3.1 منبع نور

منبع نور نقطه شروع سیگنال نوری در ژایروسکوپ فیبر نوری است. عملکرد اصلی آن تولید نور پایدار و ارسال آن به سیستم است. اغلب از نور همبستگی پایین استفاده می شود.مانند منبع نور SLD یا ASE.

شکل 3.3 منبع نور FOG

نور منتشر شده توسط منبع ابتدا وارد کوپلر می شود، که به طور یکنواخت نور را به دو پرتو تقسیم می کند و آنها را به طور جداگانه به مسیرهای نوری بعدی (فیبر نوری) هدایت می کند. از طریق کوپلر،نور یک مسیر در ابتدا برای گسترش در هر دو جهت معکوس ساعت اختصاص داده شده است.، که پایه ای برای استفاده بعدی از اثر Sagnac می گذارد.

3.2 کوپلر

یک کوپلر فیبر نوری یک قطعه فیبر نوری است که برای توزیع مجدد سیگنال های نوری طراحی شده است. این شامل دستگاه های مختلف فیبر نوری مانند تقسیم کننده های نوری، ترکیب کننده های نوری،و کوپلرهای نوریاین جزء می تواند سیگنال های یک فیبر را به چندین فیبر توزیع کند یا سیگنال های چندین فیبر را به یک فیبر واحد ترکیب کند.

(1) X-Tکوپلر ype

شکل ۳.۴: پیوندهای فیبر نوری

X-coupler عملکردهای یک تقسیم کننده و یک ترکیب کننده را در یک بسته واحد ادغام می کند.سپس آن را به طور جداگانه به دو فیبر خروجی انتقال می دهدهمچنین به عنوان یک کوپلر 2×2 شناخته می شود.

شکل 3.5 کوپلر نوع X (2x2)

(2) هدایت موج Y

یک هدایت موج Y-junction یک نوع از کوپلر های Y شکل است که دارای یک پیکربندی مشخص Y است.

نور از منبع وارد موج Y می شود و توسط شاخه Y به دو پرتو تقسیم می شود. این پرتو ها در جهت عقربه و جهت مخالف عقربه به سیم پیچ فیبر منتقل می شوند.به ترتیبپس از اتمام یک چرخه کامل در داخل کویل فیبر، اشعه ها توسط موج Y شاخه به یک اشعه واحد ترکیب می شوند و در نهایت به فتودتکتور می رسند.

علاوه بر توابع تقسیم و ترکیب نور، موج Y همچنین می تواند توابع قطبی و غیر قطبی، نوسازی فاز و غیره را درک کند.

شکل 3.6 دستگاه نوری یکپارچه چند عملکردی از اکسید بیسموت لیتیوم (رونده موج Y)

3.3 حلقه فیبر نوری

بعد از ورود به کوپلر 2 × 2 ، نور از طریق یک موج Y به حلقه فیبر نوری سفر می کند. این حلقه که با پیچیدن یک فیبر طولانی تشکیل شده است ، اجازه می دهد نور در امتداد یک مسیر بسته گسترش یابد.وقتی که نور در جهت ساعت و در جهت مخالف ساعت به طور همزمان در حلقه پخش می شود، چرخش فیبر باعث ایجاد یک تفاوت زمانی جزئی بین دو پرتو می شود که منجر به یک تفاوت فاز می شود. این پدیده که به عنوان اثر Sagnac شناخته می شود،سازوکار اصلی را تشکیل می دهد که با آن فیبر ژایروسکوپ ها اطلاعات چرخش را تشخیص می دهند.

برای تشخیص چرخش های کوچک، فیبر نوری نیاز به طول صدها یا حتی هزاران متر دارد. در حالی که چنین مسیرهای نوری گسترده ای غیر عملی هستند،اثر ساجناک نشان می دهد که حساسیت مستقیما متناسب با ناحیه احاطه شده توسط مسیر نوری استبا پیچاندن فیبر انعطاف پذیر چندین بار، می توانیم همان منطقه موثر را حفظ کنیم در حالی که ابعاد فیزیکی آن را به طور قابل توجهی کاهش می دهیم.

شکل 3.7 حلقه فیبر نوری

در ژایروسکوپ های فیبر نوری، فیبر نوری به طور معمول در ده ها، صدها یا حتی بیشتر چرخش می شوند.این به این دلیل است که تفاوت فاز تولید شده توسط اثر Sagnac بستگی به منطقه موثر محصور شده توسط مسیر نوری دارد.با افزایش تعداد پیچ های پیچ، فاصله پخش نور می تواند به طور قابل توجهی در یک حجم محدود افزایش یابد.در نتیجه افزایش تفاوت زمان و فاز ناشی از چرخش.

این اصل را می توان به سادگی به این شکل درک کرد: هرچه نور بیشتر از حلقه فیبر عبور کند، اثر چرخش بیشتر می شود.این توضیح می دهد که چرا فیبر های دوربینی با دقت بالا معمولاً دارای حلقه های فیبر طولانی تر هستنددر حالی که دستگاه های با دقت پایین یا آموزشی از طول فیبر نسبتاً کوتاه استفاده می کنند. کیفیت پیچ و تاب حلقه فیبر به طور مستقیم بر دقت اندازه گیری ژایروسکوپ فیبر تأثیر می گذارد.که نیاز به تجهیزات مخصوص پیچ و تاب با دقت بالا دارندژایروسکوپ های فیبر نه تنها به اصول فیزیکی پیچیده تکیه می کنند بلکه همچنین به فرآیندهای تولیدی بسیار سخت نیاز دارند.

شکل 3.8 سیستم حلقه فیبر نوری

3.4 آشکارساز فوتو الکتریکی

در ژایروسکوپ های فیبر نوری، فتودتکتور در انتهای سیستم نوری قرار دارد.عملکرد اصلی آن دریافت سیگنال های نوری است که از حلقه فیبر منعکس می شوند و آنها را به سیگنال های الکتریکی تبدیل می کنندبه عنوان یک دستگاه مبتنی بر اثر فوتو الکتریکی، فتودتکتور سیگنال های نوری را به سیگنال های الکتریکی تبدیل می کند.این امکان را می دهد که هر دو سیگنال های ضعیف قابل مشاهده و نامرئی را تشخیص دهد..

تداخل نوری زمانی رخ می دهد که دو پرتو نور که در جهت ساعت و در جهت مخالف ساعت گسترش می یابند دوباره در یک سیستم همگرا شوند. چرخش باعث ایجاد تفاوت فازی بین پرتو ها می شود.باعث نوسان شدت نور تداخل می شودآشکارسازان فوتو الکتریکی از این پدیده برای تبدیل تغییرات کوچک شدت به سیگنال های الکتریکی استفاده می کنند. از آنجا که سیگنال های تداخل معمولا بسیار ضعیف هستند،این آشکارسازها باید حساسیت بالایی داشته باشند تا اطمینان حاصل شود که مدارهای بعدی می توانند اطلاعات مربوط به چرخش را به دقت ضبط کنند..

شکل 3.9 آشکارگر فوتو الکتریکی

3.5 مدار پردازش سیگنال

خروجی سیگنال الکتریکی توسط آشکارگر فوتو الکتریکی بسیار ضعیف است و نمی تواند به طور مستقیم استفاده شود.یک سری از مراحل پردازش سیگنال برای به دست آوردن اندازه گیری نهایی سرعت زاویه ای چرخش مورد نیاز استکل فرآیند را می توان به سادگی به مراحل زیر تقسیم کرد:

Ø پیش تقویت: سیگنال های الکتریکی بسیار ضعیف را به سطح مناسب برای پردازش پایدار توسط مدارهای بعدی افزایش می دهد.

Ø تبدیل و دمودولاسیون سیگنال: سیگنال الکتریکی تقویت شده به سیگنال قابل پردازش توسط کامپیوتر یا مدار دیجیتال تبدیل می شود.و اطلاعات مربوط به تفاوت فاز نوری از آن استخراج می شود.

Ø کنترل و خروجی: کنترل کننده بر اساس نتایج دمودولاسیون، مقدار مربوط به سرعت زاویه ای چرخش را محاسبه می کند.و نتیجه را به سیستم خارجی از طریق رابط خروجی ارائه می دهد.

شکل 3.10: مدار پردازش سیگنال FOG (بورد مدار بالا در نمودار)

IV. خلاصه

ویژگی مشخص ژایروسکوپ های فیبر نوری استفاده از نور به جای ساختارهای مکانیکی برای اندازه گیری چرخش است که به آنها مزایای متمایز در معیارهای عملکرد حیاتی می دهد:

Ø دقت بالا: این سیستم با استفاده از اصول نوری چرخش را اندازه گیری می کند و برای افزایش دقت، وابستگی به لرزش های مکانیکی را از بین می برد.

Ø عملکرد پایدار: عدم وجود اجزای مکانیکی با سرعت بالا در داخل تضمین حداقل حرکت در هنگام کار طولانی مدت.

Ø مقاومت عالی در برابر لرزش و ضربه: عملکرد قابل اطمینان اندازه گیری را حتی در محیط های لرزش مانند هواپیما و کشتی حفظ می کند.

Ø قابلیت اطمینان بالا و عمر طولانی: فیبرهای نوری و اجزای آنها حداقل فرسایش را نشان می دهند، که آنها را برای کار مداوم طولانی مدت ایده آل می کند.

با وجود عملکرد برتر، ژایروسکوپ های فیبر نوری در همه جا قابل استفاده نیستند.

Ø اندازه و وزن بزرگ: نیاز به پیچاندن فیبر های نوری طولانی باعث می شود که کوچک سازی چالش برانگیز باشد.

Ø هزینه های بالا: هزینه ها به دلیل مواد فیبر، اجزای نوری و فرآیندهای تولید دقیق افزایش می یابد.

مصرف انرژی بالا: برای میکرو دستگاه های باتری استفاده نمی شود.

ژایروسکوپ های فیبر نوری برای جایگزینی همه ژایروسکوپ ها طراحی نشده اند، بلکه نقش مهمی در زمینه هایی که نیاز به دقت بالا، قابلیت اطمینان و سازگاری با محیط زیست دارند، دارند.بر خلاف جیروسکوپ های معمولی MEMS (سیستم های میکرو الکترو مکانیکی)، آنها بیشتر مانند یک "دروغگر حرفه ای در مسافت های طولانی" عمل می کنند,برنامه های کاربردی در اعماق دریا و تجهیزات پیشرفته

دفعه بعد که سوار هواپیمایی می شوید یا یک کاوشگر عمیق دریایی را تصور می کنید که به صورت مستقل حرکت می کند، به یاد داشته باشید که یک پرتو نور ممکن است از طریق یک حلقه فیبر نوری ظریف حرکت کند،با استفاده از تفاوت زماني ظريفه اش براي راهنمايي راه ما.

​