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링 레이저 자이로스코프

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목차

1. 개요

링 레이저 자이로스코프(RLG)는 사냐크 효과를 이용하여 회전을 감지하는 정밀한 각속도 측정 장치이다. 빛이 링을 따라 반대 방향으로 이동할 때 발생하는 시간 차이를 측정하여 회전 속도를 계산하며, 기계식 자이로스코프보다 정확하지만, 매우 느린 회전 속도에서는 록인 현상으로 인해 오차가 발생할 수 있다. 록인 현상을 해결하기 위해 강제 디더링, 다중 발진기 링 레이저 자이로스코프 등의 기술이 사용된다. 링 레이저 자이로스코프는 항공기, 미사일, 우주선, 롤러 정렬 등 다양한 분야에 활용되며, 한국형 기동헬기, 한국형 발사체, KF-21 보라매 등에도 적용되어 정밀한 비행 제어 및 항법 시스템을 구현하는 데 기여한다.

2. 작동 원리

frame

링 레이저 자이로스코프(RLG)는 사냐크 효과를 이용하여 회전 운동을 측정하는 장치이다. RLG는 서로 반대 방향으로 회전하는 두 레이저 빔의 간섭 현상을 이용한다.[2] 회전은 빛이 두 방향으로 링을 통과하는 데 걸리는 시간 차이를 유발하며, 이는 반대 방향으로 진행하는 빔의 주파수 차이로 나타난다. 링 내부에는 정상파 패턴이 형성되고, 두 빔이 링 밖에서 간섭할 때 발생하는 비트 패턴을 통해 회전을 감지한다. 이 간섭 패턴의 순 이동은 링 평면에서의 장치 회전을 나타낸다.

RLG는 기존의 기계식 자이로스코프에 비해 움직이는 부품이 없어 마찰이 없고, 따라서 고유 드리프트가 적다는 장점이 있다. 또한 소형, 경량이며 내구성이 뛰어나 관성 항법 장치와 같이 정밀한 회전 측정이 필요한 분야에 널리 사용된다.

2. 1. 사냐크 효과

사냐크 효과에 따르면, 회전은 빛이 두 방향으로 링을 통과하는 데 걸리는 시간 사이에 작은 차이를 유발한다.[2] 이는 반대 방향으로 진행하는 빔의 주파수 사이에 미세한 차이를 유발하고, 링 내의 정상파 패턴의 움직임을 유발하며, 두 빔이 링 밖에서 간섭할 때 비트 패턴을 생성한다. 따라서, 그 간섭 패턴의 순 이동은 링 평면에서의 장치의 회전을 따른다.

2. 2. 록인 현상

RLG는 기계식 자이로스코프보다 정확하지만, 매우 느린 회전 속도에서는 "록인" 현상으로 인해 어려움을 겪는다. 링 레이저가 거의 회전하지 않을 때, 반대 방향으로 진행하는 레이저 모드의 주파수는 거의 동일해진다. 이 경우, 반대 방향으로 진행하는 빔 사이의 누화가 주입 잠금을 허용하여, 정상파가 선호되는 위상에 "갇히게" 되어 각 빔의 주파수를 점진적인 회전에 반응하기보다는 다른 빔의 주파수에 고정시킨다.[3]

강제적인 디더링은 이 문제를 크게 해결할 수 있다. 링 레이저 캐비티는 공진 주파수에서 구동되는 기계식 스프링을 사용하여 축을 중심으로 시계 방향과 반시계 방향으로 회전한다. 이는 시스템의 각속도가 일반적으로 록인 임계값에서 멀리 떨어져 있도록 한다. 일반적인 속도는 400 Hz이며, 초당 약 1도의 최대 디더 속도를 갖는다. 디더는 록인 문제를 완전히 해결하지 못한다. 회전 방향이 바뀔 때마다 회전 속도가 0에 가까워지고 록인이 잠시 발생할 수 있는 짧은 시간 간격이 존재하기 때문이다. 순수한 주파수 진동이 유지되면, 이러한 작은 록인 간격이 축적될 수 있다. 이는 400 Hz 진동에 노이즈를 도입하여 해결되었다.[3]

록인을 피하는 또 다른 접근 방식은 다중 발진기 링 레이저 자이로스코프에 구현되어 있다.[4][5] 이는 사실상 동일한 링 공진기 내에 반대 원형 편광을 갖는 두 개의 독립적인 링 레이저(각각 두 개의 반대 진행 빔을 가짐)가 공존하는 방식이다. 공진기는 편광 회전(비평면 기하학을 통해)을 통합하여 사중 축퇴 캐비티 모드(각각 두 방향, 두 편광)를 수백 MHz만큼 분리된 오른쪽 및 왼쪽 원형 편광 모드로 분할하며, 각각 두 개의 반대 진행 빔을 갖는다. 페러데이 효과를 통한 비가역적 바이어스, 특수 얇은 페러데이 회전자 또는 이득 매질에 대한 종방향 자기장을 통해 각 원형 편광을 일반적으로 수백 kHz만큼 더 분할하여 각 링 레이저가 수백 kHz의 정적 출력 비트 주파수를 갖도록 한다. 관성 회전이 존재하면 한 주파수는 증가하고 다른 주파수는 감소한다. 두 주파수를 측정하고 디지털 방식으로 빼서 최종적으로 순 사냐크 효과 주파수 분할을 얻고, 이를 통해 회전 속도를 결정한다. 페러데이 바이어스 주파수는 예상되는 회전 유발 주파수 차이보다 높게 선택되므로, 두 개의 반대 진행파는 록인될 기회를 갖지 않는다.

초저속 회전 시에는, 순방향, 역회전 방향의 레이저 광의 주파수가 극히 근접한다. 쌍방의 빛이 크로스토크로 인해 타방의 광로에 들어가 레이저 발진부에 도달하면, 레이저 발진의 주입 잠금이 일어나, 섬유 위에 생기는 정상파가 각 변위에 반응하지 않고 고정화되어 버린다. 이것을 방지하기 위해서는 강제 디더링이 유효하다.

강제 디더링에서는 기계식 스프링의 공진을 이용하여, 레이저 캐비티를 회전 방향으로 전후로 진동시킨다. 일반적으로, 진동수 400헤르츠, 최대 순간 각속도 1초(1/3600도) 매초를 사용한다. 그러나, 이 디더링으로도 록인을 완전히 방지할 수는 없다. 디더링의 진동 방향이 바뀔 때마다, 회전 속도가 거의 0이 되는 시간대가 있으며, 이때 짧은 시간 동안 록인이 발생한다. 외부 회전의 변동이 이 타이밍과 동기화됨으로써, 미세한 록인에 의한 오차가 축적되어 큰 오차가 될 가능성이 있다. 이 오차는, 400헤르츠의 진동 파형에 노이즈를 넣는 것으로 완화할 수 있다.[14]

2. 3. 록인 방지 기술

RLG는 기계식 자이로스코프보다 정확하지만, 매우 느린 회전 속도에서는 "록인" 현상으로 인해 어려움을 겪는다. 링 레이저가 거의 회전하지 않을 때, 반대 방향으로 진행하는 레이저 모드의 주파수가 거의 동일해진다. 이 경우, 반대 방향으로 진행하는 빔 사이의 누화(crosstalk)가 주입 잠금을 허용하여, 정상파가 선호되는 위상에 "갇히게" 되어 각 빔의 주파수를 점진적인 회전에 반응하기보다는 다른 빔의 주파수에 고정시킨다.[3]

록인 현상을 극복하기 위해 강제 디더링과 다중 발진기 링 레이저 자이로스코프와 같은 기술들이 사용된다.

2. 3. 1. 강제 디더링

강제 디더링은 록인 문제를 크게 해결할 수 있다. 링 레이저 캐비티는 공진 주파수에서 구동되는 기계식 스프링을 사용하여 축을 중심으로 시계 방향과 반시계 방향으로 회전한다. 이는 시스템의 각속도가 일반적으로 록인 임계값에서 멀리 떨어져 있도록 한다. 일반적인 속도는 400헤르츠이며, 초당 약 1도의 최대 디더 속도를 갖는다. 디더는 록인 문제를 완전히 해결하지 못한다. 회전 방향이 바뀔 때마다 회전 속도가 0에 가까워지고 록인이 잠시 발생할 수 있는 짧은 시간 간격이 존재하기 때문이다. 순수한 주파수 진동이 유지되면, 이러한 작은 록인 간격이 축적될 수 있다. 이는 400 Hz 진동에 노이즈를 도입하여 해결되었다.[3]

2. 3. 2. 다중 발진기 링 레이저 자이로스코프

다중 발진기 링 레이저 자이로스코프는 록인 현상을 피하기 위한 방법으로, 강제적인 디더링을 사용하는 대신 다른 접근 방식을 사용한다.[4][5] 이 방식에서는 동일한 링 공진기 안에 서로 반대되는 원형 편광을 가진 두 개의 독립적인 링 레이저가 공존하며, 각각은 두 개의 반대 방향으로 진행하는 빔을 갖는다. 공진기는 편광 회전을 통해 사중 축퇴 캐비티 모드를 수백 MHz 정도 분리된 오른쪽 및 왼쪽 원형 편광 모드로 나누며, 이들 각각은 두 개의 반대 방향 진행 빔을 포함한다. 페러데이 효과를 이용한 비가역적 바이어스, 특수한 얇은 페러데이 회전자, 또는 이득 매질에 대한 종방향 자기장을 통해 각 원형 편광은 일반적으로 수백 kHz 정도 추가로 분할되어, 각 링 레이저가 수백 kHz의 정적 출력 비트 주파수를 갖게 된다. 관성 회전이 발생하면 한 주파수는 증가하고 다른 주파수는 감소한다. 이 두 주파수를 측정하고 디지털 방식으로 빼서 최종적으로 순수한 사냐크 효과 주파수 분할을 얻으며, 이를 통해 회전 속도를 결정한다. 페러데이 바이어스 주파수는 회전에 의해 유발되는 예상 주파수 차이보다 높게 설정되어, 두 개의 반대 방향 진행파가 록인될 가능성을 없앤다.

3. 광섬유 자이로스코프 (FOG)

광섬유 자이로스코프는 사냐크 효과를 기반으로 작동하지만, 링이 레이저의 일부가 아니라는 점에서 링 레이저 자이로스코프(RLG)와 다르다. 외부 레이저가 광섬유 링에 반대 방향으로 진행하는 빔을 주입하고, 회전 시 광섬유 링을 통과한 후 간섭을 일으킬 때 빔 간에 상대적인 위상 변이가 발생한다. 이 위상 변이는 회전 속도에 비례한다.[14]

이는 외부에서 관찰되는 위상 변이가 회전 자체가 아닌 누적된 회전에 비례하는 RLG보다 단일 링 통과에서 덜 민감하다. 그러나 광섬유 자이로스코프의 감도는 콤팩트하게 코일된 긴 광섬유를 사용하여 사냐크 효과가 회전 수에 따라 증폭됨으로써 향상된다. 광섬유 자이로스코프는 링 레이저 자이로스코프와 작동 원리가 유사하지만, 레이저 광은 여러 겹으로 감긴 광섬유 내부를 통과한다.[14]

4. 장점 및 한계

링 레이저 자이로스코프(RLG)는 관성 기준 시스템에서 안정적인 요소(각각 자유도 1개)로 사용될 수 있다. RLG는 기존의 회전형 자이로스코프에 비해 진동 모터 어셈블리 및 레이저 락을 제외하면 움직이는 부품이 없어 마찰이 발생하지 않으며, 이는 곧 드리프트의 주요 원인을 제거함을 의미한다.[1] 또한 전체 장치가 소형, 경량이며 내구성이 뛰어나 항공기, 미사일, 인공위성과 같은 이동 시스템에 사용하기에 적합하다. 기계식 자이로스코프와 달리, RLG는 방향 변화에 저항하지 않는다.[1]

RLG는 기계식 자이로스코프보다 정확하지만, 초저속 회전 시에는 록인(lock-in) 현상으로 인해 회전을 올바르게 감지하지 못하는 한계가 있다. 초저속 회전 시에는 순방향 및 역회전 방향 레이저 광의 주파수가 극히 근접하게 된다. 이 때 양방향의 빛이 크로스토크로 인해 서로의 광로에 들어가 레이저 발진부에 도달하면, 레이저 발진의 인젝션 로킹이 발생한다. 그 결과 섬유 위에 생기는 정상파가 각 변위에 반응하지 않고 고정되어 버린다. 이를 방지하기 위해 강제 디더링이 사용된다.[14]

강제 디더링은 기계식 스프링의 공진을 이용하여 레이저 캐비티를 회전 방향으로 전후 진동시키는 방법이다. 일반적으로 400헤르츠 진동수, 최대 순간 각속도 1초(1/3600도) 매초를 사용한다. 그러나 이 방법으로도 록인을 완전히 방지할 수는 없다. 디더링 진동 방향이 바뀔 때마다 회전 속도가 거의 0이 되는 시간대가 존재하며, 이 때 짧은 시간 동안 록인이 발생하기 때문이다. 외부 회전 변동이 이 타이밍과 동기화되면 미세한 록인 오차가 축적되어 큰 오차로 이어질 수 있다. 이러한 오차는 400헤르츠 진동 파형에 노이즈를 추가하여 완화할 수 있다.[14]

5. 응용 분야

링 레이저 자이로스코프(RLG)는 관성 기준 시스템에서 안정적인 요소로 사용될 수 있다. RLG는 기존의 회전형 자이로스코프에 비해 움직이는 부품이 없어 마찰이 적고, 수명이 길다는 장점이 있다. 또한 소형, 경량이며 내구성이 뛰어나 항공기, 미사일 및 인공위성과 같은 이동 시스템에 사용하기에 적합하다.

RLG는 군용 및 민간 항공기, 선박, 우주선 등의 관성 항법 장치(INS)에 GPS와 결합하여 더욱 정밀한 위치 정보를 제공하는데 활용되며, 이러한 하이브리드 INS/GPS 장치는 대부분의 응용 분야에서 기존의 기계식 장치를 대체하고 있다. RLG는 현재 관성 좌표계에 대한 회전 운동을 측정하는 가장 정밀한 장치로 알려져 있다.[2]

5. 1. 군사 분야

링 레이저 자이로스코프(RLG)는 군사 분야에서 다양한 무기 체계에 활용된다. RLG는 기존의 기계식 자이로스코프에 비해 움직이는 부품이 없어 마찰이 적고, 이는 곧 정확도 향상으로 이어진다. 또한 소형, 경량, 내구성이 뛰어나 항공기, 미사일, 함정 등 다양한 환경에서 운용이 가능하다.

RLG가 적용된 대표적인 군사 장비는 다음과 같다.

장비 종류세부 장비
미사일트라이던트 I, 트라이던트 II, 샤우리아, ASM-135 대위성 미사일
전투기F-15E 스트라이크 이글, F-16 파이팅 팰컨, EF-111 레이븐, 수호이 Su-30MKI
헬리콥터MH-60R, MH-60S
군함 및 잠수함MK39 선박 내부 항법 시스템[12]
무인 항공기MQ-1C 워리어

[20]

5. 2. 민간 분야

링 레이저 자이로스코프(RLG)는 민간 분야에서도 널리 활용된다. 대표적인 예는 다음과 같다.

분야적용 사례
민간 항공기에어버스 A320[6][16], 보잉 757-200, 보잉 777[10][17]
우주선국제 우주 정거장
롤러 정렬PARALIGN



RLG는 관성 항법 장치의 핵심 부품으로, 움직이는 부품이 없어 마찰로 인한 오차가 적고 수명이 길다는 장점 덕분에 민간 항공기, 우주선, 롤러 정렬 등 다양한 분야에서 활용되고 있다.

6. 역사

1963년, 미국의 마체크와 데이비스가 최초의 실험적인 링 레이저 자이로스코프를 시연했다.[1] 이후 전 세계의 다양한 기관에서 링 레이저 기술을 추가로 개발하여, 관성 항법 장치에 사용되며 0.01°/시간 미만의 바이어스 불확실성과 60,000시간 이상의 평균 고장 간격으로 높은 정확도를 확립했다.

링 레이저 자이로스코프는 관성 기준 시스템에서 안정적인 요소(각각 자유도 1개)로 사용될 수 있다. RLG를 사용하는 장점은 기존의 회전형 자이로스코프에 비해 진동 모터 어셈블리 및 레이저 락을 제외하고는 움직이는 부품이 없어 마찰이 없다는 점이며, 이는 드리프트의 주요 원인을 제거한다. 또한 전체 장치가 소형, 경량이며 내구성이 뛰어나 항공기, 미사일 및 인공위성과 같은 이동 시스템에 사용하기에 적합하다. 기계식 자이로스코프와는 달리, 이 장치는 방향 변화에 저항하지 않는다.

참조

[1] 간행물 Rotation rate sensing with traveling-wave ring lasers AIP Publishing
[2] 간행물 High-Accuracy Ring Laser Gyroscopes: Earth Rotation Rate and Relativistic Effects IOP Publishing 2016
[3] 서적 Knowing Machines The MIT Press
[4] 서적 Laser handbook. Elsevier (North-Holland Pub. Co) 1985
[5] 문서 "Multioscillator Ring Laser Gyroscopes and their applications" http://citeseerx.ist[...] Optical Gyros and their Applications (NATO RTO-AG-339 AC/323(SCI)TP/9) 2019-10-23
[6] 웹사이트 Honeywell's ADIRU selected by Airbus http://www.ainonline[...] 2008-07-16
[7] 뉴스 Agni-III missile ready for induction http://timesofindia.[...] Press Trust of India 2008-05-08
[8] 뉴스 India successfully test fires Agni-IV missile http://articles.econ[...] Economic Times India via Press Trust of India 2015-10-14
[9] 뉴스 Agni-V missile to take India into elite nuclear club https://www.bbc.com/[...] BBC News 2015-10-14
[10] 서적 Digital Avionics Systems https://books.google[...] IEEE, AIAA 2008-10-16
[11] 웹사이트 B-52 Maps Its Way Into New Century http://www.fas.org/n[...] fas.org 2009-02-24
[12] 웹사이트 MK 39 MOD 3A Ring Laser http://www.es.northr[...]
[13] 웹사이트 Pakistan Aeronautical Complex Kamra – JF-17 Thunder Aircraft http://www.pac.org.p[...] 2017-02-26
[14] 서적 Knowing Machines The MIT Press
[15] 뉴스 Agni-III missile ready for induction http://timesofindia.[...] Press Trust of India 2008-05-08
[16] 웹사이트 Honeywell's ADIRU selected by Airbus http://www.ainonline[...] Aviation International News via archive.org 2008-07-16
[17] 서적 Digital Avionics Systems https://books.google[...] IEEE, AIAA 2008-10-16
[18] 웹사이트 B-52 Maps Its Way Into New Century http://www.fas.org/n[...] fas.org 2009-02-24
[19] 웹사이트 MK 39 MOD 3A Ring Laser http://www.es.northr[...] 2012-06-10
[20] 문서 Missile success - Frontline Magazine http://www.hinduonne[...]
[21] 문서 「技術開発官 (航空機担当)」 https://dl.ndl.go.jp[...] 技術研究本部


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