KR100516006B1 - 개선된 해상도와 안정성을 갖춘, 다중-모드 광섬유 자이로스코프 - Google Patents

Abstract

본 발명은 스케일링 인자(scaling factor)의 높은 안정성을 갖춘 광섬유 자이로스코프(OPTICAL FIBER GYROMETER)에 관한 것인데, 링-모양 가이드(1)(ring-shaped guide)의 두 개의 끝을 공급하는 광원(2)(light source)과, 공통 반대 방향으로 가이드(1)를 따라서 움직였던 두 개의 모델 분포(two modal distribution)를 수신하는 센서(6) 등을 포함하는데 ; 광학 신호의, 기본파(基本波)나 첫 번째 고조파(高調波)의 연속 성분(continuous component)이 비정합(incoherent)임을 각각 대표하는 값 V_dc, V₁, V₂ 등을 이용하는데, 자이로스코프 성분 교란에 독립인 비(比)를 확립하기 위하여, 그리고 스케일링 인자를 대표하기 위하여 이용한다. 광학 신호의 동기 복조(synchronous demodulation)에서, 첫 번째 탐색을 위하여, 두 번째 두 개의 다른 탐색을 위하여, 값 V_dc, V₁, V₂ 등을 취(取)한다. 본 발명은 자이로스코프의 사용자와 제조자를 위하여 유용하다.

Description

개선된 해상도와 안정성을 갖춘, 다중-모드 광섬유 자이로스코프{MULTIMODE OPTICAL FIBER GYROMETER, WITH IMPROVED RESOLUTION AND STABILITY}

본 발명은 개선된 해상도(resolution)와 안정성(stability)을 갖추면서, 단일 축(single axial) 또는 다중 축(multi axial)인, 다중-모드 광섬유 자이로스코프(MULTIMODE OPTICAL FIBER GYROMETER)에 관한 것이다.

중요한 것은, 개선은 대각선 안정성(diagonal stability)과 스케일링 인자(scaling factor) 등에 관한 것이다.

다중-모드 광섬유(multimode optical fiber)를 갖춘 링 모양의 자이로스크프(ring-shaped gyroscope)는 공지되어 있다.

하지만, 종래 기술에 대한 해결 방법은 산업상 이용 가능성을 위한 실제적인 문제 해결을 제시하기 못하고, 종래 기술에 대한 해결 방법은 본 발명의 목적을 충족시키지 못하거나, 산업상 이용 가능성에 대한 필요에 응답하지 못한다.

이러한 종래 기술에 대한 해결 방법은 SAGNAG 효과에 의존하고, 상호 관계(reciprocity)의 물리 법칙에 의존하는데 ; 이에 따라서, 외부 교란(extrinsic perturbation)에 의하여 링 가이드(ring guide) 내(內)에서 반대로 회전하는 파(波)의 전파에서 동일한 위상 효과를 생성시킨다. 이러한 고려에 의하여 시스템의 입구/출구 장치에 상호 작용 이중 커플링(reciprocal dual coupling)을 설치하는 것이 필요한데, 이는 제조 비용을 증가시키고 출력에 대한 나쁜 영향을 가진다.

덧붙여서, 종래의 장치는 종종 특별한 변조 방법과 탐색 방법에 의존하는데, 이러한 방법은 구현하는데 어렵고, 매우 엄격한 제조 제한을 부과한다.

본 발명의 다른 특징과 다른 이점 등은, 부속된 도면에 관하여 실례(實例)에 의하여 제공되면서, 하나의 선호되는 실시예의 다음의 기술(記述)에서 분명해질 것이다.

도 1 은, 모드 전파와 커플링의 물리적 효과의 법칙을 대표한다 ;

도 2 는, 출력 신호를 처리하는 첫 번째 수학식의 경우에, 본 발명에 따르는 자이로스코프(gyroscope)의 기능 블록을 나타낸다 ;

도 3 는, 출력 신호를 처리하는 두 번째 수학식의 경우에, 본 발명에 따르는 자이로스코프(gyroscope)의 기능 블록을 나타낸다 ;

도 4 는, 단일 Y 커플러를 갖춘 자이로스코프(gyroscope)의 변이형(變異型)에 대한 부분적인 그림을 나타낸다 ;

도 5 는, 광 신호의 진폭 변조로써, 도 1 에 있는 자이로스코프(gyroscope)의 부분적인 그림을 나타낸다 ;

도 6 는, 다중-축 자이로스코프(multi-axial gyroscope)의 법칙을 대표한다 ;

도 7 은, 다중-축 자이로스코프(multi-axial gyroscope)의 단순 버전에 대한 그림을 나타낸다 ;

도 8 은, 세 개의 축과 세 개의 발진기 등을 갖춘 자이로스코프(gyroscope)의 그림을 나타낸다 ; 그리고

도 9 는, 스위칭 위상 변조기(switching phase modulator)를 갖춘 다중-축 자이로스코프(multi-axial gyroscope)의 변이형(變異型)에 대한 그림을 나타낸다.

*참조 번호 설명

1 : 코일(coil)

2 : 광원(light source)

5 : 커플러 X(coupler X)

6 : 센서(sensor), 디텍터(detector)

9 : 위상 변조기(phase modulator)

10 : 발진기(oxcillator)

11 ; 증폭기

12 : 동기 복조기(synchronous demodulator)

13, 14 : 대역 통과 필터

15 : 저역 통과 필터

17 : 디바이더(divider)

본 발명의 중요한 이점(利點)은, 쉽게 산업에 적용되는 소스(source), 광섬유(fiber optic), 그리고 경제 장치에 있는 탐색 회로(detection circuit) 등의 이용에 있다.

이러한 목적을 달성하기 위하여, 선택되는 성분은 두 개의 중요한 판단 기준을 갖춘다.

첫 번째 요구 사항은 어떤 모드가 고려되더라도 두 개의 근접한 모드 사이에서 최대의 분산(dispersion)을 취(取)하는 것이다. 이러한 조건은 적합한 선택을 실행하는 것에 의하여 이루어지는데 ; 먼저 스펙트럼 너비와 중앙 파 길이 등과 같은 소스의 특징에 대한 선택에 의하여, 두 번째 섬유에 대한 길이, 구멍의 수(數), 인덱스 프로파일, 및 다른 광의 기하학 특징 등과 같은 섬유의 분산 특징에 대한 선택에 의하여 이루어진다.

본 발명의 선호되는 버전은 높게 분산되는 섬유와 관련이 있는 광범위 스펙트럼을 갖춘 소스(source)를 포함한다.

두 번째 판단 기준은 전파 방향에 대하여 모델 분산의 대칭에 관한 것이다.

본 발명의 목적은, 회전 속도(rotation speed)로써, 즉, 각도에 대한 변위(angular displacement)로써 공지된 속도에 비례하는 출력 값을 공급하는 것인데, 자이로스코프 성분의 주요한 다양한 교란(fluctuation)에 독립적이다.

하나의 변이형(變異型)에 따라서, 본 발명에 의하여 자이로스코프 성분에 있는 다양한 주요한 교란의 독립적인 회전 속도에 관한 데이터를 공급한다. 이제까지, 소스 파(波) 길이(source wave length)에 대한 다양성의 양(量)을 정하는데 어려웠었다.

이에 대하여, 작동 온도의 광범위에서, 소스 파(波) 길이에서의 다양성을 최소화하도록 다중 경계를 실행하는 것은 더 이상 필요하지 않다.

본 발명의 다른 이점(利點)은 다음과 같다 :

- 커다란 코어 지름과 많은 수의 구멍 등을 갖춘 다중-모드 섬유(multimode fiber)의 이용에 의하여, 주입할 때 에너지 출력에 영향을 미치지 않으면서, 강하게 발산하는 광원(strongly divergent light source)의 이용을 가능하게 한다. 단순하고, 값이 비싸지 않고, 광을 방출하는 다이오드에 의하여 이러한 광원의 이용을 이룬다. 다른 연결 작동에 대한 정확함을 포함한다.

- 자이로스코프의 설계에 의하여 두 개의 상호 작용 입력/출력 커플러(reciprocal input/output coupler)를 합체(合體)하는 것은 더 이상 필요하지 않다. 단일 X 커플러를 이용할 수 있는데, 이는 제조 비용을 낮추고, 센서의 전력 출력을 개선한다.

- 섬유 내(內)에 있는 광 신호는 완전하게 편광이 소멸되기 때문에, 다중-모드 섬유 자이로스코프에서는, 편광자(偏光子), 편광 제어, 또는 편광을 소멸시키는 시스템 등을 이용하는 것이 더 이상 필요없다. 추가로, 센서는 자기장(Faraday 효과)과 전기장(Kerr 효과)에 대한 영향을 받지 않게 된다. 이러한 효과를 없애기 위하여, 값이 비싼 물질을 더 이상 이용할 필요는 없다. 이에 의하여, 성분의 수(數)를 실질적으로 줄이고, 조립을 간단하게 한다.

- 시스템의 안정성(stability)은 시스템 성분의 광학 특성에 의존한다. 자이로스코프를 독립적이고 기본적인 많은 수의 자이로스코프에 동질화하는 가능성으로 인(因)하여, 시스템의 안정성을 이루어진다. 그러므로, 각각을 이용하기 전(前)에 자이로스코프를 제로(0)로 리셋(reset)하는 것은 더 이상 필요없고, 시스템은 저장될 수 있고, 시스템은 필요할 때 즉각적으로 이용될 수 있다.

- 작은 크기의 자이로스코프를 제조하는 기능은, 미니-자이로스코프(mini- gyroscope)를 필요로 하는 어떤 응용에서 중요한 이점(利點)이 있다.

- 선택된 크기, 즉 적용되는 수학식에서 0 번째 고조파(高調波), 첫 번째 고조파(高調波), 두 번째 고조파(高調波) 등으로 인(因)하여, 스케일링 인자(scaling factor)를 갖춘 자이로스코프를 일으키는데, 스케일링 인자(scaling factor)는 이런 타입의 자이로스코프의 특징을 짓는 주요한 교란(principal fluctuation)에 독립적이다.

본 발명의 주(主) 목적은 출력 값을 공급하는 유닛과 회로를 이용하여 불안정성(instability)의 주(主) 원인을 제거하는 것인데, 수학적으로 관련이 있을 때, 이러한 출력 값을 통하여 회전 속도, 즉 자이로스코프의 각도에 대한 변위(angular displacement)를 공급한다. 이러한 값은 자이로스코프의 성분과 관련이 있는 다양한 교란(fluctuation)에서 생성되는 변화에 독립적이다. 본 발명의 하나의 변이형(變異型)에 따라서, 이러한 결과는 소스 파(波)의 길이(source wave length)에서 변화에 또한 독립적이다.

덧붙여서, 자이로스코프가 적합하게 작동하는 것을 보장하기 위하여, 먼저 스펙트럼 길이와 중앙 파(波)의 길이 등과 같은 소소의 특징(source characteristics) 중(中)에서, 또한 길이, 구멍의 수(數), 인덱스 프로파일 등과 같은 섬유 분산의 특징(fiber dispersion characteristics)에 영향을 미치는 파라미터 중(中)에서, 적합한 선택이 이루어진다.

실지로, 내부 교란(intrinsic perturbation)이나 외부 교란(extrinsic perturbation) 등에 의하여, 불안정한 자이로스코프 응답을 일으키면서, 간섭을 결합시키고 생성시킬 수 있는 순서의 두 개가 근접하게 전파하는 모드(two nearby co-propagating mode)를 생성시킬 수 있다. 이러한 문제를 극복할 목적으로, 가능하다면 비정합으로써 모드의 어떤 결합을 만들도록, 두 개의 모드는 전체적으로 독립적이어야만 한다.

광 경로의 차이(差異)는 광 소스의 정합 길이(coherent length)보다 훨씬 크도록, 통합 분산 섬유를 선택하는 것에 의하여, 조건은 확인될 수 있다. 섬유의 통합 분산(fiber's intermodal dispersion)은 그 인덱스 파일에 의존하기 때문에, 무한대로 향하여 진행하는 인덱스 프로파일 계수를 갖춘 높은 인덱스의 섬유는, 광범위 스펙트럼 소스와 관련이 있을 때, 상기 판단 기준을 쉽게 실행한다.

결과에서 성분 중(中)에서 교란의 영향을 제거하는 것에 추가하여, 본 발명을 따르는 자이로스코프의 안정성은, 모델 평균의 물리적 효과와 도 1 과 관련하여 기술(記述)되는 법칙에 대한 물리적 효과 등에 의한 것인데 ; 이것은 이중 입구/출구가 있는 독립 모드의 M 그룹을 갖춘 시스템과 같은 모델을 얻는 임의 길이(l)의 광섬유의 하나의 섹션을 나타내고, 이중 입구/출구에서 + 와 - 등으로 각각 표시되는 모드 전파(mode propagation)의 두 개의 정의된 반대 방향이 존재한다.

섬유에서 전파될 수 있는 많은 독립 모드 중(中)에서, 섬유 내(內)에서 모드 전파의 각각의 방향에 대하여 두 개의 근접한 모드 k 와 l 은 (k⁺, l⁺)와 (k^-, l^-) 등으로 고려될 수 있다.

모드 사이에서 독립이 존재하기 때문에, 모드의 결합은 정합 아니면 비정합일 수 있다. 예를 들면, 모드(mode)는 모드 k 에서 결합되는 근접한 모드 l 에 의한 두 개의 직접 모드(k⁺, k^-)와 결합 모드(lk⁺, lk^-)로 인(因)한 것이다. 모드 k 의 레벨에서 서로 다른 가능한 결합은 아래와 같이 상세하게 나타난다 :

- 직접 모드 사이에서 결합(combination between direct modes) :

모드(k⁺, k^-)의 결합은 상호 작용 간섭 신호를 공급하는데, 즉, 교란의 항을 포함하지 않는다.

- 직접 모드와 결합 모드 사이에서 결합(combination between direct modes and coupled modes) :

; 결합 (k⁺, lk⁺)와 (k^-, lk^-) 등이 초기에 두 개의 독립이고 서로 겹치는 k 와 l 에서 생성할 때, 결합 (k⁺, lk⁺)와 (k^-, lk^-) 등은 같은 전파하는 모드와 비정합 모드 사이에서 결합에 일치한다. 그러므로, 세 개의 결합은 간섭을 생성시키지 않고, 비정합 광 신호만에 기여한다.

; 결합 (k⁺, lk⁺)와 (k^-, lk^-) 등은 반대로 전파하는 하지만 비정합인 모드 사이에서 결합에 일치하는데, 결합 (k⁺, lk⁺)와 (k^-, lk^-) 등은 두 개의 독립 모드에서 생성된다. 상기에서 기술(記述)된 것처럼, 결합 (k⁺, lk⁺)와 (k^-, lk^-) 등은 어떤 간섭도 생성시키지 않고, 연속 광학 신호만에 기여한다.

- 결합된 모드 사이에서 결합(combination between coupled modes) :

결합 (lk⁺, lk^-)은 초기 비정합 모드 l⁺와 l^- 에서 생성되는 반대로 전파되는 모드 사이에서 결합에 일치한다. 하지만, 모드(lk⁺, lk^-)는 섬유에 있는 서로 다른 광 경로에서 움직이는데, 특별한 경우를 제외하고 일반적으로 그 독립성을 보장하고, 이제부터 이러한 것을 검사할 것이다.

도 1 에서 나타난 것처럼, 코일을 따라서 안정성이 있고, 국부적이고, 대칭적인 교란, 예를 들면, Z⁺, Z^- 등으로 인(因)하여, 결합에서 생성되는 모드의 경우를 고려하는 것은 중요하다. Z⁺, Z^- 등에서 각각 만들어지는 모드 중(中)에서 결합, 즉, (lk⁺(Z⁺)), (lk^-(Z^-)) 에 의하여, 섬유에서 동일한 광 경로를 실질적으로 움직이는 범위까지 정합은 유지된다. 교란은 반드시 동일하지는 않고, 그러므로 교란은 동일하지 않은 위상을 생성시키는데, 이에 의하여, 상호 작용하지 않는 항이 나타나고, 순서에 의하여 자이로스코프 응답에서 불안전성을 생성시킨다.

이러한 증명에 의하여, 전파 k 의 주어진 모드에 대하여 참조한다. 이제는, 섬유의 전체 길이를 따라서 모든 가능한 모드까지 확장될 수 있다.

결과에 의한 출력 신호는 두 개의 성분에 대한 합(合)으로써 나타난다 :

- 두 개의 비정합 모드 사이의 결합에서 생성되는 첫 번째 비정합, 연속 성분(first incoherent, continuous component) ; 그리고

- Sagnac 위상 항을 갖춘 직접이고 비슷한 모드 사이의 결합에서 생성되는 신호의 합(合), 그리고 Sagnac 위상 항과 불안정성 항 등을 동시에 갖춘 결합된 모드 사이의 결합에서 생성되는 신호 합(合) 등으로 이루어진 두 번째 정합 성분(second coherence component) 등이 있다.

불안정성 항의 영향을 감소시키는 것이 요구된다. 하나의 해결 방법이 높은 다중-모델 섬유(highly multimodal fiber)를 이용하는 것으로 이루어진다. 실제로, 섬유 내(內)에서 모드의 가능한 수(數)가 높아질수록, 모드 사이에서 가능한 결합의 수(數)가 더 높아지고, 제로(0)로 접근하는 무작위 불안정성 신호의 평균 값의 경향은 더 커지는데, 그러므로 자이로스코프는 내부적으로 안정으로 진행한다. 하지만, 상기 해결 방법은 하나의 결점을 가진다. 섬유 내(內)에서 모드의 수(數)에서 증가는 신호의 정합, 연속 성분에서 증가에 의하여, 그리고 생성되는 포토-타닉 잡음의 정합, 연속 성분의 증가에 의하여 이루어진다. 이에 의하여, 신호/잡음 비(比)의 감소와, 그러므로 신호 해상도를 향상시킨다. 계산에 의하여, 섬유에서 가능한 모드의 전체 수(數)에 역(逆)으로 비례하는 것을 나타낸다.

그러므로, 안정성과 신호 해상도 사이에서 타협을 찾는데, 즉, 섬유에 있는 모드의 전체 수(數)에서 동시에 일어나는 제한으로 최대 통합 분산(maximum intermodal dispersion)을 찾는다.

계산에 의하여 결합된 모드에서 생성된 모든 항은 L_cf/L 의 비(比)에 있는 전체 신호에 기여하는데, L_cf 는 섬유에 있는 정합의 길이이고, L 은 그 전체 길이다.

그러므로, 동시에 상기 신호의 불안정성 항의 기여는 관계 L_cf/L 를 최소화하는 것에 의하여 제한된다면, 섬유에 있는 모델의 전체 수(數)는 신호의 안정성에 해(害)를 끼치지 않으면서 제한될 수 있다. 광섬유의 전체 길이 L 을 증가시키는 것에 의하여, 그렇지 아니면 섬유에 있는 정합 길이 L_cf 를 감소시키는 것에 의하여, 상기 제한은 달성된다. 섬유에 있는 정합 길이 L_cf 는 Δτ_l,k 로써 표시되는 계수의 k 와 l 의 모드 그룹에서 전파 시간의 차이에 비례한다 :

여기서, n 은 섬유 코어의 인덱스(index)를 나타낸다 ;

c 는 광의 속도를 나타낸다 ;

Δ 는 코어 인덱스와 섬유 외피 사이의 상대적인 차이(差異)를 나타낸다 ;

p 는 섬유의 착색 분산 파라미터를 나타낸다 ;

α 는 섬유 인덱스의 프로파일(profile)을 나타낸다 ; 그리고

M 은 모드 그룹의 전체 수(數)를 나타낸다.

모드 k 와 l 사이에서 결합하는 것에 의하여 생성되는 정합 에너지의 부분은, 모드에 대한 이러한 두 개의 그룹 사이에서 광 경로의 차이(差異)는 적어도 소스의 정합 길이에 일치하도록 구성된다 :

여기서, L_cs 는 소스의 정합 길이를 나타낸다 ;

L 은 섬유의 전체 길이를 나타낸다 ; 그리고

ON 은 섬유의 구멍의 수(數)를 나타낸다.

안정성과 해상도 사이에서 요구되는 타협을 달성하도록 조정될 수 있는 다양한 파라미터는 다음과 같다는 것은, 이상(以上)의 수학식에서 알 수 있다 : 인덱스 프로파일(index profile), 중앙 소스 파 길이(central source wave length), 소스의 스펙트럼 너비, 섬유의 착색 분산 파라미터(chromatic dispersion parameter), 구멍의 수(數), 섬유 반경, 코어, 및 길이 등이다.

도 2 에서 전체적으로 나타난 자이로스코프(gyroscope)에 있어서, 찾아진 감도(sensitivity)에 의존하는 가변 길이의, 실질적으로 논한다면, 몇 미터에서 몇 백 미터까지의 범위를 차지하는 길이의 코일에 의한 광섬유(coiled optical fiber)를 구성하는 링 가이드(1)(ring guide)나 코일(1)을 포함한다. 본 발명에 따라서, 광섬유(optical fiber)는 통합 분산(intermodal dispersion)의 높은 범위를 가능하게 하는 인덱스 프로파일(index profile)을 갖춘 다중-모드 섬유(multimode fiber)이어야만 한다. 이러한 섬유의 선호되는 실례(實例)는 다중-모드의 높은 인덱스 섬유다.

도 2 와 도 3 등에서 나타난 것처럼, 광범위 스펙트럼을 갖춘 다소 정합하는 광(光)을 갖춘 소스(2)(source)는, 선호하기는 광 방출 다이오드(light emitting diode)는, 단일 X 커플러(5)를 통하여 광섬유의 코일(1)의 두 개의 입구(3, 4)를 공급한다. 또한 다중-모델(multimodal)이 되는 상기 단일 커플러(single coupler)는, 모드를 양(兩) 방향으로 대칭에 의하여 나누는데, 즉, 상기 단일 커플러(single coupler)에 의하여 광원(2)에 의하여 방출되는 파(波)를 두 개의 대칭이고 반대로 전파하는 모델 분포로 분리한다.

X 커플러(5)는 또한 공통의 역(逆) 방향으로 코일(1)을 통하여 통과하였던 파(波)를 수집하는데, 그 다음에 간섭 디텍터(6)(interference detector)로 향하여 파(波)의 방향을 잡는데, 여기서 간섭 디텍터는 선호하기는 자이로스코프의 출력 경로에 위치되는 포토다이오드가 된다.

도 4 에 나타난 본 발명의 실행의 다양성에 따라서, 코일(1)의 끝은 단일 Y 커플러(7)에 의하여 광원(2)과 간섭 디텍터(6) 등을 구성하는 유닛으로 결합된다. 이러한 경우에, 광원(2)과 간섭 디텍터(6) 등은 커플러(7)의 입력 브랜치(8)에서 동일 레벨로 위치된다. 두 개의 작동 모드는 가능하다. 첫 번째 작동 모드에 있어서, 광원(2)과 간섭 디텍터(6) 등은 주기적으로 번갈아 일어난다. 두 번째 작동 모드에 있어서, 광원(2)과 간섭 디텍터(6) 등은 계속해서 동시에 작동한다.

선호하기는 서로 다른 광학 성분에 바탕을 두는 본 발명의 자이로스코프의 다양한 광학 요소는 검사를 마쳤다. 다음에, 이러한 요소와 관련이 있는 작동 전자 회로는 검사될 것이다.

단순하게 변조기(9)로서 공지된 광학 신호 변조기(9)(optical signal modultor)와 같은 위상 변조 요소는, 광섬유의 전체 길이는 지연 라인으로써 이용되는 방식으로, 다중-모드 광섬유 코일(1)의 입구(3, 4) 중(中)에서 하나에서 대칭적으로 설치되는데 ; 같이 회전하는 파(波)는 즉각적으로 변조기(9)에 도착하면서, 반대 방향으로 회전하는 파(波)는 변조기(9)에 도착하기 전(前)에 코일의 전체 길이를 통하여 먼저 통과하여야 한다.

여기에서 나타나 있지는 않지만, 위상 변조기(9)에 대한 예외로써 다른 가능한 변이형(變異型)이 존재한다.

먼저, 공지된 변이형은 다중-모드 광섬유의 길이에 의하여 둘러싸인 압전기 물질의 튜브(tube)를 이용한다.

두 번째 변이형(變異型)은 압전기 물질로 코팅이 된 외부를 갖춘 다중-모드 섬유의 일부분을 이용한다. 이와 같은 해결 방법은 위상 변조 요소(9)에 대하여 요구되는 공간을 제한하는 이점(利點)이 있다.

또 하나의 변이형(變異型)은 휘어지기 쉬운 압전기 커패시터에 삽입된 다중-모드 섬유에 관한 것이다.

도 하나의 변이형(變異型)은, 섬유의 길이의 부분을 따라서 섬유 코어 인덱스의 주기적인 변조를 갖춘 섬유에 관한 것인데, 사진 제판이나 화학 처리에 의하여 얻어진다. 이러한 변이형의 이점은, 장치에서 종래의 변조에 대한 필요를 제거하면서, 섬유 코어에서 직접적으로 반대 방향으로 회전하는 광파(光波)의 위상 변조를 가능하게 한다는 사실이다. 이로 인(因)하여, 비용이나 사양에 대항 눈에 뜨이는 이점을 공급한다.

설치에 있어서, 변조기(9)의 적합한 변조 신호 ω_i 를 공급하는데 이용되는 참조 ω_i 를 제공하는 사인파 변조 발진기(10)(sinusoidal modulation oscillator)를 갖춘다.

첫 번째, 탐색 회로(detection circuit)는 동기 복조기(12)를 구동하는 간섭 디텍터(6)의 뒤에 위치되는 증폭기(11)를 포함한다. 사인파 변조 발진기(10)와 여기(勵起) 위상 변조기(9) 등에 의하여 공급되는 변조 신호 ω_i 는, 동기 복조기(12)를 위한 참조 신호로써 또한 이용된다.

위상 변조기(9)와 관련이 있는 교란을 중화시킬 목적으로, 루프(9)(loop)는 변조 신호와 관련이 있는 변조를 마친 신호의 위상과 진폭을 제어하는데 이용되면서, 동시에 동기 복조기(12)에 대한 참조 신호로써 이용된다.

변조기(9)에서 특징을 갖춘 교란은, 예를 들면, 변조기(9)의 안쪽에 또는 다음에 위치되는 변조기 디텍터를 통하여 동기 복조기(synchronous demodulator)와 로컬 발진기(10)(local oscillator)를 따라서 작동하는 (대쉬 라인에 의하여 나타나는) 적합한 보상 회로의 이용을 통하여 극복될 수 있다.

선호되는 실시예에 따라서, 두 개의 대역 통과 필터(13, 14)를 각각 공급하는데, 먼저 증폭기(11)와 동기 복조기(12) 사이에서, 그리고 다음으로 복조기(12)와 사인파 변조 발진기(10) 사이에서 공급된다. 이러한 필터(13, 14)의 목적은 위상 변조기(9)의 주파수에서 어떤 비-선형성을 제거하는 것이다. 실제로, 위상 변조기(9)가 단일 주파수에서 여기(勵起)될 때, 변조 주파수를 제외한 다른 주파수에 대응하는 모드에서 발진하는 것에서 시작한다. 그러므로, 상기 비-선형 현상을 제거하기 위하여, 변조 신호 ω_i 의 주파수에 중심을 잡는 대역 통과 필터를 이용하는 것을 선호한다.

증폭기(11)의 출력에서, 광학 신호의 연속 비정합 성분 Vdc 고립시키도록, 낮은 주파수에 대한 여파(濾波)를 갖춘 저역 통과 필터(15)가 존재한다.

광학 신호의 연속 비정합 성분 Vdc 의 단순한 저역 통과 필터보다 훨씬 더 정확한 해결 방법은, 도 5 에서 나타난다. 저역 통과 필터에 있어서, 신호 여기 위상 변조기(9)의 변조 주파수 ω_i 보다 상당히 더 낮은 변조 신호 f 에서, 생성 장치 V(f,t)에 의하여 공급되는 주기 변조 전압을 이용하는 것에 의하여 진폭에서 변조 광원(2)을 포함한다. 그 다음에, 이중 사각형 동기 복조기의 형(型)인 탐색 유닛(6)에 의하여 광학 신호의 연속 비정합 성분 Vdc 를 탐색한다. 이러한 해결 방법은 광학 신호의 연속 비정합 성분 Vdc 의 매우 작은 변화를 탐색하는 이점을 공급한다.

도 2 의 조립에 있어서, 동기 복조기에서 시작하면서 광학 신호의 첫 번째 고조파(기본파, fundamental)의 성분의 진폭에 가까운 비례 인자(proportionality factor)에 일치하는 전압 V₁ 과, 연속 비정합 성분(continuous incoherent component)에 일치하는 전압 V_dc 등을 수신하는 디바이더 모듈(17)(divider module)에서 끝난다. 디바이더 모듈의 역할은 수(數)의 관계에 효과를 미치는 것이다 :

S=V₁/V_dc.

수학식 3 은 일정한 곱셈 인자에서 자이로스코프의 스케일링 인자(scaling factor)를 대표하는데, 다시 말하면 회전 속도(rotation speed), 즉 자이로스코프(gyroscope)와, 이를 부착하는, 그리고 이를 따라서 위치를 변화시키는, 그리고 공간에서 기준 축에 대하여 선회(旋回)하는 지탱 장치(support)의 각도에 대한 변위(angular displacement)를 결정하는데 이용되는 정(正)이나 부(負) 대수 값을 대표한다. 값에서 이러한 관계는 광원의 불안정성과 관련이 있는 강도(强度)에서 대부분의 다양성과 교란, 섬유에서 손실, 광학 디텍터, 그리고 다른 성분 등을 보상하는데 이용되는데 ; 이로 인(因)하여 자이로스코프의 스케일링 인자의 교란에 연결된 대부분의 교란을 제거한다.

하지만, 소소 파(source wave)의 길이에서 교란에 연결된 교란은 여전히 남아있는데, 도 2 에 나타난 조립과 비(比) 방법을 이용할 때 최소로 유지된다.

도 3 에 나타난 또 하나의 조립은 또 하나의 비(比)에 일치한다. 다시, 두 번째 고조파가 여기에서 이용된다. 아래에서 지적되는, 이러한 비(比)는 서로 다른 교란을 제거하지만, 특히 이는 소스 파(source wave)의 길이 다양성으로 발생한다.

상기 변이형에 따라서, 값 V₁ 과 V₂ 등은 탐색되고, 광학 신호의 첫 번째 고조파와 두 번째 고조파의 동기 복조에서 시작하는 연속 정합 성분(continuous coherent component)의 진폭에 비례하여 이용된다.

도 3 에 나타난 조립은 도 2 의 조립과 비슷하다. 일반적인 기능을 포함한다.

즉, 예를 들면, 블록 C.A.G. 를 통하여 주파수 ω₁ 에서 변조기(9)에 대한 여기(勵起) 신호를 생성시키도록 프로그램으로 처리될 수 있는 발진기(oscillator) 가 존재한다. 발진기(oscillator)에 있어서, ω₁ 과 2ω₁ 의 주파수에서, 즉 기본파와 두 번째 고조파에서 각각 설정되는 두 개의 동기 복조기를 향하여, 주파수 ω₁ 과 2ω₁ 에서 두 개의 신호 출력을 공급한다. 그러므로, 동기 복조기의 출력에서, 광학 신호의 기본파와 두 번째 고조파의 연속 정합 성분의 진폭에 일치하는 신호 V₁ 과 V₂ 등은 취(取)해진다. 조립은 대역 통과 필터에 의하여 완성되는데, 이러한 필터의 역할은, 앞에서 지적한 것처럼, 광학 신호의 연속 비정합 성분인 V_dc 를 고립시킨다. 이러한 값은 통신 인터페이스에 의하여 외부에서 연결되는 프로세서로 진행한다. 이러한 인터페이스는 또한 프로세서에 연결되고, 하나의 입력에서 V_dc 의 값에 대한 기준 전압 Ref. V_dc 를 수신한다.

상기 조립은 도 2 에서 나타난 조립에서의 성분과 비슷한 변조기(9)나 보상 모듈 등을 안정시키는 자동 제어 회로(automatic control circuit)를 또한 포함한다.

본 발명에 따라서, 프로세서는 V₁, V₂, 및 V_dc 등의 사이에서 다음의 수학적 관계를 확립한다 :

여기서, V₁ = 광학 신호의 기본파의 연속 성분(continuous component) ;

V₂ = 광학 신호의 두 번째 고조파의 연속 성분(continuous component) ; 그리고

V_dc = 광학 신호의 연속 비정합 성분(incoherent component).

전(前)과 같이, R 로써 기준을 삼는 상기 작동의 결과는 각도에 대한 변위(angular displacement)의 속도를 대표하는 값을 나타내는데, 이러한 속도에서 자이로스코프는 이를 부착하는 지탱 액슬(supporting axle)의 주위에서 선회(旋回)한다.

상기 작동은 아날로그 작동, 그렇지 않으면 디지털 작동으로써 실행됨으로써, 결과는 피벗 액슬과 관련하여 지탱 위치의 표시로써, 그리고 세 개의 자이로스코프가 이용된다면 기준과 관련하여 공간의 표시로써 이용될 수 있다.

이제까지의 상세한 기술(記述)은, 회전의 단일 축, 즉 단일 코일을 갖춘 본 발명에 따르는 자이로스코프의 구조에 관한 것이었다.

도 6 에서 나타난 변이형(變異型)에 따라서, 본 발명에 따르는 자이로스코프는 예를 들면, 공간에서 각각의 방향으로써 n 개의 축을 포함할 수 있다.

이 경우에 있어서, 자이로스코프는 축 1 내지 n 에 일치하는 만큼의 기준 코일 B₁ 내지 B_n 을 포함하는데 ; 코일 B₁ 내지 B_n 은 2 x 2n 접근 포인트를 갖춘 스타 커넥터(18)(star connector)에 의하여, 광원(2)과 간섭 디텍터(6) 등으로 이루어진 유닛에 연결된다.

단일 섬유과 같이 몇몇의 섬유에서 동일한 양의 에너지가 주입될 정도로 소스의 방출 표면은 섬유 코어의 지름과 관련하여 충분히 크기 때문에, 소스(2), 코일 B₁ 내지 B_n, 디텍터(6) 등의 사이에 있는 2 x 2n 접근 포인트를 갖춘 스타 커넥터(18)는 선택 성분이다. 그러므로, 도 7 에서 나타난 것처럼, 회로라는 것은 회로 당(當) 단 하나만의 X 커플러를 요구하는 많은 각각의 회로인 것처럼, 하나의 코일을 포함하는 다수의 회로를 처리하는 것은 가능하다. 그러므로, 복잡하고 다수의 스타 커넥터의 모든 구조는 얻어진다.

단일-축 자이로스코프의 경우와 같이, 여기 신호 f₁ 내지 f_n 에 의하여 각각 변조되는 위상 변조 수단 M₁ 내지 M_n 등은, 각각의 코일 B₁ 내지 B_n 의 입력의 하나에 비대칭으로 부착된다(도 8).

다음으로, 예를 들면, 공간에서 각각의 방향으로써, 세 개의 축을 갖춘 자이로스코프는 검사될 것이다.

두 개의 서로 다른 실시예(實施例)는 상상된다.

도 8 에서 나타난 것처럼, 첫 번째 실시예에 따라서, 세 개 코일의 입구는 2 x 6 접근 포인트를 갖춘 스타 커플러(19)를 이용하여 광원(2)에 의하여 공급된다. OSC₁, OSC₂, 및 OSC₃ 등으로써 표시되는 세 개의 사인파 발진기에 의하여, 세 개의 자이로스코프 코일 각각의 입력의 하나에 비대칭으로 부착된 세 개의 위상 변조기 M₁, M₂, 및 M₃ 의 여기 신호를 변조하도록 이용되는 각각의 기준 f₁, f₂, 및 f₃ 등을 공급한다. 발진기 OSC₁, OSC₂, 및 OSC₃ 등에 의하여 공급되는 신호 f₁, f₂, 및 f₃ 등은, 또한 간섭 디텍터(6)의 출력을 우회(迂廻)하는 세 개의 동기 복조기(20, 21, 22)에 대한 기준으로써 이용된다. 단일 축 자이로스코프와 같이, 광학 신호의 연속 비정합 성분 V_dc 의 선택을 위하여 이용되는 저역 통과 필터(23)에 의하여, 탐색 회로는 완성된다. 마지막으로, 두 개의 비(比)에 일치하는 두 개의 변이(變異)의 경우에서, 각각의 동기 복조기(20, 21, 22)나 이중 동기 복조기 등은, 하나나 두 개의 출력 전압 V₁, V₂, 및 V₃ 을 공급하고, 그리고 각각의 세 개의 축, 즉 세 개의 자이로스코프 코일 각각에 대하여 Sagnac 위상에 관한 데이터를 공급한다.

도 9 에 나타난 두 번째 가능한 실시예에 따라서, 기준 f 를 공급하는 단일 사인파 발진기 OSC 는, 세 개의 위상 변조기 M₁, M₂, 및 M₃ 의 각각으로의 스위치(24)에 연결된다. 그러므로, 변조는 분리 시간에서 달성되고, Sagnac 데이터는 단일 동기 복조기(25)를 갖춘 각각의 코일에 대한 순서에 의하여 얻어진다.

확실히, 세 개 축 자이로스코프(three axis gyroscope)의 경우에 있어서, 단일 축 조립에 적용 가능한 모든 변이와 선택은 유효하게 유지된다. 세 개 축 자이로스코프(three axis gyroscope)는 또한 자동 제어나 보상 모듈에서 적용된다.

Claims (25)

1. 상호작용없는 구조로 부착된 링-모양 Sagnac 간섭계를 포함하는 다중-모드 광섬유 자이로스코프에 있어서, 상기 자이로스코프는 커플러를 통해 링-모양 가이드의 두 끝단에 광을 공급하는 광원(2)과, 상기 커플러를 통해 상호 역전된 방향으로 가이드를 가로지르는 상기 광의 두개의 모드 분포를 수신하는 광학 디텍터(6)를 포함하며, 이때,

   - 상기 커플러는 한개의 다중-모드 커플러로서, 양방향으로 모드 측면에서 대칭이고,

   - 상기 다중-모드 광섬유는 인터모드 분산 섬유(intermodal dispersion fiber)로서, 임의의 차수의 두 인접한 동시-전파 모드들 간의 광학적 경로 차이가 광원(2)과 제한된 수치의 가능한 전파 모드들의 코히어런스 길이보다 크며,

   - 한개의 디텍터가 기본파 진폭에 비례하는 전압 V1을 공급하고, 광학 신호라 불리는 광학 디텍터(6)의 출력 신호의 2차 고조파의 진폭에 비례하는 전압 V2가 상기 전압 V1에 더하여지며, 광학 신호의 증폭 후 얻은 광학 신호의 연속 인코히어런트 성분에 비례하는 전압 V_dc가 또한 사용되며,

   - 자이로스코프 성분들에서 교란(fluctuation)을 제거하기 위해 0차, 1차, 2차 고조파들의, V1, V2, Vdc 값들의 서로에 대한 수학적 관계를 한개의 프로세서가 구축하며,

   - 상기 모드 및 이들간의 조합이 평균되는

   것을 특징으로 하는 다중-모드 광섬유 자이로스코프.
2. 제 1 항에 있어서, 다중-모드 광섬유는 굴절률이 큰 광섬유(high index fiber)인 것을 특징으로 하는, 다중-모드 광섬유 자이로스코프.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 광원(2)이 발광 다이오드인 것을 특징으로 하는, 다중-모드 광섬유 자이로스코프.
4. 제 1 항에 있어서, 광학 신호의 1차 고조파와 2차 고조파에 비례하는 전압 V₁ 와 V₂, 는 동기 복조에 의하여 검출되는 것을 특징으로 하는, 다중-모드 광섬유 자이로스코프.
5. 제 1 항에 있어서, 광섬유 신호의 연속 인코히어런트 성분(continuous incoherent component)에 비례하는 전압 V_dc는, 디텍터(6)의 출력부에 위치한 증폭기의 뒤에서 배치된 저역 통과 필터를 이용하여 고립되는 것을 특징으로 하는, 다중-모드 광섬유 자이로스코프.
6. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서, 동기 복조 후에, 1차 및 2차 고조파에 바탕한 연산을 이용하여, 아래의 대수 관계를 구축하는 것을 특징으로 하는, 다중-모드 광섬유 자이로스코프.

   S=V₁/V_dc.
7. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서, 아래의 대수 관계를 구축하기 위한 연산이 사용되는 것을 특징으로 하는, 다중-모드 광섬유 자이로스코프.
8. 제 1 항에 있어서, 상기 자이로스코프는 단일 X 커플러(5)를 포함하며, 상기 단일 X 커플러(5)는 광원(2)에 의하여 방출되는 파를 두 개의 대칭이고 반대로 회전하는 모드 분포(modal distribution)로 분리시키는 것을 특징으로 하는, 다중-모드 광섬유 자이로스코프.
9. 제 1 항에 있어서, 단일 Y 커플러(7)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 다중-모드 광섬유 자이로스코프.
10. 제 8 항 또는 제 9 항에 있어서, 상기 X 커플러 또는 상기 Y 커플러가 간섭계 필터를 포함하는 것을 특징으로 하는, 다중-모드 광섬유 자이로스코프.
11. 제 8 항 또는 제 9 항에 있어서, 상기 X 커플러 또는 상기 Y 커플러가 회절형 평면 광학 성분(diffractive, plane, optical components)으로 만들어지는 것을 특징으로 하는, 다중-모드 광섬유 자이로스코프.
12. 제 1 항에 있어서, 상기 자이로스코프는 위상 변조기(9)와 사인파 발진기(10)를 포함하며, 상기 위상 변조기(9)는 코일(1)의 입력부(3, 4) 중 한 입력부에 비대칭방식으로 배치되고, 상기 사인파 발진기(10)는 상기 위상 변조기(9)의 입력 신호를 변조시키는 데 사용되는 기준파(ω_i)를 공급하는 것을 특징으로 하는, 다중-모드 광섬유 자이로스코프.
13. 제 12 항에 있어서, 상기 위상 변조기(9)는 다중-모드 광섬유의 길이로 둘러싸인 압전 물질의 튜브(tube)인 것을 특징으로 하는, 다중-모드 광섬유 자이로스코프.
14. 제 12 항에 있어서, 상기 위상 변조기(9)는 압전 물질의 외부 코팅을 갖춘 다중-모드 광섬유의 일부분인 것을 특징으로 하는, 다중-모드 광섬유 자이로스코프.
15. 제 12 항에 있어서, 상기 위상 변조기(9)는 휘기 쉬운 압전 물질 도관(flexible piezoelectric capillary)에 삽입되는 다중-모드 섬유인 것을 특징으로 하는, 다중-모드 광섬유 자이로스코프(multimode fiber optic gyrometer).
16. 제 12 항에 있어서, 상기 위상 변조기(9)는 그라이버 사진 처리(photogravure treatment)나 화학적 처리(chemical treatment)에 의하여 얻은 섬유의 일부분 위의 주기적 표시물(periodic marking)인 것을 특징으로 하는, 다중-모드 광섬유 자이로스코프.
17. 제 1 항에 있어서, 변조 신호(ω_i)가 동기 복조기에 기준 신호로 공급되는 것을 특징으로 하는, 다중-모드 광섬유 자이로스코프.
18. 제 1 항에 있어서, 상기 광학 디텍터의 검출 회로(detection circuit)는 동기 복조기(12)와, 광학 신호의 연속 인코히어런트 성분 V_dc를 선택하는 대역 통과 필터(15)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 다중-모드 광섬유 자이로스코프.
19. 제 18 항에 있어서, 대수 관계 S=V₁/V_dc를 확립하기 위하여 대역 통과 필터(15)로부터 V_dc를, 그리고 동기 복조기(12)로부터 V₁을 수신하는 디바이터(17)(divider)를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는, 다중-모드 광섬유 자이로스코프.
20. 제 12 항에 있어서, 위상 변조 수단(9)에 입력되는 신호의 변조 주파수보다 낮은 변조 주파수 f 로 광원(2)이 진폭 변조되고, 사각형 이중 동기 복조기가 광학 신호의 연속 인코히어런트 성분 V_dc를 검출하는 것을 특징으로 하는, 다중-모드 광섬유 자이로스코프.
21. 제 1 항에 있어서, n 개의 코일(B₁, ... , B_n)과, 2 x 2n 접근 포인트를 갖춘 스타 커플러(star coupler)(18)를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는, 다중-모드 광섬유 자이로스코프.
22. 제 1 항에 있어서, 상기 광원(2)과 상기 디텍터(6)는 단일 개별 X 커플러를 통해 각각의 코일(B₁, ... , B_n)에 각각 연결되는 것을 특징으로 하는, 다중-모드 광섬유 자이로스코프.
23. 제 1 항에 있어서, 스위치(24)에 의하여 코일(B₁, B₂, B₃)에 연결된 단일 사인파 발진기(OSC)와 단일 동기 복조기(25)를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는, 다중-모드 광섬유 자이로스코프(multimode fiber optic gyrometer).
24. 제 1 항에 있어서, 두 개의 서로 다른 중앙 파 길이(central wave length)로써 작동하는 것을 특징으로 하는, 다중-모드 광섬유 자이로스코프.
25. 제 1 항에 있어서, 자이로스코프의 전체 신호에 대한 불안정한 주기의 기여분을 제한할 목적으로 비율 L_cf/L이 감소하며, 이때, L_cf는 광섬유의 코히어런스 길이고, L은 광섬유의 전체 길이인 것을 특징으로 하는, 다중-모드 광섬유 자이로스코프.