KR930004886B1 - 동적 범위가 확장된 게이트식 광학 섬유 회전 감지기 - Google Patents

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Description

동적 범위가 확장된 게이트식 광학 섬유 회전 감지기

제1도는 연속적이고 단속되지 않은 광학 섬유 물질 가닥을 따라 배치된 광학 섬유 구성 부품들을 도시하고, 검출 시스템에 관련된 신호 발생기, 광검출기, 로크-인(lock-in)증폭기 및 표시기를 도시한 기본 회전 감지기의 개략도.

제2도는 제1도의 회전 감지기에 사용하기 위한 광학 섬유 방향성 결합기의 한 실시예의 단면도.

제3도는 제1도의 회전 감지기에 사용하기 위한 광학 섬유 편광기의 한 실시예의 단면도.

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

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

제6도는 복굴절유도 위상차 및 복굴절 유도 진폭 변동의 효과를 도시한 회전적으로 유도된 사그낙(Sagnac) 위상차의 함수로서, 광검출기에 의해 측정된 바와같은 광학 출력 신호 세기의 그래프.

제7도는 각각의 역-전달파의 위상 변조 및 이 역-전달파들 사이의 위상차를 도시한, 시간의 함수로서의 위상차의 그래프.

제8도는 루우프(loop)가 휴지 상태일 때 검출기에 의해 측정된 바와같은, 광학 출력 신호의 세기에 따른 위상 변조의 효과를 도시한 개략도.

제9도는 루우프가 회전할 때 검출기에 의해 측정된 바와같은 광학 출력 신호의 세기에 따른 위상 변조의 효과를 도시한 개략도.

제10도는 제1도의 감지기에 대한 동작 범위를 도시한, 회전적으로 유도된 사그낙 위상차의 함수로서의 증폭기 출력 신호의 그래프.

제11도는 동적 범위가 확장된 게이트식(gated) 폐쇄 루우프 회전 감지기의 양호한 실시예를 도시한 도면.

제12도는 사그낙 효과로부터 발생되는 일정한 바이어스(bias)에 관련하여 바이어스 위상 변조 및 저주파수 위상 변조로부터 발생되는 전체 위상 전이의 그래프.

제13도는 사그낙 효과로부터 발생되는 일정한 바이어스 및 게이팅(gating)으로부터 발생되는 광학 출력신호에 관련하여 저주파수 위상 변조에 대한 전체 위상 전이를 도시한 그래프.

제14도는 제11도에 도시한 회전 감지기의 스케일 팩터(scale factor)의 그래프.

제15도는 착오 수정(error correction) 변조기에 대한 회로도.

제16도는 샘플(sample) 착오 신호에 대한 제15도의 변조기의 응답을 도시한 그래프.

제17도는 양호한 착오 수정 변조기를 도시한 도면.

제18도는 제17도의 착오 수정 변조기를 사용하는 전체 감지기의 개략도.

제19도는 제11도의 실시예에 사용될 수 있는 다른 착오 수정 변조기를 도시한 개략도.

제20도는 저주파수 구동 신호의 진폭을 회전속도로 변환시키기 위한 회전 감지기 용의 출력 회로의 양호한 실시예를 도시한 도면.

제21도는 스케일 팩터의 선형 범위내에 사용될 수 있는 출력 표시(display)회로를 도시한 도면.

제22도는 스케일 팩터의 선형 범위내에 사용될 수 있는 다른 출력표시 회로를 도시한 도면.

제23도는 램프(ramp)파형에 의해 변조되는 간섭 파들 사이의 상대 위상차를 도시한 그래프.

제24도는 톱니 파형에 의해 변조되는 간섭 파들 사이의 상대 위상 및 이 간섭 파들 사이의 위상차를 도시한 그래프.

제25도는 톱니파를 형성하는 한가지 방법을 도시하고, 톱니 파형에 의해 변조되는 간섭 파들 사이의 상대 위상을 도시할 뿐만 아니라 이 간섭 파들 사이의 위상차를 도시한 그래프.

제26도는 사그낙 효과로부터 발생되는 일정한 바이어스와 관련하여 바이어스 위상 변조와 저주파수 톱니 파형 위상 변조로 부터 발생되는 전체 위상 전이와, 게이팅으로부터 발생되는 출력 신호를 도시한 그래프.

제27도는 동적 범위가 확장되고 스케일 팩터가지의 선형화되어 있는 게이트식 폐쇄 루우프 회전 감지기의 한 양호한 실시예를 도시한 도면.

제28도는 제27도에 도시한 감지기의 스케일 팩터의 그래프.

제29도는 동적 범위가 확장되고 전달 함수가 거의 선형인 게이트식 폐쇄 루우프 회전 감지기의 다른 양호한 실시예 도시한 도면.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : 발광 소오스 12 : 광학 섬유 가닥

14 : 감지 루우프 24 및 36 : 편광 제어기

26 및 34 : 방향성 결합기 30 : 광 검출기

32 : 편광기 38 : 위상 변조기

40,308 : AB신호 발생기 46 : 로크-인 증폭기

47 : 표시기 52A 및 52B : 아치형 홈

53A 및 53B : 블럭 54 : 상호 작용 지역

60 : 복굴절성 결정체 62 : 홈

63 : 상부 표면 64 : 장방형 석영 블럭

68 : 하부 표면 70 : 기부(base)

72 : 직립 블럭 74 : 스풀(spool)

76 : 샤프트(shaft) 78 : 코일

130 : 착오 수정 변조기 169 : 연산 증폭기

208 : 출력 표시기 300 : 증폭기

201 : 비교기 프로세서 211 : 카운터

215 : 디지탈-아나로그 변환기 304 : 종래의 전자 게이트

312 및 326 : 대역 통과 휠터

본 발명은 자이로스코우프(gyroscope)와 같은 회전 감지기에 관한 것으로, 특히 동적 범위가 확장된 광학 섬유 회전 감지기에 관한 것이다.

전형적으로, 광학 섬유 회전 감지기는 광파들이 반대 방향으로 루우프 주위에 전달되도록 결합되는 광학 섬유 물질의 루우프를 포함한다. 루우프의 회전은 공지된 “사그낙 효과”에 따라 역-전달파들 사이의 상대 위상차를 발생시키는데, 위상차 크기는 회전 속도에 대응한다. 재결합시에, 역-전달파들은 루우프의 회전속도에 따라 세기를 변화시키는 광학 출력 신호를 발생시키도록 건설적으로나 파괴적으로 간섭한다. 통상적으로 이 광학 출력 신호를 검출함으로써 회전이 감지된다.

적은 회전 속도들에 대한 광학 섬유 회전 감지기의 가도를 증가시키기 위해 여러 기술들이 고안되었다. 그러나, 대부분이 이 기술들은 출력 함수가 다수의 회전 속도로 그 자체를 반복하려고 하기 때문에 매우 많은 회전 속도들을 감지하는데 사용될 수가 없었다. 결과적으로, 출력 신호는 동일한 출력 신호 파형을 갖고 있는 가능한 회전 속도들이 관찰된 특정한 출력 신호 파형에 응답하는 것을 결정하는데 사용될 수 있다.

그러므로, 본 분야의 가장 큰 개량점은 회전이 매우 넓은 범위의 회전 속도들 상에서 정확하고 확실하게 감지될 수 있는 위상변조 기술을 제공하는 것이다. 이러한 기술 및 이것을 달성하기 위한 수단들이 본 명세서에서 기술되어 있다.

본 발명은 광학 루우프를 사용하는 물리적인 파라메터(parameter)를 감지 및 측정하기 위한 장치를 제공한다. 이 시스템에서, 발광소오스는 루우프(loop)내에 역-전달 광파를 제공하고, 검출기는 이 역-전달 광파에, 특히 이 역-전달 광파들 사이의 위상차에 응답한다. 이 위상차는 측정되는 물리적인 파라메터에 따라 전이된다. 이러한 물리적인 파라메터들은 예를들어, 음파, 정적 압력, 동적 압력, 온도 또는 광학 자이로스코우프의 경우의 광학 루우프의 회전 속도를 포함할 수 있다.

이 시스템내에서, 본 발명에 따르면, 위상차 변조기는 물리적인 파라메터에 의해 야기된 위상차를 반작용시키도록 루우프내의 역-전달 광파들 사이의 위상차를 주기적으로 바이어스 시킨다. 제어 장치는 물리적인 파라메터에 의해 야기된 위상차를 영점화(null)시키도록 위상차 변조기의 주기적인 바이어스를 조정하기 위해 검출기의 출력에 응답한다. 회로는 물리적인 파라메터를 측정하기 위해 위상차 변조기의 주적인 바이어스에 응답한다.

본 명세서에 기술한 본 발명의 특정한 실시예에서는, 변조기가 루우프내의 위상차를 주기적으로 바이어스시키는 주파수와 동일한 주파수에서 검출기의 출력을 주기적으로 블랭크(blank)하기 위해 부수적인 회로가 사용된다. 부수적으로, 회로는 게이팅 장치를 제어 장치에 접속시키고, 게이팅 장치의 출력을 제2주파수의 기준 신호와 비교한다. 또한, 광학 루우프내의 역-전달 광파들은 제1주파수보다 상당히 높은 제2주파수에서 변조 광파들은 제1주파수보다 상당히 높은 이 제2주파수에서 변조된다.

본 발명의 특정한 실시예에서, 위상차 변조기는 DC 위상 바이어스를 역-전달 광파에 인가시킨다. 이 DC위상 바이어스는 주기적인 DC 위상 바이어스를 제공하기 위해 사용된 반복 램프(ramp)신호를 발생시키도록 신호 발생기의 출력을 동일한 신호 발생기의 조파의 출력과 결합시킴으로써 발생된다.

본 발명은 넓은 범위의 회전 속도들을 정확하고 확실하게 감지하기 위한 회전 감지기 및 이 회전 감지기의 동작 방법을 제공한다. 이 회전 감지기는 소오스로부터 광선을 감지 루우프 주위에 반대 방향으로 전달하는 2개의파로 분리시키고, 광학 출력 신호를 제공 하도록 역-전달파들을 결합시키는 광학 섬유 방향성 결합기와 같은 모든 광학 섬유 구성 부품들로 구성된다. 인가된 광선, 역-전달파 및 광학 출력 신호의 양호한 편광은 광학 섬유 편광기 및 광학 섬유 편광 제어기에 의해 설정되고, 제어되며, 유지된다. 연속 가닥으로부터의 광학 출력 신호를, 광학 신호 세기에 비례하는 전기 신호를 출력시키는 광 검출기에 결합시키기 위해 제2광학 섬유 결합기가 제공된다.

제1위상 변조기를 사용하여 제1주파수(바이어스 위상 변조 주파수)에서 역-전달파들을 위상 변조시키어 광학 출력 신호의 위상을 바이어스 시킴으로써 회전 감지기의 동작 안정도 및 감도가 개량된다. 위상 감지 검출 시스템은 광학 출력 신호 세기의 제1조파 성분을 측정하기 위해 사용된다. 기술한 검출 시스템에서, 이 제1조파 성분의 진폭은 루우프의 회전 속도에 비례한다.

제2위상 변조 신호는 바이어스 주파수보다 매우 낮은 임의 주파수에서 제공된다. 제2위상 변조 주파수는 제1위상 변조 주파수에 양호하게 관련되지 않는 것이 바람직하다.

이 제2위상 변조 신호는 제1위상 변조기를 통해 시스템 상에 부여될 수 있으나, 선택적으로 제2위상 변조기가 사용될 수 있다. 광학 출력 신호는 제2위상 변조 주파수와 동기로 게이트되므로, 출력 신호는 예를들어 제2위상변조의 정(+)1/2 주기 동안에 발생된 위상차 변조를 나타내고, 제2위상 변조의 부(-)1/2주기 동안에 0값을 나타낸다. 제2변조 신호의 진폭을 조정함으로써, 제2변조의 정(+)1/2 주기 동안의 광학 출력 신호의 시간 평균 값이 0으로 되도록 사그낙 위상 전이의 영향은 효율적으로 상쇄(cancell) 될 수 있다. 그러므로, 제2변조 신호의 진폭이 사그낙 위상 전이를 상쇄하기 위한 수단으로서 사용되므로, 이 크기가 시스템에 나타나는 사그낙 위상 전이의 크기를 나타낸다는 것을 알 수 있다.

제2위상 변조 신호의 크기를 조정하기 위해서, 출력 신호의 게이트된 부분내의 제1위상 변조 주파수 성분이 제2위상 변조 구동 신호의 진폭을 제어하도록 궤환되는 궤환착오 신호를 발생시키기 위해 사용된다.

궤환착오 수정 변조기는 궤환착오 신호에 따라 제2변조 구동 신호의 진폭을 제어하는데, 이것은 사그낙 위상 전이에 의해 야기되는 광학 출력 신호의 진폭에 대응한다.

회전에 의해 야기된 광학 출력 신호내의 제1위상 변조 주파수 성분을 상쇄시키는 제2위상변조의 진폭에 대한 전달 함수에 의해 관련된 회전 속도 데이타는 메모리(memory)내에 저장된다. 이 때, 사그낙 효과에 의해 야기된 제1위상 변조 주파수 성분을 상쇄 또는 제한시키기에 충분한 더 낮은 주파수 신호의 “상쇄”진폭은 어드레스(address)로서 상쇄 신호의 진폭을 사용하는 메모리를 억세스(accessing)함으로써 회전 속도로 변환된다. 이렇게 억세스된 회전 속도 데이타는 직접 사용될 수 있으나, 사그낙 위상 전이 또는 회전 속도를 유도하기 위해 해석(interpret)될 수 있는 신호로 변환될 수 있다.

위상 변조기에 의해(직접 또는 간접으로 편광변조를 통해) 야기된 광학 출력 신호의 홀수 조파 내의 진폭 변조는 특정한 주파수에서 위상 변조기를 동작시킴으로써 제거될 수 있다. 사용된 검출 시스템이 홀수 조파(예를들어, 제1조파)만을 검출하기 때문에, 위상 변조기 유도 진폭 변조의 효과는 이러한 주파수에서 동작시킴으로써 제거될 수 있다. 이것은 회전 감지시에 착오의 주요 소오스를 제거함으로써, 회전 감지기의 정확도를 증가시킨다.

본 발명의 다른 양호한 실시예에서, 위상 변조 파형을 변형시키면, 사그낙 위상 전이가 갖고 있는 파장과 동일한 인가된 구동 신호에 따라 변하는 파장을 갖고 있는 진폭을 가진 위상차 변조를 회전 속도에 제공한다. 그러므로, 거의 선형인 스케일 팩터가 생긴다. 선형화된 스케일 팩터에 의하여, 제2주파수에서의 위상차 변조의 진폭은 회전 감지기 루우프 내의 역-전달 광파들 내의 사그낙 위상 전이에 비례한다. 이 실시예에서, 이상차 변조는 간략화된 선형 함수로 역-전달 광파들의(사그낙 위상 전이의) DC 위상차 변조를 상쇄하도록 조정될 수 있는 거의 일정한 DC 값을 포함한다.

거의 선형인 스케일 팩터를 발생시키기 위한 한 수단은 자이로 스코우프의 감지 루우프내의 비동기 위치에 배치된 변조기에 의해 역-전달 광파에 인가되는 위상 램프를 사용하는 것이다. 위상 램프를 인가하면, 역-전달파들 사이에 DC차동 위상 전이가 발생된다. 그러나 통상적으로 사용된 광학 섬유 위상 변조기들은 위상 램프를 제공할 수 없다. 그러므로, 위상 램프는 램프 부분을 갖고 있는 주기적으로 반복되는 파형을 사용함으로써 시뮬레이트(simulate)된다.

이러한 파형들 중의 한 파형은 톱니파인데, 이것은 한 주파수에서의 위상 변조를 제2조파(harmonic) 주파수에서의 위상 변조와 결합시키고, 톱니 변조 파형을 대략적으로 시뮬레이트 하도록 위상 및 진폭 관계를 조정함으로써 시뮬레이트될 수 있다. 각각의 톱니 변조 파형의 피크(peak)에서의 리셋팅(resetting) 공정 및 역-전달 파들의 2개의 광학 통로들의 상호관계(reciprocity)로 인해, 위상차는 소정 시간내에 일정하게 될 수 없다. 이 문제점은 제일 먼저 상술한 실시예의 2변조 신호 대신에 톱니파형을 대체시킴으로써 해결된다. 이 대체에 의하여, 광학 출력 신호는 톱니파의 램프 부분이 존재하는 기간 동안 게이트 온(on) 되는데, 이 출력 신호는 그외의 모든 기간 동안 게이트 오프(off)된다. 그러므로, 상술한 방법으로 제2변조의 진폭 또는 주파수를 조정함으로써 DC 사그낙 위상 전이는 출력 신호가 게이트 온 될때 위상 램프에 의해 발생된 DC위상차 변조에 의해 영점화될 수 있고, 또한 0 사그낙 위상 전이는 출력 신호가 게이트 오프되는 기간동안 시뮬레이트 된다.

발광 소오스에서, 또는 검출기에서 또는 검출기 다음에서 출력신호가 게이트될 수 있다. 차동 위상 전이를 결정하는 위상 램프의 기울기는 톱니파 변조 신호의 변조 진폭을 조정함으로써 제어된다. 이것은 상술한 바와같이, 착오 궤환신호 및 착오 수정 변조기를 사용함으로써 달성된다.

물론, 삼각파형 위상 변조도 톱니파 변조와 동일한 방법으로 사용될 수 있는 또 다른 형태의 파형이다. 이러한 삼각파형은 변조 주파수와 이 변조 주파수의 제3조파를 결합시킴으로써 발생될 수 있다.

이제부터 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 대해서 상세하게 기술하겠다.

본 발명의 양호한 실시예를 설명하기 전에, 본 발명에 사용된 기본 회전 감지기에 대해 설명하는 것이 개량점을 더욱 충분히 이해하는데 필요하다. 제1도에는 본 발명에 사용된 형태로 된 기본구조를 갖고 있는 회전 감지기가 도시되어 있다. 이 회전 감지기는 일부분이 감지 루우프(14)내에 감겨지는 연속 광학 섬유길이 또는 가닥(12)내로 광선을 유입시키기 위한 발광소오스(10)을 포함한다. 본 명세서에서 사용된 바와같이, 참조번호(12)는 일반적으로 모든 연속 광학 섬유 가닥을 표시하지만, 첨자(A, B, C 등)를 갖고 있는 참조번호(12)는 광학 섬유(12)의 부분들을 표시한다.

도시한 실시예에서, 발광소오스(10)은 0.82미크론(micron) 정도의 파장을 갖고 있는 광선을 발생시키는 비소화 갈륨(GaAs)레이저로 구성된다. 특정한 예에 의하면, 발광소오스(10)은 미합중국, 뉴우저지주, 사우드 플레인휠드, 하들리 로드, 3005(3005 Hadley Road, South Plainfield, New Jersey)에 소재한 제너럴 광학 주식회사(General Optroniocs Corp.)제품인 시판 중인 모델 Go-DIP 레이저 다이오드로 구성될 수 있다. 가닥(12)와 같은 광학 섬유 가닥들은 양호하게, 예를들어, 외경이 80미크론이고 코어 직경이 4미크론인 단일 모두드 광학 섬유들이다. 루우프(14)는 스풀(spool) 또는 그 외에 다른 적당한 지지체(도시하지 않음) 주위에 감긴 광학 섬유(12)의 다수의 권선을 포함한다. 특정한 예에 의하면, 루우프(14)는 직경이 14cm인 형태 위에 감긴 약 1000개의 광학 섬유 권선을 가질 수 있다.

양호하게도, 루우프(14)는 중심으로부터 시작하여 대칭적으로 감겨지므로, 루우프(14)의 대칭점들은 근사하다. 이것은 회전 감지기의 주위 감도를 감소시키는데, 그 이유는 이러한 대칭성이 시간에 따라 변하는 온도 및 압력 변화도가 2개의 역-전달파에 유사한 영향을 미치게 하기 때문이다.

소오스(10)으로부터의 광선은 광학 섬유(12)를 발광 소오스(10)에 접합시킴으로써 광학 섬유(12)의 한 단부에 광학적으로 결합된다. 광선을 안내 및 처리하기 위한 다수의 구성 부품들은 연속가닥(12)를 따라 다수의 위치에 배치되거나 형성된다. 이 구성 부품들의 상대 위치들을 기술하기 위해, 연속 광학 섬유(12)는 각각 12A 내지 12G로 지칭된 7개의 부분들로 분리되는 것으로 기술하겠는데, 부분(12A 내지 12E)는 소오스(10)에 결합되는 루우프(14)의 한측에 있고, 부분(12F 및 12G)는 루우프(14)의 반대측에 있게 된다.

편광제어기(24)는 발광소오스(10)에 인접하여 광학섬유 부분(12A와 12B)사이에 있다. 제어기(24)로서 사용하기에 적합한 편광제어기 형태는 본 발명의 양수인에게 양도되고 본 명세서에서 참고문헌으로 사용한, “광학 섬유 편광 변환기”란 명칭으로 1980년 9월 4일자 출원된 동시 연속 특허 출원 제183,975호에 상세하게 기술되어 있다. 이 편광제어기(24)에 대해서는 다음에 간단히 기술하겠다. 이 제어기(24)는 인가된 광선의 편광상태와 방향을 조절한다.

그 다음, 광학 섬유(12)는 광학섬유(12B와 12C) 사이에, 배치된 방향성 결합기(26)의 포오트(port, A 및 B)를 통과한다. 결합기(26)은 이 결합기(26)의 포오트(C 및 D)를 통과하는 광학 섬유의 제2가닥에 광학 전력을 결합시키는데, 포오트(C)는 포오트(A)와 동일한 결합기 측에 있고, 포오트(D)는 포오트(B)와 동일한 결합기 축에 있다. 포오트(D)로부터 연장된 광학섬유(28)의 단부는 지점[“NC”(“비접속”)]에서 비-반사적으로 종단되지만, 포오트(C)로부터 연장된 광학 섬유(29)의 단부는 광 검출기(30)에 광학적으로 결합된다. 특정한 예에 의하면, 광 검출기(30)은 표준역 바이어스 실리콘 PIN-형 포토(photo)다이오드로 구성될 수 있다. 결합기(26)은 본 발명의 양수인에게 양도된, “광학 섬유 방향성 결합기”란 명칭으로 1980년 4월 11일자 출원된 특허출원 제139,511호의 일부연속 출원인, “광학 섬유 방향성 결합기”란 명칭으로 1981년 9월 10일자 출원된 동시 연속 특허출원 제300,955호에 상세하게 기술되어 있다. 이 특허출원들은 본 명세서에서 참고문헌으로 사용된다.

결합기(26)의 포오트(B)로부터 연장되는 광학 섬유 부분(12C)는 광학 섬유 부분(12C와 12D) 사이에 배치된 편광기(32)를 통과한다. 단일 모우드 광학 섬유는 광파를 전달시키는 2개의 편광모우드를 갖고 있다. 편광기(32)는 광학 섬유(12)의 편광모우드들 중의 한 모우드 내에서 광선을 통과시키지만, 다른 편광모우드 내에서는 광선을 차단시킨다. 양호하게도, 상술한 편광 제어기(24)는 이러한 평광이 편광기(32)에 의해 통과된 편광모우드와 동일하게 되도록 인가된 광선의 편광을 조정하는데 사용된다. 이것은 인가된 광선이 편광기를 통해 전달될 때 광학 전력의 손실을 감소시킨다. 본 발명에 사용하기 위한 양호한 형태의 편광기는 본 발명의 양수인에게 양도되고 본 명세서에서 참고문헌으로 “편광기 및 방법”이란 명칭으로 1980년 10월 10일자 출원된 특허출원 제195,934호에 상세하게 기술되어 있다.

편광기(32)를 통과한 후, 광학 섬유(12)는 광학 섬유 부분(12D와 12E) 사이에 배치된 방향성 결합기(34)의 포오트(A 및 B)를 통과한다. 양호하게도, 이 결합기(34)는 결합기(26)을 참조하여 상술한 것과 동일한 형태로 되어 있다. 그 다음, 광학섬유(12)는 루우프(14)내에 감겨지고, 편광제어기(36)은 이 루우프(14)와 광학 섬유 부분(12E) 사이에 배치된다. 이 평광 제어기(36)은 제어기(34)를 참조하여 기술한 형태로 될 수 있고, 역-전달파들의 간섭에 의해 형성된 광학출력 신호가 최소 광학전력 손실로 편광기(32)에 의해 효율적으로 통과되는 편광을 갖도록 루우프(14)을 통해 역-전달되는 광파의 편광을 조정하기 위해 사용된다. 그러므로, 편광 제어기(24와 36)을 사용함으로써, 광학 섬유(12)를 통해 전달되는 광선의 편광은 최대 광학 전력 출력을 위해 조정될 수 있다.

AC신호 발생기(40)에 의해 구동된 위상 변조기(38)은 루우프(14)와 제2방향성 결합기(34) 사이의 광학섬유 세그먼트(12F)에 장착된다. 이 변조기(38)은 광학 섬유(12)가 주위에 감긴 실린더(cylinder)를 포함한다. 광학섬유(12)는 실린더가 발생기(40)으로부터의 변조 신호에 응답하여 방사상으로 팽창할때, 연신되도록 실린더에 접착되어 있다.

본 발명과 함께 사용하기에 적합한 선택적인 형태의 변조기(도시하지 않음)는 실린더의 단부들에게 짧은 모세관 전장에 접착된 광학섬유(12)의 4개의 세그먼트들을 종방향으로 연신시키는 PZT 실린더를 포한한다. 본 분야에 숙련된 기술자들은 이 선택적인 형태의 변조기가 변조기(38)보다 더 작은 편광변조도를 전달 광학 신호에 제공할 수 있다는 것을 알 수 있고, 변조기(38)이 바람직하지 못한 편광변조 효과를 제거시키는 주파수에서 동작될 수 있다는 것을 알 수 있다. 그러므로, 이 두가지 형태의 변조기는 모두 본 발명에 사용하기에 적합하다.

그 다음, 광학 섬유(12)는 결합기(34)의 포오트(C 및 D)를 통과하는데, 광학 섬유 부분(12F)는 포오트(D)로부터 연장되고, 광학 섬유 부분(12G)는 포오트(C)로부터 연장된다. 광학 섬유 부분(12G)는 지점 “NC”(“비접속”)에서 비-반사적으로 종단된다.

AC 발생기(40)으로부터 출력신호는 선(44)를 통해 기준 신호로서 로크-인 증폭기(46)에 공급되는데, 이 로크-인 증폭기(46)은 선(48)에 의해 광검출기(30)의 출력을 수신하도록 접속되어 있다. 선(44)를 통해 증폭기(46)에 공급되는 이 신호 변조기(38)의 변조 주파수에서, 즉 광학 출력 신호의 제1조파성분에서 검출기 출력신호를 검출하고 동시에, 이 주파수의 그외의 다른 모든 조파들을 차단시키도록 증폭기(46)을 엔에이블(enable) 시키기 위해 기준 신호를 제공한다.

로크-인 증폭기들은 본 분야에 공지되어 있고, 시판되고 있다.

검출기 출력신호의 제1조파 성분의 크기는 제한된 동작범위에 걸쳐 루우프(14)의 회전속도에 비례한다. 증폭기(46)은 이 제1조파 성분에 비례하는 신호를 출력시키어, 회전 속도를 직접 표시하는데, 이 속도는 표시 판넬(panel, 47)상에 시각적으로 표시될 수 있다. 그러나, 제1도에 도시한 검출 장치는 제9도의 설명에 관련하여 알게 되는 바와같이 회전 속도가 비교적 적은 경우에만 사용될 수 있다.

[결합기 26 및 34]

제2도에는 본 발명의 회전 감지기 또는 자이토스코우프 내외 결합기(26 및 34)로서 사용하기에 양호한 광학섬유 방향성 결합기가 도시되어 있다. 이 결합기는 피복물의 일부분이 제거된 단일 모우드 광학섬유 물질로 된 2개의 광학섬유 가닥(50A 및 50B)를 포함한다. 이 2개의 가닥(50A 및 B)는 각각의 블럭(53A 및 53B)내에 형성된 각각의 아치형 홈(52A 및 52B) 내에 장착된다. 가닥(50A 및 50B)는 광선이 가닥의 코어 부분들 사이로 전달되게 하는 상호작용 지역(54)를 형성하도록 피복물이 밀접하게 간격을 두고 제거되어 이는 가닥 부분들과 함께 배치된다. 제거된 물질의 크기는 각각의 가닥(50A 및 50B)의 코어 부분이 다른 가닥들의 미소지역 내에 있도록 되어 있다. 결합기의 중심에서 가닥들 사이의 중심 대-중심 간격은 전형적으로 약 2 내지 3개의 코어 직경 이하이다.

상호작용 지역(54)에서 가닥들 사이로 전달된 광선은 방향성이라는 것을 주지해야 한다. 즉, 입력 포오트(A)에 인가된 모든 광선은 포오트(C)에 역-방향 결합하지 않고 출력 포오트(B 및 D)로 전달된다. 이와 마찬가지로, 입력포오트(C)에 인가된 모든 광선은 출력 포오트(B 및 D)로 전달된다. 또한, 이 방향성은 대칭적이다. 그러므로, 입력 포오트(B) 또는 입력 포오트(D)에 공급된 광선은 출력 포오트(A 및 C)로 전달된다. 또한, 결합기는 필수적으로 편광에 관련하여 비-식별적이므로, 결합된 광선의 편광을 유지한다. 그러므로, 예를들어, 수직 편광은 갖고 있는 광선 비임(beam)이 포오트(A)에 입력되면, 포오트(A)로부터 포오트(D)에 결합된 광선 뿐만 아니라 포오트(A)로부터 포오트(B)를 똑바로 통과하는 광선이 수직 편광상태로 유지된다.

상술한 설명으로부터 결합기는 인가된 광선을 2개의 역-전달파(W₁, W₂, 제1도)로 분할하도록 비임-분할기로서 작용할 수 있다는 것을 알 수 있다. 또한, 결합기는 부수적으로 역-전달파들이 루우프(14, 제1도)를 통과한 후 이 역-전달파들을 재결합시키는 작용도 한다.

도시한 실시예에서, 각각의 결합기(26, 34)는 50%의 결합 효율을 갖고 있는데, 결합효율이 이렇게 선택될 때 광검출기(30, 제1도)에서 최대 광학 전력을 제공하게 된다. 본 명세서에 사용된 바와 같이, “결합효율”이란 용어는 %로 표시된, 모든 출력 전력-대-결합 전력의 전력 비를 의미한다. 예를들어, 제2도를 참조하면, 광선이 포오트(A)에 인가될 경우, 결합 효율은 포오트(B 및 D)에서의 전력 출력의 합계-대-포오트(D)에서의 전력의 비와 동일하게 된다. 또한 결합기(34)에 대한 50%의 결합 효율은 역-전달파(W₁, W₂)들의 크기가 동일하게 한다.

[편광기 32]

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

광학섬유(12) 및 복굴절성 물질(60)의 상대 굴절률들은 바람직한 편광 모우드의 파속(wave velocity)이 광학섬유(12)내에서 보다 복굴절성 결정체(60) 내에서 더 크고, 바람직하지 못한 편광모우드의 파속이 복굴절성 결정체(60)내에서 보다 광학섬유(12) 내에서 더 크도록 선택된다. 바람직한 편광모우드의 광선은 광학섬유(12)의 코어 부분에 의해 계속 안내되는 반면에, 바람직하지 못한 편광 모우드의 광선을 광학섬유(12)로부터 복굴절성 결정체(60)에 결합된다. 그러므로, 편광기(32)는 한 편광모우드 내의 광선은 통과시키지만 다른 편광모우드 내의 광선은 차단시킨다. 상술한 바와 같이, 편광제어기(24, 36, 제1도)는 편광기를 통한 광학 전력 손실이 최소화되도록 인가된 광선 및 광학 출력신호의 편광을 각각 조정하기 위해 사용될 수 있다.

[편광제어기 24, 36]

제4도에는 제1도의 회전감지기에 사용하기에 적합한 한 형태의 편광제어기가 도시되어 있다. 이 제어기는 다수의 직립 블럭(72A 내지 72D)가 장착된 베이스(70)을 포함한다. 블럭(72)들 중의 인접 블럭들 사이에는, 스풀(74A 내지 74C)가 축(76A 내지 76C)상에 접선 방향으로 각각 장착된다. 축(76)들은 서로 축방향으로 배열되고, 블럭(72)들 사이에 회전 가능하게 장착된다.

가닥(12)는 축(76)내의 축 방향 보어(bore)들을 통해 연장되고, 3개의 코일(78A 내지 78C)를 형성하도록 각각의 스풀(74) 주위에 감겨진다. 이 코일(78)의 반경은 광학섬유(12)가 각각의 코일(78)내의 복굴절성 매질을 형성하기 위해 응력을 받도록 되어 있다. 3개의 코일(78A 내지 78C)는 광학섬유(12)의 복굴절성을 조정하므로써 광학섬유(12)를 통과하는 광선의 편관을 제어하도록 축(74A 내지 74C)의 축 주위에서 서로 독립적으로 회전될 수 있다.

코일(78)내의 권선의 직격 및 갯수는 외부 코일(78A 및 78C)가 1/4 파장의 공간 지연을 제공하고 중심 코일(78D)가 1/2파장의 공간지연을 제공하도록 되어 있다. 1/4파장 코일(78A 및 78C)는 편광의 타원률을 제어하고, 1/2파장 코일(78)은 편광의 방향을 제어한다. 이것은 광학섬유(12)를 통해 전달되는 광선의 편광의 전체 조정 범위를 제공한다.

그러나, 편광제어기는 2개의 1/4파 코일(78A 및 78C)만을 제공하도록 변형될 수 있는데, 그 이유는 [중심 코일(78B)에 의해 제공된] 편광의 방향이 2개의 1/4파 코일(78A 및 78C)에 의해 편광의 타원률을 적당히 조정함으로써 간접적으로 제어될 수 있기 때문이다. 따라서, 편광제어기(24 및 36)은 2개의 1/4파 코일(78A 및 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, 편광제어기(24 및 36)은 인가된 광선과 역-전달파들의 편광을 설정, 유지 및 제어하기 위한 장치를 제공한다.

[위상 변조 또는 편광제어가 없는 상태하에서의 동작]

편광기(32, 제1도) 및 위상 변조기(38)의 기능 및 중요성을 완전히 이해하기 위해서, 회전 감지기의 구성 부품들이 시스템으로부터 제거되어 있는 경우의 회전 감지기의 동작에 대해 설명하겠다. 따라서 제5도는 변조기(38), 편광기(32) 및 제거된 관련 구성 부품들과 함께, 제1도의 회전 감지기를 개략적인 계통도 형태로 도시한 것이다.

광선은 광학섬유(12)속에서 전달되기 위해 레이저 소오스(10)으로부터 광학섬유(12)에 결합된다. 광선은 결합기(26)의 포오트(A)로 들어가는데, 여기서 광선의 일부분이 포오트(D)를 통해 손실된다. 포오트(A)로 전달되는데, 여기서 광선은 진폭이 동일한 2개의 역-전달파(W₁, W₂)로 분리된다.

파(W₁)은 루우프(14) 주위에서 시계방향으로 포오트(B)로부터 전달되지만, 파(W₂)는 루우프(14) 주위에서 역-시계방향으로 포오트(D)로부터 전달된다.

파(W₁, W₂)가 루우프(14)를 통과한 후, 이 파들은 결합기(34)의 포오트(A)로부터 결합기(26)의 포오트(B)로 전달되는 광학 출력신호를 형성하도록 결합기(34)에 의해 재결합 된다.

광학 출력신호의 일부분은 광학섬유(29)를 따라 광검출기(30)으로 전달하기 위해 결합기(26)의 포오트(B)로부터 포오트(C)에 결합된다. 이 광검출기(30)은 광학 출력신호에 의해 부여된 광선의 세기에 비례하는 전기 신호를 출력시킨다.

광학 출력신호의 세기는 파(W₁, W₂)들이 결합기(34)에서 재결합되거나 간섭될 때 파(W₁, W₂)를 사이의 간섭의 크기 및 형태에 따라, 즉 건설적으로나 파괴적으로 변하게 된다.

우선, 광학섬유 복굴절성의 효과를 무시하면, 파(W₁, W₂)는 루우프(14) 주위에서 동일 과학 경로를 이동한다. 그러므로, 루우프(14)가 휴지 상태라고 가정하면, 파(W₁, W₂)가 결합기(34)에서 재결합될때, 이 파들은 위상차가 없어 전설적으로 간섭하게 되고, 광학 출력신호의 세기는 최대로 된다. 그러나, 루우프(14)가 회전되면, 역-전달파(W₁, W₂)는 사그낙 효과에 따라 동상 전이되므로, 이 파들이 결합기(34)에서 중첩되면, 이 파들은 광학 출력신호의 세기를 감소시키도록 파괴적으로 간섭한다. 루우프(14)의 회전으로 야기된 파(W₁, W₂) 사이의 이러한 사그낙 위상차는 다음의 관계식으로 정해진다.

(1)

여기서 A는 광학섬유의 루우프(14)에 의해 정해진 면적이고, N은 면적 A주위에서의 광학섬유 권선수이며, Ω는 루우프의 평면에 수직인 축 주위에서 루우프의 각 속도이고, λ 및 C는 각각 루우프에 인가된 광선의 파장 및 파속의 자유공간 값들이다.

광학 출력신호의 세기(I_T)는 파(W₁, W₂) 사이의 사그낙 위상차(Δø_R)의 함수이고, 다음 식으로 정해진다.

I_t= I₁+I₂+2 I₁I₂cos(Δø_R)(2)

여기서, I₁및 I₂는 각각의 파(W₁, W₂)의 세기이다.

식(1) 및 (2)로부터, 광학 출력신호의 세기는 회전속도(Ω)의 함수라는 것을 알 수 있다. 그러므로, 이러한 회전속도의 표시는 검출기(30)을 사용하여 광학 출력신호의 세기를 측정함으로써 얻어질 수 있다.

제6도는 곡선(80)을 도시한 것인데, 이 곡선을 광학 출력신호의 세기(I_T)와 역-전달파(W₁, W₂) 사이의 사그낙 위상차(Δø_R) 사이의 이 관계를 나타낸다. 이 곡선(80)은 코싸인(cosine) 곡선 형태로 되어 있고, 사그낙 위상차가 0일때 광학 출력신호의 세기는 최대이다. 역-전달파(W₁, W₂) 사이의 위상차가 완전히 루우프(14)의 회전에 의해 야기되는 경우에, 곡선(80)은 수직축에 대해 대칭으로 변하게 된다. 그러나, “비편광광선을 사용하는 광학섬유 회전 감지기”란 명칭으로 1981년 7월 29일자 출원된 특허 출원 제288,212호에 기술된 바와 같이, 편광된 광선을 사용하면, 역-전달파(W₁, W₂) 사이의 부수적인 비-상반 위상차가 광학섬유(12)의 잔여 복굴절성에 의해 생기게 될 수 있다. 이 특허출원은 본 명세서에서 참고문헌으로 사용하였다. 이 부수적인 비-상반 위상차는 전혀 편광되지 않은 광선이 사용될 경우에는생기지 않게 된다.

단일 모우드 광학 섬유(12)의 각각의 2개의 편광모우드 내에서 이동하는 광선은 상이한 속도로 이동하기 때문에 복굴절성 유도위상차들이 생긴다. 복굴절성은 한 편광 모우드를 이용하는 광선의 일부분을 다른 모우드 내로 결합시킨다. 이것은 제6도의 곡선(80)을 왜곡 또는 전이시키는 식으로 파(W₁, W₂)를 간섭시키는 파(W₁, W₂) 사이의 비-회전적으로 유도된 위상차를 발생시킨다. 이러한 전이는 제6도에 가상선으로 도시한 곡선(82)로 나타나 있다.

이러한 복굴절성 유도 비-상반 위상차는 회전적으로 유도된 사그낙 위상차와 구별할 수가 없고, 광학섬유 복굴절성을 변화시키는 온도 및 압력과 같은 주위 환경 요소에 따라 변한다.

그러므로, 광학섬유 복굴절성은 광학 회전 감지기 내에서 착오를 발생시키는 주요한 소오스가 된다.

[편광기(32)가 있는 상태 하에서의 동작]

광학섬유 복굴절성으로 인한 비-상반 동작의 문제점은 상술한 바와 같이, 단일 편광모두드만을 사용하게 하는 편광기(32, 제1도)에 의해 본 발명의 회전 감지기 내에서 해결된다.

편광기(32)가 제5도에 참조번호(27)로 표시된 지점에서 시스템내로 유입되면, 편광기(32)를 통과하는 광선은 선택된 편광 모우드로 루우프(14)내로 전달된다. 또한, 역-전달파들이 광학 출력신호를 형성하도록 재결합되면, 루우프에 인가된 광선과 동일한 편광이 아닌 광선을 광검출기(30)에 도달하지 못하게 되는데, 그 이유는 광학 출력신호가 편광기(32)를 통과하기 때문이다.

그러므로, 광학 출력신호는 결합기(34)의 포오트(A)로부터 결합기(26)의 포오트(B)로 이동할 때, 포오트에 인가된 광선과 아주 동일한 편광을 갖게 된다.

그러므로, 동일한 편광기(32)를 통해 입력 광선 및 광학 출력신호를 통과시킴으로써, 단 1개의 단일 광학 경로가 사용되므로, 2개의 가능한 편광 모우드 내의 상이한 전달 속도에 의해 야기된 복굴절성 유도 위상차의 문제점을 제거하게 된다. 즉, 광학섬유 내의 복굴절성에 의해 선택된 모우드로부터 선택되지 않은 모우드로 전달되는 모든광선을 휠터링(filtering)함으로써, 상이한 전달 속도로 인해 선택된 모우드에 관련하여, 위상을 얻거나 손실시키는 선택되지 않은 모우드 내의 모든 광파들을 제거할 수 있다. 또한, 편광제어기(24, 36, 제1도)가 편광기(32)에서의 광학 전력 손실을 감소시켜 검출기(30)에서의 신호 세기를 최대화하도록 인가된 광선 및 광학 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 코싸인 함수이므로, 광학 출력신호의 세기는 파(W₁, W₂) 사이의 작은 사그낙 위상치(Δø_R)에 대해 비선형이다. 또한, 광학 출력신호 세기는 Δø_R의 값이 작은 경우에 위상차내의 변화에 비교적 둔감하다. 이러한 비선형 및 둔감성을 검출기(30)에 의해 측정된 광학 세기(I_T)을 [식(1)을 통해] 루우프(14)의 회전 속도를 나타내는 신호로 변환시키는 것을 어렵게 한다.

또한, 편광기(32)를 사용함으로써 상술한 바와 같이, 파(W₁, W₂) 사이의 복굴절성 유도 위상차들이 제거되더라도, 광학섬유 복굴절성으로 인해 야기된 편광모우드들사이에 횡결합이 생긴다. 이 횡결합은 광학 출력신호의 광학 세기를 감소시키는데, 그 이유는 횡 결합된 광선이 편광기(32)상의 검출기(30)에 도달하지 못하기 때문이다. 그러므로, 광학섬유 복굴절성 내의 변화들은 제6도의 곡선(80)의 진폭을 예를들어 곡선(84)를 도시한 바와 같이 변화시킨다. 제6도의 곡선(80, 82, 84)는 제크기로 도시되어 있지 않다.

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

제7도를 참조하면, 위상 변조기(38)은 신호 발생기(40)의 주파수에서 각각의 전달파(W₁, W₂)의 위상을 변조시킨다. 그러나, 제1도에서 알 수 있는 바와 같이, 위상 변조기(38)은 루우프(14)의 한 단부에 배치된다. 그러므로, 파(W₁)의 변조는 파(W₂)의 변조와 꼭 동상은 아니다. 실제로는 파(W₁, W₂)의 변조가 180° 이상(out of phase)된 것이 이 동기 검출 시스템을 양호하게 동작시키기에 바람직하다. 제7도를 참조하면, 정현파 곡선(90)으로 나타낸 파(W₁)의 변조가 곡선(92)로 나타낸 파(W₂)의 변조와 180° 이상되는 것이 바람직하다. 파(W₂)의 변조에 관련하여 파(W₁)의 변조 사이에 이러한 180° 위상차를 제공하는 변조 주파수를 사용하는 것이 특히 유리한데, 이것은 검출기(30)에 의해 측정된 광학 출력신호내의 변조기 유도 진폭 변조를 제거한다. 이 변조 주파수(f_m)은 다음 식을 사용하여 계산될 수 있다.

여기서, L은 역-전달파(W₁, W₂)용 결합기(34)와 변조기(38)사이의 차등 광학섬유 길이, 즉 광학섬유를 따라 측정된 변조기(38)과 루우프(14)의 다른 측상의 대칭점 사이의 거리이고, n_eq는 단일 모우드 광학 섬유(12)에 대한 등가 굴절륭이며, c는 루우프(14)에 인가된 광선의 자유 공간 속도이다.

“고유”주파수라고 부르는 이 변조 주파수(f_m)에서, 곡선(90 및 92)에 따라 파(W₁, W₂)의 위상 변조로부터 생기는 역-전달파(W₁, W₂) 사이의 위상차(Δø₁)는 제7도에 정현파 곡선(94)로 도시되어 있다. 곡선(94)는 파(W₁, W₂) 사이의 위상차를 얻기 위해 곡선(90)으로부터 곡선(92)를 뺌으로써 얻어진다. 또한, 파(W₁, W₂) 사이의 위상차의 이 변조는 사그낙 위상 전이시와 마찬가지로 제6도의 곡선(80)에 따라 광학 출력신호의 세기(I_T)를 변조시키는데, 그 이유는 이러한 위상 변조(Δø₁)이 회전적으로 유도된 사그낙 위상차(Δø_R)과 구별될 수 없기 때문이다.

상술한 설명은 광학 출력신호세기(ΔI_T)를 축으로 하여 (a) 제7도의 곡선(94)에 의해 정해진 위상변조(Δø₁) 및 (b) 사그낙 위상차(Δø_R)의 효과를 도식적으로 도시한 제8도 및 제9도를 참조함으로써 더욱 완전히 이해할 수 있다.

제8도 및 제9도를 설명하기 전에, 먼저 변조된 광학 출력신호의 세기(I_T)가 파(W₁, W₂) 사이의 전체 위상차의 함수라는 것을 알아야 한다. 이러한 전체위상차는 회전적으로 유도된 사그낙 위상차(Δø_R)과 시간 변화 변조유도 위상차(Δø₁)으로 구성된다. 파(W₁, W₂) 사이의 전체 위상차(Δø)는 다음과 같이 표현될 수 있다.

Δø=Δø_R+Δø₁(4)

따라서 회전적으로 유도된 Δø_R뿐만 아니라 변조 유도위상차(Δø₁)의 효과가 제8도 및 제9도를 참조하여 고찰되기 때문에, 곡선(80)에 대한 수평축은 제6도에서와 같이 회전적으로 유도된 위상차만이 아니라 전체 위상차가 고찰되는 것을 나타내도록 Δø로 명칭 바뀌어져 있다.

제8도를 참조하면, 광학 출력신호의 세기(I_T)를 축으로 한 위상 변조(Δø₁)의 효과[곡선(94)]가 도시되어 있다. 곡선(80)은 파들 사이의 위상차(Δø)에 대한 2개의 간섭 인접파들로부터 발생되는 광학 출력신호의 세기 사이의 관계를 나타낸다. (93)으로 도시한 바와 같이, 이들 사이의 상대 위상 각이 0이면, 결합된 파의 최종적인 세기는(95)로 도시된 바와 같이 최대로 된다. 파(W₁, W₂) 사이의 상대 위상이 0이 아니면, 결합된 광학섬유는 위상차(Δø)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 될 때까지 증분 Δø로 계속 감소한다. +180° 또는 -180°의 위상차에서, 2개의 역-전달파들은 완전히 파괴적으로 간섭하고, 최종 세기는 (97) 및 (99)로 도시한 바와 같이 0으로 된다.

제8도에서, 루우프(14)가 휴지상태이므로, 광학신호가 사그낙 효과에 의해 영향을 받지 않는다고 가정한다. 상세하게 말하자면, 변조 유동 위상차 곡선(94)는 광학 출력신호를 곡선(96)으로 도시한 바와 같이 변화시킨다는 것을 알 수 있다. 곡선(96)은 파(W1과 W2) 사이의 위상차(Δø)에 대한 최종 광학 세기를 나타내는 곡선(80)상에 파(W1과 W2) 사이의 순간 위상차(Δø1)을 나타내는 곡선(94)상의 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 광학 세기는 곡선(96)으로 도시한 바와 같이, 변조 주파수의 제2조파와 동일한 주파수에서 주기적으로 변한다.

상술한 바와 같이, 토크-인 증폭기(46)이 신호 발생기(40, 제1도)로부터의 변조 주파수(f_m)에서 기준 신호에 의해 동조되기 때문에, 토크-인 증폭기는 변조기(38)의 변조주파수(f_m), 즉 제1조파에서 검출기 출력신호만을 동시에 검출한다.

그러나, 곡선(96)으로 도시한 바와 같이, 검출기 출력신호가 변조 주파수의 제2조파에 있기 때문에, 증폭기(46)으로부터의 출력신호는 0로 되어, 표시기(47)는 0의 회전 속도를 표시하게 된다.

제6도의 곡선(84)를 참조하여 기술한 바와 같이, 복굴절성 유도진폭 변동들이 광학 출력신호 내에서 생기더라도, 제8도의 곡선(96)은 제2조파 주파수에서 유지된다는 것을 알아야 한다. 그러므로, 이러한 복굴절성 유도 변동들은 증폭기(46) 출력신호에 영향을 미치지 않게 된다. 그러므로, 기술한 검출시스템은 복굴절성 내의 변화에 둔감한 더욱 안정한 동작점을 제공한다.

루우프(14)가 회전될때, 역-전달파(W1, W2)들은 상술한 바와 같이 사그낙 효과에 따라 동상 전이된다. 사그낙 위상 전이는 회전 속도가 일정할 경우 일정한 위상차(Δø_R)을 제공한다. 이 사그낙 위상 전이는 변조기(38)에 의해 발생된 위상차(Δø₁)에 가산되므로, 전체 곡선(94)는 제9도에 도시한 바와 같이, Δø_R과 동일한 크기만큼 제8도에 도시한 위치로부터 동상 이동된다. 이것은 광학 출력신호를 점(99와 101) 사이의 곡선(80)을 따라 비대칭적으로 변화시킨다. 이것은 곡선(96)으로 도시한 바와 같은 광학 출력신호를 발생시킨다.

곡선(96)상의 점들은 다음과 같이 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.

광학 출력신호(96)은 정현파 곡선(98)의 가상선으로 도시한 바와 같은 제1조파 성분을 갖고 있다. 그러나 제1조파 성분곡선(88)의 최대 진폭은 어떤 경우일지라도 점(115)에서의 광학 출력신호의 진폭에 정확히 정합시킬 필요가 있다.

이 정현파 곡선(98)의 RMS 값은 회전적으로 유도된 사그낙 위상차(Δø_R)의 싸인(sine) 값에 비례한다. 증폭기(46)이 변조기(38)의 기본 주파수를 갖고 있는 신호들은 동시에 검출하기 때문에, 증폭기(46)은 곡선(98)의 RMS 값에 비례하는 신호를 출력시킨다. 이 신호는 루우프의 회전 속도를 표시하는데 사용될 수 있다.

제9도는 루우프(14)의 회전방향(예를들어, 시계방향)에 대한 광학 출력신호의 세기파형을 도시한 것이다. 그러나, 루우프(14)가 동일한 속도로 반대방향(예를들어, 역-시계방향)으로 회전되면, 광학 출력신호의 세기 파형(96)의 곡선(98)에 도시한 위치로부터 180° 전이되도록 이동되는 것을 제외하면, 제9도에 도시한 것과 아주 동일하다.

로그-인 증폭기(46)은 루우프의 회전 방향이 시계방향인지 역-시계 방향인지의 여부를 결정하도록 제1조파(98)의 위상을 신호 발생기(40)으로부터의 기준신호의 위상과 비교함으로써 곡선(98)에 대한 이 180° 위상치를 검출한다. 회전 방향에 따라서, 증폭기(46)은 정(+) 또는 부(-)신호를 표시기(47)에 출력시킨다. 그러나, 회전 방향에 관계없이, 신호의 크기는 루우프(14)의 회전속도가 동일한 경우에 동일하다.

증폭기 출력신호의 파형은 제10도에 곡선(100)으로 도시되어 있다. 이 곡선은 정현파이고, 루우프(14)의 회전방향이 시계방향인지 또는 역-시계 방향인지의 여부에 따라(125)로 도시한 O회전 속도 출력 전압으로부터 정(+) 또는 부(-)로 변한다. 또한, 곡선(100)은 원점에 대해 대칭적으로 변하고, 회전을 측정하기 위해 비교적 넓은 동작 범위를 제공하는 선형부분(102)를 갖고 있다. 또한, 곡선(100)의 기울기는 선형동작범위(102)를 걸쳐 작은 사그낙 위상 전이에 대해 우수한 강도를 제공한다.

그러므로, 동기 검출 시스템을 사용함으로써, 비선형성, 작은 사그낙 위상 전이에 대한 둔감성 및 복굴절 유도 진폭변동의 상술한 문제점들이, 점(97과 95) 사이의 곡선(80)상의 어느 점에서든지 제9도의 점(99 및 101)을 유지하는 루우프(14)의 회전 속도를 위해 감소되거나 제거된다.

그러므로, 기술한 검출 시스템의 다른 장점은 변조기(38)과 같은 위상 변조기의 상태가 직접적으로나 간접적으로 편광변조를 통해 광학 출력신호를 진폭 변조시킨다는, 즉 위상 변조기가 통과하는 어떤 광선을 선택되지 않는 편광 모우드로 전이시킨다는 것이다. 그러나, 파(W1과 W2)의 변조 사이의 위상 차가 180°인 특정한 또는 “고유”주파수에서 동작함으로써 변조기(38)에 의해 각각의 역-전달파(W1, W2) 내에 유도되는 이 진폭 변조의 홀수 조파 주파수 성분들은, 이 역전달파들이 광학 출력신호를 형성하도록 중첩될 때 서로 상쇄된다는 것을 식(3)을 참조하여 기술한 상기 설명으로부터 알 수 있다. 그러므로, 상술한 검출 시스템이 광학 출력신호의 홀수 조파, 즉 기본 주파수만을 검출하기 때문에, 바람직하지 못한 진폭 변조효과들은 제거된다. 그러므로, 식(3)에 의해 정해진 특정 주파수에서 동작하고, 광학 출력신호의 홀수 조파만을 검출함으로써, 본 발명의 회전 감지기는 변조기 유도 진폭 및 편광 모우드에 관계없이 동작할 수 있다.

고유 주파수에서 동작하는 것의 다른 장점은 각각의 역-전달파(W1, W2) 내에 변조기(38)에 의해 유도된 위상 변조의 짝수 조파들이 이 역전달파들이 광학 출력신호를 형성하도록 중첩될 때 상쇄된다는 것이다. 이 짝수 조파들은 중첩에 의해, 검출 시스템에 의해 다른 방법으로 검출되어야 하는 광학신호내의 의사 홀수 조파들을 발생시키기 때문에, 이것들을 제거하면 회전 감지 정확도를 향상시키게 된다.

식(3)에 의해 정해진 주파수에서 위상 변조기(38)을 동작시키는 것 이외에, 광학 출력 신호 세기의 검출된 제1조파의 진폭이 최대로 되도록 위상 변조 크기를 조정하는 것이 바람직한데, 그 이유는 이것이 회전감지 정도 및 정확도를 향상시키기 때문이다. 제7도, 제8도 및 제9도에서 크기(Z)로 표시한 파(W1, W2) 사이의 변조기 유도 위상차(Δø)의 진폭이 1.84 래디안(radian)일 때, 소정의 회전 속도의 경우에 광학 출력 신호 세기의 제1조파가 최대로 된다는 것을 알게 되었다. 이것은 위상차(Δø)와 함께 세기(I₁및 I₂)를 각각 갖고 있는 2개의 중첩과의 전체 세기(I_T)에 대한 다음 식을 참조함으로써 더욱 완전히 이해할 수 있다.

여기서,

Δø=ø_n+ø₁

이고, Δ=Z sin(2πf_xt)

이다. 그러므로, Δø=ΔΦR+Z sin(2πf_mt)

이다. cos(Δø)의 퓨우리에 전개식(Fourier expansion)은 다음과 같다.

여기서, J_n(z)은 변수 z의 n번째 베셀(bessel) 함수이고, z는 파(W1, W2)사이의 변조기 유도 위상차의 최대 진폭이다.

그러므로, I_T의 제1조파만을 검출하는 것을 식으로 나타내면 다음과 같이 된다.

그러므로, 광학 출력 신호 세기의 제1조파의 진폭은 제1베셀함수 J(z)의 값에 따라 변한다. z가 1.84래디안일때 J₁(z)가 최대로 되기 때문에, 위상 변조의 진폭은 파(W1, W2) 사이의 변조기 유도 위상차(Δø₁)의 크기(z)가 1.84레디안이 되도록 양호하게 선택되어야 한다.

[후방산란 효과의 감소]

공지된 바와같이, 기존 광학 섬유 기술 상태는 광학적으로 완전하지 못하지만, 광학 섬유의 기본 물질 내의 밀도 변동과 같은 결정을 갖고 있다. 이 결점들은 광학섬유의 굴절들을 변화시키어 소량의 광선을 산란시킨다. 이 현상을 통상적으로 레일레이(Rayleigh)산란이라고 부른다. 이러한 산란은 약간의 광선을 광학섬유로부터 손실시키지만, 이러한 손실량은 비교적 적으므로 중요한 문제는 되지 않는다.

레일레이 산란에 관련된 기본적인 문제점은 손실되는 산란 광선이 아니라, 초기 전달 방향과 반대 방향으로 광학 섬유를 통해 전달되도록 반사되는 광선에 관한 것이다. 이것을 통상적으로 “후방산란”광선이라고 부른다. 이러한 후방산란 광선은 역-전달파(W1, W2)를 포함하는 광선과 간섭하기 때문에, 이 광선은 이러한 전달파와 건설적으로나 파괴적으로 간섭할 수 있으므로 검출기(30)에 의해 측정된 바와같이 광학 출력 신호의 세기를 변화시킨다.

역-전달파와 간섭되는 1개의 파로부터의 후방산란 광선 부분은 루우프(14)의 중심의 간섭 길이 내에서 산란되는 광선 부분이다. 그러므로, 소오스의 간섭 길이를 감소시킴으로써 후방산란 광선과 역-전달파 사이의 간섭이 감소된다. 후방산란 광선의 나머지부분은 역-전달파와 간섭되지 않으므로, 이들 사이의 간섭되는 평균화되도록 임의로 변한다. 그러므로, 후방 산란 광선의 이 비간섭 부분은 세기가 일정하게 되고, 그 결과로서, 광학 출력 신호의 세기를 크게 변화시키지 않는다.

따라서, 본 발명에서는 예를들어, 1m 이하인 비교적 짧은 간섭길이를 갖고 있는 레이저를 발광 소오스(10)으로서 사용함으로써 후방산란 효과가 감소된다. 특정한 예에 의하면, 발광소오스(10)은 상술한 바와같이 제너럴 광학 주식회사 시판중인 모델 GO-DIP 레이저 다이오드로 구성될 수 있다.

후반산란파와 역-전달파 사이의 파괴적이거나 건설적인 간섭을 방지하는 선택적인 방법은 광학섬유 루우프(14)의 중심에서 시스템내에 부수적인 위상 변조기를 포함하는 것을 포함한다. 이 위상 변조기는 변조기(38)과 동기되지 않는다.

전달파들은 루우프 주위를 이동할때 이 부수적인 위상변조기를 단한번 통과한다. 파가 부수적인 변조기에 도달하기 전에 전달파로부터 생기는 후방산란파의 경우에, 이 후방산란파는 이 부수적인 변조기에 의해 위상 변조되지 않는데, 이 이유는 이것의 소오스 전달파나 후방산란파 자체가 부수적인 변조기를 통과하지 않기 때문이다.

한편, 파가 이 부수적인 위상 변조기를 통과한 후 전달파로 부터 생기는 후방산란과의 경우에, 이 후방산란파는 효율적으로 2번 위상 변조하는데, 한번은 전달파가 부수적인 위상 변조기를 통과했을 때이고, 또 한번은 후방산란파가 부수적인 변조기를 통과했을 때이다.

그러므로, 부수적인 위상 변조기가 ø(t)의 위상 전이를 하면, 루우프(14)의 중심을 제외한 어떤 지점에서 발생되는 후방산란파는 전달파에 대한 ø(t) 위상 전이에 관련하여 시간에 따라 변하는 0 또는 2ø(t)의 위상전이를 하게 된다. 이 시간 변화 간섭은 시간에 관련하여 평균화되어, 후방산란 효과를 효율적으로 제거시킨다.

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

이 경우에, 루우프(14)의 중심이 아닌 다른 점에서 나타나는 후방산란파는 이 후방산란파를 발생시키는 전달파와는 다른, 발광 소오스(10)으로부터 검출기(30)까지의 광학 경로 길이를 갖게 된다.

그러므로, 전달파는 루우프(14)를 한번 통과하지만, 후반산란파 및 이 후방 산란파를 발생시키는 전달파는 루우프(14)의 일부분을 2번 통과한다. 이 부분이 루우프의 1/2이 아니면, 경로 길이는 다르게 된다.

경로길이가 다르기 때문에, 검출기(30)에 도달하는 전달파는 동시에 검출기(30)에 도달하는 후방산란파와는 다른 시간에 소오스(10)에서 발생된다.

부수적인 위상 변조기에 의해 소오스(10)에 도입된 위상전이는 전달파에 관련하여서는 위상전이 ø(t)를 도입하지만, 후방산란파에 관련하여서는 위상전이 ø(t+k)를 도입한다. 여기서, k는 파들이 변조기를 통과하는 시간차이다. ø(t+k)는 ø(t)에 관련하여 시간 변화하기 때문에, 후방산란 간섭은 시간에 관련하여 평균화되어, 후방 산란 효과를 효율적으로 제거한다.

[게이트된 파를 사용하는 동적 범우가 확장된 검출 시스템]

제1도 내지 제10도를 참조하여 상술한 검출 시스템은 루우프(14)에 대한 회전속도 범위내에서 매우 효율적인 회전 감지시스템이다. 그런, 동적 범위는 어떤 현상에 의해 제한된다. 제9도를 참조하면, 곡선(80)은 주기적이라는 것을 알 수 있다. 그러므로, 큰 회전 속도가 점(97) 또는 점(95)를 지나 곡선(94)를 이동시키도록 충분히 큰 Δø_R을 발생시키면, 할 수(96)은 제2고회전속도 동안 자체 반복할 수 있다. 이 제2회전 속도는 제9도에 도시한 사그낙 위상전이 Δø_R을 발생시킨 회전 속도보다 상당히 더 크지만, 광학출력신호(96)을 사용하는 저속과 구별할 수 없다. 즉, 어느 정도 큰 회전속도로부터 Δø이 곡선(80)의 제2로브(lobe)상의 2개의 새로운 점(99´와 101´)사이에서 동작하도록 곡선(94)를 이동시키는데 충분히 크면, 출력광학 신호(96)은 곡선(94)가 점(99와 101) 사이에서 동작하는 도시된 경우로부터 이러한 경우에 구별할 수 없다.

본 발명은 광학 섬유 자이로스코우프의 검출 영역을 확장시키기 위한 새로운 방법 및 이에 관련된 장치들을 포함한다. 이 방법을 실시할 때, 상술한 광학 섬유 자이로스코우프는 식(3)에 의해 상술한 “고유”주파수 또는 바이어스 주파수(f_b)보다 상당히 낮은 부수적인 주파수 레벨(f_m)에서의 역-전달광파의 변조를 포함하도록 변형된다.

감지 루우프 내에 비대칭적으로 배치된 상반 이상 변조기에 의하여, 이 변조기에 신호를 인가하면 루우프 내의 2개의 역-전달파의 위상들 사이에 차동 전이 Δø_c가 발생할 수 있다. 이 Δø_c는 변조 주파수 f_c에서 시간에 따라 변하고, 1/2 변조 주기내에서 변조기에 의해 발생된 위상 전이가 다음 1/2 주기 내에서 발생된 위상전이에 의해 소멸되기 때문에 어떤 DC 항도 포함하지 않는다.

이에 비해, 회전에 의해 야기되는 차동 위상 전이 Δø_R은 DC 양으로 될 수 있으므로 Δø_C는 Δø_R을 직접 영점화시키기 위해 사용될 수 없다. 그러나, 자이로스코우프가 변조 파형의 다른 1/2주기 동안마다 게이트 오프되면, 나머지 1/2주기내에서 발생된 평균 Δø_C는 동일한 1/2주기 내에서 회전 발생 신호를 직접 영점화시키기 위해 사용될 수 있다. 게이트-온 1/2 주기 동안에 Δø_C를 발생시키는 신호의 진폭을 감시(monitor)함으로써, 감지기의 회전 속도를 결정할 수 있다.

상술한 바와같이 동작점을 바이어스시키기 위한 바이어스 주파수 f_b에 의하여, 바이어스 위상 변조 주파수보다 상당히 낮은 부수적인 변조 주파수 f_m을 부여한 다음에, f_m파형의 다른 1/2주기 동안마다 자이로를 게이트 오프시킴으로써, 위상차 변조 파형이 발생되는데, 이것의 시간 평균값은 정미(net) DC 레벨을 갖는다. 주파수 f_m에서의 제2위상 변조의 진폭을 조정함으로써, 위상차 변조의 이 시간 평균 DC 값은 동일한 1/2 주기내에서 발생된 Δø_R을 효율적으로 영점화시키도록 조정될 수 있다. 상술한 기술을 신호가 게이트 오프되는 기간동안 어떤 회전도 확인되지 않고 신호가 게이트 온될때 주파수 f_m에서의 위상 변조에 의해 소멸되기 때문에 출력 신호상의 회전의 영향을 효율적으로 영점화시키도록 작용한다. 회전량이 Δø_R의 영향을 영점화시키는데 필요한 f_m에서의 위상차 변조의 진폭에 비례하기 때문에, 회전 속도는 제2변조 신호의 진폭을 감시함으로 결정될 수 있다. 이 방법은 이 방법을 실시하는데 사용된 장치의 설명과 함께 다음에 상세하게 기술하겠다.

제11도를 참조하면, 본 명세서에서 기술한 방법에 관련해서 사용될 때 검출 범위를 상당히 증가시킬 뿐만 아니라 이러한 검출에 의해 제공된 결과들의 신뢰도를 개량시키는 장치의 한 양호한 실시예가 도시되어 있다. 제11도의 검출 시스템은 제1도에 도시한 시스템의 대부분의 구성부품들을 사용한다. 그러므로, 간략화하기 위해서, 구조 및 기능이 동일한 제1도와 제11도의 구성부품들은 동일한 참조 번호로 표시되어 있다.

제11도의 회로에서, 검출기(30)으로부터의 광학 출력 신호는 선(48)을 거쳐 증폭기(300)을 통해 전송되는데, 이 광학 출력 신호의 세기는 이 증폭기 내에서 전자 회로내에 사용할 수 있기에 충분하게 증대된다. 이 출력 신호는 증폭기(300)으로부터 선(302)를 통해 종래의 전자 게이트(304)로 통과한다. 게이트(304)의 동작은 AC 신호 발생기(308)로부터 선(306)을 통해 수신된 게이팅 신호에 의해 제어된다. 선(306)상의 신호의 위상은 이 선(306)내의 종래의 위상 지연 장치들을 사용함으로써 조정될 수 있다.

신호 발생기(308)은 임의로 선택될 수 있지만 상술한 바와같이 “고유”주파수 f_p로 셋트되는 바이어스 위상 변조의 주파수보다 낮아야 하는 주파수 f_m에서의 제2위상 변조신호를 발생시킨다.

게이트(304)로부터의 신호는 신호발생기(308)내에서 발생된 제2위상 변조 주파수 f_m에서 선(310)상에 동기로 게이트 된다. 그 다음, 이 신호는 선(310)으로부터 수신된 신호의 f_b주파수 성분만을 선(314)상으로 통과시키는 대역 통과 휠터(312)내로 전송된다. 이 신호의 크기를 변경시킬 수 있는 어떤 다른 신호가 없으면, 선(314)상의 주파수 f_b에서의 신호는 루우프(14)에 의해 야기된 회전량을 나타낸다.

다음에 기술하는 바와같이, 선(314)상의 신호는 주파수 f_m에서의 제2위상 변조의 진폭을 제어하는 궤환 신호를 발생시키도록 토크-인 증폭기(46)과 관련해서 사용된다. 이 제2위상차 변조의 진폭을 양호하게 조정하면, 시간 평균 베이스 상에서 선(314)상의 주파수 f_b에서의 신호가 루우프 회전속도에 관계없이 0을 향해 구동되도록 위상 변조기(38)이 루우프내의 역-전달파에 영향을 미치게 하는 신호가 발생될 수 있다.

상술한 궤환신호를 발생시키기 위해, 선(314)상의 신호는 토크-인 증폭기(46)에 전송된다. 부수적으로, 토크-인 증폭기는 AC 신호 발생기(40)에 의해 발생된 바이어스 변조 주파수 F_b에 대응하는 선(316)으로부터의 기준 신호를 수신한다. 일반적으로, 이 주파수 f_b는 식(3)을 이용하여 이미 계산된 바와같은 “고유”주파수에 대응한다.

선(314 및 316)으로부터 수신된 신호들에 응답하여, 토크-인 증폭기(46)은 선(314)로부터의 입력 신호의 진폭에 비례하고 선(316)으로부터의 기준 신호의 주파수와 정합되는 “착오신호”를 발생시킨다. 이 착오신호는 제10도의 곡선(100)상의 어느 지점에 놓여지게 된다. 이 특정한 경우에, 착오 신호는 입력 선(48)상의 제1조파 성분의 고정진폭을 발생시키는 고정 회전 속도에 대한 곡선(100)상의 DC 레벨로 한다. 제1조파 성분의 진폭이 변하면, 착오신호의 DC 레벨은 동작점이 곡선(100)을 따라 전이하는 것과 같이 변하게 된다.

이미 기술한 바와같이, 주파수 f_m에서의 제2위상 변조가 없으면 곡선(100)은 주기적으로 되는데, 그 이유는 제9도내의 곡선(80)이 주기적이기 때문이다. 그러므로, 광학 출력 신호(96)의 f_b주파수 성분의 크기는 증가 사그낙 위상 전이가 전체 위상 전이 곡선(94)를 곡선(80)의 다른 로브(lobe)내로 밀어낼 때 주기적으로 변한다. 즉, 곡선(100)상의 점(134, 제10도)는 전체 최종 위상전이 곡선의 최대치 및 최소치들이 곡선(80)의 제2로브 상의 대칭적으로 균형이 잡힌 지점들을 통해 이동하도록 사그낙 위상 전이가 곡선(94)를 더욱 충분히 밀어내는 상황을 나타낸다. 최종 출력파형(96)은 회전속도가 0인 경우에 제8도에 도시한 출력 광학 신호(96)과 같이 되고, 제1조파 성분을 갖지 않게 된다. 파형(96)이 이 상황에서 제1조파 성분을 갖고 있지 않기 때문에, 토크-인 증폭기의 출력은 회전 속도가 0이 아니라는 사실에도 불구하고 0으로 된다.

본 발명의 검출 시스템은 궤환 착오 신호를 사용하여, 선(314)상의 제1조파 신호내의 변화에 응답하여 주파수 f_m에서의 제2위상 변조 신호의 진폭을 조정함으로써 이 문제점을 해결한다. 그 다음, 다음에 기술하는 바와같이 선(314)상의 주파수 f_b에서의 신호가 효율적으로 소멸되도록 루우프내의 역-전달파들의 위상 변조를 조정하기 위해 조정된 제2위상 변조 신호가 사용된다. 결과적으로, 사그낙 위상 전이가 곡선(100)상의 점(134, 제10도)로 밀어내지도록 회전하더라도, 제2위상 변조 신호의 진폭은 이러한 궤환이 없는 경우에 곡선(94)를 제10도에 참조번호(134)로 표시한 점 너머에 배치시키는 고속의 실제 회전속도를 미리 표시한다.

궤환착오 신호에 응답하여 제2위상 변조 신호의 진폭을 조정하는 기능은 착오 수정 변조기(130)에 의해 실행된다. 이것을 달성하기 위해서, 착오 수정 변조기(130)은 선(318)을 통해 토크-인 증폭기(46)으로부터 착오신호를 수신하고 선(320)상의 신호 발생기(308)로부터의 제2변조 신호도 수신한다. 양호하게도, 제2변조신호는 정현파 형태이다.

선(318)상의 0이 아닌 착오 신호를 수신할 때, 착오 수정변조기(130)은 선(318)상의 착오 신호의 크기를 0 또는 0의 선정된 범위내의 값으로 감소시키기 위해 착오 신호의 크기 및 부호에 응합하여 제2위상 변조 신호의 진폭을 증가시키거나 감소시킨다. 선(318)상의 착오 신호에 대한 선정된 레벨이 도달되면, 변조기(130)은 착오 신호가 다시 변할때까지 제2위상 변조 신호의 진폭을 유지한다.

착오 신호내의 변화를 검출할 때, 변조기(130)은 선(318)상의 착오신호가 0 또는 0의 선정된 범위내의 값으로 다시 감소될 때까지 제2위상 변조 신호의 진폭을 다시 변화시킨다. 조정된 제2위상 변조신호는 착오 수정 변조기(130)으로부터 선(322)상으로 전송된다. 또한, 본 명세서에 기술한 궤환방법은 높은 복굴절성 광학 섬유로 제조되는 자이토스코우프와 같은 다른 형태의 자이토스코우프에 응용할 수도 있다.

선(322)상의 조정된 제2위상 변조 신호는 선(324)상의 신호 발생기(40)으로부터의 바이어스 변조 신호와 결합된다. 선(324)로부터의 이 결합된 신호는 상술한 방법에 따라 역-전달파에 영향을 미치고, 그 결과 검출기(30)으로부터의 출력 신호에 영향을 미치도록 위상 변조기(38)에 인가된다. 그러므로, 제2위상 변조 신호는 회전 속도에 의해 역-전달 광파 위상차 내에서 발생된 위상 전이를 영점화시키도록 역-전달 광파들의 위상차를 바이어스시키는 작용을 한다. 이에 관련해서, 제2위상 변조신호에 의해 인가된 바이어스는 회전속도에 의해 야기된 주파수 f_b에서의 출력 신호의 성분을 보상하기 위해 제공되는 것이 아니라, 이 회전 속도에 의해 발생된 위상차 신호를 효율적으로 영점화시키므로써 출력 신호로부터 이에 관련된 성분을 제거한다.

회전 속도는 대역 통과 휠터(326)을 통해 선(324)에 접속되는 출력 표시기(208)을 사용함으로써 결정될 수 있다. 상세하게 말하자면, 선(324)로부터의 변조 신호는 선(330)에 의해 제2변조 주파수 f_m에서의 신호만을 통과시키는 휠터(326)에 접속된다. 휠터(326)으로부터의 신호는 선(322)을 통해 출력 표시기(208)로 통과한다. 표시기(208)상의 신호는 주파수 f_m에서의 제2변조 신호의 진폭에 대응하므로, 회전속도를 결정하기 위해 사용될 수 있다. 표시기(208) 및 회전 속도를 결정하기 위한 관련된 회로에 대해서는 다음에 상세하게 기술하겠다.

제12도를 참조함으로써, 제11도에 도시한 장치내의 루우프회전 및 위상 변조의 결과로서 역-전달파들 사이에 제공된 최종 상대 위상 전이를 그래프식으로 설명할 수 있다. 제12도내에서, 광 검출기(30)에서 취해진 광학 출력 신호(도시하지 않음)가 [회전 속도가 일정한 경우에 일정한 바이어스(352)로 표시한] 사그낙 위상 전이 Δø_k, [곡선(354)로 표시한] 정현파식으로 시간에 따라 변하는 제2위상차 변조 신호 Δø_m(coswm^t) 및 정현파식으로 시간에 따라 변하는 바이어스 위상차 변조차 신호 Δø_b(cosb^t)의 합계를 나타내는 최종 또는 전체 위상 전이 곡선(350)을 구성한다는 것을 알 수 있다. 최종 위상 전이 는 다음과 같이 정의된다.

Δø=(Δø_bcosb^t)+(Δø_mcoswm^t)+Δø^k(11)

Δø의 시간 평균값은 신호의 일부분을 게이트 오프시킴으로써 거의 0값으로 조정될 수 있다. 그러므로, 제12도에 도시한 바와같이, 주파수 f_m에서의 제2위상차 변조(354)의 다른 1/2주기마다 게이트 오프된다. 이 상황에서 제2위상차 변조(354)의 진폭을 조정함으로써, 게이트 온도되는 바이어스 변조신호(350)의 부분은 수직 축(355) 주위에 배치될 수 있다.

제11도에 도시한 회로내에서, 게이트(304)는 신호 발생기(308)로부터의 게이팅 신호를 사용함으로써 제2위상 변조 신호와 동기로 턴온 및 턴 오프된다. 그러므로,선(306)상의 게이팅 신호를 사용함으로써 제2위상 변조 신호와 동기로 턴온 및 턴 오프된다. 그러므로, 선(306)상의 게이팅 신호가 제2위상 변조 신호 주파수 f_m의 각각의 1/2 주기에서 게이트(304)를 스위치하도록 동기되므로, 제12도의 파형이 발생될 수 있다. 제12도에 도시한 바와같이, 신호들이 게이트 오프되는 시간 동안에, 0값이 검출기(30, 제11도)의 출력상에 존재하게 된다는 것이 명백해진다.

상술한 상태의 결과로서 발생되는 주파수 f_b에서의 출력 신호는 제13도에서 참조번호(360)으로 도시되어 있다. 도시하기 위해서, 선(306)은 제2위상 변조 파형(354)에 관련하여 일정한 비율로 축적 또는 확대 되어 있지 않다. 그러므로, 주파수 f_b에서의 출력 신호의 게이트된 부분의 시간 평균 값이 0으로 될 때까지 제2위상 변조 신호(354)의 진폭을 조정함으로써, 루우프의 회전 속도를 결정할 수 있다. 상세하게 말하자면, 회전 속도는 0착오 신호를 야기시킨 제2위상 변조 신호의 진폭을 관찰함으로써 결정된다.

변조 신호가 존재하지 않을 때, 바이어스 변조 주파수 f_b에서의 검출기 출력 진폭 I_b는 다음과 같이 수학적으로 기술될 수 있다.

I_b=CP₀J₁(Δø_b)sinø (12)

여기서, C는 상수이고, P₀는 검출기 상에 입사되는 광학 전력이며, Δø_b는 역-전달파들 사이의 위상차 변조의 진폭이고, J₁은 제1종의 베셀함수(Bessel Function)이며, Δø는 감지 코일 내의 역-전달파들 사이의 위상차이다.

제2위상 변조 신호가 바이어스 변조 주파수 f_b보다 상당히 낮은 주파수 f_m에 부서적으로 인가되면, 회전유도 비-상반 위상전이 Δø_R존재시의 위상차 변조의 파형은 제12도에 도시한 바와같이 된다. 광 검출기(30)으로부터의 신호가 주파수 f_m에서의 위상 변조의 각각의 주기의 50% 동안에 스위치 오프되면, 바이어스 변조 주파수 f_b에서의 복조된 출력 전력은 제13도에 도시되어 있다. 토크-인 증폭기가 주파수 f_m에서의 위상 변조의 대부분이 주기 동안에 신호를 적분하는 상태하에서, 복조된 출력 전력은 위상차 변조 Δø_m의 진폭을 조정함으로써 0로 될 수 있다. 이것은 회전 유도 비-상반 위상 전이가 게이팅과 함께 위상 변조에 의해 시간 평균값상에서 소멸될 수 있다는 것을 의미한다. 복조된 출력 전력은 제13도에 참조번호(360)으로 도시되어 있다. 이 출력신호(360)의 시간 평균값은 다음과 같다.

(13)

여기서, t=/f_m이고, W_m=2πf_m이며, Δø_m은 주파수 f_m에서의 위상차 변조의 진폭이다. 사그낙 위상전이 Δø_R과 복조된 전력을 0으로 영점화하기 위한 주파수 f_m에서의 제2변조 신호의 크기 Δø_m사이의 관계는 다음의 관계식으로부터 얻어진다.

여기서, J_n은 n차 베셀 함수이다.

식(14)로 기술한 Δø_R의 값에 대한 제2위상차 변조의 진폭의 관계는 제14도에 그래프로 도시되어 있다. 제14도의 곡선(370)은 자이로가 전기적으로 폐쇄된 루우프 형태로 동작될 때 회전에 대한 감지기의 응답을 나타낸다. 곡선(370)은 제11도에 도시한 게이트식 장치내에서 사그낙 위상전이(Δø_R)을 영점화시키지 않는데 필요한 제2위상차 변조의 진폭(Δø_m)을 나타내는 전달 함수 또는 스케일 팩터를 그래프로 도시한 것이다.

제14도의 스케일 팩터는 사용된 위상 변조기의 동작에 의해서만 제한되는 자이로스코우프 동작에 대한 동적 범위를 제공하는 단조 동작(monotoninc behavior)을 갖는다. 완전한 선형으로부터의 스케일 팩터 곡선(370) 작은 편차는 정미 비-싱반 위상 전이가 DC 위상전이 대신에 시간에 따라 변하는 위상전이를 사용하여 0로 평균화된다는 사실로부터 발생된다. 그러므로, 본 발명은 종래 기술의 감지기들이 다수의 가능한 회전속도가 특정한 특성의 검출기 출력을 야기시켰다는 것을 알지 못했을 경우에 높은 회전 속도에 대한 검출기 출력 신호내의 모호성(ambiguity)을 제거하기 위한 장치를 제공한다.

주파수 fm에서의 제2위상 변조 신호의 주파수가 임의적이기 때문에, 이 주파수 및 위상은 고유 주파수에서 동작된 바이어스 위상 변조와 고정 관계를 갖지 않아야 한다. 이 결과로서, 안정도가 낮으면 2개의 여기 신호들을 발생 및 제어하는 구성 부품들이 필요하게 된다. 부수적으로, 2개의 변조들 사이의 주파수 및 위상 관계의 이 부족은 2개의 여기 신호들을 전기적으로 결합시킬 수 있게 하고 이 신호들은 회전감지기 감도를 저하시키지 않고서 단일 위상 변조기에 용융할 수 있게 한다.

제11도의 장치의 다수의 다른 구성부품들은 다음에 상세하게 기술하겠다.

제15도에는 착오 수정 변조기(130)의 한 실시예가 도시되어 있다. 이 실시예에서, 선(318)상의 착오 신호는 적부기로서 접속된 오산 증폭기의 반전 입력에 결합된다. 실제 적분기의 정확한 구조는 본 분야에 숙련된 기술자들에게 공지되어 있으므로, 본 명세서에서는 더 이상 상세하게 기술하지 않겠다.

연산 증폭기 분야에 공지된 바와같이, 캐패시터 양단에 생긴 부(-)궤환전압은 점(170)을 계속 가상 접지시키려고 한다. 즉, 점(170)에서의 전압은 부궤환에 의해 0 또는 0에 가까운 전압으로 유지된다. 그러나, 전류는 이 가상 쇼트(short)를 통해 접지로 흐르지 않는다. 임피던스(impedance, Ro 172)로 표시한 로크-인 증폭기(46)의 출력 임피던스를 통하는 연산 증폭기(169)의 입력 전류 i_in은 출력 임피던스 Ro로 나누어진 로크-인 증폭기(46)의 출력 착오 전압과 동일한데, 그 이유는 점(170)으로부터 접지까지의 임피던스가 0이기 때문이다. 그러나 전류가 노오드(node, 170)으로부터 접지로 흐르지 않기 때문에, 입력 전류 inn은 캐패시터(168)을 통해 흐르고, 접지에 관련된 출력전압 Vo는 시간의 함수로서 선(174)상에 인가된다. 시간의 함수로서 출력 전압 Vo를 표시하면 다음과 같다.

여기서, C는 캐피시터(168)의 값이다.

제16도를 참조하면, 연산 증폭기 적분기(169)에 대한 응답 특성이 도시되어 있다. 제16a도는 선(318)상의 기상 착오 신호를 도시한 것이다. 선(174)상의 적분기의 출력 전압 Vo는 제16b도에 도시되어 있다.

제16b도로부터, 착오 신호가 0인 경우에, 출력 전압 곡선은 기울기가 0이고, 0이 아닌 착오 신호들의 크기를 증가시킬 경우에, Vo에 대한 출력 전압을 곡선의 기울기 크기는 증가한다는 것을 알 수 있다. 즉, 기울기의 부호는 착오 신호가 정(+) 또는 부(-)인지의 여부에 따라 변하고, 어떤 순간의 기울기의 경사도는 그 순간의 착오 신호의 크기에 따라 변한다.

착오신호가 원점으로부터 점(176)으로 증가하면, 적분기 출력 신호 Vo가 점(176B)로 증가한다. 제15도를 다시 참조하면, 모토로라(Motoroal)사 제품인 MC1496L와 같은 종래의 평형 변조기 및 이에 관련된 회로들은 선(174)상의 이 입력 전압 Vo을 선(332)상의 구동 신호의 엔벨로우프(envelope)내의 대응 변화로 변환시킨다. 즉, 변조기(188)은 선(320)상의 고정된 진폭 신호를 선(174)상의 신호로 진폭 변조시킨다. 이때, 선(322)상의 이 구동 신호는 발생기(40)으로부터의 바이어스 변조 신호와 결합되는 선(324)에 전송되어 위상 변조기(38)에 인가된다.

선(322)상의 구동 신호의 진폭이 증가하면, 광학 출력 신호내의 저주파 성분의 진폭이 증가하기 시작한다. 이 진폭이 충분히 증가하면, 게이트된 신호의 시간 평균 값은 회전에 의해 야기된 제1조파 성분을 상쇄시킨다. 이것은 제16a도 내의 점(176과 177) 사이에 도시한 바와같이 착오신호를 감소시킨다. 감소착오 신호는 점(176B와 177B) 사이에 도시한 바와같이 제16a도 내의 적분기 출력 전압 Vo의 기울기의 경사도를 변화시킨다. 제16a도 내의 점(177)에서, 구동신호의 크기는 광학 출력내의 모든 회전 유도 제1조파 성분을 상쇄시키기에 아주 충분하므로, 착오 신호는 0으로 된다. 이것은 점(177B와 177B) 사이에서 Vo에 대한 적분기 출력 전압 곡선의 평평하고 0이 아닌 부분으로 나타난다.

이 가상 상황시의 시간(178)에서, 루우프(14)의 회전속도는 착오신호가 부호를 변화시켜 제16a도 내의 (178)과 (180)사이에 도시된 바와같이 크기를 증가시키기 시작하도록 변화한다.

이것은 전류 i_in이 방향을 변화시키고 캐패시터(168)상의 전압이 변화하기 시작하기 때문에 출력 전압 Vo를 감소시킨다. 이것은 제16b도 내의 점(178B와 180B) 사이에 도시되어 있다. 이 효과는 착오 신호가 제16a도 내의 점(180과 182) 사에 도시된 바와같이 다시 0을 향하게 하는 구동신호의 진폭을 감시시키는 것이다.

가상 상황시의 시간(182)에서, 루우프(14)의 회전을 점(182와 184) 사이에 도시한 바와같이 착오 신호 곡선을 평평하게 하기 위해 더 많은 제1조파 성분이 사그낙 위상 전이에 의해 발생되도록 다시 변화한다. 이것은 점(182B와 184B) 사이의 제2도는 저주파 위상 변조 신호의 진폭을 감소시키도록 적분기 출력 전압이 일정한 기울기로 하향 경사지게 한다.

시간(184)에서, 루우프의 회전 속도는 다시 변화하지만, 착오 신호는 여전히 부(-) 및 0이 아닌 상태로 있게 된다. 0이 아닌 착오신호는 적분기 출력 전압 Vo을 계속 감소시키므로, 구동 신호의 진폭을 변화시키고, 점(184와 186) 사이에 도시한 바와같이 착오신호를 0을 향해 이동시킨다.

착오신호가 0에 도달할 때, 적분기 출력 전압은 진폭이 모든 또는 거의 모든 사그낙 발생 제1조파 성분을 상쇄했더라도 안정하게 유지된다. 시간(186)에서의 상황은 루우프(14)내의 0이 아닌 일정한 회전 속도를 나타내는데, 이 경우에 선(140)상의 구동 신호의 진폭은 광학 출력 신호내의 사그낙 발생 제1조파 성분을 완전히 상쇄시키기에 적당한 레벨로 조정된다.

본 분야에 숙련된 기술자들은 회전이 한 방향으로 계속 가속될 경우에, 출력 전압 Vo가 안전 레벨 이상으로 증가되어, 예를들어 제15도의 회로의 경우에 진폭 변조기(188)을 고장나게 할 수 있다는 것을 알 수 있다. 이러한 고장을 방지하기 위해, 전압 제한 장치가 Vo의 최대 정(+) 및 부(-) 전압의 회유(excursion)를 제한하도록 적분기에 결합되어야 한다.

제17도를 참조하면, 착오 수정 변조기 회로(130)의 일부분이 제15도의 적분기(190)을 대산하는 양호한 실시예가 도시되어 있다. 이 실시예에서, 차동 증폭기(192)는 선(318)상의 착오 신호에 결합된 반전 입력을 갖고 있고, 선(174)에 의해 진폭 변조기(188)에 결합되는 출력을 갖고 있다.

제17도에 도시한 시스템의 동작 방법은 3-포오트 회로망(196)으로 도시된 감지기 내의 구성 부품들이 차동 증폭기(192)에 결합된 전체 회전 감지기를 개략적인 형태로 도시한 제18도를 참조함으로써 더욱 이해하기가 쉽다. 이 감지기의 광학 부분 및 대부분의 전자 구성부품들은 24개의 임피던스(Z₁및 Z₂)의 한 단부에 결합된 2개의 입력을 갖고 있는 분압기 임피던스 회로망(196)으로 도시되어 있다. 이 분압기의 중간점은 차동 증폭기(192)의 반전 압력에 결합된다.

루우프가 회전하면, 회전 신호(상징적임)는 차동 증폭기(192)의 반전 입력에 결합된 선(138)에 인가되는 착오 신호를 발생시키는 3-포오트 회로망(196)의 제2입력에 인가된다. 입력 착오 신호와 이 경우에 접지 전위(ground potential)인, 선(133)상의 기준 신호 사이의 7차이는 차동 증폭기(192)에 의해 증폭되고, 반전된 증폭 차 신호는 출력 선(194)에 인가된다. 또한, 이 출력선은 부궤환이 회전 신호에 의해 야기된 점(198)에서의 전압을 상쇄시키는 임피던스(Z₁)을 통해 생기도록 회로망(196)의 제1입력에 결합된다.

이때, 선(194)상의 신호는 점(198)에서 전압 스윙(swing)을 최소화시킨다. 점(198)은 제11도 내의 로크-인 증폭기(46)의 출력을 나타낸다. 임피던스(Z₁및 Z₂)는 시스템의 전체 전달 함수와 광학 및 전자 회로부분의 루우프 이득을 나타내는 가상 임피던스이다.

시스템의 시간 응답, 위상 여유, 대역폭 및 감도는 응용에 따라 변하는 설계 선택의 문제이고, 표준궤환 시스템 분석이 시스템 파라매터들을 설정하기 위해 사용될 수 있다.

임피던스(Z)을 통하는 궤환의 효과는 로크-인 증폭기의 출력선(318)상의 착오 신호 내의 스윙을 제10도에 박스(box, 200)로 표시된 작은 범위로 제한시키는 것이다. 이 범위는 실제 선택의 문제이고, 차동 증폭기(192)의 이득에 따라 달라진다. 더 높은 이득은 입력 신호 변화의 더 작은 범위, 즉 더 작은 박스를 발생시키지만 덜 안정하다.

선(222)상의 제2위상 변조 구동 신호의 크기를 증가 또는 감소시킴으로써 0 또는 거의 0으로 착오 신호를 감소시키도록 0이 아닌 착오 신호의 반응하는 구조물을 본 발명의 목적을 달성하기 충분하다. 어떤 실시예의 경우에는, 착오 신호를 0 또는 거의 0으로 감소시키는 상쇄 진폭에서 제2위상변조 구동신호의 레벨을 유지하는 것이 바람직하다. 이 기능을 달성하기 위해 사용된 정확한 회로는 본 발명에 제한되지 않는다.

제19도에는 착오 수정변조기에 사용될 수 있는 선택적인 회로가 도시되어 있다. 이 실시예에서, 선(318)상의 착오 신호는 비교 프로세서(210)의 입력에 결합된다. 이 비교 프로세서는 이 경우에 접지 전위인 기준 입력(203)에 인가된 기준 전압을 갖고 있다. 이 비교 프로세서는 선(318)상의 착호 신호를 선(203)상의 기준 신호와 비교하여 3개의 출력들 중의 1개의 출력을 발생시킨다. 착오 신호가 정(+)이고, 0이 아니면, 출력선(205)가 논리 1레벨로서 활성화된다. 착오 신호가 부(-)이고 0이 아니면, 선(207)이 활성화된다. 마지막으로 착오 신호가 기준 신호와 동일하면, 선(205)가 활성화 된다.

업-다운 카운터(up-down counter, 211)는 선(205)에 결합된 업 입력을 갖고 있고, 선(205)가 활성화될 때 0으로부터 업 카운트하기 시작한다. 2진 카운트는 어떤 순간에 버스(bus, 213)상의 데이타가 2진 카운트 표시를 나타내는 카운트 과정과 같이 출력 버스(213)상의 디지탈 패턴(pattern)을 계속 변화시킨다.

디지탈-아나로그 변환기는 버스(213)상의 2진 카운트의 값들을 계속 또는 주기적으로 샘플하고, 디지탈 데이타를 선(174)상의 아날로그 출력 신호로 변화시킨다. 이 아날로그 신호는 선(320)상의 제2위상 변조구동 신호를 진폭 변조시켜 이 구동 신호를 선(322)에 인가하도록 종래의 진폭 변조기(188)에 의해 사용된다.

제2위상 변조 구동 신호의 변화 진폭을 선(318)상의 변화 착오 신호에서 나타난다. 즉, 착오 신호는 기준 신호 전압을 취하게 된다.

착오 신호가 기준 전압에 도달하면, 비교기 프로세서(201)은 카운터(211)의 정지 입력에 결합되는 선(209)를 활성화시킴으로써, 카운트를 정지시킨다. 이때, D/A 변환기는 착오 신호가 다시 변화할 때까지 제2조파 구동신호의 진폭 레벨을 존재하는 레벨에서 안정하게 유지시킨다.

착오 신호가 부(-)로 되고 0이 아니면, 이 과정은 반복되지만 카운터(215)는 0 또는 그때애 존재하는 정(+) 카운트로부터 카운트 다운하기 시작한다. 선(207)이 활성화 되었을 때 카운트가 0이었다면, 디코오더(decoder, 217)은 변화부호선(219)을 활성시키어 D/A변환기가 선(174)상의 아날로그 출력 전압 부호를 변화시키게 한다. 선(207)이 활성화 되었을 때 카운트 0이 아니었다면, 디코오더(217)은 선(219)를 활성화시키지 않고, D/A 변환기는 선(205)가 활성화되었을 때와 동일한 부호로 선(174)상의 아날로그 신호를 유지시키지만 카운트 감소할 때 진폭을 감소시키기 시작한다. 이 과정은 선(209)가 활성화될 때까지 계속된다.

전달 함수가 어느 범위에서는 비선형이기 때문에, 제2조파 구동 신호의 진폭을 사그낙 위상 전이의 크기로 변환시키기 위해 사용된 선형 소자들은 착오를 발생시킨다. 전달 함수를 저장하거나 제2조파 구동신호의 상쇄 진폭을 제공한 회전 속도 또는 사그낙 위상 전이에 대한 전달 함수를 풀기 위한 장치가 출력에 사용될 수 있다. 즉, 사그낙 위상 전이로 인해 출력내의 제1조파 성분을 상쇄시키는 선(322)상의 구동 신호의 진폭을 회전속도 또는 사그낙 위상 전이 자체로 변환하는 것이 유리하다. 제11도내의 출력 표시 회로(208)의 목적이 이러한 것이다.

제20도에는 출력 표시기(208)의 양호한 회로가 도시되어 있다. 대역 통과 휠러(326)을 통해 선(322)상으로 통과한 제1조파 구동신호는 로크-인 증폭기(210)의 입력에 결합된다. 로크-인 증폭기(210)의 입력에 결합된다. 로크-인 증폭기는 구동신호로 동조된다. 즉, 이 증폭기는 제11도내의 신호 발생기(308)로부터의 선(320)상의 비변조 신호를 기준 신호로서 갖고 있다. 로크-인 증폭기(210)의 목적은 바람직한 파형을 클러터(citter)하는 선(332)상의 모든 잡음을 제거하기 위한 것이다. 이 잡음은 전원선, 전자기 방해, 선(324)상의 구동신호와의 누화(cross talk) 및 그 외의 다른 소오스들로 인해 발생될 수 있다.

선(212)상의 출력 신호는 로크-인 증폭기의 출력(212)에서의 휠터된 구동신호의 진폭에 비례하고, 이 신호를 디지탈 데이타로 변환시키는 아날로그-디지탈(A/D) 변환기(214)에 결합된다. 이 데이타는 식(15)의 전달 함수에 의해 결정된 바와같이 구동 신호의 각각의 진폭에 대응하는 회전 속도에 관련하여 디지탈 데이타를 저정하는 메모리(218)내에 순람표(look-up table)를 어드레스(address)하기 위해 마이크로프로세서 또는 컴퓨터(216)에 의해 사용된다.

A/D 변환기(214)의 출력(271)에서의 디지탈 데이타는 선(332)상의 구동 신호의 특정한 진폭에 대한 대응 사그낙 위상 전이 또는 회전속도를 표시하는 디지탈 데이타를 저장하는 ROM(218)내의 적당한 어드레스를 억세스(access)하기 위해 마이크로프로세서(216)에 의해 사용된다. 이 어드레싱 기능을 실행하기 위한 마이크로프로세서(216)용 프로그램은 본 분야에 숙련된 기술자들이 명백하게 알 수 있고, 이 기능을 실행하기 위해 어떠한 프로그램도 사용할 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, 마이크로프로세서(216)은 변수 Δøm로서 변환기(214)로부터의 데이타를 사용함으로서 식(14)의 전달 함수를 풀도록 프로그램될 수 있었다. 이 실시예들 내에서, (218)은 식(14)에 필요한 계산을 실행하기 위한 프로그램을 포함하였다. 이 계산을 실행하기 위해 사용된 정확한 프로그램을 제한하지 않고, 이 계산을 실행하기 위한 프로그램들은 본 분야에 숙련된 기수자들에 공지된 것이다. 이 계산을 실행할 수 있는 프로그램도 본 발명의 목적에 적합하게 사용될 수 있다.

다른 실시예들은 로크-인 증폭기(210) 대신에 R.M.S. 전압계를 사용할 수도 있지만, 선(332)상의 잡음이 평균화되어 구동신호의 의사 진폭으로서 오인될 수 있기 때문에, 이러한 구조는 착오를 발생시키게 된다. R.M.S. 전압계는 제21도에 도시한 바와같이 분압기의 중간점에 입력을 갖고 있다. 구동신호는 저항기(R 및 R)로 구성된 분압기의 노오드(211)에 인가된다. 저항기(R 및 R)는 노오드(221)에서의 소정 구동신호 진폭의 경우에, 회전 속도에 비례하는 진폭을 갖고 있는 신호가 노오드(222)에서 발생되도록 선형 범위에 전달 함수의 기울기를 나타내도록 선택된다. 이 신호는 사그낙 위상 전이 또는 회전속도로서 판독되도록 R.M.S. 전압계의 입력에 결합된다.

또한, 제23도에 도시한 바와같이, 구동 신호의 진폭을 검출하기 위해 오실로스코우프가 R.M.S. 전압계 대신에 사용될 수도 있다. 선형 스케일링(scaling) 회로망은 입력을 오실로스코우프에 스케일하기 위해 저항기(R 및 R)로 구성되었다. 제21도 및 제22도의 실시예는 전달 함수의 선형 범위내에서 가장 정확하다.

더 낮은 변조 주파수에의 파형을 측정할 수 있는 다른 장치가 출력 표시회로(208)용으로 사용될 수 있다. 예를들어, 아날로그 곡선 정합 장치가 전달 함수곡선을 보상하고, 회전 속도에 비례하는 출력을 제공하기 위해 사용될 수 있다. 또한, 제20도의 ROM 순람표 및 마이크로프로세서는 제20도에 간략하게 도시한 실시예가 근사결과용의 선형 범위내에 사용될 수도 있도록 전달함수 곡선의 선형 범위내에서 불필요하게 될 수도 있다.

확장된 동적 범위에 걸쳐서 선형스케일 팩터로 회전을 감지하기 위한 방법 및 장치의 다른 양호한 실시예는 제23도 내지 제29도를 참조하여 기술될 수 있다.

제1도에 도시한 바와같은 장치내에서, 비대칭적으로 배치된 위상 변조기(38)을 통하여 시간에 따라 변하는 신호를 삽입시키면 검출기(30)의 출력에서 측정될 때 역-전달파들 사이의 위상차를 야기시킨다. 이 유도된 차동 위상전이 Δø(t)는 다음과 같다.

Δø(t)=ø(t)-ø(t-τ) (16)

여기서, ø(t)는 시간 t에서 위상 변조기에 의해 발생된 위상 전이이고, τ는 위상변조기(38)을 통과하는 간섭파들 사이의 시간차이다.

제23도를 참조하면, 소정의 시간에서의 역-전달파들 사이의 DC 위상 차 Δø(t)는 참조번호(400)으로 도시한 바와같은 선형 위상 램프를 위상 변조기(38)을 통하는 역-전달파들에 인가시킴으로써 달성될 수 있다는 것을 알 수 있다. 상세하게 말하자면, 선형 위상 램프(400)은 감지 루우프내에서 역-시계방향으로 전달되는 파에 대한 변조기(38)을 통하는 램프신호 입력의 영향을 나타낸다. 시계 방향으로 전달되는 신호에 대한 동일한 입력 신호의 영향은 선(402)로 도시되어 있다. 램프(400과 402) 사이의 차 τ의 크기는 감지 루우프 내의 위상변조기(38)의 비대칭 위치에 따라 변한다.

역-시계 방향 전달파와 시계 방향 전달파 사이의 위상차 Δø(t)는 참조번호(404)로 도시되어 이다. 이 위상차는 크기가 램프 신호의 기울기를 조정함으로써 변화될 수 있는

값이다. 그러므로, 램프 신호는 회전 유도 사그낙 위상 전이를 효율적으로영점화시키도록 조정될 수 있는 DC 위상 차크기를 발생시키기 위해 위상 변조기(38)을 통해 인가될 수 있다.

이러한 램프 함수를 발생시키는 한 수단은 감지 루우프내의 비대칭 위치에 배치된 주파수 전이기를 사용하는 것이다. 이 경우에, Δø는 다음과 같다.

Δø=2πτ Δf

여기서, Δf는 주파수 전이량이다. 주파수 전이기를 사용하면, 주파수 출력이 회전 속도 측정치로서 사용하게 한다는 유리한 점이 있다. 그러나, 자이로스코우프에 응용하기에 적합한 광학 섬유 형태내의 주파수 전이기는 아직 보고되지 않았다.

광학 섬유 길이를 변조시키는 변조기(38)과 같은 통상적으로 사용된 광학섬유 위상 변조기는 역-전달파들 사이의 DC 차동 위상 전이를 발생시키기 위해 연속 위상 램프를 제공할 수 없다. 그러므로, 이 응용시에 위상 변조기를 사용하는 것은 위상 램프의 시뮬레이션을 필요로 한다.

제24도에는 위상 램프를 시뮬레이트하기 위해 사용될 수 있는 한 파형이 도시되어 있다. 상세하게 말하자면, 제24도(a)내의 선(406)은 톱니파를 감지 루우프내의 역-시계 방향 전달 신호에 적용시키는 것을 나타낸다. 선(408)은 감지 루우프내의 시계방향 전달 신호에 대한, 비대칭적으로 배치된 위상 변조기로부터 인가된 동일한 톱니파 형태의 영향을 나타낸다. 제24도(b)내의 선(410)은 제24도(a)내의 도시한 간섭 파들 사이의 위상차에 의해 발생된 위상차 신호 Δø(t)를 나타낸다.

선(410)으로 도시한 파형으로부터 알 수 있는 바와같이, 위상차는 2개의 광학 통로의 리셋팅 공정 및 상호 관계로 인해 모든 시간에서 일정하게 될 수 없다. 그러나, 선(410)이 DC 값을 의미할 때 참조번호(412)로 표시한 이 기간들 동안에, DC 사그낙 위상 전이는 위상 변조의 진폭 또는 주파수를 조정함으로써 영점화될 수 이다. 그러므로, DC 위상 바이어스를 역-전달 광파들의 위상차에 인가함으로써, 역-전달 광파 위상차에 의해 제공된 사그낙 위상 전이는 거의 영점화된다. 세그먼트(412)내에 포함되지 않는 기간 동안에 0사그낙 위상 전이는 제1도의 검출기(30)으로부터 수신된 회전신호를 턴 오프시킴으로써 시뮬레이트될 수 있다.

결과적으로, 회전 유도 사그낙 위상 전이는 일부분의 시간동안의 위상 변조 유도 위상차에 의해, 및 나머지 시간동안 발광소오스(10)에서 또는 검출기(30)에서 또는 이 검출기(30)다음에서 신호를 턴 오프시킴으로써 효율적으로 영점화될 수 있다. 차동 위상 전이를 결정하는 램프의 기울기는 변조 신호의 진폭을 조정함으로써 제어될 수 있다.

물론, 램프 형태를 갖고 있는 다른 파형들도 유사한 효과를 발생시키기 위해 사용될 수 있다. 예를들어, 삼각 파형 위상 변조가 사용될 수 있었는데, 이 경우에 DC 위상 변조 출력 신호의 발생은 삼각파 형태내의 짧은 램프 길이로 인해 톱니파보다 더 긴 기간동안 신호가 턴 오프될 것을 필요로 한다.

가장 통상적으로 사용된 광학섬유 위상 변조기들 중의 한 위상 변조기는 이미 기술한 바와같이, 주위에 광학섬유가 몇번 감겨진 압전 실린더이다. 불행하게도, 이 장치의 주파수 응답은 넓은 주파수 범위에서 균일하지 않다. 결과적으로, 파형의 각각의 퓨리에(Fourier) 성분의 진폭 및 위상이 제어되지 않으면, 제24도에 도시한 형태의 톱니파 위상변조를 달성할 수 없다.

상술한 비-균일성의 문제점을 제거하기 위한 한가지 방법은 모든 광학 섬유 회전 감지기내의 정현파 위상 변조들을 결합시킴으로써 근사방법으로 톱니파형 또는 삼각파형을 발생시키는 것이다. 예를 들어, 톱니파형은 한 주파수에서의 위상차 변조를 이 주파수의 제2조파와 결합시킴으로써 시뮬에이트될 수 있는데, 이때 제2조파의 진폭 및 파들의 위상 관계는 적당히 조정된다. 이와 마찬가지로, 삼각파형은 한 주파수에서의 위상차 변조를 진폭 및 위상 관계가 적당히 조정된 주파수의 제3조파와 결합시킴으로써 발생될 수 있다.

제25도에는 톱니파형을 시뮬레이트 하기 위해 모든 광학 섬유 자이로스코우프내에 사용될 수 있는 한 양호한 선택 파형이 도시되어 있다. 상세하게 말하자면, 톱니파를 시뮬레이트하기 위한 제1위상 변조 신호는 ø₁(t)로 정의되는 제25도(a)의 사인(sine)파 (450)을 포함한다. 이 선(450)은 감지 루우프내의 역-시계방향 전달파에 대한 정현파 위항 변조 신호의 효과를 나타내고, 선(452)는 시계방향 전달파에 대한 이 동일한 정현파 변조 신호의 영향을 나타낸다.

제25도(b) 내에서, 선(454)는 정현파 변조 신호(450)의 제2조파 주파수에 있는 제2위상 변조 신호의 역-시계 방향 전달파의 영향을 나타낸다. 이 제2조파 위상 변조 신호를 ø₂(t)라고 하겠다. 제25도(b)의 선(456)은 시계 방향 전달파에 대한 제2조파 위상 변조 신호의 영향을 나타낸다.

제25도(c)에는 제25도(a)와 제25도(b)의 변조 신호들의 합을 구성하는 파형이 도시되어 있다. 상세하게 말하자면, 참조번호(458)로 표시한 톱니파형은 파형(450)과 파형(454)의 합을 구성하고, 이 변조 신호에 대한 역-시계 방향 전달파의 응답을 나타낸다. 이와 마찬가지로, 참조번호(460)으로 도시한 톱니파형은 파형(452)와 파형(456)의 합을 나타내고, 회전 감지기의내의 시계 방향 전달파에 대한 이 파형의 영향을 나타낸다.

제25도(d)에는 시간에 관한 위상차 변조가 도시되어 있다. 그러므로, 참조번호(462)로 도시한 이 신호는 파형(458) ø(t)의 파형(460) ø(t-τ) 사이의 차를 구성하는데, 여기서 τ는 위상 변조기를 통과하는 간섭파들 사이의 시간차이다. 제25도(d)의 파형은 다음과 같다.

Δø=coswmt+0.3cos 2wmt (18)

제24도를 참조하여 기술한 바와같이, 파형(462) Δø(t)는 일반적으로 선형인 참조번호(464)로 도시한 부분들을 포함한다. 이미 기술한 바와같이 위상차 신호를 게이팅시킴으로써, 회전 유도 사그낙 위상 전이를 효율적으로 영점화시키기 위해 위상차 변조의 일반적인 선형 또는 DC부분(462)들을 사용할 수 있다. 제24도의 톱니 파형에서와 같이, DC부분(464)의 진폭은 위상 변조의 진폭 또는 주파수를 조정함으로써 제어될 수 있다. 그러므로, 위상차 변조의 DC-형 부분(464)는 사그낙 위상 전이 Δø을 영점화시키기 위해 사용될 수 있고, 이 부분(464)내에 포함되지 않은 기간동안 턴 오프되는 신호가 나머지 시간동안 Δø을 시뮬레이트하기 위해 사용될 수 있다.

제26도에는 제25도(c)의 톱니바퀴(458)이 제11도의 회전 감지기내의 낮은 주파수(f_m)에서 제2변조 신호로서 도입된 경우에 존재할 수 있는 결합된 위상 변조 영향이 그래프로 도시되어 있다. 또한 제26도에는 이 상황하에서 위상 변조의 결과로서 검출되는 출력 신호도 도시되어 있다.

상세하게 말하자면, 고정된 회전 속도에서 사그낙 위상 전이로부터 발생되는 위상 전이에 대한 DC값을 참조 번호(352)로 도시되어 있다. 톱니 제2변조 신호에 의해 발생되는 위상 변조 신호는 참조번호(354)로 도시되어 있다. 부수적으로, 바이어스 변조신호(f)에 의해 발생된 위상 변조는 참조번호(350)으로 도시되어 있다. 제11도의 실시예내에 사용된 정현파 변조파형에서와 같이, 톱니 변조 신호는 바이어스 변조 주파수(f)보다 상당히 낮은 주파수에 있어야 한다.

제26도내에서, 상술한 위상 변조 신호들은 ø_R인 DC 위상 전이(352) 주위에서 진동한다. 또한, 저주파수 제2위상 변조(354)의 진폭은 이 선(354)의 일반적으로 평평한 부분 또는 DC 부분들이 수직 축(355)상에 배치되도록 조정되어 있다. 그러므로, 제11도의 장치들 중의 검출기(30)의 출력 또는 발광소오스(10)을 게이팅 시킴으로써, 참조번호(464)로 도시한 바와같이 저 주파수 변조 신호(354)의 DC 세그먼트 동안에 발생되는 최종 출력 신호의 부분들만을 출력시킬 수 있다. 이 게이트된 기간(464)동안에, 최종 신호들은 수직축(355) 주위에서 진동한다. 나머지 기간 동안에, 출력 신호는 0이므로, 사그낙 위상 전이가 영점화되는 상황을 시뮬레이트 한다.

상술한 바와같이 회전감지기를 게이팅시킴으로써 발생되고 제26도에 참조번호(464)로 도시한 기간 동안에 발생되는 출력은 제26도에 참조번호(466)으로 도시한 파형과 거의 유사한 파형을 갖고 있는 출력 신호를 발생시킨다.

출력신호(466)은 제1조파를 포함하지 않으므로, 사그낙 위상 전이 Δø_R이 게이트된 기간 동안에 거의 영점화되었고 오프기간 동안에 감시되지 않는다는 것을 나타낸다. 그러므로, 제2위상 변조 신호의 진폭을 감시함으로써, 고 회전의 확장된 동적 상태내에서 자이로스코우프에 의해 제공된 회전 크기를 결정할 수 있다. 이 신호 진폭을 검출하고 회전 속도를 결정하기 위한 양호한 회로는 제11도 내에 도시한 감지기에 대해 이미 기술하였다.

제27도에는 시뮬레이트된 램프 변조 신호를 사용함으로써 회전을 감시하기 위해 사용될 수 있는 회전 감지기의 한 양호한 실시예가 도시되어 있다. 제27도에 도시한 장치의 대부분의 구성부품들은 구조 및 동작면에서 제11도의 장치내에 포함된 소자들에 대응한다. 그러므로, 대응 소자들은 대응 참조번호로 표시되어 있다.

이 구조를 기초로 하면, 제27도에 도시한 회전 감지기는 제11도의 감지기와 거의 동일한 방법으로 작용한다. 그러나, 제27도에 도시한 감지기는 정현파 제2변조 신호를 톱니파와 유사한 형태로 된 저주파 변조 신호로 대체시킨다. 톱니 변조 신호를 발생시키기 위해서, 신호 발생기(308)은 정현파형을 선(500)상에 전송한다. 이 정현파형은 제11도내의 발생기(308)로부터 선(320)에 전송된 파형과 거의 동일하게 될 수 있다. 부수적으로, 또한 신호 발생기(308)로부터의 정현파형은 선(502)를 거쳐, 주파수 f_m에서의 정현파 변조 신호를 수신하고 진폭 조정장치(506)로 전송되는 주파수 2f_m에서의 제2조파를 발생시키도록 이 주파수를 제2체배(double)시키는 주파수 체배기(multiplier, 504)로 전송된다.

장치(506)은 전위차게(potemtiomerter)와 같은 신호의 진폭을 조정하기 위한 종래의 장치로 구성될 수 있다. 진폭 조정장치(506)으로부터, 신호는 제25도(a) 및 제25도(b)에 도시한 파형들 사이의 관계에 대응하는 관계로 발생기(308)로부터의 제1조파 위상변조 신호에 관련하여 위상을 전이시키는 위상 전이 회로(136)으로 전송된다. 진폭 조정 회로(506) 및 위상 전이 회로(508)은 신호 발생기(308)에 의해 발생된 정현파 변조 파형이 일정한 주파수 f_m에서 유지될 때만큼 긴 시간 조정에 의해 수동으로 셋트될 수 있다.

위상 전이 회로(508)로부터의 제2조파 파형은 선(500)과 접속되는 선(510)상으로 전송된다. 그러므로, 선(500)상의 제1조파신호 및 선(510)상의 제2조파 신호는 제25(c)도에 도시한 바와 같은 톱니형태를 갖고 있는 위상 변조 파형을 발생시키도록 결합된다. 선(500 및 510)으로부터의 신호들은 결합되어 선(320)을 통해 착오 수정 변조기(130)으로 전송되는데, 이 착오 소정 변조기(130)에서, 결합 신호는 제11도에 도시한 회전감지기를 참조하여 기술한 방법으로 처리된다.

상술한 바와같이, 제27도의 회전 감지기는 톱니파의 램프 부분에 의해 발생된 위상 변조로부터 발생되는 출력 부분만을 검출하도록 출력 신호를 게이팅시킴으로써 사그낙 효과의 영향을 영점화시키는 작용을 한다. 결과적으로, 신호 발생기(308)로부터의 선(306)상의 게이팅 신호는 게이트(304)가 톱니파의 램프부분 동안에만 턴 온되도록 조정되어야 한다. 신호발생기(308)로 부터의 게이팅 신호는 선(320)상의 변조 신호의 각각의 기간의 약 30%를 게이트시키도록 셋트되어야 한다. 게이트되는 선(320)의 파형 부분은 제25(d)내에 참조번호(464)로 표시한 게이트 기간을 상향으로 간단히 외삽(expolate)시킴으로써 확인될 수 있다.

제28도를 참조함으로써, 제27도의 회전 감지기를 사용함으로써 발생되는 전달 함수 또는 스케일 팩터가 거의 선형이라는 것을 알 수 있다. 이 결과는 사그낙 위상 전이 Δø_R이 DC 신호를 정하는 위상차 변조 Δø에 의해 영점화된다는 사실로 인해 얻어진다. 그러므로, 제28도의 그래프로 도시한 바와같이, 사그낙 효과에 의해 발생된 위상차 변조의 크기의 증가는 톱니파 변조 신호의 램프 부분에 의해 발생된 위상 차 변조의 크기의 대응 증가에 의해 효율적으로 영점화될 수 있다.

제11도의 회전 감지기에서와 같이, 대역 통과 휠터(326)은 주파수 f_m에서의 신호를 선(330)으로부터, 사그낙 위상 전이를 상쇄시키는데 필요한 위상 변조 신호의 진폭을 확인함으로써 회전속도를 결정하기 위해 사용될 수 있는 출력표시기(208)로 통과시킨다.

제28도에 도시한 스케일 팩터의 선형성은 자이로스코우프 스케일 팩터의 소오스 파장 종속성을 제거시킨다. 이것은 위상차 변조의 진폭이 사그낙 위상 전이가 회전속도에 대해 갖는 것과 동일한 인가 신호에 대한 파장 종속성

을 갖기 때문에 가능하다. 발광소오스의 파장은 제어하기가 어렵다는 사실을 고찰하면, 이 위상 변조 방법은 스케일 팩터의 안정도를 개량시킬 수 있다. 또한 시스템의 안정도는 궤환변조 주파수 f_m및 2f_m이 위상 변조기의 공진 주파수와 일치하지 않을 경우에 개량된다. 부수적으로, f_m의 조파 주파수가 바이어스 변조주파수 f_b와 일치하지 않으면, 회전 신호내의 부서적인 편기(offset) 또는 잡음도 제거된다.

제27도의 회전 감지기 내에서, 2개의 주파수 성분의 게이팅 시간 간격 및 상대 진폭은 인가된 신호에 대한 위상 변조기의 선형 응답을 가정할 때[예를 들어, Δø(t)α{cos(wmt)+0.4cos(”wmt)}일 때] 사그낙 위상의 10^-5내지 20래디안(radian)정도로 스케일 팩터의 선형성을 제공하도록 조정될 수 있다.

제11도의 회전 감지기와 제27도의 회전 감지기에서, 게이팅 공정은 감지기가 게이트 오프되는 시간동안에 광학 전력의 손실 및 회전 정보의 손실을 야기시킬 수 있다. 제11도(A)의 장치는 이 시간의 거의 1/2동안 게이트 오프되기 때문에 광학 전력의 1/2을 손실시킨다. 제27도의 장치내에서는, 파형의 약 30%가 게이팅되므로, 이 시간의 약 70%동안에 광학 출력이 손실될 수 있었다. 이 정보 손실은 각 내의 갑작스런 변화가 게이트 아웃(gated-out) 기간 내에 생길때 측정된 회전 각 내의 착오를 일으킬 수 있다. 예로서, 대부분의 응용시에 최대 예상 가속을 나타내기 위해 사용된 값인 │t²e/dt²│=1,000°/sec²의 가속 속도를 사용하는 구형파(square wave) 각 가속의 전주기의 경우를 취해 보겠다. 전형적인 게이팅 주파수 f_m이 15KHz이고 이 시간의 1/2동안에 게이팅이 일어나면, 간격의 제2의 1/2내에서의 동일한 크기의 감속에 의해 발생된 게이트 아웃 기간의 제1의 1/2내에서의 상기 크기의 가속은 약 2.8×10의 θ착오를 발생시킨다. 그러므로, 본 명세서에 기술한 위상 감지 장치의 신뢰성은 매우 양호하므로, 게이팅 장치의 영향은 회전 속도의 측정량내의 착오를 발생시킬 가능성이 매우 적다.

제29도에는 톱니파형을 사용하는 회전 감지기의 다른 실시예가 도시되어 있다. 이 실시예내에서, 신호 발생기(308)은 구형파 펄스 열(train)을 포함하는 주파수 f_m에서의 변조 신호를 발생시킨다. 이 구형파 펄스들은 2f_m을 포함하여 주파수의 조파들을 포함한다. 이 구형파 펄스들은 선(320)을 통해 착오 수정 변조기(130)으로 전송되고, 제11도 및 제27도에 도시한 감지기에 관련하여 이미 기술한 방법으로 처리된다.

변조기(130)에 의해 발생된 구형파 신호는 선(530)을 통해 저역 통과 휠터(532)로 전송된 신호의 제1 및 제2조파를 제외한 모든 신호를 제거시킨다. 휠터된 신호는 선(534)를 통해 위상 조정회로(536)으로 전송된다. 위상 전이 회로(536)의 한 특정한 실시예는 위상 변조하는데 필요한 톱니파형을 발생시키도록 제1조파에 관련하여 제2조파의 위상을 변형시키기 위해 사용되는 동조가능한 대역 통과 휠터로 구성된다.

위상 조정 회로(536)으로부터의 톱니파 변조 신호는 선(538)상으로 전송되는데, 여기서, 이 변조 신호는 선(324)상의 신호 발생기(40)에 의해 발생된 정현파 변조 주파수 f_b와 결합된다. 최종 신호는 변조 신호로서 위상 변조기(38)에 인가된다. 다른 관점에서, 제29도의 감지기는 제27도의 감지기와 동일한 방법으로 작용한다.

제29도에 도시한 회전 감지기의 한 특정한 실시예는 다음과 같이 구성되고 평가된다. 광학 섬유 길이는 약 580m이고 감지코일의 반경은 7cm이다. 사용된 발광소오스의 파장은 약 830nm이다. 위상 변조기(38)은 주위에 광학 섬유가 여러번 감겨진 압전 공동실린더로 구성된다. 이 압전 실린더의 제1공진 주파수는 약 20KHz이다. 신호 발생기(40)에 의해 발생된 바이어스 변조 주파수 f_b는 172KHz인데, 이것은 위상차 변조 Δøb의 진폭이 약 1.8래디안으로 되게 한다.

톱니파형 주파수 변조는 다음과 같이 발생될 수 있다. 구형파 펄스 열은 15KHz의 반복 주사푸 f_m에서, 펄스 발생기로 구성된 신호 발생시(308)에 의해 발생된다. 이 신호의 주파수 스팩트럼은 기본 주파수 f_m의 조파들을 포함한다. 저역 통과 전기 휠터(532)는 f_m의 제1 및 제2조파만을 남기고 모든 주파수 성분을 제거한다. 이 주파수 성분(15KHz 및 30KHz)의 상대 진폭은 펄스 발생기로부터의 구형펄스들의 폭을 변화시킴으로써 조정될 수 있다. 가변 대역 통과 휠터는 2개의 주파수 성분의 상대 위상을 조정하기 위해 사용되는 위상 조정회로(536)을 구성한다. 발생기(40)으로부터의 바이어스 변조 신호와 결합된 이 신호는 위상 변조기(38)에 인가된다.

실리콘 광 검출기(30)으로 부터의 전기 신호는 선(306)상에 전송된 펄스 발생기(308)로부터의 동기 신호에 의해 전기 스위치 또는 케이트(304)로 게이트 된다. 이 게이팅의 위상은 트리거(trigger) 신호의 펄스 지연을 조정함으로써 조정될 수 있다. 검출기(30)으로부터의 신호의 약 30%는 선형화된 스케일 팩터를 얻기 위해 게이트(304)를 통과한다. 게이트(304)로부터의 신호는 선(310)을 거쳐서, 바이어스 변조 주파수 f_b만을 통과시키는 대역 등과 휠터(312)를 통해 전송된다. 그 다음, 이 신호는 신호발생기(40)으로부터의 주파수 f_b에서의 기준신호와 비교된 바와같이 로크-인 증폭기(46)내에서 측정된다. 휠터(312)로부터의 신호를 기준신호에 대해 비교하면, 본 명세서에서 이미 기술한 바와같이 착오 수정변조기(130)으로 전송되는 로크-인 증폭기(46)으로부터의 착오 신호가 발생된다. 제29도의 회로를 동작시킴으로써 발생되는 실제 스케일 팩터는 제28도에 참조번호(520)으로 도시한 스케일 팩터에 대응한다.

본 명세서에 기술한 회전 감지기는 단일 위상 변조기를 사용하는 것으로 설명되어 있지만, 본 분야에 숙련된 기술자들은 별개의 위상 변조기들이 바이어스 위상 변조 및 저 주파수 제2위상 변조용으로 사용될 수 있다는 것을 알 수 있다. 또한, 다른 파형들이 허용가능한 결과로 본 명세서에서 기술한 게이팅 장치와 함께 사용될 수 있다. 이러한 선택적인 실시예들은 본 명세서에 기술되고 청구된 바와같은 본 발명의 범위에 포함된다.

요약하면 말하면, 본 명세서에 기술된 본 발명은 종래 기술에 비해 매우 넓은 범위의 회전속도 상에서 회전을 감지하기 위해 동적 범위가 상당히 확장되었을 뿐만 아니라, 단일 위상 변조기만을 광학적으로 사용하지만 확장된 동적 회전 감지를 얻기 위한 수단을 제공하고, 스케일 팩터의 소오스 파장 종속성을 상당히 제거함으로써 안정도가 크게 개량된 이러한 회전감지를 제공하며, 스케일 팩터 또는 전달함수를 선형화하여 정확성 및 신뢰성이 상당히 증가된 회전감지기를 제공함으로써, 감지 장치내에 필요한 신호 처리를 상당히 간략화 함으로써 산업계에서 오랫동안 존재하던 그외의 다른 문제점들도=제거시킨다.

본 발명은 본 발명의 원리 또는 특성으로부터 벗어나지 않고서 다른 특정한 형태로 실시될 수 있다. 기술한 실시예들은 단지 설명하기 위한 것으로 제한되지 않는다.

Claims (10)

1. 루우프 내에 역-전달 광파들을 제공하는 발광소오스 및 이 역-전달 광파들에 응답하는 검출기를 포함하고, 이 역-전달 광파들 사이의 위상차가 물리적 파라메터에 따라서 전이되는, 광학 루우프를 사용하는 물리적 파라메터 감지 및 측정 장치에 있어서, 물리적 파라메터에 의해 야기된 위상차를 제거하도록 루우프 내의 역-전달 광파 위상차를 주기적으로 바이어스 시키기 위한 위상차 변조기, 물리적 파라메터에 의해 야기된 위상차를 영점화시키도록 위상차 변조기의 주기적 바이어스를 조정하기 위해 검출기의 출력에 응답하는 제어장치, 및 물리적 파라메터를 측정하기 위해 위상차 변조기의 주기적 바이어스에 응답하는 회로를 특징으로 하는 물리적 파라메터 감지 및 측정장치.
2. 제1항에 있어서, 제어장치가 검출기의 출력을 주기적으로 블랭크하는 회로인 것을 특징으로 하는 물리적 파라메터 감지 및 측정장치.
3. 제2항에 있어서, 위상차 변조기가 제어장치 회로가 주기적으로 블랭크하는 주파수와 동일한 주파수에서 주기적으로 바이어스 하는 것을 특징으로 하는 물리적 파라메터 감지 및 측정장치.
4. 제1항에 있어서, 제1주파수에서의 변조 신호를 발생시키고 제어장치를 통해 위상차 변조기를 구동시키기 위한 제1신호 발생기를 특징으로 하는 물리적 파라메터 감지 및 측정장치.
5. 제4항에 있어서, 검출기에 접속되고 역-전달 광파들의 선택된 부분들을 블랭크하기 위해 제1신호 발생기에 응답하는 게이팅 장치, 및 이 게이팅 장치를 제어장치에 접속시키고 게이팅 장치의 출력을 제2주파수에서의 기준 신호와 비교하는 회로를 특징으로 하는 물리적 파라메터 감지 및 측정장치.
6. 제1항에 있어서, 위상차 변조기가 제1주파수 및 낮은 제2주파수에서의 역-전달 광파들을 변조시키고, 제2주파수의 각각의 기간의 일부분 동안에만 검출기를 출력케 접속시키기 위한 게이팅장치, 및 물리적 파라메터에 의해 야기된 제1주파수에서의 출력에서 신호를 상쇄하도록 제2주파수에서 변조의 진폭을 조정하도록 제어 장치를 구동시키기 위해 출력에 접속된 궤환회로를 특징으로 하는 물리적 파라메터 감지 및 측정장치.
7. 제1항에 있어서, 위상차 변조기가 DC위상 바이어스를 역-전달 광파에 인가시키는 것을 특징으로 하는 물리적 파라메터 감지 및 측정장치.
8. 제7항에 있어서, 제1변조 신호를 발생시키기 위한 제1신호 발생기, 및 램프 파형을 포함하는 최종 변조신호를 제공하도록 제1변조신호를 변형시키기 위해 상기 제1변조신호에 응답하는 제2신호발생기를 특징으로 하는 물리적 파라메터 감지 및 측정장치.
9. 제8항에 있어서, 검출기에 접속되고 역-전달 광파들의 선택된 부분을 블랭크하기 위해 제1신호 발생기에 응답하는 게이팅 장치를 특징으로 하는 물리적 파라메터 감지 및 측정장치.
10. 제8항에 있어서, 제2신호 발생기가 제1변조 신호의 주파수를 발생시키기 위해 제1신호 발생기에 결합된 주파수 체배기, 제1변조 신호의 진폭에 대응하도록 조파의 진폭을 조정하기 위한 진폭 조정 회로, 제1변조 신호에 관련하여 조파의 위상을 전이시키기 위한 위상 전이기, 및 이 위상 전이기의 출력을 제1변조 신호와 결합시키기 위한 전기 접속장치를 특징으로 하는 물리적 파라메터 감지 및 측정장치.

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