2026-01-09
مصدر الضوء هو نقطة البداية للإشارة الضوئية في جيروسكوب الألياف الضوئية. وتتمثل مهمتها الرئيسية في إنتاج ضوء مستقر وإرساله إلى النظام. غالبًا ما يستخدم الضوء منخفض التماسك، مثل مصدر الضوء SLD أو ASE.
الشكل 3.3 مصدر ضوء الضباب
يدخل الضوء المنبعث من المصدر أولاً إلى المقرنة، التي تقسم الضوء بشكل موحد إلى شعاعين وتوجههما بشكل منفصل إلى مسارات بصرية لاحقة (الألياف الضوئية). من خلال القارنة، تم تخصيص الضوء الأصلي ذو المسار الواحد للانتشار في اتجاه عقارب الساعة وعكس اتجاه عقارب الساعة، مما يضع الأساس للاستخدام اللاحق لتأثير سانياك.
مقرنة الألياف الضوئية هي أحد مكونات الألياف الضوئية المصممة لإعادة توزيع الإشارات الضوئية. وهو يشمل العديد من أجهزة الألياف الضوئية مثل المقسمات الضوئية والمجمعات الضوئية والمقرنات الضوئية. يمكن لهذا المكون إما توزيع الإشارات من ليف واحد إلى ألياف متعددة أو دمج الإشارات من ألياف متعددة في ليف واحد.
الشكل 3.4 قارنة توصيل الألياف الضوئية
تدمج قارنة التوصيل X وظائف المقسم والمجمع في حزمة واحدة. فهو يجمع الطاقة الضوئية ويوزعها من ليفتين مدخلتين، ثم ينقلها بشكل منفصل إلى ليفتين مخرجتين. يُعرف أيضًا باسم مقرنة 2 × 2.
الشكل 3.5 قارنة التوصيل من النوع X (2x2)
الدليل الموجي للوصلة Y هو نوع من قارنات التوصيل على شكل Y تتميز بتكوين Y مميز.
يسقط الضوء من المصدر على الدليل الموجي Y وينقسم إلى شعاعين بواسطة الدليل الموجي للفرع Y. تنتشر هذه الحزم في ملف الألياف في اتجاه عقارب الساعة وعكس اتجاه عقارب الساعة، على التوالي. بعد إكمال دورة كاملة واحدة داخل ملف الألياف، يتم إعادة تجميع الحزم في شعاع واحد بواسطة الدليل الموجي للفرع Y وتصل في النهاية إلى الكاشف الضوئي.
بالإضافة إلى وظائف تقسيم الضوء وجمعه، يمكن للدليل الموجي Y أيضًا تحقيق وظائف الاستقطاب وإزالة الاستقطاب وتعديل الطور وما إلى ذلك.
الشكل 3.6 جهاز بصري متكامل متعدد الوظائف لأكسيد البزموت الليثيوم (الدليل الموجي Y)
بعد دخول قارنة التوصيل 2×2، ينتقل الضوء عبر الدليل الموجي Y إلى حلقة الألياف الضوئية. هذه الحلقة، التي تتكون من لف ألياف ممتدة، تمكن الضوء من الانتشار على طول مسار مغلق. عندما ينتشر الضوء في اتجاه عقارب الساعة وعكس اتجاه عقارب الساعة في وقت واحد داخل الحلقة، فإن دوران الألياف يخلق فرقًا زمنيًا طفيفًا بين الحزمتين، مما يؤدي إلى اختلاف الطور. تشكل هذه الظاهرة، المعروفة باسم تأثير سانياك، الآلية الأساسية التي من خلالها تكتشف جيروسكوبات الألياف المعلومات الدورانية.
ولكشف الدورات الدقيقة، تتطلب الألياف الضوئية أطوالًا تصل إلى مئات أو حتى آلاف الأمتار. في حين أن مثل هذه المسارات البصرية واسعة النطاق غير عملية، فإن تأثير سانياك يكشف أن الحساسية تتناسب طرديا مع المنطقة المحاطة بالمسار البصري. ومن خلال لف الألياف المرنة عدة مرات، يمكننا الحفاظ على نفس المنطقة الفعالة مع تقليل أبعادها المادية بشكل كبير.
الشكل 3.7 حلقة الألياف الضوئية
في جيروسكوبات الألياف الضوئية، يتم لف الألياف الضوئية عادةً بالعشرات أو المئات أو حتى أكثر من اللفات. وذلك لأن فرق الطور الناتج عن تأثير سانياك يعتمد على المساحة الفعالة المحاطة بالمسار البصري، وليس فقط على حجم دورة واحدة. من خلال زيادة عدد لفات الملف، يمكن تمديد مسافة انتشار الضوء بشكل كبير ضمن حجم محدود، وبالتالي تضخيم اختلافات الوقت والطور الناتجة عن الدوران.
يمكن فهم المبدأ ببساطة على النحو التالي: كلما زاد طول انتقال الضوء عبر حلقة الألياف، أصبح تأثير الدوران أكثر وضوحًا. وهذا ما يفسر لماذا تتميز الجيروسكوبات الليفية عالية الدقة عادةً بحلقات ألياف أطول، بينما تستخدم الأجهزة منخفضة الدقة أو الأجهزة التعليمية أطوال ألياف أقصر نسبيًا. تؤثر جودة لف حلقة الألياف بشكل مباشر على دقة قياس جيروسكوب الألياف، مما يتطلب معدات لف متخصصة عالية الدقة. لا تعتمد الجيروسكوبات الليفية على مبادئ فيزيائية متطورة فحسب، بل تتطلب أيضًا عمليات تصنيع صارمة للغاية.
تين. 3.8 نظام حلقة الألياف الضوئية
في جيروسكوبات الألياف الضوئية، يتم وضع الكاشف الضوئي في نهاية النظام البصري. وتتمثل وظيفتها الأساسية في استقبال الإشارات الضوئية المنعكسة من حلقة الألياف وتحويلها إلى إشارات كهربائية. كجهاز يعتمد على التأثير الكهروضوئي، يقوم الكاشف الضوئي بتحويل الإشارات الضوئية إلى إشارات كهربائية. تعمل مثل العين البشرية، فهي تمكن من اكتشاف الإشارات الخافتة المرئية وغير المرئية.
يحدث التداخل البصري عندما ينتشر شعاعان ضوئيان في اتجاه عقارب الساعة وعكس اتجاه عقارب الساعة ويتقاربان مرة أخرى داخل النظام. يخلق الدوران اختلافًا في الطور بين الحزم، مما يتسبب في تقلب شدة ضوء التداخل. تستخدم أجهزة الكشف الكهروضوئية هذه الظاهرة لتحويل اختلافات الشدة الدقيقة إلى إشارات كهربائية. وبما أن إشارات التداخل عادة ما تكون ضعيفة للغاية، فيجب أن تتمتع هذه الكاشفات بحساسية عالية لضمان قدرة الدوائر اللاحقة على التقاط المعلومات المتعلقة بالدوران بدقة.
الشكل 3.9 الكاشف الكهروضوئي
إن الإشارة الكهربائية الناتجة عن الكاشف الكهروضوئي ضعيفة للغاية ولا يمكن استخدامها مباشرة. ولذلك، هناك حاجة إلى سلسلة من خطوات معالجة الإشارة للحصول على القياس النهائي للسرعة الزاوية الدورانية. يمكن تقسيم العملية برمتها ببساطة إلى الخطوات التالية:
Ø التضخيم المسبق: يعزز الإشارات الكهربائية الضعيفة للغاية إلى مستوى مناسب للمعالجة المستقرة بواسطة الدوائر اللاحقة.
Ø تحويل الإشارة وإزالة تشكيلها: يتم تحويل الإشارة الكهربائية المضخمة إلى إشارة قابلة للمعالجة بواسطة الكمبيوتر أو الدائرة الرقمية، ويتم استخراج المعلومات المتعلقة بفرق الطور البصري منها.
Ø التحكم والإخراج: يقوم جهاز التحكم بحساب القيمة المقابلة للسرعة الزاوية للدوران بناءً على نتائج إزالة التشكيل، ويقدم النتيجة إلى النظام الخارجي من خلال واجهة الإخراج.
الشكل 3.10: دائرة معالجة إشارة الضباب (لوحة الدائرة العلوية في المخطط)
السمة المميزة لجيروسكوبات الألياف الضوئية هي استخدامها للهياكل الخفيفة بدلاً من الميكانيكية لقياس الدوران، مما يمنحها مزايا مميزة في مقاييس الأداء المهمة:
Ø دقة عالية: يقيس النظام الدوران باستخدام المبادئ البصرية، مما يلغي الاعتماد على الاهتزازات الميكانيكية لتعزيز الدقة.
Ø الأداء المستقر: يضمن عدم وجود مكونات ميكانيكية عالية السرعة بالداخل الحد الأدنى من الانجراف أثناء التشغيل لفترة طويلة.
Ø مقاومة ممتازة للاهتزاز والتأثير: يحافظ على أداء قياس موثوق به حتى في البيئات الاهتزازية مثل الطائرات والسفن.
Ø موثوقية عالية وعمر خدمة طويل: تظهر الألياف والمكونات الضوئية الحد الأدنى من التآكل، مما يجعلها مثالية للتشغيل المستمر طويل الأمد.
على الرغم من أدائها المتفوق، فإن جيروسكوبات الألياف الضوئية ليست قابلة للتطبيق عالميًا.
Ø الحجم والوزن الضخمان: إن الحاجة إلى لف ألياف ضوئية طويلة تجعل عملية التصغير صعبة.
Ø ارتفاع التكاليف: ترتفع النفقات بسبب مواد الألياف والمكونات البصرية وعمليات التصنيع الدقيقة.
Ø استهلاك عالي للطاقة: غير مثالي للأجهزة الصغيرة التي تعمل بالبطارية.
لا يُقصد من جيروسكوبات الألياف الضوئية أن تحل محل جميع الجيروسكوبات، بل أن تلعب دورًا محوريًا في المجالات التي تتطلب دقة عالية وموثوقية وقدرة على التكيف البيئي. على عكس جيروسكوبات MEMS (الأنظمة الكهروميكانيكية الدقيقة) التقليدية، فإنها تعمل بشكل أشبه بـ "عداء مسافات طويلة محترف" - مع إعطاء الأولوية للاستقرار والدقة على التصغير الشديد وفعالية التكلفة، والحفاظ على التوجه بصمت في تطبيقات الفضاء الجوي وأعماق البحار والمعدات المتطورة.
في المرة القادمة التي تصعد فيها على متن طائرة أو تتخيل مسبارًا في أعماق البحار يبحر بشكل مستقل، تذكر أن شعاع الضوء قد يتسارع عبر حلقة ألياف بصرية دقيقة، مستخدمًا فارق التوقيت الدقيق لتوجيه طريقنا.
أرسل استفسارك مباشرة إلينا
