링 레이저 자이로의 lock-in에 의한 위상오차 추정과 보상에 관한 연구

Abstract

링 레이저 자이로 (Ring Laser Gyroscope : RLG)는 서로 반대방향으로 유도 방출되는 레이저의 공진 주파수가 외부 회전 입력에 따라 서로 달라지는 Sagnac 효과를 이용하여 회전각속도를 검출 하는 센서이다. 그런데 외부 회전 입력이 너무 작을 때는 반사경의 후방산란으로 인해 빛이 왜곡되어 자이로의 출력이 나타나지 않는 lock-in 현상이 발생한다. 이런 비선형적인 환산계수 오차를 보상하는 방법은 자기 광학 바이어스 인가 방법, 반사경을 진동시키는 방법, 기계적인 몸체진동기를 이용하여 각 진동을 인가하는 방법 등이 있다. 그 중 물리적으로 구속되어 있어 바이어스 오차를 유발하지 않는 몸체진동기를 이용하는 방법이 가장 많이 사용되고 있다. 이 방법은 자이로가 lock-in 구간에 머무르는 시간을 최소화하여 lock-in에 의한 영향을 줄이는 방법이다. 그러므로 자이로를 이용하여 외부 회전 각속도를 검출하기 위해서는 몸체진동기에 의한 각 진동은 제거되어야 한다. 몸체진동 신호의 제거 방법은 dither trapping, dither stripping 그리고 dither 신호의 필터링 방법이 있다. 본 연구에서는 칼만 필터를 이용하여 몸체진동을 측정하는 RAVS(relative angular velocity sensor)로부터 정확한 몸체진동 정보를 획득하여 자이로의 출력으로부터 몸체진동 정보를 제거하는 새로운 dither stripping 기법을 제안한다. 제안된 기법의 성능을 검증하기 위하여 모의실험과 실험을 수행하였고, 기존의 dither stripping 방법과의 비교를 통해 성능이 우수함을 검증하였다. 한편, 몸체진동기의 lock-in 회피 방법은 사인파의 각 진동에 의해 주기적으로 lock-in 구간을 지나게 되어 dynamic lock-in을 유발시킨다. 이를 보상하기 위해 각 진동의 진폭을 불규칙적으로 인가하게 되는데, 이로 인하여 자이로의 출력에는 각도 불규칙 잡음(angle random walk)이 발생된다. 본 연구에서는 lock-in과 불규칙한 몸체진동에 의한 자이로 출력의 각도 불규칙 잡음을 줄일 수 있도록 lock-in 구간을 반복적으로 지나면서 발생되는 자이로 출력의 위상오차를 자이로의 출력신호로부터 추정하여 보상하는 새로운 기법을 제안한다. 위상오차의 추정성능을 검증하기 위해 모의실험을 수행하였고, 그 결과로부터 각도 불규칙 잡음을 약 1/10 줄일 수 있음을 확인하였다.