KR940004651B1 - 위상 해독 광학 섬유 간섭계 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

위상 해독 광학 섬유 간섭계

제1도는 연속적인, 중단되지 않은 광학 섬유 물질의 가닥을 따라 배치된 광학 섬유 구성 부품을 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 실시예를 도시한 단면도.

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

제4도는 제1도의 회전감지기에 사용하기 위한 광학 섬유 편광 제어기의 한 실시예를 도시한 사시도.

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

제6도는 복굴절 유도 위상차와 복굴절 유도 진폭 변동의 효과를 나타내는 회전적으로 유도된 사그낙(Sagnac) 위상차의 함수로서 광검출기에 의해 측정된 광학 출력 신호의 세기를 도시한 그래프.

제7도는 각각의 역-전달파의 위상 변조와 역-전자파들 사이의 위상차를 시간 함수로서 도시한 위상차의 그래프.

제8도는 로우프(loop)가 휴지(rest) 상태에 있을 때, 검출기에 의해 측정된, 광학 출력 신호의 세기에 따른 위상 변조 효과를 도시한 그래프.

제9도는 루우프가 회전할 때, 검출기에 의해 측정된, 광학 출력 신호의 세기에 따른 위상 변조 효과를 도시한 그래프.

제10도는 동적 범위가 확장된 개방-루우프 위상 해독(reading) 회전 감지기의 한 양호한 실시예를 도시한 도면.

제11도는 회전 감지기에 광학 섬유 루우프로부터의 광학 출력 신호의 제1 내지 제4고조파 주파수 성분을 도시한 그래프.

제12도는 제10도에 도시한 회전 감지기에 관련된 광학 루우프의 휴지 상태와 회전 상태 동안의 위상 및 전폭 변조 신호와 스위치 및 휠터(filter) 출력 신호의 관계를 도시한 그래프.

제13도는제10도에 도시한 회전 감지기의 선형 스케일 팩터(liner scalc facter)를 도시한 그래프

제14도는 동적 범위가 확장된 개방-루으프 위상 해독 회전 감지기의 다른 양호한 실시예를 도시한 도면.

제15도는 제14도에 도시한 회전 감지기에 관련된 광학 루우프의 휴지 상태와 회전 상태 동안의 위상 및 진폭 변조 신호와 게이트 및 휠터 출력 신호의 관계를 도시한 그래프.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : 광선 소오스 12 : 광학 섬유

14 : 감지 루으프 24 및 36 : 편광 제어기

26 및 34 : 방향성 결합기 30 : 광 검출기

32 : 편광기 38 : 위상 변조기

40 : 신호 발생기 46 : 토크-인 증폭기

47 : 표시기 패널 54 : 상호작용 영역

60 : 복굴절성 결정체 62 : 슬롯트

64 : 장방형 석영 블럭 70 : 기부

74 : 스풀 76 : 축

78 : 코일

본 발명은 간섭계에 관한 것으로, 특히 연장된 동적 동작 범위에 걸쳐서 간섭계로부터의 위상차 신호를 측정하기 위한 방법 및 장치를 포함하는 위상 해독 광학 섬유 간섭계에 관한 것이다.

전형적으로, 간섭계들은 2개의 간섬 광파들을 전달시키는 장치를 포함하는데 광파(light wave)들 사이의 위상차는 간섭계 내에서 2개의 광파들에 의해 이동된 각각의 광학 통로 길이 내의 차이에 따라 변한다. 또한, 2개의 간섭파들 사이의 위상차는 간섭계의 회전과 같은 외부 힘의 영향을 받을 수도 있다. 그러므로, 일반적으로 간섭계들은 광파들 사이의 위상차에 다라 세기가 변하는 출력 신호를 제공한다. 이 위상차를 검출 및 측정하기 위한 다수의 방법 및 장치들이 고안되었지만, 각각의 방법 및 장치는 소정의 동작 상태하에서 문제점 또는 제한들을 갖는 것으로 나타났다.

위상차 측정 장치는 종종 회전 감지용으로 사용되는 간섭계 내에 응용되었다. 그러므로, 본 명세서에 기술한 위상차 출력신호를 검출 및 측정하기 위한 방법 및 장치가 모든 종래의 간섭계와 함께 사용될 수 있지만, 이 방법 및 장치의 형태 및 동작은 본 발명의 한 양호한 실시예를 구성하는 광학 섬유 회전 감지기에 관련하여 가장 잘 설명될 수 있다.

전형적으로, 광학 섬유 회전 감지기는 광파가 반대 방향으로 루우프 주위로 전달되도록 결합되는 광학 섬유 물질의 루우프를 포함한다. 루우프가 회전하면, 공지된 "사그낙 효가"에 따라서 역-전달파들 사이에 상대 위상차가 생기는데, 이 위상차의 크기는 회전 속도에 대응한다. 역-전달파들은 재 결합될 때, 루우프의 회전속도에 따라 세기를 변화시키는 광학 출력 신호를 발생시키도록 건설적 또는 파괴적으로 간섭한다. 회전 감지는 통상적으로 이 광학 출력 신호를 검출함으로써 달성된다.

작은 회전 속도에 대한 광학 섬유 회전 감지기의 감도를 증가시키기 위한 다수의기술들이 고안되었다. 예를 들어, 한 개방-루우프 기술은 역-전달 광파들을 제1고조파 주파수에서 위상 변조시키는 것을 포함한다. 이때, 위상 변조 주파수에서 광학 출력 신호 내의 성분을 위상 감지 검출함으로써 회전 속도가 결정 될수 있다. 이 성분의 진폭은 회전 속도에 비례한다. 그러나, 이 기술은 큰 회전 속도를 검출하는 데 유용하지 못한데, 그 이유는 광학 출력 신호가 회전 속도가 증가 또는 감소할 때 주기적으로 자체 반복하는 파형을 정하기 때문이다. 그러므로, 관련된 루우프 회전 속도가 상이하더라도, 측정된 성분의 진폭은 각각의 출력 신호의 주기적 반복시에 동일하다. 부수적으로, 장치의 감도는 반복 신호 파형 상의 몇개의 위치에서 0으로 되므로 장치의 비선형성 응답을 야기시킨다. 이러한 기술들은 확장된 동적 범위에 걸쳐서 회전 감지 하기 위한 다수의 응용에 사용하기가 어렵다.

개방-루우프 형태를 포함하는 다른 기술은 광학지(Opt. Lett. ) 제9호 22페이지(1984)에 디. 에버하드(D, Eberhard) 및 이. 보제스(E. Voges)가 쓴 "위상 변조된 단일-축파대 검출 구조를 가진 광학 섬유 자이로스코우프"라는 논문에 기술된 것과 같은 단일 측파대 검출 구조를 포함한다. 그러나, 이 방법은 적당하지 않은데, 그 이유는 광학 섬유 형태 내에서 유용하지 못한 광대역 위상 변조기를 필요로 하기 때문이다.

회전 감지에 대한 다른 방법은 전자 공학지(Electron. Lett. ) 제19호 997페이지(1983)에 케이. 봄(K. Bohm), 피. 마튼(P. Matten), 이. 와이들(E. Weidel) 및 케이. 피터맨(K. Peterman)이 쓴 "디지탈 데이타 프로세싱을 사용함으로써 광학 섬유 자이로로 직접 회전 속도를 감지하는 방법"이라는 논문에 기술된 바와 같은 신호 프로세싱(processing) 기술을 포함한다. 상술한 기술과 같이 이 방법에서는, 역-전달파들이 선택된 주파수에서 위상 변조된다. 출력 신호의 홀수 고조파 및 짝수 고조파는 각각 측정되고, 이 신호들은 루우프의 회전에 의해 야기된 위상 전이의 탄젠트(tangent)를 정하도록 프로세스되어 결합된다. 회전 속도는 이 정보로부터 계산될 수 있다. 이 장치와 함께 사용되는 유용한 아날로그-디지탈(analog to digital) 변환기의 제한된 범위로 인해, 이 장치는 대부분 항행(navigation) 형태와 같은 대부분의 자이로스코우프 응용시에 필요한 분해도(resolution)에서의 필요한 동적 범위를 제공할 수 없다.

상술한 기술들에 관련된 문제점들을 제거하기 위해서, 다수의 다른 폐쇄 로우프 방법들이 개발되었다. 예를 들어, 몇개의 루우프 기술들은 선택된 주파수에서 역-전달 광파를 위상 변조시키는 기술을 포함한다. 광파에 의해 발생된 광학 출력 신호는 루우프의 회전을 검출하도록 모니터(monitor)된다. 회전이 검출되면, 역-전달 광파에 인가되는 위상 변조 신호를 제어하는 궤란 신호가 발생된다. 이 궤한 신호에 응답하여, 위상 변조 신호의 진폭은 루우프 회전에 의해 발생된 광학 출력 신호 내의 성분을 염점화(null out)시키도록 조정된다. 그러므로, 위상 변조 신호의 진폭은 루우프의 회전 속도의 크기를 구성한다.

이 폐쇄 루우프 기술들은 개방-루우프 장치에 유용한 동일한 감도 레벨을 제공하지만, 회전 속도가 정확히 측정될 수 있는 동적 범위를 상당히 증가시킨다. 그러나, 이 회전 감지기의 정확성 및 범위는 감지기들이 접속될 수 있는 다수의 출력 장치의 용량에 의해 응용시에 제한된다. 예를 들어, 출력 장치는 위상 변조신호의 진폭의 측정량이 커지게 할 뿐만 아니라 회전 속도를 매우 작게 하는 범위 및 분해도를 가져야 한다. 이 시스템과 함께 사용될 출력 장치는 항공기 항행과 같은 응용에 필요한 감도 레벨과 동적 범위에 유용하지 못하다. 부수적으로, 이 시스템들은 본래 이 시스템 내에 포함된 부수적인 전자 회로로 인해 개방-루우프 시스템 보다 더욱 복잡하다.

상기 설명에 비추어, 모든 광학 자이로스코우프의 회전속도가 확장된 동적 범위에 걸쳐 정확하고도 명백하게 선형적으로 결정될수 있는 개방-루우프 회전 감지 시스템 및 방법을 제공하는 것이 본 분야의 대단한 개량점으로 된다. 또한, 거의 제한되지 않은 동적 범위에 걸쳐 회전 속도를 디지탈 해독 하도록 기존 구성 부품들을 사용하는 이러한 시스템 및 방법을 제공하는 것도 중요한 개량점으로 된다.

본 발명은 확장된 동적 동작 범위에 걸쳐서 간섭계 상의 선택된 외부 힘의 영향을 검출 및 측정하기 위한 장치 및 방법을 포함한다. 본 발명의 장치는 간섭계 내에서 전달되는 2개의 간섭 광파로 구성된 출력을 제공하기 위해 검출기를 갖고 있는 간섭계를 구성한다. 간섭 광파들 사이의 위상차는 간섭계 내에서 광파들에 의해 진행된 각각의 광학 통로 길이들의 차이에 따라 변하고, 압력, 온도 및 간섭계의 회전과 같은 외부 힘의 영향에 따라 변한다. 출력의 세기는 광파들의 위상차에 따라 변하므로, 간섭계에 인가된 외부 힘에 따라 변한다.

제1회로는 출력의 싸인(sine) 및 코싸인(cosine) 성분들을 함유하는 선택된 고조파를 갖고 있는 제1신호를 발생시키도록 출력을 진폭 변조시킨다. 제2회로는 외부 힘에 의해 야기된 간섭 광파의 위상차 내의전이를 나타내는 제2신호를 제공하도록 제1신호에 응답하여 작용한다.

한 양호한 실시예에서, 본 발명은 넓은 범위의 회전 속도를 정확하고 신뢰할 수 있게 감지하고 이 감지된 회전에 대응하는 저주파 신호의 위상을 제공하는데 사용하기 위한 개방-루우프 회전 감지기 및 이 감지기의 동작을 포함한다. 이 회전 감지기는 소오스로부터의 광선을 반대 방향으로 감지 루우프 주위에서 전달되는 2개의 파로 분리시키고, 광학 출력 신호를 제공하도록 역-전달 파동을 결합시키는 광학 섬유 방향성 결합기와 같은 광학 섬유 구성 부품들을 모두 포함한다. 광학 섬유 편광기 및 광학 섬유 편광 제어기에 의해 인가 광선, 역-전달파 및 광학 출력 신호의 적당한 편광이 설정되고 제어되며 유지된다. 제2광학 섬유 결합기는 광학 출력 신호를 연속 가닥으로부터, 광학신호의 세기에 비례하는 전기 신호를 출력시키는 광검출기로 결합시키기 위해 제공된다.

위상 변조기를 사용하여 선택된 주파수에서 역-전달 파들을 위상 변조시키어 광학 출력 신호의 위상을 바이어스(bias)시킴으로써 회전 감지기의 동작 안정도 및 감도가 개량된다. 광검출기로부터의 고아학 세기 출력 신호는 광학 위상 전이를 저주파 전자 신호의 위상 전이로 전환시키도록 위상 변조 주파수에서 진폭 변조된다. 이변조된 신호는 고주파 주파수들 중의 1개의 고조파 주파수를 선택하도록 휠터된다.

한 양호한 실시에에서는, 진폭 변조 신호를 위상 변조 주파수에서의 2개의 채널(channel)들 중의 1개의 채널로 선택적으로 전송시키는 전자 스위치에 의해 진폭 변조가 달성된다. 그러므로, 2개의 채널들 내의 신호들은 변조 주파수에서 변조된 구형파(square wave)이고, 서로 180°이상(out of phase)된다. 채널들 내의 각각의 신호들의 성분은 대역 통과 휠터에 의해 변조 주파수의 고조파에서 선택되고, 이 성분들의 위상차는 위상계(phase meter) 내에서 결정된다. 이 위상차는 회전 속도에 의해 역-전달 파들 내에서 발생된 위상차의 2배인 값을 포함한다. 한 양호한 실시예에서, 위상계는 종래의 디지탈 출력 장치 내에 용이하게 사용될 수 있는 매우 정확한 디지탈 출력 신호를 발생시키는 시간 간격 계수기(time interval counter)이다.

다른 양호한 실시예에서, 세기 출력 신호는 종래의 전자 게이트(gate)에 의해 진폭 변조되고, 이 진폭 변조된 신호의 선택 고조파의 위상은 위상 변조 신호의 대응 고조파의 위상에 대해 측정된다. 이 측정은 루우프의 회전에 의해 역-전달파들 내에서 발생된 위상차에 대응하는 디지탈 값을 발생시키도록 상술한 바와 같은 위상계 내에서 실행될 수 있다. 임의로, 진폭 변조는 셔터(shutter)와 같은 광학 게이트를 사용하여 광학 루우프 내에서 실행될 수 있다.

이제부터, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 이 목적 및 특징과 그 외의 다른 목적 및 특징들에 대해서 상세하게 기술하겠다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 본 발명의 한 양호한 실시예를 구성하는 특정한 응용시에 특정한 형태의 간섭계와 함께 사용하는 것을 참조함으로써 가장 잘 설명될 수 있다. 그러므로, 본 발명은 회전 감지용 사그낙 간섭계에 관련하여 기술되어 있다. 그러나, 본 발명은 대부분의 형태의 응용시에 간섭계로 사용될 수 있다.

본 발명의 한 양호한 실시예를 기술하기 전에, 본 발명에 사용된 기본 회전 감지기에 대해 설명하는 것이 개량점을 더욱 완전히 이해하는데, 필요하다. 제1도에는 본 발명에 사용된 형태로 된 기본 광학 루우프 구조를 갖고 있는 회전 감지기가 도시되어 있다. 이러한 시스템들이 동작되는 한 예를 제공하기 위해 다른 구성 부품들은 루우프 내에 포함되어 있지 않다. 이 회전 감지기는 일부분이 감지 루우프(14) 내에 감겨지는 광학 섬유(12)의 연속 길이 또는 가닥 내로 광선을 유입시키기 위해 광선 소오스(10)을 포함한다. 이 도면에서 사용된 바와 같이, 참조번호(12)는 연속적인 광학 섬유 가닥 전체를 나타내고, 문자(A,B,C 등)이 첨부된 참조번호(12)는 광학 섬유(12)의 일부분을 나타낸다.

도시한 실시예에서, 광선 소오스(10)은 0.82마이크론(micron)정도의 파장을 갖고 있는 광선을 발생시키는 비소화 갈륨(GaAs) 레이저(laser)로 구성된다. 특정한 예에 의하면, 광선 소오스(10)은 뉴저지주, 사우드 플레인휠드, 하들리 로드 3005(3005 Hadley Road, South Plainfield, New Jersey)에 소재한 제너럴 옵트로 닉스 코포레이션(General Optronecs Corp. ) 제품으로 시판중인 모델(model) GO-DIP 레이저 다이오드로 구성될 수 있다. 가닥(12)와 같은 광학 섬유 가닥을 양호하게 예를 들어 외경이 80마이크론이고, 코어(core) 직경이 4마이크론인 단일 모우드(mode) 광학 섬유이다. 루우프(14)는 스풀(spool) 또는 그 외의 다른 적당한 지지체(도시하지 않음) 주위에 감긴 광학 섬유(12)의 다수의 권선으로 구성된다. 특정한 예에 의하면, 루우프(14)는 직경이 14m인 형태(form)에 감긴 약 1000개의 광학 섬유 권선을 가질 수 있다.

양호하게도, 루우프(14)는 중심부로부터 시작하여 대칭적으로 감기므로 루우프(14) 내의 대칭 지점들은 인접하게 된다. 이것은 회전 감지기의 주변 감도를 감소시키는 데, 그 이유는 이러한 대칭성이 시간에 따라 변하는 온도 또는 압력 기울기가 2개의 역-전달파들 상에서 유사한 효과를 갖게 하기 때문이다.

소오스(10)으로부터의 광선은 광학 섬유(12)를 광선 소오스(10)에 인접시킴으로써 광학 섬유(12)의 한 단부에 광학적으로 결합된다. 광선을 안내하고 프로세스하기 위한 다수의 구섬 부품들은 연속 가닥(12)를 따라 여러 위치에 배치되거나 형성된다. 이 구성 부품들의 상대 위치를 설명하기 위해서, 연속 광학 섬유(12)를 7개의 부분(12A 내지 12G)로 나누어서 설명하겠는데, 12A 내지 12E 부분은 소오스(10)에 결합되는 루우프(14)의 측면에 있고, 12F 및 12G 부분은 루우프(14)의 반대 측면에 있다.

광선 소오스(10) 부근의 광학 섬유 부분(12A와 12B) 사이에는 편광 제어기(24)가 있다. 제어기(24)로서 사용하기에 적합한 편광 제어기 형태는 본 발명의 양수인에게 양도되고 본 명세서에서 참조 문헌으로 사용한 1983. 6. 21자 허여된 "광학 섬유 편광 변환기"란 명칭의 미합중국 특허 제4,389,090호에 기술되어 있다. 편광 제어기(24)에 대해서는 다음에 간단히 설명하겠다. 그러나, 이 제어기(24)는 인가된 광선의 편광상태 및 방향을 조정할 수 있다.

광학 섬유(12)는 광학 섬유 부분(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 광학섬유의 제2가닥에 광학 전력을 결합시키는데, 포오트(C)는 포오트(A)와 동일한 결합기 측에 있고, 포오트(D)는 포오트(B)와 동일한 결합기 측에 있다. 포오트(D)로부터 연장된 광학 섬유의 단부(28)는 "NC"(비접속) 지점에서 비반사적으로 중단되고 포오트(C)로부터 연장된 광학 섬유의 단부(29)는 광검출기(30)에 광학적으로 결합된다. 특정한 예에 의하면, 광검출기(30)은 표준, 역 바이어스, 실리콘 핀(PIN)형 광다이오드로 구성될 수 있다. 결합기(26)은 "광학 섬유 방향성 결합기"란 명칭으로 1981. 9. 10자 출원되고, 1982. 9. 8자 출원되어서 공고번호 제0074789호로 1983. 3. 23자 공고된 유럽 특허 출원 제82 304 705.5호에 대응하는 미합중국 특허 출원 제300,955호에 상세히 기술되어 있다. 이 특허 출원은 "광학섬유 방향성 결합기"란 명칭으로 1980. 4. 11자 출원되고, 1981. 4. 9자 출원되어 공고번호 제0038023호로 1981. 10. 21자 공고된 유럽 특허출원 제81102667. 3호에 대응하는 미합중국 특허 제139,511호의 연속 특허출원이다. 이 2개의 특허 출원들은 본 발명의 양수인에게 양도되었고, 이 본 명세서에서 참조 문헌으로 사용되었다.

결합기(26)의 포오트(B)로부터 연장되는 광학섬유 부분(12C)는 광학 섬유 부분(12C와 12D) 사이에 배치된 편광기(32)를 통과한다. 단일 모우드 광학 섬유는 소정의 광파에 대한 2개의 진행 편광 모우들을 갖고 있다. 편광기(32)는 광학섬유(12)의 편광 모우드들 중의 1개의 편광 모우드 내의 광선은 통과시키지만, 다른 편광 모우드 내의 광선은 통과하지 못하게 한다. 양호하게도, 상술한 편광 제어기(24)는 이러한 편광이 편광기(32)에 의해 통과된 편광 모우드와 동일하도록 인가 관선의 편공을 조정하는데 사용된다. 이것은 인가 광선이 편광기를 통해 전달될 때 광학 전력의 손실을 감소시킨다. 본 발명에 사용하기 위한 양호한 형태의 편광기는 본 발명의 양수인에게 양도되고 본 명세서에서 참조 문헌으로 사용된, "편광기 및 방법"이란 명칭으로 1983. 6. 7자 허여된 미합중국 특허 제4,385,822호에 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. 이 결합기(34)는 양호하게도 결합기(26)을 참조하여 상술한 것과 동일한 형태이다. 그 다음, 광학 섬유(12)는 루우프(14)에 감겨지고, 편광 제어기(36)은 루우프(14)와 광학 섬유 부분(12E) 사이에 배치된다. 편광 제어기(36)은 제어기(24)를 참조하여 기술한 형태로 될 수 있고, 역-전달파들의 간섭에 의해 형성된 광학 출력 신호가 편광기(32)에 의해 최소 광학 전력 손실로 효율적으로 통과되는 편광을 갖도록 루우프(14)를 통해 역-전달되는 광파의 편광을 조정하는데 이용된다. 그러므로, 2개의 편광 제어기(24, 36)을 이용함으로써, 광학 섬유(12)를 통해 전달되는 광선의 편광이 최대 광학 전력 출력을 위해 조정될 수 있다.

신호 발생기(40)에 의해 구동된 위상 변조기(38)은 루우프(14)와 제2방향성 결합기(34) 사이의 광학 섬유 세그먼트(segment,12F)에 장착된다. 이 변조기(38)은 광학 섬유(12)가 주위에 감겨진 PZT 실린더(cylinder)로 구성된다. 광학 섬유(12)는 발생기(40)으로 부터의 변조 신호에 응답하여 방사상으로 확장될때, 이 광학 섬유(12)를 신장시키도록 실린더에 접착된다.

본 발명에 사용하기에 적합한 선택적인 형태의 변조기(도시하지 않음)는 실린더의 단부에서 짧은 길이의 모세관에 접착된 광학 섬유(12)의 4개의 세그먼트를 종방향으로 신장시키는 실린더로 구성된다. 본 분야에 숙련된 기술자들은 이 선택적인 형태의 변조기가 전달 광학 신호에 대한 편광 변조도를 변조기(38) 보다 더 작게 부과할 수 있지만, 변조기(38)은 바람직하지 못한 편광 변조 효과를 제거시키는 주파수에서 동작될 수 있다는 것을 알 수 있다. 그러므로, 이 두가지 형태의 변조기는 본 발명에 사용하기에 적합하다.

그 다음, 광학 섬유(12)는 결합기(34)의 포오트(C 및 D)를 통과하고, 광학 섬유 부분(12F)는 포오트(D)로 부터 연장되며, 광학 섬유 부분(12G)는 포오트(C)로부터 연장된다. 광학 섬유 부분(12)는 "NC"(비접속) 지점에서 비-반사적으로 종단된다.

발생기(40)으로부터의 출력 신호는 기준 신호로서 선(44)를 통해 로크-인 증폭기(46)으로 공급되는데 이 증폭기(46)은 선(48)에 의해 광검출기(30)의 출력을 수신하도록 접속된다. 선(44)를 통해 증폭기(46)에 공급된 이 신호는 증폭기(46)이 변조기(38)의 변조 주파수에서의 검출기 출력 신호, 즉 광학 출력 신호의 제1 고조파 성분을 검출하고 동시에 이 주파수의 모든 다른 고조파들을 차단시키게 하기 위해 기준 신호를 제공한다.

로크-인 증폭기는 본 분야에 공지되어 있고 시판 중에 있다.

검출기 출력 신호의 제1고조파 성분의 크기는 소정의 제한된 동작 범위에 걸쳐서 루우프(14)의 회전 속도에 비례한다는 것을 하기 설명으로부터 알 수 있다. 증폭기(46)은 이 제1고조파 성분에 비례하는 신호를 출력시키므로, 표시기 패널(panel,47) 상에 시각적으로 표시될 수 있는 회전 속도를 즉시 표시한다. 그러나, 제1도에 도시한 검출 장치는 제9도의 설명에 관련하여 알 수 있는 바와 같은 비교적 작은 회전 속도를 검출하기 위해 설계되어 있다.

결합기(26 및 34)

본 발명의 회전 감지기 또는 자이로스코우프에 결합기(26 및 34)로서 사용하기 위한 양호한 광학 섬유 방향성 결합기는 제2도에 도시되어 있다. 이 결합기는 피복물의 일부분이 한측으로부터 제거된 단일 모우드 광학 섬유 물질로 된 제2도의 2개의 광학 섬유 가닥(50A,50B)로 구성된다. 이 2개의 가닥(50A 및 50B)는 각각의 블럭(block,53A 및 53B) 내에 형성된 각각의 아치형 슬롯트(slot,52A 및 52B) 내에 장착된다. 가닥(50A 및 50B)는 광선이 가닥의 코어 부분들 사이로 이동되는 상호작용 영역(54)를 형성하도록 피복물이 밀접한 간격을 두고 배치된 관계로 제거된 가닥들의 부분들과 함께 배치된다. 제거된 물질의 양은 각각의 가닥(50A 및 50B)의 코어 부분이 다른 가닥의 미소 지역(evanescent field) 내에 있을 정도이다. 결합기의 중심부에서의 가닥들 사이의 중심-대-간격을 전형적으로 2-3개의 코어 직경이하이다. 상호 작용 영역(54)에서 가닥들 사이로 이송된 광선은 방향성이 있다. 즉, 입력 포오트(A)에 인가된 모든 광선은 포오트(C)에 역-방향성 결합을 하지 않고서 출력 포오트(B 및 D)로 전달된다. 포오트(C)에 인가된 모든 광선은 출력 포오트(B 및 D)로 전달된다. 이와 마찬가지로, 입력 포오트(C)에 인가된 모든 광선은 출력 포오트(B 및 D)로 전달된다. 또한, 이 방향성은 대칭이다. 그러므로, 입력 포오트(B 또는 D)에 공급된 광선은 출력 포오트(A 및 C)로 전달된다. 또한, 결합기는 편광에 관련하여 비-식별적이므로, 결합된 광선의 편광을 보존한다. 그러므로, 예를 들어, 수직 편광을 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)로 통과하는 광선은 수직 편광 상태로 유지된다.

상술한 설명으로부터, 결합기는 인가된 광선을 2개의 역-전달 파(W₁,W₂,제1도)로 분리시키도록 비임-분리기로서 작용한다는 것을 알 수 있다. 또한, 결합기는 역-전달파들이 루우프(14,제1도)를 통과한 후 이 역-전달파들을 결합시키도록 작용할 수 있다.

도시한 실시예에서, 각각의 결합기(26 ,34)는 50%의 결합효율을 갖는데, 이렇게 결합효율을 선택하면 광검출기(30,제1도)에 최대 광학 전력이 제공된다. 본 명세서에 사용된 바와 같이, "결합 효율"이란 용어는 %로서 표시된, 전체 출력 전력에 대한 결합 전력의 전력비로서 정의된다. 예를 들어, 제2도를 참조하면, 광선이 포오트(A)에 인가된 경우에, 결합 효율은 포오트(B와 D)에서 출력된 전력 출력의 합계에 대한 포오트(D)에서의 전력의 비와 동일하게 된다. 또한, 결합기(34)에 대한 50%의 결합 효율은 역-전달파(W₁,W₂)의 크기가 동일하게 한다.

[편광기(32)]

제3도에는 본 발명의 회전 감지기에 사용하기 위한 양호한 편광기가 도시되어 있다. 이 편광기는 광학 섬유(12)에 전송된 광선의 미소 지역 내에 배치된 복굴절성 결정체(60)을 포함한다. 광학 섬유(12)는 장방형 석영 블럭(64)의 상부 표면(63)으로 개방된 슬롯트(62) 내에 장착된다. 슬롯트(62)는 아치형으로 만곡된 저부벽을 갖고 있고, 광학섬유는 이 저부벽의 외형을 따르도록 슬롯트(62) 내에 장착된다. 블럭(64)의 상부 표면(63)은 영역(67) 내의 광학 섬유(12)로부터 피복물의 일부분을 제거하도록 중첩된다. 결정체(60)은 블럭(64) 상에 장착되고, 이 결정체의 하부 표면(68)은 광학 섬유(12)의 미소 지역 내에 결정체(60)을 배치시키도록 블럭(64)의 상부 표면(63)과 접하게 된다.

광학 섬유(12)와 복굴절성 물질(60)의 상대 굴절률은 바람직한 편광 모우드의 파속(wave velocity)이 광학 섬유(12) 내에서 보다 복굴절성 결정체(60) 내에서 더 크게 되고, 바람직하지 못한 편광 모우드의 파속이 복굴절성 결정체(60) 내에서 보다 광학 섬유(12) 내에서 더 크게 되도록 선택된다. 바람직한 편광 모우드의 광선은 광학 섬유(12)의 코어 부분에 의해 계속 안내되고, 바람직하지 못한 편광 모우드의 광선은 광학 섬유(12)로 부터 복굴절성 결정체(60)에 결합된다. 그러므로, 편광기(32)는 한 편광 모우드 내에서 광선을 통과시키지만, 다른 편광 모우드 내에서 광선을 통과시키지 못하게 한다. 상술한 바와 같이, 편광 제어기(24,36,제1도)은 편광기를 통한 광학 전력손실이 최소화 되도록 인가 광선 및 광학 출력 신호의 편광을 조정하는데 사용될 수 있다.

[편광 제어기(24,36)]

제4도에는 본 발명의 회전 감지기 내에 사용하기에 적합한 편광 제어기의 한 형태가 도시되어 있다. 이 제어기는 다수의 직립 블럭(72A 내지 72D)가 장착되는 기부(base,70)을 포함한다. 인접 블럭(72)들 사이에는, 스풀(74A 내지 74C)가 축(shaft,76A 내지 76C)에 접선적으로 각각 장착된다. 축(76)은 서로 축방향으로 일렬로 배열되고, 블럭(72)들 사이에 회전 가능하게 장착된다. 스풀(74)은 원통형이고 축(76)에 접선적으로 배치된다.

가닥(12)는 축(76) 내의 축 구멍들을 통해 연장되고, 3개의 코일(78A 내지 78C)를 형성하도록 각각의 스풀(74) 주위에 감겨진다. 코일(78)의 반경은 광학 섬유(12)가 각각의 코일(78)내에 복굴절성 매질을 형성하도록 응력을 받도록 되어 있다. 3개의 코일(78A 내지 78C)는 광학 섬유(12)의 복굴절성을 조정하여 광학 섬유(12)를 통과하는 광선의 편광을 제어하도록 축(74A 내지 74C)의 축 주위에서 서로 독립적으로 회전될 수 있다.

코일(78)의 직경 및 권선 수는 외부 코일(78A 및 78C)가 1/4 파장의 공간 지연을 제공하고, 중심 코일(78D)가 1/2 파장의 공간 지연을 제공하도록 되어 있다. 1/4 파장 코일(78A 및 78C)는 편광의 타원률(elipticity)을 제어하고, 1/2 파장 코일(78D)는 편광의 방향을 제어한다. 이것은 광학 섬유(12)를 통해 전달되는 광선의 편광의 전체 조정 범위를 제공한다.

그러나, 편광 제어기는 2개의 1/4 파장 코일(78A 및 C)만을 제공하도록 변형될 수 있는데, 그 이유는 중심 코일(78B)에 의해 제공된 편광 방향이 2개의 1/4 파장 코일(78A 및 C)에 의해 편광의 타원률을 적당히 조정함으로써 간접적으로 제어될 수 있기 때문이다. 따라서, 편광 제어기(24 및 36)은 2개의 1/4 파장코일(78A 및 C)만을 포함하는 것으로 제1도에 도시되어 있다. 이 형태는 제어기(24 및 36)의 전체 크기를 감소시키기 때문에, 공간 제한을 포함하는 본 발명의 응용에 유리하게 될 수 있다.

그러므로, 편광 제어기(24 및 36)은 인가 광선과 역-전달파의 편광을 설정, 유지 및 제어하기 위한 장치를 제공한다.

[위상 변조 또는 편광 제어가 없는 상태 하에서의 동작]

편광기(32,제1도) 및 위상 변조기(38)의 기능 및 중요성을 완전히 이해하기 위해서, 우선 이 구성 부품들이 시스템으로 부터 제거되어 있는 경우의 제1도에 도시된 회전 감지기의 동작에 대해서 설명하겠다. 따라서, 제5도에는 변조기(38), 편광기(32) 및 이에 관련된 구성 부품들이 제거된 제1도의 회전 감지기의 개략 개통도가 도시되어 있다.

광선은 광학 섬유 내로 전달되기 위해 레이저 소오스(10)으로부터 광학 섬유(12)로 결합된다. 이 광선은 결합기(26)의 포오트(A)로 들어가는데 이 결합기(26)에서 광선의 일부분이 포오트(D)를 통해 손실된다. 광선의 잔여 부분은 결합기(34)의 포오트(B)로부터 포오트(A)로 전달되는데, 이 결합기(34)에서 광선은 진폭이 동일한 2개의 역-전달파(W₁,W₂)로 분리된다. 파(W₁)은 루우프(14) 주위에서 시계 방향으로 포오트(B)로부터 전달되고, 파(W₂)는 루우프(14) 주위에서 역-시계 방향으로 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 출력 신호를 형성하도록 결합기(34)에 의해 재결합된다. 광학 출력 신호의 일부분은 광학 섬유(29)를 따라 광검출기(30)으로 전달되기 위해 결합기(26)의 포오트(B)로부터 포오트(C)로 결합된다. 이 광검출기(30)은 광학 출력 신호에 의해 부과된 광선의 세기에 비례하는 전기 신호를 출력시킨다.

광학 출력 신호의 세기는 파(W₁과 W₂)들이 결합기(34)에서 재결합 또는 간섭될 때 이 파(W₁과 W₂) 사이의 간섭량 및 형태(즉, 건설적 또는 파괴적 형태)에 따라 변한다. 우선, 광학 섬유 복굴절성의 효과를 무시하면, 파(W₁과 W₂)는 루우프(14) 주위에서 동일한 광학 통로를 진행한다. 그러므로, 루우프(14)가 휴지 상태에 있다고 가정하면, 파(W₁과 W₂)가 결합기(34)에서 재결합될 때, 이 파들은 건설적으로 간섭하게 되어, 이 파들 사이에 위상차가 없게 되고, 광학 출력 신호의 세기는 최대로 된다. 그러나, 루우프(14)가 회전하면, 역-전달파(W₁,W₂)들은 사그낙 효과에 따라 동상 전이되므로, 이 파들이 결합기(34)에서 중첩될 때, 이 파들은 광학 출력 신호의 세기를 감소시키도록 파괴적으로 간섭한다. 루우프(14)의 회전에 의해 야기된 파(W₁과 W₂) 사이의 이러한 사그낙 위상차는 다음의 관계식으로 표시된다.

여기서, A는 광학 섬유의 루우프(14)에 의해 정해진 영역이고, N은 영역A주위에서의 광학 섬유의 권선수이며, Ω는 루우프의 평면에 수직인 축 주위에서의 루우프의 각 속도이고, λ및 C는 각각 루우프에 인가된 광선의 파장 및 파속의 자유 공간 값이다.

광학 출력 신호의 세기(I_T)는 파(W₁,W₂) 사이의 사그낙 위상차

의 함수이고, 다음 식으로 표시된다.

여기서, I₁및 I₂는 각각 파(W₁,W₂)의 세기이다.

식 (1) 및 (2)로부터, 광학 출력 신호의 세기 회전 속도(Ω)의 함수라는 것을 알 수 있다. 그러므로, 이러한 회전 속도는 검출기(30)을 사용하여 광학 출력 신호의 세기를 측정함으로써 표시된다.

제6도에는 광학 출력 신호의 세기(I_T)의 역-전달파(W₁,W₂)사이의 사그낙 위상차

사이의 이 관계를 나타내는 곡선(80)이 도시되어 있다. 이 곡선(80)은 코싸인 곡선 형태로 되어 있고, 광학 출력 신호의 세기는 사그낙 위상차가 0일때 최대로 된다. 역-전달파(W₁,W₂)사이의 위상차가 루우프(14)의 회전에 의해 전적으로 야기되면, 곡선(80)은 수직축 주위에서 대칭적으로 변하게 된다. 그러나, 1981.7.29자로 "비편광선을 사용하는 광학 섬유 회전감지기"란 명칭으로 출원되고, 1981. 7. 29자 출원되어 1983. 7. 27자 공고번호 제0084055호로 공고된 유럽 특허출원 제82902545.6호에 대응하는 특허 출원 제288,212호에 기술된 바와 같이 편광된 광선에 의하여, 역-전달파(W₁,W₂) 사이의 부수적인 비 상반(nonreciprocal) 위상차가 광학 섬유(12)의 잔여 복굴절성에 의해 야기될 수 있다. 이 출원은 본 명세서에서 참조 문헌으로 사용되었다. 이 부수적인 비 상반 위상차는 완전히 비편광된 광선이 사용되는 경우에 생기지 않게 된다.

단일 모우드 광학 섬유(12)의 각각의 2개의 편광 모우드 내에서 진행하는 광선이 상이한 속도로 진행하기 때문에 복굴절성 유도 위상차가 생긴다. 이것은 파(W₁,W₂) 사이에서 비회전적으로 유도된 위상차를 발생시키어, 제6도의 곡선(80)을 왜곡(distort) 또는 전이시키는 방법으로 파(W₁,W₂)를 간섭한다. 이러한 전이는 제6도에 이점 쇄선으로 도시한 곡선(82)로 도시되어 있다.

이러한 복굴절성 유도 비상반 위상차는 회전적으로 유도된 사그낙 위상차와 구별할 수 없고, 온도 및 압력과 같이, 광학 섬유 복굴절성을 변화시키는 주위 환경 요인들에 따라 변한다. 그러므로, 광학 섬유 복굴절성은 광학 섬유 회전감지기 내의 오차를 발생시키는 주요 소오스이다.

[편광기(32)가 있는 상태 하에서의 동작]

광학 섬유 복굴절성으로 인한 비상반 동작의 문제점은 상술한 바와 같이 단일 편광 모우드 만을 사용하는 편광기(32,제1도)에 의해 본 발명의 회전감지기 내에서 해결된다. 편광기(32)가 제5도에 참조 번호(84)로 표시한 지점에서 시스템 내에 삽입되면, 편광기(32)를 통과하는 광선은 한 선택된 편광 모우드 내에서 루우프(14)로 전달된다. 또한, 역-전달파들이 광학 출력 신호를 형성하도록 재결합되면, 루우프에 인가된 광선과 동일하게 편광되지 않은 광선은 광검출기(30)에 도달하지 못하게 되는데, 그 이유는 광학 출력 신호가 편광기(32)를 통과하기 때문이다. 그러므로, 광학 출력 신호는 결합기(34)의 포오트(A)로부터 결합기(26)의 포오트(B)로 진행할 때, 루우프에 인가된 강선과 아주 동일하게 편광된다.

그러므로, 입력 광선과 광학 출력 신호가 동일한 편광기(32)를 통과함으로써, 단일 광학 통로만이 사용되므로, 2개의 가능한 편광 모우드들 내에서의 상이한 전달 속도에 의해 야기된 복굴절성 유도 위상차의 문제성을 제거시키게 된다. 즉, 광학 섬유 내의 복굴절성에 의해 선택된 모우드로부터 선택되지 않은 모우드로 이송되는 모든 광선을 휠터링함으로써, 상이한 전달 속도 때문에 선택된 모우드에 관련하여 위상을 증가시켜야 하는 선택되지 않은 모우드 내에서 모든 광파들을 제거시킬 수 있다. 또한, 편광 제어기(24,36,제1도)는 편광기(32)에서의 광학 전력 손실을 감소시켜 검출기(3)에서의 신호 세기를 최대화시키기 위해, 인가된 광선 및 광학 출력 신호의 편광을 조정하는데 사용될 수 있다.

[위상 변조기(38)이 있는 상태하에서의 동작]

제6도를 다시 참조하면, 곡선(80)이 코싸인 함수이기 때문에, 광학 출력 신호의 세기는 파(W₁,W₂) 사이의 사그낙 위상차

이 작은 경우에 비선형으로 된다. 또한, 광학 출력 신호 세기는

의 값이 작은 경우에 위상차 내의 변화에 비교적 둔감하다. 이러한 비선형성 및 둔감성은 검출기(30)에 의해 측정된 광학세기(I_T)를, 루우프(14)의 회전속도 식(1) 를 표시하는 신호로 변환시키기가 어렵게 한다.

또한, 파(W₁,W₂) 사이의 복굴절성 유도 위상차가 상술한 바와 같이 편광기(32)를 사용함으로써 제거되지만, 광학 섬유 복굴절성에 의해 야기된 편광 모우드들 사이에서는 교차 결합이 일어 난다. 이 교차 결합은 광학 출력 신호의 광학 세기를 감소시키는데, 그 이유는 교차 결합된 광선이 편광기(32)를 통해 광검출기(30)에 도달하지 못하기 때문이다. 그러므로, 광학 섬유 복굴절성이 변하면, 예를 들어 곡선(84)로 도시한 바와 같이 제6도의 곡선(80)의 진폭이 변하게 된다. 제6도의 곡선(80,82,84)은 제크기로 도시되지 않았다.

상술한 문제점들은 제1도에 도시한 위상 변조기(38), 신호발생기(40) 및 로크-인 증폭기(46)을 사용하는 동기 검출 시스템에 의해 제1도의 장치 내에서 해결된다.

제7도를 참조하면, 위상 변조기(38)은 신호 발생기(40)의 주파수에서 각각의 역-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 동상으로 될 필요가 없다. 실제로는 파(W₁,W₂)의 변조가 180°이상되는 이 동기 검출 시스템을 적당히 동작시키는 것이 양호하다. 제7도를 참조하면, 정현파 곡선(90)으로 도시한 파(W1)의 변조곡선(92)로 도시한 파(W2)의 변조와 180°이상인 것이 바람직하다. 파(W₁)의 변조와 파(W₂)의 변조 사이에 이러한 180℃위상차를 제공하는 변조 주파수를 사용하면, 유리하게도 검출기(30)에 의해 측정된 광학 출력 신호 내의 변조기 유도 진폭 변조를 제거시키기게 된다. 이 변조 주파수(fm)은 다음식을 사용하여 계산될 수 있다.

여기서, L은 역-전달파(W₁,W₂)의 경우에 결합기(34)와 변조기(38) 사이의 상이한 광학 섬유 길이, 즉 변조기(38)과 루우프(14)의 다른 측상의 대칭 지점 사이의 광학 섬유를 따라 측정된 거리이고, n_eq는 단일 모우드 광학섬유(12)에 대한 등가 굴절률이며, C 는 루우프(14)에 인가된 광선의 자유 공간 속도이다.

"양호한"주파수라고 부르는 이 변조 주파수(fm)에서, 곡선(90 및 92)에 따른 이 파들의 위상 변조로 인한, 역-전달파(W₁,W₂) 사이의 위상차

은 제7도에 정현파 곡선(94)로 도시되어 있다. 이 곡선(94)는 파(W₁,W₂) 사이의 위상차를 얻도록 곡선(90)에서 곡선(92)를 뺌으로써 얻어진다. 파(W₁,W₂) 사이의 위상차의 이 변조는 또한 사그낙 위상 전이와 똑같이 제6도의 곡선(80)을 따라 광학 출력 신호의 세기(I_T)를 변조시키는데, 그 이유는 이러한 위상 변조

을 회전적으로 유도된 사그낙 위상차

과 구별할 수가 없기 때문이다.

상술한 내용은 제7도의 곡선(94)로 표시된 위상 변조

및 광학 출력 신호의 세기(I_T)에 따른 사그낙 위상차

의 효과를 도시한 제8도 및 제9도를 참조함으로써 더욱 명백하게 이해될 수 있다. 제8도 및 제9도를 설명하기 전에, 먼저 변조된 광학 출력 신호의 세기(I_T)는 파(W₁,W₂) 사이의 전체 위상차의 함수라는 것을 알아야 한다. 이러한 전체 위상차는 회전적으로 유도된 사그낙 위상차

과 시간에 따라 변하는 변조 유도 위상차( )으로 구성된다. 파(W₁,W₂) 사이의 전체 위상차

는 다음과 같이 표시될 수 있다.

따라서, 변조 유도 위상차

뿐만 아니라 회전적으로 유도된 위상차

의 효과에 대해 제8도 및 제9도를 참조하여 설명하기 때문에, 곡선(80)에 대한 수평축을 제6도에서와 같이 회전적으로 유도된 위상차만이 아닌 전체 위상차를 나타내기 위해

라고 하겠다.

위상차 항

은 회전 유도 위상차를 나타내는 것으로 양호한 실시예를 참조하여 사용되지만, 이 항은 일반적인 의미로 예를 들어, 회전, 압력 온도 등과 같은 외부힘 또는 물리적 양이 감지됨으로써 유도된 위상 전이를 나타낸다. 또한, 본 분야에 숙련된 기술자들은 본 명세서에 기재된 식(4) 및 후속 식들이 간섭광파들이 동일한 광학 통로를 진행하는 사그낙 간섭계용으로 유도되었다는 것을 알 수 있다. 본 발명이 2개의 파를 위해 상이한 광학 통로를 제공하도록 구성된 마흐-젠더(Mach-Zehnder) 간섭계와 간섭계와 같은 다른 형태의 간섭계 내에 사용되면, 구조적으로 상이한 광학 통로로 인한 위상 전이를 정하도록 부수적인 위상항이 부가되어야 한다. 그러나, 다른 위상함을 부가하여도, 본 발명에 의해 제공되는 것과 같은 간섭계 위상을 검출하기 위한 해법을 변경시키지 않고, 본 명세서에 기술된 바와 같은 위상 검출의 분석에 영향을 미치지 않는다.

식(4) 및 식(5) 내지 (6), (8) 내지 (9) 및 (11) 내지 (17)은

대신에 양

를 치환함으로써 구조적으로 유도된 위상차를 나타내도록 수정될 수 있는데, 여기서

는 구조적으로 상이한 광학 통로들로 인한 위상전이이다. 한편, 식(7) 및 (10)은 구조적으로 유도된 위상차

를 계산하기 위해 수정될 필요가 없다.

제8도를 참조하며, 광학 출력 신호의 세기(I_T)에 따른 위상변조

, 곡선(94) p의 효과에 대해서 기술하겠다. 곡선(80)은 파들 사이의 위상차

에 대한 2개의 간섭파들로부터 발생되는 광학 출력 신호의 세기 사이의 관계를 나타낸다. 참조 번호(93)으로 도시한 바와 같이 이들 사이의 상대 위상각이 0이면, 결합파의 최종 세기는 참조번호(95)로 도시한 바와 같이 최대로 된다. 파(W₁,W₂) 사이의 상대 위상이 0이 아니면, 결합된 광학 신호는 위상차

의 크기에 따라 변하는 낮은 세기를 갖게 된다. 이 세기는 참조 번호(97) 및 (99)로 도시한 바와 같이, 상대 위상차가 ±180°로 될 때까지 를 증가시키면서 계속 감소시킨다. ±180°의 위상차에서, 2개의 역-전달파들은 완전히 파괴적으로 간섭하고, 최종 세기는 참조번호(97) 및 (99)로 도시한 바와 같이 0으로 된다.

제8도에서, 루우프(14)가 휴지 상태에 있으므로 광학 신호가 사그낙 효과에 의해 영향을 받지 않는다고 가정하겠다. 상세하게 말하자면, 변조 유도 위상차 곡선(94)는 광학 출력 신호가 곡선(96)으로 도시한 바와 같이 변하게 한다. 곡선(96)은 파(W₁,W₂) 사이의 순간 위상차

에 대한 최종 광학 세기를 나타내는 곡선(80)상에 이 크기의 위상차를 나타내는 곡선(94)상의 점들을 옮김으로써 얻어진다. 곡선(94)상의 모든 점들이 곡선(80)상에 옮겨셔저, 대응 세기들이 도시되면, 곡선(96)이 생긴다. 곡선(80)을 통해 곡선(94)를 옮기는 것은 곡선(80)의 수직 축에 대해 대칭으로 되므로, 검출기(30)에 의해 측정된 광학세기는 곡선(96)으로 도시한 바와 같이 변조 주파수의 제2고조파와 동일한 주파수에서 주기적으로 변한다.

루우프(14)가 회전되면, 역-전달파(W₁,W₂)는 상술한 바와 같이 사그낙 효과에 따라 동상으로 전이된다. 이 사그낙 위상 전이는 회전 속도가 일정한 경우에 일정한 위상차

을 제공한다. 이 사그낙 위상 전이는 변조기(38)에 의해 발생된 위상차

에 더해 지므로, 전체 곡선(94)는 제9도에 도시한 바와 같은

과 동일한 양만큼, 제8도에 도시한 위치로부터 동상으로 옮겨진다. 이것은 광학 출력 신호가 지점(99)와 101) 사이의 곡선(80)을 따라 비대칭적으로 변하게 한다. 이것은 곡선(96)으로 도시한 바와 같은 광학 출력 신호를 발생시킨다.

곡선(96)상의 지점들은 다음과 같이 유도된다. 곡선(94)상의 지점(103)으로 도시한 결합 위상차는 곡선(80)상의 지점(101)을 통해 곡선(96)상의 지점(105)으로 옮겨 진다. 곡선(94)상의 지점(107)은 곡선(80)상의 지점(109)를 통해 곡선(96)상의 지점(105)로 옮겨 진다. 이와 마찬가지로, 지점(113)은 지점(99)를 통해 지점(115)로 옮기고, 지점(117)은 지점(109)를 통해 지점?(119)로 옮겨진다. 마지막으로, 지점(121)은 지점(101)을 통해 지점(123)으로 옮겨진다.

광학 출력 신호(96)은 정현파 곡선(98)의 점선으로 도시한 바와 같은 제1고조파 성분을 갖고 있다. 그러나, 제1고조파 성분(98)의 피이크(peak) 진폭은 어떤 경우일지라도 지점(115)에서의 광학 출력 신호의 진폭과 정확하게 일치할 필요가 없다.

이 정현파 곡선(58)의 RMS 값은 회전적으로 유도된 사그낙 위상차(

)의 싸인 값에 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 루우프의 회전 속도를 표시하는데 사용될 수 있다.

제9도에는 루우프(14)의 한 회전 방향(예를 들어, 시계 방향)의 경우의 광학 출력 신호의 세기 파형이 도시되어 있다. 그러나, 루우프(14)가 동일한 속도로 반대 방향(예를 들어, 역-시계 방향)으로 회전되면, 광학 출력 신호의 세기 파형(96)은 곡선(98)이 제9도에 위치로부터 180

전이 되도록 옮겨지는 것을 제외하면, 제9도에 도시한 파형과 동일하게 된다.

로크-인 증폭기(46)은 루우프가 시계 방향으로 회전하는지 또는 역-시계 방향으로 회전하는지의 여부를 결정하도록 제1고주파(98)의 위상을 신호 발생기(40)으로부터의 기준 신호의 위상과 비교함으로써 곡선(98)에 대한 180

위상차를 검출한다. 회전 방향에 따라, 증폭기(46)은 정(+) 또는 부(-)신호를 표시기(47)에 출력시킨다. 그러나, 회전 방향에 관계 없이, 신호의 크기는 루우프(14)의 회전 속도가 동일한 경우에 동일하게 된다.

식(3)을 참조하여 기술한 설명으로부터, 파(W₁과 W₂)의 변조 사이의 위상차가 180°인 특정 또는 "양호한" 주파수에서 동작함으로써, 변조기(38)에 의해 각각의 역-전달파(W₁,W₂) 내에서 유도되는 이 진폭 변조의 홀수 고조파 주파수 성분들은 이 파들이 광학 출력 신호를 형성하도록 중첩될 때 서로 상쇄된다는 것을 알 수 있다. 그러므로, 상술한 검출 시스템이 광학 출력 신호의 홀수 고조파, 즉 기본 주파수만을 검출하기 때문에, 바람직하지 못한 진폭 변조의 영향들이 제거된다.

양호한 주파수에서 동작하는 것의 다른 장점은 각각의 역-전달파(W₁,W₂)내의 변조기(38)에 의해 유도된 위상 변조의 짝수 고조파들이 광학 출력 신호를 형성하도록 중첩될 때 상쇄된다는 것이다. 중첩에 의해 이 짝수 고조파들이 검출 시스템에 의해 검출되어야 하는 광학 신호 내의 의사(spurious) 홀수 고조파들을 발생시키기 때문에, 이들을 제거함으로써 회전 감지의 정확성이 향상된다.

식(3)으로 정해진 주파수에서 위상 변조기(38)을 동작시키는 것 외에, 제1도의 장치 내에서 광학 출력 신호 세기의 검출된 제1고조파의 진폭이 최대화 되도록 위상 변조의 크기를 조정하는 것도 양호한데, 그 이유는 이것이 개량된 회전 감지 감도 및 정확성을 제공하기 때문이다. 광학 출력 신호 세기의 제1고조파는 소정이 회전 속도의 경우에, 제7도, 제8도 및 제9도에 Z로 크기를 표시한 파(W₁,W₂) 사이의 변조기 유도 위상차 의 진폭이 1.84 래디안(radian)일때 최대로 된다. 이것은 위상차

를 갖고 있고 각각의 세기가 I₁및 I₂인 2개의 중첩 파들의 전체 세기(Ir)에 대한 다음의 식을 참조함으로써 더욱 완전하게 이해될 수 있다.

여기서,

이고,

이다. 그러므로,

로 된다. cos

의 퓨리에 전개식(Fourier expansion)은 다음과 같다.

여기서, Jn(z)는 변수 z의 n차 베셀(Bessel)함수이고, z는 파(W₁,W₂) 사이의 변조기 유도 위상차의 피이크 진폭이다.

그러므로, I_T의 제1고조파만을 검출하면 다음 식이 생긴다.

그러므로, 광학 출력 신호 세기의 제1고조파의 진폭은 제1베셀 함수 J₁(z)의 값에 따라 변한다. z가 1.84 래디안일 때 J₁(z)가 최대이기 때문에, 위상 변조의 진폭은 파(W₁,W₂) 사이의 변조기 유도 위상차

의 크기(z)가 1.84래디안으로 선택되어야 한다.

[후방산란(Backscatter) 효과의 감소]

공지된 바와 같이 종래 기술의 광학 섬유는 광학적으로 완전한 것이 아니라, 광학 섬유의 기본 물질 내의 밀도 변동과 같은 결점들을 갖고 있다. 이 결점들은 소량의 광선을 산란시키는 광학 섬유의 굴절률 내의 변화를 야기시킨다. 이 현상을 통상적으로 레일레이 산란(Rayleigh scattering)이라고 부른다. 이러한 산란은 어느 정도의 광선이 광학 섬유로부터 손실되게 하지만, 이러한 손실량은 비교적 적으므로, 중요한 문제가 아니다.

레일레이 산란에 관련된 기본 문제점은 손실되는 산란 광선에 관한 것이 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)로 구성되는 광선과 간섭하기 때문에, 이 후방 산란 광선은 이러한 전달파들과 건설적 또는 파괴적으로 간섭함으로써 검출기(30)에 의해 측정된 바와 같이 광학 출력 신호의 세기를 변화시킨다.

역-전달파와 간섭하는 한 파로부터의 후방 산란 광선 부분은 루우프(14)의 중심의 간섭 길이 내에서 산란되는 부분이다. 그러므로, 소오스의 간섭 길이를 감소시킴으로써, 후방 산란 광선과 역-전달파 사이의 간섭이 감소된다. 후방 산란 광선의 잔여 부분은 역-전달파와 비간섭하게 되므로, 이들 사이의 간섭은 이 간섭성이 평균화되도록 불규칙하게 변화된다. 그러므로, 후방 산란 광선의 이 비간섭 부분은 거의 일정한 세기로 되어, 결국 광학 출력 신호의 세기를 크게 변화시키지 않게 된다.

따라서, 본 발명에서는, 예를 들어 1m 이하의 비교적 짧은 간섭 길이를 갖고 있는 레이저를 광선 소오스(10)으로서 사용함으로써 후방 산란 효과가 감소된다. 특정한 예에 의하면, 광선 소오스(10)은 상술한 바와 같이 제너럴 울트로닉스 코포레이션에서 제조되어 판매 중인 모델 GO-DIP 레이저 다이오드로 구성될 수 있다.

후방 산란 파들과 전달파들 사이의 파괴적 또는 건설적 간섭을 방지하는 선택적인 방법은 광학 섬유 로우프(14)의 중시에서 시스템 내에 부수적인 위상 변조기를 포함시키는 것이다. 이 위상 변조기는 변조기(38)과 동기되지 않는다.

전달파들은 루우프 주위에서 진행할 때 1회만 이 부수적인 위상 변조기를 통과하게 된다. 파가 부수적인 변조기에 도달하기 전에 전달파로부터 생기는 후방 산란의 경우에 후방 산란은 이 부수적인 변조기에 의해 위상 변조되지 않는데, 그 이유는 소오스 전달파 또는 후방 산란 자체 중 어느 것도 부수적인 변기를 통과하지 않기 때문이다.

한편, 파가 이 부수적인 위상 변조기를 통과한 후에 전달파로부터 생기는 후방 산란의 경우에, 후방 산란은 효율적으로 2번 위상 변조되는데, 한번은 전달파가 부수적인 위상 변조기를 통과한 때이고, 또 한번은 후방 산란이 부수적인 변조기를 통과한 때이다.

그러므로, 부수적인 위상 변조기에 위상 전이

_(t)를 유입시키면, 루우프(14)의 중심을 제외한 어떤 지점에서 시작되는 후방 산란파는 0 도는 2

_(t)의 위상 전이를 갖는데, 이 0 또는 2

_(t)중의 하나는 전달파에 대한

_(t)위상 전이에 관련하여 시간에 따라 변한다. 이 시간에 따라 변하는 간섭은 소정 시간 후에 평균화 되어, 후방 산란 효과를 효율적으로 제거시킨다.

후방 산란으로부터의 파괴적 또는 건설적 간섭을 방지하는 다른 선택적인 방법에서는, 변조기(38)과 동기 되지 않은 부수적인 위상 변조기가 광선 소오스(10)의 출력에 삽입될 수 있다.

이 경우에, 루우프(14)의 중심이 아닌 어떤 지점에서 생기는 후방 산란은 이 후방 산란을 발생시킨 전달파와는 상이한, 광선 소오스(10)으로부터 검출기(30)까지의 광학 통로 길이를 갖게 된다.

그러므로, 전달파는 루우프(14)를 1회 통과하게 되지만, 후방 산란된 파 및 이 후방 산란을 발생시킨 전달파는 루우프(14)의 일부분을 2회 통과하게 된다. 이 부분이 루우프의 1/2이 아니면, 통로 길이들은 상이하게 된다.

통로 길이들이 다르기 때문에, 검출기(30)에 도달하는 전달파는, 동시에 검출기(30)에 도달하는 후방 산란된 파와는 상이한 시간에 소오스(10)에서 발생된다.

부수적인 위상 변조기에 의해 소오스(10)에 유입된 위상 전이는 전달파에 관련하여 위상 전이

_(t)를 유입 시키지만 후방 산란된 파에 관련하여서는 위상 전이

_(t+u)를 유입시킨다. 여기서 k는 변조기를 통과하는 파들의 시간차이다.

_(t)가

_(t)에 관련하여 시간에 따라 변하기 때문에, 후방 산란된 간섭은 소정 시간 후에 평균화되어, 후방 산란의 효과를 효율적으로 제거시킨다.

[동적 범위가 확장된 개방-루우프 검출 시스템]

제1도 내지 제9도를 참조하여 상술한 검출 시스템은 루우프(14)에 대한 회전 속도의 소정의 범위 내에서 가장 효율적인 회전 감지 시스템이다. 그러나, 동적 범위는 소정의 현상에 의한 제한된다. 예를 들어, 제9도를 참조하면, 검출 시스템의 감도는 매우 작은 회전 속도시에 또는 회전이 곡선(94)의 중심축을 지점(95 또는 97)에 근접시킬 때 감소될 수 있다는 것을 알 수 있다.

곡선(80)은 주기적 이라는 것도 알 수 있다. 그러므로, 큰회전 속도가 곡선(94)의 중심 축을 지점(97) 또는 지점(95)를 지나 이동시킬 만큼 충분히 큼

을 야기시키면, 함수(96)은 제2의 높은 회전 속도 동안 자체 반복 할 수 있다. 이 제2회전 속도는 제9도에 도시한 사그낙 위상 전이

을 야기시킨 회전 속도보다 더 크지만, 출력 광학 신호(96)은 낮은 회전 속도에서 발생된 신호에 대응할 수 있다. 즉, 어느 정도 큰 회전 속도로 부터의

이 곡선(80)의 제2로브(lobe)상의 2개의 새로운 지점(99°와 101°) 사이에서 동작하도록 곡선(94)를 이동시키기에 충분히 크면, 출력 광학 신호(96)은 도시한 바와 같이 곡선(94)가 지점(99 및 101) 사이에서 동작하는 것으로서 나타날 수 있다.

본 발명은 광학 섬유 자이로스코우프의 회전과 같은 간섭계 상의 외부 힘의 영향이 정확하고 신뢰할 수 있게 감지되는 범위를 확장시키기 위한 새로운 방법 및 이에 관련된 개방-루우프 장치를 포함한다. 부수적으로, 본 발명은 루우프 회전의 속도와 같은 외부힘에 의해 발생된 효과들에 대응하고 회전 속도와 같은 이 효과들의 양을 정하기 위해서 데이타를 종래의 디지탈 출력장치에 제공하기 위해 편리하게 사용될 수 있는 저주파신호의 위상을 제공한다.

제10도에는 본 출원인의 새로운 회전 감지기의 한 양호한 실시예가 도시되어 있다. 제10도의 검출 시스템은 개방-루우프 광학 섬유 감지기 형태를 포함한다. 제10도의 검출 시스템은 제1도에 도시한 시스템의 다수의 구성 부품들을 사용한다. 그려므로, 간략하게 도시하기 위해, 동일한 구조 및 기능을 갖는 제1도 및 제10도의 이 구성 부품들은 대응 참조번호로 표시되어 있다.

차동 위상 전이(

)은 회전속도에 선형으로 비례한다. 그러나, 검출기(30)으로부터 출력된 세기는 회전속도의 비선형(주기적) 함수이다. 그러므로, 이 개방-루우프 시스템 상의 동적 범위를 확장시키기 위해서, 검출기(30)의 광학 출력 신호로부터 초기 광학 위상 정보를 회복시킬 필요가 있다.

제10도 내의 장치에서, 회전 루우프로부터의 광학 신호는 검출기(30)에 의해 전기 출력 신호로 변환된다. 이 전기 출력 신호는 다음 식으로 표시한 바와 같이, 위상 변조 주파수 f_m및 이 위상 변조 주파수의 고조파에서의 성분들을 함유한다.

여기서, C는 상수이고, Jn은 n차 베셀 함수이며, 은 변조에 의해 발생된 역-전달파들 사이의 위상차의 진폭이고,

_m=2

f_m이다.

본 발명은 초기 광학 위상 정보가

을 나타내는 저주파 신호의 위상을 신속하고 정확하게 제공하기 위해 사용될 수 있는 개방-루우프 회전 감지기를 제공함으로써 본 분야에 당면한 다수의 문제점들을 제거시킨다. 이것은 출력 신호의 성분들이 규적(quadrature)인 위상과

및

의 진폭들을 갖고 있는 동일한 주파(nωm)에서의 2개의 정현파 신호들을 포함한 경우에 달성될 수 있다. 이 상황에서, 공지된 삼각법칙(trigonometric rules)을 사용함으로써, 이 신호들은 위상이

에 대응하는 단일, 저주파, 정현파 신호를 직접얻도록 부가될 수 있다. 본 발명은 다음에 기술한 바와 같이 검출기(30)으로부터의 출력 신호를 프로세싱함으로써 이러한 단일 정현파 신호를 제공한다. 식(12)은 검출기(30)으로부터의

및

출력이 항들의 주파수가 상이하다는 것을 제외하고는 상기 종류의 항들을 모두 포함한다는 것을 표시한다. 제11도에는 검출기(30)으로부터의 출력 신호의 제1내지 제4고조파 주파수 성분들 사이에 존재하는 것으로 이 관계가 도시되어 있다. 상세하게 말하자면, 모든 홀수 고조파 주파수 성분(102,106)들의 제로 크로싱(zero crossing)들은 위상차 변조 신호(102)의 제조 크로싱에 대응하고, 모든 짝수 고조파 주파수 성분(104,108)들은 변조 신호의 각각의 제로 크로싱에서 위상 변조 신호(102)와 90°이상인 피이크 값들을 갖는다. 이 고조파 성분들의 파형은 다음과 같이 수학적으로 정해질 수 있다.

여기서, n은 정수값이다.

다수의 고조파들의 주파수들이 상이하기 때문에, 위상이

인 단일 정현파 신호를 얻기 위해 상기 관계식들이 직접 사용될 수 있다. 그러나, 상기 파형들이 동일 주파수에서 존재하면,

의 위상을 갖고 있는 바람직한 단일 정현파 신호가 다음과 같이 정현파 신호들을 결합시킴으로서 발생될 수 있다.

제10도의 회전 감지기는 상기 파형 관계를 달성하는 회전 지기의 한 양호한 실시예를 구성한다. 상세하게 말하자면, 이 관계는 진폭 변조를 사용함으로서 제10도의 장치 내에서 달성된다. 진폭 변조는 검출기(30)으로부터의 전기 출력 신호의 진폭이 변조 신호의 진폭에 따라 변하게 한다.

검출기(30)으로부터의 출력 신호가(인접 고조파들 사이의 차 주파수인) 위상 변조 주파수 f_m의 홀수배인 주파수를 갖고 있는 변조 신호에 의해 진폭 변조되면, f_m주파수의 고조파인 검출기(30)으로부터의 출력 신호의 각각의 성분은 인접 고조파의 주파수들로 부분적으로 해석된다. 다시 말하면, 이 방법으로 진폭 변조시킴으로써, 측파대 주파수들이 위상 변조 주파수의 고조파들에서 발생된다. 이 측파대 주파수들은 검출기(30)으로부터의 출력신호의 고조파 진폭 변조 성분들로부터 주파수 전이된 정현파 성분들을 함유한다. 이 측파대 주파수들은 대응 주파수에서의 출력신호의 성분과 결합된다. 그러므로, f_m주파수의 고조파들인 검출기(30)으로부터의 출력 신호의 성분들은 식(14)로 정해진 형태의 파형을 정한다. 진폭 변조의 이 특성들 및 그외의 다른 특성등은 본 분야에 숙련된 기술자들에게 공지되어 있고, 본 명세서에서 참고 문헌으로 사용한 에프. 지. 스트렘러(F. G. Stremler)저 통신시스템 입문(1979)이란 책자에 상세하게 기술되어 있다. 특히 이거승ㄴ 스트렘러 저서 191-260 페이지에 기술되어 있다.

상술한 설명을 기초로 하면, 주파수 f_m에서의 정현파 진폭 변조는 각각의 고조파 주파수 성분 밖으로 및 가장 가까운 고조파 주파수 내로 에너지를 이동시킨다. 또한, 이러한 진폭 변조로부터 발생되는 각각의 신호는 검출기(30)으로부터의 출력 신호 내의 대응 고조파 주파수 성분과 동상으로 된다. 이러한 진폭 변조의 결과로, 모든 고조파들은 n차 고조파들이 항

을 갖도록

과

의 항을 함유한다. 그러므로, 사그낙 광학 위사 전이

은 표준수단으로 직접 측정될 수 있는 주파수 위상 전이로 분리 또는 전환된다.

확장된 동적 범위에 걸쳐서 회전 속도를 검출하기 위해 제10도에 도시한 검출 감지기를 사용하는 한 예는 제10도와 함께 제12도를 참조함으로써 기술될 수 있다. 상세하게 말하자면, 신호 발생기(150,제10도)는 sin

에 대응하는, 제12도에 참조번호(200)으로 도시한 바와 같은 파형을 갖고 있는 주파수 f_m에서의 위상차 변조 신호를 탄생시킨다.

양호하게도, 위상 변조 주파수 f_m은 식(3)을 참조하여 상술한 "양호한" 주파수 f_m에 대응한다. 양호한 주파수에서의 역-전달파들을 위상 변조시킴으로써, 회전 감지기의 감도는 크게 향상된다. 물론, 감지기는 또한 f_p가 아닌 주파수들에서 동작하게 되지만, 상술한 바와 같이 잡음이 부가되고 감도가 감소된다.

발생기(150)으로부터의 위상 변조 신호는 위상 변조기(38)에서 인가됨으로써, 제1도의 장치를 참조하여 기술한 방법으로 로우프내의 역-전달 광파들을 위상 변조시킨다. 광학 섬유(29)상의 최종 광학 출력 신호는 광학 출력 신호에 대응하는 전자 출력 신호를 발생시키는 검촐기(30)에 의해 검출된다. 검출기(30)으로부터의 전자 신호는 종래의 AC 증폭기(152) 내에서 증폭되어선(154)를 통해 종래의 쌍극 스위치(double pole switch,156)의 입력에 전송된다.

스위치(156)은 선(164)를 통해 종래의 전자 신호 지연 회로(162)로부터 수신된 제어 신호에 응답하여 작용한다. 양호한 실시예에서, 제어 신호의 위상 변조 주파수는 f_m이다. 회로(162)는 신호 발생기로부터 제어 신호를 수신하도록 신호 발생기(15)에 전기적으로 접속된다. 지연 회로(162)는 발생기(15)으로부터 수신된 신호를 선(154)로부터 스위치(156) 내에 수신된 신호의 위상으로 동기화시키기 위해서 조정될 수 있다.

지연 회로(162)로부터의 제어 신호에 응답하여, 스위치(156)은 선(154)로부터, 검출 시스템의 채널 1 및 2의 입력 포오트들을 각각 정하는 2개의 출력 포오트(158 및 160)들 중의 1개의 출력 포오트에 신호를 이송시킨다. 이 스위칭 동작은 선(164)를 통해 지연 회로(162)로부터 수신된 동기 신호의 f_m주파수에서 선(154)로부터 수신된 신호들을 진폭 변조시키도록 작용한다. 스위치(156)에 의해 발생된 진폭 변조의 구형 파형은 제12b도에 채널 1인 경우에 참조번호(202)로, 채널 2인 경우에 참조번호(204)로 도시되어 있다.

제10도의 장치 내에 제공된 구형파 진폭 변조는 이 진폭 변조에 사용될 수 있는 다수의 파형들 중의 단 1개의 파형이다. 구형파 변조는 제10도의 장치 내에서 실행하기에 특히 간단한 실시예를 구성한다. 부수적으로, f_m이 아닌 주파수를 또는 f_m의 홀수 고조파들에서의 진폭 변조기 사용될 수 있다.

그러나, 파형들 사이의 삼각 관계로 인해 f_m의 짝수 고조파에서의 진폭 변조는 인접한 고조파 주파수들 사이를 결합시키지 못한다. 오히려, f_m의 짝수 고조파들에서의 진폭 변조는 짝수 고조파들을 짝수 고조파들과 결합시키기고, 홀수 고조파들을 홀수 고조파들과 결합시킨다. 본 분야에 숙련된 기술지들은 이 상황을 이해할 수 있는데, 이 상태에 대한 기본 원리는 본 명세서에서 참고 문헌으로 사용한 스트렘러 저서를 참조함으로써 더욱 완전히 이해할 수 있다. 이 문제점들은 홀수 고조파들에서의 진폭 변조가 사용되는 경우에 제거된다.

제12c도를 참조하면, 루우프가 회전하지 않을 때, 스위치(156)에 의해 발생된 구형파 진폭 변조는 채널 2내의 출력 신호(208)에 관련하여 180°이상된 채널 1내의 출력 신호(206)을 제공한다. 180°이상된 신호들을 발생시키도록 선(154) 상의 신호를 진폭 변조시킴으로써, 성분들의 sin 및 cos 관계식들의 값이 용이하게 구해질 수 있다.

스위치(156)의 출력(158)로부터, 채널 1내의 변조 신호는 채널 1내의 신호의 1개의 고조파 성분(n

_m)을 선택하도록 동조되는 대역 통과 휠터(166)을 통과한다. (여기서, n은 선택된 고조파이다. ) 이와 마찬가지로, 스위치(156)의 출력(160)으로부터의 신호는 대응 고조파 주파수에서 채널 2내의 신호의 성분을 선택하도록 동조되는 대역 통과 휠터(168)로 전송된다. 휠터(166 및 168)로부터 전송된 휠터 신호들은 다음과 같이 수학적으로 설명될 수 있다.

채널 1 :

채널 2 :

여기서, K₁내지 K₄는

및 n에 의해 정해진 상수들이다.

제12도에 도시한 예에서, f_m주파수의 제2조파는 전자 회로에 의해 발생된 잡음을 제거할 뿐만 아니라 f_m주파수에서 스위치에 의해 발생될 수 있는 의사 신호들을 제거하기 위해 선택되었다. 물론, f_m의 다른 고조파들은 또한 필요한 주파수 범위 및 스위치 및 전자 구성 부품들의 특성에 따라 선택될 수 있다.

제2고조파 주파수에서, 상부(K₁내지 K₄)는 다음과 같이 설명될 수 있다.

k₁=k₂=k이면, 식(15)는 다음과 같이 된다.

본 분야에 숙련된 기술자들은 계수(K₁내지 K₄)의 값이 에를 들어 위상 변조기에 인가된 위상 변조의 진폭, 진폭 변조의 파형, 스위치(156)내의 스위칭의 주파수 및 대역 통과 휠터(166 및 168)이 동조되는 주파수를 포함하는 여러 요인들에 따라 변한다는 것을 알 수 있다. 이 정보가 제공되면, 본 분야에 속련된 기술자들은 상술한 스트렘러 저서와 같은 다수의 참고 문헌 내에 기술된 바와 같이 종래의 수학적 수단에 의해 K₁내지 K₄의 값들을 결정할 수 있다.

식(17)의 관계식은 회전 감지기의 소자들을 실제 조정함으로써 수학적 수단을 사용하지 않고서 얻어질 수 있다. 예를 들어, 스위치의 주파수, 대역 통과 훨터가 동조되는 주파수 및 전폭 변조의 파형을 선택할 수 있다. 식(17)내의 k₁및 k₂의 값들은 변조기(38)에 인가되는 위상변조신호의 진폭을 조정함으로써 서로 동일하게 될 수 있다. 시스템을 K₁〓 K₂인 상태로 동조시킬 때, 위상 변조 신호의 진폭은 반복적으로 조정되고, 루우프는 대역 통과 훨터로부터의 신호의 진폭이 회전의 결과로서 변하지 않을 때까지 회전된다.

제12c도를 다시 참조하면, 채널 1내의 대역 통과 훨터(166)으로부터의 제2고조파 출력 파형은 참조번호(21)로 도시되어 있다.이와 마찬가지로, 채널 2내의 대역 통과 휠터(168)로부터의 제2고조파 출력 파형은 참조번호(212)로 도시되어 있다

제10도의 선(170및 172)상의 신호(210, 212)들은 휴렛트-팩카드(Hewlett-Packard)제품 모델번호 5345A와 같은 종래의 시간 간격 계수기로 구성될 수 있는 위상계(174)내로 전소도니다. 이 위상계(174)에서, 시간 간격 계수기는 제12c도의 파형(210)이 제로 크로싱(zero crossing)될 때 작동되어, 파형(212)가 제로 크로싱될 때까지 계속 계수한다. 총 계수는 위상차(

)의 2배에 대응하는 파형(210과 212)사이의 위상차를 확인한다. 물론, 이 위상차는 광학 루우프에 의해 발생된 회전량을 나타낸다. 그러므로, 위상계(174)에 의해 발생된 위상차 측정량은 루우프의 회전속도를 나타낸다.

제12c도 내의 파형들은 광학 섬유 루우프에 의해 어떤 회전도 발생되지 않을 때 발생된다. 이 상태에서 파형(210 및 212)는 동상이므로, 위상계(174)는 이 파형들 사이의 위상차가 없다는 것을 검출하게된다. 이 상황은 제12c도에,

의 값이 0인 침전번호(14)로 도시되어 있다. 그러므로, 이 상황에서, 위상계(174)로부터의 출력도 0으로 된다. 그 다음에, 위상계(174)로부터의 이 신호는 루우프의 회전속도를 전송시키기 위해 디지탈 컴퓨터와 같은 종래의 출력장치(178)에 의해 사용될 수 있는 선(176)상으로 통과된다.

전형적으로, 출력장치(178)은 위상제(174)로부터의 회전속도 내의 변화를 나타내는 정보가 출력 장치(178)의 회전속도 기록을 업데이트(update)하기 위해 사용되도록 가장 최근에 측정된 회전 속도의 기록을 유지할 수 있다. 그러므로, 시스템의 동작 범위가 신호(212)의 제로 크로싱의 파형(210)이 제로 크로싱부터 1주기를 지나 확장되도록 하면, 위상계(174)로부터의 출력만으로 이 측정의 파형이 제1주기를 넘어 형성되었다는 것을 나타낼 수 없게 되더라도, 디지탈 출력 장치는 이 확장된 동적 범위에서 회전 속도를 결정하게 된다.

제12d도를 참조하면 40˚/초의 크기의 루우프 회전의 결과로 제10도의 회전 감지기 내에서 발생된 상태가 도시되어 있다. 다시 말하면, 위상변조 신호는 참조번호(200)으로 도시한 바와 같이 주파수 f_m에서 인가되고, 검출기(30)으로부터의 출력신호 주파수 f_m에서 구형파 신호(202, 204)로 스위치(156)내에서 진폭 변조된다. 스위치(156)으로부터의 채널 1내의 출력신호는 제12d도에 참조번호(216)으로 도시되어 있고, 채널 2내의 스위치(156)으로부터의 출력은 참조번호(218)로 도시되어 있다. 채널 1의 경우의 대응 대역 통과 훨터 출력은 참조번호(220)으로 도시되어 있고 채널2의 경우의 출력은 참조번호(222)로 도시되어 있다.

회전의 결과로서, 위상계(174)는 채널1의 파형(220)과 채널2의 파형(222)사이의 위상차를 검출하게된다. 이 위상차는 제12d도에 참조번호(224)로 도시되어 있고, 광학 루우프의 회전에 의해 발생된 위상차

의 2배에 비례한다.

제13도를 참조하면, 그래프선(250)은 실제 사그낙 위상 전이과 비교한, 채널 1과 채널2훨터의 출력신호들 사이의 위상계(174)에 의해 검출된 위상 전이를 나타낸다. 거의 선형인 결과가 매우 넓은 동적 범위에 걸쳐서 달성된다. 선(250)을 따르는 점들은 형성된 특정한 실험 측정치들을 나타낸다.

상술한 설명으로부터, 제10도의 간단한 개방-루우프 회전 감지기가 광학 섬유 자이로스코우프 회전의 동적 감지 점위를 확장시키도록 개방-루우프 회전 감지기를 사용하기 위한 중요한 기술을 실행하는 장치를 구성한다는 것을 알 수 있다. 이 장치는 광범위한 전자 구성 부품들, 또는 다른형태의 회전 감지기에 필요한 그외의 다른 장치를 사용하지 않고서, 높은 감도로 이것을 정확하게 달성한다.

제14도에는 본 발명의 회전 감지기의 다른 양호한 실시예가 도시되어 있다. 이 실시예에서 제10도의 스위치(156)은 종래의 전자 게이트(300)으로 대체된다. 게이트(300)은 제10도의 실시예에 관련하여 상술한 방법으로 지연 회로(162)로부터 선(164) 상에 수신된 신호에 응답하여 작용한다. 그러므로 게이트(300)은 제10도에 도시한 장치에 따라 증폭기(152)로부터 수신된 신호의 구형파 진폭 변조를 발생시킨다. 주파수f_m에 관련하여 적당한 위상 및 진폭에서 변조되면, 이 실시예의 진폭 변조 신호는 식 cos(nω_mt-

_R)로 정해진다 이것은 제10도의 실시예의 채널1의 I₁에 대해 식(17)내에서 정해진 것과 대응한다.

게이트(300)으로부터, 진폭변조신호는 신(302)를 통해, 위상 변조 주파수 f_m의 선택된 고조파로 동조되는 대역 통과 훨터(304)로 전송된다. 다음에 기술한 이유들로 인해, 제14도에 도시한 특정한 실시예 내에서, 선택된 주파수는 제1고조파로 되어야 하는데, 이것은 f_m주파수에 대응한다. 그 다음, 훨터된 신호는 선(306)을 통해, 제10도의 실시예 내의 위상계(174)의 작용에 대응하는 위상계(308)로 전송된다. 선(306)으로부터의 신호는 주파수f_m에서의 자연회로(162)로부터 선(310)을 통해 수신된 기준 신호와 비교된다. 선(310) 상의 신호는 cos ω_mt로 정해지는 회로(162) 내에서 지연된 바와 같은 위상차 변조 신호에 대응한다. 위상계(308)로부터의 최종 출력은 광학 루우프의 회전에 의해 발생된 위상차 신호

에 대응한다.

대역통과 훨터(304)내에서 제1고조파가 아닌 다른 고조파를 선택하는 것이 바람직하면, 제14도의 장치는 선(310)내에 주파수 체배기(도시하지 않음)을 부가시킴으로써 변형될 수 있으므로, 위상변조신호의 선택된 조조파는 위상계(308)의 적당한 입력에 인가될 수 있다. 제10도의 실시예의 위상계(174)로부터의 출력의 경우와 같이 , 위상계(308) 로부터의 출력은 종래의 디지탈 장치에 의해 광학 루우프의 회전 속도를 표시하기 위해 사용될 수 있다.

제15도를 참조하면, 제14도의 장치의 동작이 그래프식으로 도시되어 있다. 상세하게 말하자면, 위상 변조신호가 주파수 f_m에서 신호발생기(150)으로부터 위상 변조기(38)로 인가될 때의 주파수f_m에서의 최종 위상차 변조 파형이 참조번호(350)으로 도시되어 있다. 이 주파수에서 게이트(300) 은 참조번호(352) 로 도시한 파형에 따라 구형과 진폭 변조를 제공한다.

제15b도에서 광학 루우프가 회전되지 않을 때 발생된 파형들이 도시되어 있다. 상세하게 말하자면, 루우프 내에서 어떤 회전도 발생되지 않을 때의 검출기(30)의 츨력 신호의 파형이 참조번호(354)로 되시 되어 있다. 게이트(300)에 의해 발생된 주파수 f_m에서의, 진폭 변조 출력 신호는 참조번호(356) 으로 도시되어 있는데 주파수 f_m에서의 대역 통과 훨터(304)의 최종 출력은 참조번호(358)로 도시되어 있다. 이 상태하에서, 위상계(308)은 파형 (358)의 제도 크로싱과 기준 신호(352)의 선단언부 사이의 시간 간격을 검출하게 된다. 유사한 정현파 항들이 이 상태 내에서 상쇄되기 때문에, 위상계(308)은 회전 속도가 0이라는 것을 표시한다. 이 상황은 제15b도에 참조번호(360)으로 도시되어 있다.

제15c도에는 광학 루우프가 회전하는 동안 제14도의 장지티에 존재하는 상황이 도시되어 있다. 이 상황에서, 주파수f_m에서 위상 변조되고 주파수f_m에서 게이트 진폭 변조되는 검출기(30)의 신호는 참조번호(362)로 도시되어 있다. 따라서, 게이트(300) 으로부터의 진폭 변조 신호는 참조번호(364)로 도시되어 있다. 주파수 f_m에서 대역 통과 훨터(304)의 출력 상에 나타난 바와 같은 대응 파형을 참조번호(366)으로 도시되어 있다. 이 상황에서, 파행(366)의 제로 크로싱은 기준 신호(352)의 대응 선단 연부로부터 오프셋(offset)된다. 따라서, 이 오프셋은 위상계(308) 내에서 검출되고, 출력 신호는 광학 루우프의 회전에 의해 역-전달파들 내에서 발생된 위상차 신호에 대응하여 발생된다.

에 대응하는 이 위상 전이량은 제15c도의 참조번호(368)로 도시되어 있다.

임의적으로 , 광검출기(30) 이전의 광학 루우프 상의 어떤 바람직한 위치에 배치된, 셔터와 같은 최소한 1개의 광학 게이트를 사용함으로써 제10도 또는 제14도의 장치가 전기적인 아닌 광학적으로 게이트될 수 있다. 예를 들어, 광학 게이트는 제1방향성 결합기와 레이저 다이오드 사이의 광선 소오스의 입력에 배치될 수 있다. 이러한 형태에서, 게이트는 루우프 내에서 진행되는 광선이 f_m주파수에서 진폭 변조되도록 주파수 f_m에서 지연 신호에 의해 계속 제어된다. 그외의 모든 다른 관점에서, 광학 게이팅을 사용하면, 제10도 또는 제14도의 장치에 관련하여 기술한 것과 거의 동일한 결과가 제공된다.

요약하여 말하면, 본 명세서에 기술한 본 발명은 광학 자이로스코우프의 회전 속도를 검출할 때 종래 기술보다 상당한 개량점을 구성할 뿐만 아니라, 동적 범위가 거의 제한되지 않은 개방-루우프 감지기를 제공하고, 종래의 전자 및 광학섬유 장치들에 적합한 이러한 감지기를 제공하며, 구조가 간단하고 복잡한 전자궤환 시스템 또는 다른 형태의 간섭계들에 통상적으로 사용되는 그외의 다른 제어 장치들을 필요로 하지 않는 시스템을 제공하며, 디지탈 장치에 의해 직접 사용될 수 있는 매우 정확한 결과들을 제공함으로써 본 분야에 오랫동안 존재하던 다른 문제점들을 제거시킨다.

이 문제점들을 제거시키는 것 이외에, 본 명세서에 기술한 형태의 장치들은 현재 시판중인 다른 감지 장치들에 비해 제조 가격이 매우 저렴하므로, 본 발명은 상업적인 응용시 경비를 매우 절약할 수 있다. 간략성 및 확장된 동적 범위뿐만 아니라 최소 공간의 필요성 때문에, 본 명세서에 기술한 장치 및 방법은 다양하게 응용하여 사용할 수 있고, 다수의 상이한 형태의 실시예들에 용이하게 결합될 수 있다.

본 발명은 사그낙 간섭계를 참조하여 기술되었지만, 본 발명의 검출 시스템음 미흐-젠더 간섭계, 미첼슨(Michelson)간섭계 및 파브레이-페로트(Fabray-Perot) 간섭계와 같은 그외의 모든 다른 형태의 간섭계에 동일하게 응용할 수 있다. 모든 상술한 간섭계들은 본 분야에 공지되어 있고, 2개의 간섭 광파들로 구성된 간섭계 출력 신호를 제공하는데, 이 광파들 사이의 위상차는 출력 신호의 세기를 결정한다. 또한, 본 발명은 "광학 섬유 공전기"란 명칭으로 1982, 9, 29자 출원된 미합중국 특허출원 제426,890호에 기술된, 파레이-페로트 간섭계와 유사한 광학 섬유 간섭계 형태에 응용할 수 있다. 이 특허 출원은 본 명세서에서 참조 문헌으로 사용되었다.

또한, 본 발명은 광학 섬유 간섭계 분야에 대해 기술되었지만, 비임 분리기 및 반사경과 같은 벌크(bulk) 광학 구성 부품들을 사용하는 간섭계에도 동일하게 응용할 수 있다. 본 분야에 숙련되 기술자들은 광학 섬유들이 간섭 파들을 안내하기 위해 사용되지않을때, 반사경 또는 전자-광학 장치와 같은 다른 장치들에 의해 파들이 변조될 수 있다는 것을 알 수 있다.

양호한 실시예는 회전 감지 관계로 기술되었지만, 본 발명은 2개의 광파들 사이에 위상차를 발생시키는 어떤 간섭계에도 동일하게 응요할 수 있다. 본 발명은 위상차를 발생기키는 특정한 양 또는 현상에 관계없이 이러한 위상차를 검출할 수 있다. 그러므로, 본 발명은 간섭계의 구조적 형태, 이러한 간섭계를 구성하기 위해 사용된 구성 부품, 또는 간섭계의 2개의 간섭파들 사이의 검출된 위상차를 발생시키는 양에 관계없이 어떤 형태의 간섭계에도 사용하기에 적합하다.

본 발명은 본 발명의 원리 또는 특성을 벗어나지 않고서도 다른 특정한 형태로 실시될 수 도 있다. 양호한 실시예들은 단지 설명하기 위한 것이고, 이에 제한되지 않는다. 그러므로, 본 발명의 범위는 상술한 설명이 아니라 첨부한 청구 범위로 나타난다. 청구 범위들의 등가의 의미 및 범위 내에서 발생하는 모든 변화들은 본 발명의 범위에 포함된다.

Claims (8)

1. 광학 섬유의 루우프, 광선 소오스, 광선을 2개의 역-전달파들의 형태로 광선 소오스로부터 루우프 내로 유입시키기 위한 결합기 및 루우프로부터의 광학 출력을 측적하기 위한 검출기로 구성되는 간섭계에 있어서, 광파들 사이의 위상차 및 검출기에서 측정된 츨력이 측정될 루우프의 외부 주변 상태의 영향에 따라 변하고, 출력의 sin과 cos성분들을 함유하는 선택된 고조파들을 갖고 있는 제1신호를 발생시키도록 검출기의 출력을 진폭 변소시키기 위한 제1회로 및 위상차 내의 전이를 나타내는 제2신호를 제공하기 위해 제1신호에 응답하는 제2회로를 특징으로 하는 위상 해독 광학 섬유 간섭계.
2. 제1항에 있어서, 제1주파수에서 역-전달파들을 변조시키기 위한 위상 변조기를 특징으로 하고, 제1신호가 제1주파수의 고조파들을 포함하도록 제1회로가 제1주파수에서 출력을 진폭 변조시키는 것을 특징으로 하는 간섭계
3. 제2항에 있어서, 제1회로가 서로 180˚이상인 스위치 출력들 상의 진폭 변조 신호들을 제공하도록 제1주파수에서 2개의 스위치 출력들 중의 1개의 스위치 출력에 검출기의 출력을 선택적으로 배치시키기 위한 스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 간섭계
4. 제3항에 있어서, 제2회로가 제1주파수의 고조파에서 진폭 변조 신호들의 성분들을 선택하도록 2개의 스위치 출력들에 접속된 한 쌍의 휠터를 특징으로 하는 간섭계.
5. 제4항에 있어서. 제2회로가 한 쌍의 휠터들의 출력들 사이의 위상차를 측정하기 위한 계기를 특징으로 하는 간섭계.
6. 제2항에 있어서, 제2회로가 제1주파수의 고조파에 있는 제1신호의 성분을 선택하기 위한 훨터를 특징으로 하는 간섭계.
7. 제6항에 있어서, 제2회로가 역-전달 광파들 사이의 위상차에 대응하는 신호를 발생기키도록 기준신호와 훨터의 출력을 비교하기 위한 회로를 특징으로하는 간섭계
8. 제7항에 있어서, 비교 회로가 위상계인것을 특징으로하는 간섭계.

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