Gyro z optických vláken

Vláknový optický gyroskop je vláknový snímač úhlové rychlosti, který je nejslibnějším mezi různými optickými snímači. Optický gyroskop, stejně jako prstencový laserový gyroskop, má výhody bez mechanických pohyblivých částí, bez zahřívací doby, necitlivého zrychlení, širokého dynamického rozsahu, digitálního výstupu a malé velikosti. Kromě toho gyroskop z optických vláken také překonává fatální nedostatky prstencových laserových gyroskopů, jako je vysoká cena a jev blokování. Proto jsou gyroskopy z optických vláken oceňovány mnoha zeměmi. V západní Evropě se v malých sériích vyráběly civilní gyroskopy z optických vláken s nízkou přesností. Odhaduje se, že v roce 1994 dosáhne prodej gyroskopů z optických vláken na americkém trhu gyroskopů 49 % a kabelové gyroskopy budou na druhém místě (tvoří 35 % prodejů).

Funkční princip gyroskopu z optických vláken je založen na Sagnacově efektu. Sagnacův efekt je obecný související efekt světla šířícího se v uzavřené optické dráze rotující vzhledem k inerciálnímu prostoru, to znamená, že dva paprsky světla se stejnými charakteristikami emitované ze stejného světelného zdroje ve stejné uzavřené optické dráze se šíří v opačných směrech. . Nakonec se spojte do stejného detekčního bodu.
Pokud existuje úhlová rychlost rotace vzhledem k inerciálnímu prostoru kolem osy kolmé k rovině uzavřené optické dráhy, optická dráha, kterou urazí světelné paprsky v dopředném a zpětném směru, je odlišná, což má za následek rozdíl v optické dráze, a rozdíl optické dráhy je úměrný úhlové rychlosti otáčení. . Proto, pokud jsou známy rozdíl optické dráhy a odpovídající informace o fázovém rozdílu, lze získat rotační úhlovou rychlost.

Ve srovnání s elektromechanickým gyroskopem nebo laserovým gyroskopem má gyroskop z optických vláken následující vlastnosti:
(1) Málo dílů, nástroj je pevný a stabilní a má silnou odolnost proti nárazu a zrychlení;
(2) Stočené vlákno je delší, což zlepšuje citlivost detekce a rozlišení o několik řádů než u laserového gyroskopu;
(3) Neexistují žádné části mechanického převodu a není problém s opotřebením, takže má dlouhou životnost;
(4) Je snadné přijmout technologii integrovaného optického obvodu, signál je stabilní a lze jej přímo použít pro digitální výstup a propojit s rozhraním počítače;
(5) Změnou délky optického vlákna nebo počtu cyklických šíření světla v cívce lze dosáhnout různé přesnosti a širokého dynamického rozsahu;
(6) Koherentní paprsek má krátkou dobu šíření, takže v zásadě může být spuštěn okamžitě bez předehřívání;
(7) Lze jej použít společně s prstencovým laserovým gyroskopem k vytvoření senzorů různých inerciálních navigačních systémů, zejména senzorů páskových inerciálních navigačních systémů;
(8) Jednoduchá struktura, nízká cena, malá velikost a nízká hmotnost.

Klasifikace
Podle principu práce:
V současnosti jsou nejpoužívanější interferometrické gyroskopy s optickými vlákny (I-FOG), první generace gyroskopů z optických vláken. Využívá víceotáčkovou cívku z optického vlákna ke zvýšení efektu SAGNAC. Dvoupaprskový toroidní interferometr složený z víceotáčkové jednovidové cívky optického vlákna může poskytnout vyšší přesnost a nevyhnutelně zkomplikuje celkovou strukturu;
Rezonanční gyroskop z optických vláken (R-FOG) je druhá generace gyroskopu z optických vláken. Využívá prstencový rezonátor pro zvýšení efektu SAGNAC a cyklické šíření pro zlepšení přesnosti. Proto může používat kratší vlákna. R-FOG potřebuje pro zesílení rezonančního efektu rezonanční dutiny použít silný zdroj koherentního světla, ale silný zdroj koherentního světla přináší také mnoho parazitních efektů. Jak tyto parazitní efekty eliminovat je v současnosti hlavní technickou překážkou.
Stimulovaný Brillouinův rozptylový optický gyroskop (B-FOG), gyroskop s optickými vlákny třetí generace je vylepšením oproti předchozím dvěma generacím a je stále ve fázi teoretického výzkumu.
Podle složení optického systému: integrovaný optický typ a celovláknový optický gyroskop.
Podle konstrukce: jednoosé a víceosé gyroskopy z optických vláken.
Podle typu smyčky: gyroskop z optických vláken s otevřenou smyčkou a gyroskop z optických vláken s uzavřenou smyčkou.

Od svého zavedení v roce 1976 byl gyroskop s optickými vlákny značně vyvinut. Avšak gyroskop s optickými vlákny má stále řadu technických problémů, tyto problémy ovlivňují přesnost a stabilitu gyroskopu s optickými vlákny, a tím omezují jeho širokou škálu aplikací. zahrnuje především:
(1) Vliv teplotních přechodů. Teoreticky jsou dvě dráhy zpětně se šířícího světla v prstencovém interferometru stejně dlouhé, ale to platí striktně pouze tehdy, když se systém s časem nemění. Experimenty ukazují, že fázová chyba a drift naměřené hodnoty rychlosti otáčení jsou úměrné časové derivaci teploty. To je velmi škodlivé, zejména v období zahřívání.
(2) Vliv vibrací. Na měření budou mít vliv i vibrace. Pro zajištění dobré odolnosti cívky musí být použito vhodné balení. Vnitřní mechanická konstrukce musí být velmi rozumná, aby se zabránilo rezonanci.
(3) Vliv polarizace. V současnosti je nejrozšířenějším jednovidovým vláknem vlákno s dvojí polarizací. Dvojlom vlákna způsobí parazitní fázový rozdíl, takže je nutná polarizační filtrace. Depolarizační vlákno může polarizaci potlačit, ale povede to ke zvýšení nákladů.
S cílem zlepšit výkon top. Byla navržena různá řešení. Včetně vylepšení komponent gyroskopu z optických vláken a zlepšení metod zpracování signálu.