説明

共振器光ファイバージャイロスコープの信号対雑音比を高めるためのシステム及び方法

【課題】共振器光ファイバージャイロスコープの信号対雑音比を高めるためのシステム及び方法を提供する。
【解決手段】共振器光ファイバージャイロスコープが、第1のレーザービーム伝搬方向のための第1の共振周波数と、第2のレーザービーム伝搬方向のための第2の共振周波数とを有する検知共振器と;検知共振器の出力に結合され、検知共振器から出力される信号の輝度を変調するように構成される輝度変調器であって、その輝度変調器は、輝度変調周波数において出力信号を変調する、輝度変調器と;輝度変調器の出力に結合され、輝度変調器から出力される輝度変調された信号を共振追跡変調周波数において復調し、第1の復調された信号を生成するように構成される共振追跡電子回路とを備え、共振追跡電子回路は、第1の復調された信号を輝度変調周波数において復調するようにさらに構成され、輝度変調周波数は、共振追跡変調周波数とは異なる。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、共振器光ファイバージャイロスコープの信号対雑音比を高めるためのシステム及び方法に関する。
【背景技術】
【0002】
共振器光ファイバージャイロスコープ(RFOG)は、サニャック効果を利用する受動共振器光ジャイロの一形態である。RFOGは、リングレーザージャイロスコープ(RLG)の共振器フィネス機能と、干渉型光ファイバージャイロスコープ(IFOG)のファイバー多重巻き能力とを併せ持つ。RFOGは、レーザーからの時計回り(CW)及び反時計回り(CCW)の光波を用いて、多重巻きファイバーコイルを含む共振器のCW共振周波数とCCW共振周波数との間の差を測定し、回転速度を求める。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0003】
共振器光ファイバージャイロスコープの信号対雑音比を高めるためのシステム及び方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【0004】
一実施の形態では、共振器光ファイバージャイロスコープが提供される。その共振器光ファイバージャイロスコープは、第1のレーザービーム伝搬方向のための第1の共振周波数と、第2のレーザービーム伝搬方向のための第2の共振周波数とを有する検知共振器と;検知共振器の出力に結合され、検知共振器から出力される信号の輝度を変調するように構成される輝度変調器であって、その輝度変調器は、輝度変調周波数において出力信号を変調する、輝度変調器と;輝度変調器の出力に結合され、輝度変調器から出力される輝度変調された信号を共振追跡変調周波数において復調し、第1の復調された信号を生成するように構成される共振追跡電子回路とを備え、共振追跡電子回路は、第1の復調された信号を輝度変調周波数において復調するようにさらに構成され、輝度変調周波数は、共振追跡変調周波数とは異なる。
【0005】
図面が例示的な実施形態のみを示しており、それゆえ、範囲を制限するものと見なされるべきではないことを理解した上で、例示的な実施形態が、添付の図面を用いて、さらに具体的に、かつ詳細に説明される。
【図面の簡単な説明】
【0006】
【図1】システムの一実施形態のブロック図である。
【図2】共振器光ファイバージャイロスコープの一実施形態のブロック図である。
【図3】共振器追跡電子回路の一実施形態のブロック図である。
【図4】共振器光ファイバージャイロスコープ内の回転速度を測定するための信号対雑音比を高める方法の一実施形態の流れ図である。
【発明を実施するための形態】
【0007】
一般的に行なわれているように、示される種々の機構は縮尺通りに描かれるのではなく、本発明に関連する特徴を強調するように描かれる。
以下の詳細な説明では、本明細書の一部を形成する添付の図面が参照され、図面には、一例として、具体的な例証となる実施形態が示される。しかしながら、他の実施形態を利用することができること、並びに論理的、機械的及び電気的な変更を加えることができることは理解されたい。さらに、図面及び明細書において提示される方法は、個々の動作を実行することができる順序を制限するものと見なされるべきではない。それゆえ、以下の詳細な説明は、限定する意味に解釈されるべきではない。
【0008】
図1は、システム100の一実施形態のブロック図である。この実施形態では、システム100はナビゲーションシステムである。しかしながら、他の実施形態では、RFOG102は、限定はしないが、プラットフォーム安定化システム又はポインティングシステムのような、他のシステムにおいて用いることができることは理解されたい。ナビゲーションシステム100は、共振器光ファイバージャイロスコープ(RFOG)102を備える。たとえば、いくつかの実施形態では、RFOG102は、慣性センサーユニットの一部として実装され、そのユニットは1つ又は複数のRFOG及び1つ又は複数の線形加速器を含む。RFOG102は、回転速度を測定し、回転速度を指示する信号を処理ユニット104に出力する。処理ユニット104は、RFOG102からの測定された回転速度を用いて、位置、向き、及び角速度のようなパラメーターを計算する。
【0009】
いくつかの実施形態では、処理ユニット104は、計算されたパラメーターを用いて、1つ又は複数のオプションのアクチュエーター106に出力される制御信号を計算する。たとえば、いくつの実施形態では、ナビゲーションシステム100は、無人車内に実装される。それゆえ、アクチュエーター106は、車両タイプに応じて実装される。たとえば、無人航空機では、アクチュエーター106は、ウイングフラップ、スラスターなどとして実装される。
【0010】
さらに、いくつかの実施形態では、処理ユニット104は、計算されたパラメーターを、オプションのディスプレイユニット108に出力する。たとえば、いくつかの実施形態では、ディスプレイユニット108は、RFOG102が配置される車両の地理的な位置、速度及び/又は向き(たとえば、ピッチ、ロール及び/又はヨー)を表示する。ディスプレイユニット108は、限定はしないが、種々のCRT、アクティブ及びパッシブマトリックスLCD、及びプラズマディスプレイユニットのような、任意の適切なディスプレイユニットとして実装することができる。
【0011】
RFOG102は、回転速度を測定するための信号対雑音比を高めるように構成される。詳細には、RFOG102は、共振器112の出力と、共振追跡電子回路114の入力との間に結合される輝度変調器110を含む。輝度変調器110は共振器出力光波上にシグネチャを配置し、共振器追跡電子回路114が、共振器出力信号と、電子的な干渉(electronic pickup)又は他のタイプの電子的な誤差発生源のような雑音とを区別できるようにする。詳細には、輝度変調器110は、共振器から出力される光の輝度又は振幅を所定の方法において変調し、それにより、共振追跡電子回路114が、電子的な雑音源によって引き起こされる信号変調と区別できるようにする。
【0012】
図2は、共振光ファイバージャイロスコープ202の1つの例示的な実施形態のブロック図であり、その共振光ファイバージャイロスコープは、回転検知共振器212の出力と共振追跡電子回路214との間に輝度変調器210を備える。詳細には、図2に示されるように、RFOG202は、共振器212の第1の出力とCW共振追跡電子回路214−1との間に結合される時計回り(CW)輝度変調器210−1と、共振器212の第2の出力とCCW共振追跡電子回路214−2との間に結合される反時計回り(CCW)輝度変調器210−2とを備える。
【0013】
RFOG202は、第1のレーザー源216−1及び第2のレーザー源216−2も備える。第1のレーザー源216−1は、共振器212に結合されており、共振器212を通って時計回りに伝搬する、CWレーザービームとも呼ばれる、周波数変調されたレーザービームを与える。本明細書において用いられるときに、用語「レーザービーム」、「光波」及び「光」は交換可能に用いられる。同様に、第2のレーザー源216−2も共振器212に結合されており、共振器212を通って反時計回りに伝搬する、CCWレーザービームとも呼ばれる、周波数変調されたレーザービームを与える。
【0014】
この実施形態では、第1のレーザー源216−1は、CWスレーブレーザー218−1及びCWビームスプリッター220−1を備える。CWビームスプリッター220−1は、CWレーザー218−1からの光を2つのビームに分割する。一方のレーザービームは回転検知共振器212に進み、他方のレーザービームはCWビームコンバイナー222−1に進む。CWビームコンバイナー222−1は、CWビームを、基準レーザービームの成分と合成する。詳細には、例示的なRFOG202は、基準レーザードライバー224を備えており、基準レーザードライバーが基準レーザー226を駆動する。基準レーザー226は基準レーザービームを生成し、そのレーザービームは、基準ビームスプリッター228によって2つのビームに分割される。基準ビームスプリッター228の一方の出力はCWビームコンバイナー222−1に進み、基準ビームスプリッター228の他方の出力はCCWビームコンバイナー222−2に進む。
【0015】
CWビームコンバイナー222−1は、CWレーザービームを、基準ビームスプリッター228からの基準レーザービームと光学的に混合する。その光学的な混合によって、CWビームコンバイナー222−1の出力において、輝度信号が生成される。その輝度信号の周波数は、CWと基準レーザービームとの間のビート周波数である。輝度信号は、CW位相同期ループ(PLL)前置増幅器(プリアンプ)230−1によって、電気信号に変換される。CW PLL231−1は、CW共振追跡電子回路214−1によって電子的に生成される基準周波数Δfcwによって決定される周波数オフセットで、CWスレーブレーザー218−1を基準レーザー226にロックする。CW PLL231−1は、CWレーザードライバー232−1を介して、CWレーザー周波数を制御し、CWと基準レーザーとの間のビート周波数を基準周波数Δfcwに保持する。
【0016】
回転検知共振器212に進むCWビームは、共振器212の共振周波数にロックされる。共振器CW共振周波数の中心を求めるために、CWビームの周波数が周波数変調される。変調されているために、検知共振器212のCW出力は、CWレーザービーム周波数と、CW共振周波数の中心周波数との間の周波数差を指示する信号である。CWレーザービーム周波数が共振周波数にあるときに、共振周波数における信号は、ゼロ振幅を通ることになる。CW共振追跡電子回路214−1は、共振器CW出力信号を変調周波数において復調し、CWレーザーが共振から外れている時点を指示する制御信号Δfcwを生成する。その制御信号は、CW共振追跡電子回路214−1内のサーボによって、CWレーザー218−1を共振周波数に制御するために用いられる。CW共振追跡電子回路214−1は、基準周波数として用いられるべき制御信号ΔfcwをCW PLL231−1に出力する。CW共振追跡電子回路214−1は、基準周波数Δfcwを制御することによって、CWレーザー周波数をCW共振周波数に保持する。
【0017】
第2のレーザー源216−2は第1のレーザー源216−1と同じように構成され、CCWレーザービームとも呼ばれる、共振器212を通って反時計回りに伝搬するレーザービームを与える。CCWレーザービームは、上記で検討したCWレーザービームと同じようにして制御されるが、基準レーザー周波数とのビート周波数Δfccwを有するように制御される。2つのビート周波数Δfcw及びΔfccwの大きさの差を取ることによって、回転速度が導出される。
【0018】
RFOG202は、電子的な干渉に起因する回転検知誤差を小さくするか、又は無くすように構成される。詳細には、この例では、RFOG202は、CWプリアンプ233−1及びCCWプリアンプ233−2を含み、それらのプリアンプは、それぞれの光共振器出力信号を電気信号に変換する。CWプリアンプ233−1及びCCWプリアンプ233−2の前にそれぞれ輝度変調器(IM)210−1及び210−2を配置することによって、CW共振器出力光輝度及びCCW共振器出力光輝度を変調して、共振器出力光波上にシグネチャを配置し、それにより、共振追跡電子回路214−1及び214−2が共振器出力信号と電子的な干渉とを区別できるようにする。
【0019】
たとえば、CW共振追跡電子回路141−1は、CW共振追跡変調周波数とは異なり、かつ調波の関係にない周波数においてCW輝度変調器210−1を駆動するCW輝度変調信号を生成する。こうして、CWプリアンプ233−1の入力における共振器出力信号は、共振追跡変調周波数と、輝度変調器(IM)変調周波数との間の和及び差周波数である。CWプリアンプ233−1は、輝度変調された光学信号を電気信号に変換する。たとえば、CWプリアンプ233−1は、光学信号を電気信号に変換するための光検出器を含むことができる。CCW共振追跡電子回路214−2及びCCW輝度変調器210−2も同じようにして動作することは理解されたい。さらに、いくつかの実施形態では、輝度変調器210−1の輝度変調周波数は、輝度変調器210−2の輝度変調周波数とは異なる。他の実施形態では、同じ輝度変調周波数を用いることができる。
【0020】
電子的な干渉は通常、共振追跡変調周波数において、又は輝度変調周波数において生じるが、和及び差周波数において無視できる成分を有する。共振追跡変調周波数と輝度変調周波数との間の和及び差周波数における成分を有するために、共振追跡周波数及び輝度変調周波数における電子的な干渉成分は、電子回路において或る非線形性と「混合」される、すなわち、乗算されなければならないであろう。電子的な干渉及び電子的な非線形性はいずれも通常小さいので、和及び差周波数における電子的な干渉は無視することができる。
【0021】
CW共振追跡電子回路214−1及びCCW共振追跡電子回路214−2は、和及び差周波数において共振出力信号を検出するように構成される。たとえば、CW共振追跡電子回路214−1及びCCW共振追跡電子回路214−2において、二重復調(double demodulation)技術を用いて、共振器出力信号と不要な電子的な干渉とを区別することができる。
【0022】
図3は、二重復調技術を用いる例示的な共振追跡電子回路314のブロック図である。共振追跡電子回路314は、図2に示されるプリアンプ233−1及び233−2のような、それぞれのプリアンプからの電気信号を調整する信号調整回路(signal conditioning circuit)334を含む。たとえば、信号調整回路334は、電子回路が飽和している場合にさらにアナログ利得を与えることができるようにするための不要信号のフィルタリングと、A/Dコンバーター336によってデジタル化される前のアンチエイリアシングフィルタリングとを含むことができる。デジタル化された後に、そのデジタル信号はデジタルシグナルプロセッサ338に進む。デジタルシグナルプロセッサ338は、たとえば、フィールドプログラマブルアレイ(FPGA)チップ、特定用途向け集積回路(ASIC)、又はマイクロプロセッサとして実装することができる。
【0023】
デジタルシグナルプロセッサ338は第1のデジタル信号波形発生器344を備えており、そのデジタル信号波形発生器は、共振追跡変調周波数における方形波を第1の復調器340に出力する。その方形波は、第1の復調器340のための基準周波数として用いられる。こうして、第1の復調器340は、共振追跡変調周波数において、信号調整回路334からの信号を復調する。
【0024】
また、デジタルシグナルプロセッサ338は、第2のデジタル信号波形発生器346も備える。第2のデジタル信号波形発生器は正弦波を生成し、その正弦波はデジタル/アナログコンバーター(DAC)348によって変換され、DACは、図2に示されるCW輝度変調器210−1及びCCW輝度変調器210−2のようなそれぞれの輝度変調器を駆動する。また、第2のデジタル信号波形発生器346は輝度変調周波数において方形波も生成し、その方形波は、第2の復調器342のための基準周波数として用いられる。こうして、第2の復調器342は、第1の復調器340から受信される信号を輝度変調周波数において復調する。輝度変調周波数は、共振追跡変調周波数と調波の関係にはないので、両方の復調器340及び342を通り抜けることになる唯一の信号は、共振追跡変調周波数と輝度変調周波数との間の和及び差周波数において生じている信号である。
【0025】
第2の復調器342の出力は、累算器350において近似的に積分される。累算器350の出力は第1の加算器352に結合される。第1の加算器352は、累算器350の出力と、第1のデジタル信号波形発生器344によって与えられる共振追跡変調周波数におけるデジタル正弦波とを加算する。その後、第1の加算器352の出力は、第2の加算器354において定数値と加算される。その定数値は、基準レーザーと、対応するスレーブレーザーとの間の公称ビート周波数を表す。復調器出力が0であるとき、定数値と加算される累算器350の出力は、対応するスレーブレーザーを検知共振器の個々の共振周波数に合わせる基準周波数の平均を表すデジタル値である。第2の加算器354の出力を用いて、ダイレクトデジタルシンセサイザー356において基準周波数を生成する。
【0026】
図4は、共振器光ファイバージャイロスコープにおいて回転速度を測定するための信号対雑音比を高める方法400の一実施形態の流れ図である。ブロック402において、共振器212のような、検知共振器から出力される光学信号の輝度が、輝度変調周波数において変調される。輝度変調周波数は、共振追跡変調周波数とは異なり、かつ調波の関係にない。したがって、光の輝度又は振幅は、信号を検出するために用いられる変調周波数とは異なる周波数において変調される。たとえば、検出されることになる信号が10KHzである場合には、輝度変調周波数は3KHzにすることができる。それゆえ、輝度変調は、3KHzの振幅変調を用いて、その光信号を10KHz信号になるように周波数シフトする。
【0027】
ブロック404において、輝度変調された電気信号が、輝度変調周波数及び共振追跡変調周波数において復調される。いくつかの実施形態では、輝度変調された電気信号は、最初に、共振追跡変調周波数において復調され、第1の復調された信号が生成される。第1の復調された信号は、その後、輝度変調周波数において復調される。たとえば、上記の例示的な値を用いるとき、輝度変調された信号を10KHzの共振追跡変調周波数において復調する結果として、直流(DC)信号ではなく、3KHzの変調周波数を有する信号が生成される。その後、3KHzの信号を3KHzの輝度変調周波数において復調する結果として、回転を検出するために用いることができるDC信号が生成される。
【0028】
輝度変調周波数は、共振追跡変調周波数とは異なり、かつ調波の関係にはないので、この実施形態では、共振追跡変調、又は輝度変調のいずれかとコヒーレントである電子的な雑音が二重復調によって遮断される。たとえば、電子的な干渉雑音のような雑音は通常、10KHzであるか、3KHzであるかのいずれかであるが、この例では、周波数は調波の関係にはないので、その両方ではない。雑音が10KHzである場合には、第1の復調は、3KHzまでではなく、DCまでの雑音を復調することになる。その後、第2の復調は任意のDCを遮断するので、その雑音を遮断する。雑音が3KHzである場合には、第1の復調は10KHzであるので、その第1の復調は7KHzにおいて雑音を与えるであろう。その後、7KHz雑音信号は、3KHzにおける第2の復調によって遮断される。なぜなら、それらの2つの周波数は調波の関係にはないためである。
【0029】
上記の説明は、共振追跡変調周波数において復調するが、他の実施形態では、復調順序は逆である。詳細には、輝度変調された電気信号が最初に輝度変調周波数において復調され、第1の復調された信号が生成される。その後、第1の復調された信号が共振追跡変調周波数において復調される。
【0030】
ブロック406において、二重復調された信号を用いて、回転速度に関連する信号を生成する。たとえば、上記のように、いくつかの実施形態では、二重復調された信号が積分され、その後、共振追跡変調周波数における正弦波と加算される。その後、加算された信号は、個々のレーザー源と基準レーザーとの間の公称ビート周波数を表す定数値と再び加算される。
【0031】
本明細書において具体的な実施形態が図示及び説明されてきたが、同じ目的を達成するように意図される任意の構成を、図示される具体的な実施形態の代わりに用いることができることは、当業者には理解されよう。たとえば、輝度変調周波数及び共振追跡変調周波数は、本明細書において、調波の関係にないものと説明されるが、他の実施形態では、それらの周波数は調波の関係を有することができる。それゆえ、本発明は特許請求の範囲及びその均等物によってのみ制限されることが明らかに意図される。

【特許請求の範囲】
【請求項1】
第1の周波数を有する第1のレーザービームを生成するように構成される第1のレーザー源(216−1)と、
第2の周波数を有する第2のレーザービームを生成するように構成される第2のレーザー源(216−2)と、
前記第1のレーザー源に結合される第1の入力と、前記第2のレーザー源に結合される第2の入力とを有する検知共振器(212)であって、前記第1のレーザービームが該検知共振器を通って第1の方向に伝搬し、前記第2のレーザービームが該検知共振器を通って第2の方向に伝搬するようにする、検知共振器と、
前記第1のレーザービームが共振外れである時点を指示する第1の制御信号を生成するように構成される第1の共振追跡電子回路(RTE)(214−1)と、
前記第2のレーザービームが共振外れである時点を指示する第2の制御信号を生成するように構成される第2の共振追跡電子回路(RTE)(214−2)と、
前記検知共振器の第1の出力と前記第1の共振追跡電子回路の入力との間に結合される第1の輝度変調器(210−1)であって、前記第1の共振追跡電子回路が前記検知共振器の前記第1の出力からの信号と電子的な雑音とを区別できるように、該第1の輝度変調器は、第1の輝度変調周波数において前記検知共振器の前記第1の出力からの信号の輝度を変調するように構成され、前記第1の輝度変調周波数は前記第1のRTEの共振追跡変調周波数とは異なる、第1の輝度変調器と、
前記検知共振器の第2の出力と前記第2の共振追跡電子回路の入力との間に結合される第2の輝度変調器(210−2)であって、前記第2の共振追跡電子回路が前記検知共振器の該第2の出力からの信号と電子的な雑音とを区別できるように、該第2の輝度変調器は、第2の輝度変調周波数において前記検知共振器の前記第2の出力からの信号の輝度を変調するように構成され、前記第2の輝度変調周波数は前記第2のRTEの共振追跡変調周波数とは異なる、第2の輝度変調器と
を備える、光ファイバージャイロスコープ(202)。
【請求項2】
回転速度を測定するように構成される共振器光ファイバージャイロスコープ(102)と、
前記共振器光ファイバージャイロスコープに結合され、前記共振器光ファイバージャイロスコープによって測定される前記回転速度に基づいて計算を実行するように構成される処理ユニット(104)と、
を備え、
前記共振器光ファイバージャイロスコープは、
第1のレーザービーム伝搬方向のための第1の共振周波数と、第2のレーザービーム伝搬方向のための第2の共振周波数とを有する検知共振器(112)と、
前記検知共振器の出力に結合され、前記検知共振器から出力される信号の輝度を変調するように構成される輝度変調器(110)であって、該輝度変調器は、輝度変調周波数において出力信号を変調する、輝度変調器と、
前記輝度変調器の出力に結合され、前記輝度変調器から出力される前記輝度変調された信号を共振追跡変調周波数において復調し、第1の復調された信号を生成するように構成される共振追跡電子回路(114)であって、該共振追跡電子回路は、前記第1の復調された信号を前記輝度変調周波数において復調するようにさらに構成され、前記輝度変調周波数は前記共振追跡変調周波数とは異なる、共振追跡電子回路と、
を備える、システム。
【請求項3】
共振器光ファイバージャイロスコープ内で回転速度を測定するための信号対雑音比を高める方法(400)であって、
検知共振器から出力される信号の輝度を変調するステップ(402)であって、該輝度は、共振追跡変調周波数とは異なる輝度変調周波数において変調される、変調するステップと、
前記輝度変調された信号を前記輝度変調周波数において、かつ前記共振追跡変調周波数において復調するステップ(404)であって、二重変調された信号を生成する、復調するステップと、
前記二重復調された信号に基づいて回転速度に関連する信号を生成するステップ(406)と
を含む方法。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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