링 레이저 자이로의 lock-in에 의한 위상오차 추정과 보상에 관한 연구
Estimation and Compensation of Phase Errors due to Lock-in for Ring Laser Gyros
초록/요약
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.
more초록/요약
Ring laser gyros (RLG) have been used as inertial rotation sensors. A typical RLG include three or four mirrors arranged in a triangular or square configuration for reflecting laser beam to rotate in both clockwise and counter-clockwise. With rotation about its input axis, it causes the effective path length to change by the Sagnac effect, which results in the frequency difference. A beat frequency results combining the two beams results, which is indicative of the angular velocity of the RLG. A major problem in ring laser gyros is the phenomenon of lock-in. Lock-in occurs if the input angular velocity falls below a critical value, known as the lock-in threshold, causing the gyro to cease providing a useful output information because the frequencies of the two oppositely directed travelling waves in the cavity lock together. A typical known method for overcoming the lock-in is to dither the gyro. Various methods have been proposed to solve this problem (e.g., a frequency bias using magneto-optic elements, vibrating mirrors, and a mechanical dithering method). The mechanical dithering method is well known method. The basic idea of the dithering method is to reduce the time spent in the lock-in region. The effect of dithering motion must be removed to obtain angular velocity from the RLG output. Dither removal methods commonly used in RLGs are the dither-stripping, the dither-trapping, and the dither signal filtering methods. In this thesis, we proposed a new dither signal removal method and a random walk improvement algorithm. First, the proposed dither removal algorithm is to estimate correct dither motion from RAVS(relative angular velocity sensor) using Kalman filter. We analyzed the performance of the proposed method comparing with the existing dither removal methods - the scale factor method between RLG output signal and RAVS signal, adaptive filter method and the band-stop filter method at the resonance frequency region of dithering. The proposed method showed more than ten times performance improvement through the experiments. Second, we also propose a new algorithm that is used to estimate the phase errors due to lock-in and compensates for a random walk from the output of the RLG. To verify the performance of the proposed algorithm, a simulation was performed using RLG equations. The simulation results show that the proposed algorithm can reduces random walks by about ten times over a wide temperature range and require lower timer clock frequency than Honeywell's scheme, which can lead to an easier implementation of hardware and algorithms.
more목차
제1장 서론 1
1.1 연구배경 2
1.2 연구내용 4
제2장 링 레이저 자이로의 이론적 배경 8
2.1 Sagnac 효과 9
2.2 링 레이저 자이로의 동작 원리 10
2.3 링 레이저 자이로의 오차 요인과 특성 14
2.3.1 환산계수(scale factor) 오차 16
2.3.2 바이어스(bias) 오차 17
2.3.3 Lock-in 현상 18
2.4 링 레이저 자이로의 구성 23
제3장 링 레이저 자이로의 제어 및 신호처리 26
3.1 링 레이저 자이로의 전자부 구성 27
3.2 링 레이저 자이로의 제어 29
3.2.1 방전전류 제어 29
3.2.2 광경로 제어(Path Length Control) 30
3.2.3 몸체진동기 제어(Dither Control) 33
3.3 링 레이저 자이로의 출력신호 처리 35
3.3.1 자이로 출력신호 계수부 36
3.3.2 Dither trapping 38
3.3.3 Dither stripping 39
제4장 Kalman filter를 이용한 Dither Stripping 40
4.1 링 레이저 자이로의 모형을 이용한 dither stripping 44
4.1.1 링 레이저 자이로 시스템의 모형화 45
4.1.2 시스템 식별을 이용한 모형의 매개변수 추정 50
4.1.3 Dither 모형을 이용한 dither stripping 실험 결과 58
4.2 링 레이저 자이로 모형의 출력오차 보상 60
4.2.1 Kalman filter를 이용한 모형 출력의 오차 보상 60
4.2.2 Kalman filter를 이용한 dither stripping 실험 결과 62
4.2.3 기존의 dither stripping과의 비교 63
4.2.4 자이로와 RAVS가 동위상이 아닌 경우 dither stripping 결과 66
제5장 Lock-in에 의한 위상오차 추정 및 불규칙 잡음 개선 69
5.1 링 레이저 자이로의 lock-in에 의한 위상오차 특성 70
5.2 위상오차를 추정하고 random walk를 보상하는 기법 74
5.3 모의실험 및 결과 분석 85
제6장 결 론 98
6.1 결론 99
참고문헌 102
