Glasfaser-Gyro

Das faseroptische Gyroskop ist der Faserwinkelgeschwindigkeitssensor, der unter den verschiedenen faseroptischen Sensoren der vielversprechendste ist. Das faseroptische Gyroskop hat wie das Ringlasergyroskop die Vorteile, dass es keine mechanisch beweglichen Teile, keine Aufwärmzeit, unempfindliche Beschleunigung, einen großen Dynamikbereich, einen digitalen Ausgang und eine geringe Größe gibt. Außerdem überwindet das faseroptische Gyroskop auch die fatalen Nachteile von Ringlasergyroskopen, wie hohe Kosten und Blockierungsphänomene. Daher werden faseroptische Gyroskope von vielen Ländern geschätzt. Zivile faseroptische Gyroskope mit niedriger Präzision wurden in Westeuropa in kleinen Serien hergestellt. Es wird geschätzt, dass 1994 der Absatz von faseroptischen Kreiseln auf dem amerikanischen Kreiselmarkt 49% erreichen wird und der Kabelkreisel den zweiten Platz einnehmen wird (mit 35% des Umsatzes).

Das Funktionsprinzip des faseroptischen Gyroskops basiert auf dem Sagnac-Effekt. Der Sagnac-Effekt ist ein allgemeiner verwandter Effekt der Lichtausbreitung in einem geschlossenen optischen Weg, der sich relativ zum Trägheitsraum dreht, d. h. zwei Lichtstrahlen mit gleichen Eigenschaften, die von derselben Lichtquelle im selben geschlossenen optischen Weg emittiert werden, breiten sich in entgegengesetzte Richtungen aus . Verschmelzen Sie schließlich zum gleichen Erkennungspunkt.
Bei einer Drehwinkelgeschwindigkeit relativ zum Trägheitsraum um die Achse senkrecht zur Ebene des geschlossenen Strahlengangs ist der von den Lichtstrahlen in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung zurückgelegte Strahlengang unterschiedlich, was zu einem optischen Wegunterschied führt, und der optische Wegunterschied ist proportional zur Winkelgeschwindigkeit der Rotation. . Daher kann die Drehwinkelgeschwindigkeit erhalten werden, solange die optische Wegdifferenz und die entsprechenden Phasendifferenzinformationen bekannt sind.

Im Vergleich zum elektromechanischen Gyroskop oder Lasergyroskop hat das faseroptische Gyroskop die folgenden Eigenschaften:
(1) Wenige Teile, das Instrument ist fest und stabil und hat eine starke Schlag- und Beschleunigungsbeständigkeit;
(2) Die gewickelte Faser ist länger, was die Erfassungsempfindlichkeit und Auflösung um mehrere Größenordnungen verbessert als die des Lasergyroskops;
(3) Es gibt keine mechanischen Getriebeteile und es gibt kein Verschleißproblem, daher hat es eine lange Lebensdauer;
(4) Es ist einfach, integrierte optische Schaltungstechnologie zu übernehmen, das Signal ist stabil und kann direkt für die digitale Ausgabe verwendet und an die Computerschnittstelle angeschlossen werden;
(5) Durch Ändern der Länge der Lichtleitfaser oder der Anzahl der zyklischen Lichtausbreitungen in der Spule können unterschiedliche Genauigkeiten und ein breiter Dynamikbereich erreicht werden;
(6) Der kohärente Strahl hat eine kurze Laufzeit, so dass er im Prinzip ohne Vorheizen sofort gestartet werden kann;
(7) Es kann zusammen mit dem Ringlasergyroskop verwendet werden, um Sensoren verschiedener Trägheitsnavigationssysteme zu bilden, insbesondere die Sensoren von Strap-Down-Trägheitsnavigationssystemen;
(8) Einfache Struktur, niedriger Preis, geringe Größe und geringes Gewicht.

Einstufung
Nach dem Arbeitsprinzip:
Interferometrische faseroptische Gyroskope (I-FOG), die erste Generation von faseroptischen Gyroskopen, sind derzeit am weitesten verbreitet. Es verwendet eine Glasfaserspule mit mehreren Windungen, um den SAGNAC-Effekt zu verstärken. Ein Zweistrahl-Toroid-Interferometer, das aus einer Mehrwindungs-Einmoden-Lichtwellenleiterspule besteht, kann eine höhere Genauigkeit bieten und wird unweigerlich die Gesamtstruktur komplizierter machen;
Das resonante faseroptische Gyroskop (R-FOG) ist das faseroptische Gyroskop der zweiten Generation. Es verwendet einen Ringresonator, um den SAGNAC-Effekt und die zyklische Ausbreitung zu verbessern, um die Genauigkeit zu verbessern. Daher können kürzere Fasern verwendet werden. R-FOG muss eine stark kohärente Lichtquelle verwenden, um den Resonanzeffekt des Resonanzhohlraums zu verstärken, aber die stark kohärente Lichtquelle bringt auch viele parasitäre Effekte mit sich. Die Beseitigung dieser parasitären Effekte ist derzeit das größte technische Hindernis.
Stimulated Brillouin Scattering Fiber Optic Gyroscope (B-FOG), das faseroptische Gyroskop der dritten Generation, ist eine Verbesserung gegenüber den beiden vorherigen Generationen und befindet sich noch im theoretischen Forschungsstadium.
Je nach Zusammensetzung des optischen Systems: faseroptisches Gyroskop vom integrierten optischen Typ und vom reinen Fasertyp.
Je nach Aufbau: einachsige und mehrachsige faseroptische Kreisel.
Nach Schleifentyp: faseroptisches Gyroskop mit offener Schleife und faseroptisches Gyroskop mit geschlossener Schleife.

Seit seiner Einführung im Jahr 1976 hat sich das faseroptische Gyroskop stark weiterentwickelt. Das faseroptische Gyroskop weist jedoch noch eine Reihe von technischen Problemen auf, diese Probleme beeinträchtigen die Genauigkeit und Stabilität des faseroptischen Gyroskops und begrenzen somit seinen breiten Anwendungsbereich. beinhaltet hauptsächlich:
(1) Die Wirkung von Temperaturtransienten. Theoretisch sind die beiden sich rückwärts ausbreitenden Lichtwege im Ringinterferometer gleich lang, dies gilt jedoch streng genommen nur dann, wenn sich das System mit der Zeit nicht ändert. Versuche zeigen, dass der Phasenfehler und die Drift des Drehratenmesswertes proportional zur zeitlichen Ableitung der Temperatur sind. Dies ist besonders während der Aufwärmphase sehr schädlich.
(2) Der Einfluss von Schwingungen. Auch Vibrationen beeinflussen die Messung. Für eine gute Stabilität des Coils ist eine geeignete Verpackung zu verwenden. Das interne mechanische Design muss sehr vernünftig sein, um Resonanzen zu vermeiden.
(3) Der Einfluss der Polarisation. Heutzutage ist die am weitesten verbreitete Singlemode-Faser eine Dual-Polarisationsmode-Faser. Die Doppelbrechung der Faser erzeugt eine parasitäre Phasendifferenz, daher ist eine Polarisationsfilterung erforderlich. Depolarisationsfasern können die Polarisation unterdrücken, führen jedoch zu einem Anstieg der Kosten.
Um die Leistung des Tops zu verbessern. Es wurden verschiedene Lösungen vorgeschlagen. Einschließlich der Verbesserung der Komponenten des faseroptischen Kreisels und der Verbesserung der Signalverarbeitungsverfahren.