Giroscopio in fibra ottica

Il giroscopio in fibra ottica è il sensore di velocità angolare in fibra, che è il più promettente tra i vari sensori in fibra ottica. Il giroscopio a fibra ottica, come il giroscopio laser ad anello, presenta i vantaggi di non avere parti meccaniche in movimento, nessun tempo di riscaldamento, accelerazione insensibile, ampia gamma dinamica, uscita digitale e dimensioni ridotte. Inoltre, il giroscopio in fibra ottica supera anche i fatali difetti dei giroscopi laser ad anello, come i costi elevati e il fenomeno del blocco. Pertanto, i giroscopi in fibra ottica sono apprezzati da molti paesi. Giroscopi civili in fibra ottica a bassa precisione sono stati prodotti in piccoli lotti nell'Europa occidentale. Si stima che nel 1994 le vendite di giroscopi a fibra ottica nel mercato americano dei giroscopi raggiungeranno il 49% e il giroscopio via cavo occuperà il secondo posto (pari al 35% delle vendite).

Il principio di funzionamento del giroscopio a fibra ottica si basa sull'effetto Sagnac. L'effetto Sagnac è ​​un effetto generale correlato della propagazione della luce in un percorso ottico a circuito chiuso rotante rispetto allo spazio inerziale, ovvero due raggi di luce con uguali caratteristiche emessi dalla stessa sorgente luminosa nello stesso percorso ottico chiuso si propagano in direzioni opposte . Infine unisciti allo stesso punto di rilevamento.
Se esiste una velocità angolare di rotazione relativa allo spazio inerziale attorno all'asse perpendicolare al piano del percorso ottico chiuso, il percorso ottico percorso dai raggi luminosi nelle direzioni avanti e indietro è diverso, risultando in una differenza di percorso ottico, e la differenza del percorso ottico è proporzionale alla velocità angolare di rotazione. . Pertanto, purché siano note la differenza del percorso ottico e le corrispondenti informazioni sulla differenza di fase, è possibile ottenere la velocità angolare di rotazione.

Rispetto al giroscopio elettromeccanico o al giroscopio laser, il giroscopio a fibra ottica ha le seguenti caratteristiche:
(1) Poche parti, lo strumento è solido e stabile e ha una forte resistenza agli urti e all'accelerazione;
(2) La fibra a spirale è più lunga, il che migliora la sensibilità di rilevamento e la risoluzione di diversi ordini di grandezza rispetto a quella del giroscopio laser;
(3) Non ci sono parti di trasmissione meccanica e non ci sono problemi di usura, quindi ha una lunga durata;
(4) È facile adottare la tecnologia del circuito ottico integrato, il segnale è stabile e può essere utilizzato direttamente per l'uscita digitale e collegato all'interfaccia del computer;
(5) Modificando la lunghezza della fibra ottica o il numero di propagazioni cicliche della luce nella bobina, è possibile ottenere diverse precisezze e un ampio intervallo dinamico;
(6) Il fascio coerente ha un tempo di propagazione breve, quindi in linea di principio può essere avviato istantaneamente senza preriscaldamento;
(7) Può essere utilizzato insieme al giroscopio laser ad anello per formare sensori di vari sistemi di navigazione inerziale, in particolare i sensori di sistemi di navigazione inerziale strap-down;
(8) Struttura semplice, prezzo basso, dimensioni ridotte e peso leggero.

Classificazione
Secondo il principio di funzionamento:
I giroscopi interferometrici a fibra ottica (I-FOG), la prima generazione di giroscopi a fibra ottica, sono attualmente i più utilizzati. Utilizza una bobina in fibra ottica multigiro per migliorare l'effetto SAGNAC. Un interferometro toroidale a doppio raggio composto da una bobina in fibra ottica monomodale multigiro può fornire una maggiore precisione e renderà inevitabilmente la struttura complessiva più complicata;
Il giroscopio a fibra ottica risonante (R-FOG) è il giroscopio a fibra ottica di seconda generazione. Utilizza un risonatore ad anello per migliorare l'effetto SAGNAC e la propagazione ciclica per migliorare la precisione. Pertanto, può utilizzare fibre più corte. R-FOG necessita di utilizzare una sorgente luminosa forte e coerente per potenziare l'effetto di risonanza della cavità risonante, ma la sorgente luminosa forte e coerente comporta anche molti effetti parassiti. Come eliminare questi effetti parassiti è attualmente il principale ostacolo tecnico.
Giroscopio a fibra ottica a diffusione Brillouin stimolato (B-FOG), il giroscopio a fibra ottica di terza generazione rappresenta un miglioramento rispetto alle due generazioni precedenti ed è ancora in fase di ricerca teorica.
Secondo la composizione del sistema ottico: giroscopio in fibra ottica di tipo ottico integrato e interamente in fibra.
Secondo la struttura: giroscopi in fibra ottica monoasse e multiasse.
Per tipo di circuito: giroscopio a fibra ottica ad anello aperto e giroscopio a fibra ottica ad anello chiuso.

Dalla sua introduzione nel 1976, il giroscopio a fibra ottica è stato notevolmente sviluppato. Tuttavia, il giroscopio a fibra ottica presenta ancora una serie di problemi tecnici, questi problemi influenzano la precisione e la stabilità del giroscopio a fibra ottica e quindi limitano la sua vasta gamma di applicazioni. comprende principalmente:
(1) L'effetto dei transitori di temperatura. Teoricamente, i due percorsi luminosi che si propagano all'indietro nell'interferometro ad anello hanno la stessa lunghezza, ma questo è strettamente vero solo quando il sistema non cambia nel tempo. Gli esperimenti dimostrano che l'errore di fase e la deriva del valore di misurazione della velocità di rotazione sono proporzionali alla derivata temporale della temperatura. Questo è molto dannoso, soprattutto durante il periodo di riscaldamento.
(2) L'influenza delle vibrazioni. Anche le vibrazioni influenzeranno la misurazione. È necessario utilizzare un imballaggio adeguato per garantire una buona robustezza della bobina. Il design meccanico interno deve essere molto ragionevole per prevenire la risonanza.
(3) L'influenza della polarizzazione. Al giorno d'oggi, la fibra monomodale più utilizzata è una fibra a doppia polarizzazione. La birifrangenza della fibra produrrà una differenza di fase parassita, quindi è necessario il filtraggio della polarizzazione. La fibra di depolarizzazione può sopprimere la polarizzazione, ma porterà ad un aumento dei costi.
Al fine di migliorare le prestazioni del top. Sono state proposte varie soluzioni. Compreso il miglioramento dei componenti del giroscopio in fibra ottica e il miglioramento dei metodi di elaborazione del segnale.