3.1 Πηγή φωτός

Η πηγή φωτός είναι το σημείο εκκίνησης του οπτικού σήματος σε ένα οπτικό ινώδες γυροσκόπιο. Η κύρια λειτουργία του είναι να παράγει σταθερό φως και να το στέλνει στο σύστημα. Χρησιμοποιείται συχνά φως χαμηλής συνοχής, όπως SLD ή πηγή φωτός ASE.

Εικόνα 3.3 Πηγή φωτός FOG

Το φως που εκπέμπεται από την πηγή εισέρχεται πρώτα στον συζεύκτη, ο οποίος χωρίζει ομοιόμορφα το φως σε δύο δέσμες και τις κατευθύνει ξεχωριστά σε μεταγενέστερα οπτικά μονοπάτια (οπτικές ίνες). Μέσω του συζεύκτη, το αρχικά μονοπάτι φως κατανέμεται για να διαδοθεί τόσο δεξιόστροφα όσο και αριστερόστροφα, θέτοντας τα θεμέλια για την επακόλουθη χρήση του φαινομένου Sagnac.

3.2 Συζεύκτης

Ένας συζεύκτης οπτικών ινών είναι ένα εξάρτημα οπτικών ινών σχεδιασμένο για την ανακατανομή οπτικών σημάτων. Περιλαμβάνει διάφορες συσκευές οπτικών ινών, όπως οπτικούς διαχωριστές, οπτικούς συνδυαστές και οπτικούς συζεύκτες. Αυτό το εξάρτημα μπορεί είτε να διανείμει σήματα από μία μόνο ίνα σε πολλαπλές ίνες είτε να συνδυάσει σήματα από πολλαπλές ίνες σε μία μόνο ίνα.

(1) X-Τύπου συζεύκτη

Εικόνα 3.4 Συζεύκτης οπτικών ινών

Ο X-coupler ενσωματώνει τις λειτουργίες ενός διαχωριστή και ενός συνδυαστή σε ένα μόνο πακέτο. Συνδυάζει και διανέμει οπτική ισχύ από δύο ίνες εισόδου και στη συνέχεια τη μεταδίδει ξεχωριστά σε δύο ίνες εξόδου. Γνωστός και ως συζεύκτης 2×2.

Εικόνα 3.5 X-τύπου Coupler (2x2)

(2) Y-waveguide

Ένας κυματοδηγός Y-junction είναι ένας τύπος συζεύκτη σε σχήμα Υ που διαθέτει μια διακριτική διαμόρφωση Υ.

Το φως από την πηγή προσπίπτει στον κυματοδηγό Υ και χωρίζεται σε δύο δέσμες από τον κυματοδηγό διακλάδωσης Υ. Αυτές οι δέσμες διαδίδονται στο πηνίο ινών δεξιόστροφα και αριστερόστροφα, αντίστοιχα. Αφού ολοκληρώσουν έναν πλήρη κύκλο μέσα στο πηνίο ινών, οι δέσμες συνδυάζονται ξανά σε μία δέσμη από τον κυματοδηγό διακλάδωσης Υ και τελικά φτάνουν στον φωτοανιχνευτή.

Εκτός από τις λειτουργίες διαχωρισμού και συνδυασμού φωτός, ο κυματοδηγός Υ μπορεί επίσης να πραγματοποιήσει τις λειτουργίες πόλωσης και αποπόλωσης, διαμόρφωσης φάσης και ούτω καθεξής.

Εικόνα 3.6 Πολυλειτουργική Ολοκληρωμένη Οπτική Συσκευή Οξειδίου Λιθίου Βισμουθίου (Y Waveguide)

3.3 Οπτικός δακτύλιος ινών

Αφού εισέλθει στον συζεύκτη 2×2, το φως ταξιδεύει μέσω ενός κυματοδηγού Υ σε έναν βρόχο οπτικών ινών. Αυτός ο βρόχος, που σχηματίζεται με την περιέλιξη μιας εκτεταμένης ίνας, επιτρέπει στο φως να διαδίδεται κατά μήκος μιας κλειστής διαδρομής. Όταν το φως διαδίδεται δεξιόστροφα και αριστερόστροφα ταυτόχρονα μέσα στον βρόχο, η περιστροφή της ίνας δημιουργεί μια μικρή χρονική διαφορά μεταξύ των δύο δεσμών, με αποτέλεσμα μια διαφορά φάσης. Αυτό το φαινόμενο, γνωστό ως φαινόμενο Sagnac, σχηματίζει τον βασικό μηχανισμό με τον οποίο τα γυροσκόπια ινών ανιχνεύουν πληροφορίες περιστροφής.

Για την ανίχνευση μικρών περιστροφών, οι οπτικές ίνες απαιτούν μήκη εκατοντάδων ή και χιλιάδων μέτρων. Ενώ τέτοια εκτεταμένα οπτικά μονοπάτια είναι μη πρακτικά, το φαινόμενο Sagnac αποκαλύπτει ότι η ευαισθησία είναι άμεσα ανάλογη με την περιοχή που περικλείεται από το οπτικό μονοπάτι. Περιστρέφοντας την εύκαμπτη ίνα πολλές φορές, μπορούμε να διατηρήσουμε την ίδια αποτελεσματική περιοχή, μειώνοντας σημαντικά τις φυσικές της διαστάσεις.

Εικόνα 3.7 Οπτικός δακτύλιος ινών

Στα γυροσκόπια οπτικών ινών, οι οπτικές ίνες τυλίγονται συνήθως σε δεκάδες, εκατοντάδες ή και περισσότερες στροφές. Αυτό συμβαίνει επειδή η διαφορά φάσης που δημιουργείται από το φαινόμενο Sagnac εξαρτάται από την αποτελεσματική περιοχή που περικλείεται από το οπτικό μονοπάτι, και όχι μόνο από το μέγεθος μιας μόνο στροφής. Με την αύξηση του αριθμού των στροφών περιέλιξης, η απόσταση διάδοσης του φωτός μπορεί να επεκταθεί σημαντικά εντός ενός περιορισμένου όγκου, ενισχύοντας έτσι τις διαφορές χρόνου και φάσης που προκαλούνται από την περιστροφή.

Η αρχή μπορεί να γίνει κατανοητή απλά ως εξής: όσο περισσότερο ταξιδεύει το φως μέσω του βρόχου ινών, τόσο πιο έντονο γίνεται το αποτέλεσμα της περιστροφής. Αυτό εξηγεί γιατί τα γυροσκόπια ινών υψηλής ακρίβειας διαθέτουν συνήθως μεγαλύτερους βρόχους ινών, ενώ οι συσκευές χαμηλής ακρίβειας ή εκπαιδευτικές συσκευές χρησιμοποιούν σχετικά μικρότερα μήκη ινών. Η ποιότητα περιέλιξης του βρόχου ινών επηρεάζει άμεσα την ακρίβεια μέτρησης του γυροσκοπίου ινών, απαιτώντας εξειδικευμένο εξοπλισμό περιέλιξης υψηλής ακρίβειας. Τα γυροσκόπια ινών δεν βασίζονται μόνο σε εξελιγμένες φυσικές αρχές, αλλά απαιτούν επίσης εξαιρετικά αυστηρές διαδικασίες κατασκευής.

Εικ. 3.8 Σύστημα βρόχου οπτικών ινών

3.4 Φωτοηλεκτρικός ανιχνευτής

Στα γυροσκόπια οπτικών ινών, ο φωτοανιχνευτής τοποθετείται στο άκρο του οπτικού συστήματος. Η κύρια λειτουργία του είναι να λαμβάνει φωτεινά σήματα που αντανακλώνται από τον βρόχο ινών και να τα μετατρέπει σε ηλεκτρικά σήματα. Ως συσκευή που βασίζεται στο φωτοηλεκτρικό φαινόμενο, ο φωτοανιχνευτής μετατρέπει τα οπτικά σήματα σε ηλεκτρικά. Λειτουργώντας σαν το ανθρώπινο μάτι, επιτρέπει την ανίχνευση τόσο ορατών όσο και αόρατων αμυδρών σημάτων.

Η οπτική συμβολή συμβαίνει όταν δύο δέσμες φωτός που διαδίδονται δεξιόστροφα και αριστερόστροφα συγκλίνουν ξανά μέσα σε ένα σύστημα. Η περιστροφή δημιουργεί μια διαφορά φάσης μεταξύ των δεσμών, προκαλώντας διακυμάνσεις στην ένταση του φωτός συμβολής. Οι φωτοηλεκτρικοί ανιχνευτές χρησιμοποιούν αυτό το φαινόμενο για να μετατρέψουν τις μικρές διακυμάνσεις έντασης σε ηλεκτρικά σήματα. Εφόσον τα σήματα συμβολής είναι συνήθως εξαιρετικά ασθενή, αυτοί οι ανιχνευτές πρέπει να έχουν υψηλή ευαισθησία για να διασφαλίσουν ότι τα επόμενα κυκλώματα μπορούν να καταγράψουν με ακρίβεια πληροφορίες που σχετίζονται με την περιστροφή.

Εικόνα 3.9 Φωτοηλεκτρικός ανιχνευτής

3.5 Κύκλωμα επεξεργασίας σήματος

Το ηλεκτρικό σήμα που εξάγεται από τον φωτοηλεκτρικό ανιχνευτή είναι εξαιρετικά ασθενές και δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί άμεσα. Επομένως, απαιτείται μια σειρά βημάτων επεξεργασίας σήματος για να ληφθεί η τελική μέτρηση της γωνιακής ταχύτητας περιστροφής. Ολόκληρη η διαδικασία μπορεί να χωριστεί απλά στα ακόλουθα βήματα:

Ø Προ-ενίσχυση: Ενισχύει εξαιρετικά ασθενή ηλεκτρικά σήματα σε ένα κατάλληλο επίπεδο για σταθερή επεξεργασία από τα επόμενα κυκλώματα.

Ø Μετατροπή και αποδιαμόρφωση σήματος: Το ενισχυμένο ηλεκτρικό σήμα μετατρέπεται σε ένα σήμα που μπορεί να υποβληθεί σε επεξεργασία από υπολογιστή ή ψηφιακό κύκλωμα και οι πληροφορίες που σχετίζονται με τη διαφορά οπτικής φάσης εξάγονται από αυτό.

Ø Έλεγχος και έξοδος: Ο ελεγκτής υπολογίζει την τιμή που αντιστοιχεί στη γωνιακή ταχύτητα περιστροφής με βάση τα αποτελέσματα της αποδιαμόρφωσης και παρέχει το αποτέλεσμα στο εξωτερικό σύστημα μέσω της διεπαφής εξόδου.

Εικόνα 3.10: Κύκλωμα επεξεργασίας σήματος FOG (Πάνω πλακέτα κυκλώματος στο διάγραμμα)

IV. Σύνοψη

Το καθοριστικό χαρακτηριστικό των γυροσκοπίων οπτικών ινών είναι η χρήση φωτός και όχι μηχανικών δομών για τη μέτρηση της περιστροφής, γεγονός που τους παρέχει διακριτά πλεονεκτήματα σε κρίσιμες μετρικές απόδοσης:

Ø Υψηλή ακρίβεια: Το σύστημα μετρά την περιστροφή χρησιμοποιώντας οπτικές αρχές, εξαλείφοντας την εξάρτηση από μηχανικές δονήσεις για βελτιωμένη ακρίβεια.

Ø Σταθερή απόδοση: Η απουσία μηχανικών εξαρτημάτων υψηλής ταχύτητας στο εσωτερικό εξασφαλίζει ελάχιστη μετατόπιση κατά τη διάρκεια παρατεταμένης λειτουργίας.

Ø Εξαιρετική αντοχή σε κραδασμούς και κρούσεις: Διατηρεί αξιόπιστη απόδοση μέτρησης ακόμη και σε περιβάλλοντα με κραδασμούς, όπως αεροσκάφη και πλοία.

Ø Υψηλή αξιοπιστία και μεγάλη διάρκεια ζωής: Οι οπτικές ίνες και τα εξαρτήματα παρουσιάζουν ελάχιστη φθορά, καθιστώντας τα ιδανικά για συνεχή μακροχρόνια λειτουργία.

Παρά την ανώτερη απόδοσή τους, τα γυροσκόπια οπτικών ινών δεν είναι καθολικά εφαρμόσιμα.

Ø Το ογκώδες μέγεθος και βάρος: Η ανάγκη περιέλιξης μακρών οπτικών ινών καθιστά τη μικρογραφία δύσκολη.

Ø Υψηλό κόστος: Τα έξοδα αυξάνονται λόγω των υλικών ινών, των οπτικών εξαρτημάτων και των διαδικασιών κατασκευής ακριβείας.

Ø Υψηλή κατανάλωση ενέργειας: Δεν είναι ιδανικό για μικροσυσκευές με μπαταρία.

Τα γυροσκόπια οπτικών ινών δεν προορίζονται να αντικαταστήσουν όλα τα γυροσκόπια, αλλά μάλλον να διαδραματίσουν έναν κεντρικό ρόλο σε τομείς που απαιτούν υψηλή ακρίβεια, αξιοπιστία και περιβαλλοντική προσαρμοστικότητα. Σε αντίθεση με τα συμβατικά γυροσκόπια MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems), λειτουργούν περισσότερο σαν έναν «επαγγελματία δρομέα μεγάλων αποστάσεων» — δίνοντας προτεραιότητα στη σταθερότητα και την ακρίβεια έναντι της ακραίας μικρογραφίας και της οικονομικής αποδοτικότητας, διατηρώντας σιωπηρά τον προσανατολισμό σε αεροδιαστημικές, βαθιά θάλασσα και εφαρμογές εξοπλισμού υψηλής τεχνολογίας.

Την επόμενη φορά που θα επιβιβαστείτε σε ένα αεροπλάνο ή θα φανταστείτε μια βαθιά θαλάσσια ανιχνευτική συσκευή να πλοηγείται αυτόνομα, θυμηθείτε ότι μια δέσμη φωτός μπορεί να τρέχει μέσα από έναν ευαίσθητο βρόχο οπτικών ινών, χρησιμοποιώντας τη λεπτή χρονική διαφορά του για να μας καθοδηγήσει.

​