KR101069244B1 - 오차 교정을 이용한 광섬유 자이로스코프의 위상변조 안정화 방법 및 광섬유 자이로스코프 - Google Patents

오차 교정을 이용한 광섬유 자이로스코프의 위상변조 안정화 방법 및 광섬유 자이로스코프 Download PDF

Info

Publication number
KR101069244B1
KR101069244B1 KR1020090037802A KR20090037802A KR101069244B1 KR 101069244 B1 KR101069244 B1 KR 101069244B1 KR 1020090037802 A KR1020090037802 A KR 1020090037802A KR 20090037802 A KR20090037802 A KR 20090037802A KR 101069244 B1 KR101069244 B1 KR 101069244B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
light
phase
difference
signals
output
Prior art date
Application number
KR1020090037802A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20100118872A (ko
Inventor
정경호
도재철
조민식
최우석
Original Assignee
국방과학연구소
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 국방과학연구소 filed Critical 국방과학연구소
Priority to KR1020090037802A priority Critical patent/KR101069244B1/ko
Publication of KR20100118872A publication Critical patent/KR20100118872A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101069244B1 publication Critical patent/KR101069244B1/ko

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C19/00—Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
    • G01C19/58—Turn-sensitive devices without moving masses
    • G01C19/64—Gyrometers using the Sagnac effect, i.e. rotation-induced shifts between counter-rotating electromagnetic beams
    • G01C19/72—Gyrometers using the Sagnac effect, i.e. rotation-induced shifts between counter-rotating electromagnetic beams with counter-rotating light beams in a passive ring, e.g. fibre laser gyrometers
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C19/00—Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
    • G01C19/56—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C19/00—Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
    • G01C19/58—Turn-sensitive devices without moving masses
    • G01C19/64—Gyrometers using the Sagnac effect, i.e. rotation-induced shifts between counter-rotating electromagnetic beams
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/05—Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Gyroscopes (AREA)

Abstract

본 발명은 광섬유 자이로스코프의 위상변조 방법 및 광섬유 자이로스코프에 관한 것으로, 광섬유 자이로스코프의 위상변조 방법은 광원에서 발생한 광이 제1 및 제2 위상구간에서 위상이 변조되도록 상기 광에 위상변조 신호를 가하는 단계와, 상기 광을 분리하고 상기 분리된 광이 자이로스코프의 회전에 의하여 발생하는 위상차를 가지도록 서로 다른 방향으로 각각 진행시키는 단계와, 상기 각각 진행된 광을 결합하고 상기 결합된 광을 광 신호들로 변환하는 단계와, 상기 광 신호들로부터 상기 제1 및 제2 위상구간에 각각 대응하는 제1 및 제2 출력 평균값을 산출하는 단계, 및 상기 제1 및 제2 출력 평균값의 차이를 이용하여 상기 위상변조 신호의 위상변조진폭을 교정하는 단계를 포함한다. 이를 통하여 본 발명은 광섬유 자이로스코프에서 위상변조진폭을 안정화한다.
광섬유, 자이로스코프, 위상변조진폭

Description

오차 교정을 이용한 광섬유 자이로스코프의 위상변조 안정화 방법 및 광섬유 자이로스코프{PHASE MODULATION STABILIZATION METHOD OF FIBER OPTIC GYROSCOPE USING CORRECTING ERROR AND FIBER OPTIC GYROSCOPE}
본 발명은 집적광학소자를 통하여 도파하는 광의 위상이 변조되는 광섬유 자이로스코프의 위상변조 안정화 방법에 관한 것이다.
자이로스코프는 물체의 회전을 측정하는 장치로서, 비행기의 관성 항법장치 등에 사용되는 중요한 센서이다. 자이로스코프에는 기계식 자이로스코프, 고리형 레이저 자이로스코프 및 광섬유 자이로스코프 등이 있으며, 안정도, 내구성 및 빠른 기동 시간 등에서 큰 이점을 가지는 광섬유 자이로스코프에 대한 연구 및 개발이 활발히 진행되고 있다.
최근에는 보다 정밀도가 높은 광섬유 자이로스코프로 만들기 위하여 집적광학소자(Integrated Optic Circuit)를 통하여 광섬유를 도파하는 광의 위상을 변조하는 신호처리 기법들도 연구되고 있다.
집적광학소자(Integrated Optic Circuit)의 위상변조진폭(Phase modulation amplitude)은 온도에 따라 변하는 변수이며 약 400ppm/℃의 온도변화율을 갖는다. 따라서, 광섬유 자이로스코프의 주변 온도의 변화에 따른 위상변조진폭의 오차를 교정할 수 있는 방법이 고려될 수 있다.
본 발명의 일 목적은 광섬유 자이로스코프의 위상변조진폭을 안정화하는 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 다른 일 목적은 보다 정밀도가 높은 광섬유 자이로스코프를 제공하기 위한 것이다.
이와 같은 본 발명의 일 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따르는 광섬유 자이로스코프의 위상변조 방법은, 광원에서 발생한 광이 제1 및 제2 위상구간에서 위상이 변조되도록 상기 광에 위상변조 신호를 가하는 단계와, 상기 광을 분리하고 상기 분리된 광이 자이로스코프의 회전에 의하여 발생하는 위상차를 가지도록 서로 다른 방향으로 각각 진행시키는 단계와, 상기 각각 진행된 광을 결합하고 상기 결합된 광을 광 신호들로 변환하는 단계와, 상기 광 신호들로부터 상기 제1 및 제2 위상구간에 각각 대응하는 제1 및 제2 출력 평균값을 산출하는 단계, 및 상기 제1 및 제2 출력 평균값의 차이를 이용하여 상기 위상변조 신호의 위상변조진폭을 교정하는 단계를 포함한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 산출 단계는 검출 단계 및 계산 단계를 포함한다. 검출 단계는 상기 광 신호들 중 상기 위상차에 의하여 변조된 신호의 개수를 상기 제1 및 제2 위상구간에서 각각 검출한다. 계산 단계는 상기 변조된 신호의 개 수를 이용하여 상기 제1 및 제2 출력 평균값을 계산한다. 계산 단계는 상기 변조된 신호의 개수가 짝수이면, 상기 변조된 신호의 출력값들의 합을 이용하여 상기 제1 및 제2 출력 평균값을 계산한다. 계산 단계는 상기 변조된 신호의 개수가 홀수이면, 상기 변조된 신호의 어느 출력값과 다른 출력값들의 합 및 차를 이용하여, 상기 제1 및 제2 출력 평균값을 계산한다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 광 신호들은 사각파를 형성한다. 상기 제1 및 제2 위상구간의 위상은 각각 ±π/2 및 ±3π/2 가 될 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 상기 교정 단계는 상기 제1 및 제2 출력 평균값의 차이를 이용하여, 상기 광에 상기 위상변조 신호를 가하는 집적광학소자의 전압을 조절한다.
또한 상기한 과제를 실현하기 위하여 본 발명은 광섬유 자이로스코프를 개시한다. 광섬유 자이로스코프는 광을 발생하는 광원과, 상기 광원과 연결되고 상기 광이 제1 및 제2 위상구간에서 위상이 변조되도록 상기 광에 위상변조 신호를 가하며 상기 광을 분리하는 집적광학소자와, 상기 분리된 광이 자이로스코프의 회전에 의하여 서로에 대한 위상차를 가지며 상기 집적광학소자에서 만나도록, 상기 집적광학소자와 복수의 지점에서 연결되는 광섬유가 감겨서 형성되는 광섬유 고리와, 상기 집적광학소자에서 만난 광들을 결합하는 광 결합기와, 상기 결합된 광을 광 신호들로 변환하는 변환 장치, 및 상기 광 신호들로부터 상기 제1 및 제2 위상구간에 각각 대응하는 제1 및 제2 출력 평균값을 산출하며 상기 제1 및 제2 출력 평균값의 차이를 이용하여 상기 위상변조 신호의 위상변조진폭을 교정하는 교정 장치를 포함한다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 변환 장치는 광 검출기 및 디지털 변환기를 포함한다. 광 검출기는 상기 집적광학소자와 연결되고, 상기 결합된 광을 상기 광 신호들로 변환한다. 디지털 변환기는 상기 광 신호들을 디지털 신호로 변환한다. 교정 장치는 변조진폭교정기, 펄스 폭 변조(PWM) 발생기 및 아날로그 변환기를 포함한다. 변조진폭 교정기는 상기 디지털 변환기와 연결되고, 상기 디지털 신호로부터 상기 제1 및 제2 출력 평균값의 차이를 산출하고, 상기 차이로부터 진폭오차를 계산한다. PWM 발생기는 상기 변조진폭 교정기와 연결되어 상기 진폭오차를 펄스로 변환한다. 아날로그 변환기는 상기 펄스를 이용하여 상기 집적광학소자의 전압을 제어한다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 교정 장치는 상기 광 신호들 중 상기 위상차에 의하여 변조된 신호의 개수를 상기 제1 및 제2 위상구간에서 각각 검출하고, 상기 변조된 신호의 개수를 이용하여 상기 제1 및 제2 출력 평균값을 계산한다. 교정 장치는 상기 변조된 신호의 개수가 짝수이면, 상기 변조된 신호의 출력값들의 합을 이용하여 상기 제1 및 제2 출력 평균값을 계산한다. 교정 장치는 상기 변조된 신호의 개수가 홀수이면, 상기 변조된 신호의 어느 출력값과 다른 출력값들의 합 및 차를 이용하여, 상기 제1 및 제2 출력 평균값을 계산한다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 광섬유 자이로스코프는 광을 발생하는 광원과, 상기 광원과 연결되고 제1 및 제2 위상구간에서 상기 광의 위상을 변조시키며, 상기 광을 분리하는 집적광학소자와, 상기 집적광학소자로부터 상기 분리된 광 을 수신하고 자이로스코프의 회전에 의하여 위상차를 가지도록 상기 분리된 광을 서로 다른 방향으로 진행시키고 상기 분리된 광이 결합되도록 상기 분리된 광을 상기 집적광학소자로 송신하는 광섬유 고리와, 상기 결합된 광을 광 신호들로 변환하고 상기 광 신호들을 디지털 신호로 변환하는 변환 장치와, 상기 디지털 신호로부터 회전 정보를 산출하고 상기 회전 정보를 이용하여 상기 집적광학소자를 제어하는 제어 신호를 생성하는 디지털 로직 장치와, 상기 제어 신호를 전압으로 변환하여 상기 집적광학소자에 공급하는 아날로그 변환기, 및 상기 광 신호들로부터 상기 제1 및 제2 위상구간에 각각 대응하는 제1 및 제2 출력 평균값을 산출하며 상기 제1 및 제2 출력 평균값의 차이를 이용하여 상기 전압을 교정하는 교정 장치를 포함한다.
상기와 같이 구성되는 본 발명에 관련된 광섬유 자이로스코프의 위상변조 방법 및 광섬유 자이로스코프는 제1 및 제2 출력 평균값의 차이를 이용하여 위상변조진폭을 교정하므로, 자이로스코프의 회전에 의한 광 신호의 변조 발생과 관계없이 위상변조진폭 오차를 측정할 수 있다. 또한 이를 통하여 집적광학소자의 위상변조진폭이 안정화될 수 있다.
또한 본 발명은 변조가 발생한 광 신호의 개수가 짝수 및 홀수인 경우를 나누어 제1 및 제2 출력 평균값을 산출하므로, 위상변조진폭 오차를 보다 정확하게 검출할 수 있다.
이하, 본 발명에 관련된 광섬유 자이로스코프의 위상변조 방법 및 광섬유 자이로스코프에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 본 명세서에서는 서로 다른 실시예라도 동일·유사한 구성에 대해서는 동일·유사한 참조번호를 부여하고, 그 설명은 처음 설명으로 갈음한다. 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따르는 광섬유 자이로스코프(100)의 블록 다이어그램이고, 도 2는 위상변조 신호에 의한 광섬유 간섭계의 광검출기 출력을 나타내는 그래프이며, 도 3a 및 도 3b는 각각 위상변조 신호 및 세로다인 신호의 출력파형을 나타내는 그래프이다.
도 1을 참조하면, 광섬유 자이로스코프(100)는 광을 발생하는 광원(101, fiber source)을 포함한다. 광원(101)에서 발생한 광은 광섬유(102)를 도파하여, 집적광학소자(103, intergrated optic circuit)로 입사한다.
집적광학소자(103)는 광원(101)과 연결되고, 광이 제1 및 제2 위상구간에서 상기 광의 위상을 변조시키도록 형성된다. 집적광학소자(103)는 광의 위상이 변조되도록 광에 위상변조 신호를 가하도록 형성된다. 이를 위하여 집적광학소자(103)에는 위상변조기(phase modulator)가 구비될 수 있다.
집적광학소자(103)는 상기 광을 두 갈래로 분리하고, 광섬유 고리(104, fiber spool)와 연결된다.
광섬유 고리(104)는 집적광학소자(103)로부터 상기 분리된 광을 수신하고, 자이로스코프(100)의 회전에 의하여 위상차를 가지도록 상기 분리된 광을 서로 다른 방향으로 진행시키고, 상기 분리된 광이 결합되도록 상기 분리된 광을 상기 집적광학소자(103)로 송신한다.
광섬유 고리(104)는 광섬유(102)가 감겨서 형성된다. 광섬유 고리(104)는 상기 분리된 광이 자이로스코프(100)의 회전에 의하여 서로에 대한 위상차를 가지며 상기 집적광학소자(103)에서 만나도록, 상기 집적광학소자(103)와 복수의 지점에서 연결된다.
본 도면을 참조하면, 두 갈래로 분리된 광 중 어느 하나는 광섬유 고리(104)에서 시계 방향으로 회전하고, 다른 하나는 반시계 방향으로 회전한다. 서로 다른 방향으로 진행한 광들은 상기 집적광학소자(103)에서 만나 광 결합기(105, coupler)로 입사한다.
광 결합기(105)는 광원(101) 및 집적광학소자(103)의 사이에 배치될 수 있으며, 상기 집적광학소자(103)에서 만난 광들을 결합한다. 상기 결합된 광은 변환 장치(110)에서 광 신호들로 변환한다.
변환 장치(110)는 광 검출기(111, photo detector) 및 디지털 변환기(112, A/D converter)를 포함한다.
광 검출기(111)는 상기 집적광학소자(103)와 연결되고, 상기 결합된 광을 광 신호들로 변환한다. 상기 광 신호는 전류 또는 전압 신호가 될 수 있다.
광 검출기(111)에 나타난 신호의 일 예를 도 2를 참조하여 설명한다. 도 2는 위상변조기에 위상이 ±π/2인 위상변조 신호를 인가하였을 때 광섬유 간섭계를 통과하여 광 검출기(111)에 나타난 신호를 나타낸다. 광 검출기(111)에 나타난 신호는 위상변화에 코사인 응답을 하고 있으며 ±π/2의 위상이 인가되었을 때 가장 민감하게 반응한다. 따라서, 자이로스코프(100)는 이 지점을 기준으로 동작한다.
다시 도 1을 참조하면, 디지털 변환기(112)는 상기 광 신호들을 디지털 신호로 변환한다.
광 검출기(111) 및 디지털 변환기(112)의 사이에는 증폭기(113a, AMP)가 배치될 수 있다. 예를 들어, 광 검출기(111)에서 광이 전류로 변환되고, 전류는 증폭기(113a)를 거쳐서 전압으로 변환될 수 있다.
광섬유 자이로스코프(100)는 교정 장치(120)를 포함한다. 교정 장치(120)는 광 신호들로부터 제1 및 제2 위상구간에 각각 대응하는 제1 및 제2 출력 평균값을 산출하며, 상기 제1 및 제2 출력 평균값의 차이를 이용하여 집적광학소자(103)에서 발생하는 위상변조 신호의 위상변조진폭을 교정한다.
교정 장치(120)는 변조진폭 교정기(121, modulation amplitude error corrector), 펄스 폭 변조 발생기(122, PWM generator) 및 아날로그 변환기(123, D/A converter)를 포함한다.
변조진폭 교정기(121)는 상기 디지털 변환기(112)와 연결되고, 상기 디지털 신호로부터 제1 및 제2 출력 평균값의 차이를 산출하고, 상기 차이로부터 진폭오차를 계산한다.
PWM 발생기(122)는 상기 변조진폭 교정기(121)와 연결되어 상기 진폭오차를 펄스로 변환한다. 상기 펄스는 디지털 펄스가 될 수 있다. 예를 들어, 상기 진폭오차와 상기 펄스의 폭을 매칭시켜 진폭오차가 클수록 펄스의 폭을 증가시킨다.
아날로그 변환기(123)은 상기 펄스를 이용하여 상기 집적광학소자(103)의 전압을 제어한다. 예를 들어, 상기 펄스의 폭에 비례하도록 상기 전압을 제어한다. PWM 발생기(122)와 아날로그 변환기(123)의 사이에는 이득 조절기(124, gain scaler)가 배치될 수 있다.
만약 온도에 따라 집적광학소자(103)의 위상변조진폭이 변하면, 집적광학소자(103)는 보다 큰 전압을 필요로 하게 된다. 이 때 진폭오차가 반영된 펄스에 의하여 아날로그 변환기(123)의 기준전압이 변하고, 집적광학소자(103)의 위상변조기에는 기준보다 큰 전압이 인가된다.
광섬유 자이로스코프(100)는 디지털 로직 장치(140, digtal logic circuit)를 포함할 수 있다. 디지털 로직 장치(140)는 디지털 제어를 수행한다.
디지털 로직 장치(140)는 상기 교정 장치(120) 및 회전오차 제어장치(130)로 이루어질 수 있다. 회전오차 제어장치(130)는 디지털 변환기(112)와 연결되어, 상기 디지털 신호로부터 회전 정보를 산출하고, 상기 회전 정보를 이용하여 집적광학소자(103)를 제어하는 제어 신호를 생성한다.
본 도면을 참조하면, 회전오차 제어장치(130)는 광섬유 고리(104)에서 발생한 사낙 위상차(Sagnac Phase Difference)를 이용하여 회전 정보를 디지털 신호로 변환한다.
회전정보는 디더 발생기(132, dither generator)로부터 출력된 디더값을 더 하여 적분기(133, integrator)로 입력된다. 디더 발생기(132)는 자이로스코프에 주기적으로 임의의 회전정보를 전달한다. 적분기(133)는 회전정보를 위상변조기로 피드백 할 때 제어루프의 오차를 줄여준다.
디지털 로직 장치(140)는 세로다인 발생기(134, serrodyne generator)를 포함한다. 세로다인 발생기(134)는 적분기(133)의 출력을 이용하여 광섬유 고리(104)의 이동시간(Teigen)마다 누적된 계단파 신호(S1, 도 3a)를 만든다. 계단파 신호(S1)의 기울기는 회전값의 크기에 비례한다.
디지털 로직 장치(140)는 사각파 발생기(135, square-wave generator)를 포함한다. 사각파 발생기(135)는 계단파 신호(S)에 ±π/2의 위상차를 더하도록 형성된다.
이하, 도 3a 및 도 3b를 참조하여 사각파 발생기(135) 및 세로다인 발생기(134)의 출력 신호에 대하여 설명한다.
도 3a는 ± Vbias의 전압과 Teigen의 주파수를 갖는 사각파 발생기(135)의 출력신호를 나타낸다. ± Vbias는 ±π/2의 위상차에 해당하는 전압이며 Teigen은 광섬유 고리(103)에서 발생하는 시간지연을 나타낸다.
도 3b는 Vstep의 크기마다 누적된 계단파를 갖는 세로다인 발생기(135)의 출력신호를 나타낸다. Vstep은 회전값에 해당하는 전압이며 Vreset은 2π의 위상차에 해당하는 전압이다.
계단파가 계속 누적되어 전압 한계치인 V2πLimit에 도달하면 Vreset마다 리셋되어 일정한 기울기를 갖는 계단파를 형성한다.
사각파 발생기(135) 및 세로다인 발생기(134)가 더하여져 나온 신호가 계단파 신호(S2, 도 5a 참조)를 형성한다. 계단파 신호(S2)는 디지털 로직 장치(140)에서 발생하는 집적광학소자(103)의 제어 신호가 될 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 상기 계단파 신호(S2)는 아날로그 변환기(123) 및 증폭기(113b)를 통하여 전압으로 변환되어 집적광학소자(103)에 공급된다.
교정 장치(120)는 제1 및 제2 출력 평균값의 차이를 이용하여 상기 전압을 교정하도록 형성될 수 있다.
교정 장치(120)는 광 신호들 중 변조된 신호의 개수를 제1 및 제2 위상구간에서 각각 검출하고, 변조된 신호의 개수를 이용하여 제1 및 제2 출력 평균값을 계산한다. 광 신호들 중 변조된 신호는 분리된 광이 다시 결합할 때 자이로스코프(100)의 회전에 의하여 발생하는 광의 위상차에 의하여 나타난다.
교정 장치(120)는 변조된 신호의 개수가 짝수이면, 변조된 신호의 출력값들의 합을 이용하여 상기 제1 및 제2 출력 평균값을 계산하고, 변조된 신호의 개수가 홀수이면, 변조된 신호의 어느 출력값과 다른 출력값들의 합 및 차를 이용하여, 상기 제1 및 제2 출력 평균값을 계산한다.
이하, 상기 광섬유 자이로스코프를 구현할 수 있는 광섬유 자이로스코프의 위상변조 방법에 대하여 설명한다.
도 4는 본 발명과 관련한 광섬유 자이로스코프의 위상변조 방법을 나타내는 흐름도이고, 도 5a는 사각파 발생기(135) 및 세로다인 발생기(134)의 출력이 더해진 출력신호를 나타내는 그래프이고, 도 5b는 도 5a의 출력신호에 대응하는 광 검 출기(111, 이상 도 1 참조)의 출력을 나타내는 그래프이며, 도 6은 출력 평균값을 계산하고, 위상변조진폭을 교정하는 흐름도를 나타낸다.
도 4를 참조하면, 광섬유 자이로스코프의 위상변조 방법은, 먼저 광원에서 발생한 광이 제1 및 제2 위상구간에서 위상이 변조되도록 상기 광에 위상변조 신호를 가한다(S100).
위상변조 신호는 집적광학소자(103, 도 1 참조)에 구비된 위상변조기에 의하여 광에 가해질 수 있다. 제1 및 제2 위상구간의 위상은, 예를 들어 각각 ±π/2 및 ±3π/2가 될 수 있다.
다음은, 광을 분리하고, 상기 분리된 광이 자이로스코프의 회전에 의하여 발생하는 위상차를 가지도록 서로 다른 방향으로 각각 진행시킨다(S200).
예를 들어, 광의 분리는 집적광학소자(103)을 통하여 일으킬 수 있으며, 분리된 광은 광섬유 고리(104, 도 1 참조)에 의하여 시계 방향 및 반시계 방향으로 각각 회전할 수 있다.
다음은, 상기 각각 진행된 광을 결합하고, 상기 결합된 광을 광 신호들로 변환한다(S300). 광의 결합은, 예를 들어 서로 다른 방향으로 진행한 광들을 결합하는 광 결합기(105, 도 1 참조)에 의하여 이루어질 수 있다.
상기 변환되는 광 신호는 전류 또는 전압 신호가 될 수 있으며, 광 검출기(111, 도 1 참조)에 의하여 변환될 수 있다.
다음은, 상기 광 신호들로부터 상기 제1 및 제2 위상구간에 각각 대응하는 제1 및 제2 출력 평균값을 산출하고(S400), 상기 제1 및 제2 출력 평균값의 차이를 이용하여 상기 위상변조 신호의 위상변조진폭을 교정한다(S500).
산출 단계(S400) 상기 광 신호들 중 상기 위상차에 의하여 변조된 신호의 개수를 상기 제1 및 제2 위상구간에서 각각 검출하고(S410), 상기 변조된 신호의 개수를 이용하여 상기 제1 및 제2 출력 평균값을 계산한다(S420).
교정 단계(S500)는 제1 및 제2 출력 평균값의 차이를 이용하여, 상기 광에 상기 위상변조 신호를 가하는 집적광학소자의 전압을 조절할 수 있다.
도 5a를 참조하면, 사각파 발생기(135) 및 세로다인 발생기(134, 이상 도 1 참조)가 더하여져 나온 신호가 계단파 신호(S2)를 형성한다.
계단파 신호(S2)는 자이로스코프에 디더 신호가 인가되었을때의 출력신호와 동일할 수 있다. 만약 변조진폭오차(Modulation Amplitude Error)가 존재한다면, 계단파 신호(S2)은 Vreset이 발생한 시점의 전후에 오차를 가지게 된다. 위상변조진폭 오차 값은 Vreset전후 값들의 평균을 계산하면 얻을 수 있다.
도 5b를 참조하면, 자이로스코프에서 분리후 다시 결합된 광은 사각파를 이루는 광 신호들로 변환될 수 있다.
사각파는 평균(T)을 중심으로 그 보다 큰 값(T+A)과 작은 값(T-A)을 갖게 된다. 위상변조진폭오차는 ±π/2 구간에서의 평균값과 ±3π/2 구간에서의 평균값의 오차로부터 구해진다.
평균값은 광 신호의 개수가 홀수 또는 짝수인 경우에 다른 방법으로 계산된다.
상기 변조된 신호의 개수가 짝수이면, 상기 변조된 신호의 출력값들의 합을 이용하여 상기 제1 및 제2 출력 평균값을 계산한다. 예를 들어, ±π/2 및 ±3π/2 구간에서 출력값들의 합을 각각 구하고, 각각의 합을 각 위상 구간내의 광 신호들의 개수로 나누어 평균값을 얻는다.
상기 변조된 신호의 개수가 홀수이면, 상기 변조된 신호의 어느 출력값과 다른 출력값들의 합 및 차를 이용하여, 상기 제1 및 제2 출력 평균값을 계산한다.
예를 들어, 첫번째 출력값으로부터 누적합과 첫번째 출력값에서 나머지 출력값들을 뺀 누적차를 각각 구하고, 상기 누적합과 누적차의 차이로부터 출력 평균값을 계산한다.
이하, 도 6을 참조하여, 출력 평균값을 계산하는 방법에 대하여 설명한다.
±π/2 영역에서의 개수는 n, 합은 Sπ/2 , 차는 Uπ/2, 평균값은 T1이라하고, ±3π/2 영역에서의 개수는 m, 합은 S3π/2 , 차는 U3π/2, 평균값은 T2라고 가정한다.
상기 각 변수들은 다음과 같이 계산된다.
Figure 112009026182035-pat00001
Figure 112009026182035-pat00002
Figure 112009026182035-pat00003
여기에서, Sπ/2, Uπ/2은 증폭기 출력으로부터 구해지는 값이며, ±π/2에서 n 이 짝수일때와 홀수일때의 평균값(T1)은 다음과 같이 구할 수 있다.
Figure 112009026182035-pat00004
Figure 112009026182035-pat00005
마찬가지로 S3π/2, U3π/2를 계산하여 ±3π/2에서 m이 짝수일때와 홀수일때의 평균값(T2)은 다음과 같이 구할 수 있다.
Figure 112009026182035-pat00006
Figure 112009026182035-pat00007
이제 위상변조진폭 오차는 T1-T2를 계산하면 얻을 수 있다.
상기와 같이, 짝수인 경우는 합을 구하여 n 또는 m으로 나누어주고, 홀수인 경우는 합-차를 구하여 2n-2 또는 2m-2로 나누어주면, 각 위상구간에서 출력 광 신호의 개수가 홀수 및 짝수인지 여부와 관계없이 정확한 변조진폭오차를 계산할 수 있다.
상기와 같은 광섬유 자이로스코프의 위상변조 방법 및 광섬유 자이로스코프은 위에서 설명된 실시예들의 구성과 방법에 한정되는 것이 아니라, 상기 실시예들 은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따르는 광섬유 자이로스코프의 블록 다이어그램.
도 2는 위상변조 신호에 의한 광섬유 간섭계의 광검출기 출력을 나타내는 그래프.
도 3a 및 도 3b는 각각 위상변조 신호 및 세로다인 신호의 출력파형을 나타내는 그래프.
도 4는 본 발명과 관련한 광섬유 자이로스코프의 위상변조 방법을 나타내는 흐름도.
도 5a는 사각파 발생기 및 세로다인 발생기의 출력이 더해진 출력신호를 나타내는 그래프.
도 5b는 도 5a의 출력신호에 대응하는 광 검출기의 출력을 나타내는 그래프.
도 6은 출력 평균값을 계산하고 위상변조진폭을 교정하는 흐름도.

Claims (12)

  1. 광원에서 발생한 광이 제1 및 제2 위상구간에서 위상이 변조되도록 상기 광에 위상변조 신호를 가하는 단계;
    상기 광을 분리하고, 상기 분리된 광이 자이로스코프의 회전에 의하여 발생하는 위상차를 가지도록 서로 다른 방향으로 각각 진행시키는 단계;
    상기 각각 진행된 광을 결합하고, 상기 결합된 광을 광 신호들로 변환하는 단계;
    상기 광 신호들로부터 상기 제1 및 제2 위상구간에 각각 대응하는 제1 및 제2 출력 평균값을 산출하는 단계; 및
    상기 제1 및 제2 출력 평균값의 차이를 이용하여 상기 위상변조 신호의 위상변조진폭을 교정하는 단계를 포함하는 광섬유 자이로스코프의 위상변조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 산출 단계는,
    상기 광 신호들 중 상기 위상차에 의하여 변조된 신호의 개수를 상기 제1 및 제2 위상구간에서 각각 검출하는 단계; 및
    상기 변조된 신호의 개수를 이용하여 상기 제1 및 제2 출력 평균값을 계산하는 단계를 포함하는 광섬유 자이로스코프의 위상변조 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 계산 단계는,
    상기 변조된 신호의 개수가 짝수이면, 상기 변조된 신호의 출력값들의 합을 상기 변조된 신호의 개수로 나누어 상기 제1 및 제2 출력 평균값을 계산하고,
    상기 변조된 신호의 개수가 홀수이면, 상기 변조된 신호의 어느 출력값으로부터 누적합과 상기 어느 출력값에서 나머지 출력값들을 뺀 누적차를 각각 구하고, 상기 누적합과 누적차의 차이를 이용하여 상기 제1 및 제2 출력 평균값을 계산하는 단계인 광섬유 자이로스코프의 위상변조 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 광 신호들은 사각파를 형성하는 것을 특징으로 하는 광섬유 자이로스코프의 위상변조 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 교정 단계는,
    상기 제1 및 제2 출력 평균값의 차이를 이용하여, 상기 광에 상기 위상변조 신호를 가하는 집적광학소자의 전압을 조절하는 단계인 광섬유 자이로스코프의 위상변조 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 위상구간의 위상은 각각 ±π/2 및 ±3π/2 인 것을 특징으 로 하는 광섬유 자이로스코프의 위상변조 방법.
  7. 광을 발생하는 광원;
    상기 광원과 연결되고, 상기 광이 제1 및 제2 위상구간에서 위상이 변조되도록 상기 광에 위상변조 신호를 가하며, 상기 광을 분리하는 집적광학소자;
    상기 분리된 광이 자이로스코프의 회전에 의하여 서로에 대한 위상차를 가지며 상기 집적광학소자에서 만나도록, 상기 집적광학소자와 복수의 지점에서 연결되는 광섬유가 감겨서 형성되는 광섬유 고리;
    상기 집적광학소자에서 만난 광들을 결합하는 광 결합기;
    상기 결합된 광을 광 신호들로 변환하는 변환 장치; 및
    상기 광 신호들로부터 상기 제1 및 제2 위상구간에 각각 대응하는 제1 및 제2 출력 평균값을 산출하며, 상기 제1 및 제2 출력 평균값의 차이를 이용하여 상기 위상변조 신호의 위상변조진폭을 교정하는 교정 장치를 포함하는 광섬유 자이로스코프.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 변환 장치는,
    상기 집적광학소자와 연결되고, 상기 결합된 광을 상기 광 신호들로 변환하는 광 검출기;
    상기 광 신호들을 디지털 신호로 변환하는 디지털 변환기를 포함하는 광섬유 자이로스코프.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 교정 장치는,
    상기 디지털 변환기와 연결되고, 상기 디지털 신호로부터 상기 제1 및 제2 출력 평균값의 차이를 산출하고, 상기 차이로부터 진폭오차를 계산하는 변조진폭 교정기;
    상기 변조진폭 교정기와 연결되어 상기 진폭오차를 펄스로 변환하는 펄스 폭 변조(PWM) 발생기; 및
    상기 펄스를 이용하여 상기 집적광학소자의 전압을 제어하는 아날로그 변환기를 포함하는 광섬유 자이로스코프.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 교정 장치는,
    상기 광 신호들 중 상기 위상차에 의하여 변조된 신호의 개수를 상기 제1 및 제2 위상구간에서 각각 검출하고, 상기 변조된 신호의 개수를 이용하여 상기 제1 및 제2 출력 평균값을 계산하는 것을 특징으로 하는 광섬유 자이로스코프.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 교정 장치는,
    상기 변조된 신호의 개수가 짝수이면, 상기 변조된 신호의 출력값들의 합을 상기 변조된 신호의 개수로 나누어 상기 제1 및 제2 출력 평균값을 계산하고,
    상기 변조된 신호의 개수가 홀수이면, 상기 변조된 신호의 어느 출력값으로부터 누적합과 상기 어느 출력값에서 나머지 출력값들을 뺀 누적차를 각각 구하고, 상기 누적합과 누적차의 차이를 이용하여 상기 제1 및 제2 출력 평균값을 계산하는 것을 특징으로 하는 광섬유 자이로스코프.
  12. 광을 발생하는 광원;
    상기 광원과 연결되고, 제1 및 제2 위상구간에서 상기 광의 위상을 변조시키며, 상기 광을 분리하는 집적광학소자;
    상기 집적광학소자로부터 상기 분리된 광을 수신하고, 자이로스코프의 회전에 의하여 위상차를 가지도록 상기 분리된 광을 서로 다른 방향으로 진행시키고, 상기 분리된 광이 결합되도록 상기 분리된 광을 상기 집적광학소자로 송신하는 광섬유 고리;
    상기 결합된 광을 광 신호들로 변환하고, 상기 광 신호들을 디지털 신호로 변환하는 변환 장치;
    상기 디지털 신호로부터 회전 정보를 산출하고, 상기 회전 정보를 이용하여 상기 집적광학소자를 제어하는 제어 신호를 생성하는 디지털 로직 장치;
    상기 제어 신호를 전압으로 변환하여 상기 집적광학소자에 공급하는 아날로그 변환기; 및
    상기 광 신호들로부터 상기 제1 및 제2 위상구간에 각각 대응하는 제1 및 제 2 출력 평균값을 산출하며, 상기 제1 및 제2 출력 평균값의 차이를 이용하여 상기 전압을 교정하는 교정 장치를 포함하는 광섬유 자이로스코프.
KR1020090037802A 2009-04-29 2009-04-29 오차 교정을 이용한 광섬유 자이로스코프의 위상변조 안정화 방법 및 광섬유 자이로스코프 KR101069244B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020090037802A KR101069244B1 (ko) 2009-04-29 2009-04-29 오차 교정을 이용한 광섬유 자이로스코프의 위상변조 안정화 방법 및 광섬유 자이로스코프

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020090037802A KR101069244B1 (ko) 2009-04-29 2009-04-29 오차 교정을 이용한 광섬유 자이로스코프의 위상변조 안정화 방법 및 광섬유 자이로스코프

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20100118872A KR20100118872A (ko) 2010-11-08
KR101069244B1 true KR101069244B1 (ko) 2011-10-04

Family

ID=43405053

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020090037802A KR101069244B1 (ko) 2009-04-29 2009-04-29 오차 교정을 이용한 광섬유 자이로스코프의 위상변조 안정화 방법 및 광섬유 자이로스코프

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101069244B1 (ko)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101491887B1 (ko) 2012-12-31 2015-02-23 한국항공우주연구원 물리량을 측정하는 시스템의 디더 제거 장치 및 방법
KR20160006815A (ko) 2014-07-09 2016-01-20 화진기업(주) 개루프 광섬유 자이로센서의 광원 안정화 장치

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101319921B1 (ko) * 2012-09-07 2013-10-18 국방과학연구소 광섬유자이로 간섭신호 출력 변화 안정화 장치 및 방법
KR101316071B1 (ko) * 2012-09-07 2013-10-15 국방과학연구소 폐루프 광섬유자이로 디더 민감도 평가 및 이에 기반한 불감응영역 특성 개선 방법
KR101355534B1 (ko) * 2012-09-10 2014-01-27 국방과학연구소 광섬유자이로의 광학소자 제한 요소에 의한 불감응영역 발생 특성 개선 시스템 및 방법

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008216256A (ja) 2007-03-06 2008-09-18 Honeywell Internatl Inc 光ファイバ・ジャイロスコープ振動誤差抑制の方法およびシステム

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008216256A (ja) 2007-03-06 2008-09-18 Honeywell Internatl Inc 光ファイバ・ジャイロスコープ振動誤差抑制の方法およびシステム

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101491887B1 (ko) 2012-12-31 2015-02-23 한국항공우주연구원 물리량을 측정하는 시스템의 디더 제거 장치 및 방법
KR20160006815A (ko) 2014-07-09 2016-01-20 화진기업(주) 개루프 광섬유 자이로센서의 광원 안정화 장치

Also Published As

Publication number Publication date
KR20100118872A (ko) 2010-11-08

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101069244B1 (ko) 오차 교정을 이용한 광섬유 자이로스코프의 위상변조 안정화 방법 및 광섬유 자이로스코프
US8923352B2 (en) Laser with transmission and reflection mode feedback control
US9518825B2 (en) Suppression of lock-in effect due to a MIOC frequency response in a fiber-optic Sagnac interferometer
EP2827100B1 (en) Fiber optic gyroscope dead band error suppression
US9273948B2 (en) Optical fiber sensor
WO2019029845A1 (en) OPTICAL PHASE MODULATION DIAGRAM OF A MIOC OF AN INTERFEROMETER TYPE OPTIC FIBER GYROSCOPE
CN107430002B (zh) 用于光纤陀螺仪的零均值控制的相位调制器以及光纤陀螺仪
US10502585B2 (en) Gyro rate computation for an interferometric fiber optic gyro
JP2016006505A (ja) 搬送波または側波帯の抑制が高度に安定である光ビームの制御された変調
US20160320188A1 (en) Fiber optic system and method for reducing bias errors in such a fiber optic system
US7006542B2 (en) System and method for stabilizing a laser output frequency
KR101078387B1 (ko) 광섬유 자이로스코프의 사냑 간섭계 시뮬레이터 및 사냑 간섭계의 시뮬레이션 방법
RU2620933C1 (ru) Волоконно-оптический гироскоп с большим динамическим диапазоном измерения угловых скоростей
US8842286B2 (en) Suppression of quantization noise in a fiber-optic sagnac interferometer
US7324206B2 (en) Method for determination/compensation of bias errors/random walk errors induced by the light source in fiber-optic Sagnac interferometers
JP2014048227A (ja) 光ファイバジャイロ及び位相変調器のスケールファクタ変動量測定方法
JP3894925B2 (ja) クローズドループ方式光ファイバジャイロ
JP4847512B2 (ja) クローズドループ方式光干渉角速度計
RU2676944C1 (ru) Малогабаритный измеритель вектора угловой скорости на основе волоконно-оптического гироскопа
EP3783311B1 (en) Sideband heterodyne switching for resonator fiber optic gyroscopes (rfogs)
JP2557658B2 (ja) 光干渉角速度計
EP0492580A2 (en) Fiber optic gyro
WO1999056080A1 (fr) Gyroscope a fibres optiques
JPH11351883A (ja) クローズドループ光干渉角速度計
JPH0526677A (ja) 光干渉角速度計

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20140901

Year of fee payment: 4