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 nessuna parte meccanica in movimento, nessun tempo di riscaldamento, accelerazione insensibile, ampia gamma dinamica, uscita digitale e dimensioni ridotte. Inoltre, il giroscopio in fibra ottica supera anche le fatali carenze dei giroscopi laser ad anello come il costo elevato e il fenomeno di blocco. Pertanto, i giroscopi in fibra ottica sono apprezzati da molti paesi. Giroscopi civili a fibra ottica di 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 a cavo prenderà il secondo posto (rappresentando il 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 luce che si propaga in un percorso ottico ad anello chiuso rotante rispetto allo spazio inerziale, ovvero due fasci di luce con caratteristiche uguali emessi dalla stessa sorgente luminosa nello stesso percorso ottico chiuso si propagano in direzioni opposte . Infine unisci allo stesso punto di rilevamento.
Se c'è una velocità angolare di rotazione rispetto allo spazio inerziale attorno all'asse perpendicolare al piano del percorso ottico chiuso, il percorso ottico percorso dai raggi di luce nelle direzioni avanti e indietro è diverso, risultando in una differenza di percorso ottico, e la differenza del cammino ottico è proporzionale alla velocità angolare di rotazione. . Pertanto, fintanto che la differenza di percorso ottico e la corrispondente informazione sulla differenza di fase sono note, 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 all'impatto e all'accelerazione;
(2) La fibra arrotolata 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 propagazione ciclica della luce nella bobina, è possibile ottenere precisioni diverse e ottenere un'ampia gamma dinamica;
(6) Il raggio coerente ha un breve tempo di propagazione, 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 ha bisogno di utilizzare una forte sorgente di luce coerente per migliorare l'effetto di risonanza della cavità risonante, ma la forte sorgente di luce coerente porta anche molti effetti parassiti. Come eliminare questi effetti parassiti è attualmente il principale ostacolo tecnico.
Giroscopio a fibra ottica a dispersione di Brillouin stimolato (B-FOG), il giroscopio a fibra ottica di terza generazione è un miglioramento rispetto alle due generazioni precedenti ed è ancora nella fase di ricerca teorica.
Secondo la composizione del sistema ottico: giroscopio a fibra ottica di tipo ottico integrato e a fibre ottiche.
Secondo la struttura: giroscopi a fibra ottica monoasse e multiasse.
Per tipo di loop: giroscopio a fibra ottica ad anello aperto e giroscopio a fibra ottica a circuito 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 l'accuratezza 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 a retropropagazione nell'interferometro ad anello sono di uguale lunghezza, ma questo è strettamente vero solo quando il sistema non cambia nel tempo. Gli esperimenti mostrano 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, specialmente durante il periodo di riscaldamento.
(2) L'influenza della vibrazione. Anche le vibrazioni influiranno sulla 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 di 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 diverse soluzioni. Compreso il miglioramento dei componenti del giroscopio in fibra ottica e il miglioramento dei metodi di elaborazione del segnale.