KR970007041B1 - Non-planar laser gyroscope system and method of measuring it - Google Patents
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Abstract
Description
제1도는 종래기슬에 따른 비트 주파수와 입력 회전 각속도와의 관계를 나타내는 도면.1 is a diagram showing a relationship between a beat frequency and an input rotational angular velocity according to a conventional gas.
제2도는 본 발명에 따른 환형 레이저 공진기의 개략도.2 is a schematic diagram of an annular laser resonator according to the present invention.
제3도는 본 발명에 따른 자기 변조 주파수에 의한 출력의 도시도.3 is a diagram showing the output by the magnetic modulation frequency according to the present invention.
제4도는 본 발명에 따른 자기 변조 주파수와 입력 회전 각속도와의 관계를 나타내는 도면.4 is a diagram showing a relationship between a magnetic modulation frequency and an input rotational angular velocity according to the present invention.
제5도는 본 발명에 따른 자기 변조 주파수를 회전각으로 변환하는 장치의 블럭도5 is a block diagram of an apparatus for converting a magnetic modulation frequency into a rotation angle according to the present invention.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for main parts of the drawings
10,12,14 : 거울 16 : 광 검출기10,12,14: mirror 16: light detector
18 : 레이저 이득매질 20 : 코일18: laser gain medium 20: coil
22 : 환형 레이저 공진기22: annular laser resonator
본 발명은 환형 레이저 자이로스코프에 관한 것으로, 특히 서로 반대방향으로 진행하는 두 광파가 강한 비선형적 결합(nonlinear coupling)이 있는 경우 발생하는 자기 변조(self-modulation) 현상을 이용하는 새로운 방법에 의한 회전 각속도 및 회전각 측정방법 및 그 시스템에 관한 것이다.TECHNICAL FIELD The present invention relates to an annular laser gyroscope, and in particular, rotational angular velocity by a new method using a self-modulation phenomenon that occurs when two light waves traveling in opposite directions have strong nonlinear coupling. And a rotation angle measuring method and a system thereof.
기존의 환형 자이로스코프는 서로 반대방향으로 진행하는 두 광파를 중첩시켰을 때 나타나는 간섭무늬에 의한 비트 주파수를 측정한다.Conventional annular gyroscopes measure the bit frequency due to interference fringes that occur when two light waves traveling in opposite directions overlap each other.
자이로스코프는 각속도 혹은 각운동(angular movement)을 감지할 수 있는 장치로서 비행기, 선박, 자동비행장치 및 미사연의 관성유도장치 등에 사용된다. 레이저 자이로스코프는 통상적으로 따르게 회전하는 회전자(spinning rotor)의 각 운동량(angular momenturm)을 이용하여 회전운동을 감시하는 종래의 기계적 자이로스코프에 대응하는 것으로서 서로 반대방향으로 진행하는 두 광파의 간섭현상을 이용하기 때문에 기본적으로 구동부품을 포함하지 않으며 간단하고 값싸게 제조할 수 있는 장점이 있다.Gyroscopes are devices that can detect angular velocity or angular movement, and are used in airplanes, ships, autopilot, and inertial induction systems. Laser gyroscopes typically correspond to conventional mechanical gyroscopes that monitor rotational movement using angular momenturms of spinning rotors, which interfere with two light waves traveling in opposite directions. Since it does not basically include the drive parts, there is an advantage that can be manufactured simply and cheaply.
소위 환형 레이저 자이로스코프는 기본적으로 레이저 장치로서 통상적으로 삼각형, 사각형 혹은 다각형의 형상을 가진 환형의 공진기, 이득매질(gain medium), 레이저를 공진기 외부로 출력하기 위한 출력 커플러(output coupler), 출력 커플러로 부터의 출력을 측정하기 위한 광검출기(photodetector) 및 이로부터 원하는 정보를 얻어내는 신호처리 회로로 구성된다. 레이저 빔은 공진기를 형성하는 다각형의 각각의 구석에 위치한 거울에 반사되어 환형의 광경로상에서 진행한다. 대부분의 레이저 자이로스코프의 경우 환형의 공진기내에 서로 반대방향으로 진행하는 두개의 레이저 빔이 발지되면 환형 공진기의 거울들은 각각의 레이저 빔들이 동일한 광 경로상에서 서로 반대방향으로 진행할 수 있도록 위치가 설정된다.The so-called annular laser gyroscope is basically a laser device, which is an annular resonator having a triangular, square or polygonal shape, a gain medium, an output coupler and an output coupler for outputting the laser to the outside of the resonator. It consists of a photodetector for measuring the output from and a signal processing circuit for obtaining the desired information therefrom. The laser beam is reflected on a mirror located at each corner of the polygon forming the resonator and travels on an annular optical path. In most laser gyroscopes, when two laser beams traveling in opposite directions within the annular resonator are detected, the mirrors of the annular resonator are positioned so that the respective laser beams can travel in opposite directions on the same optical path.
환형 레이저 자이로스코프가 감지축(sensitive axis)에 대해 회전하는 경우 그 회전방향과 같은 방향으로 진행하는 빔의 유효 광 경로(effective optical path)는 증가하며 그 반대 방향으로 진행하는 빔의 유효 광 경로는 감소하게 되어 두 빔은 위상차이를 갖게 된다.When the annular laser gyroscope rotates about the sensitive axis, the effective optical path of the beam traveling in the same direction as the rotation direction is increased and the effective optical path of the beam traveling in the opposite direction is As a result, the two beams have a phase difference.
종래의 환형 레이저 자이로스코프에서는 회전을 측정하는데 2가지 방법이 사용된다. 그 첫째 방법에 있어서는 두 빔의 위상 차이를 프리즘 등을 이용하여 간섭 패턴을 형성하여 측정된 위상차를 회전으로 환산하는 것으로 이와 같은 방법으로 측정할 경우 두 빔의 위상차는 매우 작은 값(예를 들어 15˚/시간인 지구의 자전 속도를 파장이 6328Å인 He-Ne 레이저를 사용한 환형 레이저 자이로스코프로 측정하는 경우 위상차는 42×10-8래디안)으로 위상차의 측정에 의한 회전의 감지는 부정확한 결과를 가져온다.In conventional annular laser gyroscopes, two methods are used to measure rotation. In the first method, the phase difference between two beams is formed by forming an interference pattern using a prism, and the measured phase difference is converted into rotation. In this way, the phase difference between two beams is very small (for example, 15 When measuring the rotational speed of the earth in degrees / hour with an annular laser gyroscope using a He-Ne laser with a wavelength of 6328), the phase difference is 42 × 10 -8 radians). Bring.
종래의 두번째 측정 방법으로 패쇄 경로의 공진특성을 이용하여 서로 반대 방향으로 진행하는 빔의 위상차를 주파수 차이로 변환하여 이 비트 주파수(beat frequency)를 측정하는 방법이 있다. 이 두 두파수는 하나의 광 검출기(photodetector)에서 두 주파수의 주파수 차이가 외차 검출(heterodyne detection)되어 회전 각속도에 정비례하는 비트 주파수를 생성한다(Willey Interscience사 발행의 1988년 판 피터 더블유. 밀로니(Peter W. Milonnil) 등의 "레이저(Lasers)" 589 내지 598쪽 참조). 이 비트 주파수(f)는As a second conventional measuring method, there is a method of measuring a beat frequency by converting a phase difference of beams traveling in opposite directions using a resonance characteristic of a blocking path into a frequency difference. These two waves produce a beat frequency that is directly proportional to the rotational angular velocity, with a frequency difference between the two frequencies in one photodetector (Peter W. Miloni, published by Willy Interscience, 1988). ("Peter W. Milonnil et al." Lasers ", pp. 589-598). This bit frequency f is
로 나타내며 여기서 Ω는 입력 회전 각속도, A는 환형 레이저에서 레이저의 경로에 둘러싸인 면적, L은 레이저 경로의 길이,λ는 레이저의 주파수이며은 통상적으로 M으로 표시하며 비트 주파수의 회전각속도에 대한 기울기를 나타내는 비례 상수이다.Where Ω is the input rotational angular velocity, A is the area enclosed by the laser path in the annular laser, L is the length of the laser path, and λ is the frequency of the laser. Is usually a proportional constant, denoted by M, indicating the slope of the rotational speed of the beat frequency.
그러나 실제에 있어서 환형 레이저 자이로스코프의 회전속도가 어느 값 이하로 작을 경우 빔 사이의 주파수 차이는 사라지게 되며 이것은 주파수 고착(frequency lock-in)이라 하는 것으로 환형 레이저 자이로스코프의 주 오류원이다.In practice, however, if the rotational speed of an annular laser gyroscope is less than a certain value, the frequency difference between beams disappears, which is called frequency lock-in, and is the main source of error of an annular laser gyroscope.
제1도는 환형 레이저 자이로스코프의 출력 비트 주파수와 입력 회전 각속도와의 관계를 나타내는 도면으로 점선은 이상적인 경우의 주파수 특성(f=MΩ), 실선은 주파수 고착을 포함하는 출력 특성을 도시한다. ｜Ω｜＞｜Ω｜ 경우 출력 비트 주파수는1 is a diagram showing the relationship between the output bit frequency and the input rotational angular velocity of the annular laser gyroscope, the dotted line shows the frequency characteristic in the ideal case (f = MΩ), and the solid line shows the output characteristic including frequency fixation. If ｜ Ω ｜ ＞ ｜ Ω |, the output bit frequency is
로 표시할 수 있다. 주파수 고착이 일어나는 회전 각속도의 범위는 환형 레이저 자이로스코프의 고착 대역(dead-band)으로 이 대역내의 입력 회전 각속도는 측정되지 않는다. 주파수 고착본 빔간의 결합(coupling)에 의한 것으로 이 결합은 빔을 광 경로에 규정하는 거울의 뒷면으로 부터의 반사에 의한 광의 역 산란(backscattering)에 기인한다. 주파수 고착효과는 1971년 Academic Press Inc. 사 발행의 몬테 로스(Monte Ross)가 편집자인 "레이저 응용(Laser Application)" 141 내지 143쪽에 자세히 설명되어 있다. 따라서 이러한 주파수 고착 문제를 해결하여 레이저자이로스코프의 효용성을 높이기 위한 많은 연구가 수행되어 왔다.Can be displayed as The range of rotational angular velocities where frequency fixation occurs is the dead-band of an annular laser gyroscope, and the input rotational angular velocities within this band are not measured. This is due to coupling between frequency-locked beams, which is due to backscattering of the light by reflection from the back of the mirror, which defines the beam in the optical path. Frequency fixation effect was observed in 1971 by Academic Press Inc. Monte Ross, Inc. is described in detail in the editor "Laser Application" on pages 141-143. Therefore, many studies have been conducted to solve the problem of frequency fixation and improve the utility of laser gyroscopes.
주파수 고착을 제거하기 위한 방법의 하나로 진동법(dithering-method)이 있다. 이 진동법은 미합중국 특허 제3,373,650호에 기재되어 있는 것으로서 이 방법은 환형 레이저 자이로스코프를 감지축을 중심으로 고착 대역이상의 회전 각속도로 기계적으로 좌우로 연속적으로 회전운동시켜 자이로스코프의 비트 주파수가 고착 대역에 고착되지 않게 한다. 통상적인 진동율은 약 400Hz로서 수 아크분(arc min-utes)의 회전각 변화량을 갖는다. 이 방법은 비교적 정확한 추정을 가능케하나 정밀한 기계적 진동을 필요로 한다는 단점이 있다.One method for eliminating frequency sticking is the dithering-method. This oscillation method is described in U.S. Patent No. 3,373,650, which mechanically rotates an annular laser gyroscope continuously around the sensing axis at a rotational angular velocity of more than the fixation band to the left and right of the gyroscope bit frequency. Do not stick. Typical vibration rate is about 400 Hz and has a change in rotation angle of arc min-utes. This method allows for relatively accurate estimation but has the disadvantage of requiring precise mechanical vibration.
환형 레이저 자이로스코프의 고착 문제를 제거하기 위한 도 다른 방법으로 공진기내를 서로 반대 방향으로 진행하되 서로 수직인 두 쌍의 레이저 힘을 이용하는 방법이 있다. 이러한 4개 모드이 환형 레이저 자이코스코프는 미합중국 특허 제4,213,705호에 자세히 기재되어 있다. 이 방법에 있어서 한쌍의 레이저빔은 서로 반대방향으로 진행하는 우선 편광(rifht-circularly polarized)된 빔이며 다른 한쌍은 서로 반대 방향으로 진행하여 좌선 편광(left-circularly polarized)되어 있다. 이들 2쌍의 빔은 수정 결정 등으로된 가역 비등방성 분산소자(reciprocal anisotroopic dispersion element)와 파라데이 셀(Faradaycell)가 같은 비가역 비등방성 분산 소자(nonreciprocal anisotrAnother method for eliminating the sticking problem of an annular laser gyroscope is to use two pairs of laser forces perpendicular to each other while traveling in opposite directions in the resonator. These four mode annular laser gyroscopes are described in detail in US Pat. No. 4,213,705. In this method, the pair of laser beams is a first-circularly polarized beam traveling in opposite directions, and the other pair is left-circularly polarized in the opposite direction. These two pairs of beams are irreversible anisotropic dispersion elements, such as reciprocal anisotroopic dispersion elements made of quartz crystals and Faradaycell.
opic dispersion element)에 의해 형성된다. 이들두쌍 빔에 의해 결정되는 비트주파수는 레이저 시스템의 회전각속도를 측정할 수 있게 한다. 자세한 측정 방법은 상기 미합중국 특허 제4,213,705호를 참조하여 알 수 있다. 이 방법은 많은 응용분야에서 만족할만 한다고 밝혀졌으나 상기 분산 소자들의 사용으로 인간 레이저의 손실 및 분산으로 인하여 레이저 자이로스 코프의 정확도를 저하시킨다.formed by an opic dispersion element. The bit frequency determined by these two pairs of beams makes it possible to measure the rotational angular velocity of the laser system. Detailed measurement methods can be found with reference to U.S. Patent No. 4,213,705. This method has been found to be satisfactory in many applications, but the use of such dispersing elements degrades the accuracy of laser gyroscopes due to the loss and dispersion of human lasers.
환형 레이저 자이로스코프의 고착 문제를 해결하기 위한 또 다른 방법으로 미합중국 특허 제4,229,106호에 개시된 바와같은 축퇴된(degenerated) 전자의 에너지 준위를 자계에 의해 분리하는 지만효과(Zeeman effect)를 사용하는 수단이 있다. 이 방법에 있어서 공진기내에 존재하는 레이저 매질에 자계를 가하여 파라데이셀과 같은 효과를 얻으며 레이저의 손실 및 분산을 감소시킬 수 있다. 또한 이 방법에 있어 헬륨-네온(He-Ne) 레이저를 레이저 매체로 사용하는 경우 네온의 등위 운소인 Ne20및 Ne22를 사용하여 불균등질 하게 분포된 이득 매체의 이득 곡선에 기인하는 홀 버닝(hole burning)으로 인한 레이저 빔들의 모드 다툼(mode competition) 문제를 감소시킨다.Another way to solve the sticking problem of annular laser gyroscopes is to use a Zeman effect to separate the energy levels of degenerated electrons by magnetic field as disclosed in US Pat. No. 4,229,106. have. In this method, the magnetic field is applied to the laser medium present in the resonator to obtain the same effect as para-daycell and to reduce the loss and dispersion of the laser. Also, in this method, when a helium-neon laser is used as the laser medium, hole burning due to gain curves of gain media disproportionately distributed using Ne 20 and Ne 22 , which is neon's equivalence cloud, It reduces the problem of mode competition of laser beams due to hole burning.
따라서 본 발명의 목적은 환형 레이저 자이로스코프를 사용하여 회전 각속도 및 회전량을 측정하는데 있어서 레이저 고착을 해결하기 위한 기계적 회로부품을 사용한 진동법 및 파라데이 셀(Faraday cel1)등 비등방성 분산 소자의 사용없이 환형 레이저 자이로스코프를 사용하여 레이저 고착 문제를 제거하는 새로운 회전각 속도 및 회전량 측정장치 및 방법을 제공하는데 있다.Accordingly, an object of the present invention is to use an anisotropic dispersion element such as a vibration method and a Faraday cel1 using a mechanical circuit component for solving laser fixation in measuring the rotational angular velocity and the amount of rotation using an annular laser gyroscope. The present invention provides a novel rotation angle speed and rotation amount measuring apparatus and method for eliminating the problem of laser fixation using an annular laser gyroscope.
이러한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 서로 반대방향으로 진행하는 두 레이저 빔이 공존하는 환형 공진기와, 상기 두 레이저 빔간의 비선형적 결합에 의한 자기변조 현상을 일으키근 이득매질과; 상기 환형 공진기 경로에 수직한 축에 대하여 회전하는 것과 유사한 효과를 유발하기 위하여 자기장을 가해주는 수단과, 회전 각속도 및 회전각을 결정하는 수단을 포함하여; 상기 입력 회전 각속도 및 상기 회전각이 다음식에 의한 자기 변조 주파수를 이용하여 측정되는 환형 레이저 자이로스코프 시스템을 제공하는데 특징이 있다.In order to achieve the above object, the present invention provides an annular resonator in which two laser beams traveling in opposite directions coexist, and a gain medium causing magnetic modulation by nonlinear coupling between the two laser beams; Means for applying a magnetic field to cause an effect similar to rotation about an axis perpendicular to the annular resonator path, and means for determining rotation angular velocity and rotation angle; It is characterized by providing an annular laser gyroscope system in which the input rotational angular velocity and the rotational angle are measured using a magnetic modulation frequency according to the following equation.
여기서 fSM은 자기 변조 주파수, M은 비레 계수, Ω0은 ΩB및 Ω1이 없을 경우의 자기 변조 주파수를 상기 비례 계수 M으로 나눈값, ΩB는 자계에 의한 유효회전 각속도, Ω1은 입력 회전 각속도이다.Where f SM is the self-modulation frequency, M is the ratio ratio, Ω 0 is the self-modulation frequency in the absence of Ω B and Ω 1 divided by the proportional coefficient M, Ω B is the effective rotational angular velocity by the magnetic field, Ω 1 is Input rotational angular velocity.
또한 본 발명은, 서로 반대 방향으로 진행하는 한쌍 혹은 그 이상의 광속을 공진기내에 제공하는 단계; 상기 광속중 어느 한 쪽 방향 출력으로부터 자기 변조 주파수(fSM)를 측정하는 단계; 상기 자기 변조 주파수(fSM)로부터 (식)In another aspect, the present invention provides the steps of providing a resonator with a pair or more luminous flux traveling in opposite directions; Measuring a magnetic modulation frequency f SM from either direction of the luminous flux; From the self modulation frequency f SM
을 이용하여 상기 입력 회전 각속도Ω1및 어떤 시간 주기(T) 동안의 상기 회전각를 측정하는 단계를 포함하는 환경 레이저 자이로스코프의 입력 회전각속도 및 회전각을 측정하기 위한 방법을 제공하는데 특징이 있다.Using the input rotational angular velocity Ω 1 and the rotational angle for a certain time period (T) It is characterized in that it provides a method for measuring the input rotational angular velocity and rotational angle of an environmental laser gyroscope comprising measuring a.
여기서 fSM은 자기 변조 주파수, M은 비례 계수, Ω0은 ΩB및 Ω1이 없을 경우의 자기 변조 주파수를 상기 비례 계수 M으로 나눈값, ΩB는 자계에 의한 유효회전 각속도, Ω1은 입력 회전 각속도이다.Where f SM is the self-modulation frequency, M is the proportional coefficient, Ω 0 is the magnetic modulation frequency in the absence of Ω B and Ω 1 divided by the proportional coefficient M, Ω B is the effective rotational angular velocity by the magnetic field, Ω 1 is Input rotational angular velocity.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
제2도는 본 발명에 따른 환형 레이저 공진기(22)를 도시한다. 환형 레이저 공진기(22)는 레이저 공진기를 구성하는 거울(10,12,14)을 포함하여 레이저 이득 매질(18)을 공진기내의 레이저 경로상에 포함한다.2 shows an annular laser resonator 22 according to the invention. The annular laser resonator 22 includes a mirror 10, 12, 14 constituting a laser resonator to include a laser gain medium 18 on the laser path in the resonator.
본 발명의 구성에 의한 환형 레이저 공진기의 거울증 하나는 출력 커플러로서 부분적으로 레이저를 통과시키는 거울이며(본 도면에서 거울(10))이 거울(10)을 통과한 시계 방향으로 진행하는 레이저(I1) 혹은 시계 반대방향으로 진행하는 레이저(I2) 중 하나의 레이저의 세기가 광 검출기(16)에 의하여 측정된다. 이때 자기 변조된 출력의 형태는 제3도와 같이 정현적으로 변조가 되면 시계방향으로 발진하는 레이저 빔과 반시계 방향으로 발진하는 레이저 빔간의 위상차이는 90˚이다.One of the enantiosis of the annular laser resonator according to the configuration of the present invention is a mirror which partially passes the laser as an output coupler (mirror 10 in this drawing) and the laser I traveling clockwise through the mirror 10. 1 ) or the intensity of one of the lasers I 2 running counterclockwise is measured by the photo detector 16. In this case, the shape of the self-modulated output is 90 ° when the laser beam oscillating in the clockwise direction and the laser beam oscillating in the counterclockwise direction are modulated sinusoidally as shown in FIG.
본 발명에 있어서 이득매질(18)은 자기 변조를 일으키기 위한 이득매질(18)의 조건으로써 매질 전체가 이득분포가 균일한 이득매질(homogeneously broadened gain medium)이거나 또는 국부적으로 이득분포가 균등질한 비균등 이득매질(inhomogeneous gain medium whichis locally homogeneous)이어야 한다.In the present invention, the gain medium 18 is a condition of the gain medium 18 for causing magnetic modulation, and the entire medium is a homogeneously broadened gain medium or a non-locally homogeneous gain distribution. It should be an evenmogeneous gain medium which is locally homogeneous.
그리고 환형 공진기 경로에 수직한 축에 대하여 회전하는 것과 유사한 효과를 유발하기 위하여 자기장을 가해주는 수단으로는 이득 매질을 둘러싸는 코일 또는 영구자석이 사용되며, 이들은 서로 반대방향으로 진행하는 레이저에 대해 비가역 파라데이 효과를 일으켜 시계 및 반시계 방향으로 진행하는 두 레이저 빔에 대하여 자기변조 주파수를 증가하게 하여 공진기(22)가 공진 경로에 수직한 축에 대하여 회전하는 것과 유사한 효과를 갖게 한다.As a means of applying a magnetic field, a coil or permanent magnet surrounding a gain medium is used as a means of applying a magnetic field similar to a rotation about an axis perpendicular to the annular resonator path, and these are irreversible to lasers traveling in opposite directions. The Faraday effect causes the self-modulation frequency to increase for two laser beams running clockwise and counterclockwise, giving the resonator 22 an effect similar to rotating about an axis perpendicular to the resonant path.
제2도에 도시된 환형 레이저 공진기의 구성은 단지 본 발명의 목적상 레이저 자이로스코프 시스템의 동작 원리 및 본 발명의 특징을 설명하기 위한 것으로 본 발명에 의한 환형 레이저 공진기의 구성을 국한하기 위한 것이 아니다. 예를 들어 거울들(10,12,14)은 시계 방향과 시계반대 방향으로 진행하는 두개의 레이저 빔들의 경로를 규정하기 위한 것으로 4개 혹은 그 이상의 다수의 거울들로 구성된 다각형을 이루는 공진기를 구성할 수도 있으며 거울대신 매질의 전반사 또는 광 섬유를 이용하여 레이저 경로를 구성할 수도 있고 또한 레이저 경로가 평면(planar)이 아닌 비평면(nonplanar)상에 설정될 수도 있다.The configuration of the annular laser resonator shown in FIG. 2 is merely for explaining the operation principle and features of the laser gyroscope system for the purpose of the present invention, and is not intended to limit the configuration of the annular laser resonator according to the present invention. . For example, the mirrors 10, 12, 14 are intended to define the path of two laser beams running clockwise and counterclockwise to form a polygonal resonator consisting of four or more multiple mirrors. The laser path may be configured by using total reflection or optical fiber of the medium instead of the mirror, or the laser path may be set on a nonplanar rather than a planar.
다시 제2도를 참조하여 본 발명에 따른 자기변조를 이용한 환형 레이저 자이로스코프의 동작원리를 자세히 설명한다. 거울(10,12,14)에 의해 형성된 공진기내에 있는 이득매질(18)은 레이저의 증폭작용을 수행한다.Referring back to Figure 2 will be described in detail the operation principle of the annular laser gyroscope using the magnetic modulation according to the present invention. The gain medium 18 in the resonator formed by the mirrors 10, 12, 14 performs the amplification of the laser.
이러한 환형 레이저에서 서로 반대방향으로 진행하는 두 빔 사이에 이득매질내에서 역 산란(back scattering)에 의한 비선형적 결합이 일어나 출력이 조화함수의 형태로 변조되는 자기 변조(self-modu-lation)현상이 일어난다. 본 발명은 종래의 기술에 의한 비트 주파수의 측정대신 자기 변조에 의한 변조 주파수의 입력 회전 각속도에 의한 변화를 감지하여 레이저 자이로스코프의 회전량을 측정하는 방법 및 시스템에 관한 겻이다.In these annular lasers, non-linear coupling by back scattering occurs in the gain medium between two beams traveling in opposite directions to each other, so that the output is modulated in the form of a harmonic function. This happens. The present invention relates to a method and system for measuring the rotational amount of a laser gyroscope by detecting a change caused by an input rotational angular velocity of a modulation frequency by magnetic modulation instead of a measurement of a bit frequency according to the related art.
거울(10)을 통한 레이저 출력을 광 검출기(16)에 의해 검출하면 각 레이저의 출력 I1,I2는 다음과 같이 표현된다.When the laser output through the mirror 10 is detected by the photo detector 16, the outputs I 1 and I 2 of each laser are expressed as follows.
여기서 I1과 I2은 각각 시계 및 시계 반대 방향으로 진행하는 레이저 출력의 평균값이며 △I1, △I2는 각각의 변조폭, fSM은 자기 변조 주파수이다. 제3도는 서로 반대 방향으로 진행하는 레이저의 출력 I1, I2를 도시한다. 두 레이저 세기의 평균값과 변조폭은 다르며 자기 변조 주파수(fSM)는 아래와 같이 구해진다.Where I 1 and I 2 are the average values of the laser output in the clockwise and counterclockwise directions, respectively, ΔI 1 and ΔI 2 are the modulation widths, and f SM is the self-modulation frequency. 3 shows the outputs I 1 , I 2 of the laser running in opposite directions. The average value and modulation width of the two laser intensities are different, and the magnetic modulation frequency f SM is obtained as follows.
환형 레이저 공진기에서의 근사파동 방정식은 다음과 같다.The approximate wave equation in the annular laser resonator is
여기서 E1,2는 서로 반대방향으로 진행하는 레이저의 필드 세기, m은 산란으로 인한 두 빔간의 결합계수 θ는 산란파의 위상이며 f는 외부 입력 가속도에 의하여 발생하는 공진기내 시계 및 반시계 방향의 발진 주파수이다. (식 4)의 해는 다음과 같다.Where E 1,2 is the field strength of the laser traveling in opposite directions, m is the coupling coefficient θ between the two beams due to scattering, and the phase of the scattering wave, and f is the clockwise and counterclockwise direction in the resonator generated by the external input acceleration. Oscillation frequency. The solution of (Equation 4) is as follows.
즉 환형 레이저내에서 시계방향 또는 반시계 방향으로 발진하는 전자파의 주파는이다. 레이저 외부에서 광 검출기는 신호를 검출하므로 측정되는 주파수는 가된다.That is, the frequency of electromagnetic waves oscillating clockwise or counterclockwise in the annular laser to be. Outside the laser, the photodetector detects the signal, so the measured frequency is do.
여기서 회전각에 비례하는 변조 주파수는 (식 1)에서와 같이 f=MΩ이고은 입력 회전 각속도가 없을 때의 발진 주파수를 결정하기 때문에 편의상 MΩ0로 쓸 수 있다. 따라서 자기 변조 주파수(fSM)는 회전 각속도에 따라 다음과 같이 표현될 수 있다.Where the modulating frequency proportional to the rotation angle is f = MΩ as shown in Can be written as MΩ 0 for convenience since it determines the oscillation frequency in the absence of an input rotational angular velocity. Therefore, the self modulation frequency f SM may be expressed as follows according to the rotational angular velocity.
여기서 M은 비례 계수로서 (식 1)에서와 동일하다. MΩ0은 외부 자계 및 입력 회전 각속도가 없을 때의 자기 변조 주파수이다.Where M is the proportional coefficient and is the same as in (Equation 1). MΩ 0 is the magnetic modulation frequency without external magnetic field and input rotational angular velocity.
입력각속도 Ω에 대한 출력 자기변조 주파수 fSM을 도식하면 제4도와 같다. 이 경우 기존의 환형 자이로스코프에서 발생하는 주파수 고착현상이 발생하지 않기 때문에 이를 피하기 위한 별도의 기계적 또는 광학적 수단이 필요하지 않다.Figure 4 shows the output self-modulation frequency f SM for the input angular velocity Ω. In this case, since the frequency sticking phenomenon occurring in the existing annular gyroscope does not occur, a separate mechanical or optical means is not required to avoid this.
(식 6)에서 알 수 있듯이 회전각속도의 방향을 알 수 없기 때문에 이를 해결하기 위한 방안으로 코일을 이용하여 외부자계를 가해주면 제4도에 나타난 바와같이 동작점에서의 자기 변조 주파수의 증감에 의하여 판별된다. 이때 가해주는 자계의 세기는 출력 자기변조 주파수의 감도(sensiltivity)를 증가시키고, 근사적으로 선형적인 영역에서 동작시키는 것이 바람직하다.As can be seen from (Equation 6), the direction of rotational angular velocity is not known, so to solve this problem, if an external magnetic field is applied using a coil, as shown in FIG. Is determined. In this case, the intensity of the applied magnetic field increases the sensitivity of the output self-modulation frequency, and it is preferable to operate in an approximately linear region.
외부자계 및 입력 회전 각속도가 가해졌을 경우 회전 각속도(Ω)는 자계에 의한 유효 회전 각속도(ΩB)와 입력 회전 각속도(Ω1)로 (식 7)과 같이 표현할 수 있다.When an external magnetic field and an input rotational angular velocity are applied, the rotational angular velocity (Ω) can be expressed as an effective rotational angular velocity (Ω B ) and an input rotational angular velocity (Ω 1 ) by the magnetic field as shown in Equation (7).
제4도에 도시된 바와 같이 자기 변조 주파수(fSM)는 매우 큰 입력 회전 각속도를 가질 때 fSM=MΩ를 점근선으로 하는 선형성을 나타낸다. ΩB, Ω0＞＞ΩT의 조건을 만족하면 (식 7)은 근사적으로 (식 8)과 같이 전개된다.As shown in FIG. 4, the self modulation frequency f SM exhibits linearity with asymptotes f SM = MΩ when having a very large input rotational angular velocity. When the conditions of Ω B and Ω 0 >> Ω T are satisfied, (Formula 7) is developed approximately as in (Expression 8).
따라서therefore
여기서 here
(식 9)로 부터 어떤 시간주기 T 동안의 회전각θ는From equation (9), the rotation angle θ for a certain time period T
로 구해질 수 있다.Can be obtained as
제5도는 본 발명에 따른 (식 10)에 의한 입력 회전각(θ)를 측정하기 위한 한실예를 도시한다. 광검출기(16)는 서로 반대방향으로 진행하는 레이저중 하나의 자기 변조 주파수(fSM)를 (식 8)에 의해 측정하며 그 신호를 제1 펄스 발생기(32)로 송신한다. 제1 펄스 발생기(32)는 수신한 자기 변조 주파수(fSM)에 의한 펄스를 발생하여 가산기(38)로 송신한다. 기준 신호 발생기(34)는 (식 9)의 입력 회전 각속도가 없을 경우의 자기 변조 주파수(fSM0)에 따라 신호를 발생하여 제2 펄스 발생기(36)에 제공한다. 제2 펄스 발생기(36)는 제공된 기준 주파수로 펄스를 발생하여 가산기(38)로 전송한다. 가산기(38)는 제1 펄스 발생기(32)로 부터의 펄스(fSM)에서 제2 펄스 발생기(36)로 부터의 펄스(fSM0)를 감산한다. 펄스를 계수하기 위한 시간(T)는 클럭 발생기에 의해 제어되며 이 클럭 발생기는 가산기(38)에 내장될 수도 있으며 또는 가산기(38)의 외부에 위치하여(도시않됨) 가산기(38)에 클럭 주파수를 제공할 수도 있다.FIG. 5 shows an example of an example for measuring the input rotation angle θ by (10) according to the present invention. The photodetector 16 measures the self modulation frequency f SM of one of the lasers running in opposite directions by Equation 8 and transmits the signal to the first pulse generator 32. The first pulse generator 32 generates a pulse at the received self modulation frequency f SM and transmits it to the adder 38. The reference signal generator 34 generates a signal according to the self modulation frequency f SM0 when there is no input rotational angular velocity of (9) and provides it to the second pulse generator 36. The second pulse generator 36 generates a pulse at the provided reference frequency and sends it to the adder 38. The adder 38 subtracts the pulse f SM0 from the second pulse generator 36 from the pulse f SM from the first pulse generator 32. The time T for counting the pulses is controlled by a clock generator, which may be built into the adder 38 or located outside of the adder 38 (not shown) and clock frequency to the adder 38. May be provided.
가산기(38)에 의해 구해진에 해당하는 펄스는 어떤 시간 주기(T) 동안의 회전각을 출력하는 변환기(40)에 공급되어 변환기(40)는 (식 9)에 대한 회전각(θ)을 출력한다.Obtained by the adder 38 The pulse corresponding to is supplied to the transducer 40 which outputs the rotation angle for a certain time period T so that the transducer 40 outputs the rotation angle θ with respect to (Equation 9).
회전각(θ)을 측정하기 위한 사이 실시예는 본 발명에 의한 회전각(θ)의 측정 방법의 하나의 가능한 실시예를 보이는 것으로 본 발명에 따른 자기 변조를 이용한 환형 레이저 자이로스코프의 측정 방법을 상기 실시예에 제한하는 것은 아니다.Example for measuring the rotation angle [theta] shows one possible embodiment of the method for measuring the rotation angle [theta] according to the present invention. The method for measuring an annular laser gyroscope using magnetic modulation according to the present invention It is not limited to the above embodiment.
광 검출기(16) 및 기준 신호 발생기(34)로 부터의 신호들을 제1 및 제2 펄스 발생기(32,36)에 입력되기 전에 각각 주파수 체배기(도시않됨)를 경유하여 체배할 경우 비례 계수(M)가 체배된 효과가 나타나며 따라서 측정 회전각의 정밀도를 높일 수 있다. 또한 본 발명에 따른 또다른 가능한 측정방법으로 (식 9)에 의한 근사적인 방법으로 입력회전 각속도(ΩT)를 구하지 않고 (식 7)에서 변형된 (식 11)Proportional coefficient M when multiplying signals from photo detector 16 and reference signal generator 34 via a frequency multiplier (not shown) before input to first and second pulse generators 32 and 36, respectively. ) Can be multiplied to increase the accuracy of the measurement rotation angle. In addition, another possible measurement method according to the present invention is modified from (Equation 7) without obtaining the input rotational angular velocity (Ω T ) by an approximate method according to (Equation 9).
을 이용하여 광 검출기(16)로 부터의 출력(fSM)으로부터 직접 입력 회선 각속도(ΩT)를 계산하여 (식9)에 의하여 회전각을 구할 수도 있다.It is also possible to calculate the rotation angle by (9) by calculating the input line angular velocity Ω T directly from the output f SM from the photodetector 16 by using.
이와 같이 본 발명은 서로 반대 방향으로 진행하는 환형 레이저 공진기내의 레이저의 자기 변조 효과를 이용하여 종래기술의 비트 주파수 측정에 의한 회전 각속도 측정시 야기되는 고착 대역(dead zone)에 이한 측정의 부정확성 및 고착 대역을 제거하기 위한 복잡한 장치를 사용하지 않는 새로운 환형 레어저 자이로스코프시스템 및 그 측정 방법을 제공한다.As described above, the present invention utilizes the self-modulation effect of the laser in the annular laser resonator proceeding in the opposite direction, and thus the inaccuracy and fixation of the measurement beyond the dead zone caused by the rotational angular velocity measurement by the conventional bit frequency measurement. It provides a new annular laser gyroscope system and a measuring method thereof without using a complicated device for removing a band.
Claims (11)
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| KR1019930021113A KR970007041B1 (en) | 1993-10-12 | 1993-10-12 | Non-planar laser gyroscope system and method of measuring it |
Applications Claiming Priority (1)
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| KR1019930021113A KR970007041B1 (en) | 1993-10-12 | 1993-10-12 | Non-planar laser gyroscope system and method of measuring it |
Publications (2)
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| KR950012038A KR950012038A (en) | 1995-05-16 |
| KR970007041B1 true KR970007041B1 (en) | 1997-05-02 |
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Family Applications (1)
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Families Citing this family (1)
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| JP3579241B2 (en) * | 1998-02-24 | 2004-10-20 | 三洋電機株式会社 | FM radio receiver |
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1993
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| KR950012038A (en) | 1995-05-16 |
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