[논문]All DSP 기반의 비편광 FOG 설계 및 제작

윤영규; 김재형; 이상혁

doi:10.6109/jkiice.2010.14.8.1776

All DSP 기반의 비편광 FOG 설계 및 제작
Design and Implementation of Depolarized FOG based on Digital Signal Processing 원문보기

한국해양정보통신학회논문지 = The journal of the Korea Institute of Maritime Information & Communication Sciences, v.14 no.8, 2010년, pp.1776 - 1782

윤영규 (창원대학교) , 김재형 (창원대학교) , 이상혁 (창원대학교)

초록
AI-Helper

간섭형 Fiber optic gyroscope(FOG)는 Sagnac 효과를 이용한 회전센서로 알려져 있으며, 성능 개선을 위한 연구가 수행되어 왔다. 본 논문은 개루프 방식의 FOG 개발과 FPGA를 이용한 디지털 신호처리 기술을 다루고 있다. 첫 번째 목표는 양호한 bias stability(0.22deg/h), Scale factor stability, 단일모드 광섬유를 이용한 낮은 Angle randomwalk(0.07deg/$\sqrt[]{h}$)와 저가의 중급 자이로(Pointing grade)의 설계를 목표로 하고 있다. 두 번째 목표는 광검출기의 출력신호를 고속 ADC로 직접 변환 후 디지털 신호처리를 하는 FOG용 FPGA 개발이다. 본 연구에서 사용한 Cascaded integrator-comb(CIC)타입의 데시메이션 필터는 Adder와 Shift register만으로 구성되어 적은 계산량을 요구하므로 모든 디지털 FOG 프로세서를 저가의 프로세서로도 사용이 가능하다.

Abstract ▼ AI-Helper

The interferometric fiber optic gyroscopes (FOGs) are well known as sensors of rotation, which are based on Sagnac effect, and have been under development for a number of years to meet a wide range of performance requirements. This paper describes the development of open-loop FOG and digital signal processing techniques implemented on FPGA. Our primary goal was to obtain intermediate accuracy (pointing grade) with a good bias stability (0.22deg) and scale factor stability, extremely low angle random walk (0.07deg) and significant cost savings by using a single mode fiber. A secondary goal is to design all digital FOG signal processing algorithms with which the SNR at the digital demodulator output is enhanced substantially due to processing gain. The Cascaded integrator bomb(CIC) type of decimation filter only requires adders and shift registers, low cost processors which has low computing power still can used in this all digital FOG processor.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

[2] 그러나 최근 저가의 광통신용 광섬유를 이용한 비편광 FOG의 설계와 [3][4] 디지털 신호처리 방식이 제안되고 있다. 본 논문에서는 DSP 기반 FOG 신호처리 알고리즘 개발 및 저가형 중급 성능의 FOG 개발에 대하여 기술하고 있다. 첫째 Single Mode Fiber(SMF) 와 Depolarizer를 이용한 비편광 open loop FOG를 제작하였다.
116deg/h 정도의 bias stability를 보이고 있으며[7], SMF를 사용한 FOG의 성능은 3deg/h 정도의 bias stability[8] 를 보이고 있다. 본 논문의 목적은 SMF로 제작한 FOG를 PMF로 제작한 FOG의 성능에 근접한 성능을 얻고자 한다.

제안 방법

34dB 이상의 Attenuation을 가지는 필터를 설계해야 한다. (단, J₁ = 0.58186, J₂ = 0.31575) 그러나 이러한 고성능의 디지털 필터는 많은 하드웨어를 요구하므로, 적은 하드웨어로 고조파를 제거할 수 있는 CIC필터를 적용하였다. 그림 5는 CIC필터의 블록도이고, 그림 6에서는 특성을 나타내었다.
FOG 센서코일로 저가의 통신용 단일모드 광섬유를 사용한 비편광 FOG를 제작하고, 광검출기에서 직접 A/D변환하는 DSP 기반의 신호처리기를 설계하여 FOG의 성능을 확인하였다.
FOG의 성능을 측정하여 본 논문에서 제시한 DSP신호처리 기술의 성능을 확인하였다. 측정된 성능은 Scale factor error, Bias instibility, Angle random walk 이며 측정은 IEEE Std 952-1997 에 의하여 제시된 과정을 따랐다.
분리된 광파는 센서 코일에 반대방향의 진행 경로로 인가되어 Sagnac 위상차를 발생시킨다. Sagnac 위상차를 검출하기 위해 광섬유를 통과한 두 광파의 간섭 현상을 Photo dector(PD)를 통해 빛의 세기(Intensity)를 측정하여 검출하게 된다.
첫째 Single Mode Fiber(SMF) 와 Depolarizer를 이용한 비편광 open loop FOG를 제작하였다. 둘째 고속 ADC를 이용한 over sampling 된 광섬출기 출력을 Decimation, 디지털 필터 및 디지털 Lock-in amplifier(LIA)[5][6]등의 DSP 기술에 적용하여 고감도, 고안정 특성을 가지는 신호처리부를 설계 하였다.
본 논문에서 설계한 최저 회전율 Ω = 0.002deg/s이며, 이때의 최대 하모닉 성분과 최저 회전율의 비율은 J2 (ΦΔ )cos(Φs)/J1 (ΦΔ )sin(Φs) = 32874 이므로 20log101032874 = 90.34dB 이상의 Attenuation을 가지는 필터를 설계해야 한다.
본 논문에서는 고가의 편광유지 광섬유 대신에 저가의 SMF를 사용하여 비편광 FOG를 제작하였다.[3][4] 그림 1은 비편광 FOG의 구성을 나타낸 것이며, 편광된 광학신호의 편광을 소멸시키기 위해 Lyot 비편광기를 사용하였다.
16deg/sec 까지 회전율을 변화 시키며 측정한 결과이다. 외란 및 Drift 오차를 제거 하고자 정지 상태 오프셋을 제거한 회전율을 측정 하였으며, 최소 감도는 0.002deg/sec로 측정되었다.
본 논문에서는 DSP 기반 FOG 신호처리 알고리즘 개발 및 저가형 중급 성능의 FOG 개발에 대하여 기술하고 있다. 첫째 Single Mode Fiber(SMF) 와 Depolarizer를 이용한 비편광 open loop FOG를 제작하였다. 둘째 고속 ADC를 이용한 over sampling 된 광섬출기 출력을 Decimation, 디지털 필터 및 디지털 Lock-in amplifier(LIA)[5][6]등의 DSP 기술에 적용하여 고감도, 고안정 특성을 가지는 신호처리부를 설계 하였다.

대상 데이터

[3][4] 그림 1은 비편광 FOG의 구성을 나타낸 것이며, 편광된 광학신호의 편광을 소멸시키기 위해 Lyot 비편광기를 사용하였다. 본 논문에서 제작한 FOG는 5mW 출력의 Superluminescent laser diode(SLD)로부터 발생된 광파를 편광기를 통해 편광 시킨다. 편광된 광파를 광섬유 커플러를 이용해 두 개의 광파로 분리시킨다.

이론/모형

제작된 FOG의 Bias instibility와 Angle random walk 측정하기 위해 Allan variance[10]를 이용하여 분석하였다. Allan variance는 식(5)로 표현되며,
FOG의 성능을 측정하여 본 논문에서 제시한 DSP신호처리 기술의 성능을 확인하였다. 측정된 성능은 Scale factor error, Bias instibility, Angle random walk 이며 측정은 IEEE Std 952-1997 에 의하여 제시된 과정을 따랐다.

성능/효과

그림 14에서 가로축은 출력 평균을 구하기 위한 단위시간의 길이(τ)이며, 세로축은 출력 평균의 편차이다. Allan variance 분석의 결과로 FOG의 Bias instability는 0.22deg/h로 측정되었으며, Angle random walk는 0.07deg/#로 측정되었다.
따라서 단일모드 광섬유를 FOG의 센서코일로 제작하면 고감도의 FOG를 저가로 제작하는 것이 가능하며, FOG의 신호처리기가 CIC필터만을 사용하여 구현될 경우 일반적인 DSP 프로세서에서로도 FOG의 신호처리기를 설계할 수 있을 것으로 판단된다.
본 논문에서 제작한 FOG의 성능은 0.07deg/#의 Angle random walk와 0.22deg/h의 Bias instibility의 성능을 나타내었으며, 서론에서 제시한 PMF로 제작된 FOG의 성능에 가까운 결과를 보여 준다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	FOG는 어디에 적용되고 있는가?	FOG는 Sagnac 효과를 사용한 회전센서로서, 30여년 전에 처음 제안된[1] 이후 미사일, 인공위성, 비행기, 선박, 잠수함 등의 자세제어와 항법장치 등에 적용되고 있으며, 고가의 편광유지 광섬유를 사용하는 것이 여러 기술적 문제를 해결할 수 있는 방법으로 알려져왔다.[2] 그러나 최근 저가의 광통신용 광섬유를 이용한 비편광 FOG의 설계와[3][4] 디지털 신호처리 방식이 제안되고 있다.
	DSP 기반 FOG 신호처리 알고리즘 개발 및 저가형 중급 성능의 FOG 개발한 내용은 무엇인가?	본 논문에서는 DSP 기반 FOG 신호처리 알고리즘 개발 및 저가형 중급 성능의 FOG 개발에 대하여 기술하고 있다. 첫째 Single Mode Fiber(SMF) 와 Depolarizer를 이용한 비편광 open loop FOG를 제작하였다. 둘째 고속 ADC를 이용한 over sampling 된 광섬 출기 출력을 Decimation, 디지털 필터 및 디지털 Lock-in amplifier(LIA)[5][6]등의 DSP 기술에 적용하여 고감도, 고안정 특성을 가지는 신호처리부를 설계 하였다.
	FOG의 여러가지 기술적인 문제를 해결하기 위한 방법은 무엇인가?	FOG는 Sagnac 효과를 사용한 회전센서로서, 30여년 전에 처음 제안된[1] 이후 미사일, 인공위성, 비행기, 선박, 잠수함 등의 자세제어와 항법장치 등에 적용되고 있으며, 고가의 편광유지 광섬유를 사용하는 것이 여러 기술적 문제를 해결할 수 있는 방법으로 알려져왔다.[2] 그러나 최근 저가의 광통신용 광섬유를 이용한 비편광 FOG의 설계와[3][4] 디지털 신호처리 방식이 제안되고 있다.

참고문헌 (10)

V. Vali and R. W. Shorthill, "Fiber Ring Interferometer", Appl. Opt. 15, 1099, 1976.

상세보기
W.K. Burns and R. P. Moeller, "Polarizer requirements for fiber gyroscope with high-birefringence fiber and broad-band source", J. Lightwave Technol., vol. LT-2, no. 4, pp.430-435, 1984.
Aritaka Ohno, Ryuji Usui, Kazuo Suzuki, Kenchi Okada, Kazuhiro Sakuma, "Intermediate and moderate grade Fiber Optic Gyroscope for industrial applications", SPIE Vol. 2292, 166, 1994.
Bogdan Szafraniec, Member, IEEE, Member, OSA, and Glen A. Sanders "Theory of Polarization Evolution in Interferometric Fiber-Optic Depolarized Gyros", Journal of Lightwave Technology, Vol. 17, No. 4, April 1999.
"The Digital Lock-in Amplifier", AMETEK, V3.1.
Adrian A. Dorrington, et al., "A simple microcontroller based digital lock-in amplifier for the detection of low level optical signals", in IEEE International Workshop on Electronic Design, Test and Applications, 2002.
Kalpana Arvind, et al., "Fiber Optic Gyroscope", Department of Space, Laboratory for Electro-Optics Systems-ISRO, 1stCross, 1stPhase, Peenya, Bangalore, INDIA-560058.
Ryuji Usui, et al., "Intermediate Grade FOG with Single Mode Fiber Coil", SPIE Vol. 2070, 152, 1993.
Brian Culshaw, Alan Rogers, and Henry Taylor, "The fiber-optic gyroscope", Artech House, 1993.
Dr. Walter Stockwell, "Bias Stability Measurement: Allan Variance", Crossbow Technology, Inc., http://www.xbow.com

저자의 다른 논문 :

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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