KR930011639B1 - 다중 발진기용 공동 길이를 제어하기 위한 장치 및 방법 - Google Patents

다중 발진기용 공동 길이를 제어하기 위한 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

내용 없음.

Description

[발명의 명칭]
다중 발진기용 공동 길이를 제어하기 위한 장치 및 방법
[도면의 간단한 설명]
제1도는 4-모드 다중 발진기의 동작 특성의 도면.
제2도는 본 발명에 따른 다중 발진 광선 센서를 사용한 공동 길이 제어 장치의 개략도.
제3도는 본 발명에 따른 공동 길이 제어 장치의 또 다른 실시예의 개략도이다.
[발명의 상세한 설명]
[배경 기술 분야]
본 발명은 관성 센서(inertial sensor)에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 다중 발진기 모드 링 레이저 자이로스코프(multioscillator mode ring laser gyroscope) 및 가속도계(加速度計)의 공동(空洞) 길이를 제어하기 위해 개량된 장치 및 방법에 관한 것이다.
[종래 기술의 설명]
다중 발진기는 링 레이저 자이로스코프 내의 ＂록크-인(lock-in)＂ 문제를 극복하기 위한 수단으로서 제안되어 왔다. 실제로 다중 발진기는 단일 공동(空洞)을 공유하는 한 쌍의 2-모드 링 레이저 자이로스코프로서 동작한다. 다중 발진기 광선공동(光線空洞)은 각각 각주파수(角周波數)가 ωLC및 ωLA인 시계방향으로 순환하는 한쪽 비임과 반시계방향으로 순환하는 다른쪽 비임으로 구성되어 있는 사실상 좌측 원편파(LCP) 비임쌍을 유지한다. 이와 마찬가지로, 다중 발진기 광선공동은 또한 각주파수가 ωRC및 ωRA인 역전달 비임으로 구성되어 있는 사실상 우측 원편파(RCP) 비임쌍을 유지한다. 이상적으로는, 각각의 비임쌍은 2-모드링 레이저 자이로스코프로서 독립적으로 동작하고 사냑 효과(Sgnac effect)에 의해 본체(本體) 회전을 감지한다.
동일한 공동 내의 이 2개의 자이로스코프의 독립적인 동작을 달성하기 위해, 2개의 비임쌍, 즉 한쌍의 LCP광선 및 다른 쌍의 RCP광선이 상이한 주파수에서 동작하는 것을 확실히 하기 위한 수단이 공동에 사용된다. 이 주파수 분리는 ＂역분할(reciprocal splitting)＂이라 알려져 있으며, 통상 수백 MHz 정도이다. 초기의 다중 발진기 설계는 3개 또는 4개의 반사된 공동 내에 적당히 정렬된 광학적 능동 소자의 배치에 의해 필요한 역분할을 달성하였다.
동작시역분할 기술로서, 다중 발진기 구조의 2개 군은 독립적으로 동작할 수 있으나, 각각은 아직도 록크-인 현상에 좌우된다. ＂a.c.＂바이어스가 디서(dither)를 통해 인가되는 기계적으로 디서되는 자이로와 달리, 다중 발진기는 각각의 자이로가 자이로 출력이 없는 ＂유휴 밴드(dead band)＂로부터 매우 멀리 떨어져 있는 점에서 동작하도록 2개의 자이로에 ＂d.c.＂바이어스를 인가시킴으로써 이 문제를 회피한다. 이 바이어스는 ＂비역분할(nonreciprocal splitting)＂이라 알려져 있는데, 공동에 파라데이(Faraday) 회전을 도입함으로써 달성된다.
원편파 광선이 파라데이 회전자(回轉子)를 통해 통과할 때, 그것은 회전자를 통해 전파방향에 좌우되는 위상변이(位相變移)를 발생시킨다. 이러한 방법으로, 각각의 자이로의 시계 및 반시계방향 비임들은 상이한 위상변이를 발생시켜서 상이한 주파수에서 레이저 광선을 발진한다. 다중 발진기 내의 비역분할에 대한 전형적인 값은 역분할 값보다 상당히 작다(약 1MHz).
비역분할은 일반적으로 축방향자계(軸方向磁界) 내에 장착된 적당한 유리로 제조된 강내 소자(intracavity element)을 사용하거나, 또는 공동의 가스 이득 매체를 축방향 자계로 둘러쌈으로써 달성될 수 있다.
비역분할이 전술한 방법으로 다중 발진기에 적용될 때, 좌측 원편파 자이로내의 최종 바이어스 이동(bias shift)은 우측 원편파 자이로 내의 바이어스 이동과 동일하고, 부호는 반대이다. 그러므로, 2개의 자이로의 출력들이 가산될 때, 최종 신호는 인가된 바이어스 크기와 관계없이 본체 회전에 대해 감도가 2배로 된다. 이렇게 하여, 다중 발진기의 특이한 특성은 자이로가 d.c. 바이어스를 사용하는 단일 자이로 2-모드 설계의 주된 문제점이 되어왔던 변화, 예를 들어 자계, 온도 변화 등에 의해 야기될 수 있는 바이어스 변화에 본래 민감하지 못하게 만드는 것이다.
비평면 링 레이저 자이로스코프 또는 가속도계의 공동 길이가 온도, 압력 및 기타 요소의 변화 등에 본래 민감하다는 것이 알려져 있다. 이러한 센서의 계기 블럭 구조를 제조하는데 사용하기 위해 안정한 물질을 선택하려는 여러번의 시도가 있었으나 성공하지 못하였다. 그러므로, 다중 발진기는 관성센서, 특히 비평면 관성센서의 공동 길이를 제어하기 위한 수단으로서 제안되어 왔다.
다중 발진기의 사용은 이 시도된 해결책이 일반적으로 1개 이상의 부분적인 전송 미러의 출력에서 비교적 고가인 광학 계기, 센서 및 편파기(偏波器)를 사용해야 한다는 점에서 완전히 만족스럽다는 것을 입증하지 못했다. 또한, 비교적 고가 외에도, 광학 편파기 및 계기는 비교적 불안정하여서 또 다른 에러원(源)을 발생시킨다. 이러한 시도의 부정확성에 크게 기여하는 다른 요인은 광선 비임의 s-모드 및 p-모드 편파가 레이징 공동 내부에서는 구별되지만, 편파들은 출구 미러의 출력에서는 명백히 구별되지 않다는 사실이다.
[본 발명의 요약 및 목적]
본 발명은 현대의 링 레이저 자이로스코프 및 가속도계 설계의 전술한 단점을 제안하고 극복하려는 것이다. 이 점에 관해서, 본 발명은 서로 반대방향으로 회전하는 2개의 비임을 포함하는 좌측 원편파 비임쌍 및 서로 반대방향으로 회전하는 2개의 비임을 포함하는 우측 원편파 비임쌍을 유지시키는 다중 발진기 공동의 길이를 제어하기 위한 장치를 제공한다. 본 발명의 제어장치는 동일한 방향으로 회전하는 비임쌍을 혼합시키기 위한 광다이오드(photodiode)를 포함한다. 한쪽 비임은 좌측 원편파이고, 다른쪽 비임은 우측 원편파이다.
국부 발진기는 혼합된 비임을 변조시키고 진폭 복조기(demodulator)는 변조된 비임을 복조시킨다. 에러검출장치는 진폭 복조기에 응답하고 능동 적분기(integrator)는 검출된 에러를 적분한다. 압전 변환기(piezotransducer)는 다중 발진기 공동의 길이를 제어하기 위한 적분기의 출력에 응답한다.
본 발명의 전술한 부가적인 특징 및 장점도 역시 이하의 상세한 설명으로부터 명백해진다. 상세한 설명에는 일련의 도면들이 언급되어 있다. 도면들의 인용번호는 상세한 설명에 기재된 도면인용번호에 대응하고, 동일한 참조번호는 본 발명의 동일한 구성요소를 나타낸다.
이제 제1도를 참조하면, 제1도는 링 레이저 자이로스코프, 링 레이저 가속도계, 또는 선형 가속도계와 같은 다중 발진 모드 광선센서의 전력 이득 곡선(10)의 도면이다. 발진을 일으키기 위해 관성 시스템의 광선 비임 공동 경로 주위이 파장의 정수배가 요구된다. 도시된 바와 같이, 4개의 발진 주파수 ωLA, ωLC, ωRC,ωRA는 센서에 의해 발생된다.
주파수 ωLA및 ωLC는 시계방향으로 주파수 ωLC로 진행하는 비임과 반시계방향으로 주파수 ωLA로 진행하는 파를 갖는 좌측 원편과 비임에 의해 발생된다. 주파수 ωRC및 ωRA는 반시계방향으로 진행하는 주파수 ωRA에 대응하는 좌측 원편파 비임과 시계방향으로 진행하는 주파수 ωRC에 대응하는 우측 원편파 비임에 의해 발생된다.
곡선(10)는 이후 축의 중앙 또는 최대 이득 주파수 ωC를 통과하는 중앙축에 대해 대칭이 되도록 가정(假定)된다. 그러므로, 주파수 ωLA및 ωLC에 대응하는 전력 진폭 ALA및 ALC는 중앙축에 대하여 전력 진폭 ARA및 ARC에 각각 대칭이다.
후에 더 상세히 설명하는 바와 같이, 본 발명의 공동제어장치는 실제로 최대 전력 이득에서 관성센서를 동작시키고 이러한 최대 이득의 록크-인을 발생시킨다. 이 점에 관해서, 관성센서에 대한 전체 출력의 전력 이득을 최대로 유지시키기 위해, 주파수 ωLC및 ωRC에 대응하는 시계방향 전파 비임이 혼합되고 처리된다. 그러나 상기 시계방향 전파 비임 대신에 주파수 ωLA및 ωRA에 대응하는 반시계방향 전파 비임이 선택적으로 혼합되고 처리될 수 있다는 것을 알 수 있다. 그러나, 2개의 비임만이 관성센서의 공동 길이를 정확히 제어하는데 필요하다.
제2도는 다중 발진 모드 관성센서의 내부 공동 경로의 길이를 정확히 제어하기 위해 다중 발진 모드 관성센서(25)와 함께 사용되는 본 발명에 따른 제어장치(20)의 개략도이다. 부분적인 전송 미러(27)을 통해 출력하는 주파수 ωLC및 ωRC에 대응하는 시계방향 진행 비임은 PIN 또는 애벌랜치(avalanche) 광다이오드(30)에 의해 혼합된다. 시계방향 LCP 비임 신호 SLC및 시계방향 RCP 비임 신호 SRC는 시간의 함수로서 진폭 ALC,ARC및 각주파수 ωLC, ωRC로 각각 다음 방정식 (1) 및 (2)로 표시될 수 있다.
Figure kpo00001
2개의 비임 신호 SLC및 SRC의 혼합은 광다이오드(30)의 출력에서 발생되는 시계방향 신호 SC가 되고 다음 방정식 (3) 내지 (5)로 표시된다.
Figure kpo00002
그러나, 2개의 주파수 ωLC및 ωRC의 합은 실질적으로 너무 높아 광다이오드(30)에 의해 검출되지 않으며, 따라서 신호 S?는 다음 방정식으로 표시되는 바와 같이 SC에 근사(近似)될 수 있다.
Figure kpo00003
신호 SC1은 발진기(33)에 의해 발생되는 미러 디서링(dithering) 신호(A·cosωmt)에 의하여 변조된다. 디서링 주파수 ωm은 약 1KHz 내지 10KHz사이의 범위이다. 그러나, 양호한 주파수는 약 4KHz이다. 디서 변조를 포함한 신호 SCD는 다음과 같은 방정식(7)로 표시된다.
Figure kpo00004
상기 식에서, A는 디서링 진폭이고, ωm는 디서링 각주파수이며, A'LC는 ALC의 진폭에 대한 미분(dALC/dA)이고, A'RC는 ARC의 진폭에 대한 미분(dARC/dA)이며, Mr는 4개의 모드에 관한 FM변조율이다.
방정식(7)에서 알 수 있는 바와 같이, 항 는 진폭변조 항이고, 항[cos(ωLCt+ωRCt+2·Mr·sinωmt)+cos(ωLCt+ωRCt)]는 주파수 변조항이다. 그러므로, 진폭 복조기(40)에 의해 신호 SωCD를 복조시킨 후에는, 진폭변조 항만 남고 복조신호 SωDD는 다음의 방정식(8) 및 (9)로 표시될 수 있다.
Figure kpo00005
그러므로, 방정식(9)에서 알 수 있는 바와 같이, SDD는 항(ALC·ARC'+ARC·ALC') 가 0일 때 최대값을 갖는다. 그러나 이러한 항은 다음 방정식(10)으로 표시되는 바와 같이 항 ALC·ARC의 진폭에 대한 미분이다.
Figure kpo00006
신호 SDD의 최대값은 각각 시계방향 회전 LCP 및 RCP이 진폭 ALC및 ARC의 최대 진폭에 대응한다. 그러므로, 제1도의 전력 이득 곡선(10)으로 역시 도시된 바와 같이, ALC및 ARC의 최적값은 곡선(10)상의 점(45) 및 점(47)에 대응하는데, 여기서 곡선의 기울기는 크기는 같고 부호는 반대이다.
광다이오드(30)의 출력에서 혼합된 신호는 RF 스펙트림 분석기(spectrum analyzer)에 전송되기 전에 고주파수 전송 임피던스(transimpendance) 증폭기(50) 및 RF 증폭기(55)를 통과한다. 진폭 복조기(40)의 출력에서 복조된 신호는 록크-인 증폭기(60)의 입력에 전송되어 있고 이 증폭기는 에러를 검출하여 증폭한다. 록크-인 증폭기(60)의 출력에서 증폭된 신호는 그것의 최대 이득 동작에서 센서(25) 내에서 록킹시키기 위해 적분기(63)으로 공급된 다음 고전압 증폭기(66) 내로 공급된다. 증폭된 신호는 압전 변환기(70) 내로 공급되고, 출구 미러(27)이 아닌 다른 미러(72)를 선정된(predetermined) 위치에서 록크시키고, 발진기(33)에 의해 공급되는 디서링 주파수 ωm에서 디서시킨다.
이제, 제3도를 참조하면, 본 발명에 따라 구성된 또 다른 공동 길이 제어 장치(100)이 도시되어 있다. 장치(100)은 제2도에 도시된 장치(20과 유사하고 출구 미러(27)의 출력에서 시계방향 전파 비임을 혼합하는 핀 또는 애벌랜치 광다이오드(102)를 포함하고 있다. 이 광다이오드(102)의 출력에서 혼합된 신호는 고주파 전치 증폭기(preamplifier, 104), 역주파수 대역 통과 필터(reciprocal frequency bandpass filter, 106) 및 RF증폭기(108)을 통과한다. 증폭기(108)의 출력에서의 신호는 진폭 복조기(111)에 의해 복조된 다음 저주파 동기 검출기(120)에 의해 검출되기 전에 저주파 대역 통과 증폭기(115) 내로 공급된다. 기준신호는 발진기(125)에 의해 검출기(120)으로 제공되고, 또한 캐패시터(74)를 통해 압전 변환기(70) 및 디서된 미러(72)에 접속된다.
동기 검출기(120)이 출력에서의 총에러 신호는 압전 변환기(70)에 접속하기 위한 압전 변환기 전압 증폭기(130)에 의해 증폭되기 전에 능동 적분기(127)에 의해 적분된다.
그러므로, 본 명세서에 기재된 공동 길이 제어 장치 모두는 광부품 및 편파기를 사용하는 기존의 제어장치보다 비교적 저렴하고 복잡하지 않다. 또한, 본 공동 길이 제어 장치는 다중 발진기의 비평면 각에 관계없이 다중 발진 모드 관성센서를 정확하게 제어하기 위한 공동 경로의 길이를 자동적으로 조정하는 귀환(feedback) 시스템을 포함하고 있다.

Claims (19)

  1. 제1방향으로 전파되는 2개의 반대방향으로 편파된 비임을 추출하기 위한 제1수단과, 제2방향으로 전파되는 2개의 반대방향으로 편파된 비임을 추출하기 위한 제2수단 및 상기 비임들의 혼합된 진폭을 변조하기 위한 수단을 포함하고 있고, 폐쇄된 경로 내에서 각 편파의 2개의 비임이 역방향으로 전파되는 두 쌍의 반대 방향으로 편파된 비임을 유지시키는 다중 발진기 공동의 길이를 제어하기 위한 장치예(20,100)에 있어서, 각각 제1 및 제2방향으로 전달되는 상기 혼합된 비임들을 곱한 진폭을 혼합해서 감지하고 상기 혼합된 비임의 진폭을 곱한 진폭의 미분 측정치인 전기 신호를 발생시키기 위한 제1(30,102) 및 제2수단과, 변조수단에 응답하여 상기 미분 신호를 복조시키기 위한 복조수단(40,111)과, 상기 복조수단에 접속되어 에러신호를 출력 및 증폭시키기 위해 상기 복조신호를 검출하기 위한 수단(60,120)과, 상기 증폭된 에러신호를 적분하기 위한 적분수단(63,127)과, 상기 적분수단에 접속되어 있어서 제1방향으로 진행하는 비임 진폭을 곱한 진폭의 미분이 제2방향으로 진행하는 비임의 진촉을 곱한 진폭의 미분과 크기는 같고 부호는 반대가 되도록하여 상기 공동의 길이를 제어하기 위한 수단(66,130)을 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 발진기용 공동 길이 제어 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 혼합수단(30,102)가 PIN 광다이오드를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 혼합수단(30,102)가 애벌랜치형 광다이오드를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 장치.
  4. 제2항에 있어서, 상기 변조 수단이 발진기(33,125)를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 발진기(33,125)가 1KHz 내지 10KHz 사이의 범위에 있는 변조 주파수를 제공하는 것을 특징으로 하는 장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 변조 주파수가 4KHz인 것을 특징으로 하는 장치.
  7. 제5항에 있어서, 상기 복조 수단(40,111)이 진폭 복조기를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 장치.
  8. 제7항에 있어서, 상기 검출 수단(60)이 록크-인 증폭기를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 장치.
  9. 제7항에 있어서, 상기 검출 수단(120)이 저주파 동기 검출기(115)를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 장치.
  10. 제9항에 있어서, 상기 적분 수단(63,127)이 능독 적분기를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 장치.
  11. 제7항에 있어서, 상기 광다이오드(30,112)와 상기 진폭 복조기(40,111) 사이에 접속된 고주파 전송 임피던스 증폭기(50)이 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 장치.
  12. 제11항에 있어서, 상기 고주파 전송 임피던스 증폭기(50)과 상기 진폭 보조기(40) 사이에 접속된 무선 주파수 증폭기(55)가 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 장치.
  13. 제12항에 있어서, 상기 적분 수단(63)과 다중 발진기(33) 사이에 접속된 고전압 증폭기(66)이 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 장치.
  14. 제13항에 있어서, 상기 고주파 증폭기(104)와 무선 주파수 증폭기(108) 사이에 접속된 역주파수 대역 통과 필터(106)이 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 장치.
  15. 제1항에 있어서, 상기 진폭 복조기(111)와 검출수단(120) 사이에 접속된 저주파 대역 통과 증폭기(115)가 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 장치.
  16. 2개의 역회전 비임을 포함하는 좌측 원편파 비임쌍과 2개의 역회전 비임을 포함하는 우측 원편파 비임쌍을 유지시키는 다중 발진기 공동의 길이를 제어하기 위한 방법에 있어서, 좌측 원편파되는 상기 비임들 중 한쪽 비임과 우측 원편파 되는 다른 쪽 비임 중에서 동일한 방향으로 회전하는 비임쌍을 혼합시키는 단계와, 상기 혼합된 비임쌍을 변조시키는 단계와, 변조된 비임을 복조시키는 단계와, 상기 복조 수단에 응답하여 에러를 검출하는 단계와, 검출된 에러를 적분하는 단계와, 적분된 에러에 응답하여 공동의 길이를 제어하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 다중 발진기용 공동 길이 제어 방법.
  17. 2개의 역회전 비임을 포함하는 좌측 원편파 비임쌍과 2개의 역회전 비임을 포함하는 우측 원편파 비임쌍을 유지시키는 다중 발진기 공동의 길이를 제어하기 위한 방법에 있어서, 다중 발진기의 전력 이득을 최적화시키기 위한 단계로 이루어지고, 이 최적화 단계에는 전력 이득 곡선의 기울기가 진폭은 같고 부호는 반대인 주파수에서 다중 발진기를 동작시키는 단계가 포함된 것을 특징으로 하는 다중 발진기용 공동 길이 제어 방법.
  18. 제17항에 있어서, 상기 주파수가 좌측 원편파되는 상기 비임들 중 한쪽 비임과 우측 원편파 되는 다른쪽 비임 중에서 동일한 방향으로 회전하는 비임쌍의 주파수에 대응하는 것을 특징으로 하는 다중 발진기용 공동 길이 제어 방법.
  19. 제15항에 있어서, 상기 제어수단이 압전 변환기(70)을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 장치.
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