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技術 共振器光ファイバ・ジャイロスコープ(RFOG)内の残留強度変調(RIM)制御ループ

出願人 ハネウェル・インターナショナル・インコーポレーテッド
発明者 リー・ストランジョードグレン・エイ・サンダースティエチュン・チウ
出願日 2010年2月19日 (9年8ヶ月経過) 出願番号 2010-034443
公開日 2010年9月24日 (9年0ヶ月経過) 公開番号 2010-210616
状態 特許登録済
技術分野 ジャイロスコープ
主要キーワード 単色光波 ボーデ線図 動作増幅器 次増幅器 光検出器出力信号 残留強度 光学ジャイロ 直列分岐
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2010年9月24日)のものです。
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図面 (8)

課題

共振器光学ジャイロスコープ内の強度変調により引き起こされる回転速度の測定誤差を低減させるシステムおよび方法を提供すること。

解決手段

この方法は、強度変調された光ビームを取り出すステップと、取り出した光ビームの一部分を光検出器の方へ誘導するステップと、光ビームの振幅変動に比例する信号を光検出器から出力するステップと、この信号を増幅させるステップと、この信号を強度変調器制御入力として提供するステップとを含む。強度変調により引き起こされる誤差は、フィードバックループの利得に比例する量だけ低減される。

概要

背景

共振器光学ジャイロスコープは、共振空胴を含む回転速度感デバイスである。共振空胴は、反対方向に伝播する光波を支持する(普遍性を失うことなく、以下、それぞれ時計回り(CW)および反時計回り(CCW)方向と呼ぶ)。共振器の垂直軸周りの回転速度がゼロ以外であるとき、CW光波CCW光波に対する効果的な往復光路の長さは異なり、これらの光波間に共振周波数差を招く。この共振周波数差を測定することによって、回転速度を求めることができる。

共振器光ファイバジャイロスコープ(RFOG)は、共振器内で光ファイバを使用する特別な種類の共振器ジャイロスコープである。光ファイバは、感知ループの寸法をあまり増大させることなく、ジャイロ信号対雑音(S/N)感度を高める。共振周波数差を測定するには、通常、単色光波正弦波位相周波数変調されて、CWおよびCCW方向でRFOG共振器内に結合される。共振器内を循環する光の一部分が共振器から外へ結合されて、光検出器電子信号に変換される。これらの電気信号は、対応する変調周波数復調されて、入力光周波数をCWおよびCCW空胴共鳴周波数に対してサーボ制御するために使用される。

RFOGに対して光波を位相/周波数変調するには多くの方法がある。1つの共通の手法は、レーザの後にニオブ酸リチウム位相変調器を使用することである。別の手法は、半導体レーザ注入電流変調することである。後者の方法が使用される場合、注入電流の変調は、レーザ光周波数だけでなく、光強度も変調する。その結果得られる強度変調は、レーザ周波数変調と同じ周波数のものである。

位相変調に位相変調器が使用される場合、変調器導波管とそのピグテールファイバの間の不完全ファイバ接続または偏光軸不整合のため、光路に沿ってRFOGの位相変調器の前後に、偏光交差結合点が生じる可能性がある。光学パワーの大部分は、意図した通り、偏光状態を変調器の通過軸整合させた光路内で伝播する。しかし、少量の交差結合された光学パワーは、偏光状態が変調器の経路アクセスに直交する光路内で伝播する。位相変調器後の交差結合点では、変調器の2つの直交する偏光軸に沿って伝播する光波間の干渉により、位相変調周波数で強度変調が生じる。

強度変調により、共鳴中心周波数光検出器出力信号がゼロ以外になる。共鳴周波数の光検出器出力がゼロ以外になると、サーボは、誤差を除去するようにレーザ周波数を共鳴周波数から動かす。CWとCCW両方のレーザ周波数が共鳴から同じ量だけ同じ方向(正相または負位相)に動かされた場合、回転感知誤差は取り消すことができる。しかし、両方のビームの強度変調が同じ大きさでかつ同じ方向のものである可能性は低い。

概要

共振器光学ジャイロスコープ内の強度変調により引き起こされる回転速度の測定誤差を低減させるシステムおよび方法を提供すること。この方法は、強度変調された光ビームを取り出すステップと、取り出した光ビームの一部分を光検出器の方へ誘導するステップと、光ビームの振幅変動に比例する信号を光検出器から出力するステップと、この信号を増幅させるステップと、この信号を強度変調器制御入力として提供するステップとを含む。強度変調により引き起こされる誤差は、フィードバックループの利得に比例する量だけ低減される。

目的

1つの共通の手法は、レーザの後にニオブ酸リチウム位相変調器を使用することである

効果

実績

技術文献被引用数
1件
牽制数
0件

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請求項1

強度変調により引き起こされる測定誤差を低減させるように構成された残留強度変調サーボループ(24)を備える、ジャイロスコープ性能を改善する装置(10)。

請求項2

請求項1に記載の装置であって、前記残留変調サーボループ(24)が、強度変調器(26)と、タップカプラ(28)と、光検出器(30)とを備え、前記強度変調器(26)の入力が、レーザ源(20)の出力と連通するように結合され、前記タップカプラ(28)の入力が、前記強度変調器(26)の出力と連通するように結合され、前記光検出器(30)の入力が、前記タップカプラ(28)の出力と連通するように結合され、前記光検出器(30)の出力が、前記強度変調器(26)の制御ポートと連通するように結合され、前記強度変調器(26)が、前記光検出器(30)からのフィードバック信号応答して、前記レーザ源(20)から受け取った光ビーム振幅変動を低減させる装置。

請求項3

請求項2に記載の装置であって、サーボ電子構成要素(32)をさらに備え、前記サーボ電子構成要素(32)の入力が、前記光検出器(30)の前記出力と連通するように結合され、前記サーボ電子構成要素(32)の出力が、前記強度変調器(26)の前記制御ポートと連通するように結合され、前記サーボ電子構成要素(32)が、前記光検出器(30)からの前記フィードバック信号を増幅させてから、前記信号を前記強度変調器(26)の制御ポートへ送出する装置。

技術分野

0001

優先権の主張
本出願は、2009年3月6日出願の仮出願第61/158,018号の利益を主張する。同出願を参照により本明細書中に組み込む。

背景技術

0002

共振器光学ジャイロスコープは、共振空胴を含む回転速度感デバイスである。共振空胴は、反対方向に伝播する光波を支持する(普遍性を失うことなく、以下、それぞれ時計回り(CW)および反時計回り(CCW)方向と呼ぶ)。共振器の垂直軸周りの回転速度がゼロ以外であるとき、CW光波CCW光波に対する効果的な往復光路の長さは異なり、これらの光波間に共振周波数差を招く。この共振周波数差を測定することによって、回転速度を求めることができる。

0003

共振器光ファイバジャイロスコープ(RFOG)は、共振器内で光ファイバを使用する特別な種類の共振器ジャイロスコープである。光ファイバは、感知ループの寸法をあまり増大させることなく、ジャイロ信号対雑音(S/N)感度を高める。共振周波数差を測定するには、通常、単色光波正弦波位相周波数変調されて、CWおよびCCW方向でRFOG共振器内に結合される。共振器内を循環する光の一部分が共振器から外へ結合されて、光検出器電子信号に変換される。これらの電気信号は、対応する変調周波数復調されて、入力光周波数をCWおよびCCW空胴共鳴周波数に対してサーボ制御するために使用される。

0004

RFOGに対して光波を位相/周波数変調するには多くの方法がある。1つの共通の手法は、レーザの後にニオブ酸リチウム位相変調器を使用することである。別の手法は、半導体レーザ注入電流変調することである。後者の方法が使用される場合、注入電流の変調は、レーザ光周波数だけでなく、光強度も変調する。その結果得られる強度変調は、レーザ周波数変調と同じ周波数のものである。

0005

位相変調に位相変調器が使用される場合、変調器導波管とそのピグテールファイバの間の不完全ファイバ接続または偏光軸不整合のため、光路に沿ってRFOGの位相変調器の前後に、偏光交差結合点が生じる可能性がある。光学パワーの大部分は、意図した通り、偏光状態を変調器の通過軸整合させた光路内で伝播する。しかし、少量の交差結合された光学パワーは、偏光状態が変調器の経路アクセスに直交する光路内で伝播する。位相変調器後の交差結合点では、変調器の2つの直交する偏光軸に沿って伝播する光波間の干渉により、位相変調周波数で強度変調が生じる。

0006

強度変調により、共鳴中心周波数光検出器出力信号がゼロ以外になる。共鳴周波数の光検出器出力がゼロ以外になると、サーボは、誤差を除去するようにレーザ周波数を共鳴周波数から動かす。CWとCCW両方のレーザ周波数が共鳴から同じ量だけ同じ方向(正相または負位相)に動かされた場合、回転感知誤差は取り消すことができる。しかし、両方のビームの強度変調が同じ大きさでかつ同じ方向のものである可能性は低い。

先行技術

0007

仮出願第61/158,018号

課題を解決するための手段

0008

本発明は一般に、共振器光学ジャイロスコープ内の強度変調により引き起こされる回転速度の測定誤差を低減させるシステムおよび方法に関する。この方法は、(1)ジャイロスコープ共振器の上流位置決めされた強度変調器を通るように光ビーム誘導するステップと、(2)強度変調器から受け取った光ビームの少なくとも一部分を光検出器の方へ再誘導するステップと、(3)変調周波数の再誘導された光ビームの振幅に比例する信号を光検出器から出力するステップと、(4)出力された光検出器信号増幅させるステップと、(5)出力された信号を強度変調器に制御入力として提供するステップとを含む。この方法は、変調周波数での強度変調を、フィードバックループの利得にほぼ比例する量だけ低減させる。このシステムは、強度変調器、タップカプラ、光検出器、およびサーボを含む。前述の構成要素は、導入される順に直列ループの形で接続され、したがって、強度変調器からの光ビームをタップカプラが受け取り、強度変調器は、その制御信号をサーボの出力から受け取る。

0009

本発明の好ましい実施形態および代替実施形態について、以下の図面を参照して以下に詳細に説明する。

図面の簡単な説明

0010

本発明の一実施形態による残留強度変調(RIM)制御ループを含む共振器光ファイバ・ジャイロスコープ(RFOG)のブロック図である。
RFOG内の強度変調により引き起こされる回転速度の測定誤差を低減させる方法の流れ図である。
残留強度変調サーボの電気回路図である。
残留強度変調サーボの第2の実施形態の電気回路図である。
開ループ構成の場合の各ノードの例示的な信号をともに示す、RIM制御ループのブロック図である。
閉ループ構成の場合の各ノードの例示的な信号をともに示す、RIM制御ループのブロック図である。
RIM制御ループの開ループ構成の応答ボーデ線図である。

実施例

0011

強度変調誤差による回転感知バイアス補償は、残留強度変調(RIM)サーボループを共振器光ファイバ・ジャイロスコープ(RFOG)の2つの時計回りおよび反時計回りのレーザ源のそれぞれの中に組み込むことによって実現される。図1は、2つのレーザ源、時計回り(CW)レーザ源12および反時計回り(CCW)レーザ源14を含むRFOG10を示す。2つの源12、14のそれぞれの出力は、共振器15の入力に結合される。共振器15の出力は、時計回り復調構成要素16および反時計回り復調構成要素21に結合され、これらの復調構成要素は、時計回りレーザ源12および反時計回りレーザ源14にフィードバック信号を提供する。

0012

時計回りレーザ源12は、レーザ20、レーザ駆動装置22、および残留強度変調(RIM)制御ループ24を含む。RIM制御ループ24は、強度変調器26、タップカプラ28、サーボループ光検出器30、およびRIMサーボ電子構成要素32を含む。時計回り復調構成要素16は、復調光検出器17、復調器18、および復調処理装置19を含む。

0013

時計回りレーザ源12の構成要素は、直列分岐の形で、レーザ駆動装置22からレーザ20、強度変調器26、タップカプラ28、共振器15の通りに接続される。RIM制御ループ24の構成要素は、直列ループの形で、強度変調器26からタップカプラ28、サーボループ光検出器30、RIMサーボ電子構成要素32へ、そして再び強度変調器26の通りに接続される。時計回り復調構成要素16の構成要素は、直列分岐の形で、復調光検出器17から復調器18、復調処理装置19の通りに接続される。復調処理装置19の出力は、再びレーザ駆動装置22へ接続される。CCWレーザ源14は、CWレーザ源12内に含まれる構成要素に相補的な構成で接続される相補的な1組の構成要素を含む。CCW復調器構成要素21はまた、CW復調構成要素16内に含まれる構成要素に相補的な構成で接続される相補的な1組の構成要素を含む。

0014

動作の際には、レーザ駆動装置22は、所与の周波数で光ビームを出力するようにレーザ20を駆動する。レーザ20からの光は、強度変調器26およびタップカプラ28を通過してから、共振器15によって受け取られる。共振器15は、CWレーザ源12およびCCWレーザ源14からの光を同時に受け取り、2つの源12、14からの光ビームは、共振器15の周りを反対方向に進む。復調構成要素16、21はそれぞれ、共振器15から光ビームを受け取り、共鳴周波数とレーザ周波数の差を示す信号を検出することによって、各レーザ周波数をそれぞれ対応する共鳴周波数で維持する。

0015

各復調構成要素16、21はまたレーザ駆動装置22に出力し、レーザ駆動装置22は、復調された光検出器出力信号をゼロに等しく維持するように周波数を連続して調整することによって、レーザ20を連続して共鳴周波数にする。これにより、各光ビームを共鳴周波数で維持する。

0016

回転速度の尺度は、CWとCCWの共鳴周波数間の周波数差の尺度である。レーザ周波数は共鳴周波数に制御されるので、レーザ周波数間の差は、回転速度の尺度である。レーザ周波数間の差を測定するために、タップカプラ33によって、レーザ直後の各ビームからわずかな光が取り出される。両方のビームから取り出された光は、ビーム結合器34で結合される。ビーム結合器34は2つの出力を有し、これらの出力はそれぞれ、光検出器35に進む。CWとCCWのレーザビームは、2つの光検出器35で干渉して、うなり信号を生成する。うなり信号は、2つのレーザビーム間の周波数差に等しい周波数を有する強度変動である。光検出器35の出力は、周波数差処理装置36へ進み、周波数差処理装置36は、うなり信号の周波数、したがって2つのレーザ間の周波数差を測定する。周波数差の符号を求めるには、2つの検出器が必要である。

0017

RIMサーボループ24は、実際の共鳴周波数と復調出力信号がゼロに等しくなる周波数との間のオフセット(強度変調バイアス誤差)を補償する。強度変調器26は、変調周波数前後の周波数で発生する強度変動を制御することによって、この差を補正する。強度変調器26は、RIMサーボ電子構成要素32からその制御ポートで受け取った負のフィードバック信号によって制御される。タップカプラ28は、わずかな光、通常ビーム全体の5%〜10%を取り出して、その光をサーボループ光検出器30へ再誘導する。サーボループ光検出器30は、光信号内の強度変調の振幅に比例する電圧信号を出力する。RIMサーボ電子構成要素32は、サーボループ光検出器30からの電圧信号を増幅させて、この信号を強度変調器の制御ポートに供給する。強度変調の低減は、変調周波数でのRIMサーボ電子構成要素32の開ループ利得に比例する。

0018

図2は、共振器光ファイバ・ジャイロスコープ10内の強度変調により引き起こされる回転速度の測定誤差を低減させる例示的な方法38を示す。まず、ブロック40で、光ビームがレーザ20から強度変調器26を通るように誘導される。次に、ブロック42で、強度変調器26から受け取った光ビームの少なくとも一部分が、タップカプラ28を使用してサーボループ光検出器30の方へ再誘導される。次に、ブロック44で、サーボループ光検出器30は、変調周波数の再誘導された光ビームの振幅に比例する電圧信号を出力する。次に、ブロック46で、出力された光検出器信号は、RIMサーボ電子構成要素32で増幅される。最後に、ブロック48で、増幅された信号は、強度変調器26の制御ポートに提供される。このフィードバックを用いて、強度変調器26は、強度変調による変調周波数の振幅変動を、フィードバックループの利得にほぼ比例する量だけ低減させる。

0019

図3は、RIMサーボ電子構成要素32−1の第1の実施形態を示す。RIMサーボ電子構成要素32−1は、動作増幅器50、入力抵抗52、第1のフィードバック抵抗54および第2のフィードバック抵抗56、入力コンデンサ58、ならびにフィードバックコンデンサ60を含む。

0020

RIMサーボ電子構成要素32−1は、動作増幅器の積分回路を形成する。動作増幅器50のプラス入力は接地に接続され、またその出力は、RIMサーボ信号出力として、強度変調器26の入力制御ポートに接続される。動作増幅器50のマイナス入力は、入力抵抗52および入力コンデンサ58の直列接続を通して、RIMサーボ制御入力に接続される。動作増幅器50のマイナス入力および出力はまた、第1のフィードバック抵抗54およびフィードバックコンデンサ60を直列で有する第1の分岐と、第2のフィードバック抵抗56を有する第2の分岐との並列回路接続を含むフィードバックループを通して接続される。RIMサーボ電子構成要素32−1は、その入力として、サーボループ光検出器30から受け取った信号を有し、またその出力は、強度変調器26の入力制御ポートへ供給される。

0021

図4は、RIMサーボ電子構成要素32−2の第2の実施形態を示す。RIMサーボ電子構成要素32−2には、直列に接続された3つの段の第1の実施形態32−1が含まれる。唯一の違いは、入力コンデンサ58が第1の段64の入力で一度だけ現れ、その後の第2の段66および第3の段68の入力では現れないことである。

0022

図5は、RIM制御ループ24が開ループ構成である場合の様々なノードでの代表的な信号振幅を示す。RIM制御ループ24の信号の中には、強度変調器入力信号70、強度変調器出力信号72、およびRIMサーボ出力信号74がある。RIM制御ループ24は、RIMサーボ電子構成要素32と強度変調器26の制御入力の間のスイッチ78によって、開ループ構成と閉ループ構成の間を切り換える。RIM制御ループ24が開ループ構成である場合、強度変調器出力信号72の振幅は強度変調器入力信号70と変わらず、RIMサーボ出力信号74の振幅は大きい。この結果は、変調周波数前後の周波数で発生する強度変動が制御されていないことを示す。

0023

図6は、制御ループ24が閉ループ構成である場合(スイッチ78が閉じた状態)のRIM制御ループ24のノードでの代表的な信号振幅を示す。その結果、強度変調器出力信号72の振幅は、強度変調器入力信号70と比較して小さくなり、RIMサーボ出力信号74の振幅は、図4の開ループ構成の場合ほど大きくない。この結果は、変調周波数前後の周波数で発生する強度変動がRIM制御ループ24によって制御されていることを示す。

0024

図7は、RIMサーボ電子構成要素32の開ループ利得に対して起こりうる応答のボーデ線図80を示す。第1のRIMサーボ電子構成要素32−1などの1次ループの場合、利得82−1は、1次応答84によって表すように、速度20dB/decadeの周波数で減衰する。変調周波数86の実際の利得82−1は、開ループ構成での減衰の速度および単位利得クロスオーバ周波数88によって求められる。したがって、単位利得クロスオーバ周波数88を増大させることによって、全体的な利得82−1、および強度変調の対応する低減も増大させることができる。しかし、実際には、単位利得クロスオーバ周波数88をどれだけ高く上げられるかは限られており、これにより強度変調の最大の低減も限られる。

0025

変調周波数86での追加の利得は、RIMサーボ電子構成要素32を2次または3次増幅器にすることによって、単位利得クロスオーバ周波数88を増大させることなく実現することができる。2次ループの場合、増大させた利得82−2は、2次応答90で表すように、速度40dB/decadeの周波数で減衰する。図3の第2のRIMサーボ電子構成要素32−2などの3次ループの場合、増大させた利得82−3は、3次応答92で表すように、速度60dB/decadeの周波数で減衰する。

0026

変調周波数での強度変調は、およそフィードバックループの利得分だけ低減される。したがって、フィードバックループは、変調周波数または変調周波数付近最大利得を有するように設計される。非常に高い利得を実現するには、フィードバックループの帯域幅を、変調周波数よりはるかに高くしなければならない。RFOG変調周波数は通常、20kHz〜200kHzの範囲内である。したがって、100kHzで60dBのフィードバックループ利得が望ましい場合、フィードバックループの単位利得周波数は、1次ループに対して少なくとも100MHz、また2次ループに対して概ね10MHzにする必要がある。これらの高い周波数は、強度変調が単位利得周波数より大きな帯域幅、したがって非常に高い帯域幅を有する必要があることを意味する。単位利得周波数より大きな帯域幅を有する2つの例示的な強度変調器は、ニオブ酸リチウム変調器および電子吸収変調器である。

0027

本発明の一実施形態について、上記の通り例示して説明したが、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、多くの変更を加えることができる。したがって、本発明の範囲は、一実施形態の開示に限定されるものではない。その代わりに、本発明は、以下の特許請求の範囲を参照することによって完全に決定されるべきである。

0028

独占的所有権または特権が主張される本発明の実施形態を以下に規定する。

0029

10 RFOG、共振器光ファイバ・ジャイロスコープ
12時計回り(CW)レーザ源
14反時計回り(CCW)レーザ源
15 共振器
16 時計回り復調構成要素
17復調光検出器
18復調器
19復調処理装置
20レーザ
21 反時計回り復調構成要素
22レーザ駆動装置
24残留強度変調(RIM)制御ループ、RIMサーボループ
26強度変調器
28タップカプラ
30 サーボループ光検出器
32RIMサーボ電子構成要素
32−1 RIMサーボ電子構成要素
32−2 RIMサーボ電子構成要素
33 タップカプラ
34ビーム結合器
35 光検出器
36周波数差処理装置
38 方法
50動作増幅器
52入力抵抗
54 第1のフィードバック抵抗
56 第2のフィードバック抵抗
58入力コンデンサ
60フィードバックコンデンサ
64 第1の段
66 第2の段
68 第3の段
70 強度変調器入力信号
72 強度変調器出力信号
74 RIMサーボ出力信号
78 スイッチ
80ボーデ線図
82−1 利得
82−2 増大させた利得
82−3 増大させた利得
84 1次応答
86変調周波数
88 単位利得クロスオーバ周波数
90 2次応答
92 3次応答

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