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광섬유 자이로스코프

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목차

1. 개요

광섬유 자이로스코프(FOG)는 각속도를 측정하는 센서로, 레이저에서 나온 빛을 광섬유 코일에 통과시켜 사그낙 효과를 이용하여 작동한다. 1976년 처음 제안되었으며, 움직이는 부품이 없어 진동, 가속 및 충격에 강하고 높은 정확도와 신뢰성을 제공하여 기계식 자이로스코프를 대체한다. 개방 루프형과 폐 루프형으로 구분되며, 우주, 군사, 항법 시스템 등 다양한 분야에 활용된다. 단점으로는 초기 보정이 필요하고, 일부 설계는 진동에 민감할 수 있다.

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광섬유 자이로스코프
기본 정보
섬유 광학 자이로스코프의 원리 다이어그램
섬유 광학 자이로스코프의 원리
유형관성 항법 장치
작동 원리사냑 효과
역사
개발1976년 (최초 시연)
특징
장점움직이는 부품 없음
높은 신뢰성
넓은 동적 범위
소형 및 경량
단점온도 변화에 민감
광섬유의 품질에 의존
응용 분야
활용 분야항공기
선박
미사일
우주선
자율 주행 자동차
로봇 공학
지질 탐사
관련 기술
관련 기술링 레이저 자이로스코프
MEMS 자이로스코프
참고 문헌
참고 문헌Lefèvre, Hervé C. (2014). The Fiber-Optic Gyroscope (2nd ed.). Artech House. ISBN 978-1-60807-327-5.
Titterton, David H.; Weston, John L. (2004). Strapdown Inertial Navigation Technology (2nd ed.). Reston, VA: American Institute of Aeronautics and Astronautics. ISBN 978-1-56347-693-2.

2. 동작 원리

광섬유 자이로스코프는 사냑 효과를 이용하여 회전을 측정한다. 레이저에서 나온 빛이 광섬유 코일을 통해 반대 방향으로 진행하면서 발생하는 위상차를 측정하여 각속도를 계산한다.

2. 1. 사냑 효과

레이저에서 나오는 두 개의 빔이 동일한 광섬유에 반대 방향으로 주입된다. 사냑 효과로 인해 회전에 반대 방향으로 이동하는 빔은 다른 빔보다 약간 짧은 경로 지연을 경험한다. 결과적인 차등 위상 변화는 간섭계를 통해 측정되며, 이로써 각속도의 한 성분을 간섭 패턴의 이동으로 변환하여 광다이오드로 광도 측정한다.[1]

빔 분할 광학 장치는 레이저 다이오드(또는 다른 레이저 광원)에서 나오는 빛을 여러 번 감긴 광섬유로 구성된 코일을 통해 시계 방향 및 반시계 방향으로 전파되는 두 개의 파동으로 분할한다. 사냑 효과의 강도는 닫힌 광학 경로의 "유효 면적"에 따라 달라진다. 이는 단순히 루프의 기하학적 면적이 아니라 코일의 회전 수에 의해서도 증가한다. FOG는 1976년 발리(Vali)와 쇼트힐(Shorthill)이 처음 제안하였다. 수동 간섭계 유형의 FOG 또는 IFOG와 새로운 개념인 수동 링 공진기 FOG 또는 RFOG의 개발은 전 세계 여러 회사와 기관에서 진행 중이다.[2]

2. 2. 광섬유 자이로스코프의 구조

광섬유 자이로스코프는 레이저에서 나오는 두 개의 빔을 동일한 광섬유에 반대 방향으로 주입하여 작동한다. 사냑 효과 때문에 회전 반대 방향으로 이동하는 빔은 다른 빔보다 약간 짧은 경로 지연을 겪는다. 결과적으로 발생하는 위상 변화는 간섭계를 통해 측정되며, 이를 통해 각속도의 한 성분을 간섭 패턴의 변화로 변환하여 광다이오드로 광도 측정한다.

빔 분할 광학 장치는 레이저 다이오드(또는 다른 레이저 광원)에서 나오는 빛을 여러 번 감긴 광섬유 코일을 통해 시계 방향 및 반시계 방향으로 전파되는 두 개의 파동으로 나눈다. 사냑 효과의 강도는 닫힌 광학 경로의 "유효 면적"에 따라 달라지는데, 이는 단순히 루프의 기하학적 면적뿐만 아니라 코일의 회전 수에 의해서도 증가한다. 광섬유 자이로스코프(FOG)는 1976년 발리(Vali)와 쇼트힐(Shorthill)[1]에 의해 처음 제안되었다. 수동 간섭계 유형의 FOG(IFOG)와 새로운 개념인 수동 링 공진기 FOG(RFOG)의 개발은 전 세계 여러 회사와 기관에서 진행 중이다.[2]

2. 3. 각속도 측정

레이저에서 나오는 두 개의 빔이 동일한 섬유에 반대 방향으로 주입된다. 사그낙 효과로 인해 회전 반대 방향으로 이동하는 빔은 다른 빔보다 약간 짧은 경로 지연을 경험한다. 결과적인 차등 위상 변화는 간섭계를 통해 측정되며, 이로써 각속도의 한 성분을 간섭 패턴의 이동으로 변환하여 광다이오드로 광도 측정한다.[1]

빔 분할 광학 장치는 레이저 다이오드(또는 다른 레이저 광원)에서 나오는 빛을 여러 번 감긴 광섬유로 구성된 코일을 통해 시계 방향 및 반시계 방향으로 전파되는 두 개의 파동으로 분할한다. 사그낙 효과의 강도는 닫힌 광학 경로의 "유효 면적"에 따라 달라진다. 이는 단순히 루프의 기하학적 면적이 아니라 코일의 회전 수에 의해서도 증가한다.[1]

3. 장점

광섬유 자이로스코프(FOG)는 움직이는 부품이 없고 관성 저항에 의존하지 않아 기계식 자이로스코프의 훌륭한 대안이다. 개방 루프 및 폐 루프 구성으로 구현된다.

3. 1. 높은 정확도

광섬유 자이로스코프(FOG)는 진동, 가속 및 충격에 대한 교차 축 감도가 없기 때문에 매우 정확한 회전 속도 정보를 제공한다.[3] 고전적인 회전 질량 자이로스코프 또는 공진/기계식 자이로스코프와 달리 FOG는 움직이는 부품이 없고 움직임에 대한 관성 저항에 의존하지 않는다. 따라서 FOG는 기계식 자이로스코프의 훌륭한 대안이다. FOG는 본질적인 신뢰성과 긴 수명으로 인해 고성능 우주 응용 분야 및 군용 관성 항법 시스템에 사용된다.[3]

FOG는 일반적으로 링 레이저 자이로스코프보다 높은 분해능을 보인다.

3. 2. 높은 신뢰성

광섬유 자이로스코프(FOG)는 진동, 가속 및 충격에 대한 교차 축 감도가 없기 때문에 매우 정확한 회전 속도 정보를 제공한다. FOG는 움직이는 부품이 없고 움직임에 대한 관성 저항에 의존하지 않으므로, 고전적인 회전 질량 자이로스코프 또는 공진/기계식 자이로스코프의 훌륭한 대안이다.[3] FOG는 본질적인 신뢰성과 긴 수명으로 인해 고성능 우주 응용 분야 및 군용 관성 항법 시스템에 사용된다.[3]

3. 3. 높은 분해능

광섬유 자이로스코프(FOG)는 링 레이저 자이로스코프보다 높은 분해능을 보이는 것이 일반적이다.

4. 단점

광섬유 자이로스코프(FOG)는 초기 보정이 필요하고 일부 설계에서 진동에 민감하다는 단점이 있다.[4] 그러나 다축 FOG 및 가속도계를 위성 항법 시스템(GNSS) 데이터와 결합하면 이러한 단점을 완화할 수 있다.

4. 1. 초기 보정 필요

모든 자이로스코프 기술과 마찬가지로, 광섬유 자이로스코프(FOG)는 상세한 설계에 따라 초기 보정이 필요할 수 있다(어떤 지시가 0 각속도에 해당하는지 결정).[4]

4. 2. 진동 민감성

일부 광섬유 자이로스코프(FOG) 설계는 진동에 다소 민감할 수 있다.[4] 그러나 다축 FOG 및 가속도계와 결합하고, 위성 항법 시스템(GNSS) 데이터를 혼합하면 그 영향이 완화되어, FOG 시스템은 105mm 및 155mm 곡사포의 조준 시스템을 포함한 높은 충격 환경에 적합하다.

5. 종류

구현 방식에 따라 광섬유 자이로스코프는 다음과 같이 분류할 수 있다.


  • 간섭계 광섬유 자이로스코프 (I-FOG, Interferometric FOG)
  • 공진형 광섬유 자이로스코프 (R-FOG, Resonant FOG)

6. 응용 분야

광섬유 자이로스코프(FOG)는 진동, 가속, 충격에 대한 교차 축 감도가 없어 매우 정확한 회전 속도 정보를 제공한다. FOG는 움직이는 부품이 없고 관성 저항에 의존하지 않아 기계식 자이로스코프의 훌륭한 대안이다. 특유의 신뢰성과 긴 수명으로 인해 고성능 우주 분야[3], 군용 관성 항법 시스템 및 군사 장비[4]에 사용된다. FOG는 링 레이저 자이로스코프보다 높은 분해능을 보인다.

6. 1. 관성 항법 시스템

광섬유 자이로스코프(FOG)는 진동, 가속 및 충격에 대한 교차 축 감도가 없기 때문에 매우 정확한 회전 속도 정보를 제공한다. 고전적인 회전 질량 자이로스코프 또는 공진/기계식 자이로스코프와 달리 FOG는 움직이는 부품이 없고 움직임에 대한 관성 저항에 의존하지 않는다. 따라서 FOG는 기계식 자이로스코프의 훌륭한 대안이다. FOG는 본질적인 신뢰성과 긴 수명으로 인해 고성능 우주 응용 분야[3] 및 군용 관성 항법 시스템에 사용된다.

FOG는 개방 루프 및 폐 루프 구성으로 구현된다.

6. 2. 우주 응용 분야

광섬유 자이로스코프(FOG)는 진동, 가속 및 충격에 대한 교차 축 감도가 없어 매우 정확한 회전 속도 정보를 제공한다. 고전적인 회전 질량 자이로스코프나 공진/기계식 자이로스코프와 달리, FOG는 움직이는 부품이 없고 움직임에 대한 관성 저항에 의존하지 않는다. 따라서 FOG는 기계식 자이로스코프의 훌륭한 대안이다. FOG는 본질적인 신뢰성과 긴 수명으로 인해 고성능 우주 응용 분야[3] 및 군용 관성 항법 시스템에 사용된다.

FOG는 일반적으로 링 레이저 자이로스코프보다 높은 분해능을 보인다.

FOG는 개방 루프 및 폐 루프 구성으로 구현된다.

6. 3. 군사 장비

광섬유 자이로스코프(FOG)는 진동, 가속, 충격에 대한 교차 축 감도가 없기 때문에 매우 정확한 회전 속도 정보를 제공한다. 따라서 FOG는 105mm 및 155mm 곡사포의 조준 시스템을 포함한 높은 충격 환경에 적합하며, 정밀한 조준 및 사격을 지원한다.[4]

6. 4. 기타

광섬유 자이로스코프(FOG)는 진동, 가속 및 충격에 대한 교차 축 감도가 없기 때문에 매우 정확한 회전 속도 정보를 제공한다. 고전적인 회전 질량 자이로스코프 또는 공진/기계식 자이로스코프와 달리 FOG는 움직이는 부품이 없고 움직임에 대한 관성 저항에 의존하지 않는다. 따라서 FOG는 기계식 자이로스코프의 훌륭한 대안이다. FOG는 본질적인 신뢰성과 긴 수명으로 인해 고성능 우주 응용 분야[3] 및 군용 관성 항법 시스템에 사용된다.

FOG는 일반적으로 링 레이저 자이로스코프보다 높은 분해능을 보인다.

FOG는 개방 루프 및 폐 루프 구성으로 구현된다.

참조

[1] 논문 Fiber ring interferometer
[2] 서적 The Fiber-Optic Gyroscope ARTECH HOUSE, INC
[3] 웹사이트 Astrix® 1000 https://web.archive.[...] 2019-05-27
[4] 논문 Extracting and compensating for FOG vibration error based on improved empirical mode decomposition with masking signal


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