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JPH0511845B2 - - Google Patents
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JPH0511845B2 - - Google Patents

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Publication number
JPH0511845B2
JPH0511845B2 JP8217386A JP8217386A JPH0511845B2 JP H0511845 B2 JPH0511845 B2 JP H0511845B2 JP 8217386 A JP8217386 A JP 8217386A JP 8217386 A JP8217386 A JP 8217386A JP H0511845 B2 JPH0511845 B2 JP H0511845B2
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JP
Japan
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optical fiber
light
phase
output
angular frequency
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
JP8217386A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JPS62239013A (en
Inventor
Mitsuru Nishikawa
Yozo Nishiura
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
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Publication date
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  • Gyroscopes (AREA)

Description

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

従来の技術 現在、ジヤイロが様々な分野で利用され、特
に、航空機、飛翔体、自動車などの移動体のナビ
ゲーシヨンや姿勢制御のための角速度センサとし
て活用されている。このジヤイロを使用すれば、
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 ART Currently, gyros are used in various fields, particularly as angular velocity sensors for navigation and attitude control of moving objects such as aircraft, flying objects, and automobiles. If you use this gyroscope,
Not only angular velocity, but also data such as orientation can be obtained by integrating it.

そのようなジヤイロの中で、光フアイバジヤイ
ロは、光及びその光が伝搬する光フアイバが磁界
や電界の影響を受け難いため、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
イナミツクレンジ)、スケールフアクタの安定性
の点において、従来のジヤ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 these types of gyroscopes, optical fiber gyroscopes 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, and they have no moving parts. Furthermore, it is superior to conventional gyroscopes in terms of minimum detectable angular velocity (sensitivity), drift, measurable range (dynamic range), and scale factor stability. Therefore, it has been attracting attention and being developed in recent years.

そのような光フアイバジヤイロの例は、例え
ば、ギヤロレンジ テー.ジー.、ブカロ ジエ
ー.エー.他『光フアイバセンサ技術』 アイイ
ーイーイージヤーナル オブ カンタム エレク
トロニクス(Giallorenzi T.G., Bucaro J.A.
et al “Optical Fiber Sensor Technology”,
IEEE J. of Quantum Electronics)QE−18,
No.4, pp626−662(1982)やクラシヨウ及び
アイ.ピー.ギレス『光フアイバジヤイロスコー
プ』ジヤーナル オブ フイジクス エレクトロ
ニクス サイエンス インストルメント
(Culshaw and I.P.Giles “Fiber Optic
Gyroscopes”J.Phys.E:Sci Instrum.)16 pp5
−15,(1983)や、坪川、大塚「光フアイバジヤ
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。
Examples of such fiber optic tires include, for example, gear range gear. G. , Bukalo J. A. Other ``Optical Fiber Sensor Technology'' Institute of Quantum Electronics (Giallorenzi TG, Bucaro JA
et al “Optical Fiber Sensor Technology”,
IEEE J. of Quantum Electronics) QE−18,
No. 4, pp626-662 (1982) and Kurashiyo and I. P. Culshaw and IPGiles “Fiber Optic” Journal of Physics Electronics Science Instruments
Gyroscopes”J.Phys.E:Sci Instrument) 16 pp5
-15, (1983) and Tsubokawa, Otsuka, “Optical Fiber Gyroscope” Laser Research, 11 , No.. 12, pp889
-902 (1983) and other publications.

(a) 光フアイバジヤイロの原理 ここで、光フアイバジヤイロの原理を第2図を
参照して説明する。
(a) Principle of the optical fiber coil The principle of the optical fiber coil will now be explained with reference to FIG. 2.

発光素子10からの光をビームスプリツタ12
により分割して、コイル状に多数回シングルモー
ド光フアイバ18を巻回した光フアイバループす
なわちセンサコイル20の両端に入力して、セン
サコイル20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つ
て角速度Ωを検出するものである。
The light from the light emitting element 10 is transmitted to the beam splitter 12
The optical fiber loop is made by winding the single mode optical fiber 18 many times in the form of a coil, and is input to both ends of the sensor coil 20.
to propagate light. At that time, the sensor coil 20
When 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。
Electric field strengths E CW and E CCW of the light propagated clockwise and counterclockwise in the sensor coil 20
is expressed as follows.

ECW=Ersin(ωt+Δθ/2) ECCW=ELsin(ωt−Δθ/2) 但し、Er、EL:左回り光及び右回り光の振幅 ω:光の角周波数 t:時間 Δθ:サニヤツク効果による位相差 そのように位相差Δθが生じた左回り光と右回
り光とをビームスプリツタ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。
E CW = E r sin (ωt + Δθ/2) E CCW = E L sin (ωt − Δθ/2) However, E r , E L : Amplitude of counterclockwise light and clockwise light ω : Angular frequency of light t : Time Δθ: Phase difference due to the sannyac effect The counterclockwise light and clockwise light with such a phase difference Δθ are combined by the beam splitter 12 and are incident on the light receiving element 26. The phase difference Δθ can be determined from the detection intensity of the light receiving element 26. The phase difference Δθ can be expressed as follows.

Δθ=4πLa/cλΩ …(1) 但し、L:センサコイルのフアイバ長 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 これをサニヤツク効果という。 Δθ=4πLa/cλΩ …(1) 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 sanyatsuk 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.
Various things have been proposed.

最も簡単に、左回り光、右回り光の和を、受光
素子で二乗検波すると、出力Iは、 I∝{1+
cos(Δθ)} …(2) という形になる。
Most simply, when the sum of counterclockwise light and clockwise light is square-law detected using a light receiving element, the output I is: I∝{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。
Since Δθ is included in cos, this has the disadvantage of poor sensitivity 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
を90°ずらして、二乗検波するという光学機構が
提案されている。この場合、出力Iは、 I∝{1+sin(Δθ)} …(3) の形になるから、Δθが0に近い時の感度が良い。
Therefore, an optical mechanism has been proposed in which the phase of either counterclockwise or clockwise light is shifted by 90 degrees and square law detection is performed. In this case, the output I takes the form I∝{1+sin(Δθ)} (3), so 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ツ
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
うに光学的な検出機構によつて行うには、上記の
ような難点がある。
Improving the sensitivity when Δθ is close to 0 using an optical detection mechanism as described above has the above-mentioned difficulties.

(b) 位相変調方式光フアイバジヤイロ そこで、動的な機構によつて、Δθを検出しよ
うとする光フアイバジヤ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、位相変調方式光フアイ
バジヤイロである。
(b) Phase modulation type optical fiber irons Therefore, many optical fiber irons that attempt to detect Δθ using a dynamic mechanism have been proposed. For example, a phase modulation method, a frequency modulation method, etc. are used. Among them, the phase modulation optical fiber iron is the most superior in terms of minimum detectable angular velocity.

位相変調方式光フアイバジヤイロは、光フアイ
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。
The phase modulation type optical fiber iron is a method in which a phase modulation element is provided at one end of an optical fiber sensor coil, and the phase difference Δθ is determined by measuring the magnitude of the modulation signal.

その位相変調方式光フアイバジヤイロについて
第3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
ツタ12により2つに分けられ、光フアイバ18
の両端に結合される。その光フアイバ18は、セ
ンサコイル20を構成するように巻回された部分
と、角周波数ωnで駆動されるピエゾ素子のよう
な位相変調素子22に巻き付けられた光フアイバ
の位相変調部24とに分けられている。そして、
光フアイバの両端から結合された光は、それぞ
れ、光フア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
ムスプリツタ12により合成されて受光素子26
に入射する。
The phase modulation type optical fiber coil will be explained with reference to FIG.
is connected to both ends of the The optical fiber 18 includes a portion wound to constitute a sensor coil 20 and a phase modulation portion 24 of the optical fiber wound around a phase modulation element 22 such as a piezo element driven at an angular frequency ω n . It is divided into and,
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.
incident on .

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つて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、光フアイバのセンサコイルの長さが
L、フアイバコアの屈折率をn、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, if the length of the optical fiber sensor coil is L, the refractive index of the fiber core is n, and the speed of light is c, then the time required for light to pass through the sensor coil is τ
is τ=nL/c (4).

ここで、位相変調素子22を左回り光の入射端
の近傍に設け、位相変調素子22の変調信号が、
上記したように、角周波数ωn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=ωnτ =nLωn/c =2πfnnL/c …(5) 但し、ωn=2πfn となる。
Here, the phase modulation element 22 is provided near the incident end of the counterclockwise light, and the modulation signal of the phase modulation element 22 is
As mentioned above, it is assumed that it is a sine wave with an angular frequency ω n . When the light that exits 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 n τ = nLω n /c = 2πf n nL/ c...(5) However, ω n =2πf n .

サニヤツク効果により、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
よつて、さらに位相変調される。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、 ECW=Ersin{ωt+Δθ/2+bsin(ωnt+φ)}…(6
) ECCW=ELsin{ωt−Δθ/2+bsin(ωnt)} …(7) となる。
Due to the sannyac effect, the clockwise light and the counterclockwise light have a phase difference of ±Δθ/2, but the phase is further modulated by the phase modulation element. If the amplitude of the phase modulation element is b, the electric field strengths E CW and E CCW of the clockwise and counterclockwise lights are E CW = E r sin {ωt + Δθ/2 + bsin (ω n t + φ)}...(6
) E CCW = E L sin {ωt−Δθ/2+bsin(ω n t)} …(7).

以上のような電界強度を有する右回り光、左回
り光は、ビームスプリツタ12で合成されて受光
素子26によつて二乗検波されるので、受光素子
の出力S(Δθ,t)はECWとECCWの和を二乗した
ものに比例する。
The clockwise light and counterclockwise light having the electric field strength as described above are combined by the beam splitter 12 and square-law detected by the light receiving element 26, so the output S(Δθ, t) of the light receiving element is E CW and E CCW squared.

S(Δθ,t)={ECW+ECCW2 …(8) これを計算すると、 S(Δθ,t)=ErELcos{Δθ+2bsin(φ/2)cos
(ωnt+φ/2)}+D.C.+{2ω以上}…(9) 但し、D.C.は直流成分を意味する。
S (Δθ, t) = {E CW + E CCW } 2 …(8) Calculating this, S (Δθ, t) = E r E L cos {Δθ + 2bsin (φ/2) cos
n t+φ/2)}+D.C.+{2ω or more}...(9) However, DC means a direct current component.

{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,t)をベツ
セル函数を使つて級数展開する。まず、(9)式は次
のように表される。
Therefore, DC is omitted and S(Δθ, t) is expanded into a series using the Betzel function. First, equation (9) is expressed as follows.

S(Δθ,t)=ErEL{cosΔθcos〔2bsinφ/2c
os(ωnt+φ/2)〕 −sinΔθsin〔2bsinφ/2cos(ωnt+φ/
2)〕}…(10) 一方、ベツセル函数の母函数展開から、 ex/2(t-1/t)n=-∞ Jo(X)tn …(11) である。t= ei〓と置くと、 eixsin 〓=n=-∞ Jo(X)ei〓 …(12) と表すことができる。(12)式の実数部、虚数部の展
開から、(10)式のcosi、snの部分の級数展開を得る
ことができる。S(Δθ,t)を、これらの部分に
分けて、 S(Δθ,t)=(SccosΔθ+SssinΔθ)ErEL…(1
3) と書くと、θ→θ+π/2の変換をした後、 J-o(X)=(−)nJo(X) …(14) 但し、nは正の整数 という性質を使つて、 ξ=2bsinφ/2 …(15) とおいて、上記ScとSsを書くと、 Sc=Jp(ξ)+2n=1 (−)nJ2o(ξ)cos2nωnt …(16) Ss=2n=0 (−)nJ2o+1(ξ)cos(2n+1)ωn
…(17) となる。そこで、再び、S(Δθ,t)を表すと次
の如くである。
S(Δθ,t)=E r E L {cosΔθcos[2bsinφ/2c
os(ω n t+φ/2)] −sinΔθsin[2bsinφ/2cos(ω n t+φ/
2)]...(10) On the other hand, from the generating function expansion of the Betzel function, e x/2(t-1/t) = n=-∞ J o (X)tn...(11). By setting t= e i 〓, it can be expressed as e ixsin 〓= n=-∞ J o (X) e i 〓 …(12). From the expansion of the real and imaginary parts of equation (12), we can obtain the series expansion of the cosi and sn parts of equation (10). Divide S (Δθ, t) into these parts, S (Δθ, t) = (S c cos Δθ + S s sin Δθ) E r E L …(1
3) After converting θ→θ+π/2, J -o (X) = (-)nJ o (X) …(14) However, using the property that n is a positive integer, ξ =2bsinφ/2 …(15) and writing the above S c and S s , S c = J p (ξ) + 2 n=1 (−) n J 2o (ξ) cos2nω n t …(16 ) S s =2 n=0 (−)nJ 2o+1 (ξ)cos(2n+1)ω n t
…(17) becomes. Therefore, S(Δθ, t) is expressed as follows again.

S(Δθ,t)=1/2(Er 2+EL 2)+(2ωt以上の成
分)+ErELJp(ξ)cosΔθ +ErELn=1 (−1)nJ2o(ξ)cos2nωnt・cosΔθ +ErEL 〓 〓n=0 (−1)nJ2o+1(ξ)cos(2n+1)ωnt・sinΔθ
…(10)a =DC成分 +2ErELJ1(ξ)cosωnt・sinΔθ −2ErELJ2(ξ)cos2ωnt・cosΔθ −2ErELJ3(ξ)cos3ωnt・sinΔθ +2ErELJ4(ξ)cos4ωnt・cosΔθ +高次成分 …(10)b これは、変調信号ωnの基本波と、高調波信号
の級数和である。
S (Δθ, t) = 1/2 (E r 2 + E L 2 ) + (component over 2ωt) + E r E L J p (ξ) cos Δθ + E r E L 2 n=1 (-1) nJ 2o (ξ)cos2nω n t・cosΔθ +E r E L 2 〓 〓 n=0 (−1)nJ 2o+1 (ξ)cos(2n+1)ω n t・sinΔθ
…(10)a = DC component +2E r E L J 1 (ξ) cosω n t・sinΔθ −2E r E L J 2 (ξ) cos2ω n t・cosΔθ −2E r E L J 3 (ξ) cos3ω n t・sinΔθ +2E r E L J 4 (ξ) cos4ω n t・cosΔθ + higher-order component...(10)b This is the series sum of the fundamental wave of the modulation signal ω n and the harmonic signal.

適当なフイルタを使えば、基本波ωn又は任意
の次数の高周波の信号を取り出すことができる。
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。
By using an appropriate filter, it is possible to extract the fundamental wave ω n or a high frequency signal of any order.
No matter which signal is adopted, the magnitude of cosΔθ or sinΔθ can be known.

その場合、その次数のベツセル函数Jo(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ωn、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 the modulation by the phase modulation element, the modulation angular frequency ω n , and the sensor coil transit time τ should be set so that the value of the Betzel function J o (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(10)b式の右辺第2項である。
これは、基本波成分である。この基本波成分をP
(Δθ,t)とすると、 P(Δθ,t)=2ErELJ1(ξ)cosωnt・sinΔθ
…(18) である。かくして、sinΔθに比例した出力がえら
れ、基本波成分の振幅を求めて、Δθを知ること
ができる。
The highest sensitivity can be expected from the first-order term (n=0) in equation (17), that is, the second term on the right side of equation (10)b.
This is the fundamental wave component. This fundamental wave component is P
(Δθ, t), then P(Δθ, t)=2E r E L J 1 (ξ)cosω n t・sinΔθ
…(18). In this way, an output proportional to sin Δθ is obtained, and Δθ can be found by finding the amplitude of the fundamental wave component.

なお、J1(ξ)を最大にすると感度が良くなる
ので、ξ=1.8に設定する。このとき、直流成分
J0(ξ)はほぼ0である。
Note that since sensitivity improves when J 1 (ξ) is maximized, it is set to ξ = 1.8. At this time, the DC component
J 0 (ξ) is approximately 0.

以上が位相変調方式の光フアイバジヤイロの基
本構成である。
The above is the basic configuration of a phase modulation type optical fiber pilot.

発明が解決しようとする問題点 従来の光フアイバジヤイロにおいては、上記し
た式(10)bに示す信号から基本波ωn成分を取り出
す場合、参照信号として角周波数ωnの矩形波を
用いて同期検波し、直流出力2ErELsinΔθを得る。
Problems to be Solved by the Invention In the conventional optical fiber gyro, when extracting the fundamental wave ω n component from the signal shown in equation (10)b above, a rectangular wave with an angular frequency ω n is used as a reference signal and synchronous detection is performed. Then, we obtain the DC output 2E r E L sin Δθ.

ところが、デユーテイが正確に1/2でない角周
波数ωnの矩形波は、ローパスフイルタを用いて
も完全には除去できないような2ωn成分も含んで
おり、これにより上記した式(10)bに示す信号の
n成分も同期検波されて直流成分 −2ErELJ2(ξ)cosΔθが出力することになる。
これが雑音となつて光フアイバジヤイロの高精度
を確保することが難しかつた。
However, a rectangular wave with an angular frequency ω n whose duty is not exactly 1/2 also contains a 2ω n component that cannot be completely removed even with a low-pass filter, and as a result, the equation (10) b above is of the signal shown
The 2ω n component is also synchronously detected and the DC component −2E r E L J 2 (ξ)cosΔθ is output.
This caused noise, making it difficult to maintain high accuracy with the optical fiber gyroscope.

そこで、本発明は、上記雑音を排して高精度な
位相変調方式光フアイバジヤイロを提供せんとす
るものである。
Therefore, the present invention aims to eliminate the above noise and provide a highly accurate phase modulation type optical fiber iron.

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、第1図に示す
ように、発光素子10と、多数回コイル状に巻回
されたセンサコイル部分20を含み且つ前記発光
素子10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
力する向フアイバ18と、該光フアイバの一端付
近に設けられて光フアイバを伝搬する光を所与の
角周波数ωnで位相変調する位相変調器30と、
前記光フアイバを伝搬した両回り光を受ける受光
素子26と、該受光素子の出力を受けて同期検波
する同期検波装置とを具備し、前記センサコイル
20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位相変調方式光フアイ
バジヤイロにおいて、前記同期検波装置は、前記
受光素子26の出力を受けて前記変調角周波数の
2倍の角周波数2ωnで同期検波する第1の同期検
波器40と、該第1の同期検波器40の出力を受
けて前記変調角周波数と同じ角周波数ωnで同期
検波する第2の同期検波器42とを備えることを
特徴とする位相変調方式光フアイバジヤイロが提
供される。
Means for Solving the Problems According to the present invention, as shown in FIG. A bidirectional fiber 18 is provided near one end of the optical fiber to couple the light propagated to both ends of the sensor coil and output the light propagated in both directions from both ends. a phase modulator 30 that performs phase modulation at a frequency ω n ;
It is equipped with a light-receiving element 26 that receives the two-way light propagated through the optical fiber, and a synchronous detection device that receives the output of the light-receiving element and performs synchronous detection, and detects the two-way light generated when the sensor coil 20 rotates. In a phase modulation type optical fiber gyro that measures rotational angular velocity from a phase difference, the synchronous detection device receives the output of the light receiving element 26 and performs synchronous detection at an angular frequency 2ω n that is twice the modulation angular frequency. A phase modulation method characterized by comprising a detector 40 and a second synchronous detector 42 that receives the output of the first synchronous detector 40 and performs synchronous detection at the same angular frequency ω n as the modulation angular frequency. Optical fiber gyros are provided.

作 用 以上のような位相変調方式光フアイバジヤイロ
において、発光素子からの光は、ビームスプリツ
タを介してモードフイルタフアイバの中を伝搬
し、さらにビームスプリツタで2つの光線に分け
られ、右回り光(CW)、左回り光(CCW)とし
て、光フアイバの中を伝搬する。
Function In the above-described phase modulation type optical fiber coil, light from the light emitting element propagates through the mode filter tough fiber via a beam splitter, and is further split into two beams by the beam splitter. (CW), counterclockwise light (CCW) propagates through the optical fiber.

右回り光と左回り光のうち一方の光が先に位相
変調素子で位相変調を受け、もう一方の光は遅れ
て位相変調を受ける。それとともに、センサコイ
ルが受ける回転により、右回り光と左回り光との
間に位相差Δθが生じる。
One of the clockwise light and the counterclockwise light is first subjected to phase modulation by the phase modulation element, and the other light is subjected to phase modulation after a delay. At the same time, due to the rotation that the sensor coil receives, a phase difference Δθ is generated between the clockwise light and the counterclockwise light.

光フアイバを伝搬した右回り光と左回り光は、
光フアイバから出射して、ビームスプリツタで合
成され、モードフイルタフアイバの中を伝搬す
る。
The clockwise light and counterclockwise light propagating through the optical fiber are
The light is emitted from the optical fiber, combined by the beam splitter, and propagated through the mode filter tough fiber.

モードフイルタフアイバの中を伝搬した光ビー
ムは、ビームスプリツタを介して受光素子に入射
する。
The light beam propagated through the mode filter tough fiber enters the light receiving element via the beam splitter.

受光素子は、光強度に比例した電気信号を発生
し、その出力を受けて第1の同期検波器は、その
うちの位相変調角周波数の2倍の角周波数の成分
のみを抽出する。さらに上記第1の同期検波器の
出力を受けて第2の同期検波器は、そのうちの位
相変調周波数と同じ角周波数の成分のみを抽出す
る。
The light-receiving element generates an electric signal proportional to the light intensity, and upon receiving the output, the first synchronous detector extracts only a component of the angular frequency twice the phase modulation angular frequency. Furthermore, upon receiving the output of the first synchronous detector, the second synchronous detector extracts only the component having the same angular frequency as the phase modulation frequency.

以上のような信号処理を解析するならば、次の
如くである。
The above signal processing can be analyzed as follows.

受光素子からの出力のうち予め直流成分をとり
除いたとすると、第1の同期検波器は、次式に示
す電気信号を出力する。
Assuming that the DC component is removed in advance from the output from the light receiving element, the first synchronous detector outputs an electric signal expressed by the following equation.

S1=2ErELJ4(ξ)cosΔθ・cos2ωnt+2ErEL
sinΔθ{J1(ξ)−J3(ξ)}・cosωnt−2ErELJ2
ξ)
cosΔθ …(19) さらに直流成分を除いて、上記信号S1を第2の同
期検波器で同期検波すると、次式に示す電気信号
が出力される。
S 1 =2E r E L J 4 (ξ)cosΔθ・cos2ω n t+2E r E L
sinΔθ{J 1 (ξ)−J 3 (ξ)}・cosω n t−2E r E L J 2 (
ξ)
cos Δθ (19) Further, when the DC component is removed and the signal S 1 is synchronously detected by a second synchronous detector, an electric signal expressed by the following equation is output.

S2=2ErELJ4(ξ)cosΔθ・cosωnt+2ErEL{J1
(ξ)−J3(ξ)}・sinΔθ …(20) 上記出力信号から直流成分のみを抽出すれば
sinΔθに比例した出力、すなわち角速度信号が得
られる。
S 2 = 2E r E L J 4 (ξ) cosΔθ・cosω n t+2E r E L {J 1
(ξ)−J 3 (ξ)}・sinΔθ …(20) If only the DC component is extracted from the above output signal,
An output proportional to sinΔθ, that is, an angular velocity signal is obtained.

このとき、第2の同期検波器の基準角周波数
ωnの矩形波の中に2ωnの角周波数成分が含まれ
ていると、上記(20)式で示す同期検波後の出力の中
に直流成分2ηErELJ4(ξ)cosΔθも雑音として混
入することになる。ここで、ηは基準周波数信号
中の2ωn成分の基準周波数信号中のωn成分に対
する比を表わす。
At this time, if an angular frequency component of 2ω n is included in the rectangular wave of the reference angular frequency ω n of the second synchronous detector, the output after the synchronous detection shown in equation (20) above will contain a DC current. The component 2ηE r E L J 4 (ξ)cosΔθ will also be mixed in as noise. Here, η represents the ratio of the 2ω n component in the reference frequency signal to the ω n component in the reference frequency signal.

なお、前述のとおりJ1(ξ)を最大にすると感
度が良くなるので、ξ=1.8に設定する。このと
き、ξの代わりxの関数としてベツセル関数を示
している第4図からわかるように、J1(1.8)−J3
(1.8)=0.491、J4(1.8)0.023となり、信号成分2Er
EL{J1(ξ)−J3(ξ)}sinΔθに対して、上記雑音

分2ηErELJ4(ξ)cosΔθは充分小さい値となる。
またJ2(1.8)=0.306となるので、上記雑音成分は、
上記した従来の光フアイバジヤイロにおける雑音
成分、−2ErELJ2(ξ)cosΔθと比して充分小さい。
Note that, as mentioned above, maximizing J 1 (ξ) improves the sensitivity, so it is set to ξ = 1.8. At this time, as can be seen from Figure 4, which shows the Betzel function as a function of x instead of ξ, J 1 (1.8) − J 3
(1.8) = 0.491, J 4 (1.8) 0.023, and the signal component 2E r
The above noise component 2ηE r E L J 4 (ξ)cosΔθ has a sufficiently small value with respect to E L {J 1 (ξ)−J 3 (ξ)}sinΔθ.
Also, since J 2 (1.8) = 0.306, the above noise component is
This is sufficiently small compared to the noise component -2E r E L J 2 (ξ) cos Δθ in the above-mentioned conventional fiber optic gyroscope.

実施例 以下添付図面を参照して発明による光フアイバ
ジヤイロの実施例を説明する。
Embodiments Hereinafter, embodiments of the optical fiber coil according to the invention will be described with reference to the accompanying drawings.

第5図は、本発明を実施した位相変調方式光フ
アイバジヤイロの1実施例構成を示した図であ
る。光フアイバジヤイロの基本的条件を備えた最
小構成については、イゼキール エス.及びアー
デ テイ エイチ.ジエー「光フアイバ回転セン
サ」スプリニガー−フエアラーク ベルリン
(Ezekil S.and Arditty H.J.“Fiber Optic
Rotatior Sensors”,Springer−Verlag Berlin.)
1982に詳しい説明がある。
FIG. 5 is a diagram showing the configuration of an embodiment of a phase modulation type optical fiber coil embodying the present invention. For the minimum configuration with the basic requirements for optical fiber optics, please refer to Izekiel S. and A.D.H. Ezekil S. and Arditty HJ “Fiber Optic
Rotatior Sensors”, Springer-Verlag Berlin.)
1982 has a detailed explanation.

図示の位相変調方式光フアイバジヤイロにおい
ては、発光素子10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、スーパールミネツセントダイオードな
どが、使用できる。その発光素子が発生する光ビ
ームはハーフミラーのようなビームスプリツタ1
2を介してモードフイルタフアイバ16に入射す
る。モードフイルタフアイバ16を伝搬した光ビ
ームは、ビームスプリツタ14で2つに分岐して
光フアイバ18の両端に結合する。
In the illustrated phase modulation type optical fiber iron, a light source such as a light emitting element 10 is provided, and is driven by a power source (not shown) to generate a light beam. Note that a He--Ne laser, a semiconductor laser, a superluminescent diode, etc. can be used as the light source. The light beam generated by the light emitting element is transmitted through a beam splitter 1 like a half mirror.
2 and enters the mode filter tough fiber 16. The light beam propagated through the mode filter tough fiber 16 is split into two by the beam splitter 14 and coupled to both ends of the optical fiber 18 .

光フアイバ18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たセンサコイ
ル20と、センサコイル20の一端付近に配置さ
れた位相変調器30に結合された部分とからなつ
ている。
The optical fiber 18 consists of a sensor coil 20 wound into a coil shape many times and a portion coupled to a phase modulator 30 disposed near one end of the sensor coil 20 so as to constitute an optical fiber sensor. There is.

位相変調器30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32に分周器
34を介して接続され、交流励振電源32の角周
波数2ωnの矩形波を1/2に分周した角周波数ωn
矩形波の交流で駆動されるようになされている。
この場合は、光フアイバ18は、例えば位相変調
器30に巻き付けられる。
The phase modulator 30 is composed of, for example, a piezoelectric vibrating element, is connected to the AC excitation power source 32 for phase modulation via a frequency divider 34, and divides the rectangular wave of the angular frequency 2ω n of the AC excitation power source 32 into 1/2. It is designed to be driven by an alternating current rectangular wave with an angular frequency ω n .
In this case, the optical fiber 18 is wound around a phase modulator 30, for example.

光フアイバ18を右回りと左回りとに伝搬した
光ビームは、光フアイバ18の両端から出射され
て、ビームスプリツタ14で合成され、モードフ
イルタフアイバ16に入射する。モードフイルタ
フアイバ16を伝搬した光ビームは、ビームスプ
リツタ12を介して受光素子26に入射する。
The light beams propagated clockwise and counterclockwise through the optical fiber 18 are emitted from both ends of the optical fiber 18, are combined by the beam splitter 14, and enter the mode filter tough fiber 16. The light beam propagated through the mode filter tough fiber 16 enters the light receiving element 26 via the beam splitter 12.

受光素子26の電気出力は、直流阻止用のフイ
ルタ50を介して同期検波器40の入力に接続さ
れている。同期検波器40は、受光素子26から
の出力を交流励振電源32から供給された基準周
波数信号2ωnで同期検波して、角周波数2ωnの成
分の電圧信号を出力する。
The electrical output of the light receiving element 26 is connected to the input of the synchronous detector 40 via a DC blocking filter 50. The synchronous detector 40 synchronously detects the output from the light receiving element 26 using the reference frequency signal 2ω n supplied from the AC excitation power source 32, and outputs a voltage signal having a component of the angular frequency 2ω n .

同期検波器40の電気出力は、直流阻止用のフ
イルタ52を介して同期検波器42の入力に接続
されている。同期検波器42の基準周波数信号
ωnは、交流励振電源32の出力する角周波数
nを受けて角周波数ωnを出力する分周器34
から供給される。同期検波器42は、同期検波器
40からの出力を角周波数ωnで同期検波して、
該角周波数の成分の電圧信号を高域阻止フイルタ
54を介して出力する。すなわち、センサコイル
20において発生した位相差Δθを示す角速度信
号が得られる。
The electrical output of the synchronous detector 40 is connected to the input of the synchronous detector 42 via a DC blocking filter 52. The reference frequency signal ω n of the synchronous detector 42 is the angular frequency output from the AC excitation power source 32.
A frequency divider 34 that receives 2ω n and outputs an angular frequency ω n
Supplied from. The synchronous detector 42 synchronously detects the output from the synchronous detector 40 at an angular frequency ω n ,
A voltage signal of the angular frequency component is outputted via the high-frequency rejection filter 54. That is, an angular velocity signal indicating the phase difference Δθ generated in the sensor coil 20 is obtained.

以上のように構成される位相変調方式光フアイ
バジヤイロは、次のように動作する。
The phase modulation type optical fiber coil configured as described above operates as follows.

電源により駆動される発光素子10からの光ビ
ームは、ビームスプリツタ12を介してモードフ
イルタフアイバ16中を伝搬し、ビームスプリツ
タ14で2つに分岐され光フアイバ18の両端に
結合される。
A light beam from a light emitting device 10 driven by a power source propagates through a mode filter fiber 16 via a beam splitter 12, is split into two by a beam splitter 14, and is coupled to both ends of an optical fiber 18.

光フアイバ18に入力された光ビームは、回転
を受けているセンサコイル20の部分で位相差が
でき、また、角周波数ωnの矩形波交流で駆動さ
れる位相変調器30に結合された部分において位
相変調される。
The light beam input to the optical fiber 18 has a phase difference at the part of the sensor coil 20 undergoing rotation, and also has a phase difference at the part coupled to the phase modulator 30 driven by a rectangular alternating current with an angular frequency ω n . is phase modulated at

そのように光フアイバ18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、光フアイバ18の両端から出力され
て、ビームスプリツタ14により合成され、モー
ドフイルタフアイバ16中を伝搬し、ビームスプ
リツタ12を介して受光素子26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 18, are outputted from both ends of the optical fiber 18, are combined by the beam splitter 14, and then enter the mode filter tough fiber 16. propagates and enters the light receiving element 26 via the beam splitter 12.

受光素子26の出力は、フイルタ50で直流成
分が取り除かれた後、同期検波器40において角
周波数2ωnで同期検波され、前述した(19)式で表わ
される電圧信号が出力される。同期検波器40の
出力は、さらにフイルタ52で直流成分が取り除
かれた後、同期検波器42において角周波数ωn
で同期検波され、前記(20)式で表わされる電圧信号
が出力される。
After the DC component is removed from the output of the light receiving element 26 by a filter 50, it is synchronously detected at an angular frequency of 2ω n by a synchronous detector 40, and a voltage signal expressed by the above-mentioned equation (19) is output. After the DC component is removed from the output of the synchronous detector 40 by a filter 52, the angular frequency ω n is determined by the synchronous detector 42.
The voltage signal expressed by the above equation (20) is output.

同期検波器42の出力信号からフイルタ54に
より直流成分のみ抽出され、sinΔθに比例した出
力、すなわち角速度信号が得られる。
Only the DC component is extracted from the output signal of the synchronous detector 42 by the filter 54, and an output proportional to sin Δθ, that is, an angular velocity signal is obtained.

このとき、上記したように、分周器からの矩形
波の中に含まれる2ωnの角周波数成分により誘起
される雑音成分が、上記角速度信号に含まれるこ
とになる。
At this time, as described above, the noise component induced by the 2ω n angular frequency component included in the rectangular wave from the frequency divider is included in the angular velocity signal.

しかしながら、前述したようにξ=1.8に設定
しておくことにより、この雑音成分は、角速度信
号に対して充分小さく、また、上記した従来の光
フアイバジヤイロにおける雑音成分と比較しても
充分小さいものとすることができる。
However, by setting ξ=1.8 as described above, this noise component is sufficiently small relative to the angular velocity signal, and is also sufficiently small compared to the noise component in the conventional optical fiber gyro described above. can do.

従つて、位相変調方式の光フアイバジヤイロに
おいて、同期検波する際誘起された雑音を著しく
減少させて高精度を確保することができる。
Therefore, in the phase modulation type optical fiber gyro, noise induced during synchronous detection can be significantly reduced and high accuracy can be ensured.

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
位相変調方式光フアイバジヤイロは、同期検波す
る際誘起された雑音を著しく減少させて高精度を
確保する。従つて、本発明による光フアイバは、
広い範囲にわたつて活用することができる。
Effects of the Invention As is clear from the above description, the phase modulation type optical fiber coil according to the present invention significantly reduces noise induced during synchronous detection and ensures high accuracy. Therefore, the optical fiber according to the invention
It can be used in a wide range of applications.

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

第1図は、本発明による光フアイバジヤイロの
原理を図解する光学系統図であり、第2図は、光
フアイバジヤイロの原理を説明する基本構成図で
あり、第3図は、位相変調方式光フアイバジヤイ
ロの原理を説明する基本構成図であり、第4図
は、ベツセル関数Joの値を、図表であり、第5図
は、本発明による光フアイバジヤイロの1つの実
施例の構成を示すブロツク図である。 主な参照番号、10……発光素子、12,14
……ビームスプリツタ、16……モードフイルタ
フアイバ、18……光フアイバ、20……センサ
コイル、22……位相変調素子、26……受光素
子、30……位相変調器、321……交流励振電
源、34……分周器、40,42……同期検波
器、50,52,54……フイルタ。
FIG. 1 is an optical system diagram illustrating the principle of the optical fiber coil according to the present invention, FIG. 2 is a basic configuration diagram illustrating the principle of the optical fiber coil, and FIG. 3 is a diagram of the phase modulation type optical fiber coil. FIG. 4 is a diagram showing the values of the Bessel function J o ; FIG. 5 is a block diagram showing the configuration of one embodiment of the optical fiber coil according to the present invention. . Main reference number, 10... Light emitting element, 12, 14
... Beam splitter, 16 ... Mode filter tough fiber, 18 ... Optical fiber, 20 ... Sensor coil, 22 ... Phase modulation element, 26 ... Light receiving element, 30 ... Phase modulator, 321 ... AC excitation Power supply, 34... Frequency divider, 40, 42... Synchronous detector, 50, 52, 54... Filter.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 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アイバ
と、該光フアイバの一端付近に設けられて光フア
イバを伝搬する光を所与の角周波数で位相変調す
る位相変調器と、前記光フアイバを伝搬した両回
り光を受ける受光素子と、該受光素子の出力を受
けて同期検波する同期検波装置とを具備し、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位相変調方式
光フアイバジヤイロにおいて、前記同期検波装置
は、前記受光素子の出力を受けて前記変調角周波
数の2倍の角周波数で同期検波する第1の同期検
波器と、該第1の同期検波器の出力を受けて前記
変調角周波数と同じ角周波数で同期検波する第2
の同期検波器とを備えることを特徴とする位相変
調方式光フアイバジヤイロ。 2 前記受光素子の出力は、直流成分除去フイル
タを介して前記第1の同期検波器に入力され、該
第1の同期検波器の出力は、別の直流成分除去フ
イルタを介して第2の同期検波器へ入力され、且
つ、その出力には、直流成分をとり出す高域阻止
フイルタが接続さていることを特徴とする特許請
求の範囲第1項記載の位相変調方式光フアイバジ
ヤイロ。 3 2bsinφ/2が約1.8となるように前記位相変調 器による両回り光の位相差φおよび変調度bが設
定されていることを特徴とする特許請求の範囲第
1項または第2項記載の位相変調方式光フアイバ
ジヤイロ。
[Scope of Claims] 1. A device comprising a light emitting element and a sensor coil portion wound in a coil shape many times, and in which light from the light emitting element is branched and coupled to both ends, and light propagated in both directions through the sensor coil is split. an optical fiber that outputs from both ends; a phase modulator that is provided near one end of the optical fiber to phase-modulate the light propagating through the optical fiber at a given angular frequency; and a phase modulator that receives the light propagating in both directions through the optical fiber. A phase modulation type optical fiber coil comprising a light receiving element and a synchronous detection device that receives the output of the light receiving element and performs synchronous detection, and measures the rotational angular velocity from the phase difference between the two directions of light generated when the sensor coil rotates. The synchronous detection device includes a first synchronous detector that receives the output of the light receiving element and performs synchronous detection at an angular frequency twice the modulation angular frequency; A second device that performs synchronous detection at the same angular frequency as the modulation angular frequency.
A phase modulation type optical fiber gyro characterized by comprising a synchronous detector. 2. The output of the light receiving element is input to the first synchronous detector via a DC component removal filter, and the output of the first synchronous detector is input to the second synchronous detector via another DC component removal filter. 2. The phase modulation type optical fiber gyro according to claim 1, wherein a high-frequency rejection filter is connected to the input to the wave detector and to the output thereof to take out the DC component. 3. The phase difference φ and the modulation degree b of the two-way light by the phase modulator are set so that 2bsinφ/2 is approximately 1.8. Phase modulation optical fiber gyro.
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