1. 概要
回転ローターを持つ従来の機械式ジャイロスコープや一般的な振動MEMSジャイロスコープとは異なり、
光ファイバジャイロスコープ（FOG）は、可動機械部品を持たない高精度慣性センサーです。コイル状の光ファイバの光伝送特性を利用して、回転体の角速度を正確に測定します。超高精度、優れた安定性、瞬時の起動という独自の利点により、FOGは一般的なセンサーでは満たせないハイエンド慣性航法の需要ギャップを埋めます。
FOGは非常に広い動的測定範囲を持っています。地球の自転のような非常に遅い回転を捉えることもでき、航空機や回転機械の高速回転にも迅速に対応できます。遅延ゼロの起動をサポートし、機械式ジャイロスコープに必要なウォームアップ時間を必要とせずに安定して動作するため、高精度で高速応答が求められる産業および航空宇宙シナリオにとって非常に重要です。
構造構成によりますが、FOGは単軸タイプと3軸タイプに分けられます。単軸FOGは、小型、軽量、低コスト、簡単な校正が特徴で、基本的な単方向姿勢安定化システムに適しています。3軸FOGは、全体的な精度は高いですが、より大きなサイズ、より高いコスト、より複雑な校正を必要とし、航空機、無人車両、船舶などのハイエンド全位置航法機器に広く使用されています。その優れた総合性能により、FOGは航空宇宙、海洋航法、水中探査、高精度慣性測定システムに広く応用されています。
2. コア動作原理：サニャック効果
光ファイバジャイロスコープの動作メカニズム全体は、古典的なサニャック効果に基づいています。これは、シンプルで直感的なアナロジーで理解できます。円形のトラック上で同じ地点から出発する2人のランナーを想像してください。一人は時計回りに、もう一人は反時計回りに走ります。トラック全体が同時に回転する場合、トラックの回転と同じ方向に走るランナーはより長い距離を移動する必要があり、反対方向に走るランナーはより短い距離を移動するため、到着時間にわずかな時間差が生じます。
FOGは、光を「ランナー」、コイル状の光ファイバを「円形のトラック」として、まったく同じ論理で機能します。内部光源は安定した低コヒーレンスの光を放出し、それが2つの同一のビームに分割されます。2つのビームはそれぞれファイバーループに沿って時計回りおよび反時計回りに伝播します。ジャイロスコープが静止している場合、2つのビームは位相差なしで同時に戻ります。
デバイスが回転すると、光伝送経路が微妙に変化します。一方の光ビームはより長い実効経路を移動し、もう一方はより短い経路を移動するため、わずかな時間差と位相差が生じます。この位相差は、回転角速度に厳密に比例します。光干渉の変化を検出し計算することにより、システムはキャリアのリアルタイム回転速度を正確に解決できます。この効果は、光速の変化ではなく、回転下での実効光路の変化に由来することに注意してください。これにより、超高精度の測定安定性と精度が保証されます。
3. FOGの基本構成
光ファイバジャイロスコープは、光源、光カプラ、ファイバコイル、フォトディテクター、信号処理回路で構成される完全な光電子統合システムです。すべてのコンポーネントが精密に連携して、微小な光位相変化を読み取り可能な正確な角速度電気信号に変換します。
光源：システム全体に安定した低コヒーレンスの光（SLDやASE光源など）を提供します。安定した光出力は、光ノイズを抑制し、FOGの長期的な測定精度を確保するための基本的な保証です。
光カプラ＆Y字型導波路：コアとなる光分割・結合コンポーネントとして、2×2 X型カプラとY字型導波路は、単一の光ビームを2つの逆方向に伝播するビームに分割し、戻ってきた光を再結合します。同時に、偏光制御と位相変調を実現し、サニャック効果検出の基盤を築きます。
ファイバコイル：FOGのコアセンシングユニットであり、多数のターンにきつく巻かれた超長光ファイバで作られています。より多くのコイルターンとより長いファイバ長は、微小なサニャック位相差を増幅し、センサーの感度と精度を効果的に向上させることができます。ファイバコイルの巻線プロセスと構造安定性は、ジャイロスコープ全体の性能を直接決定します。
フォトディテクター：システムの光信号受信機として機能します。位相差のある干渉光ビームを捉え、微細な光強度変化を弱い電気信号に変換し、後続のアルゴリズム処理のための元のデータを提供します。
信号処理回路：弱い元の電気信号を増幅、復調、校正し、ノイズ干渉を除去し、最終的に正確で安定した使用可能な角速度データを計算して出力します。
4. 利点、制限、およびアプリケーションポジショニング
機械式ジャイロスコープやMEMSジャイロスコープと比較して、光ファイバジャイロスコープには独自のコア強みがあります。機械的な可動部品がないため、機械的な摩耗がなく、長期的なドリフトが非常に少なく、優れた動作安定性を備えています。強力な振動・衝撃耐性、遅延のない瞬時の起動、超高精度の測定を備えており、航空、海洋、深海シナリオなどの過酷な環境での長期連続運転に適応できます。
同時に、FOGには明らかなアプリケーション上の制限もあります。超長光ファイバと精密光学デバイスが必要なため、体積と重量が大きくなり、製造コストが高く、消費電力も比較的高いです。したがって、コンシューマーグレードのMEMSジャイロスコープのように小型化・普及させることはできず、小型のバッテリー駆動ポータブルデバイスには適していません。
産業および慣性航法市場において、FOGはMEMSジャイロスコープを置き換えるのではなく、完璧な補完関係を形成します。MEMSジャイロスコープは、小型化、低コスト、大量の民生用途に焦点を当てていますが、光ファイバジャイロスコープは、高精度、高安定性、高信頼性のプロフェッショナル航法シナリオに専念しています。航空機、船舶、深海探知機、高精度慣性航法システムなどのハイエンド機器のコア慣性センサーであり、ハイエンド慣性センシング分野で不可欠な役割を果たしています。
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