[논문]광섬유자이로의 고리 온도변화에 의한 바이어스 특성 및 온도 보상

조민식; 정경호; 도재철; 최우석; 송기원; 강수봉; 신원철

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The bias characteristics due to the changes of temperature and temperature gradient of fiber coil are investigated in fiber-optic gyroscope. The bias performance is degraded with the changes of temperature and temperature gradient of fiber coil. The temperature compensation using both the temperatur...

The bias characteristics due to the changes of temperature and temperature gradient of fiber coil are investigated in fiber-optic gyroscope. The bias performance is degraded with the changes of temperature and temperature gradient of fiber coil. The temperature compensation using both the temperature-dependent bias measurement and the temperature-induced error model of fiber-optic gyroscope improves the bias stability about 3 times as much as the uncompensated original case, which leads to very stable bias performance over the temperature range from $-35^{\circ}C$ to $+77^{\circ}C$.

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문제 정의

광섬유자이로의 바이어스 성능은 어느 형태의 자이로 못지않게 온도에 민감한 영향을 받으며, 정밀한 광섬유자이로 개발을 위해서는 온도 특성에 대한 정확한 분석과 보상방법 도출이 무엇보다도 중요하게 요구된다. 본 논문에서는 국내 개발 광섬유 자이로의 온도 특성을 시험하고 그 결과를 분석함으로서, 온도환경에서의 자이로 성능 및 온도영향에 대한 보상 가능성을 조사하였다.
광섬유자이로의 온도 특성 및 온도 유발 오차 보상에 대한 연구를 수행하였다. 저온에서 고온에 이르는 광역 온도범위에서 광섬유 고리의 온도 및 온도 기울기 변화에 따른 바이어스 출력 변화를 분석하였으며, 온도 보상 모델에 근거하여 온도 영향을 보상함으로서, 온도 환경에서 안정된 자이로 바이어스 성능을 얻을 수 있었다.

제안 방법

집적광학소자는 광분할기(beam splitter) 등의 주요 역할을 수행하며 온도 민감도가 매우 적은 리튬니오베이트(LiNbO)로 제작되었다. 다음 단의 광섬유 고리는 길이 200m의 편광유지 광섬유를 4중극 권선방식으로 감아서 제작하였다. 즉, 광섬유 광원에서 발생한 광선은 파장 분리기와 광결합기를 통과하고 집적광학소자에서 2개의 광선으로 나누어 진 후 시계방향과 반시계 방향으로 광섬유 고리를 진행한 다음, 다시 집적광학소자에서 결합하여 자이로 신호검출기에 도달한다.
광섬유자이로의 바이어스 출력의 온도 특성을 조사하기 위해, -35℃부터 77℃까지 온도를 변화시키면서 10시간에 걸쳐 10초 샘플 주기로 데이터를 확보하였다. 자이로 출력 데이터 처리 시에는 바이어스 특성을 관찰하기 위하여, 샘플링된 데이터를 100초 평균하여 불규칙잡음(angle random walk) 레벨을 중분히 감소시켰다.
자이로 출력 데이터 처리 시에는 바이어스 특성을 관찰하기 위하여, 샘플링된 데이터를 100초 평균하여 불규칙잡음(angle random walk) 레벨을 중분히 감소시켰다. Fig.
4의 시험결과가 Table 1에 정리되었다. 온도변화에 의존하는 자이로의 바이어스 안정도 성능이 온도영향 보상 전을 기준으로 할 때, 온도 보상 후와 온도 기울기 추가 보상 후의 경우에 대하여 상대 비교가 이루어졌다. 바이어스 안정도 성능은 획득한 자이로 출력의 표준편차를 나타낸다.

대상 데이터

광섬유자이로는 광대역 광원(broadband light source), 집 적 광학소자(integrated optic chip), 편광유지 광섬유 (polarization-maintaining fiber)를 감아 놓은 광섬유 고리(fiber coil), 광검출기 등으로 구성된다. 광원에서 발생된 빛은 집적광학소자의 광분할기에서 두 갈래로 나뉘고, 시계 방향과 시계 반대 방향으로 각기 다른 경로를 통하여 편광유지광섬유를 따라 광섬유 고리 내부를 지나간다.
1에 간략히 나타나 있다. 시험에 사용된 광섬유자이로의 간섭계는 980nm 파장의 레이저 다이오드(LD)로 펌핑하여 발생시킨 선폭 20nm, 중심파장 1550nm인 광대역 어븀 첨가 광섬유(Erbium-Doped Fiber) 광원을 사용하였다. 광섬유 광원과 광결합기 사이에 위치한 파장 분할기는 광섬유 고리 방향으로 입사되는 빛을 980nm 광선은 배제하고 1550皿 광선은 허용한다.
광섬유 광원과 광결합기 사이에 위치한 파장 분할기는 광섬유 고리 방향으로 입사되는 빛을 980nm 광선은 배제하고 1550皿 광선은 허용한다. 집적광학소자는 광분할기(beam splitter) 등의 주요 역할을 수행하며 온도 민감도가 매우 적은 리튬니오베이트(LiNbO)로 제작되었다. 다음 단의 광섬유 고리는 길이 200m의 편광유지 광섬유를 4중극 권선방식으로 감아서 제작하였다.
보상을 수행하였다. 온도영향 보상에는 광섬유 고리의 온도 데이터가 활용되었다. Fig.

성능/효과

3은 온도 전 구간에서 측정된 자이로 출력에서 1차 온도 변화량에 대한 영향을 보상한 결과이다. 온도 변화 영향을 보상한 후 자이로 바이어스 변화량 크기(곡선③)가 기존의 온도 보상 전 자이로의 경우(곡선②)에 비교해서 크게감소되었다. 온도 변화 구간에서 관측된 자이로 바이어스 출력의 변화 폭이 감소하였음은 온도 환경에서의 자이로 성능이 안정화되었음을 의미한다.
온도 변화 구간에서 관측된 자이로 바이어스 출력의 변화 폭이 감소하였음은 온도 환경에서의 자이로 성능이 안정화되었음을 의미한다. 특히, 온도 변곡점을 제외한, 자이로 스풀의 온도가 저온에서 고온으로 상승하는 구간이나 고온에서 상온으로 하강하는 구간에서 바이어스 변화량의 크기가 크게 감소되었다. 온도 보상 전에, 온도 상승구간에서 바이어스 변화량은 약 4(a.
u)로 감소하였다. 고온에서 상온으로 하강하는 구간에서도 온도 변화범위가 적어서 그 효과가 온도 상승 구간에 비해 적지만 바이어스 변화량 감소 관점에서 마찬가지로 유효한 결과를 보였다. 하지만, 온도 변화량이 보상된 자이로 바이어스 출력 (Fig.
자이로 온도 변화 곡선에서 도출한 온도 기울기 곡선(곡선①)이 온도 보상 후 잔여 바이어스 성분 곡선(곡선②)과 유사한 형태를 가지고 있음을 알 수 있다. 이로부터 예측할 수 있듯이, 온도 및 온도 기울기 보상을 적용한 자이로의 바이어스 출력(곡선③)은 온도 전 구간에서 변화 폭이 적고 안정적인 성능을 보였다.
바이어스 안정도 성능은 획득한 자이로 출력의 표준편차를 나타낸다. 최종적으로 온도영향 보상 후 바이어스 안정도는 보상 전의 경우에 비교하여 약 3배 개선 되었다. 광섬유자이로의 온도 의존 계수 및 온도 기울기 의존계수는 각각 Q.
대한 연구를 수행하였다. 저온에서 고온에 이르는 광역 온도범위에서 광섬유 고리의 온도 및 온도 기울기 변화에 따른 바이어스 출력 변화를 분석하였으며, 온도 보상 모델에 근거하여 온도 영향을 보상함으로서, 온도 환경에서 안정된 자이로 바이어스 성능을 얻을 수 있었다.

참고문헌 (8)

Vali, V. and R. W. Shorthill, 'Fiber Ring Interferometer', Appl. Opt., Vol. 15, pp. 1099-1100, 1976

상세보기
Herve Lefevre, The Fiber Optic Gyroscope(Artech House, Boston.London, 1986), Chapt. 2, pp. 17-19 ; Chapt. 3, pp. 32-34 ; Chapt. 3, pp. 37-43
D. M. Shupe, 'Thermally Induced Non-Reciprocity in the Fiber Optic Interferometer', Appl. Opt, Vol. 19, p. 654, 1980

상세보기
R. P. Goettsche, 'Apparatus and Method for Trimming of Fiber Optic Winding', U.S. Pat. No.5,506,923, 1996
N. Frigo, 'Compensation of Linear Sources of Non-Reciprocity in the Sagnac Interferometers', Fiber Optics and Laser Sensors I, Procs. SPIE, v. 412, p. 261, 1983
A. Cordova, 'Sensor Coil for Low Bias Fiber Optic Gyroscope', U.S. Pat. No. 5,371,593, 1994
IEEE Std 952-1997, IEEE Standard Specification Format Guide and Test Procedure for Single-Axis Interferometric Fiber Gyros, IEEE Inc., 2007
George M. Siouris, Aerospace Avionics Systems Chapt. 3, Academic Press, Inc., New York, pp. 127-130, 1993

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