​

Wyobraź sobie, że siedzisz na obracającym się krześle z zamkniętymi oczami – skąd wiesz, jak szybko się obracasz? Tradycyjne żyroskopy opierają się na szybko obracającym się 'wirniku', aby wykryć obrót, ale nowoczesna technologia oferuje bardziej pomysłowe rozwiązanie: pozwolenie światłu na przemieszczanie się przez warstwy światłowodów. To jest żyroskop światłowodowy (FOG), najnowocześniejsze urządzenie, które wykrywa obrót z niezwykłą precyzją, bez żadnych ruchomych części.

1. Co to jest żyroskop światłowodowy?

Żyroskop światłowodowy to czujnik inercyjny, który mierzy prędkość kątową, wykorzystując zmienność charakterystyk propagacji światła w obracającym się układzie odniesienia. W przeciwieństwie do żyroskopów MEMS lub żyroskopów mechanicznych, nie zawiera on obracających się bloków masy ani struktur mechanicznych. Jego podstawowe komponenty obejmują wielokrotnie nawiniętą pętlę światłowodową, źródło światła i detektor fotoelektryczny.

Rysunek 1.1 Jednoosiowe FOG w różnych rozmiarach (Źródło: GUIDENAV)

Żyroskopy światłowodowe charakteryzują się wyjątkowo szerokim zakresem pomiarowym, zdolnym do wykrywania zarówno bardzo wolnych obrotów (takich jak 0,01°/h ≈ 3×10⁻⁶°/s, czyli 1% prędkości kątowej obrotu Ziemi), jak i szybkich obrotów, takich jak śmigła helikopterów (np. 600°/s). Jak „inteligentna linijka”, mogą szybko mierzyć kilometry długości mostów, jednocześnie rozróżniając różnice na poziomie mikronów, osiągając wyjątkową równowagę między zakresem dynamicznym a precyzją.

Rysunek 1.2 Jednoosiowy, dwuosiowy i trójosiowy FOG (Źródło: KVH)

Co więcej, działa z prędkością światła, umożliwiając „natychmiastową aktywację z zerową latencją”. W przeciwieństwie do tradycyjnych żyroskopów mechanicznych, które muszą czekać, aż wirnik osiągnie stan ustalony, ta zaleta „zerowego startu” jest rewolucyjna w zaawansowanych technologicznie dziedzinach wymagających natychmiastowej reakcji.

Rysunek 1.3 Małowymiarowy FOG o niskiej precyzji (Źródło: NEDAERO i KVH)

Rysunek 1.4 Porównanie jednoosiowego i trójosiowego FOG

Tabela 1.1 Porównanie wyboru jednoosiowego i trójosiowego żyroskopu światłowodowego

Żyroskop światłowodowy (FOG) ma wiele zalet, takich jak brak mechanicznych ruchomych części, wysoka niezawodność, natychmiastowy start, wysoka precyzja i łatwa integracja. Jest szeroko stosowany w lotnictwie, nawigacji statków, nawigacji podwodnej i zaawansowanych inercyjnych systemach pomiarowych.

Rysunek 1.5 Typowe zastosowania FOG (Źródło: FOG Photonics)

II. Zasada działania – Efekt Sagnaca

Podstawą żyroskopu światłowodowego jest proste myślowe doświadczenie:

Wyobraź sobie okrągły tor, na którym dwóch biegaczy startuje jednocześnie z tego samego punktu – jeden biegnie zgodnie z ruchem wskazówek zegara, a drugi przeciwnie. Jeśli sam tor się obraca, biegacz biegnący zgodnie z ruchem wskazówek zegara dotrze do mety jako pierwszy, „patrząc” w kierunku obrotu, podczas gdy biegacz biegnący przeciwnie do ruchu wskazówek zegara dotrze nieco później, „goniąc” ten kierunek. Chociaż obaj pokonują tę samą odległość, ich czasy przybycia różnią się o niewielką wartość.

Rysunek 2.1 Dwóch biegaczy poruszających się w przeciwnych kierunkach spotyka się w zmieniającym się punkcie, gdy tor się obraca

W efekcie Sagnaca propagacja światła w pierścieniowej ścieżce optycznej jest całkowicie podobna do tego procesu. Chociaż dwie wiązki światła propagujące się zgodnie z ruchem wskazówek zegara i przeciwnie do ruchu wskazówek zegara podążają tą samą geometryczną ścieżką, różnica czasu ich dotarcia do detektora jest spowodowana obrotem systemu podczas propagacji, co skutkuje różnicą faz.

Rysunek 2.2 Efekt Sagnaca

W żyroskopie światłowodowym światło zachowuje się jak dwóch sportowców o porównywalnej prędkości, a światłowód działa jak ich tor wyścigowy. Istota tego zjawiska w sferze optycznej jest jeszcze bardziej niezwykła – wykracza poza proste nakładanie się obserwowane w fizyce klasycznej. Zgodnie z teorią względności prędkość światła pozostaje stała. To, co naprawdę się zmienia, to „efektywna ścieżka”, jaką światło musi przebyć w obracającym się obwodzie.

Światło o niskiej spójności ze źródła jest dzielone na dwie wiązki i wstrzykiwane do tego samego zwiniętego światłowodu, przy czym jedna wiązka porusza się zgodnie z ruchem wskazówek zegara, a druga przeciwnie. Gdy urządzenie jest nieruchome, obie wiązki wracają jednocześnie bez zakłóceń. Jednak gdy urządzenie się obraca, wiązka poruszająca się zgodnie z ruchem wskazówek zegara napotyka swój punkt końcowy, który nieustannie „ucieka” i musi pokonać dodatkową odległość, podczas gdy punkt końcowy wiązki poruszającej się przeciwnie do ruchu wskazówek zegara „zbliża się” do niej.

Rysunek 2.3 Światło wchodzące i wychodzące ze ścieżki optycznej

Ta różnica faz jest niezwykle mała, mierzona w pikosekundach (bilionowych częściach sekundy), ale może być rejestrowana przez zaawansowane systemy optyczne i konwertowana na sygnały obrotowe. Eksperymenty pokazują, że wielkość tej różnicy faz jest wprost proporcjonalna do prędkości kątowej obrotu systemu, co pozwala na wywnioskowanie prędkości kątowej poprzez wykrywanie zmian fazy w sygnale interferencyjnym. Zjawisko to, znane jako efekt Sagnaca, stanowi fizyczną podstawę pomiaru prędkości kątowej w żyroskopach światłowodowych.

III. Kompozycja

Żyroskop światłowodowy opiera się na efekcie Sagnaca w celu pomiaru prędkości kątowej obrotu, ale sama zasada fizyczna to za mało, potrzebny jest również zestaw konkretnych urządzeń, aby przekształcić ten mały efekt optyczny w czytelne wyniki pomiarów.

Ogólnie rzecz biorąc, żyroskop światłowodowy nie jest pojedynczym urządzeniem, ale kombinacją wielu komponentów, w tym źródła światła, sprzęgacza, pętli światłowodowej, detektora i obwodu przetwarzania sygnału. Komponenty te współdziałają ze sobą, aby umożliwić propagację światła i interferencję wewnątrz światłowodu, ostatecznie generując sygnał elektryczny związany z obrotem.

Rysunek 3.1 Typowy schemat działania FOG w pętli otwartej

Rysunek 3.2 Typowy schemat działania FOG w pętli zamkniętej

​