KR100289614B1 - 섬유 광학 자이로스코오프내 자장-유도 바이어스를 줄이기 위한 장치 - Google Patents

Abstract

자장에 노출된 한 센서코일의 출력에서 파라데이 효과에 의해 유도된 바이어스 오차를 억누르기 위한 장치 이 장치는 바이어스 이동을 보상하기 위한 센서코일의 두 리이드에서 형성된다. 이같은 장치중 하나는 센서코일의 축에 횡단하는 방향의 자장성분에 의해 유도된 효과를 보상하기 위해 광섬유의 적어도한 루우프를 포함하며 다른 하나는 축을 따라 자장성분에 의해 유도된 효과를 보상하기 위해 예정된 피시각으로 정해진 적어도 한 루우프를 포함한다. 각 경우에, 예정된 섬유 꼬임모드의 예정된 꼬임정도가 상호작용의 교정의 파라데이 효과를 발생시키기 위한 보상기 루우프에 노출된다. 크로스-커플링은 이들의 꼬임을 주기성이 균등하지 않은때 두 보상기 사이에서 발생되지 않는다.

Description

섬유 광학 자이로스코오프내 자장-유도 바이어스를 줄이기 위한 장치

제 1 도는 명료함을 목적으로 섬유코일 권선이 제거된 본 발명에 따른 센서코일의 사시도.

제 2 도는 한 대표적인 섬유 루우프를 포함하는 섬유광학 자이로스코오프 부분 개략도.

제 3 도는 센서코일의 꼬임속도와 본 발명에 따라 리이드중 하나내에 형성된 횡단 보상기 사이의 관계를 그래프로 도시한 도면.

제 4 도는 센서코일과 축방향 보상기이 피치 각도 차이를 설명하기 위해 본 발명에 따른 한 축방향 보상기를 포함하는 센서코일의 측면도.

제 5 도는 본 발명에 따른 두회선 축방향 자장 보상기의 사시도.

제 6 도는 자이로의 감도에 따라 가변하는 축방향 보상기 꼬임율의 효과를 설명하기 위한 자료 테이블.

제 7 도는 횡단 자장내에서 회전되는때 센서코일 (보상받지 못한)의 응답을 설명하는 그래프.

제 8 도는 자장을 통해 회전하는때 횡단필드(장)

로상기의 응답 그래프(구형파 꼬임 스펙트럼).

제 9 도는 자장을 통해 회전하는 때 횡단 필드 보상 센서코일 응답그래프.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호설명 *

10 … 코일 12 … 회전축

18 … 안쪽층 22 … 바깥쪽층

24 … 횡단보상기(transverse compensator)

26 … 축방향 보상기(axial compensator)

30 … 섬유루으프(fiber loop)

본 발명은 섬유 광학 자이로스코오프(gyroscopes)에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 자이로스코오프 센서 코일에 대하여 횡단방향과 축방향 모두로 방향이 결정된 자장에 의해 유도된 바이어스 오차를 억누르기 위한 장치에 관한 것이다.

자이로스코오프와같은 섬유광학 회전감지장치는 두개의 주요 컴포넌트, (1) 광원과 탐지기를 포함하는 정면단부 그리고 (2) 센서코일, 커플러(coupler) 그리고 한 시스템에 장착되는 팬광체판을 포함하는 섬유광학 간섭계를 포함한다. 광원으로부터 광은 커플러에 의해 두개의 광선으로 나뉘어지며, 이를 각각은 감지코일의 대향된 한 도선으로 연결된다. 간섭계와 이에 연결된 전자장치는 이들이 코일의반대편 도선을부터 나와 결합되는데 두 간섭하는 반대-전파 광선 사이의 위상관계를 처리한다. 두 광선 사이의 상 이동차이는 (1) 코일회전과 (2) 소위 “환경적”인수로부터 기인된다.

환경인수는 온도, 진동(음향적, 기계적 진동모두) 그리고 자장(파라데이 효과)와 같은 모든 변수들을 포함한다. 이들 인수들은 회전에 의해 유도된 것들과 구분할 수 없는 반대-전파 광선들 사이의 상이등을 유도할 수 있다. 감지 루우프가 이상적인 단일 모드 섬유인 경우에, 광선이 섬유코일을 통하여 이동하는때 그리고 반대전파 광선들 사이의 위상자가 발생되지 않는때 취소된다. 감속기 섬유 루우프내에 비대칭으로 위치하는때 파라데이 효과의 비 상호의존성 때문에, 위상자가 발견된다. 생산과정중에 자연히 발생되는 혹은 코일을 감는도중에 일어나는 섬유의 비틀림은 자장의 존재하에서 표류의 방향을 정하게하는 실질적이고 불가피한 감속기로 작용한다. 자장의 영향을 피하기 위한 한가지 공통된 방법은 센서코일을 μ-금속 하우징내에 위치시키는 것이다. 이 해결방안은 섬유광학 자이로스코오프의 무게와 생산가 모두의 증가의 댓가이다.

섬유광학내 파라데이 효과는 Kazuo Hotate와 Kunio tabe의 문헌(“파라데이에 의해 발생된 섬유광학 자이로스코오프의 표류: 지구자장의 영향,”응용광학 Vol. 25 No. 7(1987년 4월 1일)pp. 1086-1092 그리고 파라데이 영향에 의해 발생된 광학적 섬유 자이로스코오프의 표류: 실험, ";광파 기술의 저어널, vol. LT-5, No. 7(1987년 7월)pp. 997-10001) Hotate와 Tabe는 횡단방향자장(즉, 조합하여 센서코일을 구성시키는 루우프 평면내의 자장)으로 인해 섬유광학 자이로(FOG)의 받이어스와 표류 그리고 광섬유의 꼬임 사이의 관계를 논의한다. 광학적 섬유 팬광유지의 꼬임은 앞서 언급한 바와 같이 피할 수 없으며 코일구조의 여러단계중에 발생된다. 다음에 스푸울(spool)의 섬유로부터 감기게되는때 코일감개와 자이로 스푸울의 오정렬(이는 피하기가 거의 불가능하다)은 또다른 꼬임을 발생시킬 것이다. 와인딩 머신의 축이 섬유코일의 축에 대하여 경사져 있는데, 코일에서 꼬임이 유도되며 섬유가 스푸울의 원주위 둘레에서 감기는때 사인파로서 변화하는 꼬임율에 따라 주기적이며 약필리 레디안의 각도 오정렬은 약 각도/시간-가우스의 자기 감도를 발생시킨다. 많은 수의 꼬임방식이 발생될 수 있으며 결과의 한 센서코일내에 무작위로 분산될 수 있기도 하나, Hotate 와 Tabe는 꼬임을 주기가 센서코일의 한 루우의 섬유길이와 동일한 꼬임 컴포넌트는 횡단하는 자장의 감도에 대하여 책임이 있음을 증명하였다.

상기 인용된 문헌에서는 횡단하는 자장의 영향에 대하여 규정되었으나, 실제에 있어서는 횡단 및 축방향 자장 컴포넌트 모두가 일어난다. Hotate 등은 자장 감도를 억압하기 위해 팬극-유지 섬유(PM섬유) 센서코일을 사용할 것을 제의한다. 그러나, 실제에서는 현재 이용될 수 있는 PM 섬유의 복굴절성이 파라데이 효과로 인한 바이어스 오차를 완전히 억누를 정도로 충분히 크지 않다. 1과 5 사이의 각도/시간-가우스 바이어스 오차는 대개 PM 섬유코일을 갖는 FOG의 출력에서 탐지된다.

본 발명의 목적은 축방향과 횡단하는 방향 모두의 자장에 의해 발생된 바이어스와 표류가 충분히 억눌려지게되는 비틀림 보상장치를 제공하는 것이다

섬유광확 자이로스코오프를 위해 보상받은 센서코일을 제공함으로써 종래기술의 단점이 해결되게 된다. 코일은 단일 모드 광학적 섬유를 포함한다. 이같은 섬유는 인접한 다수의 동축회선으로 배치된다. 이 회선은 다수의 인접한 층들을 포함하는 한 센서코일내로 배치된다. 이같은 층 각각은 다수의 인접한 회선을 포함하며, 센서코일은 다수의 임의로 분산된 섬유꼬임 방식에 의해 특징된다.

섬유는 센서코일에 인접한 한 보상기내로 추가적으로 배치된다. 이같은 보상기는 적어도 하나의 섬유회선을 포함한다. 이같은 회선의 한 예정된 꼬임방식의 꼬임율은 센서코일의 축에 대하여 공지의 한 방향을 가지는 한 적용된 자장때문에 파라데이 효과를 상쇄하도록 선택된다.

하기에서는 첨부도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.

제1도는 본 발명에 따른 센서코일의 사시도로서 섬유코일 권선이 명료함을 목적으로 제거된다. 코일(10)은 외부의 자장 존재에 의해 유도될 광학적 위상이동을 보상하기 위한 장치를 포함한다. 도시한 바와 같이, 대체로 원통형코일(10)의 회전축 방향과 그에 횡단하는 방향 모두에 일렬로 정렬된 자장필드 컴포넌트 효과를 위해 보상이 제공될 수 있다. 후자의 경우에 자장 컴포넌트는 또한 코일(10)의 광학적 섬유 루우프의 평면내에 놓인다(이들 자장 컴포넌트 14-와 같은 방향의 자속에 H_A를 그리고 16-과 같은 자속에는 H_T의 표가 붙는다).

코일(10)은 제1도의 대체로 원통형인 구조로 감겨진 단일의 연속된 PM 광학적 섬유를 포함한다. 대칭과 비대칭인 권선 패턴 모두가 사용될 수 있다. 코일(10)이 연속된 섬유의 중간점으로부터 반대방향으로 권선 부합 패턴에 의해 형성되게되는 대칭의 권선은 비대칭적으로 감겨진 코일의 감정적 바이어스 소스인 출력에서 온도변화와 같은 환경적 요소의 충격을 최소로한다. 코일권선 처리는 한 가장 안쪽층(18)로부터 시작된 인접한 회선층의 발생을 포함하며, 코일의 센서부분이 가장 바깥쪽층(22)의 권선으로 끝나는때까지(20)으로 표시된 바와 같은 바깥축을 향한 방사상의 방향으로 진행된다. 센서코일(10)을 발생시키기 위한 구칙적인 권선패턴은 나선형 회선층을 포함하거나, “섬유 광학 감지코일”을 커버하는 Bednarz의 미국특허 제 4,793,708 호와 4극으로-감긴 감지코일과 그 제조방법 ”을 커버하는 Ivancevic의 미국특허 제 4,856,900 호에서 공개된 바와 같은 대칭적 배치를 포함한다. 이같은 특허 각각은 본원 양수인의 재산으로 이전되었다.

센서코일(10)은 위상차이의 발생을 위해 요구되는 많은 수의 섬유 루우프를 제공하며, 회전속도를 나타내는 결과의 한 간섭 패턴을 통하여 측정가능하다. 코일(10)은 대체로 중앙의 한 코어를 제공하는 스푸울(제1도에는 도시안됨)상에 정착된다. 양자택일로서, 적절한 접착제로 코일권선을 캡슐화하므로써 형상이 유지되는 자유로운 스탠딩이 될수 있다.

본 발명에 따라, 코일(10)내에서 반대로 전파하는 광선 사이의 불필요한 자장유도의 광학적 위상이동을 보상하기 위한 수단이 제공된다. 이같은 수단은 센서코일의 연속적인 광학 섬유로부터 형성되거나 센서코일 섬유에 가닥을 맞추어 이어진 또다른 광학적 섬유(또다른 광학적 특성을 갖는)로부터 형성된다. 보상을 달성시키기 위해 감지코일의 광학적 섬유 리이드가 하나 또는 두개의 특정된 바이어스 보상 기하학구조로 형성될 수 있다. 이같은 보상기(compensator) 모두가 제1도에 도시되어 있다. 이들은 적어도 한 리이드의 한 회선으로 이루어진 횡단필드 보상기(24)와 센서코일상에 감겨진 다른 리이드의 적어도 한 회선으로 구성된 축방향의 필드보상기(26)을 포함한다. 축방향의 보상기(26)은 예정된 각도 피지(c)를 가진다. 센서코일 섬유의 피치에 대한c의 관계는 본 발명의 디자인 기준으로 사용된다는 것을 알게될 것이다. 본 발명에 대한 다음의 설명으로부터 분명한 바와 같이, 횡단필드 보상기(24)는 파라데이 효과 -유도된 상 이동을 보상 또는 무효로하는데 만약 그렇지 안다면 횡단-방향 자장 성분 H_T가 적용된때 코일(10)의 신호출력에서 관찰되며 축방향의 필드 보상기(26)은 축방향 자장성분 H_A가 존재하는데 출력에서 관찰되게될 파라데이 효과-유도된 상이동을 극복하도록 한다.

앞서 언급한 바와 같이 본 발명은 다수층의 연속된 광학적 섬유의 회선들로 구성된 통상의 센서코일(10)과 결합된 하나 또는 두개이상의 보상기를 일원으로한다. 회선의 숫자와 기울기 그리고 보상기의 섬유꼬임율과 같은 중요한 디자인 파라미터가 보상기 효율을 유지시키기 위해 보존되어야 한다. 따라서, 하기에서 상세히 논의되는 보상기 구조는 권선처리중에 그리고 권선처리를 통하여 고정되며, 에폭시등과 같은 통상의 접착제 수단을 적절히 적용시키므로써 유지된다.

제2도는 한 대표적인 섬유루우프(30)을 포함하는 섬유광학 자이로스코오프의 부분적 개략도이다. 한 코일 좌표계가 이미 설명된 횡단 필드보상기(24)의 디자인 분석을 용이하게 하기 위해 포개어 도시된다. 이 도면에서, 루우프(30)의 반경 R은 다수의 동심을 이루는 층으로부터 택해진 센서코일의 회선반경 평균을 표시하며, 각 연속된 층은 가장 안쪽층(18)에서 시작되어 가장 바깥쪽층(22)로 이어지는 큰 R의 크기에 의해 특징되게된다. 대표적인 섬유광학 자이로 센서코일은 가령 10개 내지 36개의 권선층으로 구성되 있으며, 각각이 약 50개의 광섬유 회선으로 이루어진다. 이같은 도면들은 단지 대표적인 것으로만 이해되어야 할 것이며 합당한 센서코일 디자인으로서 유일한 것으로 이해되어서는 안되는 것이다. 특정 디자인은 정확도, 비용등유사한 필요요건에 의해 영향을 받게되는 의도된 적용을 반영하는 것이다.

본 발명에 따른 보상기의 디자인은 부분적으로 선택된 섬유꼬임 방식의 꼬임율에 달려있다. 회전하지 않은때 루우프(30)내에서 전파되는 시계방향과 시계 반대방향 광선 사이의 측정된 상이등 Δψt는 처음에 관련된 섬유방식의 꼬임을 평가할 목적으로 측정된다. 횡단하는 자장효과의 경우에, 감지코일의 주기성 2лR 방식의 꼬임을t(θ)가 유효하다. 이는 Hotate 와 Tabe의 상기 인용된 발견으로부터 알려져 있다. 논의된 바와 같이 감지코일의 회전축(12)(제2도에서의 그 루우프(30)이 대표적이다)에 횡단하는 방향의 자장 H_T로 인한 위상이동은 특정 꼬임모드와 H_T사이의 상호작용으로부터 일어난다. 이같은 방식의 꼬임을t(θ)는 회전하는 안는때 Δψt 에 대한 H_T의 영향을 분석하므로써 획득된다. 파라데이 회전은 여기서 가해진 자장의 세기 H_T와 광섬유의 잘알려진 Verdet 상수 V 곱과 동일하다. 횡단자장은 다음과 같은 상이동을 발생시킬 것이다.

여기서 Δβ는 광섬유의 복굴절성이며,는 섬유의 파라데이 회전이며 ΔΨt는 언급한 바와 같이 횡단 자장-유도 상이동이다.

θo는 제2도에서 도시한 바와 같이 자장 H_T의 방향 각도이다.

횡단 자장 H_T의 직교성분을 측정된 위상이동에 기여하도록 하기 위해 상기 방정식 각각을 풀어 다음 방정식을 얻는다.

상기 방정식t(θ)가 복굴절성 Δβ에 비례하고 반경 R과 Verdet 상수의 곱에 역 비례함을 설명하여 풀어진다.

축방향과 횡단 필드 보상기의 디자인 기준 논의는 다음과 같다. 이 논의를 통해서 보상기는 센서코일과 같은 연속된 광섬유로 형성된다. 그런, 이같은 “단일섬유” 디자인과 관련하여 제공된 가르침은 한 광섬유로 형성된 보강기로 쉽게 확장될 수 있으며 이때의 광섬유는 섬유 복굴절성, Verdet 상수등 광학적 스플라이스(splice)가 존재하므로써 안내되는 측정가능한 어나몰리(anamolies)와 함께 광학적 특징에 영향을 미치는 섬유 파라미터 사이의 불일치에 대한 교정에 의해 센서코일 섬유의 한 단부로 가닥으로 이어진다.

앞선 설명을 참조하여 횡단 필드보상기(24)를 디자인하기 위해, 다음 방정식이 만들어진다.:

ΔΨtc는 보상기에 의해 발생된 상이동이며 횡단 자장 성분 H_T에 의해 유도된 것과 상호 작용하도록 요구된다. 광섬유내 금지된 꼬임방식의 피할 수 없는 존재가 횡단필드로부터 유도된 바이어스 오차의 소스로서 작용한다. 또한 Hotate 와 Tabe에 의해 제공된 분석으로부터, 이같은 꼬임모드가 2πR의 꼬임을 주기성, 즉 센서코일(10)의 섬유 루우프(30) 평균 길이와 같다.

상기 확인된 꼬임모드의 보상기 꼬임율에 대한 해결방정식(5)는 횡단필드 보상기(24)에대한 다음 디자인 표준을 이끌어낸다.

tc t(θ) (6A)

여기서 m은 센서코일의 광섬유 회선의 총수이며, n는 횡단필드 보상기(24)의 회선수이다. 종래 설명에 비추어볼때,t(θ)는 측정될 수 있으며 공지된 관계식=VH에 비추어 방정식 1과 2를 플므로써 직접적으로 결정된다.

따라서, 본 발명에 따라 횡단 자장성분(즉 회전축(12)에 횡단방향인 성분)에 영향을 받지 않는 m-회선센서코일 출력이 코일권선의 한 섬유리이드에서 보상기의 추가에 의해 획득되며, 이때 코일권선의 리이드는 섬유 우루프의 평균길이와 동일한 꼬임율 주기성의 꼬임모드에 의해 특징을 갖는 n 섬유회선을 포함한다. 또한 보상기 코일 섬유의 꼬임방향이 센서코일 섬유 꼬임방향과 반대이다. 앞서 언급한 바와 같이,t의 크기가 가변 횡단 자장 H_T의 센서코일(회전부재)의 출력에서 유동된 위상이동 ΔΨt을 측정한 후에 상기 방정식 1과 2와 관련하여 획득된다.

제3도는 센서코일의 꼬임모드 꼬임율과 주기성이 루우프의 섬유길이와 같은 횡단 보상기 사이의 고나계 그래프이다. 5:1 의 m:n 비가 가정된다. 편의를 위해, 장방형-기능 타입 꼬임율을 갖는 한-회선 보상기가 첫번째 반 회선중에 포지티브의일정한 율로 그리고 두번째 반 회선중에 네가티브의 일정한 율로 한 섬유리이드를 꼬우므로써 발생될 수 있다. 이같은 경우에 횡단 감도를 보상하기 위해 요구되는 꼬임율은:

여기서t는 감지코일의 측정된t(θ)의 최대값이다.

본 발명자는 Hotate 와 Tabe의 이론을 기초로한 자장 바이어스 보상기의 디자인을 확장하였다. 축방향 자장 성분 H_A로 인한 위상이동의 목표를 정함에 있어서, 이들은 축방향 보상기의 기초로하는 또다른 이론적 통찰력을 실현하였다. 이전에서와 마찬가지로 발명자는 바이어스의 소스로서 작용하는 연속적인 PM 광섬유에서 그것이 꼬임모드의 존재임을 발견하였다. 횡단방향의 자장성분 H_T의 존재에 의해 발생되는 위상이동과는 달리 축방향의 자장이 존재하는 곳에서 관찰되는 바이어스 착오에 대해 책임이 있는 감겨진 한층의 섬유길이 두배와 동일한 꼬임을 기간의 꼬임방식인 것임을 밝혀냈다.

축방향의 장이 있는 경우에, 필드의 방향은 잠시 루우프의 평면에 거의 직각을 이룬다. 이는 이같은 자장이 자이로 출력에 영향을 미치지 않고 한 파라데이 효과를 발생시키며, 발명자는 축방향 자장이 사실상 자이로 출력에 상당히 영향을 미치게됨을 발견하였다.

많은 PM 섬유 회선 또는 루우프로 구성되어있는 실질적인 FOG를 위하여, Δβ>;>;,이 보유하는 근사값이 감지코일을 위한 방정식을 산출해 내도록 한다:

여기서a는 축방향 필드 감도에 책임이 있는 꼬임율이며, L는 감지 루우프의 섬유길이이고,(z)는 감지코일의 피지각도이다. 피지각도는 한층내 섬유에 대하여 일정한 상수값이며 그러나 인접한 층에 대하여는 반대부로를 갖는 일정한 상수이다. 일정한 꼬임은 피치각의 부호가 변경하는때마다 제로 축방향 자장-유도 위상이동을 일으키게할 것이다. 결과적으로 한층에서 “선택된(picked up)”어떠한 위상도 방정식 7의 적분이 제로가 될것이기 때문에 다음층에 의해 취소될 것이다. 상당한 축방향 자장 감도를 발생시킬 수 없는 유일한 요소는 두층의 총섬유길이와 같은 한 기간을 갖는 섬유꼬임 성분이다.

본 발명자의 상기 분석은 축방향 자장으로 인해 바이어스 오차를 상쇄시키기 위해 꼬임 보상기를 디자인하도록 사용되며, 이에 의해 전체 자기감도를 줄이게 된다. 이같은 보상기는 섬유리이드의 한 꼬임단면으로 이루어지며 이같은 리이드의 단면은 꼬임코일의 적어도 한 루우프의 코일내 꼬임 스펙트럼과 주기적으로 동일하게 떨어져 있게된다. 대개 감지코일내 꼬임은 공지되어 있지 않으며, 따라서 축방향의 민감도가 측정되어야 한다. 코일의 꼬임율은 다음 방정식을 응용하므로써 평가될 수 있다:

여기서 ΔΨa는 감지코일의 측정된 위상이동이며, R는 섬유루우프의 반경이고 m는 코일회선수이다. 축방향 필드감도를 억누르기 위해 요구되는 보상기의 꼬임율은:

ac = - m││Ra/(n_cR_ctan │ _c│) (9)

여기서 n_c는 보상기의 회선수이고, R_c는 보상기 루우프의 반경이고 _c는는 보상기 섬유의 피치각이다. _c는 가능한한 크게 만들어져서 필요한 회선수와 꼬임율을 줄이도록 해야한다.

제4도는 제1도 센서코일의 측면도로서 감지코일(10)의 권선과 축방향 필드보상기(26) 보상기 루우프 사이 관계를 설명한다. 원통형 센서코일(10)은 회전축(12)에 대해 직각으로 도시된라인(36)으로부터 각 회선의 경사를 규정하는 한 피치각으로 나사선 패턴으로 감겨진다. 축방향 보상기 루프는 각기 다른 각 _c로 경사된다. 횡단 보상기와 대조하여, 꼬임율ac는 주기성 2L층 꼬임방식과 관련되며, 즉 보상기 꼬임율은 두층의 회선을 감는데 사용된 섬유와 길이가 같은 기간의 센서코일 꼬임율과 관련이 있으며, _tc(θ)는 꼬임율 주기성 2πR의 방식과 관련이 있다. 따라서 축방향 보상기로 구성된 섬유의 꼬임율은 보상기 피치각 _c을 증가시키므로써 그리고/또는 보상기 회선수를 증가시키므로써 감소될 수 있다.

제5도는 제1도 및 4도에서 도시된 축방향 필드 보상기와는 다른 한 축방향 필드 보상기를 도시한 것이며, 이는 보상기의 각층이 한 단일회선을 포함하는때 두개의 보상기 회선 또는 층을 포함한다. 종래기술의 단일-회선(또는 층) 보상기를 제5도의 보상기와 비교할 수 있으며, 가변적 구성이 보상기 꼬임율ac를 최소로하는 바람직한 목표로의 선택적 접근을 나타내는가를 알아보기 위해 상기에서의 디자인 방정식(9)를 참작한다. 축방향 보상기가 n_c를 증가시키므로써 요구된 꼬임율을 줄이는 동안, 더욱더 설명되는 바와 같은 단일 및 다수회선 보상기 모두 보상기 회선의 수는 센서코일의 크기에 의해 허용되는 최대 크기 _c로 회선(들)의 방향을 일정하게 하므로써ac를 최소로하도록 ㅎ나다.

본 발명에 따라 축방향과 횡단 필드보상 모두와 관련하여 자료가 획득된다. 이같은 자료는 광대역 광원과 MIOC를 갖는 200m 섬유 자이로를 포함한 한 검사 베드(test bed)에 의해 발생된다. 이 자이로는 로크-인 증폭기가 자이로 신호의 복조를 제공하는 개방된 루우프 방식으로 동작되었다. 섬유코일로의 MIOC 리이드는 자장(횡단하는 방향과 축방향 모두로 필드를 선택적으로 발생시킬 수 있는 의사-헬름흘쯔에 의해 발생된다)에 직각인 방향을 하게된다. 보상기는 섬유 자이로의 코일과 유사한 원통형 코일로 제작시키므로써 검사베드내로 집적되게되며, 다음에 섬유리이드를 자이로의 입력 리이드중 하나로 접속시킨다. 다음에 검사보상기가 센서코일으로 쌓아올려졌으며 두 센서코일과 보상기 모두가 같은 균일한 자장을 볼수 있도록 하였다.

축방향 자장 보상기

사중극자(quadrupole) 센서코일, 권선구조가 인접한 층에 대하여는 반대방향으로 한 꼬임에 의해 허용된 한 층에 대하여한 방향으로(권선처리 혹은 섬유에 고유한 성질로 인해) 한 꼬임을 포함하는 꼬임 스펙트럼으로 사용되었다. 따라서, 축방향으로의 꼬임 컴포넌트가 보장된다.

이 꼬임은 한 보상기 루우프에 대하여 일정한 율로 적용되며 다음에 여러 루우프 구성을 발생시키는데 계속되는 루우프에서 방향이 역전된다. 섬유는 원통형 코일이 부착되어 늘어짐을 막도록 한다. 축방향의 자장에 대한 센서코일의 민감도를 측정하고, 보상기 구성을 적분시키며, 다음에 민감도에 대한 영향을 측정하므로써 자료가 획득된다. 베이스라인을 설정하기 위해 각기 다른 꼬임율이 사용되었다. 축방향의 자장에 대하여 약1 도/시-가우스의 민감도가보상받지 못한 센서코일에서 측정되었다. 제6도는 각기 다른 보상기 다지인을 사용하는 한 센서코일의 복잡 민감도를 요약한 것이다. 보상기는 축방향 민감도를 성공적으로 줄어들이며, 한 경우에 실제로 지나치게 보상을 받은 자료로부터 명백하다. 이같은 자료는 본 발명에 따라 축방향 보상기의 유통성을 명확하게 설명한다.

횡단의 자장 보상기

사인파-가변 꼬임율을 횡단하는 필드 보상기내로 만들어내기가 어렵기 때문에, 구형파 율이 사용되었으며, 꼬임율은 원통형 코일의 원둘레 절반동안 일정하게 유지되며, 나머지 원둘레 절반동안은 역전되게된다(반대방향의 같은 꼬임율) 앞서언급한 바와 같이, 보상 꼬임율은 루우프 각각의 꼬임 컴포넌트가 같은 위상에 있는 한 단일섬유 루우프 이상으로 달성될 수 있다(추가의 루우프들은 잔류의 민감도를 제거하기 위해 보상기를 미세하게 조정하기 위해 추가된다. 이같은 목적으로 필요한 꼬임율을 결정하기 위해, 민감도가 코일을 횡단 자장으로 위치시키고 코일이 자장 평면에서 360도 회전한때 발생되는 바이어스 변화를 모니터하므로써 측정된다.

제7도는 14 가우스 자장에서 회전되는때 200m 섬유의 응답 그래프이다. 최대 바이어스 변경은 자장의 민감도를 무효로하기 위해 최대 꼬임율을 결정하도록 사용되었다. 측정된 특정코일에 대하여 원주위의 처음 절반 1.25 회선 보상기 꼬임과 그 원주위의 두번째 절반 -1.25 회선이 사용되었다. 보상기는 한 분리된 원통형 코일상에 만들어졌으며 간섭계내로 맞추어졌다. 측정된 보상기 응답이 제8도에서 설명되었다. 제8도의 그래프로부터 구형파 꼬임 스펙트럼의 응답이 제7도에서 도시된 바와 같은 섬유코일의 사인파 응답과 유사하다. 코일과 보상기는 일렬로 정렬되며 다음에 횡단자장내에 놓여서 이들 각각의 응답이 180도의 위상차가 있게된다.

제9도는 필드 방향의 함수로서 14 가우스 횡단 필드에 대한 혼합 시스템의 응답 그래프이다. 도시된 바와 같이, 네트 자장 감도는 자장을 차폐시키지 않고 0.05 도/시-가우스 이하로 줄어들었다. 물론 이는 상당한 중량 절감을 일으킨다. 축방향과 횡단방향 보상기 가운데 크로스-커플링과 자이로 민감도에 대한 효과를 측정하기 위해 추가의 실험이 행해졌다. 횡단의 보상기는 자이로의 축방향 민감도에 영향을 미치지 않는 것으로 밝혀졌다. 거꾸로, 횡단 필드에 대한 관찰된 자이로 민감도는 축방향 보상기에 의해 영향을 받지 않았다.

따라서, 축방향과 횡단방향의 자장 모두에 대한 효과적인 보상기가 만들어질 수 있음이 상기 예에서 설명되었다. 보상된 자이로의 축방향 민감도는 보상기 없는 자이로의 민감도 크기로 줄어들도록 도시되어 있다. 수행수준은 물론 보상기 꼬임율에 대한 개선된 제어에 의해 증가될 수 있다. 보상기기 있는 자이로의 횡단 민감도는 0.05 도/시-가우스 이하였다. 이는 진폭에 있어 거의 두배의 개선을 나타내며 자장 차폐로 달성된 수행과 동등하다.

따라서 본 발명은 그렇지 않으면 섬유 광학 자이로의 출력에서 관찰되게될 자장 발생 바이어스를 최소로하기 위한 장치를 제공한다. 이같은 바이어스는 자장과 센서코일내에서 전파하는 광선 사이의 파라제이 효과 상호작용으로부터 기인된다. 본 발명의 가르침을 사용하므로써, 코일의 기하학 구조와 관련하여 횡단방향과 축방향 모두로 방향이 정해진 자장의 영향이 극복된다.

본 발명이 바람직한 실시예와 관련하여 설명되었으나 보이 이에 대한 것으로 한정되어서는 안된다.

Claims (13)

1. a) 단일 모드 광학섬유;

   b) 다수의 인접한 동축 회선내로 배치된 상기 섬유;

   c) 상기 회선들이 다수의 인접한 층들로 구성된 한 센서코일로 배치되며, 상기 층 각각이 다수의 인접한 회선들로 구성되고, 상기 센서코일이 다수의 무작위로 분산된 섬유 꼬임모드에 의해 특징되며;

   d) 상기 섬유가 추가적으로 상기 센서코일에 인접한 보상기내에 추가적으로 배치되고;

   e) 상기 보상기가 광학적 섬유의 적어도 한 회선으로 구성되며; 그리고

   f) 상기 보상기 섬유의 적어도 한 회선중 예정된 꼬임모드의 꼬임율이 상기 센서코일의 축에 대하여 한 공지된 방향을 갖는 적용 자장 덕택으로 파라데이 효과를 상쇄시키도록 선택됨을 조합적으로 포함하는 바를 특징으로 하는 섬유광학 자이로스코프용 보상받은 센서코일.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 보상기 섬유의 예정된 꼬임 방식 꼬임율이 상기 센서코일 섬유의 상응하는 꼬임율의 한 함수인 바를 특징으로 하는 보상받은 센서코일.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 보상기 섬유의 꼬임센스가 상기 코일섬유의 상응하는 꼬임 방식 꼬임센스의 반대인 바를 특징으로 하는 보상받은 센서코일.
4. 제 3 항에 있어서:

   a) 상기 자장이 상기 센서코일의 축에 횡단하는 방향의 한 성분을 포함하며; 그리고

   b) 상기 예정된 센서섬유 꼬임방식이 상기 센서코일의 루우프 평균 길이와 같은 꼬임율 주기성을 가짐을 특징으로 하는 보상받은 센서코일.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 보상기 섬유의 꼬임율이 상기 센서 코일섬유의 회선수 함수인 바를 특징으로 하는 보상받은 센서코일.
6. 제 5 항에 있어서,상기 보상기 섬유의 꼬임율이 상기 보상기 섬유 회선수의 함수인 바를 특징으로 하는 보상받은 센서코일.
7. 제 6 항에 있어서, 상기 보상기 섬유의 꼬임율이 상기 센서코일섬유의 꼬임율, 회선수 그리고 바이어프린전스(birefringence) 곱에 직접 비례하며, 보상기 섬유의 회선수 센서코일의 반경 그리고 버데트(Verdet) 상수의 곱에는 반비례함을 특징으로 하는 보상받은 센서코일.
8. 제 3 항에 있어서:

   a) 상기 자장이 상기 센서코일의 축방향으로방향이 정해진 한 성분을 포함하며; 그리고

   b) 상기 센서코일 섬유의 회선중 두층을 포함하는 섬유길이와 동등한 꼬임율 주기성을 가지는 바를 특징으로 하는 보상을 받은 센서코일.
9. 제 8 항에 있어서, 상기 보상기 꼬임율이 상기 센서코일 섬유의 피치각 함수인 바를 특징으로 하는 보상을 받은 센서코일.
10. 제 9 항에 있어서, 상기 보상기 섬유의 꼬임율이 상기 보상기 섬유의 피치각 함수인 바를 특징으로 하는 보상을 받은 센서코일.
11. 제 10 항에 있어서, 상기 보상기 섬유의 꼬임율이 상기 센서코일 섬유의 회선수 함수인 바를 특징으로 하는 보상을 받은 센서코일.
12. 제 11 항에 있어서, 상기 보상기 섬유의 꼬임율이 상기 보상기 섬유의 회선수 함수인 바를 특징으로 하는 보상을 받은 센서코일.
13. 제 12 항에 있어서, 상기 보상기 섬유의 꼬임율이 센서코일 섬유 회선수, 센서코일 피치각, 센서코일섬유 바이어프린전스 그리고 센서코일 반경 곱의 함수이고, 보상기 섬유 회선수, 보상기 섬유회선의 반경, 버데트 상수 그리고 보상기 섬유 피치각의 탄젠트 곱의 역함수인 바를 특징으로 하는 보상을 받은 센서코일.