Glasfaserkreisel

Das faseroptische Gyroskop ist der faseroptische Winkelgeschwindigkeitssensor, 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, keine empfindliche Beschleunigung, einen großen Dynamikbereich, einen digitalen Ausgang und eine geringe Größe hat. Darüber hinaus überwindet das faseroptische Gyroskop auch die schwerwiegenden Nachteile von Ringlasergyroskopen wie hohe Kosten und Blockierungsphänomene. Daher werden faseroptische Gyroskope in vielen Ländern geschätzt. In Westeuropa wurden zivile Glasfaserkreisel mit geringer Präzision in kleinen Mengen hergestellt. Es wird geschätzt, dass der Umsatz mit Glasfasergyroskopen auf dem amerikanischen Gyroskopmarkt im Jahr 1994 49 % erreichen wird und der Kabelgyroskop den zweiten Platz einnehmen wird (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 Pfad, der relativ zum Trägheitsraum rotiert, d. h. zwei Lichtstrahlen mit gleichen Eigenschaften, die von derselben Lichtquelle im selben geschlossenen optischen Pfad emittiert werden, breiten sich in entgegengesetzte Richtungen aus . Schließlich zum gleichen Erkennungspunkt zusammenführen.
Wenn eine Winkelgeschwindigkeit der Drehung relativ zum Trägheitsraum um die Achse senkrecht zur Ebene des geschlossenen optischen Pfads vorliegt, ist der optische Pfad, den die Lichtstrahlen in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung zurücklegen, unterschiedlich, was zu einem optischen Pfadunterschied führt. und der optische Wegunterschied ist proportional zur Winkelgeschwindigkeit der Rotation. . Daher kann die Rotationswinkelgeschwindigkeit ermittelt werden, solange die optische Wegdifferenz und die entsprechende Phasendifferenzinformation bekannt sind.

Im Vergleich zum elektromechanischen Gyroskop oder Lasergyroskop weist das faseroptische Gyroskop die folgenden Eigenschaften auf:
(1) Das Instrument besteht aus wenigen Teilen, ist fest und stabil und weist eine hohe Widerstandsfähigkeit gegen Stöße und Beschleunigung auf.
(2) Die gewickelte Faser ist länger, was die Erkennungsempfindlichkeit und Auflösung um mehrere Größenordnungen verbessert als die des Lasergyroskops;
(3) Es gibt keine mechanischen Getriebeteile und es gibt kein Verschleißproblem, sodass eine lange Lebensdauer gewährleistet ist.
(4) Es ist einfach, die integrierte optische Schaltkreistechnologie zu übernehmen, das Signal ist stabil und es kann direkt für die digitale Ausgabe verwendet und mit der Computerschnittstelle verbunden werden;
(5) Durch Ändern der Länge der optischen Faser oder der Anzahl der zyklischen Lichtausbreitungen in der Spule können unterschiedliche Präzisionen und ein großer Dynamikbereich erreicht werden.
(6) Der kohärente Strahl hat eine kurze Ausbreitungszeit, sodass er im Prinzip sofort ohne Vorheizen 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 Funktionsprinzip:
Interferometrische faseroptische Gyroskope (I-FOG), die erste Generation faseroptischer Gyroskope, sind derzeit am weitesten verbreitet. Es verwendet eine Glasfaserspule mit mehreren Windungen, um den SAGNAC-Effekt zu verstärken. Ein Zweistrahl-Toroidinterferometer, das aus einer Single-Mode-Glasfaserspule mit mehreren Windungen besteht, kann eine höhere Genauigkeit bieten und wird zwangsläufig 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 verstärken, um die Genauigkeit zu verbessern. Daher können kürzere Fasern verwendet werden. R-FOG muss eine starke kohärente Lichtquelle verwenden, um den Resonanzeffekt des Resonanzhohlraums zu verstärken, aber die starke 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 Gyroskop (B-FOG), das faseroptische Gyroskop der dritten Generation, stellt eine Verbesserung gegenüber den beiden vorherigen Generationen dar und befindet sich noch im theoretischen Forschungsstadium.
Entsprechend der Zusammensetzung des optischen Systems: integrierter optischer Typ und faseroptischer Gyroskop vom Vollfasertyp.
Je nach Struktur: einachsige und mehrachsige faseroptische Gyroskope.
Nach Schleifentyp: Glasfasergyroskop mit offener Schleife und Glasfasergyroskop mit geschlossener Schleife.

Seit seiner Einführung im Jahr 1976 hat sich das faseroptische Gyroskop stark weiterentwickelt. Allerdings weist das faseroptische Gyroskop immer noch eine Reihe technischer Probleme auf. Diese Probleme beeinträchtigen die Genauigkeit und Stabilität des faseroptischen Gyroskops und schränken somit seinen breiten Anwendungsbereich ein. umfasst hauptsächlich:
(1) Die Auswirkung von Temperaturtransienten. Theoretisch sind die beiden zurücklaufenden Lichtwege im Ringinterferometer gleich lang, was jedoch streng genommen nur dann zutrifft, wenn sich das System nicht mit der Zeit ändert. Experimente zeigen, dass der Phasenfehler und die Drift des Drehratenmesswerts proportional zur zeitlichen Ableitung der Temperatur sind. Besonders in der Aufwärmphase ist das sehr schädlich.
(2) Der Einfluss von Vibrationen. Auch Vibrationen beeinflussen die Messung. Um eine gute Stabilität der Spule zu gewährleisten, muss eine geeignete Verpackung verwendet werden. Das interne mechanische Design muss sehr vernünftig sein, um Resonanzen zu verhindern.
(3) Der Einfluss der Polarisation. Heutzutage ist die am weitesten verbreitete Singlemode-Faser eine Dualpolarisationsmode-Faser. Die Doppelbrechung der Faser erzeugt eine parasitäre Phasendifferenz, sodass eine Polarisationsfilterung erforderlich ist. Depolarisationsfasern können die Polarisation unterdrücken, führen jedoch zu höheren Kosten.
Um die Leistung des Oberteils zu verbessern. Es wurden verschiedene Lösungen vorgeschlagen. Einschließlich der Verbesserung der Komponenten des faseroptischen Gyroskops und der Verbesserung der Signalverarbeitungsmethoden.