KR20100004318A - 비편광 광섬유 자이로스코프 - Google Patents

Abstract

본 발명은 사냑(Sagnac)효과를 이용해 회전각속도를 측정하는 광섬유 자이로스코프에 관한 것으로, 보다 상세하게는 센싱 루프의 입력 쪽에 편광제거기와, 센싱 루프 광섬유로 고복굴절 편광 유지 광섬유 대신 광통신용 단일모드 광섬유를 사용하고, 비편광 광섬유 자이로스코프의 위상오차를 줄이기 위해 사용광원의 전류 및 온도 안정화 회로를 제작하여 낮은 가격으로도 고감도의 광섬유 자이로스코프를 구성할 수 있게 하는 것을 특징으로 한다.

광섬유, 편광제거기, 편광유지, 센싱루프, 자이로스코프

Description

비편광 광섬유 자이로스코프{Depolarized Fiber-Optic Gyroscope}

본 발명은 각속도를 측정하는 광섬유 자이로스코프에 관한 것으로, 보다 상세하게는 센싱루프로 고가의 고복굴절 편광유지 광섬유 대신 저가의 광통신용 단일모드 광섬유와 편광제거기를 이용해 광섬유 자이로스코프를 제작하여 높은 가격효율성을 달성할 수 있게 하는 것에 관한 것이다.

빛을 이용해 회전률을 측정할 수 있음이 사냑(Sagnac)에 의해 밝혀진 이후 오늘날까지 사냑효과를 이용해 회전각속도를 측정하는 광섬유 자이로스코프(Fiber-Optic Gyroscope)에 대한 관심은 지속되고 있다.

일반적으로 회전각속도를 측정하는 방법에는 기계식 방식과 광학식 방식으로 나눌 수 있으며, 기계식 방식의 자이로스코프는 짐벌(Gimbal)형과 코리올리 가속도의 원리를 이용한 진동식 자이로스코프로 구분할 수 있다.

여기서 짐벌형은 지구중심을 향하는 고속의 짐벌을 이용해 회전체의 각 운동량 변화를 측정하는 방식이다.

또한, 진동식 자이로스코프는 진동하는 물체로부터 발생하는 파형의 위상차를 측정해 각속도를 측정하는 원리로 중급 자이로스코프에 적용되고 있다.

하지만, 기계식 자이로스코프는 기존의 축적된 기술력을 바탕으로 높은 정밀도를 갖는 것이 장점으로 작용하지만, 높은 소비전력, 무게, 복잡한 구조로 인한 제작상의 어려움, 유지보수의 난점 그리고 초기 가동시간이 많이 걸린다는 단점을 가지고 있다.

이에 비해 광섬유를 이용한 광학식 방식의 자이로스코프는 간섭에 의한 위상차를 이용해 각속도를 측정하는 방식으로, 두 개의 빛이 일정한 반경을 갖는 센싱 루프를 서로 반대방향으로 진행할 때 임의의 각속도 변화에 따른 두 빛의 위상차가 발생하는 사냑효과를 이용한다.

이와 같은 광섬유 자이로스코프의 장점은 기계식에 비해 구조가 단순하고, 회전부가 필요 없기 때문에 높은 신뢰도를 가지며, 낮은 소비전력 및 수명이 길며, 제작단가가 상대적으로 낮아 기계식 자이로스코프를 대체할 대안으로 각광받고 있다.

이러한 광섬유 자이로스코프는 선박, 자동차, 비행기, 유도무기 등에 탑재되어 운항체의 자세, 위치, 속도 등 항법에 필요한 관성 항법시스템(Inertial Navigation System : INS)의 주요한 센서로 사용되고 있으며, 또한 INS외에도 캠코더, 디지털 카메라와 같은 휴대용 영상기기의 자세보정, 안테나 플랫홈의 안정화 및 로봇이나 무인자동화기기의 자세제어, 터널이나 관로공사의 위치검출과 제어, 무인지게차 등의 무인유도차량(Automatic Guided Vehicles : AGV)등 다양한 응용분 야에 적용되고 있다.

특히 최근에는 GPS와 연동된 차량항법시스템(CNS : Car Navigation System)에 활발한 응용이 이루어지고 있다.

하지만 광섬유 자이로스코프의 단점은 다양한 광학적 현상에 의한 위상오차를 유발하는 것으로, 사용하는 광원의 가간섭 길이가 길수록 후방산란이나 Kerr효과로 인한 위상오차를 초래하고, 센싱 광섬유로 일반단일모드 광섬유를 사용할 경우, 주위의 온도변화 및 진동과 같은 환경변화로 인해 광섬유 내의 복굴절 변화로 원치 않는 드리프트(Drift) 및 편광변화를 유발하여 위상오차를 발생시킨다.

따라서 이와 같은 문제를 해결하기 위해 대역폭이 넓고, 가간섭 길이가 짧은 고휘도 레이저 다이오드(Superluminescent Laser Diode : SLD)를 사용함과 더불어 일반 단일모드 광섬유 대신 특수 광섬유인 고복굴절의 편광유지 광섬유(Polarization Maintaining Fiber : PMF)를 사용하여 주변 환경변화에 대한 위상오차를 줄일 수 있다.

하지만 광섬유 자이로스코프의 측정정밀도는 센싱 루프의 길이에 비례하기 때문에 편광유지 광섬유는 상대적으로 고가로 상급의 높은 정밀도를 요하는 자이로스코프에는 적절하나 중·하급의 자이로스코프에는 가격 때문에 적용할 수 없다는 문제점이 있었다.

본 발명은 일반 광통신용 단일모드 광섬유와 편광제거기를 이용하여 낮은 가격으로도 고감도의 자이로스코프를 구성할 수 있게 하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 센싱루프의 입력쪽에 편광제거기와 센싱루프 광섬유로 고복굴절 편광유지 광섬유 대신 광통신용 단일모드 광섬유로 구성한다.

본 발명은 위상변조를 위해 PZT위상변조기를 이용하였으며, 사인파 변조신호의 주파수는 40.7㎑, 진폭은 207m

을 인가한다.

편광제거기는 비트길이가 5mm, 직경이 125㎛인 PMF를 사용하여 비트길이의 100배인 50cm의 길이로 한다.

본 발명은 자이로스코프를 구성함에 있어서 광통신용 단일모드 광섬유를 사용하더라도 우수한 측정결과를 얻을 수 있어 저가로 광섬유 자이로스코프를 제작할 수 있어 높은 가격경쟁력을 가지는 효과가 있다.

이하에서 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.

도 1은 일반적인 광섬유 자이로스코프의 기본 원리를 설명하는 광섬유 사냑 간섭계로, 센싱루프를 통해 서로 반대방향으로 진행하는 두 개의 광파의 출력을 각각 I₁, I₂라 가정하고, 센싱루프에 임의의 한 방향으로 회전을 가정할 때, 두 광파 사이의 위상차를 ΔØ로 두면, 광 검출기에 의해 검출된 최종 광출력

는 다음과 같이 나타낼 수 있다.

(1)

여기서 결합비가 50:50인 방향성 결합기를 가정하고, 간섭계의 손실을 무시하면,

으로 광 검출기의 출력

는 다음과 같이 표현할 수 있다.

(2)

또한 도 1의 사냑 간섭계의 회전각속도 Ω에 대한 위상차ΔØ가 이상적이라면, 위상차는 회전각속도 Ω에에 비례하고 다음과 같이 표현된다.

ΔØ=2πLDΩ/λc=GΩ (3)

여기서, L=NπD는 센싱루프 광섬유의 길이, N은 광섬유의 권선수, D는 센싱루프의 직경, λ는 사용한 SLD광원의 파장, c는 빛의 속도, G는 스케일 팩터(scale factor)를 나타낸다.

(3)식에 나타낸 회전각속도Ω에 대응하는 위상차ΔØ의 측정에 있어서, (2) 식의 간섭강도는 ΔØ=Nπ(N=0,±1,±2,···)일 때, 비선형 영역을 가지기 때문에 ΔØ에 대응하는 Ω를 정확히 측정할 수 없다.

따라서 가장 선형성이 우수한 부분 즉, π/2 바이어스(bias) 지점에서 동작이 되도록 하기 위해 위상 바이어스를 걸어주어야 한다.

이를 위해 도 1에 나타낸 위상변조기를 사용하여 서로 반대방향으로 진행하는 빛에 대하여 위상차 변조를 가하면, 위상차 ΔØ는 다음과 같이 나타낼 수 있다.

(4)

여기서

는 빛이 센싱루프를 통과하는 시간을 나타낸다.

이제,

의 신호로 위상변조기에 위상변조를 가하면, 센싱광섬유를 통과한 두 개의 광파들에 대한 위상차ΔØ는 다음과 같이 나타낼 수 있다.

(5)

여기서, (5)식에 대한 위상차변조를 최대로 하는 변조주파수의 적정주파수

은

일 때이고, 따라서 적정 주파수로 위상변조를 수행하면, 그 때 위상차

이 된다.

따라서 센싱루프회전에 의한 사냑위상차

를 고려하면, 전체위상차

는 다음으로 표현할 수 있다.

(6)

여기서, (6)식을 (2)식에 대입하여 정리하면, 광 검출기의 출력

는 베셀(Bessel)함수를 이용해 다음과 같이 나타낼 수 있다.

(7)

여기서,

는 n차 베셀함수를 나타낸다.

만약 센싱루프 회전이 없다고 가정하면, 즉

이라면, 우수의 고조파 성분들만 남고, 회전할 경우에는 우수 및 기수의 고조파 성분들 모두가 존재하게 된다.

이는 도 2에 도시된 바와 같이 회전시 1차 고조파 신호를 록인앰프(Lock-in Amp)를 사용해 기준수파수

으로 복조함으로써, 사냑 위상차

을 갖는 바이어스 신호를 다음과 같이 구할 수 있다.

(8)

(8)식의 경우, 출력신호의 최대민감도는 β

1.8rad에서 J₁(β)가 최대가 되므로, J₁(β)=0.53의 값을 가진다.

도 3은 본 발명의 비편광 광섬유 자이로스코프(Depolarized-Fiber Optic Gyroscope : D-FOG)를 나타낸 것으로, 그 동작원리는 일반적인 광섬유 자이로스코프와 같지만, 센싱루프의 입력 쪽에 편광제거기와 센싱루프 광섬유로 고복굴절 편광 유지 광섬유 대신 광통신용 단일모드 광섬유를 사용한다.

광섬유 자이로스코프에 사용할 수 있는 광원은 위상오차의 크기와 스케일팩터의 안정성을 고려하여 선택되며, 여기서 스케일 팩터는 주로 광원의 파장 안정성에 의존하고, 사냑 위상차는 광 파장에 선형적으로 비례한다.

일반적으로, 광원의 파장변화의 가장 큰 원인은 열적 드리프트와 구동전류의 변화로 온도 및 구동전류에 의한 중심파장의 변화가 적은 것이 요구되며, 광섬유 자이로스코프에 사용되는 광원의 선폭은 넓어야 한다.

이는 여러가지 비가역적 효과로 발생하는 위상오차를 줄이기 위해서이다.

또한 두 개의 편광모드가 편광기나 방향성 결합기 또는 광섬유내의 불균일성으로 인해 상호결합이 발생할 수 있으며, 이때 서로 반대방향으로 진행하는 두 개의 광은 서로 다른 경로를 진행하게 되므로 위상오차를 발생시킨다.

따라서 넓은 대역폭 및 낮은 가간섭성을 갖는 광원의 선택으로 산란과 편광의 상호결합에 의해 발생하는 위상오차를 줄일 수 있다.

본 발명에서는 대역폭이 넓은 고휘도 레이저 다이오드(SLD)를 광섬유 자이로스코프의 광원으로 선택하여 사용하며, 고휘도 레이저 다이오드의 중심 파장은 높은 안정도와 신뢰도를 갖도록 하기 위해, 광원의 안정화 회로를 설계, 제작한다.

본 발명에서는 광원의 중심파장 안정화를 위해 반도체 레이저의 구동전류와 온도제어를 통한 파장안정화를 구현하였으며, 도 4에 전체구성도를 나타내었다.

도 5는 본 발명에서의 고휘도 레이저 다이오드의 전류 안정화 회로 및 온도 안정화 회로의 블록도를 나타낸 것으로, 전류치 설정부에서 고휘도 레이저 다이오드가 동작할 필요조건을 조정한 후, 비교기의 출력이 고휘도 레이저 다이오드 구동부를 동작시킬 때 구동전류를 측정하여 전류안정화 궤환 루프를 통해 기준전압과 비교하여 기준전압보다 높으면 차단하고 기준전압보다 낮으면 동작되도록 하였으며, 전류의 안정도는 200㎂보다 낮게 하였다.

또한 온도 안정화 회로의 경우에는 서미스터로부터 온도 변화에 따른 저항변화를 읽어 선형적인 전압변화로 바꾸어주고, 컨버터의 온도변화와 설정온도를 비교해 그 차에 대한 오차신호를 발생시킨다.

TEC(Thermo Electic Cooler) 컨트롤부에서는 비교기에서 설정온도와 컨버터의 변화된 온도차 전압이 인가되면, TEC에서 실제적인 온도를 제어하게 된다.

여기서 고휘도 레이저 다이오드의 thermistor resistance가 10kΩ일 때 온도는 25℃가 된다.

도 6은 실제로 제작된 광원의 안정화회로의 사진을 나타내고 있다.

도 7은 완정화 회로를 이용한 광원으로 주입전류 대 출력 광 파워 특성곡선 을 도시한 것이다.

도 8은 실험실의 온도가 18℃에서 100㎃의 주입전류를 공급할 때 2시간 동안 주입전류 변화량을 측정한 것으로 주입전류 변화량은 0.1866㎃로 측정되었고, 설계치인 200㎂미만의 주입전류 안정성을 보였다.

도 9는 일정한 주입전류 인가시 설정온도를 25℃로 하여 2시간 동안 온도변화를 나타내는 것으로 최대 온도변화는 0.0098℃로 측정되었고 그때 고휘도 레이저 다이오드 내부의 TEC전류변화 Δ=13.4985㎃로 측정되었다.

본 발명에 적용된 광원은 200㎃의 주입전류에 대하여 1㎽ 출력을 나타내며, 중심파장은 1550nm로 대략 50nm의 광대역 선폭을 가지고 있다.

또한 저가의 비편광 광섬유 자이로스코프를 제작하기 위하여 광섬유 커플러는 일반 단일모드 광섬유로 이루어진것을 사용하였고, 입력에 따른 2개의 출력은 각각 3dB의 삽입손실을 가진다.

또한 편광기는 삽입손실이 2dB인 PMF로 구성된 편광기를 사용하였다.

그리고 위상변조를 위해 PZT 위상변조기를 이용하였으며, 이때 사인파 변조신호의 주파수는 40.7㎑, 진폭은 207m

을 인가하였다.

편광제거기는 비트길이가 5mm, 직경이 125㎛인 PMF를 사용하여 비트길이의 100배인 50cm의 길이로 하였다.

비편광 광섬유 자이로스코프의 센싱루프 구성은 저가형의 광통신용 단일모드 광섬유 500m을 원통형 스풀에 감아 사용하였다.

비편광 광섬유 자이로스코프의 스케일 팩터를 측정하기 위해 회전테이블 위에 센싱루프를 설치해 회전테이블의 속도를 가변시켜 가며, 광 검출기로 검출된 출력과 함수발생기의 등가신호를 기준신호로 하는 록인 앰프를 이용해 기준신호에 해당하는 주파수 성분을 검출하여 그 결과를 오실로스코프로 측정하였다.

도 10은 측정용 회전테이블에 비편광 광섬유 자이로스코프의 센싱루프를 올려, 정지시 및 회전시 비편광 광섬유 자이로스코프의 출력파형을 나타낸 것이고, 또한 회전률에 대한 정량적인 스케일 팩터를 측정하기 위해, ±60°/s, ±50°/s, ±40°/s, ±30°/s, ±25°/s, ±20°/s, ±15°/s, ±8°/s, ±5°/s, ±2°/s의 속도로 회전시켜가면서 그 결과를 측정하여 도 11에 나타내었다.

그 결과 스케일 팩터는 0.554㎷/°/s이었다.

또한 도 12는 ±8°/s, ±25°/s, ±60°/s 회전률에 대한 비편광 광섬유 자이로스코프의 아날로그 출력파형을 나타내고 있으며, 여기서 확인할 수 있는 것은 회전각속도가 증가할수록 1차 고조파 성분의 진폭이 증가함을 알 수 있다.

이를 록인앰프를 이용해 그 진폭을 측정하여 회전 각속도에 대한 dc출력 전압을 측정하였다.

도 13, 14에서 보듯이 비편광 광섬유 자이로스코프를 이용해 측정한 회전각속도의 선형성은 ±50°/s 이하에서 0.8881%로 양호한 결과를 얻었다.

도 15는 본 발명에서 실시한 비편광 광섬유 자이로스코프에 대한 바이어스 안정성을 측정하기 위해 정지시 zero bias drift를 1초마다 하나의 데이터를 측정하여 7500초 동안 얻은 7500개의 데이터를 도시한 것으로 그 결과 zero bias drift 는 19.49°/h로 측정되었다.

이상에서 설명한 바와 같이 가격이 저렴한 광통신용 단일모드 광섬유로 광섬유 자이로스코프를 제작하여도 고가의 고복굴절 편광유지 광섬유를 사용한 광섬유 자이로스코프에 뒤지지 않는 양호한 측정결과를 얻을 수 있어 높은 가격효율성을 달성할 수 있다.

도 1은 일반적인 광섬유 자이로스코프의 기본원리를 설명하는 개념도

도 2는 센싱루프가 정지시와 회전시 사인파 바이어스 변조

도 3은 본 발명 비편광 광섬유 자이로스코프의 구성도

도 4는 광원의 중심파장 안정화를 위한 회로구성도

도 5는 SLD의 전류안정화 회로 및 온도안정화 회로의 블록도

도 6은 실제로 제작된 광원의 안정화회로의 사진

도 7은 안정화 회로를 이용한 광원으로 주입전류 대 출력 광 파워 특성곡선

도 8은 SLD 주입전류의 안정도 측정

도 9는 SLD 온도안정도 측정

도 10은 비편광 광섬유 자이로스코프의 출력파형으로써 (a)는 정지시, (b)는 우회전시, (c)는 좌회전시

도 11은 스케일 팩터 측정 데이터

도 12는 비편광 광섬유 자이로스코프의 출력파형으로써 (a)는 +8°/s, (b)는 +25°/s, (c)는 +60°/s

도 13은 측정된 비편광 광섬유 자이로스코프의 스케일 팩터

도 14는 측정된 비편광 광섬유 자이로스코프의 스케일 팩터 오차

도 15는 비편광 광섬유 자이로스코프의 zero bias drift

Claims (1)

1. 센싱루프의 입력 쪽에 편광제거기와 센싱루프 광섬유로 고복굴절 편광유지 광섬유 대신 일반 광통신용 단일모드 광섬유를 사용하는 비편광 광섬유 자이로스코프에 있어서,

   위상변조를 위해 PZT 위상변조기를 사용하고, 사인파 변조신호의 주파수는 40.7㎑, 진폭은 207

   

   을 인가하며, 편광제거기는 비트길이가 5mm, 직경이 125㎛인 PMF를 사용하여 비트길이의 100배인 50cm로 하고, 센싱루프는 광통신용 단일모드 광섬유 500m로 구성하는 것을 특징으로 하는 비편광 광섬유 자이로스코프.

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