KR100416283B1 - 광섬유자이로스코프변조방법및광섬유자이로스코프출력랜덤워크(randomwalk)소음조정방법 - Google Patents

Abstract

광섬유 자이로스코프를 변조하는 방법은 관례적 위상변조를 하는 증가된 첨두전력을 통해 가능한 것 이상으로 출력소음을 줄인다. 한 주기의 변조파형은, 주기위상 이동의 형태가 최대출력 신호변조와 관련된 것 이하로 자이로 불규칙 운동이 있도록 선택된 한 주기 위상이동 φ_M(t)를 유도하기 위해 MIOC 같은 전자광 변조기에 적용된다.

Description

광섬유 자이로스코프 변조 방법 및 광섬유 자이로스코프 출력 랜덤워크(random walk) 소음 조정방법

도면의 간단한 설명

제 1 도는 이전의 기술에 따른 구형파 변조의 효과를 갖는 서로 반대로 전파하는 성분 비임들 사이의 위상이동 함수로서의 섬유 자이로스코프의 출력강도(세기) 그래프이다.

제 2 도는 이전의 기술에 의한 광섬유 자이로스코프의 대표적 변조 파형의 그래프이다.

제 3 도는 광섬유의 불규칙한 소음성분과 광원의 최대값 사이의 관계(s)를 나타낸 그래프이다.

제 4 도는 변조진폭의 함수로 자이로스코프 출력 랜덤 워크(random walk)의 그래프이다.

제 5(a) 도와 제 5(b) 도는 본 발명에 의해 변조된 파의 그래프와 그러한 변조가 생긴 광섬유 자이로스코프의 출력을 각각 나타내었다.

제 6 도는 본 발명에 따른 구형파 변조에 대응하여 표시된 영역을 갖는 광섬유 자이로스코프의 출력그래프이다.

발명의 상세한 설명

본 발명은 광섬유 자이로스코프에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 광섬유 자이로스코프의 출력에 존재하는 랜덤워크(불규칙한 움직임) 오류를 낮추는 방법과 기구에 관한 것이다.

Sagnac 간섭계는 마주보게 진행하는 한쌍의 광 빔들 사이에서 발생된 비례 위상차를 측정함으로써 회전을 결정하는 장치이다. 그것은 일반적으로 레이저같은 광원, 여러개의 거울이나 광섬유로 구성되는 광파 안내장치, 비임을 나누는 컴바이너, 검파기, 신호처리 장치로 구성된다.

간섭계에서, 비임을 나누는 장치로부터 발생한 파는 하나의 광로를 따라 반대로 전파한다. 광파 안내장치는 "반비례적"이다. 즉, 반대로 전파하는 비임들이 동시에 같은 방향에서 그런 간섭이 반드시 발생하지 않더라도, 광로의 어떤 뒤틀림은 반대로 전파하는 비임들에게 비슷하게 영향을 끼친다. "비례"간섭이 반대로 전파하는 비임들에게 서로 다르게, 전파방향에 따라 영향을 끼치는 반면에 시간변이간섭은 시간간격이 광파 안내장치 주위의 빛의 전파시간과 똑같은 곳에서 관찰된다. 그런 비례간섭은 두 비임들이 전파되는 광 매개체의 대칭을 파괴하는 물리적 영향에 의해 발생한다.

두가지 비례결과는 잘 알려져 있다. 패러데이나 광선 자기광 영향은, Sagnac이나 관성의 상대적 효과때문에 광물질에서 자기장이 전자의 선택 스핀 배향을 정할때 나타나고, 관성 틀에 대해 간섭계의 회전이 전파시간의 대칭을 깨뜨릴때 나타난다. 후자의 영향은 링 자이로스코프의 조작원리로 적용된다.

자이로스코프의 측정결과는 자이로스코프 루우프를 가로지른 후에 "결합된"빔이다(예로 두개의 서로 반대방향으로 전파되는 빔으로 형성된 합성빔이 있다). 감응 축에 대한 회전비율은 반대로 전파되는 빔들 사이에 나타나는 위상이동에 비례한다. 따라서, 정확한 위상이동 측정이 필수적이다.

제 1 도는 광섬유 코일로부터 검출된 빔의 강도와, 루우프의 이전후에 2개의 서로 반대로 전파하는 빔들 사이에 존재하는 위상차이의 관계를 나타낸 그래프이다(일반적으로, 이전의 광검출기들은 강도보다는 출력 전력을 측정하도록 배치되어 있다). 그 도면은 빔들 사이의 위상 차이(Δφ)의 코사인에 비례하는 프린지패턴을 나타낸다. 그런 위상차이는 예로 회전에 기인한 비례간섭의 측정을 제공한다. DC 레벨은 도면 1 에 표시되어 있다. 그런 DC 레벨은 강도레벨의 반(평균)이나 자이로의 평균 전력을 나타낸다.

작은 위상의 차이나 n이 정수인 작은 위상의 차이 ±nπ 가 검파될때 출력 빔의 강도는, 측정된 위상차이가 출력 프린지 패턴의 최대, 최소 지역에 있을때, 위상편차나 오류에 상대적으로 덜 민감한 프린지 패턴의 형태라는 것은 잘 알려져 있다. 이 현상은 φ=0, +2π, +π, -2π 그리고 -π 라디안인 지점에서 위상이동과 관련된 프린지 패턴의 10, 12, 12', 14, 14' 지점에 그려져 있다. 또, 강도만으로는 회전 비율의 방향이나 감응의 표시를 할 수 없다.

앞의 이유들 때문에, 인위적으로 치우친 위상차이는, 센서 코일을 통해 한쌍이 전파됨에 따라 주기적으로 한쪽은 지체시키고 다른 한쪽은 앞으로 나아가게 하여, 반대방향으로 전파되는 빔들 각각에 보통 겹쳐진다. "비례 영 이동"(null shift)으로 알려진 위상 이동의 치우침은 회전의 존재를 알려주는 위상간섭 ∈ 가더 큰 감응을 하는 지점으로 작동점을 옮김으로써 위상차이를 측정하는 강도의 감응 정도를 높인다. 이런식으로 광검파기에 의해 감지된 광강도의 변화 ΔI(또는 ΔP)는 주어진 비례 위상 간섭 ∈ 을 위해 높여진다.

주어진 위상 간섭 ∈ 의 존재에 기인한 강도효과를 높임으로써 광검파기에서 출력 감응도를 증가시키고 정확성을 얻게 된다. 차례로 이것들은 출력 전자공학의 경제성과 단순화를 높일 수 있다. 그런 출력 전자공학은 보통(루우프 이동시간(γ)동안) 전자광 변조기가 순환하는 사이에 작동점의 강도치를 비교하는 차이계산 회로를 포함한다.

현재, 광섬유 자이로스코프는 구형파나 사인곡선의 주기적인 변형에 의해 보통 치우쳐진다. 그 구형파는 사인곡선이 대략 ±1.8 라디안의 최대,최소값 사이에서 순환하는 동안 2τ주기를 가지고 ±π/2 사이에서 순환한다. 그 사인곡선의 최대치는 제 1 베셀함수의 첫번째 차수 J₁(x)의 최대치의 편각에 해당한다. 이전의 기술인 파형을 변조시킨 구형파는 제 2 도에 나타나 있다.

제 1 도를 다시 언급하면, 이전의 구형파 변조의 대표적 측면은 작동점 16과 18 사이에 출력 강도곡선을 변형시킨 것에 해당한다. 작동점 16 과 18 각각은 광강도 출력에서 위상차이(Δφ)의 작은 비례간섭이 최대 검파 차이(ΔI 또는 ΔP)를 이끄는 프린지 패턴(fringe pattern)의 세기가 굴절하는 곳에 놓인다. 또, 두 작동점 사이에 편승된 치우침을 교체함으로써 그 시스템은 ∈ 의 부호를 결정하고 그리하여 회전방향도 정할 수 있다.

위상변조에 덧붙여 "위상 영이동"은 보통 간섭계 출력에 적용된다. 이것은 비례효과에 기인한 그것을 보충하는 음의 피드백 장치를 통해 부가적 위상이동을 도입한다. 측정된 위상차이의 변화율에 비례하는 기울기를 가진 위상램프는 보통 이 목적을 위해 만들어진다. 보통, 0 라디안과 2π 라디안 사이에서 높이가 변하는 램프는, 요구되는 이동이 전압 제한 때문에 막연하게 증가될 수 없으므로, 영점 위상 이동을 한다.

관성 시스템의 주요한 사용중의 하나는 항공기 비행방향을 결정하는 것이다. 그러한 결정은 자이로를 포함하는 시스템 센서의 질에 의존하고 자이로 출력에서 소음의 형식과 양에 의해 영향을 받는다.

발전된 자이로의 출력장치의 소음 성질은 소위 "불규칙 움직임(random walk)" 특성을 갖는다. 이것은 각 단계가 통계학적으로 독립된 사항을 구성하는 확률과정을 대표한다. 광섬유 자이로스코프처럼 불규칙 움직임을 하는 변수를 측정할 때, 소위 "실제적" 측정이 일어난다. 예로, 시간당 0 정도의 실제적 표류 비율을 소유하는 것으로 알려진 광섬유 자이로스코프를 이용하여 비행방향 각의 표류 비율을 측정할때, 100초로 하면 시간당 0.9 정도의 비율측정을 얻을 수 있고 900초로 나누었을 때는 시간당 0.3 정도의 측정을 얻을 수 있다. 그것의 길이가 증가함에 따라, 추정치의 불확실성의 감소하는 불규칙 움직임의 특징이 있다.

불규칙 움직임은 백색잡음으로 알려진 확률과정을 포함한다. 백색잡음(white noise)의 존재는 사람들이 비행방향 각을 결정하기 위해 자이로스코프를 이용할때 다루기 힘들어진다. 자이로 출력의 소음 성분이 실제로 백색잡음일때 각의 RMS 값은 시간의 제곱근으로 될 것이다. 즉,

이때 RW = 불규칙 움직임 계수;

T = 시간; 그리고

σ= 비행방향각(heading angle)의 표준편차.

위의 공식에 따르면 백색잡음에 기인한 불규칙 움직임 오류로 인해 비행방향(heading)각이 시간을 초과하여 증가할 수 있다.

물론 이것은 아주 골치아픈 일이다.

제 3 도는 광섬유 자이로스코프에서 불규칙 움직임과 광원 첨두 전력 사이에 존재하는 관계를 그렸다. 광섬유 자이로스코프에서 발생한 백색잡음은 많은 원인을 가질 수 있다. 전자공학 소음, 산탄 소음, 유사한 상대세기 소음이 모두 기여할 것이다. 제 3 도에서 일반적으로 나타낸 현상은 첨두 전력이 증가함에 따라 자이로 불규칙 움직임에 따른 전자공학 소음, 산탄 소음이 감소한다는 것이다. 도면에서 많이 볼 수 있었듯이, 유사한 상대세기 소음의 기여(곡선 22)는 피이크 전력과는 관계없으며 자이로 불규칙 움직임이 감소될 수 있는 범위를 제한한다. 반대로 정해진 범위내에서는 피이크 전력 증가는 전자장치 소음(24)과 산탄 소음(shot noise)의 기여를 줄일 것이다. 상기 범위를 벗어나면 증가된 전력이 불규칙 움직임을 개선시키지 못할 것이다.

백색잡음의 상대적 중요성은 광원의 전력과 함께 증가한다. 초발광성 다이오드는, 희토류가 도핑된 광원이 10 밀리와트 근처인데 반해, 약 0.5 밀리와트의 최고 전력을 제공한다. 제 3 도를 보면, 불규칙 움직임에 대한 백색잡음의 기여는 산탄 잡음의 기여 한 부분이고, 이같은 산탄잡음 기여는 초발광성 다이오드 같은 낮은 전원이 사용될 때 전자장치 잡음의 기여 한부분을 차지한다. 광원의 전력이 증가함에 따라, 유사한 상대 세기 소음의 기여가 결국 자이로스코프의 소음 수행을 결정하게 된다.

자이로 출력으로부터 백색잡음의 영향을 제거하려는 이전의 시도는 광원의 출력 "탭핑(tapping)"을 포함하고, 그러한 출력을 자이로 출력과 구분하게 된다. 이것은 유사한 상대적인 세기의 소음이 광원과 함께 발생한다는 사실에 의존한다. 그러한 기법의 메카니즘은 복잡하고, 제 2 검파기 요구뿐만아니라 시간, 온도에 따른 이득의 안정성과 검파된 출력의 동기화를 포함하는 기술상 어려움이 있다. 전력을 포함하여 손해가 생긴 비용에 덧붙여 자이로의 크기는 제한된 실행 가능성을 부여하면서 필수적으로 증가된다.

본 발명은 이전기술의 여러가지 결점들을 광섬유 센서 코일을 포함하는 형태의 광섬유 자이로스코프를 변화시키는 방법으로 개선시킨다. 그러한 자이로스코프는 광원의 출력이 코일로 향하고, 그리고나서 한쌍의 비임들로 나누어진다. 이 비임들은 반대로 전파하기 위해 코일의 반대쪽 끝으로 입력되고, 그리고나서 자이로 출력을 형성하기 위해 결합된다.

본 발명에 의해 제공된 개선점은 최대 출력신호 변조의 불규칙 움직임보다 출력의 불규칙 움직임이 더 적게 하기 위해서 주기적인 인위적 위상 이동을 선택함으로써 시작된다는 것이다. 그런 주기적, 인위적 위상이동은 서로 반대로 전파되는비임들 사이에 적용된다.

본 발명의 두번째 개선점은 광섬유의 센서 코일을 포함하는 형태의 광섬유 자이로스코프를 변조시키는 방법을 제공한 것이다. 그러한 방법은 광원의 출력을 자이로스코프 안으로 향하게 함으로써 시작된다. 그리고나서 광원출력은 한쌍의 비임들로 나누어지고 그러한 비임들은 반대로 전파하기 위해서 코일의 반대쪽 끝부분으로 입력된다. 구형파 φ_M(t)의 주기적인 인위적 위상 이동은 반대로 전파되는 비임들 사이에 적용된다. 그러한 주기적인 인위적 위상이동은, n 이 0 을 포함한 정수일 때 (4n+1)π/2 ＜ | φ_M(t) ＜ (2n+1)π 의 형식을 취한다. 반대로 전파되는 비임들은 그리고나서 자이로스코프의 출력을 형성하기 위해 결합된다.

앞선 문단에서도 기술되었듯이 세번째 개선점은, 서로 반대로 전파되는 비임들 사이에 주기적인 인위적 위상이동을 적용하는 구형파 φ_M(t)가 n 이 0 을 포함한 정수일때 (2n+1)π ＜ | φ_M(t) | ＜ (4n+3)π/2 의 형태를 취한다는 것이다.

본 발명의 네번째 개선점은, 광섬유의 센서코일을 포함하는 형태의 광섬유 자이로스코프를 변조하는 방법을 제공한다. 다른 면에서, 광원의 출력은 자이로스코프 안으로 향하게 된다. 그리고나서 광원의 출력은 거기서 반대로 전파되는 코일의 반대쪽 끝으로 입력되는 한쌍의 비임들로 나누어진다.

주기적인 인위적 위상이동은 서로 반대로 전파되는 비임들 사이에 적용된다. 그런 위상이동은 사인값 φ_M(t)이고, x ＜ | φ_M(t) | ＜ y 이며, 이때 x는 J₁(x)가최대치, J₁(y)=0 그리고 J₁( )는 제 1 베셀함수의 첫번째 차수이도록 한다. 서로 반대로 전파되는 비임들은 그리고나서 자이로스코프 출력을 만들기 위해 결합된다.

본 발명의 다섯번째 개선점은 한쌍의 광 비임들이 광섬유 센서 코일내에 반대로 전파되는 형태의 광 섬유 자이로스코프 출력에서 불규칙 운동의 소음을 조정한다. 그런 방법은 서로 반대로 전파되는 비임들과, 확실하게 불규칙 운동소음을 조정하기 위해 변하는 주기적인 인위적 위상이동의 크기 사이에서 주기적인 인위적 위상 이동을 적용함으로써 시작된다.

앞서 기술한 본 발명의 다른 특징과 잇점은 다음의 상세한 기술에 의해 더 분명해질 것이다. 그런 기술은 한 세트의 도면을 통해서 행해진다. 글로 쓰여진 문단의 특징들에 대응하는 도면의 숫자들은 본 발명의 특징을 언급한다. 글로 쓰인 묘사와 도면에서 같은 숫자는 같은 특징을 나타낸다.

본 발명은 불규칙 운동오류가 발생하고 백색잡음을 포함하는 광섬유 자이로스코프의 출력에서 가능한 소음을 줄이는 제한점들을 극복한다. 도면 3 으로 다시 돌아가 보면, 불규칙 운동 소음은 증가된 광원 최대 전력을 통해 감소된다. 그러나 전력이 증가함에 따라 제한값으로 접근된다. 그러한 제한값의 존재는, 백색잡음의 존재하에서 비행방향의 오류와 시간사이의 비례에 기인한 연장된 시간에 대해 비행방향각을 측정할 때, 특히 골치아픈 문제가 된다.

초발광 다이오드는 보통 광원으로써 사용된다. 그러나, 희토류가 도포된 섬유형태의 더 높은 전력 광원들은 초발광 다이오드에 의해 제공된 값을 초과하는 10밀리와트의 전력을 유도해 낼 수 있다. 제 3 도는, 광원의 전력이 증가함에 따라, 상대적 기여 요인이고 최대 전력에 둔감한 유사한 상대 강도 소음이 소음을 출력하는 지배적 기여 요인이 되는 것을 나타내었다.

발명자는, 제 2 도의 구형파 변조같은 종전 기술의 변조방법이 사용되는때 출력신호를 발생시키는 변조기법을 제공하므로써 자이로스코프 출력에서 잡음감소에 대한 "플로어(flow)"의 문제를 설명하였으며, 이는 "랜덤 워크(불규칙한 움직임)"으로 특징된다. 나아가, 본 발명은 광원의 전력이 증가함에 따라 점점 더 드러나는 문제점을 제시했다. 그리하여, 비례 위상간섭 ∈ 의 출력 감응도가 줄어드는 동안, 증가된 광원 전력은 자료 처리목적을 위해 적절한 신호출력을 유도하는 것을 보충한다.

I. 구형파 변조분석

앞서 언급된 것처럼, 섬유 광 자이로의 출력에서 불규칙 움직임(random walk)은 플래트(flat) PSD 를 갖는 백색잡음에 의해 제한된다. 광섬유 자이로에서 백색잡음의 원천은 전자장치 잡음, 산탄 잡음과 비이트(beat) 잡음 또는 유사 상대 강도 잡음을 포함한다. 제 2 도에 나타난대로 변조된 자이로를 위한 그러한 각각의 잡음 원천들에 기인한 불규칙 움직임은 아래와 같다.

단, K_SSF는 섬유 자이로의 Sagnac 계수, NEP 는 광검파기에서 Watts/의 단위에서 소음전력, e 는 전자전하, R 은 amps/Watt 단위로 광검파기 감응도, RIN 은 1/Hz 의 단위로 광원의 상대강도 소음계수, P₀는 자이로 광원의 최대 전력이다.

Sagnac 계수 K_SSF는

로 정의된다. 이때, L 은 섬유길이, D는 섬유지름, λ는 섬유 자이로에서 광의 평균파장, c 는 빛의 자유공간속도이다. 섬유자이로의 검출된 전력은:

이때 Ω 은 측정된 회전율, φ_M(t)는 주기변조함수이다. 제 2 도에서 보면, φ_M(t)는 2τ의 주기를 가지고 π/2 의 진폭을 지닌 구형파로 선택되어진다. 진폭이 ±1.8 라디안의 최대값 사이에서 변하고 2τ의 주기를 갖는 사인곡선 파형 (J₁(x)_max의 편각(x)는 1.8 라디안이고 J₁(x)는 제 1 종류의 1차 베셀함수이다)이 이전기술에 따른 사인곡선 변조방식을 나타낼 수 있다. 앞서 언급된 것처럼, τ는 섬유 코일길이 L 을 통과하는 빛의 전이시간이다. 제 2 도에서 나타낸 것처럼(예 - ±π/2 진폭의 구형파) 변조 함수를 조정하기 위해 복조는 디지탈 감법(digital subtraction)에 의해 뒤따라 나오는 광대역 A/D 변환을 통하여 행해질 수 있다.

제 3 도의 그래프와 함께 공식 2a 부터 2d 까지 살펴보면, RW_RSS의 남아있는 성분 RW_RIN의 값이 P₀에 독립적일 때 RW_elect와 RW_shot이 각각 P₀에 역비례한다는 것을 알 수 있다. 따라서, 그것은 광섬유 자이로의 출력에서 백색잡음의 원천인 유사한 상대 강도 소음에 기인한 기여이다. 이 자이로 랜덤워크(불규칙 움직임) 소음 성분은 더 높은 전력 조작을 통해 성취될 수 있는 소음감소를 제한한다.

본 발명은 상대 강도소음의 효과를 줄이는 변조기법과 함께 이전의 소음 제한(noise limitation)을 설명하였다. 이런식으로 자이로 출력시 생기는 소음은, 제 2 도에서 나타낸 구형파 또는 그에 대응하는 이전의 기술에 의한 사인곡선 변조 파형같은 "종래의" 주기 변조 파형이 적용될때 나타나는 제한을 극복한다.

임의의 파장의 구형파 변조가 생기는 자이로에서 전자소음(electronic noise), 산탄 소음(shot noise) 그리고 비이트(beat) 소음에 기인한 불규칙 운동에 대한 일반적 공식이 아래와 같다는 것은 잘 알려져 있다.

위의 공식은 φ_M이 π/2 로 정해졌을때 생략된 항들의 포함에 의해 2a 부터2d 까지의 공식들과는 다르다(당업자에게 알려진 해당 공식들은 임의의 값 φ_M에 대하여 사인곡선 변조를 받은 자이로 출력 소음을 나타낸다). 공식 5a 부터 5c를 참조함으로써, 발명자는 구형파의 변조진폭이 종전 기술인 최고 신호 변조 대표값인 ±π/2 로부터 아래에 주어진 함수 φ_M(t)로 바뀔때 공식 2c 에 의해 주어진 값 아래로 "제한" 랜덤 워크 계수 RW_RN을 감소시킬 수 있다는 것을 발견했다.

이때, n은 0을 포함한 정수이다.

발명자는, 상기와 같은 변조가 대략 ±1.8 라디안의 최고,최소값 사이에서 교대하는 사인곡선으로부터 다음과 같은 범위내에서 최대 및 최소를 갖는 함수값으로 변경되는때 변조 φ_M(t)의 존재하에서 출력 랜덤워크(불규칙 움직임)의 개선점을 발견했다.

이때, x 는 J₁(x)가 최대값, J₁(y)=0일때 값이고 J₁( )은 제 1 베셀 함수의 첫번째 차수이다.

본 발명에 따라 변조에 의해 형성된 자이로 랜덤워크는 구형파 변조 크기 φ_M대 랜덤워크(로그눈금으로 측정)의 도면을 나타내는 제 4 도의 그래프에 의해 확인되는 것이 개선점이다. 각기 다른 최대 전력에 해당하는 세개의 곡선이 나타나있다. 하나는 10밀리와트의 최대 전력에서 변수 그래프를 나타내었고 다른 곡선은 100밀리와트의 최대 전력에서의 그래프를, 세번째는 1000 밀리와트의 최대전력에서의 그래프를 나타내었다. 보는 것처럼, 자이로 랜덤 워크는 최대 전력이 증가함에 따라 감소한다(주목; 왼쪽 - 그래프 대부분의 값은 종전 기술(±π/2) 구형파 변조를 나타낸다).

제 2 도와 제 4 도를 살펴볼때, 구형파 변조 크기 φ_M이 π/2 이상으로 증가하거나 -π/2 이하가 됨에 따라 극적인 랜덤워크 감소가 있음을 알 수 있다. 제 4 도에서 볼 수 있는 것처럼, 랜덤워크는 π/2 구형파 변조 크기에서 모든 전력 레벨에 대해 대략 0.007/정도로 제한된다. 이 값은 본질적으로 2c 공식의 상대강도소음 RW_RIN을 나타낸다. 10배 이상의 감소는 1000밀리와트 최대 전력 자이로에서 변조크기 φ_M이 대략 31π/32 로 증가할때 얻어진다. 그런후에, 자이로 출력의 랜덤워크는, π 라디안의 영역에서 위상차이에 편차에 대한 출력세기의 상대적인 둔감 감응도를 반영하여, π 라디안의 영역에서 실질적으로 증가한다.

아래의 표 I 은 최적 변조 크기에 따라 종래 기술(예, ±π/2 구형파 변조크기)으로 얻을 수 있는 랜덤워크, 그리고, 본 발명에 따라 그와 같은 최적 변조를 사용하여 달성된 랜덤워크 값을 목록하였다. 나아가, 개선요인은 본 발명에 따른 변조가 사용될때 백색잡음의 감소를 나타내는 것으로 표시된다.

표 1

제 5(a) 도와 5(b) 도는 본 발명에 따라 변조된 섬유 광자이로의 출력, 조작점, 변조를 나타내는 한쌍의 그래프이다. 앞서 기술한 것은 종래의 기술에 따른 낮은 전력의 광섬유 자이로에 대한 값과 비교된다.

제 5(a)도를 살펴보면, 변조파(28)은 π/2 에서 π 와 -π에서 -π/2 의 영역사이에서 변하는 진폭을 가진 2τ의 구형파 주기를 가진다(동일한 주기의 사인곡선의 파형과 베셀 함수의 첫번째 차수 J₁(x)의 최대값 독립변수와 0 사이에 놓인 동일한 주기 및 진폭 x가 똑같이 적용될 수 있다). 변조 진폭의 정확한 값은 최소치에 대하여 공식 5d를 풀어줌으로써 얻을 수 있다. 그러나, 본 발명의 방법은 최소 랜덤워크값 뿐만아니라 종전 기술로 가능한 변조방법 전반에서 랜덤워크의 개선점을 포함한다.

제 5(b)도는 Δφ 의 함수로써 광섬유 자이로스코프 출력의 세기(강도) 그래프이다. 보는 것처럼, 본 발명에 따라 구형파 변조를 묘사한 공식 6a 에서 n 이 0 에 해당하는 동작점 30, 32 는 출력 곡선 34 의 ±π/2 반곡점 30', 32' 로부터 멀리 떨어져 위치해 있다. 그런 점에서 출력세기는 검파된 회전률을 나타내는 비례간섭 ∈ 에서 최대 감응도보다 더 작은 것이 특징이다. 느슨해진 신호 감응도는 초발광 다이오드와 같은 낮은 전원에 대응한 곡선 36 의 것과 비교되는 출력곡선 34(실선도시) 의 전원을 증가시킴으로써 부분적으로 보충될 것이다. 비록 필수적이지는 않을지라도 필요할때 더 높은 전력 광원의 대체는 전자출력을 발생시킬 목적을 위해 위상편차에 느슨해진 감응도의 효과를 극복할 것이다. 나아가, 제 3 도에서 보듯이, 본 발명의 변조 방법의 상대적 잇점은 최대 전력이 증가함에 따라 더 중요시 된다. ±π/2 구형파 변조가 생기는 동작점 38' 와 40' 을 가지는 본 발명에 따라 변조된 자이로의 동작점 30, 32 와 비교해 봄으로써, 종전 기술에서 변조는 신호를 최대화시킨 반면 본 발명의 변조방법은 신호 대 소음의 비율을 최대화 시키거나 랜덤워크를 최소화시키는 방향이라는 것을 관찰할 수 있다.

제 6 도는 위상 전이의 함수(Δφ)로서 섬유 광 자이로의 출력을 나타낸 그래프이다. 이 부분은, 공식 6b 로 나타낸 본 발명과 일치하는 구형파 변조에 대해 "B"로 나타낸 반면에, 공식 6a 로 정의된 본 발명과 일치하는 구형파 변조에 대해 이 도면에서 "A"로 표시하였다.

II. 본 발명에 따른 사인파 변조

본 발명에 따라 사인곡선의 변조는 공식 6c 로 정의되었다. 본 발명에 따라 구형파와 사인곡선 변조는, 각각이 주어진 비례위상 이동 ∈ 에 대해 최대 출력신호 ΔI(또는 ΔP)를 유도하는 것과 관련된 것이외에 한 점에서 자이로 출력 프린지를 작동하도록 배치되었다는 특징이 있다. 종전 기술의 구형파의 최대 파장과 사인곡선의 변조 사이의 차이(약 1.8라디안과는 다른 π/2)는 구형파와 사인 곡선의 최대, 최소값 사이 전이 주기의 질적으로 다른 지속시간과 관련된다. 그리하여 당업자에게 잘 알려진 푸우리에-베셀 분석은, 주어진 ∈ 에 대해 최대 자이로 출력을 달성하기 위해 사인곡선 최대, 최소값으로서 약 ±1.8라디안을 정하는데 이는 ±π/2가 주어진 ∈ 에 대한 최대 자이로 출력을 얻기 위해 구형파 최대 및 최소를 나타내기 때문이다. 공식 6a, 6b 에서 정의된 것처럼, 공식 6c 에 의해 정의된 변조는 최대신호출력과 관련된 값들과는 다른 자이로 출력곡선의 영역에서의 동작과 관련된다.

그리하여 본 발명은 종전 변조방법에 의해 부과되는 제한을 극복하여 랜덤워크 백색잡음 성분을 감소시키는 광섬유 자이로변조 방법을 제공한다. 본 발명에 의해, 사람들은 비행방향각을 정하는 광섬유 자이로를 적용하는 관성 항해 시스템의 정확성을 향상시킬 수 있다. 본 발명은 소음 감소를 이루기 위한 어떠한 부가적 하드웨어가 필요없어서 복잡한 시스템과 더 많은 비용이 요구되지 않는다.

본 발명의 현재로서는 아주 훌륭한 장치이지만, 거기서 한계가 주어지지는 않는다. 오히려, 본 발명은 그것이 다음의 특허청구 범위에 의해 정의되고 그것의 범위내에서 모든 동등한 물질을 포함한다는 점에서만 제한되는 것이다.

Claims (26)

1. 광섬유의 센서코일을 포함하는 형식의 광섬유 자이로스코프를 변조하는 방법으로서, 광원의 출력이 상기 코일로 향하고, 그후에 거기서 반대방향으로 전파하도록 상기 코일의 반대쪽 끝으로 입력되는 한쌍의 비임들로 나누어지고, 반대로 전파되는 비임들이 결합하여 자이로스코프 출력을 형성하는 광섬유 자이로스코프를 변조하는 방법에 있어서,

   a) 주기적인 인위적 위상이동을 선택하는데, 이때 상기 출력의 랜덤 워크(random walk)가 최대 출력신호 변조와 관련된 것(랜덤 워크)보다 작도록 선택하는 단계, 그리고

   b) 상기 주기적인 인위적 위상이동을 상기 반대로 전파되는 비임들 사이에서 적용하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 자이로 스코프를 변조하는 방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   a) 구형파 위상 이동을 선택하는 단계;

   b) 상기 자이로 출력의 평균 광 출력이 전력 레벨의 1/2 보다 낮도록 상기 구형파의 진폭을 선택하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 자이로스코프를 변조하는 방법.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 위상이동 φ_M(t)가 (4+1)π/2 ＜ | φ_M(t) | ＜ (2n+1)π 이고, n 이 0 을 포함하는 정수임을 특징으로 하는 광섬유 자이로스코프를 변조하는 방법.
4. 제 2 항에 있어서, 상기 위상이동 φ_M(t)가 (2n+1)π ＜ | φ_M(t) | ＜ (4n+3)π/2 이고, n 이 0 을 포함하는 정수임을 특징으로 하는 광섬유 자이로스코프를 변조하는 방법.
5. 제 1 항에 있어서, 사인곡선인 위상이동 φ_M(t)가 x는 J₁(x)가 최대치인 값이고, J₁(y)=0일때 값이고 단, J₁(x)는 제 1 베셀 함수의 첫번째 차수이며, x ＜ | φ_M(t) | ＜ y 임을 특징으로 하는 광섬유 자이로스코프를 변조하는 방법.
6. 광섬유의 센서 코일을 포함하는 형태의 광섬유 자이로스코프를 변조하는데 있어서,

   a) 광원의 출력을 상기 자이로스코프로 향하도록 하는 단계;

   b) 한쌍의 비임들로 상기 광원출력을 나누는 단계;

   c) 상기 코일의 반대 끝부분으로 상기 비임들을 입력시키어 상기 비임들이 반대로 전파되도록 하는 단계;

   d) 구형파 φ_M(t)의 형식으로 주기적인 인위적 위상이동을 반대로 전파되는 비임들 사이에 적용시키며 이때 n이 0을 포함한 정수이고, (4n+1)π/2 ＜ | φ_M(t) | ＜ (2n+1)π 이도록 하는 단계, 그리고

   e) 자이로스코프 출력을 형성하기 위해 반대로 전파되는 비임들을 결합하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 자이로스코프 변조방법.
7. 제 6 항에 있어서, 상기 자이로스코프 출력의 미리 정해진 레벨의 랜덤 워크를 얻기 위해 상기 주기적 위상이동의 크기를 조정하는 단계를 더욱 포함함을 특징으로 하는 광섬유 자이로스코프 변조방법.
8. 제 7 항에 있어서, 상기 주기적인 인위적 위상이동의 주기가 상기 센서코일의 전이 시간의 두배와 같도록 하는 함을 특징으로 하는 광섬유 자이로스코프 변조방법.
9. 제 6 항에 있어서, 상기 광원이 희토류가 도핑된 광섬유를 포함함을 특징으로 하는 광섬유 자이로스코프 변조방법.
10. 제 8 항에 있어서, 상기 주기적 위상이동의 크기가 자이로 출력 랜덤 워크의 상대적 세기 소음 성분을 최소화하기 위해 선택되도록 함을 특징으로 하는 광섬유자이로스코프 변조방법.
11. 광섬유의 센서코일을 포함하는 형태의 광섬유 자이로스코프를 변조하는 방법에 있어서,

    a) 상기 자이로스코프 안으로 광원의 출력을 향하게 하는 단계;

    b) 한쌍의 비임들로 상기 광원출력을 나누는 단계;

    c) 상기 비임들을 상기 코일의 반대쪽 끝부분 안으로 입력하여, 상기 비임들이 반대방향으로 전파하도록 하는 단계;

    d) 구형파 φ_M(t)의 형식으로 주기적인 인위적 위상이동을 상기 반대로 전파하는 비임들 사이에 적용시키며, 이때 n이 0을 포함한 정수이고, (2n+1)π ＜ | φ_M(t) | ＜ (4n+3)π/2 이도록 하는 단계; 그리고

    e) 자이로스코프의 출력을 형성하기 위해 상기 반대로 전파하는 비임들을 결합하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 광섬유 자이로스코프 변조방법.
12. 제 11 항에 있어서, 상기 자이로스코프 출력에서 미리 정해진 수준의 랜덤 워크를 얻기 위해 상기 위상이동의 크기를 조절하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 광섬유 자이로스코프 변조방법.
13. 제 12 항에 있어서, 상기 주기적 인위적 위상이동 주기가 상기 센서코일의이동시간 두배가 되는 것임을 특징으로 하는 광섬유 자이로스코프 변조방법.
14. 제 11 항에 있어서, 상기 광원이 희토류가 도핑된 광섬유를 포함하도록 함을 특징으로 하는 광섬유 자이로스코프 변조방법.
15. 제 13 항에 있어서, 상기 주기적 위상이동의 크기가 자이로 출력 랜덤 워크를 최소화하도록 선택됨을 특징으로 하는 광섬유 자이로스코프 변조방법.
16. 광섬유의 센서코일을 포함하는 형태의 광섬유 자이로스코프를 변조하는 방법에 있어서,

    a) 광원의 출력을 상기 자이로스코프 안으로 향하게 하는 단계;

    b) 상기 광원출력을 한쌍의 비임들로 나누는 단계;

    c) 상기 비임들을 상기 코일의 반대쪽 끝부분으로 입력하여 상기 비임들이 반대방향으로 전파되도록 하는 단계;

    d) 상기 반대로 전파하는 비임들 사이에 사인 곡선 φ_M(t)의 형식으로 주기적 인위적 위상 이동을 적용하며, 이때 x는 J₁(x)가 최대, J₁(y)=0일때 값이고 단, J₁( )은 제 1 베셀 함수의 첫번째 차수이며, x ＜ | φ_M(t) | ＜ y 이도록 하는 단계; 그리고

    e) 자이로스코프 출력을 형성하기 위해 상기 반대로 전파하는 비임들을 결합하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 광섬유 자이로스코프 변조방법.
17. 제 16 항에 있어서, 상기 자이로스코프 출력의 미리 정해진 수준의 랜덤 워크를 얻기 위해 상기 주기적 위상이동의 크기를 조정하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 광섬유 자이로스코프 변조방법.
18. 제 17 항에 있어서, 상기 주기적인 인위적 위상이동의 주기가 상기 센서코일의 이동시간 두배와 같아지게 하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 광섬유 자이로스코프 변조방법.
19. 제 16 항에 있어서, 상기 광원은 희토류가 도포된 광섬유를 포함함을 특징으로 하는 광섬유 자이로스코프 변조방법.
20. 제 18 항에 있어서, 자이로 출력 랜덤 워크를 최소화하도록 주기적 위상이동의 크기가 선택됨을 특징으로 하는 광섬유 자이로스코프 변조방법.
21. 광섬유의 센서코일내에 한쌍의 비임들이 반대로 전파하는 형태의 광섬유 자이로스코프의 출력에서 랜덤 워크 소음을 조정 하는데 있어서,

    a) 상기 반대로 전파하는 비임들 사이에 주기적, 인위적 위상이동을 적용하는 단계; 그리고

    b) 상기 주기적, 인위적 위상이동의 크기를 변하게 하여 상기 랜덤 워크 소음이 그에 응답하여 조정하여지도록 하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 광섬유 자이로스코프 출력에서 랜덤워크 소음 조정방법.
22. 제 21 항에 있어서, 상기 랜덤 워크가 최대 출력신호 변조와 관련된 것보다 더 작은 주기적, 인위적 위상이동을 선택 하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 광섬유 자이로스코프 출력에서 랜덤워크 소음 조정방법.
23. 제 22 항에 있어서, 선택단계가

    a) 구형파 위상이동을 선택하는 단계; 그리고

    b) 상기 자이로 출력의 평균 광전력이 전력레벨 1/2보다 낮도록 상기 구형파의 파장을 선택하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 광섬유 자이로스코프 출력에서 랜덤워크 소음 조정방법.
24. 제 23 항에 있어서, 상기 위상 이동이 구형파 φ_M(t) 형태이며, 이때 n 이 0을 포함한 정수일때 (4n+1)π/2 ＜ | φ_M(t) | ＜ (2n+1)π 이도록 함을 특징으로 하는 광섬유 자이로스코프 출력에서 랜덤워크 소음 조정방법.
25. 제 23 항에 있어서, 상기 위상이동이 구형파 φ_M(t)형태이며, 이때 n 이 0을포함한 정수일때 (2n+1)π ＜ | φ_M(t) | ＜ (4n+3)π/2 이도록 함을 특징으로 하는 광섬유 자이로스코프 출력에서 랜덤워크 소음 조정방법.
26. 제 22 항에 있어서, 상기 위상이동이 사인파 φ_M(t)형태이며, 이때 x가 J₁(x)=최대, J₁(y)=0이고 J₁( )는 제 1 종류의 1차 베셀함수일때 x ＜ | φ_M(t) | ＜ y 이도록 함을 특징으로 하는 광섬유 자이로스코프 출력에서 램덤워크 소음 조정방법.