​

تصور کنید که روی یک صندلی چرخان با چشمان بسته نشسته‌اید—چگونه می‌دانید با چه سرعتی می‌چرخید؟ ژیروسکوپ‌های سنتی به یک 'روتور' چرخان با سرعت بالا متکی هستند تا چرخش را تشخیص دهند، اما فناوری مدرن راه‌حل هوشمندانه‌تری ارائه می‌دهد: اجازه دادن به نور برای عبور از لایه‌های فیبر نوری. این ژیروسکوپ فیبر نوری (FOG) است، یک دستگاه پیشرفته که چرخش را با دقت بالا و بدون هیچ قسمت متحرکی حس می‌کند.

1. ژیروسکوپ فیبر نوری چیست؟

ژیروسکوپ فیبر نوری یک حسگر اینرسی است که سرعت زاویه‌ای را با استفاده از تغییر ویژگی‌های انتشار نور در یک چارچوب مرجع چرخان اندازه‌گیری می‌کند. بر خلاف ژیروسکوپ‌های MEMS یا ژیروسکوپ‌های مکانیکی، هیچ بلوک جرم چرخشی یا ساختار مکانیکی ندارد. اجزای اصلی آن شامل یک حلقه فیبر نوری چند رشته‌ای، منبع نور و آشکارساز فوتوالکتریک است.

شکل 1.1 ژیروسکوپ‌های FOG تک محوره در اندازه‌های مختلف (منبع: GUIDENAV)

ژیروسکوپ‌های فیبر نوری دارای محدوده اندازه‌گیری فوق‌العاده وسیعی هستند، که قادر به تشخیص چرخش‌های بسیار آهسته (مانند 0.01 درجه بر ساعت ≈ 3×10⁻⁶ درجه بر ثانیه، یا 1٪ از سرعت زاویه‌ای چرخش زمین) و چرخش‌های با سرعت بالا مانند پروانه‌های هلیکوپتر (به عنوان مثال، 600 درجه بر ثانیه) هستند. مانند یک «خط‌کش هوشمند»، آن‌ها می‌توانند پل‌های کیلومتری را به سرعت اندازه‌گیری کنند و در عین حال تفاوت‌های در سطح میکرون را تشخیص دهند و تعادل برجسته‌ای بین دامنه دینامیکی و دقت به دست آورند.

شکل 1.2 FOG تک محوره، دو محوره و سه محوره (منبع: KVH)

به طور قابل توجهی، با سرعت نور کار می‌کند و امکان «فعال‌سازی فوری با تأخیر صفر» را فراهم می‌کند. بر خلاف ژیروسکوپ‌های مکانیکی سنتی که باید منتظر بمانند تا روتور به حالت پایدار برسد، این مزیت «شروع صفر» در زمینه‌های فناوری پیشرفته که نیاز به پاسخ فوری دارند، انقلابی است.

شکل 1.3 FOG با دقت پایین و مقیاس کوچک (منبع: NEDAERO و KVH)

شکل 1.4 مقایسه FOG تک محوره و سه محوره

جدول 1.1 مقایسه انتخاب ژیروسکوپ فیبر نوری تک محوره و سه محوره

ژیروسکوپ فیبر نوری (FOG) مزایای زیادی دارد، مانند عدم وجود قطعات متحرک مکانیکی، قابلیت اطمینان بالا، راه‌اندازی فوری، دقت بالا و ادغام آسان. به طور گسترده در هوافضا، ناوبری کشتی، ناوبری زیر آب و سیستم اندازه‌گیری اینرسی پیشرفته استفاده می‌شود.

شکل 1.5 کاربردهای معمولی FOG (منبع: FOG Photonics)

II. اصل اساسی – اثر ساگناک

هسته ژیروسکوپ فیبر نوری یک آزمایش فکری ساده است:

یک مسیر دایره‌ای را تصور کنید که در آن دو دونده همزمان از یک نقطه شروع می‌کنند—یکی در جهت عقربه‌های ساعت و دیگری خلاف جهت عقربه‌های ساعت می‌دود. اگر خود مسیر بچرخد، دونده در جهت عقربه‌های ساعت با «رو به رو شدن» با جهت چرخش، ابتدا به خط پایان می‌رسد، در حالی که دونده خلاف جهت عقربه‌های ساعت با «تعقیب» جهت، کمی دیرتر می‌رسد. اگرچه هر دو مسافت یکسانی را طی می‌کنند، اما زمان رسیدن آن‌ها با یک حاشیه کوچک متفاوت است.

شکل 2.1 دو دونده که در جهت مخالف حرکت می‌کنند در یک نقطه در حال تغییر با چرخش مسیر به هم می‌رسند

در اثر ساگناک، انتشار نور در مسیر نوری حلقوی کاملاً شبیه به این فرآیند است. اگرچه دو پرتو نور که در جهت عقربه‌های ساعت و خلاف جهت عقربه‌های ساعت منتشر می‌شوند، مسیر هندسی یکسانی را دنبال می‌کنند، اما اختلاف زمان رسیدن آن‌ها به آشکارساز ناشی از چرخش سیستم در حین انتشار است که منجر به اختلاف فاز می‌شود.

شکل 2.2 اثر ساگناک

در یک ژیروسکوپ فیبر نوری، نور مانند دو ورزشکار با سرعت قابل مقایسه رفتار می‌کند، و فیبر به عنوان مسیر مسابقه آن‌ها عمل می‌کند. جوهر این پدیده در قلمرو نوری حتی قابل توجه‌تر است—از جمع‌بندی ساده مشاهده شده در فیزیک کلاسیک فراتر می‌رود. طبق نسبیت، سرعت نور ثابت می‌ماند. آنچه واقعاً تغییر می‌کند «مسیر مؤثر» است که نور باید در داخل مدار چرخان طی کند.

نور کم‌همدوسی از منبع به دو پرتو تقسیم می‌شود و به همان فیبر پیچیده تزریق می‌شود، با یک پرتو که در جهت عقربه‌های ساعت و دیگری خلاف جهت عقربه‌های ساعت حرکت می‌کند. هنگامی که دستگاه ثابت است، هر دو پرتو همزمان و بدون تداخل برمی‌گردند. با این حال، هنگامی که دستگاه می‌چرخد، پرتو در جهت عقربه‌های ساعت با «فرار» مداوم به نقطه پایانی خود برخورد می‌کند و باید مسافت بیشتری را طی کند، در حالی که نقطه پایانی پرتو خلاف جهت عقربه‌های ساعت «به سمت» آن می‌رود.

شکل 2.3 ورود و خروج نور از مسیر نوری

این اختلاف فاز بسیار کوچک است، که بر حسب پیکوثانیه (یک تریلیونیم ثانیه) اندازه‌گیری می‌شود، اما می‌تواند توسط سیستم‌های نوری پیچیده ثبت شده و به سیگنال‌های چرخشی تبدیل شود. آزمایش‌ها نشان می‌دهند که بزرگی این اختلاف فاز مستقیماً با سرعت زاویه‌ای چرخش سیستم متناسب است، که امکان استنباط سرعت زاویه‌ای را با تشخیص تغییرات فاز در سیگنال تداخل فراهم می‌کند. این پدیده، که به عنوان اثر ساگناک شناخته می‌شود، اساس فیزیکی اندازه‌گیری سرعت زاویه‌ای در ژیروسکوپ‌های فیبر نوری را تشکیل می‌دهد.

III. ترکیب

ژیروسکوپ فیبر نوری بر اساس اثر ساگناک برای اندازه‌گیری سرعت زاویه‌ای چرخش است، اما اصل فیزیکی به تنهایی کافی نیست، بلکه به مجموعه‌ای از دستگاه‌های خاص نیز نیاز دارد تا این اثر نوری کوچک را به نتایج اندازه‌گیری قابل خواندن تبدیل کند.

به طور کلی، ژیروسکوپ فیبر نوری یک دستگاه واحد نیست، بلکه ترکیبی از اجزای متعدد از جمله منبع نور، کوپلر، حلقه فیبر، آشکارساز و مدار پردازش سیگنال است. این اجزا با هم کار می‌کنند تا انتشار نور و تداخل در داخل فیبر را فعال کنند و در نهایت یک سیگنال الکتریکی مربوط به چرخش ایجاد کنند.

شکل 3.1 گردش کار معمولی FOG با حلقه باز

شکل 3.2 گردش کار معمولی FOG با حلقه بسته

​