KR920008206B1

KR920008206B1 - 동적범위가 확장된 광섬유 회전감지기 및 광 루프의 회전속도 검출방법

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Publication number: KR920008206B1
Application number: KR1019840002187A
Authority: KR
Inventors: 씨. 레페브레 허베; 김병윤
Original assignee: 더 보드 오브 트러스티스 오브 더 리랜드 스탠포드 쥬니어 유니버시티; 로렌스 더블유.오스본
Priority date: 1983-04-25
Filing date: 1984-04-24
Publication date: 1992-09-25
Also published as: DE3484025D1; IL71583A; NO841587L; JPS606823A; AU569508B2; EP0123499A3; EP0123499A2; AU2721384A; KR850000671A; BR8401896A; EP0123499B1; JPH0660820B2

Abstract

내용 없음.

Description

동적범위가 확장된 광섬유 회전감지기 및 광 루프의 회전속도 검출방법

제1도는 연속적이고 단속되지 않은 광섬유 물질 가닥을 따라 배치된 광섬유 구성 부품들을 도시하고, 검출 시스템과 관련된 신호 발생기, 광 검출기, 로크-인(lock-in)증폭기 및 표시기를 도시한 본 발명에 사용된 기본 회전 감지기의 개략도.

제2도는 제1도의 회전 감지기에 사용하기 위한 광섬유 방향성 결합기의 한실시예의 단면도.

제3도는 제1도의 회전 감지기에 사용하기 위한 광섬유 편광기의 한 실시예의 단면도.

제4도는 제1도의 회전 감지기에 사용하기 위한 광섬유 편광 제어기의 한 실시예의 사시도.

제5도는 편광기, 편광 제어기 및 위상 변조기가 제거된 제1도의 회전 감지기의 개략도.

제6도는 복굴절 유도 위상차 및 복굴절 유도 진폭 변동의 효과를 도시한 회전적으로 유도된 사냑(sagnac) 위상차의 함수로서, 광 검출기에 의해 측정된 바와 같은 광 출력 신호 세기의 그래프.

제7도는 각각의 역전달파의 위상변조 및 역전달파들 사이에 위상차를 시간의 함수로서 위상차를 도시한 그래프.

제8도는 루프가 휴지 상태일때에 검출기에 의해 측정된 바와 같은 광 출력신호의 세기에 따라 위상 변조의 효과를 도시한 개략도.

제9도는 루프가 회전할때에 검출기에 의해 측정된 바와 같은 광 출력신호의 세기에 따라 위상 변조의 효과를 도시한 개략도.

제10도는 제1도의 회전 감지기에 대한 동작 범위를 회전적으로 유도된 사냑위상차의 함수로써 증폭기 출력신호를 도시한 그래프.

제11도는 동적 범위가 확장된 패쇄 루프 회전 감지기의 양호한 실시예를 도시한 도면.

제12도는 제1 및 제2조파 위상변조 및 이 조파 위상변조로 인해 발생된 광 출력 신호로부터 발생되는 전체 위상 시프트를 도시한 도면.

제13도는 에러 교정 변조기에 대한 회로도.

제14도는 샘플 에러신호에 대한 제13도의 변조기의 응답을 도시한 도면.

제15도는 양호한 에러 교정 변조기를 도시한 도면.

제16도는 제15도의 에러교정 변조기를 사용하는 전체 감지기의 개략도.

제17도는 제11도의 페쇄 루프 실시예에 사용될 수 있는 다른 에러 교정 변조기를 도시한 도면.

제18도는 제1 및 제2조파 위상 변조 및 느린 회전속도들에 대한 전체 위상시프트의 그래프.

제20도는 느린 회전속도들에 대한 감지기의 전달 함수의 그래프.

제21도는 제2조파 구동신호의 진폭을 회전속도로 변환시키기 위한 회전감지기에 대한 출력회로의 양호한 실시예를 도시한 도면.

제22도는 전달 함수의 선형 범위내에 사용될 수 있는 출력 표시회로를 도시한 도면.

제 23도는 전달 함수의 선형 범위내에 사용될 수 있는 다른 출력표시회로를 도시한 도면.

제 24도는 범위가 확장된 회전 감지기의 개방 루프 실시예를 도시한 도면.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : 발광소스 12 : 광섬유 가닥

14 : 감지 루프 24 및 36 : 편광 제어기

26 및 34 : 방향성 결합기 30 : 광 검출기

32 : 편광기 38 : 위상 변조기

40 : A.C.신호 발생기 46 및 210 : 로크-인 증폭기

47 : 표시기 52A 및 52B : 아치형 홈

53A 및 53B : 블록 54 : 상호 작용 지역

60 : 복굴절성 교정부 62 : 홈

63 : 상부표면 64 : 구형 석영 블록

68 : 하부표면 70 : 베이스

72 : 직립 블록 74 : 스풀(spool)

76 : 축 78 :코일

130 : 에러 교정 변조기 136 : 위상 시프트 회로

138 : 제2조파 위상 변조기 168 : 캐패시터

169 : 연산 증폭기 192 : 차동 증푹기

201 : 비교 프로세서 211 : 카운터

214 : 아날로그-디지탈 변환기 192 : 차동 증폭기

201 : 비교 프로세서 211 : 카운터

214 : 아날로그-디지탈 변환기 220 : 디지털-아날로그 변환기

본 발명은 자아로스코프(gyroscope)와같은 회전 감지기에 관한 것으로, 특히 동적 범위가 확장된 광섬유 회전 감지기에 관한 것이다.

전형적으로, 광섬유 회전 감지기는 광파들이 반대방향으로 루프주위에 전파되도록 결합되는 광섬유 물질의 루프를 포함한다. 루프의 회전을 공지된 ＂사냑 효과＂에 따란 역전달파들 사이에서 상대 위상차를 발생시키는데, 이때의 위상차 크기는 회전 속도에 대응한다. 재결합시에 역전파들은 루프의 회전속도에 따라 세기를 변화시키는 광출력 신호를 발생시키도록 건설적으로나 파괴적으로 간섭한다. 통상적으로, 이 광 출력신호를 검출함으로써 회전이 감지된다.

느린 회전 속도들에 대한 광섬유 회전 감지기의 감도를 증가시키기 위해 여러 기술들의 고안되었다. 그러나, 이 기술들은 회전속도가 매우 빠른 경우에 이용하지 못하는데, 그 이유는 출력 함수가 동일한 출력신호파형을 갖고 있는 가능한 회전 속도들이 관찰된 특정한 출력신호 파형에 응답할 수 있는 출력신호로부터 결정될 수 없도록 여러 회전속도에서 그 자체를 반복하려고 하기 때문이다.

본 발명은 더 빠른 회전 속도에 대한 광섬유 자이로스로프의 동적 범위를 화장시키기 위한 방법을 제공한다.

회전 감지기는 소스로부터의 광을 감지 루프 주위에 반대방향으로 전파하는 2개의 파로 분리시키고, 광출력신호를 제공하도록 역전달파들을 결합시키는 광섬유 방향성 결합기와 같은 모든 광섬유 구성 부품들로 구성된다. 인가뇐 광, 역전달파 및 광출력 신호의 양호한 평관은 광섬유 편광기 및 강섬유 편광 제어기에의해 설정되고, 제어되며, 유지된다. 연속 가닥으로부터 광출력 신호를 광신호를 세기에 비례하는 전기 신호로 출력시키는 광 검출기에 결합시키기 위해 제2광섬유 결합기가 제공된다.

제1위상 변조기를 사용하여 제1조파 주파수에서 역전달파들을 위상 변조시키고, 광 출력 신호 세기의 제1조파 성분을 측정하도록 동기 또는 위상 감지 검출시스템을 사용함으로써 회전 감지기의 동작 안정도 및 감도가 향상된다. 기술한 검출 시스템에서 이러한 제1조파 성분의 진폭은 루프의 회전속도에 비례한다.

동적 영역을 확장시키는 검출 시스템 내의 개량점들은 제1주파수의 제2조파인 다른 주파수에서 역전달광 신호들을 위상 변조하기 위해 제2위상 변조기를 사용하고, 제2조파 위상 변조의 진폭을 제어하기 위해 귀환 루프를 사용하는 것을 포함한다. 귀환 에러신호는 광 검출기 및 로크-인 증폭기를 포함하는 위상감지 검출기에 의해 발생된다. 이 귀환 신호는 광 검출기로부터의 출력 신호내의 제1조파 성분의 진폭에 비례한다. 귀환 에러 교정 변조기는 사냑 위상시프트에 의해 발생된 광 출력신호 내의 제1조파 성분의 진폭을 상쇄 또는 제한시키도록 귀환 에러신호에 따라 제2위상 변조기의 제 2조파 구동신호의 진폭을 제어한다.

또한, 개량점은 회전에 의해 발생된 광 출력신호내의 제1조파 성분을 상쇄시키는 제2조파 위상 변조의 진폭에 대한 전달 함수에 의해 관련된 회전속도 데이터를 메모리내에 기억시키는 것을 포함한다. 이때, 사냑 효과에 의해 발생된 제1조파를 상쇄 또는 제한시키기에 충분한 제2조파의 ＂상쇄＂진폭은 어드레스로서 소거신호의 진폭을 사용하여 메모리를 액세스 함으로써 회전속도로 변환된다. 이렇게 액세스된 회전속도 데이터는 직접 사용될 수 있거나 사냑 위상시프트 또는 회전속도를 유도하기 위해 해석(interpret)될 수 있는 신호로 변환될 수 있다.

위상 변조기에 의해(직접 또는 간접의 편광 변조를 통해) 발생된 광 출력 신호회 홀수 조파 내의 진폭 변조는 특정한 주파수에서 위상 변조기를 동작시킴으로써 제거될 수 있다. 사용된 검출 시스템이 홀수 조파(예를들어, 제1조판)만을 검출하기 때문에, 위상 변조기에서 유도된 진폭변조의 효과는 이러한 주파수에서 동작시킴으로써 제거될 수 있다. 이것은 회전 감지시에 에러의 주요 소스를 제거함으로써 회전 감지기의 정확도를 증가시킨다.

이제부터 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 장점 및 다른 장점에 대해서 상세하게 기술하겠다.

본 발명의 양호한 실시예를 설명하기 전에, 본 발명에 사용된 기본 회전 감지기에 대해 설명하는 것이 개량점을 더욱 충분히 이해하는데 필요하다. 제1도면에는 본 발명에 사용된 바와 같은 회전 감지기가 도시되어 있다. 이 회전감지기는 일부분이 감지 루프(14) 내에 감겨지는 연속 광섬유 길이 또는 가닥(12) 내로 광을 유입시키기 위한 발광 소스(10)을 포함한다. 본 명세서에 사용된 바와 같이, 참조번호(12)는 일반적으로 모든 연속 광섬유 가닥을 표시하지만, 첨자(A,B,C 등)를 갖고 있는 참조번호(12)는 광섬유(12)의 부분들을 표시한다.

도시한 실시예에서, 발광 소스(10)은 0.82 미크론(micron) 정도의 파장을 갖고 있는 광을 발생시키는 비소화 칼륨(GaAs)레이저로 구성된다. 특정한 예에 의하면, 발광 소스(10)은 미합중국, 뉴우저지주, 사우드플레인 휠드, 하들리 로드 3005(3005 Hadley Road, South Plainfield, New Jersey)에 소재한 제너럴 옵트로 닉스 코포레이션(General Optronics Corp.)제품으로 시판 중인 모델번호 GD-DIP레이저 다이오드로 구성될 수 있다. 가닥(12)와 같은 광섬유 가닥들을 양호하게, 예를들어, 외경이 80미크론이고 코어직경이 4미크론인 단일 모드 광섬유들이다. 루프(14)는 스플(spool) 또는 그 외에 다른 적당한 지지물(도시하지 않음) 주위에 감긴 광섬유(12)의 다수의 권선을 포함한다. 특정한 예에 의하면, 루프(14)는 직경이 14cm인 형태 위에 감긴 약 1000개의 광섬유 권선을 가질 수 있다.

양호하게도, 루프(14)는중심으로부터 시작하여 대칭적으로 감겨짐므로 루프(14)의 대칭점들은 근사하다. 이것은 회전 감지기의 주위 감도를 감소시키는데, 그 이유는 이러한 대칭성이 시간에 따라 변하는 온도 및 압력 변화도가 2개의 역전달파에 유사한 영향을 미치게 하기 때문이다.

소스(10)으로부터의 광은 광섬유(12)를 광소스(10)에 접합시킴으로써 광섬유(12)의 한 단부에 광학적으로 결합된다. 광을 안내 및 처리하기 위한 다수의 구성 부품들은 연속가닥(12)를 따라 다수의 위치에 배치되거나 형성된다. 이 구성 부품들의 상대 위치들을 기술하기 위해, 연속 광섬유(12)는 각각 12A 내지 12G로 지칭된 7개의 부분들로 분리되는 기술되며, 부분(12A 내지 12E)는 소스(10)에 결합되는 루프(14)의 한 축에 있고, 부분(12F 및 12G)는 루프(14)의 반대측에 있게 된다.

편광 제어기(24)는 발광소드(10)에 인접하여 광섬유 부분(12A 및 12B)사이에 있다. 제어기(24)로서 사용하기에 적합한 편광 제어기 형태는 본 발명의 양수인에게 양도되고, 본 명세서에서 참고문헌으로 사용한 ＂광섬유 편광변환＂이란 명칭으로 1980년 9월 4일자 출원된 미합중국 특허 제4,389,090호에 상세하게 기술되어 있다. 이 편광 제어기(24)에 대해서는 다음에 간단히 기술하겠다. 이 제어기(24)는 인가된 광의 편광 상태와 방향을 조절한다.

그 다음, 광섬유(12)는 광섬유 부분(12B 및 12C) 사이에 배치된 방향성 결합기(26)의 포트(port; A 및 B)를 통과한다. 결합기(26)은 이 결합기(26)의 포트(C 및 D)를 통과하는 광섬유의 제2가닥에 광전력을 결합시키는데, 포트(C)는 포트(A)와 동일한 결합기 측에 있고, 포트(D)는 포트(B)와 동일한 결합기 측에 있다. 포트(D)로부터 연장된 광섬유(28)의 단부의 지점[＂NC＂(＂비접촉＂)]에서 비판적으로 종단되지만, 포트(C)로부터 연장된 광섬유(29)의 단부는 광 검출기(30)에 광학적으로 결합된다. 특정한 예에 의하면, 광 검출기(30)은 표준 역바이어스 실리콘 PIN형 포토 다이오드로 구성될 수 있다. 결합기(26)은 본 발명의 양수인에게 양도된, ＂광섬유 방향성 결합기＂란 명칭으로 1980년 4월 11일자 출원된 유럽 특허 출원 제 81102667.3호, 공보 제0038023호에 대해 연속 출원된 ＂광섬유 방향성 결합기＂란 명칭으로 1981년 9월 10일자 출원된 유럽특허 출원 제82304705.5호, 공보 제0074789호에 상세하게 기술되어 있다. 이 특허출원들은 본 명세서에 참고 문헌으로 사용된다.

결합기(26)의 포트(B)로부터 연장되는 광섬유 부분(2C)는 광섬유부분(12C와 12D) 사이에 배치된 편광기(32)를 통과한다. 단일 모드 광섬유는 광파를 전달시키는 2개의 편광 모드를 갖고 있다. 편광기(32)는 광섬유(12)의 편광 모드를 중의 한 모드내에서 광을 통과시키지만, 다른 편광 모드내에서는 광을 차단시킨다. 양호하게도, 상술한 편광 제어기(24)는 이러한 편광이 편광기(32)에 의해 통과된 편광 모드와 동일하게 되도록 인가된 광의 편광을 조정하는데 사용된다. 이것은 인가된 광이 편광기를 통해 전달될 때 광 전력의 손실을 감소시킨다. 본 발명에 사용하기 위한 양호한 형태의 편광기는 본 발명의 양수인에게 양도되고, 본 명세서에서 참고 문헌으로 사용한 ＂편광기 및 방법＂이란 명칭으로 1980년 10월 10일자 출원된 미합중국 특허 제4,386,822호에 상세하게 기술되어 있다.

편광기(32)를 통과한 후, 광섬유(12)는 광섬유 부문(12D 및 12E) 사이에 배치된 방향성 결합기(34)의 포트(A 및 B)를 통과한다. 양호하게도, 이 결합기(34)는 결합기(26)을 참조하여 상술한 것과 동일한 형태로 되어있다. 그 다음, 광섬유(12)는 루프(14)내에 감겨지고, 편광 제어기(36)은 이 루프(14와 광섬유부분(12E) 사이에 배치된다. 이 편광 제어기(36)은 제어기(34)를 참조하여 기술한 형태로 될 수 있고, 역전달파들의 간섭에 의해 형성된 광출력 신호가 최소 광전력 손실로 편광기(32)에 의해 효율적으로 통과되는 편광을 갖도록 루프(14)를 통해 역전달되는 광파의 편광을 조정하기 위해 사용된다. 그러므로, 편광제어기(24 및 36)을 사용함으로써, 광섬유(12)를 통해 전달되는 광의 편광은 최대 광전력 출력을 위해 조정될 수 있다.

A,C신호 발생기(40)에 의해 구동된 위상 변조기(38)은 루프(14)와 제2방향성 결합기(34)사이의 광섬유 세그먼트(12F)에 장착된다. 이 변조기(38)은 광섬유(12)가 주위에 감긴 PZT실린더를 포함한다. 광섬유(12)는 실린더가 발생기(40)으로부터의 변조신호에 응답하여 방사상으로 팽창할때, 연신되도록 실린더에 접착되어 있다. 본 발명과 함께 사용하기에 적합한 선택적인 형태의 변조기(도시하지 않음)는 실린더의 단부들에서 짧은 모세관 전장에 접착된 광섬유(12)의 4개의 세그먼트들을 종방향으로 연신시키는 PZT실린더를 포함한다. 본 분야에 숙련된 기술자들은 이 선택적인 형태의 변조기가 변조기(38)보다 더 작은 편강변조도를 전파 광 신호에 제공할 수 있다는 것을 알 수 있고, 변조기 (38)이 바람직하지 못한 편광 변조 효과를 제거시키는 주파수에서 동작될 수 있다는 것을 알 수 있다. 그러므로, 이 두가지 형태의 변조기는 모두 본 발명에 사용하기에 적합하다.

그 다음, 광섬유(12)는 결합기(34)의 포트(C 및 D)를 통과하는데, 광섬유 부문(12F)는 포트(D)로부터 연장되고, 광섬유 부분(12G)는 포트(G)로부터 연장된다.

광섬유 부분(12G)는 지점＂NC＂(＂비접속＂)에서 비판사적으로 종단된다. A.C.발생기(40)으로부터의 출력신호는 선(44)를 통해 기준신호로서 크로-인 증폭기(46)에 공급되는데, 이 로크-인 증폭기(46)은 선(48)에 의해 광 검출기(30)의 출력을 수신하도록 접속되어 있다. 선(44)를 통해 증폭기(46)에 공급되는 이 신호는 변조기(38)의 변조 주파수, 즉 광 출력신호 제 1조파 성분에서 검출기 출력 신호를 검출하고 동시에 이 주파수 이외의 다른 모든 조파들을 차단시키도록 증폭기(46)을 동작시키기 위해 기준신호를 제공한다.

로크-인 증폭기들은 본 분야에 공지되어 있고, 시판되고 있다. 검출기 출력신호의 제1조파 성분의 크기는 제한된 동작범위에 걸쳐 루프(14)의 회전속도에 비례한다. 증폭기(46)은 이 제1조파 성분에 비례하는 신호를 출력시켜서 회전 속도를 직접 표시하는데, 이 속도는 표시 패널(47)상에 시각적으로 표시될 수 있다. 그러나, 제1도에 도시한 검출장치는 제9도의 설명으로부터 알데되는 바와 같이 회전 속도가 비교적 느린 경우에만 사용될 수 있다.

[결합기(26 및 34)]

제2도에는 본 발명의 회전 감지기 또는 자이로스코프 내의 결합기(26 및 34)로서 사용하기에 양호한 광섬유 방향성 결합기가 도시되어 있다. 이 결합기는 피복물의 일부분이 제거된 단일 모든 광섬유 물질로 구성된 2개의 광섬유 가닥(50A 50B)를 포함한다. 이 2개의 가닥(50A 및 50B)는 각각의 블럭(53A 및 53B)내에 형성된 각각의 아치형 홈(52A 및 52B)내에 장착된다. 가닥(50A 및 50B)는 광이 가닥의 코어 부분들사이로 전달되게 하는 상호 작용 지역(54)를 형성하도록 피복물이 밀접하게 간격을 두고 제거되어 있는 가닥 부분들과 함께 배치된다. 제거된 물질의 크기는 각각의 가닥(50A 및 50B)의 코어부분이 다른 가닥들의 미소지역 내에 있도록 정하여 진다. 결합기의 중심에서 가닥들 사이의 중심대 중심간격은 전형적으로 약 2내지 3개의 코어 직경이하이다.

상호 작용 지역(54)에서 가닥들 사이로 전달된 광은 방향을 갖고 있다는 것을 주시해야 한다. 즉, 입력포트(A)에 인가된 모든 광은 포트(C)에 역방향 결합하지 않고서 출력포트(B 및 D)로 전파된다. 이와 마찬가지로, 입력 포트(C)에 인가된 광은 출력 포트(B 및 D)로 전파된다. 또한, 이 방향성을 대칭적이다. 그러므로, 입력포트(B) 또는 입력 포트(D)에 공급된 광은 출력포트(A 및 C)로 전파된다. 또한, 결합기는 필수적으로 편광에 따라 식별되지 않으므로 결합된 광의 편광을 유지한다. 그러므로, 예를들어, 수직 편광을 갖고 있는 광 빔이 포트(A)에 입력되면, 포트(A)로부터 포트(D)에 결합된 광 뿐만 아니라 포트(A)로부터 포트(D)에 결합된 광 뿐만 아니라 포트(A)로부터 포트(B)를 똑바로 통과하는 광이 수직 평광 상태로 유지된다.

상술한 설명으로부터, 결합기는 인가된 광을 2개의 역전달파(1,2 : 제1도 참조)를 분활하도록 빔 분활기로서 작용할 수 있다는 것을 알 수 있다. 또한, 결합기는 부수적으로 역전달파들이 루프(14 : 제1도 참조)를 통과한 후 이 역전달파들을 재결합시키는 작용도 한다.

도시한 실시예에서, 각각의 결합기(26,34)는 50%의 결합 효율을 갖고 있는데, 결합 효율이 이렇게 선택될때에는 광 검출기(30; 제1도 참조)에서 최대 광전력을 제공하게 된다. 본 명세서에 사용된 바와 같은 ＂결합효율＂이란 용어는 %로 표시된 모든 출력 전력 대 결합 전력의 전력비를 의미한다. 예를들어, 제2도를 참조하면, 광이 포트(A)에 인가될 경우, 결합효율로 포트(B 및 D)에서의 전력 출력의 합 대 포트(D)에서의 전력의 비와 동일하게 된다. 또한, 결합기(34)에 대한 50%의 결합 효율은 역전달파(W₁, W₂)들의 크기가 동일하게 한다.

[편광기(32)]

제3도에는 제1도의 회전 감지기에 사용하기에 양호한 편광기가 도시되어 있다. 이 편광기는 광섬유(12)에 의해 전송된 광의 미소 지역 내에 배치된 복굴절성 교정부(60)을 포함한다. 광섬유(12)는 구형 석영 불럭(64)의 상부(63)에서 개방된 홈(62)내에 장착된다. 홈(62)는 아치형으로 만곡된 저부벽을 갖고 있고, 광섬유는 이 저부벽의 윤곽을 따르도록 홈(62)내에 장착된다. 블록(64)의 상부표면(63)은 지역(67)내에서 광섬유(12)로부터 피복물의 일부분을 제거하도록 중첩된다. 교정부(60)은 광섬유(12)의 미소 지역내에 배치되도록 블록(64)상에 장착되는데, 교정부의 하부 표면(68)은 블록(64)의 상부표면(63)에 접촉하게 된다.

광섬유(12) 및 복굴절성 물질(60)의 상대 굴절률들은 바람직한 편광 모드의 파속(wave velocity)이 광섬유(12)내에서 보다 복굴절성 교정부(60)내에서 더 크고, 바람직하지 못한 편광모드의 파속이 북굴절성 교정부(60)내에서 보다 광섬유(12)내에서 더 크도록 선택된다. 바람직한 편광 모드의 광은 광섬유(12)의 코어부분에 의해 계속 안내되는 반면, 바람직하지 못한 평관 모드의 광은 광섬유(12)로부터 복굴절성 교정부(60)에 결합된다. 그러므로, 편광기(32)는 한 편광 모드내의 광을 통과시키지만, 다른 편광 모드내의 광을 차단시킨다. 상술한 바와 같이, 편광 제어기(24,36; 제1도 참조)는 편광기를 통한 광 전력 손실이 최소화 되도록 인가될 광 및 광출력신호의 편광을 각각 조정하기 위해 사용될 수 있다.

[편광 제어기(24 및 36)]

제4도에는 제1도의 회전 감지기에서 사용하기에 적합한 한 형태의 편광 제어기가 도시되어있다. 이 제어기는 다수의 직립 블럭(72a 내지 72D)가 장착된 베이스(70)을 포함한다. 블록(72)들 중의 인접 블럭들 사이에는 스풀(74A 내지 714C)가 축(76A 내지 76C)상에 접선방향으로 각각 장착된다. 축(76)들은 서로 축방향으로 배열되고, 블록(72)를 사이에 회전가능하게 장착된다. 스풀(74)는 원통형이고, 축(76)들에 접선방향으로 배치된다. 가닥(12)는 축(76)내의 축방향 보어(bore)들을 통해 연장되고, 3개의 코일(78A 내지 78C)를 형성하도록 각각의 스풀(74) 주위에 감겨진다. 이코일(78)의 반경은 광섬유(12)가 각각의 코일(78)내에 복굴절성 매질을 형성하기 위해 응력을 받도록 되어 있다. 3개의 코일(78A 내지 78C)는 광섬유(12)의 복굴절성을 조정함으로써 광섬유 (12)를 통과하는 광의 편광을 제어하도록 축(74A 내지 74C)의 주위에서 서로 독립적으로 회전될 수 있다.

코일(78)내의 권선의 직경 및 개수는 외부 코일(78A 및 78C)가 1/4파장의 공간지연을 제공하고, 중심코일(78C)가 1/2파장의 공간 지연을 제공하도록 정하여진다. 1/4파장 코일(78A 내지 78C)는 편광의 타원롤을 제어하고, 1/2파장 코일(78)은 편광의 방향을 제어한다. 이것은 광섬유(12)를 통해 전파되는 광의 편광의 전체 조정 범위를 제공한다. 그러나, 편강 제어기는 2개의 1/4파장퀼(78A 내지 78C)만을 제공하도록 변형될 수 있는데, 그 이유는 중심 코일(78B)에 의해 제공된 편광의 방향이 1/4파장코일(78A 내지 78C)에 의해 편광의 타원롤을 적당히 조정함으로써, 간접적으로 제어될 수 있기 때문이다. 따라서, 편광 제어기(24 및 36)은 2개의 1/4파장코일(78A 내지 78C)만을 포함하는 것으로 제1도에 도시되어 있다. 이 형태는 제어기(24 및 36)의 전체 크기를 감소시키기 때문에, 공간 제한을 포함하는 본 발명을 응용하기에 유리하게 될 수 있다.

그러므로, 편광 제어기(24 및 36)은 인가된 광과 역전달파들의 편광을 설정, 유지 및 제어하기 위한 장치를 제공한다.

[위상 변조 또는 편광 제어가 없는 상태 하에서의 동작]

편광기(32; 제1도 참조) 및 위상 변조기(38)의 기능 및 중요성을 완전히 이해하기 위해서, 회전 감지기의 구성 부분들이 시스템으로부터 제거되어 있는 경우의 회전 감지기의 동작에 대한 설명하겠다. 따라서, 제5도는 변조기(38), 편광기(32) 및 제거된 관련 구성 부분들과 함께 제1도의 회전 감지기를 개략적인 게통도 형태로 도시한 것이다.

광은 광섬유(12)속에서 전파되기 위해 레이져 소스(10)으로부터 광섬유(12)에 결합된다. 광은 결합기(26)의 포트(A)로 들어가는데, 여기서 광의 일부분이 포트(D)를 통해 손실된다. 광의 나머지 부분은 결합기(34)의 포트(B)로부터 포트(A)로 전파되는데, 여기서 광은 진폭이 동일한 2개의 역전달파(W₁, W₂)로 분리된다. 역전달파(W₁)은 루프(14) 주위에서 시계방향으로 포트(B)로부터 전파되지만, 역전달파(W₂)는 루프(14)주위에서 반시계 방향으로 포트(D)로부터 전파된다. 역전달파(W₁,W₂)가 루프(14)를 통과한 후, 이파들은 결합기(34)의 포트(A)로부터 결합기(26)의 포트(B)에 전파되는 광 출력신호를 형성하도록 결합기(34)에 의해 재결합된다. 광 출력신호의 일부분은 광섬유(29)를 따라 광 검출기(30)으로 전파되기 위해 결합기(26)의 포트(B)로부터 포트(C)에 결합된다. 이러한 광 검출기(30)은 광 출력 신호에 의해 부여된 광의 세기에 비례하는 전기신호를 출력시킨다.

광 출력신호의 세기는 역전달파(W₁, W₂)들이 결합기(34)에서 재결하되거나 간섭될때에 역전달파(W₁, W₂)들 사이의 간섭의 크기 및 형태에 따라 즉, 건설적으로나 파괴적으로 변하게 된다. 우선, 광섬유 복굴절설의 효과를 무시하면, 역전달파(W₁, W₂)는 루프(14) 주위에서 동일한 광 경로로 이동한다. 그러므로, 루프(14)가 휴지 상태라고 가정하면, 역전달파(W_1,W₂)가 결합기(34)에서 재결합될때, 이 파들은 위상차가 없이 건설적으로 간섭하게 되고, 광 출력 신호의 세기는 최대로 된다. 그러나, 루프(14)가 회전되면, 역전달파(W_1,W₂)는 사냑 효과에 따라 통상으로 시프트되므로, 이 파들이 결합기(34)에서 중첩되면, 이 파들은 광 출력신호의 세기를 감소시키도록 파괴적을 간섭한다. 루프(14)의 회전으로 발생된 역전달파(W₁, W₂)사이의 이러한 사냑 위상차는 다음의 관계식으로 정해진다.

여기서, A는 광섬유의 루프(14)에 의해 정해진 면적이고, N은 주위에서의 광섬유 권선 수이며, Ω은 루프의 평면엠 수직인 축 주위에서의 루프의 각 속되고, λ 및 C는 각각의 인가된 광의 파장 및 파속의 자유공간 값들이다.

광 출력신호의 세기(I_r)는 역전달파(W_1,W₂) 사이의 사냑 위상차(

ψ_R) 함수이고, 다음 식으로 정해진다.

여기서, I₁및 I₂는 각각의 역전달파(W₁, W₂)의 세기이다.

식(1) 및 (2)로부터, 광 출력신호의 세기는 회전 속도Ω의 함수라는 것을 알 수 있다. 그러므로, 이러한 회전속도의 표시는 검출기(30)을 사용하여 광출력 신호의 세기를 측정함으로써 얻어질 수 있다.

제6도는 곡선(80)을 도시한 것인데, 이 곡선은 광 출력신호의 세기(I_T)와 역전달파(W₁, W₂)사이의 사냑 위상차(

ψ_R)사이의 관계를 나타낸다. 이러한 곡선(80)은 코사인(cosine)곡선 형태로 되어 있고, 샤냑 위상차가 0일때 광 출력신호의 세기는 최대이다. 역전달파(W₁, W₂) 사이의 위상차가 완전히 루프(14)의 회전에 의해 발생되는 경우에, 곡선(80)은 수직 축에 대해 대칭으로 변하게 된다. 그러나, 1981년 7월 29일자 출원된 유럽 특허출원 제82902595.6호, 공보 제0084055호에 기술된 바와 같이, 편광된 광을 사용하면, 역전달파(W₁, W₂) 사이의 부수적인 비상반 위상차가 광섬유(12)의 잔여 복굴절성에 의해 발생될 수 있다.

상기 특허출원은 본 명세서에서 참고 문헌으로 사용하였다. 이 부수적인 비상반 위상차는 전혀 편광되지 않은 광이 사용될 경우에는 발생하지 않게 된다. 단일 모드 광섬유(12)의 각각의 2개의 편광 모드내에서 이동하는 광은 상이한 속도로 이동하기 때문에 복굴절성 유도 위상차들이 생긴다. 복굴절성은 한 편광 모드를 이용하는 광의 일부분을 다른 모드 내로 결합시킨다. 이것은 제6도의 곡선(80)을 왜곡 또는 시프트시키는 식으로 역전달파(W₁, W₂)를 간섭시키는 역전달파(W₁, W₂) 사이의 비회전적으로 유도된 유상차를 발생시킨다. 이러한 시프트는 제6도에 기상선으로 도시한 곡선(82)로 도시되어 있다. 이러한 복굴절성 유도 비상반 위상차는 회전적으로 유도된 사냑 위상차와 구별할 수가 없고, 광섬유 복굴절성을 변화시키는 온도 및 압력과 같은 주위 환경 요소에 따라 변한다.

그러므로, 광섬유 복굴절성은 광 회전 감지기 내에서 에러를 발생시키는 주요한 소스가 된다.

[편광기(32)가 있는 상태 하에서의 동작]

광섬유 복굴절성으로 인해 비상반 동작의 문제점은 상술한 바와 같이, 단일 편광 모드만을 사용한느 편광기(32; 제1도 참조)에 의해 본 발명의 회전 감지기내에서 해결된다. 편광기(32)가 제5도에 참조번호(27)로 표시된 지점에서 시스템 내로 유입되면, 편광기(32)를 통과하는 광은 선택된 편광 모드로 루프(14)내에 전파된다. 또한, 역전달파들이 광 출력 신호를 형성하도록 재결합되면, 루프에 인가된 광과 동일한 편광이 아닌 광은 광 검출기(30)에 도달하지 못하게 되는데, 그 이유는 광 출력신호가 편광기(32)를 통과하기 때문이다. 그러므로, 광 출력신호는 결합기(34)의 포트(A)로부터 결합기(26)의 포트(B)로 이동할때, 루프에 인가된 광과 아주 동일한 편광을 갖게 된다.

그러므로, 동일한 편광기(32)를 통해 입력 광 및 광출력신호를 통과시킴으로써, 단 1개의 단일 광 경로가 사용되므로, 2개의 가능한 편광 모드 내의 상이한 전파 속도에 의해 발생된 복굴절성 유도 위상차의 문제점을 제거하게 된다. 즉, 광섬유 내의 복굴절성에 의해 선택된 모드로부터 선택되지 않은 모드로 전파되는 모든 광을 필터링함으로써, 상이한 전파속도로 인해 선택된 모드와 관련하여 위상을 얻거나 손실시키는 선택되지 않은 모드 내의 모든 광파들을 제거할 수 있다.

또한, 편광 제어기(24,36 ; 제1도 참조)가 편광기(32)에서의 광전력 손실을 감소시켜 검출기(30)에서의 신호 세기를 최대화하도록 인가된 광 및 광 출력신호의 편광을 조정하기 위해 사용될 수 있다는 것을 알 수 있다.

[위상 변조기(38)이 있는 상태 하에서의 동작]

제6도를 다시 참조하면, 곡선(80)이 코사인 함수이므로, 광 출력 신호의 세기는 역전달파(W₁,W₂) 사이의 작은 사냑 위상차(△ø_R)에 대해 비선형이다. 또한, 광 출력 신호 세기는 △ø_R의 값이 작은 경우에 위상 차 내의 변화에 비교적 둔감하다. 이러한 비선형 및 둔감성은 검출기(30)에 의해 측정된 광 세기(Ir)를 식(1)을 통해 루프(14)의 회전 속도를 나타내는 신호로 변환시키는 것을 어렵게한다.

또한, 편광기(32)를 사용함으로써 상술한 바와 같이, 역절달파(W_1,W₂) 사이의 복굴설성 유도 위상차들이 제거되더라도, 광섬유 복굴절성으로 인해 발생된 편광 모드들 사이에 횡결합이 생긴다. 이 횡결합은 광출력신호의 광 세기를 감소시키는데, 그 이유는 결합된 광이 편광기(32)상의 광 검출기(30)에 도달하지 못하기 때문이다. 그러므로, 광섬유 복굴절성 내의 변화들은 제6도의 곡선(80)의 진폭을 예를들어 곡선(84)로 도시한 바와 같이 변화시킨다. 제6도의 곡선(80, 82 및 84)는 원래의 크기로 도시되어 있지 않다.

상술한 문제점들은 제1도에 도시한 위상 변조기(38), 신호 발생기(40) 및 로크-인 증폭기(46)을 사용하는 동기 검출 시스템에 의해 해결된다.

제7도를 참조하면, 위상 변조기(38)은 신호 발생기(40)의 주파수에서 각각의 역전달파(W_1,W₂)의 위상을 변조시킨다. 그러나, 제1도에서 알 수 있는 바와 같이, 위상 변조기(38)은 루프(14)의 한 단부에 배치된다. 그러므로, 역전달파(W₁)의 변조는 역전달파(W₂)의 변조와 동상은 아니다. 실제로는 역전달파(W_1,W₂)의 변조가 180^o이상(out of phase)된 것이 이러한 동기 검출 시스템을 양호하게 동작시키게 바람직하다. 제7도를 참조하면, 정현파 곡선(90)으로 나타낸 역전달파(W₁)의 변조가 곡선(92)로 도시된 역전달파(W₂)의 변조와 180°이상 되는 것이 바람직하다. 역전달파(W₂)의 변조와 관련하여 역전달파(W₁)의 변조사이에 이러한 180°위상차를 제공하는 변조 주파수를 사용하는 것이 하는 것이 특히 유리한데, 이것은 검출기(30)에 의해 측정된 광 출력신호 내의 변조기 유도 진폭 변조를 제거한다. 이러한 변조 주파수(f_m)은 다음 식을 사용하여 계산될 수 있다.

여기서, L은 역전달파(W₁,W₂)용 결합기(34)와 변조기(38) 사이의 차동 광섬유 길이, 즉 광섬유를 따라 측정된 변조기(38)과 루프(14)이 다른 축상의 대칭점 사이의 거리이고, n_eq는 단일 모든 광섬유(12)에 대한 등가 굴절률이며, C는 루프(14)에 인가된 광의 자유 공간 속도이다.

＂고유＂주파수라고 부르는 이 변조 주파수(f_m)에서, 곡선(90 및 92)에 따라 역전달파(W₁,W₂)의 위상 변조로부터 생기는 역전달파(W₁,W₂) 사이의 위상차₍△ø₁)는 제7도에 정현파 곡선(94)로 도시되어 있다. 곡선(94)는 역전달파(W₁,W₂) 사이의 위상차를 얻기 위해 곡선(90)으로부터 곡선(92)를 뻗으므로서 얻어진다. 또한, 역전달파(W₁,W₂) 사이의 위상차의 이러한 변조는 사냑 위상 시프트와 마찬가지로 제6도의 곡선(80)에 따라 광 출력 신호의 세기(I_T)를 변조시키는데, 그 이유는 이러한 위상변조(△ø_R)이 회전적으로 유도된 사냑 위상차(△ø_R)과 구별될 수 없기 때문이다.

상술한 설명은 광 출력 신호의 세기(I_T)를 축으로 하여 (a) 제7도의 곡선(94)에 의해 정해진 위상 변조(△ø₁) 및 (b) 사냑 위상차(△ø_R)의 효과를 도식적으로 도시한 제8도 및 제9도를 참조함으로써 더욱 완전히 이해할 수 있다.

제8도 및 제9도를 설명하기 전에, 먼저 변조된 광 출력신호의 세기(I_T)가 역전달파(W₁,W₂) 사이의 전체 위상차의 함수라는 것을 알아야 한다. 이러한 전체 위상차는 회전적으로 유도된 사냑 위상차(△ø)는 다음과 같이 표현될 수 있다.

따라서, 회전적으로 유도된 위상차(△ø_R)뿐만 아니라 변조 유도위상차(△ø₁)의 효과가 제8도 및 제9도를 참조하여 고찰되기 때문에, 곡선(80)에 대한 수명 축은 제6도에서와 같이 회전적으로 유도된 위상차만이 아니라 전체 위상차가 고찰되는 것을 나타내도록 △ø로 명칭이 바뀌어져 있다.

제8도를 참조하면, 제8도에서는 광 출력 신호의 세기(I_T)를 축으로 한 위상 변조(△ø₁)의 효과[곡선(94)]가 도시되어 있다. 곡선(80)은 역전달파들 사이의 위상차(△ø)에 대해 2개의 간섭 인접파들로부터 발생되는 광 출력 신호의 세기사이의 관계를 나타낸다. (93)으로 도시한 바와 같이, 이들 사아의 상태 위상각이 0이면, 결합된 역전달파의 최종적인 세기는(95)로 도시된 바와 같이 최대로 된다. 역전달파(W₁,W₂)사이의 상대 위상이 0이 아니면 결합된 광 신호는 위상차(△ø)의 크기에 따라 변하는 더 낮은 세기를 갖게 된다. 이 세기는 (97) 및 (99)로 각각 도시한 바와 같이, 상대 위상차가 +180°나 -180°로 될때까지 △ø로 계속 감소한다. +180°또는 -180°의 위상차에서, 2개의 역전달파들은 완전히 파괴적으로 간섭하고, 최종 세기는(97) 및 (99)로 도시한 바와 같이 0으로 된다.

제8도에서, 루프(14)가 휴지상태이므로, 광신호가 사냑 효과에 의해 영향을 받지 않는다고 가정한다. 상세하게 말하면, 변조 유도 위상차 곡선(94)는 광 출력 신호를 곡선(96)으로 도시한 바와 같이 변화된다는 것을 알 수 있다.

곡선(96)은 역전달파(W₁,W₂) 사이의 위상차(△ø)에 대한 최종 광 세기를 나타내는 곡선(80) 상에 역전달파(W₁,W₂) 사이의 순간 위상차(△ø₁)을 나타내는 곡선(94) 상에 점들을 이동시킴으로써 얻어진다. 곡선(94) 상의 모든 점들이 곡선(80) 상으로 이동되어 이에 대응하는 세기들이 기입되면, 곡선(96)이 생긴다. 곡선(80)을 통해 곡선(94)를 이동시키는 것은 곡선(80)의 수직축에 대해 대칭이므로, 검출기(30)에 의해 측정된 광 세기는 곡선(96)으로 도시한 바와 같이, 변조주파수의 제2조파와 도일한 주파수에서 주기적으로 변한다.

상술한 바와 같이, 로크-인 증폭기(46)이 신호 발생기(40 ; 제1도 참조)으로부터의 변조 주파수(f_m)에서 기준신호에 의해 동조되기 때문에, 로크-인 증폭기는 변조기(38)의 변조 주파수(f_m), 즉 제1조파에서 검출기 출력신호만을 동시에 검출한다. 그러나, 곡선(96)으로 도시한 바와 같이, 검출기 출력신호가 변조 주파수의 제2조파에 있기 때문에, 증폭기(46)으로부트의 출력신호는 0로 되어 표시기(47)은 0의 회전속도를 표시하게 된다.

제6도의 곡선(94)를 참조하여 기술한 바와 같이, 복굴절성 유도 진폭 변동들 이 광출력신호내에서 생기더라도, 제8도의 곡선(96)은 제2조파 주파수에서 유지된다는 것을 알아야 한다. 그러므로, 이러한 복굴절성 유도 변동들은 증폭기(46)의 출력신호에 영향을 미치지 않게된다. 그러므로, 기술한 검출 시스템은 복굴절성 내의 변화에 둔감한 더욱 안정한 동작점을 제공한다.

루프(14)가 회전될때, 역전달파(W₁,W₂)들은 상술한 바와 같이 사냑 효과에 따라 동상으로 시프트된다. 사냑 위상 시프트는 회전속도가 일정한 경우 일정한 위상차(△ø_R)을 제공한다. 이러한 사냥 위상 시프트는 변조기(38)에 의해 발생된 위상차(△ø₁)에 가산되므로, 전체 곡선(94)는 제9도에 도시한 바와 같이, △ø_R과 동일한 크기만큼 제8도에 도시한 위치로부터 동상으로 시프트된다. 이것은 광 출력 신호를 점(99,101)사이이 곡선(80)을 따라 비대칭적으로 변화시킨다. 이것은 곡선(96)으로 도시한 바와 같은 광 출력신호를 발생시킨다.

곡선(96)상의 점들은 다음과 같은 유도된다. 곡선(94)상에 (103)으로 도시한 결합 위상차는 곡선(80) 상의 점(101)을 통해 곡선(96) 상의 점(105)로 이동한다. 곡선(94) 상의 점(107)은 곡선(80)상의 점(109)를 통해 곡선(96) 상의 점(111)로 이동한다. 이와 마찬가지로, 점(113)은 점(99)를 통해 점(115)로 이동하고, 점(117)은 점 (109)를 통해 점(119)로 이동한다. 최종적으로, 점(121)은 점(101)을 통해 점(123)으로 이동한다.

광 출력신호(96)은 정현파 곡선(98)의 가상선으로 도시한 바와 같은 제1조파 성분을 갖고 있다. 그러나, 제1조파 성분 곡선(98)의 최대 진폭은 어떤 경우일지라도 점(115)에서의 광 출력 신호의 진폭에 정확히 정합시킬 필요가 없다.

이러한 정현파 곡선(98)의 RMS값은 회전적으로 유도된 사냑 위상차(△ø_R)의 사인값에 비례한다. 증폭기(46)이 변조기(38)의 기본 주파수를 갖고 있는 신호들을 동시에 검출하기 때문에, 증폭기(46)은 곡선(98)의 RMS값에 비례하는 신호를 출력시킨다. 이 신호는 루프의 회전속도를 표시하는데 사용될 수 있다.

제9도는 루프(14)의 한 회전 방향(예를들어, 시계방향)에 대한 광 출력 신호의 세기 파형을 도시한 것이다. 그러나 루프(14)가 동일한 속도로 반대방향(예를들어, 반시계 방향)으로 회전되면, 광 출력 신호의 세기 파형(96)은 곡선(98)이 제9도에 도시한 위치로부터 180°시프트되도록 이동되는 것을 제외하면, 제9도에 도시한 것과 아주 동일하다. 로크-인 증폭기(46)은 루프의 회전방향이 시계방향인지 반시계 방향인지의 여부를 결정하도록 제1조파(98)의 위상을 신호 발생기(40)으로부터 기준신호의 위상과 비교함으로써 곡선(98)에 대한 180°위상차를 검출한다. 회전방향에 따라서, 증폭기(46)은 정(+) 또는 부(-)신호를 표시기(47)에 출력시킨다. 그러나, 회전방향에 관계없이, 신호의 크기는 루크(14)의 회전 속도가 동일한 경우에 동일하다.

증폭기 출력신호의 파형은 제10도에 곡선(100)으로 도시되어 있다. 상기 곡선은 정현파이고, 루프(14)의 회전방향이 시계방향인지 도는 반시계 방향인지의 여부에 따라 (125)로 표시한 0의 회전 속도 출력전압으로부터 정(+) 또는 부(-)로 변한다. 또한, 곡선(100)은 원점에 대해 대칭적으로 변하고, 회전을 측정하기 위해 비교적 넓은 동작 범위를 제공하는 선형 부부(102)를 갖고 있다. 또한, 곡선(100)의 기울기는 선형 동작부분(102)를 걸쳐 작은 사냑 위상 시프트에 대해 우수한 감도를 제공한다.

그러므로, 동기검출 시스템을 사용함으로써, 비선형성, 작은 사냑 위상시프트에 대한 둔감성 및 복굴절 유도 진폭 변동의 상술한 문제점들이 점(97,95) 사이의 곡선(80)상의 어느 점에서든지 제9도의 점(99,101)을 유지하는 루프(14)의 회전 속도를 위해 감소되거나 제거된다.

그러므로, 기술한 검출 시스템의 다른 장점은 변조기(38)과 같은 위상 변조기의 상태가 직접적으로나 간접적으로 편광 변조를 통해 광 출력신호를 진폭 변조, 즉 위상 통과하는 어떤 광을 선택되지 않은 편광 모드로 시프트시킨다는 것이다. 그러나, 역전달파 동작함으로써 변조기(38)에 의해 각각의 역전달파(W₁,W₂)내에 유도되는 이 진폭 변조의 홀수 조파 주파수 성분들은 이러한 역전달파들이 광 출력신호를 형성하도록 중첩될때에 서로 상쇄된다는 것을 식(3)을 참조하여 기술한 상기 설명으로부터 알 수 있다. 그러므로, 상술한 검출 시스템이 광출력 신호의 홀수 조파, 즉 기본 주파수만을 검출하기 때문에 바람직하지 못한 진폭 변조 효과들은 제거된다. 그러므로 식(3)에 의해 정해진 특정 주파수에서 동작하고, 광 출력신호의 홀수 조파만을 검출함으로써, 본 발명의 회전감지기는 변조기의 유도 진폭 및 편광 모드에 관계없이 동작할 수 있다.

고유 주파수에서 동작하는 다른 장점은 각각의 역전달파(W₁W₂)내에 변조기(38)에 의해 유도된 위상 변조의 짝수 조파들은 이 역전달파들이 광 출력신호를 형성하도록 중첩될 때 상쇄된다는 것이다. 이 짝수 조파들은 중첩에 의해 검출 시스템에 의해 다른 방법으로 검출되어야 하는 광신호 내의 의사 홀수 조파들을 발생시키기 때문에, 이것들을 제거하면 회전감지 정확도를 향상시키게 된다.

식(3)에 의해 정해진 주파수에서 위상 변조기(38)을 동작시키는 것 이외에, 광 출력신호 세기가 검출된 제1조파의 진폭이 최대로 되도록 위상 변조므기를 조정하는 것이 바람직한데, 그 이유는 회전감지감도 및 정확도를 향상시키기 때문이다. 제7도, 제8도 및 제9도에 크기(Z)로 표시한 역전달파(W₁,W₂) 사이에서 변조기의 유도 위상차(△ø₁)의 진폭이 1.84라디안일때, 소정이 회전 속도의 경우에 광 출력 신호 세기의 제1조파가 최대로 된다는 것을 알게 되었다. 이것은 위상차(△ø)와 함께 세기(I₁,I₂)를 각각 갖고 있는 2개의 중첩파의 전체세기(I_T)에 대한 다음 식을 참조함으로써 더욱 완전히 이해할 수 있다.

I_T=I₁+I₂+2I₁I₂cos(△ø) (5)

여기서,

△ø=△ø_R+△ø₁(6)

이고, △ø=Zsin(2πfmt) (7)

이다. 그러므로,

△ø=△ø_R+ Zsin(2πfmt) (8)

로 된다. cos(△ø)의 푸리에 전개식(Fourier expansion)은 다음과 같다.

여기서, J_n(Z)는 변수 z의 n번째 베셀(Bessel) 함수이고, z는 역전달파(W₁,W₂) 사이의 변조기 유도 위상차의 최대 진폭이다.

그러므로, I_T의 제1조파만을 검출하는 것을 식으로 나타낸 다음 같이된다.

I_T(1)=4I₁I₂J₁(z)sin(△ø_R)sin(2πf_mt) (10)

그러므로, 광 출력신호 세기의 제1조파의 진폭은 제1베셀 함수[J₁(z)]의 값에 따라 변한다. z가 1.84라디안일때에 J₁(z)가 최대로 되기 때문에, 위상변조의 진폭은 역전달파(W₁,W₂)사이의 변조기 유도 위상차(△ø₁)의 크기(z)가 1.84라디안이 되도록 양호하게 선택되어야 한다.

[후방 산란 효과의 감소]

공지된 바와 같이, 기존의 광섬유 기술상태는 광학적으로 완전히 못하지만, 광섬유의 기본 물질 내의 밀도 변동과 같은 결점을 갖고 있다. 이 결점들은 광섬유의 굴절률을 변화시켜서 소량의 광을 산란시킨다. 이 현상을 통상적으로 레일레이(Rayleigh) 산란이라고 부른다.

이러한 산란은 약간의 광을 광섬유로부터 손실시키지만, 이러한 손실량은 비교적 적으므로 중요한 문제는 되지 않는다. 레일레이 산란과 관련된 기본적인 문제점은 손실되는 산란 광이 아니라, 초기 전파 방향과 반대방향으로 광섬유를 통해 전파되도록 반사되는 광에 관한 것이다.

이것을 통상적으로 ＂후방 산란＂관이라고 부른다. 이러한 후방 산란광은 역전달파(W₁,W₂)를 포함하는 광과 간섭하기 때문에, 이 광은 이러한 역전달파와 건설적으로나 파괴적으로 간섭할 수 있으므로, 검출기(30)에 의해 측정된 바와 같이 광 출력 신호의 세기를 변화시킨다.

역전달파와 간섭되는 1개의 파로부터의 후방 산란 광 부분은 루프(14)의 중심의 간섭 길이 내에서 산란되는 광 부분이다. 그러므로, 소스의 간섭 길이를 감소시킴으로써 후방 산란 광과 역전달파 사이의 간섭이 감소된다. 후방 산란 광의 나머지 부분은 역전달파와 간섭되지 않으므로, 이들 사이의 간섭 또는 평균 화도도록 임의로 변한다. 그러므로, 후방 산란 광의 비간섭 부분은 세기가 일정하게되고, 그 결과로서 광 출력신호의 세기를 크게 변화시키지 않는다. 따라서, 본 발명에서는 예를 들어, 1m 이하인 비교적 짧은 간섭길이를 갖고 있는 레이저를 발광소스(10)으로서 사용함으로써 후방 산란 효과가 감소된다. 특정한 예에 의하면, 발광 소스(10)은 상술한 바와 같이 제너럴 옵트로닉스 코포레이션이 시판 중인 모델명이 GO-DIP인 레이저 다이오드로 구성될 수 있다.

후방 산란파의 역전달파 사이의 파괴적이거나 건설적인 간섭을 방지하는 선택적인 방법은 광섬유 루프(14)의 중심에서 시스템 내의 부수적인 위상 변조기를 포함하는 것이다. 이 위상 변조기는 변조기(38)과 동기되지 않는다.

역전달파들은 루프 주위를 이동할 때에 부수적인 위상 변조기를 단 한번 통과한다. 역전달파가 부수적인 변조기에 도달하기 전에 전달파로부터 생기는 후방 산란파의 경우에, 이러한 후방 산란파는 부수적인 변조기에 의해 위상 변조되지 않는데, 그 이유는 이것의 소스 전달파나 후방 산란파 후방 산란파 자체가 부수적인 변조기를 통과하지 않기 때문이다.

한편, 부수적인 위상 변조기를 통과한 후 역전달파로 부터 생기는 후방 산란파의 경우에, 이러한 후방 산란파는 효율적으로 2번 위상 변조되는데, 한번은 역전달파가 부수적인 이상 변조기를 통과했을 때이고, 또 한번은 후방 산란파가 부수적인 변조기를 통과했을 때이다.

그러므로, 부수적인 위상 변조기가 ø(t)의 위상으로 시프트하면, 루프(14)의 중심을 제외한 어떤 지점에서 발생되는 후방 산란파는 역전달파에 대한 ø(t) 위상 시프트와 관련하여 시간에 따라 변하는 0또는 2ø(t)의 우상으로 시프트하게 된다. 이러한 시간 변화 간섭은 시간에 따라 평균화되어, 후방 산란 효과를 효율적으로 제거시킨다.

후방 산란으로부터 파괴적이거나 건설적인 간섭을 방지하는 다른 선택적인 방법에 있어서, 변조기(38)과 동기되지 않은 부수적인 위상 변조기가 발광 소스(10)의 출력에 삽입될 수 있다.

이 경우에, 루프(14)는 중심이 아닌 다른 점에서 나타나는 후방 산란파는 이러한 후방 산란파를 발생시키는 역전달파와는 다른 발광 소스(10)으로부터 검출기(30)까지의 광 경로 길이를 갖게 된다.

그러므로, 역전달파는 루프(14)를 한번 통과하지만, 후방 산란파 및 이러한 후방 산란파를 발생시키는 역전달파는 루프(14)의 일부분을 2번 통과한다. 이 부분의 루프의 1/2의 아니면, 경로 길이는 다르게 된다. 경로 길이가 다르기 때문에, 검출기(30)에 도달하는 역전달파는 동시에 검출기(30)에 도달하는 후방 산란파와는 다른 시간에 소스(10)에서 발생된다. 부수적인 위상 변조기에 의해 소스(10)에 도입된 위상 시프트는 역전달파에 따라 위상 시프트 ø(t)를 도입하지만, 후방 산란파에 대해서는 위상 시프트 ø(t+k)를 도입한다. 여기서, k는 파들이 변조기를 통과하는 시간차이다. ø(t+k)는 ø(t)에 대한 시간 변화하기 때문에, 후방 산란 간섭은 시간에 따라 평균화되어, 후방 산란 효과를 효율적으로 제거한다.

동적 범위가 확장된 검출 시스템

제1도 내지 제10도를 참조하여 상술한 검출 시스템은 루프(14)에 대한 회전 속도 내에서 매우 효율적인 회전 감지 시스템이다. 그러나, 동적 범위는 소정의 현상에 의해 제한된다. 제9도를 참조하면, 곡선(80)은 주기적인 것임을 알수 있다. 그러므로, 고속 회전 속도가 점(97) 또는 점(95)를 지나 곡선(94)를 이동시키도록 충분히 큰 △ø_R을 발생시키면, 함수(96)은 제2고속 회전 속도 동안 자체 반복할 수 있다. 이러한 제2회전 속도는 제9도에 도시한 사냑 위상 시프트 △ø_R을 발생시킨 회전 속도보다 상당히 더 크지만, 광 출력 신호(96)을 사용하여 저속과 구별할 수 없다. 즉, 어느 정도 고속 회전 속도로부터 △ø_R이 곡선(80)의 제2로브(lobe) 상의 2개의 새로운 점(99',101') 사이에서 동작하도록 곡선(94)를 이동시키기에 충분히 크면, 출력 광신호(96)은 곡선(94)가 점(99,101) 사이에서 동작하는 도시된 경우로부터 이러한 경우를 구별할 수 없다.

검출 범위를 확장시키기 위해, 제2조파 위상 변조 장치가 사용될 수 있다. 이 장치는 제24도에 개방 루프 형태로 도시되어 있고, 제11도에는 폐쇄 루프 형태로 도시되어 있다.

제11도를 참조하면, 본 발명의 검출 시스템의 양호한 페루프 실시예의 계통도가 도시되어 있다. 제11도에 제1도와 동일한 번호로 기재되어 있는 모든 구성 부품들은 제1도와 동일한 구조 및 기능을 갖는다. 제11도의 회로는 제1도의 회로와 다른데, 그 차이점은 루프(14) 내의 제2위상 변조기(138) 상의 구동 전압을 제어하는 귀환 신호로서 곡선(100)으로 표시한 로크-인 증폭기 출력을 사용하는 귀환 루프를 포함한다는 것이다. 제2위상 변조기(138)은 루프(14)의 회전에 의해 발생된 제1조파 신호(98)를 상쇄시키는 광 출력 신호 내의 제1조파 신호를 발생시키므로, 로크-인 증폭기 출력을 루프 회전 속도에 관계없이 0으로 구동된다. 따라서, 제11도의 회로 내의 로드-인 증폭기 출력은 귀환 루프의 에러 신호를 제공하므로, 이제부터는 ＂귀환 에러 신호＂라고 부르겠다. 다음에 제11도의 귀환 회로의 구조 및 기능에 대해 상세히 기술하겠다. 이 설명으로부터, 제11도의 귀환 회로가 회전 감지의 동적 범위를 확장시키고, 이러한 회전 감지가 제2위상 변조기(38)을 위한 선(44) 상에 제1조파 구동 신호를 발생시키는 단일 A.C. 발생기(40)이 도시되어 있다. 주파수 체배기(126)은 선(44) 상의 제1조파 구동 신호를 수신하여, 선(126) 상의 제2조파 성분을 발생시키도록 주파수를 2체배한다.

선(128) 상의 제2조파 신호는 에러 교정 변조기 회로(130)의 입력에 결합된다. 상기 교정 변조기(130)은 로크-인 증폭기(46)의 출력으로부터 선(132) 상의 귀환 에러 신호를 수신한다. 제1도에서와 같이, 로크-인 증폭기는 선(48) 상의 광 검출기(30)으로부터의 출력 신호 및 선(44) 상의 기준 신호를 수신한다. 이 경우, 선(44) 상의 기준 신호는 A.C. 신호 발생기(40)으로부터 출력된 제1조파 신호이다. 선(132) 상의 로크-인 증폭기(46)에 의해 발생된 에러 신호는 선(44) 상에 기준 신호의 주파수를 정합시키는 선(48)상의 입력 신호의 푸리에 성분의 진폭에 비례한다. 상기 에러 신호는 제10도의 곡선(100) 상의 어느 점에 놓이게 된다. 이러한 특정한 경우에, 에러 신호는 입력선(48) 상의 제1조파 성분의 고정된 진폭 내에서 발생되는 일정한 회전 속도에 대해 곡선(100) 상의 D.C. 레벨로 된다. 제1조파 성분의 진폭이 변하여, 에러 신호의 D.C. 레벨은 동작점이 곡선(100)을 따라 시프트할때 변하게 된다.

이미 기술한 바와같이, 곡선(100)은 제9도 내의 곡선(80)이 주기적이기 때문에 주기적으로 된다. 그러므로, 광 출력 신호(96)의 제1조파 성분의 크기는 증가하는 사냑 위상 시프트들이 전체 위상 시프트 곡선(94)를 곡선(80)의 다른 로브 내로 밀어 넣을 때 주기적으로 변한다. 즉, 곡선(100) 상의 점(134;제10도 참조)는 전체 최종 위상 시프트 곡선의 최대값 및 최소값이 곡선(80)의 제2로브상의 대칭적으로 균형이 잡힌 점들을 통해 이동하도록 사냑 위상 시프트 곡선(94)를 더욱 충분히 밀어내는 상황을 나타낸다. 최종 출력 파형(96)은 회전 속도가 0인 경우에 대해 제8도에 도시한 출력 광 신호(96)과 같이 되고, 제1조파 성분을 갖지 않게 된다. 파형(96)은 이 상황에서 제1조파 성분을 갖고 있지 않기 때문에, 로크-인 증촉기의 출력은 회전 속도가 0이 아니라는 사실에도 불구하고 0으로 된다.

본 발명의 검출 시스템은 제1조파로 위상 변조된 주파수보다 더 큰 주파수를 갖고 있고, 양호한 실시예에서, 제1조파의 조파, 양호하게는 제2조파이며, 사냑 위상 시프트에 의해 발생된 제1조파 성분과 진폭이 거의 동일하지만, 180°이상된 광 출력 신호 내의 제1조파 성분을 발생시키기에 충분한 진폭을 갖고 있는 주기적인 위상 변조를 부가시킴으로써 이러한 문제점을 해결한다. 그러므로, 이러한 제2주파수에서의 위상 변조는 광 출력 신호에서 회전하여 발생된 모든 제1조파 성분을 상쇄시킨다.

선(132) 상의 귀환 에러 신호를 제2조파에서 위상 변조에 대한 상쇄 진폭, 즉 광 출력 내의 제1조파 성분을 상쇄시키기에 충분한 진폭을 가진 제2조파 구동 신호로 변환시키는 기능은 에러 교정 변조기(130), 위상 시프트 회로(136) 및 제2조파 위상 변조기(138)에 의해 실행된다.

에러 교정 변조기(130)은 선(132) 상의 0이 아닌 에러 신호를 수신할 때, 선(128) 상의 제2조파 신호를 수신하고, 선(132) 상의 에러 신호의 크기가 0 또는 0의 선정된 범위 내의 값으로 감소되도록 에러 신호의 크기 또는 부호에 응답하여 진폭을 증가시키거나 감소시킨다. 선(132) 상의 에러 신호에 대해 선정된 레벨로 도달되면, 변조기(130)은 에러 신호가 다시 변할 때가지 에러 신호에 대한 0 또는 작은 값을 발생시키는 진폭에서 안정된 제2조파의 레벨을 유지한다. 에러 신호 내의 변화에 따라, 변조기(130)은 선(132) 상의 에러 신호가 다시 0 또는 0의 선정된 범위 내의 값으로 감소될 때까지 선(140) 상의 제2조파 구동 신호의 진폭을 다시 변화시킨다.

즉, 에러 교정 변조기(130)은 선(140) 상의 제2조파 구동 신호의 진폭을 조정하기 위해 선(132) 상의 귀환 에러 신호를 사용한다. 이 제2조파 구동 신호의 주파수는 제1조파 구동 신호의 주파수의 2배이고, 위상은 위상 시프트 회로(136)에 의해 제1조파에서 위상 변조된 구동 파형에 따라 시프트된다. 이러한 위상은 제2조파 파형의 최대값 및 최소값이 제1조파에서 위상 변조된 구동 파형의 최대값, 최소값 및 제로 크로싱값(zero crossing)에 대응하도록 시프트된다. 또한, 제2조파에서 위상 변조된 파형의 진폭은 수정 변조기(130)에 의해 사냑 위상 시프트로 인해 발생되는 광 출력 신호 내의 제1의 사냑 위상 시프트로 인해 발생되는 광 출력 신호 내의 제1의 회전적으로 유도된 조파 성분을 상쇄시키는 구동 레벨로 셋트된다. 이것은 제12도를 고찰함으로써 더욱 명백하게 알 수 있다.

제12도는 루프 회전 및 위상 변조기(38,138)로 인해 발생되는 역전달파(W₁,W₂) 사이의 모든 최종 상대 위상 시프트 사이의 관계를 도시한 것이다. 또한, 이 전체 위상 시프트에 대응하는광 출력 신호로 도시되어 있다. 최종 또는 전체 위상 시프트 곡선(142)는 회전 속도가 일정한 경우에 일정한 바이어스(144)로 표시한 사냑 위상 시프트 △ø_R을 곡선(146)으로 표시한 정현파식으로 시간 변화하는 제1조파 위상 시프트 △ø₁ _cos(ω mt) 및 곡선(148)로 표시한 정현파식으로 시간 변화하는 제2조파 위상 시프트 △ø₂ _cos(2ω mt)의 합을 나타낸다.

최종 위상 시프트 △ø는 △ø_{1 cos}(ω mt)+△ø_{2 cos}(2ω mt)-△ø_R이다.

제12도로부터, 곡선(146)의 제1조파에서 위상 시프트 된 크기 △ø₁은 수직축(p)와 평형 동작점(150 또는 152) 중의 한 동작점 사이의 약(z)와 동일하다는 것을 알 수 있다. 도한, 제2조파에서 위상 시프트된 곡선(148)의 크기 △ø₂는 사냑 위상 시프트 △ø_R의 크기와 동일하다는 것도 알 수 있다. 이 2개의 상태들이 정확하고, 제2조파에서 위상 시프트된 곡선(146)의 최대값, 최소값 및 제로 크로싱값과 일치하도록 동상으로 시프트되면, 소정의 결합 또는 최종 위상 시프트 및 광 출력 신호에 대해서도 최종 위상 시프트된 곡선(142)의 최대값(162 및 164)가 곡선(80) 상에 대칭 평형점(150,152)는 수직축(p) 주위에서 대칭적으로 평형 배치되어 있는데, 이 점들은 각각 p축과 등거리에 있고, 최대값(151)과 관련하여 각각 곡선(80) 상의 동일한 위치에 배치되어 있다. 최종 위상 시프트된 곡선(142) 상의 점들이 곡선(80)을 통해 도시되면, 최종 출력된 광 신호는 곡선(166)으로 도시한 시간 대 세기의 파형을 갖게 된다. 곡선(166)이 제1조파 성분을 갖고 있지 않기 때문에, 로크-인 증폭기(46)으로부터의 선(132) 상의 에러 신호는 0으로 되는데, 그 이유는 로크-인 증폭기가 주파수 fm에서의 제1조파 성분을 제외한 모든 성분들을 제거하기 때문이다. 검출기(30)은 광 세기 곡선(166)과 비례하는 전기 신호를 출력시키므로 선(48) 상의 전기 신호도 제1조파 성분을 갖지 않는다.

제1조파에서 위상 시프트된 곡선이 제12도 내의 양(z)와 동일한 진폭을 갖고 있지 않거나 제2조파 성분(148)이 △ø_R과 동일한 진폭을 갖고 있지 않으면, 최종 위상 시프트된 최대값(162,164)는 점(150,152)에서의 평형 대칭적으로 배치된 위상 시프트를 나타내지 않는다. 이것은 곡선(166)과 다르고, 푸리에 제1조파성분을 갖고 있는 출력 광 신호(166)을 발생시킨다. 제11도의 검출 시스템의 경우, A.C. 신호 발생기(40)은 선(44) 상의 제1조파 구동 신호의 진폭 △ø₁이 제12도 내의 양(z)에서 안정한 상태로 유지되고, 주파수가 상술한 바와같이＂고유＂주파수로 유지되도록 조정된다. 진폭(z)는 전술한 바와같이 1.84 라디안으로 선택된다. 그러므로, 선(140) 상의 제2조파 구동 신호의 진폭 △ø₂가 사냑 위상 시프트 △ø_R과 정합되도록 조정되고, 위상 시프트 회로(136)이 선(140)내에 배치되어, 제2조파에서 위상 시프트된 곡선(148)의 최대값, 최소값 및 제로 크로싱값과 일치하도록 조정되면, 최종 위상 시프트된 곡선은 제12도 내의 곡선(142)로 도시된 바와같이 된다. 그 결과, 사냑 위상 시프트 △ø_R에 의해 도입된 출력 광 신호(166) 내의 제1조파 성분이 상당히 상쇄된다. 이러한 상쇄는 제2조파에서 동작되는 위상 변조기(138)의 동작에 의해 사냑 효과의 제1조파 푸리에 성분과 크기 및 주파수는 동일하지만 180°이상된 제1조파 성분의 위상 시프트를 유입함으로써 발생된다. 즉, 곡선(166)은 주파수(fm)의 푸리에 급수에서 세기가 변하는 2개의 정형파 제1조파 성분들을 갖게 된다.

이러한 2개의 성분들을 서로 크기는 동일하지만 180°이상된다. 한 성분은 사냑 위상 시프트로 인해 발생 되고, 다른 한 성분은 제2조파에서 동작하는 위상 변조기(138) 내의 주파수 (2fm)에서 광섬유를 연신시킴으로써 발생된다.

그러므로, 선(132) 상의 에러 신호가 0 또는 거의 0으로 떨어질 때까지, 선(140) 상의 제2조파 구동 신호의 진폭 △ø₂를 조정함으로써, 0의 에러 신호를 발생시킨 제2조파 구동 신호의 진폭으로 관찰하여 루프의 회전 속도를 결정할 수 있다. 그리고, 이것은 제12도 내의 곡선(146)을 곡선(80)의 제2, 제3 또는 더 높은 로브 내부 및 외부에 바이어스 시키기에 충분한 사냑 위상 시프트를 발생시키는 고회전 속도의 경우에도 정확하다. 로크-인 증폭기(46)의 출력이 0으로 떨어질 때까지의 제2조파 구동 신호 진폭을 조정하는 이러한 방법은 개방 루프 실시예 내에서는 수동으로 실시될 수 있고, 폐쇄 루프 시스템에서는 자동으로 실시될 수 있다.

전체 효과는 제12도 내의 곡선(80)의 제2 및 더 높은 로브의 불분명한 범위 내외, 즉 제12도 내의 곡선(80) 상의 점(95,97)을 지나서 최종 위상 시프트 곡선에 대한 동작점을 이동시키는 회전 속도를 측정한다. 즉, 본 발명의 소정의 가능한 회전 속도가 특정한 특성을 가진 검출기의 출력을 발생시켰다는 것을 종래 기술의 감지기가 알지 못했을 경우 회전 속도를 높이기 위해 검출기로부터의 출력 신호 내의 모호성(ambiguity)을 제거하기 위한 장치를 제공한다. 그리고, 이렇게 증가된 동적 범위는 감도 손실없이 얻어지는데, 그 이유는 곡선(80)의 로브 측면의 기울기들이 변하지 않기 때문이다.

양호한 실시예에서, 제2조파에서 동작하는 위상 변조기(138)은 제1조파에서 동작하는 위상 변조기의 위치와 루프(14)의 중심 사이의 중간 지점은 루프(14)내에 배치된다. 이 위치에서, 2fm으로 동작하는 위상 변조기(138)은 ＂고유＂주파수 위치에 있게 되는데, 그 이유는 주파수가 fm에서 동작하는 위상 변조기(38)의 위치에 의해 고정되기 때문이다.

제13도에는 에러 교정 변조기(130)의 한 실시예가 도시되어 있다. 이 실시예에서, 선(132) 상의 에러신호는 적분기로서 접속된 연산 증폭기의 반전 입력에 결합된다. 적분기의 구조는 본 기술에 숙련된 기술자들에게 공지되어 있으므로, 본 명세서에서는 더 이상 상세히 기술하지 않겠다. 연산 증폭기 분야에서 공지된 바와 같이, 캐패시터 양단에 생긴 부(-)의 귀환 전압은 점(170)을 계속 가상 접지시키려고 한다. 즉, 점(170)에서의 전압은 부귀환에 의해 0 또는 0에 가까운 전압으로 유지된다. 그러나, 전유는 이러한 가상 쇼트(short)를 통해 접지로 흐르지 않는다. 임피던스(Ro; 172)로 표시한 로크-인 증폭기(46)의 출력 임피던스를 통하는 연산 증폭기(169)의 입력 전류(i_in)은 출력 임피던스(Ro)로 나누어진 로크-인 증폭기(46)의 출력 에러 전압과 동일한데, 그 이유는 점(170)으로부터 접지까지의 임피던스가 0이기 때문이다. 그러나, 노드(170)으로부터 접지로 전류가 흐르지 않기 때문에, 입력 전류(i_in)은 캐패시터(168)을 통해 흐르고, 접지와 관련된 출력 전압(V_o)를 표시하면 다음과 같이 된다.

여기서, C는 캐패시터(168)의 값이다.

제14도에는 연산 증폭 적분기(168)에 대한 응답 특성이 도시되어 있다. 제14도의 (A)의 선(132) 상의 가상 에러 신호를 도시한 것이다. 선(174) 상의 적분기의 출력 전압(V_o)는 제14도의 (B)에 도시되어 있다.

제14도의 (B)로부터 에러 신호가 0인 경우에 출력 전압 곡선은 기울기가 0이고, 0이 아닌 에러 신호들의 크기를 증가시킬 경우에 V_o에 대한 출력 전압 곡선의 기울기 크기가 증가한다는 것을 알 수 있다. 즉, 기울기의 부호는 에러 신호가 정(+) 또는 부(-)인지의 여부에 따라 변하고, 어떤 순간의 기울기의 경사도는 그 순간의 에러 신호의 크기에 따라 변한다.

에러 신호가 원점으로부터 점(176)으로 증가하면, 적분기의 출력 신호(V_o)가 점(176B)로 증가한다. 제13도를 다시 참조하면, 모토토라(Motorola)사 제품인 MC1496L과 같은 종래의 평형 변조기 및 이와 관련된 회로들은 선(174) 상의 이러한 입력 전압(Vin)을 선(140) 상의 제2조파 구동 신호의 엔벨로프(envelope)내에 대응하게 변환시킨다. 즉, 변조기(188)은 선(128) 상의 고정된 진폭의 제2조파 신호를 선(174) 상의 신호로 진폭 변조시킨다. 이때, 선(140) 상의 제2조파 구동 신호는 제11도 내의 종래의 위상 시프트 회로(136) 내에서 동상으로 시프트되어 제2조파에서 동작하는 위상 변조기(136)에 인가된다.

선(140) 상의 진폭 변조된 구동 신호의 크기가 증가하면, 제2주파수에서 동작하는 위상 변조기(138)에 의해 발생된 광 출력 신호 내의 제1주파수 성분의 진폭이 증가하기 시작한다. 이 진폭이 충분히 증가하며, 이 진폭은 회전에 의해 발생된 제1주파수 성분을 상쇄시킨다. 이것은 제14도의 (A) 내의 점(176,177) 사이에 도시한 바와같은 에러 신호를 감소시킨다. 감소된 에러 신호는 점(176B,177B)사이에 도시한 바와같은 제14도의 (B) 내의 적분기의 출력 전압(V_o)의 기울기의 경사도를 변환시킨다. 제14도의 (A) 내의 점(177)에서 진폭 변조된 구동 신호의 크기는 광 출력 내의 모든 회전에 의해 발생된 제1주파수 성분을 상쇄시키기에 충분하므로, 에러 신호는 0으로 된다. 이것은 점(177B,178B) 사이에서 V_o에 대한 적분기의 출력 전압 곡선의 편평하고 0이 아닌 부분으로 나타난다.

이러한 가상 상황이 시간(178)에서 루프(14)의 회전 속도는 에러 신호가 부호를 변환시켜 제14도의 (A)에서 (178)과 (180) 사이에 도시된 바와같이 크기를 증가시키도록 변화한다. 이것은 압력 전류(i_in)이 방향을 변화시키고, 캐패시터(168) 상의 전압이 변화하기 시작하기 때문에 출력 전압(V_o)을 감소시킨다. 이것은 제14도의 (B)에서 점(178B, 180B) 사이에 도시되어 있다. 이러한 효과는 에러 신호가 제14도의 (A)에서 점(180,182) 사이에 도시된 바와같이 다시 0으로 되는 제2조파 구동 신호의 진폭을 감소시키는 것이다.

가상 상황시의 시간(182)에서 루프(14)의 회전은 점(182,184) 사이에 도시한 바와같이 에러 신호 곡선을 편평하게 하기 위해 더 많은 제1조파 성분이 사냑 위상 시프트에 의해 발생되도록 다시 변화한다. 이것은 점(182B,184B) 사이의 제2조파에서 동작하는 위상 변조기의 진폭을 감소시키도록 적분기의 출력 전압이 일정한 기울기로 하향 경사지게 한다.

시간(184)에서 루프의 회전 속도는 다시 변화하지만, 에러 신호는 여전히 부(-) 및 0이 아닌 상태로 있게된다. 0이 아닌 에러 신호는 적분기의 출력 전압(V_o)을 계속 감소시키므로, 제2조파 구동 신호를 변화시키고, 점(184,186) 사이에 도시한 바와같이 에러 신호를 0으로 이동시킨다.

에러 신호가 0에 도달할때, 적분기의 출력 전압은 상쇄 진폭이 모든 사냑 효과가 발생된 제1조파 성분을 상쇄하더라도 안정하게 유지된다. 시간(186)에서의 상황은 루프(14)내의 0이 아닌 일정한 회전 속도를 나타내는데, 이 경우에 선(140) 상의 제2조파 구동 신호의 진폭은 광 출력 신호 내의 사냑 효과가 발생된 제1조파 성분을 완전히 상쇄시키는 적당한 레벨로 조정된다. 이 상황은 제12도에서 평형점(150,152) 사이의 동작을 나타낸다.

본 분야에서 숙련된 기술자들은 회전이 한 방향으로 계속 가속될 경우에, 출력 전압(V_o)이 안전 레벨 이상으로 증가되어, 예를들면 제13도의 회로의 경우에 진폭 변조기(188)을 고장나게 할 수 있음을 알 수 있다. 이러한 고장을 방지하기 위해, 전압 제한 장치가 V_o의 최대 정(+) 및 부(-) 전압 회유(excursion)를 제한하도록 적분기에 결합되어야 한다.

제15도에는 에러 교정 변조기 회로(130)의 일부분이 제13도의 적분기 (190)를 대신하는 양호한 실시예가 도시되어 있다. 이 실시예에서, 차동 증폭기(192)는 선(132) 상의 에러 신호에 결합된 반전 입력을 입력을 갖고 있고, 선(174)에 의해 진폭 변조기(188)에 결합되는 출력을 갖고 있다.

제15도에 도시한 시스템의 동작 방법은 3개의 포트 회로(196)으로 도시된 감지기 내의 구성 부품들이 차동 증폭기(192)에 결합된 전체 회로 감지기를 개략적인 형태로 도시한 제16도를 참조함으로써 더욱 이해하기가 쉽다. 이러한 감지기의 광학 부분 및 대부분의 전자 구성 부분들은 2개의 임피던스(z₁,z₂)의 한 단부에 결합된 2개의 입력을 갖고 있는 분압기 임피던스 회로(196)으로 도시되어 있다. 이러한 분압기의 중간점의 반전 입력에 결합된 선(132)에 인가되는 에러 신호를 발생시키는 3개의 포트 회로(196)의 제2입력에 인가된다. 입력 에러 신호와 접지 전위인 선(133) 상의 기준 신호 사이의 차이는 차동 증폭기(198)에 의해 증폭되고, 반전된 증폭 차 신호는 출력선(194)에 인가된다. 또한, 이 출력선은 부귀환이 회전 신호에 의해 발생된 점(198)에서의 전압을 상쇄시키는 임피던스(z₁)을 통해 발생하도록 회로(196)의 제1입력에 결합된다. 이때, 선(194) 상의 신호는 점(198)에서 전압 스윙을 최소화시킨다. 점(198)은 제11도 내의 로크-인 증폭기(46)의 출력을 나타낸다. 임피던스(z₁,z₂)는 시스템의 전체 전달 함수와 광학 및 전자 회로 부품의 루프이득을 나타내는 가상 임피던스이다.

시스템의 시간 응답, 위상 여유, 대역폭 및 감도는 응용에 따라 변하는 설계 선택의 문제이고, 표준궤도 시스템 분석이 시스템 파라메터(parameter)들을 설정하기 위해 사용될 수 있다.

임피던스(z₁)을 통하는 귀환의 효과는 로크-인 증폭기의 출력선(132) 상의 에러 신호 내의 스윙을 제10도에 도면 부호(200)으로 도시한 작은 범위로 제한시키는 것이다. 이 범위는 설계 선택의 문제이고, 차동증폭기(192)의 이득에 따라 달라진다. 더 높은 이득은 입력 신호 변화의 더 작은 범위를 발생시키지만 덜 안정하다.

선(140) 상의 제2조파 구동 신호의 크기를 증가 또는 감소시킴으로써 0 도는 거의 0으로 에러 신호를 감소시키는 0이 아닌 에러 신호에 반응하는 구조물은 본 발명의 목적을 달성하기에 충분하다. 소정 실시예의 경우에는, 에러 신호를 0또는 거의 0으로 감소시키는 제1조파 구동 신호와 관련된 상쇄 진폭 및 위상에서 제2조파 구동 신호의 레벨을 유지하는 것이 바람직하다. 이 기능을 달성하기 위해 사용된 정확한 회로는 본 발명에 제한되지 않는다.

제17도에는 에러 교정 변조기에 사용될 수 있는 선택적인 회로가 도시되어 있다. 이 실시예에서, 선(132)상의 에러 신호는 비교 프로세서(201)의 입력에 결합된다. 이러한 비교 프로세서는 이 경우에 접지 전위인 기준 입력(203)에 인가된 기준 전압을 갖고 있다. 이러한 비교 프로세스는 선(132) 상의 에러 신호를 선(103) 상의 기준 신호와 비교하여 3개의 출력들 중의 1개의 출력을 발생시킨다. 에러 신호가 정(+)이고 0이 아니면, 출력선(205)가 논리 1레벨로서 활성화된다. 에러 신호가 부(-)이고 0이 아니면, 선(207)이 활성화된다. 마지막으로, 에러 신호가 기준 신호와 동일하면, 선(205)가 활성화 된다.

업-다운 카운터(211)은 선(205)에 결합된 업 입력을 갖고 있고, 선(205)가 활성화 될때에 0으로부터 업카운트하기 시작한다. 2진 카운트는 어떤 순간에 버스(213) 상의 데이타가 2진 카운트 표시를 나타내는 카운트 과정과 같이 출력 버스(213) 상의 디지탈 패턴을 계속 변화시킨다.

디지탈-아날로그 변환기는 버스(213) 상의 2진 카운트의 값들을 계속 또는 주기적으로 샘플하고, 디지탈 데이타를 선(174)상의 아날로그 출력 신호로 변환시킨다. 이러한 아날로그 신호는 선(128)상의 제2조파 구동 신호를 진폭 변조시켜 이 구동 신호를 선(140)에 인가하도록 종래의 진폭 변조기(188)에 의해 사용된다.

제2조파 구동 신호의 변화 진폭은 선(132)상의 변화 에러 신호에서 나타난다. 즉, 에러 신호는 기준 신호 전압을 얻게 된다.

에러 신호가 기준 전압에 도달하면, 비교적 프로세서(201)은 카운터(211)의 정지 입력에 결합되는 선(209)를 활성화시킴으로써 카운터를 정지시킨다. 이때, D/A 변환기는 에러 신호가 다시 변화할때까지 제2조파 구동 신호의 진폭 레벨을 존재하는 레벨에서 안정하게 유지시킨다.

에러 신호가 부(-)로 되고 0이 아니면, 이 과정은 반복되지만 카운터(215)는 0 또는 그때에 존재하는 정(+)의 카운트로부터 카운트 다운하기 시작한다. 선(207)이 활성화되었을때에 카운트가 0이었다면, 디코더(217)은 변화 부호선(219)를 활성화시켜서 D/A 변환기가 선(174)상의 아날로그 출력 전압의 부호를 변화시키게 한다. 선(207)이 활성화되었을 때에 카운트가 0이 아니었다면, 디코더(217)은 선(219)를 활성화시키지 않고, D/A 변환기는 선(205)가 활성화되었을때와 동일한 부호로 선(174)상의 아날로그 신호를 유지시키지만, 카운트가 감소할때에는 진폭을 감소시키기 시작한다. 이 과정은 선(209)가 활성화될때까지 계속된다.

회전 감지기가 선형인지의 여부를 결정하기 위해, 사냑 위상 시프트의 크기에 대한 제2조파 파형의 진폭과 관련된 전달 함수가 유도되어야 한다. 수학적으로, 이것은 출력 광 신호에 대한 식을 유도하고 이것의 제1조파를 해결함으로써 행해진다. 출력 광 신호는 제12도에서 곡선(80)의 식에 독립 변수로서 곡선(142)로 제12도에 도시한 최종 위상 시프트에 대한 식을 치환시킴으로써 표시될 수 있다. 곡선(80)은 다음 식으로 표시될 수 있다.

여기서, P(t)는 시간의 함수인 출력 광 전력이고, P_O은 최대 출력 광 전력이며, △ø는 역전달파(W₁,W₂)사이의 전체 위상 시프트이다.

식(12)내의 △ø의 곡선(142)에 대한 식을 치환시키려면 다음과 같이 된다.

여기서, 모든 용어들은 식(12) 및 제12도에 사용된 바와 같이 정해진다.

식(13)의 푸리에 변환의 제1조파 성분에 대한 해는 다음과 같이 된다.

여기서, J_n은 제1종 베셀 함수이다.

그러므로, 사냑 위상 시프트(△ø_R)과, 이 사냑 위상 시프트에 의해 발생된 광 출력 신호 내의 제1조파 성분을 정확히 상쇄시키기 위한 주파수(2^fm)에서의 제2조파 위상 시프트의 크기(△ø₂) 사이의 관계식은 다음과 같이 된다.

식(15)를 그래프로 도시하면, 곡선은 제18도에 도시한 바와 같이 된다. 이 곡선은 감지기의 사냑 위상 시프트가 큰 경우에는 선형이지만, 사냑 위상 시프트가 작은 경우에는 선형성으로부터 약간 벗어난다는 것을 나타낸다.

사냑 위상 시프트(△ø_R)이 작고, 제2조파 진폭(△ø₂)가 작은 경우의 최정 위상 시프트 곡선은 제19도에 곡선(142)로 도시되어 있다. 작은 ＂범프(202)＂는 곡선(80)을 통해 광 출력 신호에 대한 곡선(206)내의 ＂범프'(204)＂로 이동한다.

제20도에는 사냑 위상 시프트(△ø_R)의 효과를 상쇄하는데 필요한 제2조파 성분이 진폭(△ø₂)대 2.5 라디안까지의 사냑 위상 시프트에 대한 전달 함수가 도시되어 있다. 제20도는 이러한 작은 사냑 위상 시프트 범위내의 전달 함수의 다른 곡선을 더욱 명백히 도시한 것이다. 제20도 내의 곡선을 따라 배치된 점들은 실험적으로 결정된 데이타 점들을 나타낸다.

전달 함수가 어느 범위내에서는 비선형이기 때문에, 제2조파 구동 신호의 진폭을 사냑 위상 시프트의 크기로 이동시키는데 사용된 선형 소자들은 에러를 발생시킨다. 전달 함수를 기억하거나 제2조파 구동 신호의 상쇄 진폭을 제공한 회전 속도 또는 사냑 위상 시프트에 대한 전달 함수를 풀기 위한 장치가 출력에 사용될 수 있다. 즉, 사냑 위상 시프트로 인한 출력 내의 제1조파 성분을 상쇄시키는 선(140)상의 제2조파 구동 신호의 진폭을 회전속도 또는 사냑 위상 시프트 자체로 변환시키는 것이 유리하다. 제11도 내의 출력 표시 회로(208)의 목적이 이러한 것이다.

제21도는 출력 표시기(208)의 양호한 회로를 도시한 것이다. 선(140)상의 제2조파 구동 신호는 로크-인 증폭기(210)의 입력에 결합된다. 로크-인 증폭기는 제2조파 구동 신호로 동조된다. 즉, 이러한 증폭기는 제11도 내의 주파수 체배기(126)으로부터의 선(128)상의 비변조 제2조파 신호를 기준 신호로서 갖고 있다. 로크-인 증폭기(210)의 목적은 바람직한 제2조파 파형을 클러터(clutter)시키는 선(140)상의 모든 잡음을 제거하기 위한 것이다. 이 잡음은 전원선, 전자기 방해, 선(44)상의 제1조파 구동 신호와의 누화 및 주파수 체배기내의 왜곡과 같은 그 외의 다른 소스들로 인해 발생될 수 있다.

선(212)상의 출력 신호는 로크-인 증폭기의 출력(212)에서 필터된 제2조파 구동 신호의 진폭에 비례하고, 이 신호를 디지탈 데이타로 변화시키는 아날로그-디지탈 변환기(214)에 결합된다. 이러한 데이타는 식(15)의 전달 함수에 의해 결전된 바와 같이 제2조파 구동 신호의 각각의 진폭에 대응하는 회전 속도에 따라 디지탈 데이타를 기억하는 메모리(218)내의 순람표를 어드레스하기 위해 마이크로 프로세서 또는 컴퓨터(216)에 의해 사용된다.

A/D 변환기(214)의 출력 (217)에서의 디지탈 데이타는 선(140)상의 제2조파 구동 신호의 특정한 진폭에 대한 대응 사냑 위상 시프트 또는 회전 속도를 표시하는 디지탈 데이타를 기억하는 ROM(218)내의 적당한 어드레스를 액세스 하기 위해 마이크로 프로세서(216)에 의해 사용된다. 이러한 어드레싱 기능을 실행하기 위한 마이크로 프로세서(216)용 프로그램은 본 분야에 숙련된 기술자들이 명백하게 알 수 있다. 이때, ROM으로부터의 디지탈 데이타 출력은 디지탈-아날로그 변환기(220)에 의해 아날로그 형태로 변환될 수 있거나 디지탈 형태 그대로 사용될 수 있다.

다른 실시예에서, 마이크로 프로세서(216)은 변수△ø₂로서 A/D 변환기(214)로부터의 데이타를 사용함으로써 식(15)의 전달 함수를 풀도록 프로그램될 수 있다. 이러한 실시예에서, ROM(218)은 식(15)에 필요한 계산을 실행하기 위한 프로그램을 포함하고 있다. 이러한 계산을 실행하기 위해 사용된 정확한 프로그램은 제한되지 않고, 이 계산을 실행하기 위한 프로그램들은 본 분야에 숙연된 기술자들에게 공지된 것이다. 이 계산을 실행할 수 있는 어떠한 프로그램도 본 발명의 목적에 적합하게 사용될 수 있다.

다른 실시예들은 로크-인 증폭기(210) 대신에 RMS 전압계를 사용할 수도 있지만, 선(140)상의 잡음이 평균화되어 제2조파 구동 신호의 의사 진폭으로서 오인될 수 있기 때문에 이러한 구조는 에러를 발생시키게 된다. RMS 전압계는 제22도에 도시한 바와 같이 분합기의 중간점에 입력을 갖고 있다. 제2조파 구동신호는 저항기(R₁,R₂)로 구성된 분압기의 노드(221)에 인가된다. 저항기(R₁,R₂)는 노드(221)에서 소정의 제2조파 구동 신호 진폭의 경우에서 회전 속도에 비례하는 진폭을 갖고 있는 신호가 노드(222)에서 발생되도록 선형 범위에 전달 함수의 기울기를 나타내도록 선택된다. 이러한 신호는 사냑 위상 시프트 또는 회전 속도로서 판독되도록 RMS 전압계의 입력에 결합된다.

또한, 제23도에 도시한 바와 같이, 제2조파 구동 신호의 진폭을 검출하기 위해 오실로스코프가 RMS 전압계 대신에 사용될 수도 있다. 선형 스케일링 회로는 입력을 오실로스코프에 스케일하기 위해 저항기(R₃,R₄)로 구성된다. 제22도 및 제23도의 실시예는 전달 함수의 선형 범위내에서 가장 정확하다.

제2조파 주파수에서의 파형을 측정할 수 있는 다른 장치가 출력 표시 회로(208)용으로 사용될 수도 있다. 예를들어, 아날로그 곡선 정합 장치가 전달 함수 곡선을 보상하고, 회전 속도에 비례하는 출력을 제공하기 위해 사용될 수도 있다. 또한 제21도의 ROM 순람표 및 마이크로 프로세서는 제21도에 간략하게 도시한 실시예가 근사 결과용의 선형 범위내에 사용될 수 있도록 전달 함수 곡선의 선형 범위내에서 불필요하게 될 수 있다.

제24도의 개방 루프 실시예는 귀환이 없다는 것을 제외하면 제11도의 폐쇄 루프 실시예와 동일한 형태로 동작한다.

제24도를 참조하면, 이 2개의 조파 개방 루프 구조의 기본 구조는 한가지 변화를 제외하면 제1도에 도시한 것과 동일하다. 이 한가지 변화는 A.C. 발생기(40)이 주파수(fm)에서의 제1조파 성분 및 주파수(2fm)에서의 제2조파 성분을 갖는 위상 변조기(38)용 구동 신호를 발생시킨다는 것이다. 제2조파 성분의 효과는 제11도에 관련하여 상술한 것과 동일하다. 제24도에 도시한 본 발명의 실시예에서 모든 다른 구성 부품들은 제1도의 대응물과 구조 및 기능이 동일하다. 그러나, A.C. 발생기(40)은 제2조파 성분의 크기가 회전에 의해 발생된 제1조파 주파수에서 광 출력 신호내의 성분을 상쇄시키기에 충분한 진폭으로 수동 제어될 수 있도록 약간 변형되어 있다.

루프의 회전 속도를 검출하기 위한 본 발명의 방법은 루프내의 역전달파를 제1조파 주파수(fm)에서 위상 변소시키는 수단을 포함한다. 이때, fm에서의 제1조파 성분의 진폭은 루프의 광 출력 신호내의 제1조파 성분을 상쇄시키기에 충분한 진폭에서의 제2조파 주파수, 즉 2fm에서 위상 변조된다.

더욱 정확하게 말하자면, 광 출력 신호의 제1조파 성분의 진폭은 이 진폭에 비례하는 D.C. 에러 신호로 변환된다. 이러한 에러 신호는 루프 내의 제2조파 위상 변조기용 제2조파 구동 신호의 진폭을 제어하기 위해 사용된다. 제2조파 구동 신호의 레벨은 에러 신호가 광 출력 신호내의 제1조파 성분에 대한 0의 진폭 레벨을 표시할때까지 증가되거나 감소된다. 광 출력 신호내의 제1조파 성분의 진폭을 0으로 감소시키는 제2조파 구동 신호의 진폭은 루프의 회전 속도의 측정량이다.

사냑 효과 감지기의 회전 속도를 계산하는 방법은 제1위상 변조가기 동작하게 되는 제1주파수에서 감지기의 광 출력 신호내의 제1조파 성분의 진폭을 감지하는 수단을 포함한다. 회전 감지기내의 역전달파들은 양호한 실시예에서 제1주파수의 정확한 조파로 되어야 하는 제2주파수에서 위상 변조된다. 다른 제2주파수는 루프의 안전성에 상당한 영향을 미치어 편류(drift) 및 ＂헌트(hunt)＂를 발생시키는 에러 신호내의 시간 변화 성분을 발생시킬 수 있다. 제2주파수에서 변조된 위상 변조의 진폭 및 위상은 제1주파수에서 광출력 신호의 성분을 상쇄시키도록 제1주파수에서 변조된 위상 변조에 따라 조정된다. 제2주파수 및 상쇄 진폭에서의 위상 변조의 특성은 전달 함수를 통해 대응하는 회전 속도로 변환된다.

Claims

제1주파수에서 위상 변조된 한쌍의 역전달파(W₁,W₂)를 역전달하기 위한 광 경로를 형성하고, 회전과 같은 주위 효과를 감지하기 위한 감지 루프(14)를 갖고 있는 광섬유 회전 감지기에 있어서, 제1주파수에서 신호 성분을 포함하는 광 출력 신호를 형성하는 상기 광 경로를 통하여 역전달한 후에 상기 역전달파를 결합하기 위한 장치(26,34), 상기 제1주파수에서 상기 신호 성분을 검출하기 위한 검출기(30), 상기 루프(14)에서 상기 제1주파수와 다른 제2주파수에서 상기 역전달파를 위상 변조시키는 위상 변조기(138), 상기 제1주파수에서 선정된 값으로 상기 신호 성분을 구동시키기 위해 상기 검출기(30)에 의해 검출된 신호 성분에 응답하여 상기 제2주파수에서 위상 변조의 진폭을 제어하는 회로(40,130) 및 상기 회로(40,130)에 응답하여 상기 주위 효과를 표시하기 위한 디스플레이 장치(208)을 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 회전 감지기.
제1항에 있어서, 상기 제2주파수가 상기 제1주파수의 조파이고 , 상기 검출기(30)이 상기 제1주파수에서 상기 신호 성분을 귀환 에러 신호(132)로 변환시키며, 상기 제어수단(40,130)이 상기 귀환 에러 신호에 응답하는 것을 특징으로 하는 광섬유 회전 감지기.
제2항에 있어서, 상기 제어수단(40,130)이 0이 아닌 귀환 에러 신호(132)에 응답하고, 상기 선정된 값이 0인 것을 특징으로 하는 광섬유 회전 감지기.
제3항에 있어서, 상기 제어수단(40,130)이 상기 위상 변조기를 구동시키기 위해 상기 귀환 에러 신호(132)에 응답하여 구동 신호를 발생시키고, 상기 구동 신호의 크기가 위상차의 함수로 되는 것을 특징으로 하는 광섬유 회전 감지기.
제1항에 있어서, 상기 검출기(30)이 상기 제1주파수로 동조된 로크-인 증폭기(46)의 입력에 전기적으로 결합된 광 검출기를 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 회전 감지기.
제4항에 있어서, 상기 위상차를 결정하기 위해 상기 제2주파수에서 상기 구동 신호 성분을 검출하기 위한 제2검출기를 더 포함하고, 상기 구동 신호가 상기 제2주파수에서 한 성분을 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 회전 감지기.
제6항에 있어서, 상기 제2검출기가 상기 제2주파수로 동조된 로크-인 증폭기(210)을 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 회전 감지기.
제1항에 있어서, 상기 위상 변조기(138)이 PZT 장치 및 상기 PZT 장치를 구동시키기 위해 A.C. 신호 발생기(40)을 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 회전 감지기.
제8항에 있어서, 상기 A.C. 신호 발생기(40)의 출력과 상기 PZT 장치(138) 사이에 전기적으로 결합된 주파수 체배기(126)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 회전 감지기.
제1항에 있어서, 상기 제1주파수에서 상기 위상 변조의 최대값이 상기 제2주파수에서 상기 위상 변조의 최대값을 갖는 시간과 대응하도록 상기 위상 변조의 대응하는 위상을 시프트시키기 위한 위상 시프트 회로(136)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 회전 감지기.
제1항에 있어서, 회전 속도에 대응하는 신호를 제공하고, 상기 제2주파수에서 위상 변조의 진폭에 응답하는 출력 회로(208)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 회전 감지기.
제11항에 있어서, 상기 출력 회로(208)의 출력이 검출 회로(30,46)에 의해 검출된 제1주파수 성분을 상쇄시키는데 필요한 제2주파수에서 위상 변조하기 위한 구동 신호의 진폭과 대응하는 것을 특징으로 하는 광섬유 회전 감지기.
제11항에 있어서, 상기 출력 회로(208)이 회전 신호에 대한 진폭을 변환시키기 위해 상기 제2주파수에서 위상 변조의 진폭에 대한 전달 함수를 인가하는 것을 특징으로 하는 광섬유 회전 감지기.
제13항에 있어서, 상기 출력 회로(208)이 전달 함수에 의해 상기 제2주파수에서 위상 변조의 진폭과 관련된 회전 데이타를 기억시키기 위한 메모리(218)을 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 회전 감지기.
제13항에 있어서, 상기 출력 회로(208)이

(여기서, △ø_R은 회전에 의해 발생된 사냑 위상 시프트이며, △ø₁은 제1주파수에서의 위상 변조 진폭이고, △ø₂는 제2주파수에서의 위상 변조된 진폭이며, Jx는 제1주파수의 x배인 조파를 한정하는 제1종의 베셀 함수임)인 식을 풀도록 프로그램된 컴퓨터를 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 회전 감지기.
제15항에 있어서, 상기 출력 회로(208)이, 제1주파수 성분을 상쇄시키는데 필요한 제2주파수에서 위상 변조 진폭을 검출하고, 이에 응답하는 출력 신호를 발생시키기 위한 로크-인 증폭기(210) 및 상기 로크-인 증폭기(210)의 출력을 디지탈 데이타로 변환시키는 위한 아날로그-디지탈 변환기 회로(214)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 회전 감지기.
제16항에 컴퓨터(216)이 어드레스를 발생시킴으로써 아날로그-디지탈 변환기 회로(214)에서 메모리(218)까지의 디지탈 데이타에 응답하고, 상기 메모리(218)이 대응하는 회전 데이타에 응답하는 것을 특징으로 하는 광섬유 회전 감지기.
사냑 효과에 따라 변하는 광 출력 신호를 출력시키고, 고속에서 회전을 감지하기 위한 장치를 갖고 있는 광섬유 회전 감지기에 있어서, 제1 및 제2주파수에서 구동 신호를 제공하기 랖나 신호 발생기(40,126), 상기 제1 및 제2주파수에서 상기 자이로스코프내의 광 신호를 위상 변조시키기 위해 상기 신호 발생기에 응답하는 위상 변조 수단(38,138) 상기 제1주파수에서 상기 자이로스코프의 광 출력 신호 성분의 크기를 검출하고, 상기 성분을 귀환 에러 신호로 변환하기 위한 수단(30,46), 선정된 값으로 상기 귀환 에러 신호의 크기를 유도하기 위해 상기 귀환 에러 신호에 따라 상기 신호 발생기(40,126)으로부터 상기 제2주파수 구동 신호의 진폭을 제어하기 위한 에러 교정 수단(130), 상기 제2주파수 구동 신호의 각각의 최대값 및 최소값이 상기 제1주파수 구동 신호의 최대값이 상기 제1주파수 구동 신호의 최대값, 최소값 또는 영교차값에 대한 시간에 적시에 대응하도록 상기 제1주파수 구동 신호의 최대값, 최소값 또는 영교차값에 대한 시간에 적시에 대응하도록 상기 제1주파수 구동 신호와 대응하는 상기 제2주파수 구동 신호의 위상을 시프트 하기 위한 수단(136)및 상기 제2주파수 구동 신호의 진폭에 응답하여 상기 회전을 표시하기 위한 수단(208)을 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 회전 감지기.
제18항에 있어서, 상기 에러 교정 수단(130)이 가산 증폭기(169,192)를 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 회전 감지기.
제18항에 있어서, 상기 에러 교정 수단(130)이 적분 연산 증폭기(169,192)를 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 회전 감지기.
제18항에 있어서, 상기 표시 수단(208)이 상기 제2주파수 구동 신호의 주파수로 동조된 로크-인 증폭기(210)을 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 회전 감지기.
제18항에 있어서, 상기 검출 수단이 상기 제1주파수 구동 신호에 동조된 로크-인 증폭기(46)을 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 회전 감지기.
제1주파수에서 위상 변조된 역전달파(W₁,W₂)를 갖고 있는 광 루프(14)의 회전 속도를 검출하는 방법에 있어서, 상기 제1주파수에서 변조되고, 회전 속도에 응답하는 신호 성분을 갖고 있는 광 출력 신호를 발생시키기 위해 역전달파(W₁,W₂)를 결합시키는 단계, 상기 광 출력 신호의 상기 신호 성분을 검출하는 단계, 귀환 에러 신호(132)를 발생시키기 위해 검출된 신호 성분을 이용하는 단계, 변조 신호와 같은 상기 귀환 에러 신호와 함께 제2주파수에서 구동 신호를 진폭 변조시키는 단계, 상기 진폭 변조된 구동 신호를 상기 루프내의 위상 변조기(138)에 인가시키기는 단계 및 상기 회전을 표시하기 위해 상기 구동 신호를 검출하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 광 루프의 회전 속도 검출 방법.
제23항에 있어서, 상기 귀환 에러 신호가 상기 광 출력 신호의 상기 검출된 주파수 성분에 대해 0인 진폭을 표시할때까지 상기 진폭 변조된 구동 신호의 진폭을 증가시키거나 감소시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광 루프의 회전 속도 검출 방법.
제23항에 있어서, 상기 제2주파수에서 역전달파를 위상 변조시키는 단계가 상기 제1주파수에서의 위상 변조의 최대값이 제2주파수에서의 위상 변조의 최대값에 적시에 대응하도록 상기 제2주파수 위상 변조의 위상을 시프트시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 루프의 회전 속도 검출 방법.
제23항에 있어서, 전달 함수를 통하여 제2주파수 신호의 진폭을 결합된 역전달파에서 제1주파수 성분을 발생시키는 광 루프에 대응하는 회전 속도로 변환시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광루프의 회전 속도 검출 방법.
제26항에 있어서, 제2주파수 신호의 진폭을 상기 제2주파수 신호의 특정한 진폭에 대해 대응하는 회전 속도를 데이타로 기억시키기 위해 메모리(218)내의 어드레스로 변환하는 단계 및 상기 어드레스에 기억된 데이타를 검색하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광 루프의 회전 속도 검출 방법.
제27항에 있어서, 상기 변환 단계가, 변수 △ø₁과 같은 제1주파수 신호의 진폭 및 변수 △ø₂와 같은 제2주파수 신호의 진폭을 셋팅하는 단계 및

(여기서, Jx는 제1주파수의 x배인 조파를 한정하는 제1종 베셀 함수와 동일)의 식에서 회전에 의해 발생된 사냑 위상 시프트인 변수 △ø_R을 풀기 위한 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 루프의 회전 속도 검출 방법.