광섬유 자이로스코프

자이로스코프란 무엇인가요?

광섬유 자이로스코프(FOG)는 매우 정밀하고 정확한 회전 센서입니다. FOG는 항공기, 우주선, 선박 및 기타 차량의 내비게이션 및 안내 시스템에 사용됩니다. FOG는 광섬유 코일 내에서 이동하는 레이저 빛의 간섭을 측정하여 회전을 감지합니다.

자이로스코프 기초

자이로스코프는 방향과 각속도를 감지할 수 있는 장치입니다. 어린이 장난감으로도 잘 알려진 프레임에 고정되어 회전되는 바퀴는 자이로스코프의 가장 간단한 형태 중 하나입니다. 각운동량에 따라 바퀴 주위의 프레임이 회전하더라도 바퀴 방향이 일정하게 유지됩니다.

자이로스코프는 20세기에서 비행기, 로켓 등의 비행 물체의 발전에 따라 장난감 이상의 가치를 지니게 되었습니다. 자이로스코프가 중요한 이유는 차량 또는 선박과 다른 비행 물체 고유의 항법 요건 때문입니다. 즉, 자이로스코프는 3차원 모두 자유롭게 회전하고 이동할 수 있습니다. 따라서 조종사는 항공기 제어를 위해 3개 축을 기준으로 차량의 방향을 지속적으로 알 수 있어야 합니다. 

무인 로켓과 미사일은 추가적인 요구 사항이 있습니다. 이러한 비행 물체는 인간 조종사의 모니터링이 없어도 방향과 위치를 알 수 있어야 합니다. 이에 대한 해결책이 바로 관성 유도 시스템(IGS)입니다. IGS는 자이로스코프를 사용하여 방향과 각도 이동을 감지하여 비행 물체를 지속적으로 제어하고 시작 지점으로부터 얼마나 멀리 이동했는지 계산합니다.

광섬유 자이로스코프의 장점

최초의 자이로스코프는 모터 구동 회전자와 다양한 센서를 사용하여 각속도와 방향 정보를 판독하고 이를 인간 조종사 또는 IGS에 제공하는 방식으로 기계식으로 작동했습니다. 이러한 기계식 자이로는 상대적으로 크고 무거웠습니다. 진동에 따라 성능이 달라지고 잦은 보정이 필요했습니다. 

간섭계 광섬유 자이로스코프(IFOG)는 기계식 자이로스코프의 한계를 극복하기 위해 개발되었습니다. IFOG는 기계식 회전자 대신 광섬유 코일, 간섭성 광원, 광검출기를 사용하여 회전을 감지합니다. 그 결과 더 작고, 더 가볍고, 더 정확한 시스템을 만들 수 있습니다.

IFOG 내부에서 광원은 광섬유 코일에 들어가기 전 2개의 빔으로 분할됩니다. 2개의 빔이 광섬유 반대쪽 끝에 결합되어, 하나는 시계 방향으로 이동하고, 다른 하나는 반시계 방향으로 이동합니다.

코일이 축을 따라 회전하는 경우 두 빔은 서로 상대적으로 위상 변이를 겪습니다. 이것을 사냐크 효과라고 부릅니다. 두 빔은 광섬유를 빠져나갈 때 재결합됩니다. 모든 위상 변이는 결합된 빔에서 간섭 줄무늬(밝고 어두운 패턴)를 생성합니다. 검출기는 이 패턴을 감지하여 회전 각속도를 확인합니다. 일반적으로 다른 2개의 코일에 직각으로 장착되는 3개의 코일을 사용해서 3개 축 모두에서 회전을 동시에 감지합니다.

IFOG 생성

IFOG 코일은 일반적으로 복굴절 수준이 높은 편광 유지 광섬유를 중심 축을 따라 감은 후 코일을 보호 재료로 캡슐화하는 방식으로 만듭니다. 캡슐화 방법에는 습식 및 건식의 두 가지 유형이 있습니다. 습식 IFOG 코일은 기름이나 물과 같은 액체를 사용하여 광섬유를 보호 및 지지하고, 건식 IFOG 코일은 세라믹이나 유리와 같은 고체를 사용하여 광섬유를 보호 및 지지합니다. 

습식 IFOG 코일은 온도 안정성이 더 뛰어나고 사용 가능한 환경 범위가 더 넓습니다. 그러나 습식 IFOG 코일은 더 복잡하고 제조하기 어렵습니다. 건식 IFOG 코일은 더 간단하고 제조하기도 쉽지만 온도 변화에 더 민감합니다.

IFOG 광원은 일반적으로 저전력, 연속파 레이저, 초발광 다이오드 또는 증폭된 자발적 방출원입니다. 검출기는 일반적으로 포토다이오드 또는 광전자 증배관입니다. 

IFOG 구성은 특히 코일을 감는 방법과 포장하는 방법에 대한 옵션을 포함하여 거의 무한대로 가능합니다. 다른 변수로는 코일 내 총 섬유 길이, 다양한 광학 코팅, 방사선 저항과 같은 기능(특히 우주 응용 분야의 경우) 등이 있습니다. 

그러나 이렇게 형태가 다른 설계라도 시스템 중심의 광섬유 코일 측면에서는 요구 사항이 상당히 비슷합니다. 특히 적절한 IFOG 성능을 얻기 위해서는 특정 매개변수가 충족되어야 합니다. 가장 중요한 것은 삽입 손실, 편광 소멸 비율(PER) 및 파장 의존 손실입니다. 권선 정밀도와 캡슐화 품질도 중요합니다.

이러한 영역에서 우수한 성능을 얻기 위해서는 광섬유 자체의 제조와 코일 형식의 권선 공정을 엄격하게 제어할 수 있어야 합니다. 특히 반대 방향으로 이동하는 빔이 동일한 조건을 경험할 수 있도록 완벽하게 대칭이 되는 방식으로 광섬유 코일을 감는 것이 중요합니다. 또한 감긴 광섬유에서 기계적 응력을 최소화해야 합니다.

이러한 작업을 반복적으로 수행하기 위해서는 상당한 수준의 전문 기술과 공정 경험이 필요합니다. Coherent는 고성능 IFOG 코일을 일관되게 생산하는 데 필요한 공정 제어 수준을 보장하기 위해 광섬유 케이블 인출부터 코일 권선까지 완전히 수직 통합된 IFOG 코일 제조 기능을 제공합니다.

IFOG에서 "최고의" 단일 유형이란 존재하지 않습니다. 특정 적용 방식에서의 비용에 따라 필요한 성능 수준, 작동 환경, 허용 가능한 크기, 무게, 소비 전력을 절충해야 합니다. 

IFOG 작동

IFOG는 기존 자이로스코프는 물론 다른 비기계적인 기술들에 비해 몇 가지 중요한 이점이 있습니다. IFOG는 매우 민감하며 초당 몇 나노라디안 해상도의 각속도까지 매우 작은 회전 운동을 감지할 수 있습니다. 이것은 기계식 자이로스코프보다 현저히 뛰어납니다. 따라서 더 정확한 내비게이션 및 안내를 제공합니다.

또한 IFOG는 상대적으로 진동 및 전자파 간섭의 영향을 덜 받으며 수명이 길고 유지보수 요구 사항이 적습니다. 따라서 여러 가지 "가혹한" 환경이나 장비 액세스가 제한적인 경우에 유용합니다. 여기에는 우주 응용 분야와 해상 및 수중 이동체 및 장비를 위한 관성 측정 시스템이 포함됩니다. 

IFOG는 높은 민감도와 정확도 덕분에 고정 구조물을 안정화하는 데에도 자주 사용됩니다. 예를 들어 IFOG는 교량, 건물 또는 안테나 플랫폼과 같은 구조물의 회전 운동을 측정하고 운동을 보정하는 제어 시스템에 피드백 데이터를 제공할 수 있습니다. 그 결과 특히 강풍이나 지진 등의 조건에서 구조물의 안정성을 유지하는 데 도움이 될 수 있습니다.

요약하자면, IFOG는 다양한 분야에서 응용될 수 있는 정밀도와 정확도가 뛰어난 회전 센서입니다. 전자파 간섭의 영향을 덜 받고, 상대적으로 진동에 강하며, 수명이 길고, 유지보수 요구 사항이 적고, 비교적 작고 가볍습니다. 따라서 항공기, 선박, 지상 차량의 내비게이션, 안내 및 제어 시스템에서 사용하는 데 이상적입니다. 또한 산업 자동화 및 로봇 공학에서도 유용하게 사용될 수 있습니다.