3.1 แหล่งกำเนิดแสง

แหล่งกำเนิดแสงเป็นจุดเริ่มต้นของสัญญาณออปติคัลในไฟเบอร์ออปติกไจโรสโคป หน้าที่หลักคือผลิตแสงที่เสถียรและส่งเข้าสู่ระบบ มักใช้แสงที่มีความต่อเนื่องต่ำ เช่น SLD หรือแหล่งกำเนิดแสง ASE

รูปที่ 3.3 แหล่งกำเนิดแสง FOG

แสงที่ปล่อยออกมาจากแหล่งกำเนิดแสงจะเข้าสู่ตัวเชื่อมต่อก่อน ซึ่งจะแยกแสงออกเป็นสองลำอย่างสม่ำเสมอและนำทางไปยังเส้นทางออปติคัล (ไฟเบอร์ออปติก) ที่ตามมา ผ่านตัวเชื่อมต่อ แสงที่เดิมเป็นเส้นทางเดียวจะถูกจัดสรรให้แพร่กระจายทั้งตามเข็มนาฬิกาและทวนเข็มนาฬิกา ซึ่งเป็นการวางรากฐานสำหรับการใช้เอฟเฟกต์ Sagnac ในภายหลัง

3.2 ตัวเชื่อมต่อ

ตัวเชื่อมต่อไฟเบอร์ออปติกเป็นส่วนประกอบไฟเบอร์ออปติกที่ออกแบบมาเพื่อแจกจ่ายสัญญาณออปติคัลใหม่ ประกอบด้วยอุปกรณ์ไฟเบอร์ออปติกต่างๆ เช่น ตัวแยกแสง ตัวรวมแสง และตัวเชื่อมต่อออปติคัล ส่วนประกอบนี้สามารถแจกจ่ายสัญญาณจากไฟเบอร์เดียวไปยังไฟเบอร์หลายเส้น หรือรวมสัญญาณจากไฟเบอร์หลายเส้นเป็นไฟเบอร์เดียว

(1) X-Type coupler

รูปที่ 3.4 ตัวเชื่อมต่อไฟเบอร์ออปติก

ตัวเชื่อมต่อ X รวมฟังก์ชันของตัวแยกและตัวรวมไว้ในแพ็คเกจเดียว โดยรวมและแจกจ่ายพลังงานออปติคัลจากไฟเบอร์อินพุตสองเส้น จากนั้นส่งไปยังไฟเบอร์เอาต์พุตสองเส้นแยกกัน หรือที่เรียกว่าตัวเชื่อมต่อ 2×2

รูปที่ 3.5 ตัวเชื่อมต่อชนิด X (2x2)

(2) Y-waveguide

Y-junction waveguide เป็นตัวเชื่อมต่อชนิดหนึ่งรูปตัว Y ที่มีโครงแบบ Y ที่โดดเด่น

แสงจากแหล่งกำเนิดจะตกกระทบกับ Y waveguide และถูกแยกออกเป็นสองลำโดย Y-branch waveguide ลำแสงเหล่านี้จะแพร่กระจายเข้าไปในขดลวดไฟเบอร์ตามเข็มนาฬิกาและทวนเข็มนาฬิกาตามลำดับ หลังจากวนรอบเต็มหนึ่งรอบภายในขดลวดไฟเบอร์ ลำแสงจะถูกรวมกลับเป็นลำแสงเดียวโดย Y-branch waveguide และในที่สุดก็ไปถึงเครื่องตรวจจับแสง

นอกเหนือจากฟังก์ชันการแยกและการรวมแสงแล้ว Y waveguide ยังสามารถรับรู้ถึงฟังก์ชันของการโพลาไรเซชันและการลดโพลาไรเซชัน การปรับเฟส และอื่นๆ

รูปที่ 3.6 อุปกรณ์ออปติคัลแบบบูรณาการหลายฟังก์ชันของลิเธียมบิสมัทออกไซด์ (Y Waveguide)

3.3 วงแหวนไฟเบอร์ออปติก

หลังจากเข้าสู่ตัวเชื่อมต่อ 2×2 แสงจะเดินทางผ่าน Y-waveguide เข้าสู่วงไฟเบอร์ออปติก วงแหวนนี้ก่อตัวขึ้นโดยการพันไฟเบอร์ที่ขยายออกไป ทำให้แสงสามารถแพร่กระจายไปตามเส้นทางปิดได้ เมื่อแสงแพร่กระจายตามเข็มนาฬิกาและทวนเข็มนาฬิกาพร้อมกันภายในวงแหวน การหมุนของไฟเบอร์จะสร้างความแตกต่างของเวลาเล็กน้อยระหว่างลำแสงทั้งสอง ทำให้เกิดความแตกต่างของเฟส ปรากฏการณ์นี้เรียกว่าเอฟเฟกต์ Sagnac ซึ่งเป็นกลไกหลักที่ไจโรสโคปไฟเบอร์ใช้ในการตรวจจับข้อมูลการหมุน

ในการตรวจจับการหมุนที่เล็กน้อย ไฟเบอร์ออปติกต้องมีความยาวหลายร้อยหรือหลายพันเมตร แม้ว่าเส้นทางออปติคัลที่กว้างขวางเช่นนี้จะไม่สามารถทำได้จริง แต่เอฟเฟกต์ Sagnac เผยให้เห็นว่าความไวเป็นสัดส่วนโดยตรงกับพื้นที่ที่ล้อมรอบด้วยเส้นทางออปติคัล ด้วยการขดไฟเบอร์ที่ยืดหยุ่นหลายครั้ง เราสามารถรักษาพื้นที่ที่มีประสิทธิภาพเท่าเดิมในขณะที่ลดขนาดทางกายภาพลงอย่างมาก

รูปที่ 3.7 วงแหวนไฟเบอร์ออปติก

ในไฟเบอร์ออปติกไจโรสโคป ไฟเบอร์ออปติกมักจะถูกพันในหลายสิบ หลายร้อย หรือมากกว่านั้น เนื่องจากความแตกต่างของเฟสที่เกิดจากเอฟเฟกต์ Sagnac ขึ้นอยู่กับพื้นที่ที่มีประสิทธิภาพที่ล้อมรอบด้วยเส้นทางออปติคัล ไม่ได้ขึ้นอยู่กับขนาดของรอบเดียวเท่านั้น ด้วยการเพิ่มจำนวนรอบการพัน ระยะการแพร่กระจายของแสงสามารถขยายได้อย่างมากภายในปริมาตรที่จำกัด ซึ่งจะขยายความแตกต่างของเวลาและเฟสที่เกิดจากการหมุน

หลักการสามารถเข้าใจได้ง่ายๆ ว่า: ยิ่งแสงเดินทางผ่านวงไฟเบอร์นานเท่าไหร่ ผลของการหมุนก็จะยิ่งเด่นชัดมากขึ้นเท่านั้น สิ่งนี้อธิบายว่าทำไมไฟเบอร์ไจโรสโคปที่มีความแม่นยำสูงจึงมีวงไฟเบอร์ที่ยาวกว่า ในขณะที่อุปกรณ์ที่มีความแม่นยำต่ำหรืออุปกรณ์เพื่อการศึกษาใช้ความยาวไฟเบอร์ที่ค่อนข้างสั้น คุณภาพการพันของวงไฟเบอร์มีผลกระทบโดยตรงต่อความแม่นยำในการวัดของไฟเบอร์ไจโรสโคป ซึ่งต้องใช้อุปกรณ์พันที่มีความแม่นยำสูงพิเศษ ไฟเบอร์ไจโรสโคปไม่เพียงแต่พึ่งพาหลักการทางกายภาพที่ซับซ้อนเท่านั้น แต่ยังต้องการกระบวนการผลิตที่เข้มงวดอย่างยิ่ง

รูปที่ 3.8 ระบบวงไฟเบอร์ออปติก

3.4 เครื่องตรวจจับโฟโตอิเล็กทริก

ในไฟเบอร์ออปติกไจโรสโคป เครื่องตรวจจับแสงจะอยู่ในตำแหน่งที่ส่วนท้ายของระบบออปติคัล หน้าที่หลักคือรับสัญญาณแสงที่สะท้อนจากวงไฟเบอร์และแปลงเป็นสัญญาณไฟฟ้า ในฐานะที่เป็นอุปกรณ์ที่ใช้เอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริก เครื่องตรวจจับแสงจะแปลงสัญญาณออปติคัลเป็นสัญญาณไฟฟ้า ทำหน้าที่เหมือนดวงตาของมนุษย์ ทำให้สามารถตรวจจับสัญญาณที่มองเห็นได้และมองไม่เห็นได้

การรบกวนของแสงเกิดขึ้นเมื่อลำแสงสองลำที่แพร่กระจายตามเข็มนาฬิกาและทวนเข็มนาฬิกามารวมกันอีกครั้งภายในระบบ การหมุนจะสร้างความแตกต่างของเฟสระหว่างลำแสง ทำให้ความเข้มของแสงรบกวนผันผวน เครื่องตรวจจับโฟโตอิเล็กทริกใช้ปรากฏการณ์นี้เพื่อแปลงความผันผวนของความเข้มเล็กน้อยเป็นสัญญาณไฟฟ้า เนื่องจากสัญญาณรบกวนมักจะอ่อนแอมาก เครื่องตรวจจับเหล่านี้จึงต้องมีความไวสูงเพื่อให้แน่ใจว่าวงจรที่ตามมาสามารถจับข้อมูลที่เกี่ยวข้องกับการหมุนได้อย่างแม่นยำ

รูปที่ 3.9 เครื่องตรวจจับโฟโตอิเล็กทริก

3.5 วงจรประมวลผลสัญญาณ

สัญญาณไฟฟ้าที่ส่งออกจากเครื่องตรวจจับโฟโตอิเล็กทริกนั้นอ่อนแอมากและไม่สามารถใช้งานได้โดยตรง ดังนั้นจึงต้องมีขั้นตอนการประมวลผลสัญญาณหลายชุดเพื่อให้ได้การวัดความเร็วเชิงมุมในการหมุนขั้นสุดท้าย กระบวนการทั้งหมดสามารถแบ่งออกเป็นขั้นตอนต่อไปนี้ได้อย่างง่ายดาย:

Ø การขยายสัญญาณล่วงหน้า: เพิ่มสัญญาณไฟฟ้าที่อ่อนแอมากให้อยู่ในระดับที่เหมาะสมสำหรับการประมวลผลที่เสถียรโดยวงจรที่ตามมา

Ø การแปลงสัญญาณและการแยกสัญญาณ: สัญญาณไฟฟ้าที่ขยายแล้วจะถูกแปลงเป็นกระบวนการสัญญาณโดยคอมพิวเตอร์หรือวงจรดิจิทัล และข้อมูลที่เกี่ยวข้องกับความแตกต่างของเฟสออปติคัลจะถูกแยกออกจากสัญญาณนั้น

Ø การควบคุมและเอาต์พุต: ตัวควบคุมคำนวณค่าที่สอดคล้องกับความเร็วเชิงมุมในการหมุนตามผลการแยกสัญญาณ และให้ผลลัพธ์แก่ระบบภายนอกผ่านอินเทอร์เฟซเอาต์พุต

รูปที่ 3.10: วงจรประมวลผลสัญญาณ FOG (แผงวงจรด้านบนในแผนภาพ)

IV. สรุป

คุณสมบัติที่กำหนดของไฟเบอร์ออปติกไจโรสโคปคือการใช้แสงแทนโครงสร้างทางกลในการวัดการหมุน ซึ่งทำให้มีข้อได้เปรียบที่แตกต่างกันในตัวชี้วัดประสิทธิภาพที่สำคัญ:

Ø ความแม่นยำสูง: ระบบวัดการหมุนโดยใช้หลักการทางแสง ขจัดความไว้วางใจในการสั่นสะเทือนทางกลเพื่อเพิ่มความแม่นยำ

Ø ประสิทธิภาพที่เสถียร: การไม่มีส่วนประกอบทางกลความเร็วสูงภายในทำให้มั่นใจได้ถึงการดริฟต์น้อยที่สุดในระหว่างการทำงานเป็นเวลานาน

Ø ทนทานต่อการสั่นสะเทือนและการกระแทกได้ดีเยี่ยม: รักษาประสิทธิภาพการวัดที่เชื่อถือได้แม้ในสภาพแวดล้อมที่มีการสั่นสะเทือน เช่น เครื่องบินและเรือ

Ø ความน่าเชื่อถือสูงและอายุการใช้งานยาวนาน: ไฟเบอร์ออปติกและส่วนประกอบแสดงการสึกหรอน้อยที่สุด ทำให้เหมาะสำหรับการทำงานต่อเนื่องในระยะยาว

แม้จะมีประสิทธิภาพที่เหนือกว่า ไฟเบอร์ออปติกไจโรสโคปไม่สามารถใช้ได้กับทุกที่

Ø ขนาดและน้ำหนักที่ใหญ่เทอะทะ: ความจำเป็นในการพันไฟเบอร์ออปติกที่ยาวทำให้การย่อขนาดเป็นเรื่องท้าทาย

Ø ต้นทุนสูง: ค่าใช้จ่ายเพิ่มขึ้นเนื่องจากวัสดุไฟเบอร์ ส่วนประกอบออปติคัล และกระบวนการผลิตที่มีความแม่นยำ

Ø การใช้พลังงานสูง: ไม่เหมาะสำหรับอุปกรณ์ขนาดเล็กที่ใช้แบตเตอรี่

ไฟเบอร์ออปติกไจโรสโคปไม่ได้มีไว้เพื่อแทนที่ไจโรสโคปทั้งหมด แต่มีบทบาทสำคัญในสาขาที่ต้องการความแม่นยำสูง ความน่าเชื่อถือ และความสามารถในการปรับตัวเข้ากับสภาพแวดล้อม ซึ่งแตกต่างจากไจโรสโคป MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) ทั่วไป พวกมันทำงานเหมือน 'นักวิ่งระยะไกลมืออาชีพ' —ให้ความสำคัญกับความเสถียรและความแม่นยำมากกว่าการย่อขนาดและความคุ้มค่าสูงสุด รักษาการวางแนวอย่างเงียบๆ ในการบินและอวกาศ ทะเลลึก และการใช้งานอุปกรณ์ระดับไฮเอนด์

ครั้งต่อไปที่คุณขึ้นเครื่องบินหรือจินตนาการถึงการสำรวจทะเลลึกที่นำทางโดยอัตโนมัติ โปรดจำไว้ว่าลำแสงอาจกำลังวิ่งผ่านวงไฟเบอร์ออปติกที่ละเอียดอ่อน โดยใช้ความแตกต่างของเวลาเล็กน้อยเพื่อนำทางเรา

​