자유공간 광통신을 위한 고속 조향 거울의 설계와 제어
Design and control of fast steering mirror for free space optical communication
- 주제(키워드) cartwheel flexure hinge , fast steering mirror , free space optical communication , beam positioning error
- 주제(DDC) 621.8
- 발행기관 아주대학교 일반대학원
- 지도교수 이문구
- 발행년도 2025
- 학위수여년월 2025. 2
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 기계공학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/ajou/000000034659
- 본문언어 한국어
- 저작권 아주대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
초록/요약
인터넷 사업의 발전으로 정보 교류가 활발해지며 통신량이 급격히 증가하고 있다. 기존의 무선주파수(RF) 통신은 오랫동안 사용되어 온 기술로, 구현이 비교적 용이하다는 장점이 있지만 전파 손실이 크고 주파수 사용에 제한이 있어 대용량 데이터 통신에는 한계가 있다. 이러한 한계를 극복하기 위해 자유공간 광통신 기술이 주목받고 있다. 자유공간 광 통신은 광섬유 없이 공기나 진공 등 자유공간을 통해 레이저 빔으로 데이터를 전송하는 방식으로, 고속의 대용량 데이터 전송 이 가능하며, 주파수 허가가 필요 없고 보안성이 높다는 특징이 있다. 이를 위해 송/수신부 사이의 빠른 접속을 위해 두 지점의 위치를 특정 할 수 있어야 하며, 다양한 빔 정렬 매커니즘과 레이저 스캐닝 방식을 통해 광통신의 효율성을 높일 필요가 있다. 특히, 자유 공간 상 고속의 빔 정렬이 요구되는 환경에서는 고속 조향 거울이 중요한 역할을 한 다. 하지만 광통신에 사용되는 소형 고속 조향 거울의 경우 구조적 특성상 회전 중심이 이격되어 있고, 광신호의 반사를 위해 입사각이 틀 어 져 있어 광신호 정렬 시 여러 오차들이 발생한다. 본 연구에서는 자유 공간 광통신에서 고속 조향 거울의 레이저 광원 반사 시 오차를 개선하기 위해 예측 가능한 회전 중심을 갖는 소형 고속 조향 거울의 설계를 진행하였다. 유연 힌지는 회전 중심의 이탈을 최소화하기 위해 cartwheel 힌지 형태로 설계하였으며, 유연 행렬 계산을 통해 강성과 거 동을 예측하였다. 또한, SQP 알고리즘을 활용한 최적화 방법을 통해 성능을 극대화하고 이를 유한요소해석 및 MATLAB 시각화를 통해 검증하였다. 조향각은 센서 기구학을 계산하여 gap 센서의 변위 데이터를 각도 데이터로 변환하였다. 조향은 피드백 제어기를 통해 제어되었으며, 2 mrad , 10 mrad/s ramp 입력을 ±26 mrad까지 인가하여 구동 범위를 평가하였다. 0.75 mrad 크기의 step 입력을 인가하여 응답 성능을 평가하였다. 또한, 단위 입력의 크기를 점차 줄여 0.02 mrad 의 해상도 성능을 평가하였다. 결과, 구동범위 ±26 mrad, overshoot 8.37%, settling time 54.7 ms 를 만족하였으며, 해상도는 0.02 mrad 수준에서 최소 99.24% 데이터가 3σ 이내에 위치하여 회전 변위 해상도를 검증하였다. FSM의 추종 성능을 평가하기 위해 각 회전변위에 위상차 90°의 삼각 함수 파형을 인가하여 회전 변위 오차와 위상차를 확인하였다. 각 변 위는 0.1 Hz 주파수에서 0.1 mrad 부터 25 mrad 까지 순차적으로 변화 시키며 오차를 확인하였고, 주파수의 경우 1 mrad 진폭을 유지한 상태 에서 0.1 Hz부터 5 Hz까지 변화시키며 각 구간의 위상차를 비교하였으며 tracking error는 최대 0.2 mrad, 위상차는 최대 -12.78° 를 확인하였다.
more목차
제 1 장 서론 1
1.1 연구 배경 1
1.2 선행 연구 3
1.3 연구 목표 9
제 2 장 FSM 시스템 설계 11
2.1 구동기 설계 13
2.2 구동기 유한요소해석 17
2.3 구동특성 분석 19
2.4 유연 힌지 설계 21
2.5 유연힌지 최적화 설계 26
2.5.1 최적 설계 문제 정의 26
2.5.2 설계 변수 최적화 28
2.5.3 MATLAB 계산 및 유한요소해석 검증 33
2.5.4 유연 힌지 응력 분석 38
제 3 장 제어 전략 41
3.1 센서 기구학 41
3.2 회전 변위 제어 44
제 4 장 FSM의 제작 및 실험 45
4.1 FSM 제작 및 실험 구성 45
4.2 대역폭 실험 및 분석 47
4.3 각도제어 실험 및 분석 49
4.3.1 구동 범위 실험 49
4.3.2 계단 응답 실험 52
4.3.3 분해능 실험 58
4.3.4 추종 성능 실험 62
제 5 장 결론 및 향후 계획 66
제 6 장 부록 69
6.1 빔 경로 왜곡 오차 분석 69
6.1.1 광원 입사각에 의한 오차 69
6.1.2 회전 중심 이격에 의한 오차 73
6.2 추가 제어기 구성 76
6.3 레이저 광원 위치 제어 실험 77
참고문헌 84
