安定し、センサ出力信号は、有限の入力速度について０になる。光ファイバジャイロスコープ出力速度が有限の速度範囲について０になる速度のこの範囲を、「不感帯」、「デッドゾーン」、および「不安定の領域」と称する。可能な出力誤差が発生し得る他の速度は、光ファイバ回転センサの出力の処理に使用される変調／復調技法に依存する。
【０００９】
「不感帯」性能問題に加えて、本発明人は、速度によって誘導されたサニャク位相シフトをヌルにするために位相変調器に送られるフィードバック信号が、固定された入力速度に対応する反復パターンを有することを発見した。この反復パターンは、フィードバック信号自体を駆動回路の最大範囲内に維持するためのフィードバック信号のリセット周波数と同期している。駆動回路の非線形性とＩＯＣ非線形で時間依存の容量性および抵抗性の特性の不完全性とに起因して、フィードバック信号は、リセット周波数に直接に関係する周波数内容を有する速度出力を作る。この速度依存正弦波（ＲＤＳ、しかし、本明細書では「色雑音」または「フライバック雑音」とも称する）は、その振幅が角度ランダム雑音またはバイアス不安定性より大きい場合に、性能を制限する要因になる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
前述に鑑みて、色雑音現象に関連する性能制限をより受けにくい光ファイバジャイロスコープを提供することが望ましいことを理解されたい。また、光ファイバジャイロスコープを組み込んだ慣性誘導システムの性能安定性を改善する方法および装置を提供することが望ましいことを理解されたい。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の好ましい例示的実施形態によれば、位相変調器への反復駆動信号に起因する色雑音を抑制する位相ジャンプ振幅およびタイミングコントローラが提供される。位相ジャンプ振幅およびタイミングコントローラは、光ファイバジャイロスコープのループ閉エレクトロニクスのフィードバック信号に位相／電圧ジャンプを挿入する。この位相／電圧ジャンプが、駆動信号の反復パターンを壊す。ＩＯＳ時間依存特性は、反復信号がＩＯＣに印加されないので、ランダム化されたフィードバック信号によって完全に除去される。ランダム化された振幅は、光誤差が平均して０になるように、±π位相全体の中にあることが好ましい。関心を持たれるスペクトル領域より高い固定周波数が、色雑音をより高い周波数にシフトすることができる。ランダム化された周波数が、色雑音をスペクトル全体に拡散させ、ＲＤＳを完全に除去することができる。言い換えると、駆動回路およびＩＯＣの非線形性によって引き起こされる色雑音が、広範囲のスペクトルにまたがって拡散し、明瞭な周波数ピークがスペクトル領域に現れなくなる。
【００１２】
本発明を、添付図面と共に下で説明するが、図面では、類似する符号が類似する要素を指す。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
好ましい実施形態の次の詳細な説明は、性質において単に例示的であり、本発明または本発明の応用および使用を制限することを意図されたものではない。
【００１４】
図１を参照すると、色雑音抑制ループ閉エレクトロニクスの好ましい例示的実施形態を有する光ファイバジャイロスコープ１００に、光源１０２と、サーキュレータ／カプラ１０４と、集積光チップ（ＩＯＣ）１４２と、ファイバコイル１４４と、光検出器１０６と、増幅器１０８と、アナログ−ディジタルコンバータ１１０と、色雑音抑制モジュール１３０と、ＤＡＣ １７０と、増幅器１７３と、データ出力ポイント１７４とが含まれる。
【００１５】
光源１０２は、光ファイバジャイロスコープを製造するのに当業者が使用する通常のファイバ光源である。光源１０２の最も好ましい実施形態は、８ｎｍの近似帯域幅を有する約１５３２ｎｍに出力波長を整形できるエルビウムファイバおよびファイバブラッグ格子を含む９８０ｎｍ半導体ポンプレーザである。光源１０２の出力の正確な波長および帯域幅の選択は、特定の応用例と、光損失および雑音レベルに対する要求された制限とに依存する。さらに、光源１０２に、通常は、光源１０２に再導入される光の量を減らすためのアイソレータが含まれる。
【００１６】
サーキュレータ１０４は、光源１０２が発する光を透過させ、ＩＯＣ １４２に送り、また、ＩＯＣ １４２から返された光を光検出器１０６に透過させる。サーキュレータ１０４を使用する代わりに、本発明の代替の好ましい実施形態は、２入力２出力（２×２）および５０／５０分割比を有する標準カプラを使用することができる。カプラは、通常、サーキュレータより物理的にコンパクトであるが、カプラは、システム内の光損失の量を増加する。さらに、色雑音抑制変調回路で使用されるカプラ／サーキュレータデバイスの選択は、所望の動作特性および設計制限に依存する。
【００１７】
ＩＯＣ １４２は、ファイバコイル１４４内を進む光波を変調するのに使用される光電子結晶位相変調器である。ＩＯＣ １４２には、サーキュレータ／カプラ１０４から受け取られた光信号を変調するのに使用される一連の電極１４６が含まれる。本発明は、さまざまなタイプの位相変調器を用いて実践することができるが、本発明の最も好ましい実施形態では、ＩＯＣ １４２が、「方形波」変調器を使用し、一般的な材料ＬｉＮｂＯ３を使用して製造される。さらに、最も好ましい実施形態では、ＩＯＣ １４２に、サーキュレータ／カプラ１０４からファイバコイル１４４に向かって進む光波を分割する「Ｙ」スプリッタと、光がファイバコイル１４４を通って進み、光検出器１０６に向かって戻る時に光波を再結合するリコンバイナとが含まれる。ＩＯＣ １４２に比較的早い応答時間を実現させることが望ましい。
【００１８】
ＩＯＣ １４２は、ソリッドステートデバイスであり、ＩＯＣ １４２の構成要素は、これらを望ましくない環境変化から保護する基板の中に収容される。ＩＯＣ １４２の内部で、サーキュレータ／カプラ１０４からの光波が、２つの別々の信号に分割される。一方の信号は、ファイバコイル１４４を通る時計回りの経路を進み、他方の信号は、ファイバコイル１４４を通る反時計回りの経路を進む。ファイバコイル１４４を通って進んだ後に、これらの信号が再組合せされ、これらの信号の位相差が、光ファイバジャイロスコープ１００の回転速度を確かめるのに必要な情報を提供する。
【００１９】
変調のほかに、位相ステップ信号を、回転によって引き起こされる位相差を打ち消すために適用することもできる。これは、閉ループ動作と呼ばれる。というのは、フォトダイオード出力の交流成分が、通常は０または０付近になるからである。その代わりに、ＩＯＣ １４２が位相ステップなしの変調を提供する場合に、これは、開ループ動作と呼ばれ、交流信号が、光検出器１０６のフォトダイオードで検出される。閉ループ動作は、一般に開ループ動作よりよい動作モードと考えられる。というのは、回転速度出力が、光源１０２の出力に依存しないからである。
【００２０】
ファイバコイル１４４は、光ファイバジャイロスコープ１００の回転を検出するのに使用される感知コイルである。ファイバコイル１４４は、通常、特定の応用例に応じて、１Ｋｍから６Ｋｍの範囲の長さを有する。より長いコイルは、光波がファイバコイル１４４を通って進むのにより長い時間を必要とし、一般に、より大きくより簡単に検出される位相シフトをもたらし、これは、よりよい精度を意味する。しかし、より長いコイル長は、ファイバコイル内の追加の光劣化およびより大きい温度変動を受けやすくなる可能性もある。特に、温度変動は、ファイバコイル１４４に沿った複屈折変動を生成し、これによって光学誤差を導入する可能性がある。したがって、提案される応用例の動作環境の制限内で必要な精度をもたらすのに十分に長いが、光学誤差の導入を避けるために必要以上に長くはない、ファイバコイル１４４の長さを選択することが望ましい。
【００２１】
光波がファイバコイル１４４を進むのに必要な時間の大きさを、「ループ走行時間」と呼び、「τ」によって表す。本発明の最も好ましい例示的実施形態について、ファイバコイル１４４は、ほぼ４Ｋｍの長さを有し、ほぼ２０μ秒のループ走行時間をもたらす。
【００２２】
光検出器１０６は、変調された光信号を検出するのに使用される。さらに、光検出器１０６は、変調された光信号を増幅器１０８に送る。
【００２３】
増幅器１０８は、信号バッファであり、光検出器１０６から受け取られた出力信号の全体的な利得を増減するのに使用される。さらに、増幅器１０８は、この信号をアナログ−ディジタルコンバータ（ＡＤＣ）１１０に送る。
【００２４】
ＡＤＣ １１０は、色雑音抑制モジュール１３０の入力側のアナログ信号部分とディジタル信号部分との間のインターフェースとして働き、増幅器１０８からのアナログ信号出力を、色雑音抑制モジュール１３０内での処理用のディジタル信号に変換する。ＡＤＣ １１０が、特定の応用環境によって指示される精度および正確さのレベルを維持するために、よい信号対雑音比および十分なデータビット数を提供することが望ましい。
【００２５】
色雑音抑制モジュール１３０に、位相ジャンプ振幅およびタイミングコントローラ１３２と、位相ジャンプ振幅出力信号１３４と、レート復調器１４０と、レートアキュムレータ１３８と、イネーブル／ディスエーブル制御１４２と、π復調器１４６と、πアキュムレータ１４８と、位相ステップアキュムレータ１３６と、バイアス変調モジュール１５２と、角度アキュムレータ１５４と、分割器１５０と、累算ポイント１５６と、累算ポイント１５８とが含まれる。
【００２６】
色雑音抑制モジュール１３０に、通常は２つの別々のループが組み込まれる。第１ループは、「レート」ループであり、レート復調器１４０およびレートアキュムレータ１３８が組み込まれる。レートループは、光ファイバジャイロスコープ１００の回転の変化率を感知するのに使用される。レートアキュムレータからの出力を、「生レート」と称する。
【００２７】
第２ループは、「πループであり」、π復調器１４６およびπアキュムレータ１４８が含まれる。πループは、バイアス変調情報を供給し、再組合せされた光波の干渉パターンに対応する変調の絶対振幅を維持するのに使用される。いくつかの応用例で、変調度は、π／２になるが、所期の応用例の特定の要件および光ファイバジャイロスコープ１００の展開環境に応じて、３π／４などの他の変調度を使用することもできる。
【００２８】
バイアス変調モジュール１５２は、位相ステップアキュムレータ１３６からの出力の変調と、位相ジャンプ振幅信号１３４からの位相ジャンプ振幅を供給する。さらに、本発明の最も好ましい実施形態は、「デュアルランプ」変調技法を使用するが、当業者は、たとえば「方形波」変調または「セロダイン」変調を含む他の変調技法を使用できることを理解するであろう。
【００２９】
レートアキュムレータ１３８からの出力は、ポイント１５０でπアキュムレータ１４８からの出力によって除算されて、光ファイバジャイロスコープ１００の回転の正規化された速度が与えられる。この計算の精度を高めるために、正規化された速度は、通常、データ出力ポイント１７４に送られる前に、角度アキュムレータ１５４で積分される。
【００３０】
ディジタル−アナログコンバータ（ＤＡＣ）１７０は、色雑音抑制モジュール１３０からのディジタル信号出力を、ＩＯＣ １４２に供給されるフィードバックループで使用されるアナログ信号に変換する。増幅器１７２は、信号バッファとして働き、ＤＡＣ １７０からの出力信号の全体的な利得を増減するのに使用される。
【００３１】
データ出力ポイント１７４は、コンピュータまたは他のデバイスへに光ファイバジャイロスコープ１００を接続するインターフェースポイントとして設けられ、これによって、光ファイバジャイロスコープ１００が、より大きい慣性測定システムにインターフェースされる。
【００３２】
位相ステップアキュムレータ１３６は、速度を累算し、位相ステップを作成する。位相ステップは、回転速度が安定している場合に線形になることに留意されたい。速度は、実際に累算ポイント１５８でバイアス変調モジュール１５２の出力によって変調され、ＩＯＣ １４２のフィードバックループを駆動するためにＤＡＣ １７０に送られる。
【００３３】
位相ジャンプ振幅およびタイミングコントローラ１３２は、規定された周波数の追加の位相ジャンプ振幅信号１３４を導入する。位相ジャンプ振幅信号１３４は、位相ジャンプ振幅およびタイミングコントローラ１３２からの出力信号であり、累算ポイント１５６で適用される。位相ジャンプ振幅の大きさおよび位相ジャンプの周波数は、広範囲のパラメータの中で選択することができる。位相ジャンプ振幅信号１３４の大きさは、光ファイバジャイロスコープ１００内の光学誤差が平均して０になるように、±π以内であることが好ましい。位相ジャンプ振幅信号１３４生成の周波数は、光ファイバジャイロスコープ１００内の関心を持たれているスペクトル領域より高いことだけが必要である。正確な周波数は、所与の光ファイバジャイロスコープ１００の特定の設計パラメータおよび動作パラメータに依存し、応用ごとに異なる。さらに、位相ジャンプ振幅信号１３４の振幅および周波数は、所定のレベルで固定することができ、あるいは、適当な動作を保証するためにパラメータのグループ内でランダムにすることができる。
【００３４】
位相ジャンプ振幅信号１３４を適用した後に、位相ジャンプ振幅信号１３４に関連する信号がＩＯＣ １４２およびファイバコイル１４４を通過できるようにするために、信号をもう一度サンプリングする前にτだけ待ち、これによって位相ジャンプ振幅信号１３４に関連する出力信号を意図的にスキップできるようにすることが望ましい。これは、イネーブル／ディスエーブルモジュール１４２を選択的に使用して、レートアキュムレータ１３８およびπアキュムレータ１４８の累算をディスエーブルすることによって達成される。しかし、対応するサンプルが速度情報またはＶπ情報を担持するように位相ジャンプ振幅が選択される場合に、サンプルを復調プロセスで使用することができる。
【００３５】
イネーブル／ディスエーブルモジュール１４２は、位相ジャンプ振幅およびタイミングコントローラ１３２によって制御される。イネーブル／ディスエーブルモジュール１４２は、レートアキュムレータ１３８およびπアキュムレータ１４８の累算を制御する。これによって、イネーブル／ディスエーブルモジュール１４２は、位相ジャンプ振幅およびタイミングコントローラ１３２によって生成される位相ジャンプ振幅信号１３４が、ＩＯＣ １４２へのフィードバックループに位相ジャンプ振幅信号１３４を含めることによって結果を人工的にゆがめることを防止できるようになる。
【００３６】
要するに、位相ジャンプ振幅およびタイミングコントローラ１３２は、位相ジャンプ振幅信号１３４によって表される位相／電圧ジャンプを、光ファイバジャイロスコープ１００のループ閉エレクトロニクスのフィードバック信号に挿入する。関心を持たれる周波数範囲によって決定される、所与の時間期間内の十分な個数の位相−電圧ジャンプを生成することによって、ループ閉エレクトロニクスは、フィードバック電圧範囲全体にわたって光学誤差を平均化する。この誤差平均化プロセスは、光学誤差を効果的に除去し、ループ閉エレクトロニクスが光ファイバジャイロスコープの回転の実際の速度を感知することを可能にする。
【００３７】
図３を参照すると、通常のデュアルランプループ閉動作を示す波形図３００が示されている。前に述べたように、本発明は、デュアルランプ変調方式または以前に既知もしくは当業者によって今後開発される他のタイプの変調技法を使用して実践することができる。変調プロセスは、光波干渉パターンを、光学感度が最大のポイントに向かってバイアスし、これによって干渉パターンを正確に検出できるようにするのに使用される。さらに、変調プロセスは、一部の望ましくない電子雑音も打ち消す。
【００３８】
方形波変調信号は、かなり単純で対称の出力信号を作る。しかし、図３に示されたものなどのデュアルランプ変調は、速度情報だけではなく、干渉パターンの絶対π値も提供する。ディジタル位相ステップを導入する目的は、回転速度によって誘導される位相差をヌルにすることである。アナログ表現では、ディジタル位相ステップ出力が、鋸歯形波形として表示される。回転速度が変化しないままである場合に、すべてのτでの位相ステップが一定のままになる。
【００３９】
ＩＯＣ １４２を駆動するのに使用される出力デバイスの物理的制限に起因して、ディジタル位相ステップの振幅範囲も制限されなければならない。本発明の１つの好ましい実施形態では、２π範囲の平均での最適の誤差打消しのゆえに、２πの整数倍に基づく駆動範囲が選択される。さらに、２π範囲を選択することは、最小限の駆動電圧を必要とする。ディジタル位相ステップは、この範囲の上側境界または下側境界に達した時に、必ず、２π下方または上方にリセットされ、この範囲を継続的にサイクルする。
【００４０】
図４を参照すると、デュアルランプクロージャ動作に関する色雑音抑制変調の使用を示す波形図４００が示されている。この図では、同一のデュアルランプ変調方式が使用されるが、振幅ＡＤＢを有する色雑音抑制変調位相ジャンプが示されている。色抑制変調位相ジャンプの適用の周波数の周期が、ＴＤＢによって示されている。前に述べたように、色雑音抑制変調位相ジャンプの振幅および周波数は、所定の高さおよび速度とすることができ、あるいは、代替の好ましい実施形態では、経時的に変化するランダム化された色雑音抑制変調位相ジャンプを使用することもできる。
【００４１】
特に、変調信号の傾きが、速度を決定する。図３および４から、固定された速度で、変調信号が、ランプアップし、出力駆動範囲内で２パイ位相下方にリセットされる（明らかに、無制限に継続的にランプアップするのに使用できるデバイスはない）ことを想像することができる。リセット信号の副産物が、速度スペクトル（フーリエ変換）の明瞭なピークである。この現象は、明瞭な周波数が明瞭な色（平坦なスペクトルに対応する色である白ではなく）に対応するので、「色雑音」または「フライバック雑音」と呼ばれるものである。この現象は、ランプのリセット速度が感知される速度に依存し、速度が高いほど正弦波周波数が高くなるので、速度依存正弦波（ＲＤＳ）とも呼ばれる。本発明人は、変調信号でのランダム化された振幅ジャンプが、作られる固定速度の周波数パターンを壊すので、不感帯抑制に対処するための説明される方法が、色雑音（またはＲＤＳ）の除去にも適用可能であることを発見した。
【００４２】
特定のループ閉エレクトロニクス回路構成を図１に示したが、他のタイプの回路実装を、当業者がたやすく適合させることができることに留意されたい。たとえば、本発明のディジタル信号処理を、マイクロプロセッサ構成、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、またはディジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）チップを使用して実施することができる。さらに、アナログ回路設計が、本発明の教示を実践するために、必要な処理ステップを達成することもできる。
【００４３】
図１および２を参照すると、本発明の色雑音抑制変調技法の好ましい例示的実施形態を実施する方法２００が示されている。図２からわかるように、光検出器１０６からの出力信号を継続的に復調する（ステップ２０５）。次に、サンプルをスキップしなければならないか保持しなければならないかを決定する（ステップ２１０）。サンプルをスキップしない場合には、光検出器１０６からの信号をレートアキュムレータ１３８およびπアキュムレータ１４８で累算して、速度変化を検出する（ステップ２１５）。次に、適当な位相ステップを作成して、回転によって誘導された位相シフトがある場合に、これを打ち消す（ステップ２２０）。サンプルをスキップする場合（ステップ２１０）には、この手順は、直接にステップ２２０に進む。その後、位相ステップ出力を位相ステップアキュムレータ１３６で累算する（ステップ２２５）。次に、ＲＤＳ（色雑音）抑制がイネーブルされていない（ステップ２３０）と仮定すると、レートアキュムレータ１３８からの信号をπアキュムレータ１４８からの信号によって除算し、次に、角度アキュムレータ１５４によって累算し、最後にデータ出力信号１７４で出力する（ステップ２４５）。次に、位相ステップアキュムレータからの累算された位相ステップを変調し、フィードバックループでＩＯＣ １４２に返す（ステップ２５０）。
【００４４】
ＲＤＳ（色雑音）抑制がイネーブルされている（ステップ２３０＝「イエス」）場合には、信号を送って、光検出器１０６から受け取ったサンプルをスキップしなければならないか保持しなければならないかを決定する。したがって、復調された信号を累算して速度変化を検出しなければならないか否かも決定される（ステップ２１５）。第２の位相ステップを、色雑音抑制変調のために作成する（ステップ２３５）。次に、この第２の位相ステップを累算された第１の位相と合計する（ステップ２４０）。次に、組み合わされた位相ステップを、バイアス変調モジュール１５２からの出力信号と合計し（ステップ２４５）、その後、全体的なフィードバックループの一部としてＩＯＣを駆動するために送る（ステップ２５０）。
【００４５】
図５は、図３で説明した変調を用いるＩＦＯＧからとられた速度データである。この図は、３．８ＨｚのＲＤＳまたは色雑音とその高調波とを示す。これらのＲＤＳは、図６に示されているように消滅するが、図６では、図４に示された新しい変調方式が実施されている。適用されるランダム化された振幅は、±πの間であり、適用される周波数は、約１．５Ｈｚである。
【００４６】
好ましい例示的実施形態の前述の詳細な説明から、光ファイバジャイロスコープ（ＦＯＧ）で色雑音を抑制する装置および方法が提供されることを理解されたい。
【００４７】
本発明の好ましい例示的実施形態の前述の開示は、例示および説明のために提示されたものである。これは、網羅的であることまたは開示された正確な形態に本発明を制限することを意図されたものではない。本明細書で説明した実施形態のさまざまな変形形態および変更形態が、上の開示に鑑みて当業者に明白であろう。本発明の範囲は、添付請求項およびその同等物によってのみ定義される。
【００４８】
さらに、本発明の代表的実施形態の説明で、本明細書が、ステップの特定のシーケンスとして本発明の方法および／またはプロセスを提示した場合がある。しかし、その方法またはステップが本明細書に示されたステップの特定の順序に頼らない範囲まで、その方法またはステップは、説明したステップの特定のシーケンスに制限されてはならない。当業者が理解するように、ステップの他のシーケンスが可能である場合がある。したがって、本明細書で示されたステップの特定の順序を、請求項に対する制限と解釈してはならない。さらに、本発明の方法および／またはプロセスを対象とする請求項は、書かれた順序でのそのステップの実行に制限されてはならず、当業者は、シーケンスを変更しながら本発明の趣旨および範囲の中に留まることができることを容易に理解することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の好ましい例示的実施形態による色雑音低減変調回路を組み込んだ光ファイバジャイロスコープを示すブロック図である。
【図２】本発明の好ましい例示的実施形態による色雑音抑制を実施する方法を示す流れ図である。
【図３】本発明を組み込まない通常の変調方式を示す、ループ閉エレクトロニクスを示す変調タイミング図である。
【図４】本発明の色雑音抑制変調の好ましい例示的実施形態を使用するループ閉エレクトロニクスを示す変調タイミング図である。
【図５】図３の従来技術の変調方式からの速度振幅スペクトルを示すプロットである。
【図６】±πの間のランダム化された振幅と１．５Ｈｚの固定周波数とを有する図４による変調方式を用いて得られた速度振幅を示すプロットである。
【技術分野】
【０００１】
本願は、参照によってその全体が本願に組み込まれている２００２年４月３０日出願の米国特許出願第１０／１３５２４５号の一部継続出願である。
【０００２】
本発明は、全般的には、光ファイバジャイロスコープの制御に関し、具体的には、光ファイバジャイロスコープの色雑音を抑制する方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００３】
慣性座標系に関する方位および／またはターンの率を決定する慣性回転センサは、航空機などの航行可能なビークルによって使用される姿勢および機首方向基準形の重要な要素である。長期間にわたって、そのような方位およびターンの率の決定は、通常、回転質量型のジャイロスコープ（ｓｐｉｎｎｉｎｇ ｍａｓｓ ｇｙｒｏｓｃｏｐｅ）を使用して行われてきた。この分野での進歩が、多くの洗練と、特定の応用例に適したさまざまなタイプのジャイロスコープの開発をもたらした。近年、光ファイバジャイロスコープが、通常の回転質量型のジャイロスコープを上回る大きい改善として登場した。
【０００４】
光ファイバジャイロスコープは、通常、光ファイバループ内を進む反対に伝搬する光波を案内する光ファイバ材料のループを使用して構成される。ループを進む際に、逆伝搬波が組み合わされ、その結果、これらの波は、建設的にまたは破壊的に干渉し、光出力信号を形成する。この光出力信号の強度は、干渉の関数として変化し、この干渉は、逆伝搬波の相対位相に依存する。この情報から、慣性座標系に関する方位および／またはターンの率に関する決定を導出することができる。
【０００５】
閉ループ回転センサは、逆伝搬波の位相を調整する装置にサニャク位相シフトを示す信号を供給して、この波の間の回転によって誘導された位相差をゼロにする。サニャク位相シフトをゼロするためにいずれかの位相において波を調整しなければならない量が、感知ループの回転速度を示す。
【０００６】
慣性航法応用に適するためには、回転センサが、比較的広いダイナミックレンジを有しなければならない。通常の回転センサは、毎時０．００１°もの低さから毎秒１０００°もの高さまでの回転速度を検出することができる。通常の回転センサによって測定されるダイナミックレンジすなわち高い分解能と最も精密な分解能の比は、約９桁の大きさまたは１０９である。
【０００７】
閉ループ光ファイバ回転センサは、スケールファクタ安定性および線形性の増加に起因して魅力的である。さらに、閉ループ動作は、集積光位相変調器などの高速コンポーネントの可用性に起因して実現可能である。そのような位相変調器は、必要なダイナミックレンジで回転速度を測定するために所望の量の位相変調を提供するのに有効である。しかし、フィードバック信号のある電圧依存誤差、位相サーボ、または電気交叉結合のどれもが、サーボループをある回転速度でより不安定にする可能性がある。
【０００８】
特に、システムは、０または０付近の入力速度でより不安定になり、この場合に、光ファイバ回転センサ出力が、入力速度に関して非線形になる。通常、ループ閉エレクトロニクスフィードバック回路は、フィードバック依存電圧誤差がサニャク位相シフトによって誘導される速度を打ち消すポイントで安定し、センサ出力信号は、有限の入力速度について０になる。光ファイバジャイロスコープ出力速度が有限の速度範囲について０になる速度のこの範囲を、「不感帯」、「デッドゾーン」、および「不安定の領域」と称する。可能な出力誤差が発生し得る他の速度は、光ファイバ回転センサの出力の処理に使用される変調／復調技法に依存する。
【０００９】
「不感帯」性能問題に加えて、本発明人は、速度によって誘導されたサニャク位相シフトをヌルにするために位相変調器に送られるフィードバック信号が、固定された入力速度に対応する反復パターンを有することを発見した。この反復パターンは、フィードバック信号自体を駆動回路の最大範囲内に維持するためのフィードバック信号のリセット周波数と同期している。駆動回路の非線形性とＩＯＣ非線形で時間依存の容量性および抵抗性の特性の不完全性とに起因して、フィードバック信号は、リセット周波数に直接に関係する周波数内容を有する速度出力を作る。この速度依存正弦波（ＲＤＳ、しかし、本明細書では「色雑音」または「フライバック雑音」とも称する）は、その振幅が角度ランダム雑音またはバイアス不安定性より大きい場合に、性能を制限する要因になる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
前述に鑑みて、色雑音現象に関連する性能制限をより受けにくい光ファイバジャイロスコープを提供することが望ましいことを理解されたい。また、光ファイバジャイロスコープを組み込んだ慣性誘導システムの性能安定性を改善する方法および装置を提供することが望ましいことを理解されたい。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の好ましい例示的実施形態によれば、位相変調器への反復駆動信号に起因する色雑音を抑制する位相ジャンプ振幅およびタイミングコントローラが提供される。位相ジャンプ振幅およびタイミングコントローラは、光ファイバジャイロスコープのループ閉エレクトロニクスのフィードバック信号に位相／電圧ジャンプを挿入する。この位相／電圧ジャンプが、駆動信号の反復パターンを壊す。ＩＯＳ時間依存特性は、反復信号がＩＯＣに印加されないので、ランダム化されたフィードバック信号によって完全に除去される。ランダム化された振幅は、光誤差が平均して０になるように、±π位相全体の中にあることが好ましい。関心を持たれるスペクトル領域より高い固定周波数が、色雑音をより高い周波数にシフトすることができる。ランダム化された周波数が、色雑音をスペクトル全体に拡散させ、ＲＤＳを完全に除去することができる。言い換えると、駆動回路およびＩＯＣの非線形性によって引き起こされる色雑音が、広範囲のスペクトルにまたがって拡散し、明瞭な周波数ピークがスペクトル領域に現れなくなる。
【００１２】
本発明を、添付図面と共に下で説明するが、図面では、類似する符号が類似する要素を指す。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
好ましい実施形態の次の詳細な説明は、性質において単に例示的であり、本発明または本発明の応用および使用を制限することを意図されたものではない。
【００１４】
図１を参照すると、色雑音抑制ループ閉エレクトロニクスの好ましい例示的実施形態を有する光ファイバジャイロスコープ１００に、光源１０２と、サーキュレータ／カプラ１０４と、集積光チップ（ＩＯＣ）１４２と、ファイバコイル１４４と、光検出器１０６と、増幅器１０８と、アナログ−ディジタルコンバータ１１０と、色雑音抑制モジュール１３０と、ＤＡＣ １７０と、増幅器１７３と、データ出力ポイント１７４とが含まれる。
【００１５】
光源１０２は、光ファイバジャイロスコープを製造するのに当業者が使用する通常のファイバ光源である。光源１０２の最も好ましい実施形態は、８ｎｍの近似帯域幅を有する約１５３２ｎｍに出力波長を整形できるエルビウムファイバおよびファイバブラッグ格子を含む９８０ｎｍ半導体ポンプレーザである。光源１０２の出力の正確な波長および帯域幅の選択は、特定の応用例と、光損失および雑音レベルに対する要求された制限とに依存する。さらに、光源１０２に、通常は、光源１０２に再導入される光の量を減らすためのアイソレータが含まれる。
【００１６】
サーキュレータ１０４は、光源１０２が発する光を透過させ、ＩＯＣ １４２に送り、また、ＩＯＣ １４２から返された光を光検出器１０６に透過させる。サーキュレータ１０４を使用する代わりに、本発明の代替の好ましい実施形態は、２入力２出力（２×２）および５０／５０分割比を有する標準カプラを使用することができる。カプラは、通常、サーキュレータより物理的にコンパクトであるが、カプラは、システム内の光損失の量を増加する。さらに、色雑音抑制変調回路で使用されるカプラ／サーキュレータデバイスの選択は、所望の動作特性および設計制限に依存する。
【００１７】
ＩＯＣ １４２は、ファイバコイル１４４内を進む光波を変調するのに使用される光電子結晶位相変調器である。ＩＯＣ １４２には、サーキュレータ／カプラ１０４から受け取られた光信号を変調するのに使用される一連の電極１４６が含まれる。本発明は、さまざまなタイプの位相変調器を用いて実践することができるが、本発明の最も好ましい実施形態では、ＩＯＣ １４２が、「方形波」変調器を使用し、一般的な材料ＬｉＮｂＯ３を使用して製造される。さらに、最も好ましい実施形態では、ＩＯＣ １４２に、サーキュレータ／カプラ１０４からファイバコイル１４４に向かって進む光波を分割する「Ｙ」スプリッタと、光がファイバコイル１４４を通って進み、光検出器１０６に向かって戻る時に光波を再結合するリコンバイナとが含まれる。ＩＯＣ １４２に比較的早い応答時間を実現させることが望ましい。
【００１８】
ＩＯＣ １４２は、ソリッドステートデバイスであり、ＩＯＣ １４２の構成要素は、これらを望ましくない環境変化から保護する基板の中に収容される。ＩＯＣ １４２の内部で、サーキュレータ／カプラ１０４からの光波が、２つの別々の信号に分割される。一方の信号は、ファイバコイル１４４を通る時計回りの経路を進み、他方の信号は、ファイバコイル１４４を通る反時計回りの経路を進む。ファイバコイル１４４を通って進んだ後に、これらの信号が再組合せされ、これらの信号の位相差が、光ファイバジャイロスコープ１００の回転速度を確かめるのに必要な情報を提供する。
【００１９】
変調のほかに、位相ステップ信号を、回転によって引き起こされる位相差を打ち消すために適用することもできる。これは、閉ループ動作と呼ばれる。というのは、フォトダイオード出力の交流成分が、通常は０または０付近になるからである。その代わりに、ＩＯＣ １４２が位相ステップなしの変調を提供する場合に、これは、開ループ動作と呼ばれ、交流信号が、光検出器１０６のフォトダイオードで検出される。閉ループ動作は、一般に開ループ動作よりよい動作モードと考えられる。というのは、回転速度出力が、光源１０２の出力に依存しないからである。
【００２０】
ファイバコイル１４４は、光ファイバジャイロスコープ１００の回転を検出するのに使用される感知コイルである。ファイバコイル１４４は、通常、特定の応用例に応じて、１Ｋｍから６Ｋｍの範囲の長さを有する。より長いコイルは、光波がファイバコイル１４４を通って進むのにより長い時間を必要とし、一般に、より大きくより簡単に検出される位相シフトをもたらし、これは、よりよい精度を意味する。しかし、より長いコイル長は、ファイバコイル内の追加の光劣化およびより大きい温度変動を受けやすくなる可能性もある。特に、温度変動は、ファイバコイル１４４に沿った複屈折変動を生成し、これによって光学誤差を導入する可能性がある。したがって、提案される応用例の動作環境の制限内で必要な精度をもたらすのに十分に長いが、光学誤差の導入を避けるために必要以上に長くはない、ファイバコイル１４４の長さを選択することが望ましい。
【００２１】
光波がファイバコイル１４４を進むのに必要な時間の大きさを、「ループ走行時間」と呼び、「τ」によって表す。本発明の最も好ましい例示的実施形態について、ファイバコイル１４４は、ほぼ４Ｋｍの長さを有し、ほぼ２０μ秒のループ走行時間をもたらす。
【００２２】
光検出器１０６は、変調された光信号を検出するのに使用される。さらに、光検出器１０６は、変調された光信号を増幅器１０８に送る。
【００２３】
増幅器１０８は、信号バッファであり、光検出器１０６から受け取られた出力信号の全体的な利得を増減するのに使用される。さらに、増幅器１０８は、この信号をアナログ−ディジタルコンバータ（ＡＤＣ）１１０に送る。
【００２４】
ＡＤＣ １１０は、色雑音抑制モジュール１３０の入力側のアナログ信号部分とディジタル信号部分との間のインターフェースとして働き、増幅器１０８からのアナログ信号出力を、色雑音抑制モジュール１３０内での処理用のディジタル信号に変換する。ＡＤＣ １１０が、特定の応用環境によって指示される精度および正確さのレベルを維持するために、よい信号対雑音比および十分なデータビット数を提供することが望ましい。
【００２５】
色雑音抑制モジュール１３０に、位相ジャンプ振幅およびタイミングコントローラ１３２と、位相ジャンプ振幅出力信号１３４と、レート復調器１４０と、レートアキュムレータ１３８と、イネーブル／ディスエーブル制御１４２と、π復調器１４６と、πアキュムレータ１４８と、位相ステップアキュムレータ１３６と、バイアス変調モジュール１５２と、角度アキュムレータ１５４と、分割器１５０と、累算ポイント１５６と、累算ポイント１５８とが含まれる。
【００２６】
色雑音抑制モジュール１３０に、通常は２つの別々のループが組み込まれる。第１ループは、「レート」ループであり、レート復調器１４０およびレートアキュムレータ１３８が組み込まれる。レートループは、光ファイバジャイロスコープ１００の回転の変化率を感知するのに使用される。レートアキュムレータからの出力を、「生レート」と称する。
【００２７】
第２ループは、「πループであり」、π復調器１４６およびπアキュムレータ１４８が含まれる。πループは、バイアス変調情報を供給し、再組合せされた光波の干渉パターンに対応する変調の絶対振幅を維持するのに使用される。いくつかの応用例で、変調度は、π／２になるが、所期の応用例の特定の要件および光ファイバジャイロスコープ１００の展開環境に応じて、３π／４などの他の変調度を使用することもできる。
【００２８】
バイアス変調モジュール１５２は、位相ステップアキュムレータ１３６からの出力の変調と、位相ジャンプ振幅信号１３４からの位相ジャンプ振幅を供給する。さらに、本発明の最も好ましい実施形態は、「デュアルランプ」変調技法を使用するが、当業者は、たとえば「方形波」変調または「セロダイン」変調を含む他の変調技法を使用できることを理解するであろう。
【００２９】
レートアキュムレータ１３８からの出力は、ポイント１５０でπアキュムレータ１４８からの出力によって除算されて、光ファイバジャイロスコープ１００の回転の正規化された速度が与えられる。この計算の精度を高めるために、正規化された速度は、通常、データ出力ポイント１７４に送られる前に、角度アキュムレータ１５４で積分される。
【００３０】
ディジタル−アナログコンバータ（ＤＡＣ）１７０は、色雑音抑制モジュール１３０からのディジタル信号出力を、ＩＯＣ １４２に供給されるフィードバックループで使用されるアナログ信号に変換する。増幅器１７２は、信号バッファとして働き、ＤＡＣ １７０からの出力信号の全体的な利得を増減するのに使用される。
【００３１】
データ出力ポイント１７４は、コンピュータまたは他のデバイスへに光ファイバジャイロスコープ１００を接続するインターフェースポイントとして設けられ、これによって、光ファイバジャイロスコープ１００が、より大きい慣性測定システムにインターフェースされる。
【００３２】
位相ステップアキュムレータ１３６は、速度を累算し、位相ステップを作成する。位相ステップは、回転速度が安定している場合に線形になることに留意されたい。速度は、実際に累算ポイント１５８でバイアス変調モジュール１５２の出力によって変調され、ＩＯＣ １４２のフィードバックループを駆動するためにＤＡＣ １７０に送られる。
【００３３】
位相ジャンプ振幅およびタイミングコントローラ１３２は、規定された周波数の追加の位相ジャンプ振幅信号１３４を導入する。位相ジャンプ振幅信号１３４は、位相ジャンプ振幅およびタイミングコントローラ１３２からの出力信号であり、累算ポイント１５６で適用される。位相ジャンプ振幅の大きさおよび位相ジャンプの周波数は、広範囲のパラメータの中で選択することができる。位相ジャンプ振幅信号１３４の大きさは、光ファイバジャイロスコープ１００内の光学誤差が平均して０になるように、±π以内であることが好ましい。位相ジャンプ振幅信号１３４生成の周波数は、光ファイバジャイロスコープ１００内の関心を持たれているスペクトル領域より高いことだけが必要である。正確な周波数は、所与の光ファイバジャイロスコープ１００の特定の設計パラメータおよび動作パラメータに依存し、応用ごとに異なる。さらに、位相ジャンプ振幅信号１３４の振幅および周波数は、所定のレベルで固定することができ、あるいは、適当な動作を保証するためにパラメータのグループ内でランダムにすることができる。
【００３４】
位相ジャンプ振幅信号１３４を適用した後に、位相ジャンプ振幅信号１３４に関連する信号がＩＯＣ １４２およびファイバコイル１４４を通過できるようにするために、信号をもう一度サンプリングする前にτだけ待ち、これによって位相ジャンプ振幅信号１３４に関連する出力信号を意図的にスキップできるようにすることが望ましい。これは、イネーブル／ディスエーブルモジュール１４２を選択的に使用して、レートアキュムレータ１３８およびπアキュムレータ１４８の累算をディスエーブルすることによって達成される。しかし、対応するサンプルが速度情報またはＶπ情報を担持するように位相ジャンプ振幅が選択される場合に、サンプルを復調プロセスで使用することができる。
【００３５】
イネーブル／ディスエーブルモジュール１４２は、位相ジャンプ振幅およびタイミングコントローラ１３２によって制御される。イネーブル／ディスエーブルモジュール１４２は、レートアキュムレータ１３８およびπアキュムレータ１４８の累算を制御する。これによって、イネーブル／ディスエーブルモジュール１４２は、位相ジャンプ振幅およびタイミングコントローラ１３２によって生成される位相ジャンプ振幅信号１３４が、ＩＯＣ １４２へのフィードバックループに位相ジャンプ振幅信号１３４を含めることによって結果を人工的にゆがめることを防止できるようになる。
【００３６】
要するに、位相ジャンプ振幅およびタイミングコントローラ１３２は、位相ジャンプ振幅信号１３４によって表される位相／電圧ジャンプを、光ファイバジャイロスコープ１００のループ閉エレクトロニクスのフィードバック信号に挿入する。関心を持たれる周波数範囲によって決定される、所与の時間期間内の十分な個数の位相−電圧ジャンプを生成することによって、ループ閉エレクトロニクスは、フィードバック電圧範囲全体にわたって光学誤差を平均化する。この誤差平均化プロセスは、光学誤差を効果的に除去し、ループ閉エレクトロニクスが光ファイバジャイロスコープの回転の実際の速度を感知することを可能にする。
【００３７】
図３を参照すると、通常のデュアルランプループ閉動作を示す波形図３００が示されている。前に述べたように、本発明は、デュアルランプ変調方式または以前に既知もしくは当業者によって今後開発される他のタイプの変調技法を使用して実践することができる。変調プロセスは、光波干渉パターンを、光学感度が最大のポイントに向かってバイアスし、これによって干渉パターンを正確に検出できるようにするのに使用される。さらに、変調プロセスは、一部の望ましくない電子雑音も打ち消す。
【００３８】
方形波変調信号は、かなり単純で対称の出力信号を作る。しかし、図３に示されたものなどのデュアルランプ変調は、速度情報だけではなく、干渉パターンの絶対π値も提供する。ディジタル位相ステップを導入する目的は、回転速度によって誘導される位相差をヌルにすることである。アナログ表現では、ディジタル位相ステップ出力が、鋸歯形波形として表示される。回転速度が変化しないままである場合に、すべてのτでの位相ステップが一定のままになる。
【００３９】
ＩＯＣ １４２を駆動するのに使用される出力デバイスの物理的制限に起因して、ディジタル位相ステップの振幅範囲も制限されなければならない。本発明の１つの好ましい実施形態では、２π範囲の平均での最適の誤差打消しのゆえに、２πの整数倍に基づく駆動範囲が選択される。さらに、２π範囲を選択することは、最小限の駆動電圧を必要とする。ディジタル位相ステップは、この範囲の上側境界または下側境界に達した時に、必ず、２π下方または上方にリセットされ、この範囲を継続的にサイクルする。
【００４０】
図４を参照すると、デュアルランプクロージャ動作に関する色雑音抑制変調の使用を示す波形図４００が示されている。この図では、同一のデュアルランプ変調方式が使用されるが、振幅ＡＤＢを有する色雑音抑制変調位相ジャンプが示されている。色抑制変調位相ジャンプの適用の周波数の周期が、ＴＤＢによって示されている。前に述べたように、色雑音抑制変調位相ジャンプの振幅および周波数は、所定の高さおよび速度とすることができ、あるいは、代替の好ましい実施形態では、経時的に変化するランダム化された色雑音抑制変調位相ジャンプを使用することもできる。
【００４１】
特に、変調信号の傾きが、速度を決定する。図３および４から、固定された速度で、変調信号が、ランプアップし、出力駆動範囲内で２パイ位相下方にリセットされる（明らかに、無制限に継続的にランプアップするのに使用できるデバイスはない）ことを想像することができる。リセット信号の副産物が、速度スペクトル（フーリエ変換）の明瞭なピークである。この現象は、明瞭な周波数が明瞭な色（平坦なスペクトルに対応する色である白ではなく）に対応するので、「色雑音」または「フライバック雑音」と呼ばれるものである。この現象は、ランプのリセット速度が感知される速度に依存し、速度が高いほど正弦波周波数が高くなるので、速度依存正弦波（ＲＤＳ）とも呼ばれる。本発明人は、変調信号でのランダム化された振幅ジャンプが、作られる固定速度の周波数パターンを壊すので、不感帯抑制に対処するための説明される方法が、色雑音（またはＲＤＳ）の除去にも適用可能であることを発見した。
【００４２】
特定のループ閉エレクトロニクス回路構成を図１に示したが、他のタイプの回路実装を、当業者がたやすく適合させることができることに留意されたい。たとえば、本発明のディジタル信号処理を、マイクロプロセッサ構成、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、またはディジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）チップを使用して実施することができる。さらに、アナログ回路設計が、本発明の教示を実践するために、必要な処理ステップを達成することもできる。
【００４３】
図１および２を参照すると、本発明の色雑音抑制変調技法の好ましい例示的実施形態を実施する方法２００が示されている。図２からわかるように、光検出器１０６からの出力信号を継続的に復調する（ステップ２０５）。次に、サンプルをスキップしなければならないか保持しなければならないかを決定する（ステップ２１０）。サンプルをスキップしない場合には、光検出器１０６からの信号をレートアキュムレータ１３８およびπアキュムレータ１４８で累算して、速度変化を検出する（ステップ２１５）。次に、適当な位相ステップを作成して、回転によって誘導された位相シフトがある場合に、これを打ち消す（ステップ２２０）。サンプルをスキップする場合（ステップ２１０）には、この手順は、直接にステップ２２０に進む。その後、位相ステップ出力を位相ステップアキュムレータ１３６で累算する（ステップ２２５）。次に、ＲＤＳ（色雑音）抑制がイネーブルされていない（ステップ２３０）と仮定すると、レートアキュムレータ１３８からの信号をπアキュムレータ１４８からの信号によって除算し、次に、角度アキュムレータ１５４によって累算し、最後にデータ出力信号１７４で出力する（ステップ２４５）。次に、位相ステップアキュムレータからの累算された位相ステップを変調し、フィードバックループでＩＯＣ １４２に返す（ステップ２５０）。
【００４４】
ＲＤＳ（色雑音）抑制がイネーブルされている（ステップ２３０＝「イエス」）場合には、信号を送って、光検出器１０６から受け取ったサンプルをスキップしなければならないか保持しなければならないかを決定する。したがって、復調された信号を累算して速度変化を検出しなければならないか否かも決定される（ステップ２１５）。第２の位相ステップを、色雑音抑制変調のために作成する（ステップ２３５）。次に、この第２の位相ステップを累算された第１の位相と合計する（ステップ２４０）。次に、組み合わされた位相ステップを、バイアス変調モジュール１５２からの出力信号と合計し（ステップ２４５）、その後、全体的なフィードバックループの一部としてＩＯＣを駆動するために送る（ステップ２５０）。
【００４５】
図５は、図３で説明した変調を用いるＩＦＯＧからとられた速度データである。この図は、３．８ＨｚのＲＤＳまたは色雑音とその高調波とを示す。これらのＲＤＳは、図６に示されているように消滅するが、図６では、図４に示された新しい変調方式が実施されている。適用されるランダム化された振幅は、±πの間であり、適用される周波数は、約１．５Ｈｚである。
【００４６】
好ましい例示的実施形態の前述の詳細な説明から、光ファイバジャイロスコープ（ＦＯＧ）で色雑音を抑制する装置および方法が提供されることを理解されたい。
【００４７】
本発明の好ましい例示的実施形態の前述の開示は、例示および説明のために提示されたものである。これは、網羅的であることまたは開示された正確な形態に本発明を制限することを意図されたものではない。本明細書で説明した実施形態のさまざまな変形形態および変更形態が、上の開示に鑑みて当業者に明白であろう。本発明の範囲は、添付請求項およびその同等物によってのみ定義される。
【００４８】
さらに、本発明の代表的実施形態の説明で、本明細書が、ステップの特定のシーケンスとして本発明の方法および／またはプロセスを提示した場合がある。しかし、その方法またはステップが本明細書に示されたステップの特定の順序に頼らない範囲まで、その方法またはステップは、説明したステップの特定のシーケンスに制限されてはならない。当業者が理解するように、ステップの他のシーケンスが可能である場合がある。したがって、本明細書で示されたステップの特定の順序を、請求項に対する制限と解釈してはならない。さらに、本発明の方法および／またはプロセスを対象とする請求項は、書かれた順序でのそのステップの実行に制限されてはならず、当業者は、シーケンスを変更しながら本発明の趣旨および範囲の中に留まることができることを容易に理解することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の好ましい例示的実施形態による色雑音低減変調回路を組み込んだ光ファイバジャイロスコープを示すブロック図である。
【図２】本発明の好ましい例示的実施形態による色雑音抑制を実施する方法を示す流れ図である。
【図３】本発明を組み込まない通常の変調方式を示す、ループ閉エレクトロニクスを示す変調タイミング図である。
【図４】本発明の色雑音抑制変調の好ましい例示的実施形態を使用するループ閉エレクトロニクスを示す変調タイミング図である。
【図５】図３の従来技術の変調方式からの速度振幅スペクトルを示すプロットである。
【図６】±πの間のランダム化された振幅と１．５Ｈｚの固定周波数とを有する図４による変調方式を用いて得られた速度振幅を示すプロットである。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転の速度を決定するための第１の位相ステップ信号を生成する、ループ閉電子回路と、
前記ループ閉電子回路に結合され、ランダム化された位相ジャンプ振幅信号を生成する、色雑音抑制モジュールと、
前記位相ジャンプ振幅信号と前記第１の位相ステップ信号とを合計し、これによって光ファイバジャイロスコープのフィードバック信号を作成する累算ポイントと、
を含む光ファイバジャイロスコープ。
【請求項２】
前記位相ジャンプ振幅信号は、第２の位相ステップを含む、請求項１に記載の光ファイバジャイロスコープ。
【請求項３】
前記光ファイバジャイロスコープから回転の速度信号を出力するデータ出力ポイントをさらに含む、請求項１に記載の光ファイバジャイロスコープ。
【請求項４】
前記データ出力ポイントは、慣性航法システムに結合される、請求項３に記載の光ファイバジャイロスコープ。
【請求項５】
前記色雑音抑制モジュールは、さらに、バイアス変調モジュールを含み、前記バイアス変調モジュールは、前記フィードバック信号を変調する、請求項１に記載の光ファイバジャイロスコープ。
【請求項６】
前記位相ステップ信号をアナログ信号からディジタル信号に変換する、アナログ−ディジタルコンバータと、
前記フィードバック信号をディジタル信号からアナログ信号に変換する、ディジタル−アナログコンバータと
をさらに含む、請求項１に記載の光ファイバジャイロスコープ。
【請求項７】
前記第１の位相ステップ信号または前記フィードバック信号のうちの少なくとも１つを増幅する少なくとも１つの増幅器をさらに含む、請求項１に記載の光ファイバジャイロスコープ。
【請求項１】
回転の速度を決定するための第１の位相ステップ信号を生成する、ループ閉電子回路と、
前記ループ閉電子回路に結合され、ランダム化された位相ジャンプ振幅信号を生成する、色雑音抑制モジュールと、
前記位相ジャンプ振幅信号と前記第１の位相ステップ信号とを合計し、これによって光ファイバジャイロスコープのフィードバック信号を作成する累算ポイントと、
を含む光ファイバジャイロスコープ。
【請求項２】
前記位相ジャンプ振幅信号は、第２の位相ステップを含む、請求項１に記載の光ファイバジャイロスコープ。
【請求項３】
前記光ファイバジャイロスコープから回転の速度信号を出力するデータ出力ポイントをさらに含む、請求項１に記載の光ファイバジャイロスコープ。
【請求項４】
前記データ出力ポイントは、慣性航法システムに結合される、請求項３に記載の光ファイバジャイロスコープ。
【請求項５】
前記色雑音抑制モジュールは、さらに、バイアス変調モジュールを含み、前記バイアス変調モジュールは、前記フィードバック信号を変調する、請求項１に記載の光ファイバジャイロスコープ。
【請求項６】
前記位相ステップ信号をアナログ信号からディジタル信号に変換する、アナログ−ディジタルコンバータと、
前記フィードバック信号をディジタル信号からアナログ信号に変換する、ディジタル−アナログコンバータと
をさらに含む、請求項１に記載の光ファイバジャイロスコープ。
【請求項７】
前記第１の位相ステップ信号または前記フィードバック信号のうちの少なくとも１つを増幅する少なくとも１つの増幅器をさらに含む、請求項１に記載の光ファイバジャイロスコープ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公表番号】特表２００７−５２３３５６（Ｐ２００７−５２３３５６Ａ）
【公表日】平成１９年８月１６日（２００７．８．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−５００７４６（Ｐ２００７−５００７４６）
【出願日】平成１６年１１月５日（２００４．１１．５）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００４／０３７１２５
【国際公開番号】ＷＯ２００５／０８３３５７
【国際公開日】平成１７年９月９日（２００５．９．９）
【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８月１６日（２００７．８．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年１１月５日（２００４．１１．５）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００４／０３７１２５
【国際公開番号】ＷＯ２００５／０８３３５７
【国際公開日】平成１７年９月９日（２００５．９．９）
【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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