JPH02193013A - 光ファイバ測定装置、ジャイロメータ、集中航法システムおよび慣性安定化システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野］ 本発明は、サニヤックリング干渉計において不可逆性の
外乱を発生させるパラメータの変動を測定することが可
能な光ファイバ測定装置に関する。

〔従来の技術〕

サニヤック干渉計およびそれが利用する物理的現象は良
く知られている。このような干渉計では、ビームスプリ
ッタまたはその他の分割装置が入射波を分割する。これ
によって発生する２つの光波は、閉じた光路に沿って互
いに逆方向に伝播し、再び結合し、干渉を生ずる。この
干渉は、２つの光波の再結合における移相の影響を受け
る。

従来、サニヤック干渉計の閉じた光路はミラーで区画さ
れていた。しかし現在では、単モード光ファイバの多重
巻きコイルによってこの光路を形成できることが知られ
ている。

ある物理現象は、互いに逆方向に伝播する波に外乱、特
に移相を発生させることが知られている。

これら移相は不可逆性であり、前記逆方向に伝播する波
の相対移相を増加させる。これら波は再結合においてそ
の干渉状態を変化させる。

この相対移相を測定することにより、当該移相の増加を
引き起こした物理現象を定量化することができる。

このような不可逆性の外乱を発生させ得る基本的な物理
現象はサニヤック効果である。このサニヤック効果は、
閉じた光路が形成する面に直交する軸を中心として干渉
計を回転させると発生する。

ファラデー効果または共直線磁気光学効果も同様に前記
の不可逆効果を発生することが知られている。これは例
えばケーボーム（Ｋ、ＢＯＨＭ）によるオブティックレ
ターズ（Ｏｐｔｉｃ　Ｌｅｔｔｅｒｓ）（１９８２年４
月第７巻４号１８０〜１８２ページ）の記事に説明され
ている。ある条件下では、他の効果も不可逆移相を引き
起こす。

一方、環境条件を代表する多くのパラメータの変化も測
定の外乱を増加することが多い。しかしこれらはサニヤ
ック干渉計に対して可逆的な効果を及ぼすだけであり、
互いに逆方向に伝播する光波間の相対移相を乱すことは
ない。したがって、調査対象のパラメータの測定に影響
を与えることはない。これは、温度やインデックス等の
緩やかな変化も同じであり、これらは光波の通る光路を
変化させるもののその変化は可逆的である。

前記した測定装置の測定感度と測定精度を向上させるた
め、多くの方法が行われてきた。これらは例えば英国特
許第２，１５２．２０７号やエレクトロニクスレターズ
（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒｓ）（１９８
３年１１月第１９巻２３号９９７〜９９９ヘージのケー
ボーム（Ｘ、ＢＯＨＭ）による記事）に開示されている
。

サニヤック干渉計の提供する応答は、 Ｐ＝Ｐｏ（１＋　ｃｏｓΔψ） の形式であり、この応答の感度は位相差Δψ−０に近く
、極めて低いことが分かっている。この感度を向上させ
るため、位相差変調を導入して例えば土π／２の振幅で
２乗することにより、動作点を変位させると共に周期信
号を発生させることが最初に提案された。この周期信号
の振幅は測定パラメータの正弦関数であるため、より大
きな感度と安定性を提供できる。

測定精度を向上するために次に提案されたのはゼロ方式
である。このゼロ方式は閉ループ動作とも呼ばれる。こ
の方式によるとフィードバック移相ΔφＡである補助移
相が適用され、これによって測定パラメータが発生する
移相ΔφＢを補償する。これら２つの移相ΔφＡおよび
ΔφＢの合計をゼロに維持する。これにより干渉計を最
高精度で動作させることができる。測定はフィードバッ
ク移相ΔφＡを発生させるために必要な信号を使用して
行われる。このため測定は安定であり線型である。

各時間Ｔにおいて高さΔφＡの位相進行を発生させるこ
とにより制御を実現できる。ｔはコイル中における伝播
時間である。該コイルの各端部に単数または複数の位相
変調器を配置する。

欧州特許箱ＥＰ０．１６８，２９２号は前記したような
測定装置を開示している。この装置によれば、測定パラ
メータの変化によって発生する信号は、検出器の出力信
号を変化させる。この変化の振幅はアナログ同期検出用
回路によって抽出される。この回路はＤＩＰ　（微分積
分比例）フィルタによるアナログ処理の後、従来のよう
に制御ループの安定を確保する。位相進行のデジタル値
ΔφＡはアナログ／デジタル変換器によって与えられる
。このデジタル値は前記補償を確実にするために導入さ
れるものである。また制御信号発生器が追加配置される
。この制御信号発生器の目的はデジタル傾斜を段階的に
形成することである。最後にデジタル／アナログ変換器
が設けられ、前記位相変調器から戻る駆動信号を前記傾
斜に基づき発生する。

〔発明が解決しようとする課題〕

最高測定感度と精度を得る上で前記従来装置はいくつか
の短所を有する。

すなわちアナログ同期検出（復調とも呼ばれる）は一般
に出力においてゼロ点移動を伴うので、これが測定誤差
に反映してしまう。

また装置の構成に必要なアナログ／デジタル変換器は、
補償移相を直接に処理できなければならない。これは、
入力信号の最大振幅に応じて多数のビットを必要とする
。このため、実用上の測定精度を制限しないようにする
には、アナログ／デジタル変換器は１８ビット程度の多
数のビットを有さねばならない。

本発明の目的は、単モード光ファイバを内蔵するサニヤ
ックリング干渉計を基本とした測定装置の精度と感度を
向上させることである。

本発明の他の目的は、前記測定装置におけるあらゆるゼ
ロ点移動を克服することである。

本発明のさらに他の目的は、さほど精巧でないアナログ
／デジタル変換器を用いて、従来装置と同等またはそれ
以上の測定品質を提供することである。

〔課題を解決するための手段、および作用〕これら目的
を達成するため、本発明の提供する光ファイバ測定装置
は、パラメータの変化が位相差を生ずるタイプの測定装
置であり、準単色光源と、単モード光ファイバを内蔵す
るサニヤックリング干渉計と、検出器と、前記光源と前
記干渉計との間に配置された位相変調器および偏光器と
、電子的手段とを備える。この電子的手段は、前記検出
器から受け取る信号を関数として前記位相変換器をフィ
ードバック制御する。この制御は、ゼロに近い位相差の
関数としての復調エラー信号の変動が正弦波となるよう
にすると共に、前記位相差をゼロに維持するように行わ
れる。また、前記変調器の制御信号を使用して測定パラ
メータの変動の関数である信号を供給するように制御が
行われる。

このような装置において、前記電子的手段は、前記検出
器が発生する信号をデジタル化するためのアナログ／デ
ジタル変換器と、前記アナログ／デジタル変換器が供給
する信号を使用してその成分を連続的な変調周波数に減
少させるデジタル処理装置と、前記デジタル処理装置か
ら信号を受け取り測定パラメータを表す信号を供給する
制御ループデジタルフィルタと、前記制御ループデジタ
ルフィルタから信号を受け取り測定パラメータの関数で
ある信号を供給して外部利用に供するレジスタと、前記
レジスタから信号を受け取り測定パラメータの関数であ
るデジタル傾斜信号を発生する累算器と、前記累算器か
ら傾斜信号としてのフィードバック信号を受け取って前
記位相変調器を制御するデジタル／アナログ変換器とを
備える。

本発明のさらに他の目的は、前記した測定装置に基づく
ジャイロメータを提供することである。

このジャイロメータにおける測定パラメータは軸を中心
に回転する干渉計の回転速度である。

本発明のさらに他の目的は、前記したジャイロメータを
少なくとも１台備えた集中慣性安定システムまたは航法
システムを提供することである。

（実施例〕 図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明する。

本発明の光ファイバ測定装置は準単色光源１を備える。

この光源１はレーザまたは超発光ダイオードとすること
が多い。前記測定装置はさらにサニヤックリング干渉計
２を備える。この干渉計は単モードの光ファイバを内蔵
する。

リング干渉計２はビームスプリッタ３を備える。

このビームスプリッタ３は、干渉計２の入口において光
波を確実に分割すると共に、干渉計２の出口においてそ
れら光波を再結合する。干渉計２はさらに閉じた光路４
を備える。光路４は巻き重ねた単モード光ファイバから
なる。

本発明の測定装置はさらに検出器５を備える。

検出器５は、干渉計２の出口における光波の干渉状態の
関数である信号を供給する。

検出器５にはビームスプリッタ６から光信号が与えられ
る。ビームスプリッタ６は例えば半透明板である。

光波の再結合において該光波が平行となるように干渉計
２を調整すれば、検出器５が供給する信号は前記２つの
光波間の移相の関数となる。

干渉計２の光路には変調器７が介在する。変調器７は電
気信号で制御され、２つの光波間の与えられた移相を導
入できる。干渉計２の動作を向上させるため、光源１と
閉じた光路４の入口すなわちビームスプリッタ３との間
に、偏光器８と空間周波数フィルタ９とを介在させる。

この空間周波数フィルタ９は単モード光ファイバで構成
する。

以下の説明において「移相」および「位相差」の各語は
区別せずに使用するが、共に干渉計２において発生する
物理的効果を意味するものである。

電子的手段１０は、検出器５から受け取る信号を関数と
して位相変調器７をフィードバック制御する。

前記電子的手段１０は、２つの光波間において発生する
ゼロに近い位相進行差の関数としての復調エラー信号の
変動が正弦波となるように設計されている。この構成は
、得られるゼロに近い位相進行差に対応する復調エラー
信号の変動に対して極めて良好な感度を可能にする。容
易に理解できることだが、位相差に対する信号の依存が
余弦波形状であれば、ゼロに近い位相差に対する感度は
非常に低い。

また、前記電子的手段１０は、位相差をゼロに保持する
機能も提供する。すなわち、測定パラメータの変動が、
干渉計２における２つの光波間に移相をもたらす場合、
この移相は検出器５が発生する信号を変動させる。する
と、電子的手段１０と移相変調器７とを介して、最初に
発生した移相と等しくかつ反対方向である動作が伴われ
、それらの合計移相がゼロ値へと減少するようになる。

さらに、前記電子的手段１０は、位相変調器７０制御信
号を使用することにより、測定パラメータの変動の関数
である信号を提供する。

本発明に基づく電子的手段ｌＯは、検出器５が出力する
信号をデジタル化するためのアナログ／デジタル変換器
１１を備える。この変換器１１が出力するデジタル信号
はデジタル処理装置１２に送られる。

デジタル処理装置１２は、この信号の成分を連続する変
調周波数に減少させ、意味のある信号のみを抽出する。

本発明の特徴は、信号のデジタル処理を行う前に、検出
器５の出力信号をデジタル化することである。

前記電子的手段１０は制御ループデジタルフィルタ１３
を備える。このフィルタ１３はデジタル処理装置１２か
ら低周波数信号を受け取り、エラーの少ない応答時間の
短い制御安定性の良好な動作を確保する。フィルタ１３
は測定パラメータを代表する信号を供給する。

電子的手段ｌＯはさらにレジスタ１４を備える。レジス
タ１４はデジタルフィルタ１３から信号を受け取り、測
定パラメータの関数である信号を供給してあらゆる所望
の外部利用に供する。

累算器１５はレジスタ１４から信号を受け取り、測定パ
ラメータの関数であるフィードバック信号を発生する。

このフィードバック信号は、測定パラメータの関数であ
るデジタル傾斜信号１７であることが好ましい。デジタ
ル加算器１８により変調信号を加算した後、デジタル／
アナログ変換器１６は累算器１５からの傾斜信号１７を
受け取り位相変調器７を制御する。

本発明の測定装置の動作は次の通りである。測定パラメ
ータが安定である場合、電子的制御手段１０は、位相変
調器７を介して閉じた光路４内の互いに逆方向に伝播す
る光波間の移相の一定振幅変調を導入する。このため検
出器５は変調信号を発生する。この変調信号は変換器１
１によってデジタル化され、次にデジタル処理装置１２
によって処理される。デジタル処理装置１２はゼロ信号
を累算器１５に供給してレジスタ１４を一定値に維持す
る。これにより傾斜信号１７はその状態に維持され、変
調器７に供給される信号も維持される。このようにして
この状態が安定であることが確認される。

測定パラメータが変動すると、閉じた光路４における互
いに逆方向に伝播する光波間の安定状態に対応する周期
的移相に一定の移相が重なる。これに応じて検出器５は
信号を供給し、その信号は変換器１１によってデジタル
化され、デジタル処理装置１２によって処理され、ゼロ
とは異なるレベルを有するようになる。そしてこの信号
は累算器１５に供給されると共にレジスタ１４を変化さ
せる。この変化は累算器１５が発生する傾斜信号を変化
させるので、変調器７によって導入される移相が減少す
る。この結果、閉じた光路４の出力における互いに逆方
向に伝播する光波間の移相が減少してゼロになる。ただ
し前記した周期的変調は当該減少の影響を受けない。

以上の説明で分かるように、本発明においては、デジタ
ル処理の前にサンプリングを行う。このサンプリングは
測定パラメータの変動の関数であってかつ該パラメータ
の絶対値の関数ではない信号に対して行われる。このた
め、サンプラーを利用して例えば８ビットに限定したビ
ット数の処理が可能となると同時に、測定の精度と品質
とを維持することが可能となる。

本発明の好適実施例に基づくデジタル処理装置１２は、
デジタル化されたサンプルを２種類に分類し、デジタル
平均値を生成し、それらを比較してエラー信号を取り出
す。この構成はゼロ点移動を防止する。これは信号のデ
ジタル処理の前に該信号をデジタル化することで可能と
なる。

このゼロ点移動の中性化は、ゼロ点移動に極めて敏感で
ある長期間の測定パラメータの積分を頻繁に行うような
測定装置において極めて重要である。

第３図は、傾斜信号および２乗変調１７のデジタル加算
を示す図である。この加算は、位相変調器７を制御する
ために電子的手段１０によって形成される駆動信号を構
成するものである。また前記デジタル加算は測定パラメ
ータが一定である状態で行われる。第３図のグラフにお
いて、横軸は時間を表し縦軸は移相を表す。測定パラメ
ータの値は、２乗関数の連続する２つの期間の間に存在
する移相の関数である。前記グラフの右側部分は、傾斜
信号の発生において使用されるレジスタのオーバフロー
における現象を表す。

本発明の好適実施例に基づく測定装置の特徴は、約２０
０　ｍの長さの光ファイバに対して前記サンプラーが約
Ｉ　Ｍ）Ｉｚの周波数で動作することである。

このような条件下で、本発明の装置は、サンプリング変
動の減少を可能にし、例えば８ビットアナログ／デジタ
ル変換器の使用を可能にする。また、測定パラメータの
値を保持するレジスタ１４のサイズは約１７〜２６ビッ
トであり、そのサイズに対応した精度を確保する。

このサイズのレジスタはその構成にほとんど制約がない
。この理由は、ワイヤード論理に基づき複数の加算器で
それを構成できるからである、例えば複数のパラレル８
ビット加算器でそれを構成することができる。

本発明の測定装置は特にジャイロメータを構成するため
に適している。この場合、測定パラメータは、軸を中心
として回転する干渉計の回転速度である。

このジャイロメータは、慣性安定システムまたは航法制
御システムの構成に採用すると有効である。

またこのような構成は、ファラデー効果を利用した磁界
および電流の測定装置を構成する上で極めて適している
。

【図面の簡単な説明】

第１図は、サニヤックリング干渉計に基づく測定装置を
示す図、 第２図は、本発明に基づ（信号デジタル処理用電子的手
段を示す図、および 第３図は、特定の傾斜条件におけるフィードバック信号
および２乗変調信号をデジタル加算し変換を行った結果
のアナログ変調信号を示す図である。 １・・・準単色光源、 ２・・・サニヤックリング干渉計、 ３・・・ビームスプリッタ、４・・・閉じた光路、５・
・・検出器、　　　　　　６・・・ビームスプリフタ、
７・・・位相変調器、　　　８・・・偏光器、９・・・
空間周波数フィルタ、 １０・・・電子的手段、 １１・・・アナログ／デジタル変換器（サンプラ）、１
２・・・デジタル処理装置、 １３・・・ｔｔ＋Ｉ］　ｑＤル−プデジタルフイルり、
１４・・・レジスタ、　　　　１５・・・累算器、１６
・・・デジタル／アナログ変換器、１７・・・デジタル
傾斜信号、１８・・・デジタル加算器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、準単色光源（１）と、 単モード光ファイバを内蔵したサニヤックリング干渉計
   （２）と、 検出器（５）と、 位相変調器（７）と、 前記光源（１）と前記干渉計（２）との間に配置された
   偏光器（８）および空間周波数フィルタ（９）と、 前記検出器（５）から受け取る信号を関数として前記位
   相変調器（７）をフィードバック制御し、ゼロに近い位
   相差の関数である復調エラー信号の変動を正弦波にし、
   前記位相差をゼロに維持し、前記変調器の制御信号を利
   用して測定パラメータの変動の関数である信号を提供す
   る電子的手段（１０）とを備え、 前記電子的手段（１０）が、 前記検出器（５）が供給する信号をデジタル化するため
   のアナログ／デジタル変換器（サンプラ）（１１）と、 前記変換器（１１）が供給する信号を利用して該信号の
   成分を連続する変調周波数に減少させるデジタル処理装
   置（１２）と、 前記デジタル処理装置（１２）から信号を受け取り測定
   パラメータを代表する信号を供給する制御ループデジタ
   ルフィルタ（１３）と、 前記制御ループデジタルフィルタ（１３）から信号を受
   け取り測定パラメータの関数である信号を供給してあら
   ゆる外部利用に供するレジスタ（１４）と、 前記レジスタ（１４）から信号を受け取り測定パラメー
   タの関数であるフィードバック信号を発生する累算器（
   １５）と、 前記累算器（１５）からフィードバック信号を受け取り
   前記位相変調器（７）を制御するデジタル／アナログ変
   換器（１６）とを備えることを特徴とする、パラメータ
   の変動が位相差を発生させるタイプの光ファイバ測定装
   置。 ２、前記デジタル処理装置（１２）が、デジタル化され
   たサンプルを２種類に交互に分類し、それらの平均値を
   形成し、該平均値を比較してエラー信号を取り出すこと
   を特徴とする請求項１に記載の測定装置。 ３、前記フィードバック信号がデジタル傾斜信号（１７
   ）であって該傾斜信号の傾斜が測定パラメータの関数で
   あることを特徴とする、請求項２に記載の測定装置。 ４、前記アナログ／デジタル変換器（サンプラ）（１１
   ）が、約２００ｍの長さの光ファイバに対して、１μｓ
   のサンプリング時間に対応する約１ＭＨｚの周波数にお
   いて動作することを特徴とする、請求項１〜３のいずれ
   かに記載の測定装置。 ５、前記レジスタ（１４）が１７〜２６ビットを有し、
   前記アナログ／デジタル変換器（サンプラ）が７〜９ビ
   ットを有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか
   に記載の測定装置。 ６、準単色光源（１）と、 単モード光ファイバを内蔵したサニヤックリング干渉計
   （２）と、 検出器（５）と、 前記光源（１）と前記干渉計（２）との間に配置された
   偏光器（８）および空間周波数フィルタ（９）と、 前記検出器（５）から受け取る信号を関数として前記位
   相変調器（７）をフィードバック制御し、ゼロに近い位
   相差の関数である復調エラー信号の変動を正弦波にし、
   前記位相差をゼロに維持し、前記変調器の制御信号を利
   用して、リングの平面に直交する軸を中心として回転す
   る前記干渉計の回転速度の関数である信号を提供する電
   子的手段（１０）とを備え、 前記電子的手段（１０）が、 前記検出器（５）が供給する信号をデジタル化するため
   のアナログ／デジタル変換器（サンプラ）（１１）と、 前記変換器（１１）が供給する信号を利用して該信号の
   成分を連続する変調周波数に減少させるデジタル処理装
   置（１２）と、 前記デジタル処理装置（１２）から信号を受け取り回転
   速度を代表する信号を供給する制御ループデジタルフィ
   ルタ（１３）と、 前記制御ループデジタルフィルタ（１３）から信号を受
   け取り回転速度の関数である信号を供給してあらゆる外
   部利用に供するレジスタ（１４）と、前記レジスタ（１
   ４）から信号を受け取り回転速度の関数であるフィード
   バック信号を発生する累算器（１５）と、 前記累算器（１５）からフィードバック信号を受け取り
   前記位相変調器（７）を制御するデジタル／アナログ変
   換器（１６）とを備えることを特徴とする、光ファイバ
   ジャイロメータ。 ７、準単色光源（１）と、 単モード光ファイバを内蔵したサニヤックリング干渉計
   （２）と、 検出器（５）と、 前記光源（１）と前記干渉計（２）との間に配置された
   偏光器（８）および空間周波数フィルタ（９）と、 前記検出器（５）から受け取る信号を関数として前記位
   相変調器（７）をフィードバック制御し、ゼロに近い位
   相差の関数である復調エラー信号の変動を正弦波にし、
   前記位相差をゼロに維持し、前記変調器の制御信号を利
   用して、リングの平面に直交する軸を中心として回転す
   る前記干渉計の回転速度の関数である信号を提供する電
   子的手段（１０）とを備え、 前記電子的手段（１０）が、 前記検出器（５）が供給する信号をデジタル化するため
   のアナログ／デジタル変換器（サンプラ）（１１）と、 前記変換器（１１）が供給する信号を利用して該信号の
   成分を連続する変調周波数に減少させるデジタル処理装
   置（１２）と、 前記デジタル処理装置（１２）から信号を受け取り回転
   速度を代表する信号を供給する制御ループデジタルフィ
   ルタ（１３）と、 前記制御ループデジタルフィルタ（１３）から信号を受
   け取り回転速度の関数である信号を供給してあらゆる外
   部利用に供するレジスタ（１４）と、前記レジスタ（１
   ４）から信号を受け取り回転速度の関数であるフィード
   バック信号を発生する累算器（１５）と、 前記累算器（１５）からフィードバック信号を受け取り
   前記位相変調器（７）を制御するデジタル／アナログ変
   換器（１６）とを備える光ファイバジャイロメータを少
   なくとも１台備えた慣性安定システムまたは航法制御シ
   ステム。 ８、準単色光源（１）と、 単モード光ファイバを内蔵したサニヤックリング干渉計
   （２）と、 検出器（５）と、 位相変調器（７）と、 前記光源（１）と前記干渉計（２）との間に配置された
   偏光器（８）および空間周波数フィルタ（９）と、 前記検出器（５）から受け取る信号を関数として前記位
   相変調器（７）をフィードバック制御し、ゼロに近い位
   相差の関数である復調エラー信号の変動を正弦波にし、
   前記位相差をゼロに維持し、前記変調器の制御信号を利
   用して測定パラメータの変動の関数である信号を提供す
   る電子的手段（１０）とを備え、 前記電子的手段（１０）が、 前記検出器（５）が供給する信号をデジタル化するため
   のアナログ／デジタル変換器（サンプラ）（１１）と、 前記変換器（１１）が供給する信号を利用して該信号の
   成分を連続する変調周波数に減少させるデジタル処理装
   置（１２）と、 前記デジタル処理装置（１２）から信号を受け取り測定
   パラメータを代表する信号を供給する制御ループデジタ
   ルフィルタ（１３）と、 前記制御ループデジタルフィルタ（１３）から信号を受
   け取り測定パラメータの関数である信号を供給してあら
   ゆる外部利用に供するレジスタ（１４）と、 前記レジスタ（１４）から信号を受け取り測定パラメー
   タの関数であるフィードバック信号を発生する累算器（
   １５）と、 前記累算器（１５）からフィードバック信号を受け取り
   前記位相変調器（７）を制御するデジタル／アナログ変
   換器（１６）とを備えることを特徴とする、位相進行差
   がファラデーの効果に基づきおよび測定パラメータによ
   って変動するタイプの光ファイバを内蔵した電流および
   磁界センサ。