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JPS61283812A - Optical fiber gyroscope having wide dynamic range - Google Patents

Optical fiber gyroscope having wide dynamic range

Info

Publication number
JPS61283812A
JPS61283812A JP60124262A JP12426285A JPS61283812A JP S61283812 A JPS61283812 A JP S61283812A JP 60124262 A JP60124262 A JP 60124262A JP 12426285 A JP12426285 A JP 12426285A JP S61283812 A JPS61283812 A JP S61283812A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
optical fiber
phase difference
output
light
circuit
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP60124262A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JPH0323844B2 (en
Inventor
Kozo Ono
公三 小野
Yozo Nishiura
洋三 西浦
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Original Assignee
Agency of Industrial Science and Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Agency of Industrial Science and Technology filed Critical Agency of Industrial Science and Technology
Priority to JP60124262A priority Critical patent/JPS61283812A/en
Publication of JPS61283812A publication Critical patent/JPS61283812A/en
Publication of JPH0323844B2 publication Critical patent/JPH0323844B2/ja
Granted legal-status Critical Current

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  • Gyroscopes (AREA)

Abstract

PURPOSE:To make it possible to obtain stable output over a wide dynamic range, by providing a zero method servo circuit and outputting a phase difference signal corresponding to phase difference generated in a sensor coil. CONSTITUTION:An optical fiber gyroscope is constituted of a light emitting element 32, a light receiving element 36, an optical fiber 42 having parts respectively connected to a sensor coil 44 and phase modulators 46, 48 and a zero method servo circuit consisting of a substraction circuit 66, an integrating circuit 68, a voltage control oscillation circuit 70 and a wave form shaping circuit 76. By this constitution, phase difference due to rotation received by the sensor coil 44 can be determined from the control voltage of the zero method servo circuit but not from the output itself of the light receiving element 36. Therefore, corresponding to the phase difference generated in the sensor coil 44, the output of the light receiving element 36 can be outputted as a phase difference signal when the phase difference is small and the voltage of the zero method servo circuit can be outputted as the phase difference signal when the phase difference is large.

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、光ファイバジャイロに関するものであり、更
に詳述するならば、位相変調方式光ファイバジャイロに
関するものである。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION Field of the Invention The present invention relates to an optical fiber gyro, and more specifically to a phase modulation type optical fiber gyro.

従来の技術 現在、航空機、飛翔体、自動車、ロボットなどのナビゲ
ーションや姿勢制御のための角速度センサとしてジャイ
ロが使用されている。このジャイロを使用すれば、角速
度だけでなく、それを積分することにより方位などのデ
ータも得ることができる。
BACKGROUND OF THE INVENTION Currently, gyros are used as angular velocity sensors for navigation and attitude control of aircraft, flying objects, automobiles, robots, and the like. By using this gyro, you can obtain not only angular velocity but also data such as orientation by integrating it.

そのようなジャイロの中で、光ファイバジャイロは、光
及びその光が伝搬する光ファイバが磁界や電界の影響を
受は難いため、シールドの問題なくどのような環境でも
使用でき、また、可動部が全くなく且つ小型化が可能で
あり、更に、最小検出可能角速度(感度)、・ドリフト
、可測範囲(ダイナミックレンジ)、スケールファクタ
の安定性の点において、従来のジャイロに比較して優れ
ているために、近年注目され開発されている。
Among such gyros, optical fiber gyros can be used in any environment without shielding problems because the light and the optical fiber through which the light propagates are not easily affected by magnetic fields or electric fields. It is superior to conventional gyros in terms of minimum detectable angular velocity (sensitivity), drift, measurable range (dynamic range), and scale factor stability. Because of this, it has attracted attention and development in recent years.

そのような光ファイバジャイロの例は、例えば、ギヤロ
レンジテー、ジー0、ブカロジェー、ニー。
Examples of such fiber optic gyros are, for example, Gearo Range Tee, G0, Bucaloge, and Nie.

他「光フアイバセンサ技術」 アイ イーイーイージャ
ーナルオブカンタムエレクトロニクス(Giallor
enzi T、G、、 Bucaro J、A、 et
 al ”0pticalFiber  5ensor
  Technology″、  1888  J、 
 of  Quantumelectronics) 
QB−18,Na4. pp626−662(1982
)やタラショウ及びアイ、ピー、ギレス「光ファイバジ
ャイロスコープ」ジャーナルオブフィジクスエレクトロ
ニクスサイエンスインストルメント(Culshawa
nd 1.P、G11es“Fiber 0ptic 
Gyroscopes”J、Phys、B:Sci I
nstrum、 ) 16 pp5−15. (198
3)や、坪用、大塚「光ファイバジャイロスコープ」レ
ーザ研究、11. No、12. pp889−902
 (1983)などに詳しく示されている。
Other "Optical Fiber Sensor Technology" IEE Journal of Quantum Electronics (Giallor)
enzi T, G, Bucaro J, A, et
al”0pticalFiber 5ensor
Technology”, 1888 J,
of Quantum electronics)
QB-18, Na4. pp626-662 (1982
) and Tarasho and I.P. Gilles, "Optical Fiber Gyroscope" Journal of Physics Electronics Science Instruments (Culshaw
nd 1. P, G11es “Fiber 0ptic
Gyroscopes”J, Phys, B: Sci I
nstrum, ) 16 pp5-15. (198
3), Yo Tsubo, Otsuka "Optical Fiber Gyroscope" Laser Research, 11. No, 12. pp889-902
(1983) and others.

(a)  光ファイバジャイロの原理 ここで、光ファイバジャイロの原理を第8図を参照して
説明する。
(a) Principle of the optical fiber gyro The principle of the optical fiber gyro will now be explained with reference to FIG.

発光素子10からの光をビームスプリッタ12により分
割して、コイル状に多数回シングルモード光ファイバ1
8を巻回した光フアイバループすなわちセンサコイル2
0の両端に人力して、センサコイルン0に右回り(CW
)と左回り(CCW)に光を伝搬させる。そのとき、セ
ンサコイル20が角速度Ωで回転していると、右回り光
、左回り光に位相差Δθが生じ、Δθを測定することに
よって角速度Ωを検出するものである。
The light from the light emitting element 10 is split by the beam splitter 12, and the single mode optical fiber 1 is coiled many times.
Optical fiber loop wound with 8 or sensor coil 2
0 manually, rotate the sensor coil clockwise (CW) to both ends of 0.
) and counterclockwise (CCW). At this time, when the sensor coil 20 is rotating at an angular velocity Ω, a phase difference Δθ occurs between the clockwise light and the counterclockwise light, and the angular velocity Ω is detected by measuring Δθ.

センサコイル20の中を右回りに伝搬した光及び左回り
に伝搬した光の電界の強さEcw、Eccwは、次のよ
うに表される。
The electric field strengths Ecw and Eccw of the light that propagated clockwise and the light that propagated counterclockwise in the sensor coil 20 are expressed as follows.

但し、Er、Et:左回り光及び右回り光の振幅ω:光
の角周波数 t:時間 Δθ:サニャック効果による位相差 そのように位i目差Δθが生じた左回り光と右回り光と
をビームスプリッタ12で合成して、受光素子26に入
射する。その受光素子26の検出強度から、位相差Δθ
を知ることができる。その位相、差Δθは、次のように
表すことができる。
However, Er, Et: Amplitude of counterclockwise light and clockwise light ω: Angular frequency of light t: Time Δθ: Phase difference due to Sagnac effect. are combined by the beam splitter 12 and incident on the light receiving element 26. From the detection intensity of the light receiving element 26, the phase difference Δθ
can be known. The phase and difference Δθ can be expressed as follows.

 A 但し、L:センサコイルのファイバ長 a:センサコイルの半径 C:真空中の光速度□ λ:光の波長 Ω:回転角速度 これをサニヤック効果という。A However, L: fiber length of sensor coil a: radius of sensor coil C: Speed of light in vacuum □ λ: wavelength of light Ω: rotational angular velocity This is called the Sagnac effect.

位相差Δθの検出方法には多様なものがあり、様々なも
のが提案されている。
There are various methods of detecting the phase difference Δθ, and various methods have been proposed.

最も簡単に、左回り光、右回り光の和を、受光素子で二
乗検線すると、出力Iは、 I O: (1+cos(Δθ))−−−−(2)とい
う形になる。
Most simply, when the sum of the counterclockwise light and the clockwise light is squared using a light-receiving element, the output I is in the form: IO: (1+cos(Δθ))−−−−(2).

これはCOSの中にΔθがあるので、Δθが0に近い時
の感度が悪いという欠点がある。
This has the disadvantage that since Δθ exists in the COS, sensitivity is poor when Δθ is close to 0.

そこで、左回り、右回りの光のいずれかの位相・ヲ90
°ずらして、二乗検波するという光学機構が騨案されて
いる。この場合、出力■は、I OC(1+5in(Δ
θ))−−−−(3)の形になるから、Δθが0に近い
時の感度が良い。
Therefore, the phase of either counterclockwise or clockwise light is 90
An optical mechanism has been proposed in which the beam is shifted by 0.0 degrees and square-law detection is performed. In this case, the output ■ is I OC(1+5in(Δ
θ)) Because it takes the form of (3), the sensitivity is good when Δθ is close to 0.

しかし、いずれか一方の光を分離するためには、光路を
分離するための新たなビームスプリッタが3つ必要にな
る。また、分離された光路の長さを常に等しくしておか
なければならない。
However, in order to separate one of the lights, three new beam splitters are required to separate the optical paths. Furthermore, the lengths of the separated optical paths must always be made equal.

Δθが0に近い時の感度の改善を、上述したように静的
な光学的な検出機構によって行うには、上記のような難
点がある。
Improving the sensitivity when Δθ is close to 0 using a static optical detection mechanism as described above has the above-mentioned difficulties.

(ハ)位相変調方式光ファイバジャイロそこで、動的な
機構によって、Δθを検出しようとする光ファイバジャ
イロも多く提案されている。例えば、位相変調方式、周
波数変調方式などである。その中で、最小検出可能角速
度などの点で最も優れているものが、位相変調方式光フ
ァイバジャイロである。
(c) Phase modulation optical fiber gyro Many optical fiber gyros that use a dynamic mechanism to detect Δθ have also been proposed. For example, a phase modulation method, a frequency modulation method, etc. are used. Among them, the phase modulation optical fiber gyro is the most superior in terms of minimum detectable angular velocity.

位相変調方式光ファイバジャイロは、光ファイバのセン
サコイルの一方の端に、位相変調素子を設け、変調信号
の大きさを測定することにより位相差Δθを求める方式
である。
A phase modulation type optical fiber gyro is a type in which a phase modulation element is provided at one end of an optical fiber sensor coil, and a phase difference Δθ is determined by measuring the magnitude of a modulation signal.

その位相変調方式光ファイバジャイロについて第9図を
参照して説明する 発光素子10からの可干渉光は、ビームスプリッタ12
により2つに分けられ、光ファイバ18の両端に結合さ
れる。その光ファ゛イバ18は、センサコイル2Gを構
成するように巻回された部分と、角周波数ω、で駆動さ
れるピエゾ素子のような位相変調素子22に巻き付けら
れた部分24とに分けられている。そして、光ファイバ
の両端から結合された光は、それぞれ、光ファイバのセ
ンサコイル20内を右回りと左回りに伝搬し、反対側の
端部より出射し、ビームスプリッタ12により合成され
て受光素子26に入射する。
The phase modulation optical fiber gyro will be explained with reference to FIG. 9. The coherent light from the light emitting element 10 is transmitted to the beam splitter 12
The optical fiber 18 is divided into two parts and coupled to both ends of the optical fiber 18. The optical fiber 18 is divided into a portion wound to constitute a sensor coil 2G and a portion 24 wound around a phase modulation element 22 such as a piezo element driven at an angular frequency ω. ing. The light coupled from both ends of the optical fiber propagates clockwise and counterclockwise within the sensor coil 20 of the optical fiber, exits from the opposite end, is combined by the beam splitter 12, and is sent to the light receiving element. 26.

位相変調素子をセンサコイルに対して非対称な位置に設
けると、同時に発光素子を出た光が、右回り、左回りに
分けられてセンサコイルと位相変調素子巻回部とを通過
するが、変調の時刻が異なるので、受光素子で出力を二
乗検波した時、変調信号が出力に現われる。変調信号の
振幅にΔθが含まれるから、変調信号の大きさを知って
Δθを求めることができる。
When the phase modulation element is installed at an asymmetric position with respect to the sensor coil, the light emitted from the light emitting element at the same time passes through the sensor coil and the phase modulation element winding part in clockwise and counterclockwise directions, but the light is not modulated. Since the times are different, when the output is square-law detected by the light receiving element, a modulated signal appears in the output. Since Δθ is included in the amplitude of the modulation signal, Δθ can be determined by knowing the magnitude of the modulation signal.

例えば、位相変調器を左回り光の入射端の近傍に設けた
とする。光ファイバのセンサコイルの長さがし、ファイ
バコアの屈折率をn1光速をCとすると、光がセンサコ
イルを通過するに要する時間τは τ=nL/c   ・・・(4) である。
For example, assume that a phase modulator is provided near the input end of counterclockwise light. Assuming that the length of the optical fiber sensor coil is n1, the refractive index of the fiber core is C, and the speed of light is C, the time τ required for light to pass through the sensor coil is τ=nL/c (4).

変調信号が、上記したように、角周波数ω、の正弦波で
あるとする。同時に発光素子を出た光が、右回り光、左
回り光に分かれ、それぞれ位相変調を受ける時の、変調
信号の位相差φは、φ=ω、τ =nLωっ/C =2πf、nL/c    * 6 ・(5)但し、ω
、=2πf。
Assume that the modulation signal is a sine wave with an angular frequency ω, as described above. When the light emitted from the light-emitting element at the same time is split into clockwise light and counterclockwise light and each undergoes phase modulation, the phase difference φ of the modulation signal is φ=ω, τ = nLω/C = 2πf, nL/ c * 6 ・(5) However, ω
,=2πf.

となる。becomes.

サニヤック効果により、右回り光、左回り光は、±Δθ
/2の位相差を持つが、位相変調素子によって、位相が
さらに変調される。位相変調素子の振幅をbとすると、
右回り光、左回り光の電界の強さEcw、Eccwは、 ・ ・ ・(6) ン ・ ・ ・(7) となる。
Due to the Sagnac effect, clockwise light and counterclockwise light are ±Δθ
Although it has a phase difference of /2, the phase is further modulated by the phase modulation element. If the amplitude of the phase modulation element is b,
The electric field strengths Ecw and Eccw of the clockwise light and counterclockwise light are as follows.

以上のような電界強度を有する右回り光、左回り光は、
ビームスプリッタ12で合成されて受光素子26によっ
て二乗検波されるので、受光素子の出力S(Δθ、1>
はEcwとEcewの和を二乗したものに比例する。
Clockwise light and counterclockwise light having the above electric field strength are
They are combined by the beam splitter 12 and square-law detected by the light receiving element 26, so the output of the light receiving element S(Δθ, 1>
is proportional to the sum of Ecw and Ecew squared.

S(Δθ、 t ) = (EC,+ Ecc、) ”
    ・・・(8)これを計算すると、 ・・・(9) 但し、D、 C,は直流成分を意味する。
S(Δθ, t) = (EC, + Ecc,)”
...(8) Calculating this, ...(9) However, D, C, mean DC components.

(2ω以上)は、光の角振動数の2倍の振動数の項とい
う意味である。なお、これは検出器にはかからないので
0である。
(2ω or more) means a term with a frequency twice the angular frequency of light. Note that this is 0 because it is not applied to the detector.

となる。かくして、位相変調素子によりもたらされる位
相差φがあるので、Δθを、変調信号の振幅に関係づけ
て得ることができる。
becomes. Thus, because of the phase difference φ provided by the phase modulation element, Δθ can be obtained in relation to the amplitude of the modulation signal.

そこで、D、 C,を省略して、S(Δθ、1)をベッ
セル函数を使って級数展開する。まず、(9)式は次の
ように表される。
Therefore, we omit D, C, and expand S(Δθ, 1) into a series using the Bessel function. First, equation (9) is expressed as follows.

S(Δθ、1) ・・・α1 一方、ベッセル函数の母函数展開から、と表すことがで
きる。(12)式の実数部、虚数部の展開から、α1式
のcos、 sinの部分の級数展開を得ることができ
る。S(Δθ、1)を、これらの部分に分けて、 S(Δθ、1) =(SccosΔθ+5ssinΔθ)E、E、  −
−(13)と書くと、θ→θ+π/2の変換をした後、
J−、(x) = (−)” J n(x)    ・
・・(14)但し、nは正の整数 という性質を使って、 とおいて、上記ScとS、を書くと、 Sc= J、(ξ) +2Σ(−)”J2.(ξ)cos 2 n oU、t
・・・(16) S、=2Σ(−)”J2.、、、(ξ)cos(2n+
1) a+、th會0 ・・・(17) となる。そこで、再び、S(Δθ、1)を表すと次の如
くである。
S(Δθ, 1) ...α1 On the other hand, it can be expressed as from the generating function expansion of the Bessel function. From the expansion of the real and imaginary parts of equation (12), the series expansion of the cos and sin parts of the α1 equation can be obtained. Divide S(Δθ, 1) into these parts, S(Δθ, 1) = (SccosΔθ+5ssinΔθ)E, E, −
If we write -(13), after converting θ→θ+π/2, we get
J-, (x) = (-)” J n(x) ・
...(14) However, using the property that n is a positive integer, and writing the above Sc and S, Sc= J, (ξ) +2Σ(-)"J2. (ξ) cos 2 n oU,t
...(16) S,=2Σ(-)"J2.,,,(ξ)cos(2n+
1) a+, th meeting 0...(17) becomes. Therefore, once again, S(Δθ, 1) is expressed as follows.

S(Δθ、1) =W(Er”+EL”)+(2ωを以上の成分)+ E
 rE L J o (ξ)cosΔθ+E、Et2E
(−1)”J2g(ξ)cos2nω、t・cosΔθ
ns+1 +E、Et2Σ(−1) ” J 2−1 (ξ)co
s(2n+1) ω+mj”sjnΔθr1−〇 ・・・αQ。
S (Δθ, 1) = W (Er"+EL") + (components of 2ω or more) + E
rE L J o (ξ)cosΔθ+E, Et2E
(-1)”J2g(ξ)cos2nω, t・cosΔθ
ns+1 +E, Et2Σ(-1) ” J 2-1 (ξ)co
s(2n+1) ω+mj”sjnΔθr1−〇...αQ.

=DC成分 +2E、ELJI(ξ)cos a+、t −5in 
Δ θ2ErErJa(ξ)cos 2ω、t−CO3
Δθ+高次成分            °°°αQ”
これは、変調信号ω1の基本波と、高周波信号の級数和
である。
=DC component +2E, ELJI(ξ)cos a+, t -5in
Δ θ2ErErJa(ξ) cos 2ω, t-CO3
Δθ + higher order component °°°αQ”
This is the series sum of the fundamental wave of the modulation signal ω1 and the high frequency signal.

適当なフィルタを使えば、基本波ω、又は任意の次数の
高調波の信号を取り出すことができる。
By using an appropriate filter, it is possible to extract the fundamental wave ω or a harmonic signal of any order.

どの信号を採用しても、COSΔθ又はsinΔθの大
きさを知ることができる。
No matter which signal is adopted, the magnitude of COS Δθ or sin Δθ can be known.

その場合、その次数のベッセル函数J、、(ξ)の値が
大きくなるよう、位相変調素子による変調の振幅b、変
調角周波数ω1、センサコイル通過時間τを設定すべき
である。
In that case, the amplitude b of modulation by the phase modulation element, the modulation angular frequency ω1, and the sensor coil transit time τ should be set so that the value of the Bessel function J, , (ξ) of that order becomes large.

最も高感度が期待できるのは、(17)式の1次の項(
n、=0)すなわちαQ”式の右辺第2項である。
The highest sensitivity can be expected from the first-order term (
n, = 0), that is, the second term on the right side of the αQ'' equation.

これは、基本波成分である。この基本波成分をP(Δθ
、1)とすると、 P(Δθ、1) =2E、ELJ、(ξ)cos ω、 t−5inΔθ
・・・(18) である。
This is the fundamental wave component. This fundamental wave component is P(Δθ
, 1), then P(Δθ, 1) = 2E, ELJ, (ξ)cos ω, t-5inΔθ
...(18).

従って、圧電振動素子の変調角周波数ωmで同期検波す
ると、その検波で得れる出力VoはVo =C5inΔ
θ      −−−(19)但し、C:定数 となる。すなわち、位相変調方式光ファイバジャイロに
おいては、圧電振動素子の変調角周波数ω。
Therefore, when synchronous detection is performed at the modulation angular frequency ωm of the piezoelectric vibrating element, the output Vo obtained by the detection is Vo = C5inΔ
θ --- (19) However, C: becomes a constant. That is, in the phase modulation type optical fiber gyro, the modulation angular frequency ω of the piezoelectric vibration element.

成分の振幅から回転角速度に比例する量Δθを検出する
ことができる。
An amount Δθ proportional to the rotational angular velocity can be detected from the amplitude of the component.

発明が解決しようとする問題点 しかしながら、位相変調方式光ファイバジャイロにあっ
ては、上記式かられかるように、Δθが±π/2に近ず
くと、それに伴い、Δθの変化に対するVoの変化が小
さくなり、実用上測定が困難になる。
Problems to be Solved by the Invention However, in the phase modulation type optical fiber gyro, as can be seen from the above equation, when Δθ approaches ±π/2, the change in Vo with respect to the change in Δθ becomes small, making it difficult to measure in practice.

このように従来の位相変調方式光ファイバジャイロは、
ダイナミックレンジが狭い問題があった。
In this way, the conventional phase modulation type optical fiber gyro
There was a problem with the dynamic range being narrow.

そこで、位相変調方式光ファイバジャイロのダイナミッ
クレンジ拡大法が研究され、そのい(つかは既に発表さ
れている。その1例を挙げると、下記の論文である。
Therefore, a method for expanding the dynamic range of a phase modulation type optical fiber gyro has been researched, and some of the methods have already been published.One example is the paper below.

(1)  エイチ、シー、レフプル、ピーエイチ、グラ
ムドージ、エイチ、ジェー、アーデヘテー「デジタルフ
ェーズランプを使用したダブルクローズトループハイブ
リッドジャイロスコープ」第3目元7フイバセンサ国際
会VIA ()1.c、Lefevre、 PH。
(1) H.C., Lefpur, P.H., Gramdoge, H.J., Adehete, “Double Closed Loop Hybrid Gyroscope Using Digital Phase Lamp” 3rd Eye 7 Fiber Sensor International Conference VIA ()1. c, Lefevre, P.H.

Graindorge、  H,J、Ardity、 
 ロouble  C1osed−LoopHybri
d  Fiber  Gyroscope  Usin
g  Digital  PhaseRamp、 Th
1rd International Confere
nce onOptical  Fiber  5en
sors  )1985   PDS7−1〜PDS7
−5(2)ビー、ワイ、キム及びエイチ、ジェー、ショ
ー「フェーズディテクションを使用したリニアスケール
ファクタを持つオール光ファイバジャイロ」エスピーア
イイー 光ファイバ及びレーザセンサIf (B、Y、
Kim and HoJ、shaw、  All−fi
ber−opticgyroscope with 1
inear 5cale factor using 
phasedetection、  5PIB Fib
er 0pticand La5er 5ensors
II)Vol、478 1984  PP、142〜1
48上記した文献に開示されている方法は、理論的には
それぞれダイナミックレンジの拡大に成功しているが、
実際には以下のような問題がある。す・なわち、実用上
必要とされるダイナミックレンジは、例えばIQ−3d
eg /secから11000de / secと10
6以上もある。一方、上記の文献に開示されている各種
の工夫は、すべてアナログ信号で出力を得ているか、又
は信号処理するため出力を電圧あるいは電流で取り出し
ている。しかし、106 もの広いダイナミックレンジ
をカバーしようとすると、例えば、電源電圧10Vとす
ると、少なくとも10−’ V =10μ■を出力する
ことがあり、これは実用上極めて困難を伴う。
Graindorge, H.J., Ardity,
Louble C1osed-LoopHybri
d Fiber Gyroscope Usin
g Digital Phase Ramp, Th
1st International Conference
nce on Optical Fiber 5en
sors ) 1985 PDS7-1~PDS7
-5 (2) B, Y, Kim and H, J, Shaw "All-optical fiber gyro with linear scale factor using phase detection" SPI Optical fiber and laser sensor If (B, Y,
Kim and HoJ, shaw, All-fi
ber-optic gyroscope with 1
inear 5cale factor using
phase detection, 5PIB Fib
er 0pticand La5er 5ensors
II) Vol, 478 1984 PP, 142-1
48 The methods disclosed in the above-mentioned documents are theoretically successful in expanding the dynamic range, but
In reality, there are the following problems. In other words, the practically required dynamic range is, for example, IQ-3d.
eg/sec to 11000 de/sec and 10
There are also more than 6. On the other hand, all of the various devices disclosed in the above-mentioned documents obtain the output as an analog signal, or take out the output as a voltage or current for signal processing. However, if an attempt is made to cover a dynamic range as wide as 106, for example, when the power supply voltage is 10V, an output of at least 10-'V = 10μ may be required, which is extremely difficult in practice.

そこで、本発明は、最小検出可能角速度及びドリフトな
どの点で最も優れているにもかかわらずダイナミックレ
ンジが原理上狭い位相変調方式光ファイバジャイロに、
実用上必要なダイナミックレンジを与えるようとするも
のである。
Therefore, the present invention provides a phase modulation type optical fiber gyro which is superior in terms of minimum detectable angular velocity and drift, but whose dynamic range is narrow in principle.
The objective is to provide the dynamic range necessary for practical use.

問題点を解決するための手段 すなわち、本発明によるならば、発光素子と、多数回コ
イル状に巻回されたセンサコイル部分を含み且つ前記発
光素子からの光が分岐されて両端に結合され該センサコ
イルを両方向に伝搬した光を両端から出力する光ファイ
バと、該光ファイバを伝搬した両回り光を受ける受光素
子とを具備し、前記センサコイルが回転したときに生ず
る両回り光間の位相差から回転角速度を測定する光ファ
イバジャイロに右いて、前記センサコイルの端部付近に
設けられた第1の位相変調器と、前記受光素子の出力を
受けて、該受光素子からの位相差を表す電圧が実質的に
零となるような鋸歯状波駆動パルスを、該第1の位相変
調器に供給する零位法サーボ回路と、位相差が小さいと
き前記受光素子の出力を位相差信号として出力し、一方
、位相差が大きいとき前記零位法サーボ回路の電圧を位
相差信号として出力する切り換えスイッチとを具備する
ことを特徴とする光ファイバジャイロが提供される。
A means for solving the problem, that is, according to the present invention, includes a light emitting element and a sensor coil portion wound in a coil shape many times, and light from the light emitting element is branched and coupled to both ends. It is equipped with an optical fiber that outputs light propagated in both directions through the sensor coil from both ends, and a light receiving element that receives the light propagated in both directions, and detects the position between the light generated in both directions when the sensor coil rotates. An optical fiber gyro that measures rotational angular velocity from the phase difference includes a first phase modulator provided near the end of the sensor coil, and a first phase modulator that receives the output of the light receiving element and calculates the phase difference from the light receiving element. a zeroing method servo circuit that supplies the first phase modulator with a sawtooth wave driving pulse such that the voltage represented is substantially zero; and when the phase difference is small, the output of the light receiving element is used as a phase difference signal. An optical fiber gyro is provided, characterized in that it is equipped with a changeover switch that outputs the voltage of the null method servo circuit as a phase difference signal when the phase difference is large.

芸」    − 以上のような光ファイバジャイロにおいては、零位法サ
ーボ回路を設けたことにより、受光素子の出力そのもの
からでなく、零位法サーボ回路の制御電圧から、センサ
コイルが受けた回転による位相差を得ることができる。
- In the optical fiber gyro described above, by providing a zero-order servo circuit, the rotation received by the sensor coil is generated not from the output of the light-receiving element itself, but from the control voltage of the zero-order servo circuit. A phase difference can be obtained.

従って、センサコイルに生じた位相差に応じて、位相差
が小さいとき前記受光素子の出力を位相差信号として出
力し、一方、位相差が大きいとき前記零位法サーボ回路
の電圧を位相差信号として出力することにより、広いダ
イナミックレンジにわたって安定な出力を得ることがで
き、広い範囲にわたって正確を測定を実施することがで
きる。
Therefore, depending on the phase difference generated in the sensor coil, when the phase difference is small, the output of the light receiving element is output as a phase difference signal, while when the phase difference is large, the voltage of the zero position method servo circuit is output as a phase difference signal. By outputting as follows, stable output can be obtained over a wide dynamic range, and accurate measurements can be performed over a wide range.

実施例 以下、添付図面を参照して本発明を実施した光ファイバ
ジャイロを説明する。
Embodiments Hereinafter, an optical fiber gyro embodying the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

第1図は、本発明を実施した位相変調方式光ファイバジ
ャイロの1実施例の構成を示した図である。図示の位相
変調方式光ファイバジャイロにおいては、発光素子32
のような光源が設けられ、電源(不図示)により駆動さ
れて、光ビームを発生する。なお、光源としては、He
−Neレーザ、半導体レーザ、スーパールミネッセント
ダイオードなどが使用できる。その発光素子32が発生
する光ビームは、ハーフミラ−のようなビームスプリッ
タ34に送られる。このビームスプリッタ34は、光を
受光素子36に分岐するためのものである。ビームスプ
リッタ34を通過した光は、シングルモード光ファイバ
38の一端に結合され、その他端から出射した光は、ビ
ームスプリッタ40に入力する。このビームスプリッタ
34は、光を2つに分岐して、光ファイバ42の両端に
結合するものである。
FIG. 1 is a diagram showing the configuration of an embodiment of a phase modulation optical fiber gyro according to the present invention. In the illustrated phase modulation type optical fiber gyro, the light emitting element 32
A light source such as a light source is provided and driven by a power source (not shown) to generate a light beam. In addition, as a light source, He
-Ne laser, semiconductor laser, superluminescent diode, etc. can be used. The light beam generated by the light emitting element 32 is sent to a beam splitter 34 such as a half mirror. This beam splitter 34 is for splitting light to a light receiving element 36. The light passing through the beam splitter 34 is coupled to one end of the single mode optical fiber 38, and the light emitted from the other end is input to the beam splitter 40. The beam splitter 34 splits the light into two and couples them to both ends of the optical fiber 42.

光ファイバ42は、光フアイバセンサを構成するように
、多数回コイル状に巻かれてセンサコイル44と、位相
変調器46及び48にそれぞれ結合された部分とからな
っている。
Optical fiber 42 is wound into a coil many times to form an optical fiber sensor, and includes a sensor coil 44 and portions coupled to phase modulators 46 and 48, respectively.

一方の位相変調器46は、例えば、圧電振動素子で構成
され、位相変調用の交流励振電源50に接続され、角周
波数ω1の正弦波の交流で駆動されるようになされてい
る。この場合は、光ファイバ42は、例えば圧電振動素
子46に巻き付けられる。
One phase modulator 46 is composed of, for example, a piezoelectric vibrating element, is connected to an AC excitation power source 50 for phase modulation, and is configured to be driven by a sinusoidal AC wave having an angular frequency ω1. In this case, the optical fiber 42 is wound around the piezoelectric vibrating element 46, for example.

他方の位相変調器48は、第2図に示すような鋸歯状波
で駆動されるためのものである。しかし、鋸歯状波での
位相変調は、圧電振動子の共振を利用する方法では実現
困難である。このため、LiNb0a等の電気光学結晶
を使った方式が有効であると考えられる。変調効率の点
から、導波型素子にすることが望ましい。例えば、第3
図に示すように、LiNb()+基板52の表面に光・
導波路54を設け、その光導波路54を挟むように一対
の電極56を埋め込んで構成される。この場合、光導波
路54が光ファイバ42の一方の端に挿入され、一対の
電極560間に鋸歯状波が印加される。
The other phase modulator 48 is intended to be driven with a sawtooth wave as shown in FIG. However, phase modulation using a sawtooth wave is difficult to achieve using a method that utilizes the resonance of a piezoelectric vibrator. For this reason, a method using an electro-optic crystal such as LiNb0a is considered to be effective. From the viewpoint of modulation efficiency, it is desirable to use a waveguide type element. For example, the third
As shown in the figure, the surface of the LiNb()+ substrate 52 is exposed to light.
A waveguide 54 is provided, and a pair of electrodes 56 are embedded so as to sandwich the optical waveguide 54. In this case, the optical waveguide 54 is inserted into one end of the optical fiber 42, and a sawtooth wave is applied between the pair of electrodes 560.

光ファイバ42を右回りと左回りとに伝搬した光ビーム
は、光ファイバ42の両端から出力されて、ビームスプ
リッタ40によりまとめられ、シングルモード光ファイ
バ38とビームスプリッタ34を介して、受光素子36
に入射する。
The light beams propagated clockwise and counterclockwise through the optical fiber 42 are output from both ends of the optical fiber 42, are combined by the beam splitter 40, and are sent to the light receiving element 36 via the single mode optical fiber 38 and the beam splitter 34.
incident on .

その受光素子の電気出力は、増幅器58を介して同期検
波器60の入力に接続されている。この同期検波器6旧
j、上述した圧電振動素子46と同様に、位相変調用の
交流励振電源50に接続され、それぞれ角周波数ω、の
交流を受けるようになされている。そして、同期検波器
60の出力は、A/D変換器62を介してスイッチ64
の一方の入力端子に接続されている。
The electrical output of the light receiving element is connected to the input of a synchronous detector 60 via an amplifier 58. Like the piezoelectric vibrating element 46 described above, this synchronous detector 6 is connected to an AC excitation power source 50 for phase modulation, and receives alternating current at an angular frequency ω. The output of the synchronous detector 60 is then sent to a switch 64 via an A/D converter 62.
is connected to one input terminal of the

また、位相変調器48に鋸歯状波を供給する回路は、同
期検波器60のアナログ出力を受ける減算回路66と、
その出力を受ける積分回路68とを有している。すなわ
ち、減算回路66と積分回路68とは。
Further, the circuit that supplies the sawtooth wave to the phase modulator 48 includes a subtraction circuit 66 that receives the analog output of the synchronous detector 60;
It has an integrating circuit 68 that receives the output thereof. That is, what are the subtraction circuit 66 and the integration circuit 68?

差動積分器を構成している。その積分回路68の出力は
、電圧制御発振回路70と、A/D変換器72と、電圧
判定回路74とのそれぞれの入力に接続されている。こ
の電圧制御発振回路70は、入力電圧■。
It constitutes a differential integrator. The output of the integrating circuit 68 is connected to the respective inputs of a voltage controlled oscillation circuit 70, an A/D converter 72, and a voltage determination circuit 74. This voltage controlled oscillation circuit 70 receives an input voltage ■.

に比例した周波数fの信号発生して、波形成形回路76
に出力する。その周波数fの信号を受ける波形成形回路
76は、ピーク値■。が一定で、周期Tが1/fで、且
つ極性が入力電圧■、と同一の鋸歯状波を発生して、位
相変調器481ご印加する。このような電圧制御発振回
路及び波形成形回路は従来周知であるので説明は省略す
る。特に、上記条件の鋸歯状波を発生する波形成形回路
は、いわゆる定振幅鋸歯状波発生回路により実現できる
The waveform shaping circuit 76 generates a signal with a frequency f proportional to
Output to. The waveform shaping circuit 76 that receives the signal of frequency f has a peak value ■. is constant, the period T is 1/f, and the polarity is the same as that of the input voltage (2). A sawtooth wave is generated and applied to the phase modulator 481. Such voltage controlled oscillator circuits and waveform shaping circuits are well known in the art, so their explanation will be omitted. In particular, the waveform shaping circuit that generates the sawtooth wave under the above conditions can be realized by a so-called constant amplitude sawtooth wave generation circuit.

かくして、減算回路66と、積分回路68と、電圧制御
発振回路70と、波形成形回路76とは、光ファイバ4
2に対して零位法サーボ回路を構成している。
Thus, the subtraction circuit 66, the integration circuit 68, the voltage controlled oscillation circuit 70, and the waveform shaping circuit 76 are connected to the optical fiber 4.
2, a zero-order method servo circuit is constructed.

一方、A/D変換器72のデジタル出力は、スイッチ6
4の他方の入力端子に接続されている。
On the other hand, the digital output of the A/D converter 72 is
It is connected to the other input terminal of 4.

そして、電圧判定回路74は、積分回路68のアナログ
出力電圧を所定の基準電圧と比較して、積分回路68の
アナログ出力電圧が所定の基準電圧より大きいとき、電
圧制御発振回路70を動作状態に置くと共にスイッチ6
4がA/D変換器72のデジタル出力を位相差信号とし
て出力するようにスイッチ64を切り換え、他方、積分
回路68のアナログ出力電圧が所定の基準電圧より小さ
いとき、電圧制御発振回路70を不動作状態に置くと共
にスイッチ64がA/D変換器62のデジタル出力を位
相差信号として出力するようにスイッチ64を切り換え
るように、動作する。
Then, the voltage determination circuit 74 compares the analog output voltage of the integrating circuit 68 with a predetermined reference voltage, and when the analog output voltage of the integrating circuit 68 is larger than the predetermined reference voltage, puts the voltage controlled oscillation circuit 70 into an operating state. Switch 6 as you put it on
4 switches the switch 64 so that the digital output of the A/D converter 72 is output as a phase difference signal, and on the other hand, when the analog output voltage of the integrating circuit 68 is smaller than a predetermined reference voltage, the voltage controlled oscillation circuit 70 is disabled. When placed in the operating state, the switch 64 is operated so as to output the digital output of the A/D converter 62 as a phase difference signal.

以上のような位相変調方式光ファイバジャイロにふいて
、位相変調器48が動作しないときは、従来の位相変調
方式光ファイバジャイロと同様に動作する。一方、位相
変調器48が動作するときは、位相変調器46と48と
による位相変調が、光ファイバ42を両方向に伝搬する
光に対して作用される。
In addition to the phase modulation type optical fiber gyro as described above, when the phase modulator 48 does not operate, it operates in the same manner as a conventional phase modulation type optical fiber gyro. On the other hand, when the phase modulator 48 operates, phase modulation by the phase modulators 46 and 48 is applied to light propagating in both directions in the optical fiber 42.

位相変調器48が動作するときの零位法による光ファイ
バジャイロの動作原理は、上述した文献(1)に詳述さ
れている。今、位相変調器46による位相のずれをω、
とじ、位相変調器4Bによる位相のずれをφとすると、
受光素子36の出力のωヨ成分は、次のように表せる。
The operating principle of the optical fiber gyro using the zero position method when the phase modulator 48 operates is detailed in the above-mentioned document (1). Now, the phase shift caused by the phase modulator 46 is ω,
If the phase shift caused by the phase modulator 4B is φ, then
The ωy component of the output of the light receiving element 36 can be expressed as follows.

ψ S(Δθ)=2ErEtJ+(2bsin −)cos
ω、tに こで、φは、′?″ニー状波のその勾配と共に変化する
関数であるので、第1図の同期検波器60の出力電圧■
、は、 V+=C−5in(a r+Δθ’)  −−−(21
)但し、C:定数 τ:光がセンサコイルを伝搬するに要 する時間((4)式参照) Δθ:サニャック効果による位相差 a=V。/T(鋸歯状波の勾配) ■。:鋸歯状波のピーク電圧 T:鋸歯状波の周期 と表すことができる。従って、■1=0を常に保つよう
に、すなわち Δθ τ となるように、鋸歯状波の勾配aをサーボ回路によりフ
ィードバック制御することにより、その勾配aからΔθ
(=−aτ)を得ることができる。
ψ S (Δθ) = 2ErEtJ + (2bsin −) cos
ω, t, φ, ′? Since it is a function that changes with the slope of the knee wave, the output voltage of the synchronous detector 60 in FIG.
, is V+=C-5in(a r+Δθ') ---(21
) where C: constant τ: time required for light to propagate through the sensor coil (see equation (4)) Δθ: phase difference a=V due to Sagnac effect. /T (slope of sawtooth wave) ■. :Peak voltage of sawtooth wave T: Can be expressed as period of sawtooth wave. Therefore, by feedback-controlling the slope a of the sawtooth wave by the servo circuit so that 1=0 is always maintained, that is, Δθ τ, the slope a can be changed from the slope a to Δθ
(=-aτ) can be obtained.

そして、上記したように、鋸歯状波のピーク電圧■。は
一定しているので、その勾配aは、a=Vo/’r=V
of <但しf = 1 /T)の関係より、周波数に
比例しており、位相変調器48の駆動周波数すなわち電
圧制御発振回路の発振周波数から求めることが原理的に
可能である。
And, as mentioned above, the peak voltage of the sawtooth wave■. is constant, so its gradient a is a=Vo/'r=V
From the relationship of <where f=1/T), it is proportional to the frequency, and can be determined in principle from the drive frequency of the phase modulator 48, that is, the oscillation frequency of the voltage controlled oscillation circuit.

今、V、=A −5in(a r+Δθ)を簡略化して
、V=sin(a f+Δθ)として、そのフィードバ
ック制御の応答性と、Δθを表す実際的な電圧について
検討する。
Now, by simplifying V, = A - 5 in (a r + Δθ) and setting V = sin (af + Δθ), we will consider the responsiveness of the feedback control and the practical voltage representing Δθ.

V=sin(a r+Δθ)における■とat+Δθと
の関係を示すと第4図の如くなる。そこで、■が零とな
る条件を求めるに際し、(aτ+Δθ)が1に比較して
十分小さいとすると、 V=aτ+Δθ と表すことができる。
The relationship between ■ and at+Δθ in V=sin(ar+Δθ) is shown in FIG. Therefore, when finding the conditions under which ■ becomes zero, assuming that (aτ+Δθ) is sufficiently small compared to 1, it can be expressed as V=aτ+Δθ.

一方、ここで、第1図の回路における零位法サーボ回路
を抽出して図示すると、第5図のようになる。すなわち
、光ファイバジャイロ(FOG)の光学系の出力■は、
まず、利得−への増幅器Aで増幅され、その出力−AV
は、次いで、積分器Cに人力されて積分され、その出力
電圧■、が電圧制御鋸歯状波発生器■COに人力される
On the other hand, if the zero-order method servo circuit in the circuit of FIG. 1 is extracted and illustrated, it will be as shown in FIG. 5. In other words, the output ■ of the optical system of the fiber optic gyro (FOG) is
First, it is amplified by amplifier A to gain -, and its output -AV
is then input to an integrator C for integration, and its output voltage , is input to a voltage controlled sawtooth wave generator CO.

かかる信号処理を追跡して、V=aτ+Δθを解析する
と、aは上記したように、a=Vo/T” V o f
であり、また、そのfは、f=cVr(但し、Cは電圧
と周波数との間の比例定数)の関係があり、更に、その
■、は、以下のように表すことができる。
When we trace this signal processing and analyze V=aτ+Δθ, a becomes a=Vo/T”V o f as described above.
, and its f has the relationship f=cVr (where C is a proportionality constant between voltage and frequency), and further, its {circle around (2)} can be expressed as follows.

従って、■は、以下のように表せる。Therefore, ■ can be expressed as follows.

かかる式をtで微分すると、 となり、すなわち、 となる。上記(23)式の時定数は、1/τc A V
 。
Differentiating such an expression with respect to t yields, that is, . The time constant of the above equation (23) is 1/τc A V
.

となり、■とΔθとの関係は第6図に示すようになる。Therefore, the relationship between ■ and Δθ is as shown in FIG.

従って、c、 A、 Vo 、を選択することにより、
十分な応答性を持って積分回路68の出力■で、Δθを
表すことができる。
Therefore, by selecting c, A, Vo,
Δθ can be expressed by the output (■) of the integrating circuit 68 with sufficient responsiveness.

また、上記した(22)式の特性は簡単に実現でき゛る
。例えば、第7図に示すような積分回路により実現でき
る。その場合、 と表すことができ、C=0.1μF=10−7FJR=
IKΩ=103Ωとすると、 以上のように構成される位相変調方式光ファイバジャイ
ロは、次のように動作する。
Furthermore, the characteristic of equation (22) described above can be easily realized. For example, it can be realized by an integrating circuit as shown in FIG. In that case, it can be expressed as, C=0.1μF=10-7FJR=
When IKΩ=103Ω, the phase modulation type optical fiber gyro configured as above operates as follows.

電源により駆動される発光素子32からの光ビームは、
ビームスプリッタ34、シングルモード光ファイバ38
を通過してビームスプリッタ40で2つに分岐され光フ
ァイバ42の両端に結合される。
The light beam from the light emitting element 32 driven by the power source is
Beam splitter 34, single mode optical fiber 38
The beam is split into two by a beam splitter 40 and coupled to both ends of an optical fiber 42.

光ファイバ42に人力された光ビームは、回転を受けて
いるセンサコイル44の部分で位相差ができ、また、交
流励振電源50からの角周波数ω1の正弦波交流で駆動
される圧電振動素子46及び電気光学効果位相変調器4
8にそれぞれ結合された部分に右いて位相変調される。
The light beam inputted into the optical fiber 42 has a phase difference at the sensor coil 44 which is being rotated, and the piezoelectric vibrating element 46 is driven by a sinusoidal alternating current with an angular frequency ω1 from an alternating current excitation power source 50. and electro-optic effect phase modulator 4
8, respectively, and are phase modulated.

そのように光ファイバ42において位相差ができ且つ位
相変調された右回り光ビームと左回り光ビームは、光フ
ァイバ42の両端から出力されて、ビームスプリッタ4
0により合成され、更に、シングルモード光ファイバ3
8とビームスプリッタ34ヲ介して受光素子36に入射
する。
The clockwise light beam and the counterclockwise light beam, which have a phase difference and are phase-modulated in the optical fiber 42, are output from both ends of the optical fiber 42 and are outputted from the beam splitter 4.
0, and furthermore, single mode optical fiber 3
The light enters the light receiving element 36 via the beam splitter 34 and the beam splitter 34.

その受光素子36の出力は、同期検波器60によりωカ
で同期検波される。
The output of the light receiving element 36 is synchronously detected by a synchronous detector 60 at ω power.

このとき、積分回路68の出力電圧■、が基準レベルよ
り小さいときは、電圧判定回路74は、A/D変換器6
2の出力をスイッチ64を介して出力させると共に、電
圧制御発振回路70を不動作状態に置く。従って、この
ききは、位相変調器48による位相変調はなされていな
い。
At this time, when the output voltage (2) of the integrating circuit 68 is smaller than the reference level, the voltage determination circuit 74
2 is outputted via the switch 64, and the voltage controlled oscillation circuit 70 is placed in a non-operating state. Therefore, this signal is not phase modulated by the phase modulator 48.

一方、積分回路68の出力電圧■、が基準レベルより大
きいときまたは大きくなったときは、電圧判定回路74
は、A/D変換器72の出力をスイッチ64を介して出
力させると共に、電圧制御発振回路70を動作状態に置
く。従って、このときは、位相変調器48による位相変
調がなされ、零位法により測定がなされ、その時の位相
差Δθを表す電圧信号が積分回路68より出力され、A
/D変換器72により変換されて出力される。
On the other hand, when the output voltage (2) of the integrating circuit 68 is larger than the reference level or becomes larger, the voltage judgment circuit 74
outputs the output of the A/D converter 72 via the switch 64, and puts the voltage controlled oscillation circuit 70 into operation. Therefore, at this time, phase modulation is performed by the phase modulator 48, measurement is performed by the zero-position method, and a voltage signal representing the phase difference Δθ at that time is outputted from the integrating circuit 68.
/D converter 72 and output.

以上のように、同期検波器60の出力と、積分回路68
の出力とを別々にA/D変換している理由は、それぞれ
の測定方法の相違により、同期検波器60のアナログ電
圧と、積分回路70のアナログ電圧とがそれぞれ異なる
位相差Δθを表している。具体的には、積分回路70の
アナログ電圧は、小さくても、大きな位相差Δθを表し
ている。例えば、110−3de / secから11
000de / secまでの106のダイナミックレ
ンジを全体で確保する場合、位相変調器48が動作せず
、従来の位相変調方式光ファイバジャイロと同様に動作
するときに、110−3de / secからl de
g / secまで範囲をカバーし、位相変調器48が
動作して零位法により測定するときは、ldeg/se
cから11000de / secまでの範囲をカバー
するようにする。
As described above, the output of the synchronous detector 60 and the integrating circuit 68
The reason for A/D conversion of the output of . Specifically, even if the analog voltage of the integrating circuit 70 is small, it represents a large phase difference Δθ. For example, 110-3 de/sec to 11
When securing a total dynamic range of 106 de/sec to 000 de/sec, when the phase modulator 48 does not operate and operates in the same manner as a conventional phase modulation type optical fiber gyro, the dynamic range from 110-3 de/sec to l de
g/sec, and when the phase modulator 48 operates and measures by the zero-position method, ldeg/sec.
to cover the range from c to 11000 de/sec.

なあ、上記実施例において、鋸歯状波による位相変調器
は、電気光学効果を利用したものに限らず、鋸歯状波に
よる位相変調が可能ならば、どのような素子を使用して
もよい。
In the above embodiments, the phase modulator using sawtooth waves is not limited to one that utilizes an electro-optic effect, and any element may be used as long as it is capable of phase modulation using sawtooth waves.

発明の効果 以上の説明から明らかなように、本発明による光ファイ
バジャイロは、回転角速度の小さい領域と大きい領域を
各々扱いやすい方法で信号をとり出し、切り変えて用い
るので、広いダイナミックレンジを無理なく、比較的容
易に出力を安定にとり出せる。
Effects of the Invention As is clear from the above explanation, the optical fiber gyro according to the present invention extracts signals in a manner that is easy to handle and switches between regions with a small rotational angular velocity and a region with a large rotational angular velocity. Therefore, it is relatively easy to obtain stable output.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図は、本発明による光ファイバジャイロの原理を図
解する光学系統図であり、 第2図は、第1図の位相変調方式光ファイバジャイロに
おいて位相変調器に印加される鋸歯状波の波形図であり
、 第3図は、第1図の位相変調方式光ファイバジャイロに
使用されている電気光学位相変調器の1例を図示する概
略斜視図であり、 第4図は、第1図の位相変調方式光ファイバジャイロに
おける受光素子の出力電圧と、位相差との関係を示すグ
ラフであり、 第5図は、第1図の位相変調方式光ファイバジャイロに
おける零位法サーボ系の系統図であり、第6図は、第1
図の位相変調方式光ファイバジャイロにおいて位相変調
器に鋸歯状波が印加された場合の位相差Δθと鋸歯状波
制御電圧との関係を示すグラフであり、 第7図は、典型的な積分回路の回路図であり、第8図は
、光ファイバジャイロの原理を説明する基本構成図であ
り、 第9図は、位相変調方式光ファイバジャイロの原理を説
明する基本構成図である。 〔主な参照番号〕 lO・・発光素子 12  ・・ビームスプリッタ14
.16・・結合レンズ  18・・光ファイバ20・・
センサコイル  22・・位相変調素子26・・受光素
子    32・・光源34.40・・ビームスプリッ
タ 36・・受光素子 38・・シングルモード光ファイバ 42・・光ファイバ 44・・センサコイル 46・・圧電振動素子 48・・電気光学効果位相変調器 50・・正弦波交流励振電源 52・・LiNbC)+基板  54・・光導波路56
・・電極      58・・増幅器60・・同期検波
器   62.72・・Δ/D変換器64・・スイッチ
    66・・減算器68・・積分回路    70
・・電圧制御発振回路74・・電圧判定回路  76・
・波形成形回路特許出願人 工業技術院長 等々力 達
第1図 32:光源 / 5 : >TLT5戟わ圓跨 τCAV。
FIG. 1 is an optical system diagram illustrating the principle of the optical fiber gyro according to the present invention, and FIG. 2 is a waveform of the sawtooth wave applied to the phase modulator in the phase modulation type optical fiber gyro of FIG. 3 is a schematic perspective view illustrating an example of an electro-optic phase modulator used in the phase modulation type optical fiber gyro of FIG. 1, and FIG. 5 is a graph showing the relationship between the output voltage of the light receiving element and the phase difference in the phase modulation type optical fiber gyro; FIG. Yes, Figure 6 shows the first
FIG. 7 is a graph showing the relationship between the phase difference Δθ and the sawtooth wave control voltage when a sawtooth wave is applied to the phase modulator in the phase modulation optical fiber gyro shown in FIG. FIG. 8 is a basic configuration diagram explaining the principle of an optical fiber gyro. FIG. 9 is a basic configuration diagram explaining the principle of a phase modulation type optical fiber gyro. [Main reference numbers] lO...Light emitting element 12...Beam splitter 14
.. 16...Coupling lens 18...Optical fiber 20...
Sensor coil 22... Phase modulation element 26... Light receiving element 32... Light source 34.40... Beam splitter 36... Light receiving element 38... Single mode optical fiber 42... Optical fiber 44... Sensor coil 46... Piezoelectric Vibration element 48...Electro-optic effect phase modulator 50...Sine wave AC excitation power supply 52...LiNbC)+substrate 54...Optical waveguide 56
... Electrode 58 ... Amplifier 60 ... Synchronous detector 62.72 ... Δ/D converter 64 ... Switch 66 ... Subtractor 68 ... Integrating circuit 70
...Voltage control oscillation circuit 74...Voltage judgment circuit 76.
・Waveform shaping circuit patent applicant Tatsu Todoroki, Director of the Agency of Industrial Science and Technology Figure 1 32: Light source / 5: > TLT5 Round Cross τCAV.

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] (1)発光素子と、多数回コイル状に巻回されたセンサ
コイル部分を含み且つ前記発光素子からの光が分岐され
て両端に結合され該センサコイルを両方向に伝搬した光
を両端から出力する光ファイバと、該光ファイバを伝搬
した両回り光を受ける受光素子とを具備し、前記センサ
コイルが回転したときに生ずる両回り光間の位相差から
回転角速度を測定する光ファイバジャイロにおいて、前
記センサコイルの端部付近に設けられた第1の位相変調
器と、前記受光素子の出力を受けて、該受光素子からの
位相差を表す電圧が実質的に零となるような鋸歯状波駆
動パルスを、該第1の位相変調器に供給する零位法サー
ボ回路と、位相差が小さいとき前記受光素子の出力を位
相差信号として出力し、一方、位相差が大きいとき前記
零位法サーボ回路の電圧を位相差信号として出力する切
り換えスイッチとを具備することを特徴とする光ファイ
バジャイロ。
(1) Includes a light emitting element and a sensor coil portion wound in a coil shape many times, and light from the light emitting element is branched and coupled to both ends, and light propagated in both directions through the sensor coil is output from both ends. The optical fiber gyro includes an optical fiber and a light-receiving element that receives light in both directions propagated through the optical fiber, and measures a rotational angular velocity from a phase difference between the lights in both directions generated when the sensor coil rotates. A first phase modulator provided near an end of the sensor coil, and a sawtooth wave drive that receives the output of the light receiving element so that a voltage representing a phase difference from the light receiving element becomes substantially zero. a zero-position method servo circuit that supplies pulses to the first phase modulator; and a zero-position method servo circuit that outputs the output of the light receiving element as a phase difference signal when the phase difference is small; An optical fiber gyro characterized by comprising a changeover switch that outputs a circuit voltage as a phase difference signal.
(2)前記センサコイルの端部付近に設けられた第2の
位相変調器と、前記第1の位相変調器の駆動周波数で前
記受光素子の出力を同期検波する同期検波器とを更に具
備しており、前記電圧制御発振回路は、前記同期検波器
の出力を受け、また、前記切り換えスイッチは、位相差
が小さいとき前記同期検波器の出力を位相差信号として
出力することを特徴とする特許請求の範囲第(1)項記
載の光ファイバジャイロ。
(2) The sensor coil further includes a second phase modulator provided near an end of the sensor coil, and a synchronous detector that synchronously detects the output of the light receiving element at the driving frequency of the first phase modulator. The patent is characterized in that the voltage controlled oscillator circuit receives the output of the synchronous detector, and the changeover switch outputs the output of the synchronous detector as a phase difference signal when the phase difference is small. An optical fiber gyro according to claim (1).
(3)前記第1の位相変調器は、電気光学効果を利用し
た位相変調器であることを特徴とする特許請求の範囲第
(1)項または第(2)項記載の光ファイバジャイロ。
(3) The optical fiber gyro according to claim 1 or 2, wherein the first phase modulator is a phase modulator that utilizes an electro-optic effect.
(4)前記零位法サーボ回路は、前記受光素子の出力を
受けする差動積分器と、該差動積分器の出力を受ける電
圧制御発振回路と、該電圧制御発振回路の出力を受けて
鋸歯状波を前記第1の位相変調器に出力する波形成形回
路とを具備していることを特徴とする特許請求の範囲第
(1)項から第(3)項までのいずれかに記載の光ファ
イバジャイロ。
(4) The zero method servo circuit includes a differential integrator that receives the output of the light receiving element, a voltage controlled oscillation circuit that receives the output of the differential integrator, and a voltage controlled oscillation circuit that receives the output of the voltage controlled oscillation circuit. Claims 1 to 3 further include a waveform shaping circuit that outputs a sawtooth wave to the first phase modulator. fiber optic gyro.
(5)前記位相差信号をデジタル信号に変換するA/D
変換器が設けられていることを特徴とする特許請求の範
囲第(1)項から第(4)項までのいずれかに記載の光
ファイバジャイロ。
(5) A/D that converts the phase difference signal into a digital signal
An optical fiber gyro according to any one of claims (1) to (4), characterized in that a converter is provided.
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH02234015A (en) * 1989-02-03 1990-09-17 Litton Syst Inc Method and system for detecting rotation of optical fiber
JP2008203242A (en) * 2006-12-13 2008-09-04 Northrop Grumman Guidance & Electronics Co Inc Improved fiber optic gyroscope deadband circumvention apparatus and method
JP2009533666A (en) * 2006-04-11 2009-09-17 イクセア Optical fiber measuring method and apparatus, and electric gyroscope
JP2010139504A (en) * 2008-12-09 2010-06-24 Northrop Grumman Guidance & Electronics Co Inc Automatic gain control for fiber optic gyroscope deterministic control loops

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