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제안 방법
- 광자이로스코프(Fiber Optic Gyroscope:FOG)는 광섬유 속을 반대방향으로 진행하는 두 광파의 광학간섭을 이용하여 회전율을 측정하는 고감도 회전속도 센서이다. 가격이 비싼 편광유지광섬유(PM Fiber)를 대신해 SM Fiber를 사용하여 비편광 광자이로스코프를[1] 제작 하였다.
- 하지만 높은 감도로 측정한 데이터의 신호처리를 위해서는 고감도의 신호처리부의 필요성 또한 요구된다. 본 논문에서는 디지털 방식의 Lock-In 증폭기[2] 및 SNR 개선을 위한 신호처리 알고리즘을 FPGA 기반으로 설계 하였으며, CIC필터를 사용한 효율적 알고리즘 설계를 시도하였다.
- 본 연구에서는 고가의 상용 광자이로스코프에 사용되는 편광유지 광섬유 대신에 저가의 단일모드 광섬유(Single mode fiber : SMF)를 사용하여 센서 코일을 구성하였다. 단일모드 광섬유는 광섬유에서 발생되는 신호의 변동이 크기 때문에 이러한 변동을 억제하기 위해 비편광 광자이로스코프를 제작하였다.
- 그림 은 비편광 광자이로스코프의 구성도를 보인 것이며, 편광된 광학신호의 편광을 소멸시키기 위해 Lyot 비편광기[3]를 사용하였다. 본 논문에서 구현한 광자이로스코프는 5mW 출력의 SLD로부터 발생된 광파를 편광기를 거쳐 편광시킨 이후 광섬유 커플러를 이용해 두개의 광파로 분리시킨다. 두 개로 분리된 광파는 센서 코일에 반대방향의 진행 경로로 인가되어 Sagnac 위상차를 발생시킨다.
- 두 개로 분리된 광파는 센서 코일에 반대방향의 진행 경로로 인가되어 Sagnac 위상차를 발생시킨다. Sagnac 위상차를 검출하기 위해 광섬유를 통과한 두 광파의 간섭 현상을 광검출기(Photo dector : PD)를 통해 빛의 세기(Intensity)를 측정하는 간접적인 방법을 사용하여 검출하게 된다. 이때 이상적인 광 검출기의 출력 전류는[4] 식(1) 과 같으며, 그림 1은 광자이로스코프의 광학부 구성도를 나타낸다.
- 본 논문에서는 16BIT ADC를 사용하여 설계 하였다. 식(4)에서 알 수 있듯이 sinωmt의 진폭은 sinΦs에 비례한다.
- 광자이로스코프의 출력감도를 측정하기 위해 본 연구의 감도 목표치인 0.002deg/sec의 회전율부터 ± 30deg/sec 까지 회전율을 변화 시키며 출력을 측정했다.
- 설계한 CIC 필터는 3개의 Section으로 구성하여 5개의 Null을 포함한다. Null지점의 주파수는 LIA에서 생성한 w, 2w, 3w, 4w의 주파수와 일치되어 제거되도록 설계 했다. 이러한 구성은 고성능의 필터를 요구하는 LIA를 효율적으로 구성할 수 있게 하므로, 적은 하드웨어만을 사용해 신호 처리부를 구성할 수 있다.
- 이러한 신호처리를 통해 43dB의 SNR 개선을 가져온다. 190kHz 정현파 변조신호를 위하여 14bit DAC, IFOG 신호를 샘플링하여 DSP 처리를 하기위하여 16bit ADC를 장착하였다.
- 그림 6은 제작된 광자이로스코프의 특성을 측정하기 위하여 구성된 테스트 셋업을 보여준다. 회전율을 측정하기위해 Harmonic모터로 제작한 회전테이블과 온도측정을 위한 온도계로 구성했다.
- 본 논문에서 제작한 FOG는 디지털 신호처리를 통한 성능개선을 위해 Lock-in증폭기와 여러 번의 필터링을 거치면서 SNR을 개선하였으며, 효율적 신호처리부 구성을 위해 CIC필터를 설계하여 적용하였다. CIC필터를 적용함으로서 9,764Logic만으로 신호처리부를 구성 했고, Allan variance 및 회전테스트를 통해 성능을 분석하였다.
- 본 논문에서 제작한 FOG는 디지털 신호처리를 통한 성능개선을 위해 Lock-in증폭기와 여러 번의 필터링을 거치면서 SNR을 개선하였으며, 효율적 신호처리부 구성을 위해 CIC필터를 설계하여 적용하였다. CIC필터를 적용함으로서 9,764Logic만으로 신호처리부를 구성 했고, Allan variance 및 회전테스트를 통해 성능을 분석하였다. CIC필터를 적용한 신호처리부 설계는 Altera사의 저가형 디바이스인 CycloneIII 로도 구성하기에 충분하며, 저가형 FOG의 설계에 적합하다.
- 본 연구에서는 고가의 상용 광자이로스코프에 사용되는 편광유지 광섬유 대신에 저가의 단일모드 광섬유(Single mode fiber : SMF)를 사용하여 센서 코일을 구성하였다. 단일모드 광섬유는 광섬유에서 발생되는 신호의 변동이 크기 때문에 이러한 변동을 억제하기 위해 비편광 광자이로스코프를 제작하였다. 그림 은 비편광 광자이로스코프의 구성도를 보인 것이며, 편광된 광학신호의 편광을 소멸시키기 위해 Lyot 비편광기[3]를 사용하였다.
데이터처리
- 제작된 광자이로스코프의 성능을 평가하기 위해 IEEE에 명시된 Allan variance를 이용하여 성능을 분석했다. Allan variance은 식(6)으로 표현되며,
이론/모형
- 단일모드 광섬유는 광섬유에서 발생되는 신호의 변동이 크기 때문에 이러한 변동을 억제하기 위해 비편광 광자이로스코프를 제작하였다. 그림 은 비편광 광자이로스코프의 구성도를 보인 것이며, 편광된 광학신호의 편광을 소멸시키기 위해 Lyot 비편광기[3]를 사용하였다. 본 논문에서 구현한 광자이로스코프는 5mW 출력의 SLD로부터 발생된 광파를 편광기를 거쳐 편광시킨 이후 광섬유 커플러를 이용해 두개의 광파로 분리시킨다.
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