3.1 Lichtquelle

Die Lichtquelle ist der Ausgangspunkt des optischen Signals in einem faseroptischen Gyroskop. Ihre Hauptfunktion besteht darin, stabiles Licht zu erzeugen und in das System zu senden. Oft wird kohärenzarmes Licht verwendet, wie z. B. SLD- oder ASE-Lichtquellen.

Abbildung 3.3 FOG-Lichtquelle

Das von der Quelle emittierte Licht tritt zuerst in den Koppler ein, der das Licht gleichmäßig in zwei Strahlen aufteilt und sie getrennt in nachfolgende optische Pfade (Glasfaser) leitet. Durch den Koppler wird das ursprünglich einpfadige Licht so aufgeteilt, dass es sich sowohl im Uhrzeigersinn als auch im Gegenuhrzeigersinn ausbreitet, was die Grundlage für die spätere Nutzung des Sagnac-Effekts bildet.

3.2 Koppler

Ein Glasfaserkoppler ist eine faseroptische Komponente, die zur Umverteilung optischer Signale entwickelt wurde. Er umfasst verschiedene faseroptische Geräte wie optische Splitter, optische Kombinierer und optische Koppler. Diese Komponente kann entweder Signale von einer einzelnen Faser auf mehrere Fasern verteilen oder Signale von mehreren Fasern in einer einzelnen Faser kombinieren.

(1) X-Typ-Koppler

Abbildung 3.4 Glasfaserkoppler

Der X-Koppler integriert die Funktionen eines Splitters und eines Kombinierers in einem einzigen Gehäuse. Er kombiniert und verteilt optische Leistung von zwei Eingangsfasern und leitet sie dann getrennt an zwei Ausgangsfasern weiter. Auch bekannt als 2×2-Koppler.

Abbildung 3.5 X-Typ-Koppler (2x2)

(2) Y-Wellenleiter

Ein Y-Verzweigungs-Wellenleiter ist eine Art von Y-förmigem Koppler mit einer unverwechselbaren Y-Konfiguration.

Das Licht von der Quelle trifft auf den Y-Wellenleiter und wird durch den Y-Verzweigungs-Wellenleiter in zwei Strahlen aufgeteilt. Diese Strahlen breiten sich jeweils im Uhrzeigersinn und im Gegenuhrzeigersinn in die Faserschleife aus. Nach Abschluss eines vollen Zyklus innerhalb der Faserschleife werden die Strahlen durch den Y-Verzweigungs-Wellenleiter wieder zu einem einzigen Strahl kombiniert und erreichen schließlich den Fotodetektor.

Zusätzlich zu den Funktionen des Aufteilens und Kombinierens von Licht kann der Y-Wellenleiter auch die Funktionen der Polarisation und Depolarisation, der Phasenmodulation usw. realisieren.

Abbildung 3.6 Multifunktionale integrierte optische Vorrichtung aus Lithium-Wismut-Oxid (Y-Wellenleiter)

3.3 Glasfaserring

Nach dem Eintritt in den 2×2-Koppler durchläuft das Licht einen Y-Wellenleiter in die Glasfaserschleife. Diese Schleife, die durch das Wickeln einer verlängerten Faser gebildet wird, ermöglicht es dem Licht, sich entlang eines geschlossenen Pfades auszubreiten. Wenn sich das Licht gleichzeitig im Uhrzeigersinn und im Gegenuhrzeinsinn innerhalb der Schleife ausbreitet, erzeugt die Drehung der Faser eine geringe Zeitdifferenz zwischen den beiden Strahlen, was zu einer Phasendifferenz führt. Dieses Phänomen, bekannt als Sagnac-Effekt, bildet den Kernmechanismus, mit dem Fasergyroskope Rotationsinformationen erfassen.

Um kleinste Drehungen zu erfassen, benötigen Glasfasern Längen von Hunderten oder sogar Tausenden von Metern. Obwohl solche ausgedehnten optischen Pfade unpraktisch sind, zeigt der Sagnac-Effekt, dass die Empfindlichkeit direkt proportional zur Fläche ist, die vom optischen Pfad umschlossen wird. Durch mehrmaliges Wickeln der flexiblen Faser können wir die gleiche effektive Fläche beibehalten und gleichzeitig ihre physikalischen Abmessungen erheblich reduzieren.

Abbildung 3.7 Glasfaserring

In faseroptischen Gyroskopen werden Glasfasern typischerweise in Dutzenden, Hunderten oder sogar mehr Windungen gewickelt. Dies liegt daran, dass die durch den Sagnac-Effekt erzeugte Phasendifferenz von der effektiven Fläche abhängt, die vom optischen Pfad umschlossen wird, und nicht nur von der Größe einer einzelnen Windung. Durch Erhöhen der Anzahl der Wicklungen kann die Lichtausbreitungsstrecke innerhalb eines begrenzten Volumens erheblich verlängert und dadurch die Zeit- und Phasendifferenzen, die durch die Drehung verursacht werden, verstärkt werden.

Das Prinzip lässt sich einfach so verstehen: Je länger sich das Licht durch die Faserschleife bewegt, desto ausgeprägter wird die Wirkung der Drehung. Dies erklärt, warum hochpräzise Fasergyroskope typischerweise längere Faserschleifen aufweisen, während Geräte mit geringer Präzision oder Lehrgeräte relativ kürzere Faserlängen verwenden. Die Wickelqualität der Faserschleife wirkt sich direkt auf die Messgenauigkeit des Fasergyroskops aus und erfordert spezielle hochpräzise Wickelgeräte. Fasergyroskope basieren nicht nur auf ausgeklügelten physikalischen Prinzipien, sondern erfordern auch äußerst strenge Herstellungsprozesse.

ABB. 3.8 Glasfaserschleifensystem

3.4 Fotoelektrischer Detektor

In faseroptischen Gyroskopen befindet sich der Fotodetektor am Ende des optischen Systems. Seine Hauptfunktion besteht darin, Lichtsignale zu empfangen, die von der Faserschleife reflektiert werden, und sie in elektrische Signale umzuwandeln. Als Gerät, das auf dem photoelektrischen Effekt basiert, wandelt der Fotodetektor optische Signale in elektrische Signale um. Er funktioniert wie das menschliche Auge und ermöglicht die Erfassung sowohl sichtbarer als auch unsichtbarer schwacher Signale.

Optische Interferenz tritt auf, wenn sich zwei Lichtstrahlen, die sich im Uhrzeigersinn und im Gegenuhrzeigersinn ausbreiten, wieder innerhalb eines Systems treffen. Die Drehung erzeugt eine Phasendifferenz zwischen den Strahlen, wodurch die Intensität des Interferenzlichts schwankt. Fotoelektrische Detektoren nutzen dieses Phänomen, um kleinste Intensitätsschwankungen in elektrische Signale umzuwandeln. Da Interferenzsignale typischerweise extrem schwach sind, müssen diese Detektoren eine hohe Empfindlichkeit aufweisen, um sicherzustellen, dass nachfolgende Schaltungen rotationsbezogene Informationen genau erfassen können.

Abbildung 3.9 Fotoelektrischer Detektor

3.5 Signalverarbeitungsschaltung

Das elektrische Signal, das vom fotoelektrischen Detektor ausgegeben wird, ist extrem schwach und kann nicht direkt verwendet werden. Daher sind eine Reihe von Signalverarbeitungsschritten erforderlich, um die endgültige Messung der Winkelgeschwindigkeit zu erhalten. Der gesamte Prozess kann einfach in die folgenden Schritte unterteilt werden:

Ø Vorverstärkung: Verstärkt extrem schwache elektrische Signale auf ein geeignetes Niveau für eine stabile Verarbeitung durch nachfolgende Schaltungen.

Ø Signalumwandlung und Demodulation: Das verstärkte elektrische Signal wird in ein Signal umgewandelt, das von einem Computer oder einer digitalen Schaltung verarbeitet werden kann, und die Informationen, die sich auf die optische Phasendifferenz beziehen, werden daraus extrahiert.

Ø Steuerung und Ausgabe: Die Steuerung berechnet den Wert, der der Winkelgeschwindigkeit entspricht, basierend auf den Demodulationsergebnissen und stellt das Ergebnis über die Ausgabeschnittstelle dem externen System zur Verfügung.

Abbildung 3.10: FOG-Signalverarbeitungsschaltung (obere Leiterplatte im Diagramm)

IV. Zusammenfassung

Das entscheidende Merkmal von faseroptischen Gyroskopen ist ihre Verwendung von Licht anstelle von mechanischen Strukturen zur Messung der Drehung, was ihnen deutliche Vorteile in Bezug auf wichtige Leistungskennzahlen verschafft:

Ø Hohe Präzision: Das System misst die Drehung mithilfe optischer Prinzipien, wodurch die Abhängigkeit von mechanischen Schwingungen zur Verbesserung der Genauigkeit entfällt.

Ø Stabile Leistung: Das Fehlen von mechanischen Hochgeschwindigkeitskomponenten im Inneren sorgt für ein minimales Driften während des Dauerbetriebs.

Ø Ausgezeichnete Vibrations- und Stoßfestigkeit: Behält eine zuverlässige Messleistung auch in vibrierenden Umgebungen wie Flugzeugen und Schiffen bei.

Ø Hohe Zuverlässigkeit und lange Lebensdauer: Glasfasern und -komponenten weisen nur minimalen Verschleiß auf, wodurch sie sich ideal für den kontinuierlichen Langzeitbetrieb eignen.

Trotz ihrer überlegenen Leistung sind faseroptische Gyroskope nicht universell einsetzbar.

Ø Die sperrige Größe und das Gewicht: Die Notwendigkeit, lange Glasfasern zu wickeln, macht die Miniaturisierung zu einer Herausforderung.

Ø Hohe Kosten: Die Ausgaben steigen aufgrund von Fasermaterialien, optischen Komponenten und Präzisionsherstellungsverfahren.

Ø Hoher Stromverbrauch: Nicht ideal für batteriebetriebene Mikrogeräte.

Faseroptische Gyroskope sollen nicht alle Gyroskope ersetzen, sondern eine zentrale Rolle in Bereichen spielen, die hohe Präzision, Zuverlässigkeit und Umweltverträglichkeit erfordern. Im Gegensatz zu herkömmlichen MEMS-Gyroskopen (Micro-Electro-Mechanical Systems) funktionieren sie eher wie ein 'professioneller Langstreckenläufer' — wobei Stabilität und Genauigkeit Vorrang vor extremer Miniaturisierung und Wirtschaftlichkeit haben und stillschweigend die Ausrichtung in der Luft- und Raumfahrt, in der Tiefsee und in High-End-Geräteanwendungen aufrechterhalten.

Wenn Sie das nächste Mal in ein Flugzeug steigen oder sich vorstellen, wie eine Tiefseesonde autonom navigiert, denken Sie daran, dass ein Lichtstrahl möglicherweise durch eine empfindliche faseroptische Schleife rast und seine subtile Zeitdifferenz nutzt, um uns den Weg zu weisen.

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