- نعم

تخيل نفسك جالسًا في كرسي متدور مع إغلاق عينيك كيف تعرف مدى سرعة تدويرك؟لكن التكنولوجيا الحديثة تقدم حلاً أكثر ذكاءهذا هو جهاز "المرور الضوئي" (FOG) ، وهو جهاز متطور يكتشف الدوران بدقة محددة دون أي أجزاء متحركة.

1ما هو الجيروسكوب الضوئي؟

مرشح الألياف الضوئية هو جهاز استشعار ثقافي يقيس السرعة الزاوية باستخدام اختلاف خصائص انتشار الضوء في إطار مرجعية دوارة.على عكس الجيروسكوبات MEMS أو الجيروسكوبات الميكانيكية، لا يحتوي على كتلة تدور أو هياكل ميكانيكية. وتشمل مكوناتها الأساسية حلقة ألياف بصرية متعددة الجروح ومصدر ضوئي وكاشف ضوئي.

الشكل 1.1 الأجهزة ذات المحور الواحد في أحجام مختلفة (المصدر: GUIDENAV)

تتميز ألياف الضوئية بالجيروسكوبات بمدى قياس واسع بشكل استثنائي ، قادرة على اكتشاف كل من الدوران البطيء للغاية (مثل 0.01 ° / h ≈ 3 × 10 - 6 ° / s ،أو 1% من سرعة زاوية الدوران للأرض) ودورانات عالية السرعة مثل مروحي المروحية (eمثل "حاكم ذكي"، يمكنهم قياس جسور طويلة كيلومتر بسرعة مع تمييز الاختلافات على مستوى الميكرون، وتحقيق توازن رائع بين النطاق الديناميكي والدقة.

الشكل 1.2 الـ Uniaxial و Biaxial و Triaxial FOG (المصدر: KVH)

والأكثر إثارة للإعجاب، أنه يعمل بسرعة الضوء، مما يتيح "التنشيط الفوري مع صفر تأخير". على عكس الموجات الميكانيكية التقليدية التي يجب أن تنتظرهذه الميزة "بدء الصفر" هي ثورية في مجالات التكنولوجيا العالية التي تتطلب استجابة فورية.

الشكل 1.3 غبار منخفض الدقة على نطاق صغير (المصدر: NEDAERO و KVH)

الشكل 1.4 المقارنة بين FOG ذات المحور الواحد وثلاث محورات

الجدول 1.1 المقارنة بين اختيار دورة الموجات ذات المحور الواحد والثلاثي المحور

يمتلك الجيروسكوب الضوئي بالألياف (FOG) العديد من المزايا ، مثل عدم وجود أجزاء ميكانيكية متحركة ، والموثوقية العالية ، والبدء الفوري ، والدقة العالية والتكامل السهل. يتم استخدامه على نطاق واسع في مجال الطيران والفضاء ،ملاحة السفن، الملاحة تحت الماء ونظام قياس الثبات الراقي.

الشكل 1.5 التطبيقات النموذجية لـ FOG (المصدر: FOG Photonics)

المبدأ الأساسي تأثير ساجناك

جوهر الجيروسكوب الألياف البصرية هو تجربة فكرية بسيطة:

تخيل مسارًا دائريًا حيث يبدأ مرتكبان في نفس الوقت من نفس النقطة واحد يتحرك في اتجاه عقارب الساعة والآخر في اتجاه عكس عقارب الساعةسيبلغ الركاب في اتجاه عقارب الساعة خط النهاية أولاً من خلال "مواجهة" اتجاه الدوران، في حين أن العداء المعاكس للساعة سيصل في وقت لاحق قليلاً عن طريق "ملاحقة" الاتجاه. على الرغم من أن كلاً منهم يغطي نفس المسافة ، إلا أن أوقات وصولهما تختلف بنسبة ضئيلة.

الشكل 2.1 اثنين من الركاب تتحرك في اتجاهات معاكسة يلتقيان في نقطة تغيير أثناء تدوير المسار

في تأثير ساجناك، انتشار الضوء في المسار البصري للخاتم مشابه تماما لهذه العملية.على الرغم من أن شعاعي الضوء ينتشران في اتجاه عقارب الساعة وفي اتجاه عقارب الساعة يتبعان نفس المسار الهندسي، الفرق الزمني في وصولهم إلى الكاشف ناجم عن دوران النظام أثناء الانتشار ، مما يؤدي إلى فرق في المراحل.

الشكل 2.2 تأثير ساجناك

في جهاز تحريك الألياف الضوئية، يتصرف الضوء مثل رياضيين بنفس السرعة، حيث تعمل الألياف كمسار سباقهم.جوهر هذه الظاهرة في المجال البصري هو أكثر إثارة للاهتمام، فهي تتجاوز التراكب البسيط الذي لوحظ في الفيزياء الكلاسيكيةوفقاً لنظرية النسبية، تبقى سرعة الضوء ثابتة، ما يتغير حقاً هو المسار الفعال الذي يجب أن يمر به الضوء داخل الدائرة الدوارة.

يتم تقسيم الضوء منخفض التماسك من المصدر إلى شعاعين ويتم حقنه في نفس الألياف الملفوفة ، مع وجود شعاع واحد يسافر في اتجاه عقارب الساعة والآخر في اتجاه عقارب الساعة.عندما يكون الجهاز ثابت، كل من الأشعة تعود في نفس الوقت دون تدخل. ومع ذلك، عندما يدور الجهاز، والشعاع الذي يسافر في اتجاه عقارب الساعة يلتقي نقطة نهايته باستمرار "الهروب" ويجب أن تغطي مسافة إضافية,بينما نقطة نهاية شعاع في اتجاه عكس عقارب الساعة تقترب منه مباشرة

الشكل 2.3 الضوء الذي يدخل ويخرج من المسار البصري

هذا الفرق في المراحل صغير جداً، يقاس بالبيكوسكوندات (تريلليون من الثانية) ، ومع ذلك يمكن أن يتم التقاطه بواسطة أنظمة بصرية متطورة وتحويله إلى إشارات دوران.تظهر التجارب أن حجم هذا الفرق في المراحل يتناسب بشكل مباشر مع سرعة الزاوية للدوران، مما يتيح استنتاج السرعة الزاوية عن طريق الكشف عن تغيرات المراحل في إشارة التداخل. هذه الظاهرة، المعروفة باسم تأثير ساجناك،يشكل الأساس الفيزيائي لقياس السرعة الزاوية في أجهزة التجريب بالألياف البصرية.

III. التكوين

يستند الجيروسكوب الألياف البصرية على تأثير Sagnac لقياس سرعة الزاوية للدوران، ولكن المبدأ الفيزيائي وحده ليس كافيا، ولكن أيضا بحاجة إلى مجموعة من الأجهزة المحددة،من أجل تحويل هذا التأثير الضوئي الصغير إلى نتائج قياس قابلة للقراءة.

بشكل عام، الجيروسكوب الألياف البصرية ليس جهازا واحدا، ولكن مزيجا من مكونات متعددة بما في ذلك مصدر الضوء، وقطب، حلقة الألياف، وكاشف، ودوائر معالجة الإشارة.تعمل هذه المكونات معاً لتمكين انتشار الضوء والتداخل داخل الألياف، في نهاية المطاف توليد إشارة كهربائية مرتبطة بالدوران.

الشكل 3.1 سير عمل FOG العادي في الحلقة المفتوحة

الشكل 3.2 سير العمل النموذجي لـ FOG في الحلقة المغلقة

- نعم