3.1 Işık Kaynağı

Işık kaynağı, fiber optik jiroskopta optik sinyalin başlangıç noktasıdır. Ana işlevi, kararlı ışık üretmek ve bunu sisteme göndermektir. Genellikle SLD veya ASE ışık kaynağı gibi düşük koherensli ışık kullanılır.

Şekil 3.3 FOG ışık kaynağı

Kaynaktan yayılan ışık önce, ışığı iki ışına eşit olarak bölen ve bunları ayrı ayrı sonraki optik yollara (fiber optikler) yönlendiren kuplöre girer. Kuplör aracılığıyla, başlangıçta tek yollu ışık, hem saat yönünde hem de saat yönünün tersine yönlerde yayılacak şekilde tahsis edilir ve Sagnac etkisinin sonraki kullanımı için temel oluşturulur.

3.2 Kuplör

Bir optik fiber kuplör, optik sinyalleri yeniden dağıtmak üzere tasarlanmış bir fiber optik bileşendir. Optik ayırıcılar, optik birleştiriciler ve optik kuplörler gibi çeşitli fiber optik cihazları kapsar. Bu bileşen, sinyalleri tek bir fiberden birden fazla fibere dağıtabilir veya birden fazla fiberden gelen sinyalleri tek bir fiberde birleştirebilir.

(1) X-Tip kuplör

Şekil 3.4 Optik Fiber Kuplör

X-kuplör, bir ayırıcının ve bir birleştiricinin işlevlerini tek bir paket içinde entegre eder. İki giriş fiberinden gelen optik gücü birleştirir ve dağıtır, ardından bunları ayrı ayrı iki çıkış fiberine iletir. Ayrıca 2×2 kuplör olarak da bilinir.

Şekil 3.5 X-tipi Kuplör (2x2)

(2) Y-dalga kılavuzu

Bir Y-kavşak dalga kılavuzu, kendine özgü bir Y yapılandırmasına sahip bir Y şeklinde kuplör türüdür.

Kaynaktan gelen ışık, Y dalga kılavuzuna düşer ve Y-dalı dalga kılavuzu tarafından iki ışına ayrılır. Bu ışınlar, sırasıyla saat yönünde ve saat yönünün tersine yönlerde fiber sargı içine yayılır. Fiber sargı içinde bir tam döngüyü tamamladıktan sonra, ışınlar Y-dalı dalga kılavuzu tarafından tek bir ışında yeniden birleştirilir ve sonuç olarak foto detektöre ulaşır.

Y dalga kılavuzu, ışığı ayırma ve birleştirme işlevlerine ek olarak, polarizasyon ve depolarizasyon, faz modülasyonu vb. işlevleri de gerçekleştirebilir.

Şekil 3.6 Lityum Bizmut Oksit'in Çok İşlevli Entegre Optik Cihazı (Y Dalga Kılavuzu)

3.3 Optik Fiber Halka

2×2 kuplöre girdikten sonra, ışık bir Y-dalga kılavuzu aracılığıyla optik fiber döngüsüne girer. Genişletilmiş bir fiberin sarılmasıyla oluşturulan bu döngü, ışığın kapalı bir yol boyunca yayılmasını sağlar. Işık, döngü içinde aynı anda saat yönünde ve saat yönünün tersine yayıldığında, fiberin dönmesi, iki ışın arasında hafif bir zaman farkı yaratır ve bu da bir faz farkına neden olur. Sagnac etkisi olarak bilinen bu fenomen, fiber jiroskopların dönme bilgisini algıladığı temel mekanizmayı oluşturur.

Küçük dönüşleri tespit etmek için, optik fiberlerin yüzlerce hatta binlerce metre uzunluğunda olması gerekir. Bu kadar geniş optik yollar pratik olmasa da, Sagnac etkisi, hassasiyetin optik yolun kapladığı alanla doğru orantılı olduğunu ortaya koymaktadır. Esnek fiberi birden fazla kez sararak, fiziksel boyutlarını önemli ölçüde azaltırken aynı etkin alanı koruyabiliriz.

Şekil 3.7 Optik Fiber Halka

Fiber optik jiroskoplarında, optik fiberler tipik olarak düzinelerce, yüzlerce hatta daha fazla turda sarılır. Bunun nedeni, Sagnac etkisi tarafından üretilen faz farkının, yalnızca tek bir turun boyutuna değil, optik yolun kapladığı etkin alana bağlı olmasıdır. Sarım sayısını artırarak, ışık yayılma mesafesi sınırlı bir hacimde önemli ölçüde uzatılabilir, böylece dönmeden kaynaklanan zaman ve faz farklılıkları artırılır.

Prensip basitçe şu şekilde anlaşılabilir: Işık fiber döngüsünden ne kadar uzun süre geçerse, dönme etkisi o kadar belirginleşir. Bu, yüksek hassasiyetli fiber jiroskopların tipik olarak daha uzun fiber döngülerine sahip olmasını, düşük hassasiyetli veya eğitim amaçlı cihazların ise nispeten daha kısa fiber uzunlukları kullanmasını açıklamaktadır. Fiber döngüsünün sarım kalitesi, fiber jiroskopun ölçüm doğruluğunu doğrudan etkiler ve özel yüksek hassasiyetli sarım ekipmanı gerektirir. Fiber jiroskoplar sadece sofistike fiziksel prensiplere değil, aynı zamanda son derece katı üretim süreçlerine de ihtiyaç duyar.

Şekil 3.8 Optik fiber döngü sistemi

3.4 Fotoelektrik Dedektör

Fiber optik jiroskoplarında, fotoelektrik dedektör optik sistemin sonuna yerleştirilir. Birincil işlevi, fiber döngüden yansıyan ışık sinyallerini almak ve bunları elektrik sinyallerine dönüştürmektir. Fotoelektrik etkiye dayalı bir cihaz olarak, fotoelektrik dedektör optik sinyalleri elektriksel sinyallere dönüştürür. İnsan gözü gibi işlev görerek, hem görünür hem de görünmez zayıf sinyallerin tespitini sağlar.

Saat yönünde ve saat yönünün tersine yayılan iki ışın bir sistem içinde tekrar birleştiğinde optik girişim meydana gelir. Dönme, ışınlar arasında bir faz farkı yaratır ve bu da girişim ışığının yoğunluğunun dalgalanmasına neden olur. Fotoelektrik dedektörler, küçük yoğunluk değişimlerini elektrik sinyallerine dönüştürmek için bu fenomeni kullanır. Girişim sinyalleri tipik olarak son derece zayıf olduğundan, bu dedektörlerin, sonraki devrelerin dönmeyle ilgili bilgileri doğru bir şekilde yakalayabilmesini sağlamak için yüksek hassasiyete sahip olması gerekir.

Şekil 3.9 Fotoelektrik Dedektör

3.5 Sinyal İşleme Devresi

Fotoelektrik dedektör tarafından üretilen elektrik sinyali son derece zayıftır ve doğrudan kullanılamaz. Bu nedenle, dönme açısal hızının nihai ölçümünü elde etmek için bir dizi sinyal işleme adımı gereklidir. Tüm süreç basitçe aşağıdaki adımlara ayrılabilir:

Ø Ön yükseltme: Sonraki devreler tarafından kararlı işleme için son derece zayıf elektrik sinyallerini uygun bir seviyeye yükseltir.

Ø Sinyal dönüşümü ve demodülasyon: Yükseltilmiş elektrik sinyali, bilgisayar veya dijital devre tarafından işlenebilir bir sinyale dönüştürülür ve optik faz farkıyla ilgili bilgiler bundan çıkarılır.

Ø Kontrol ve Çıkış: Kontrolör, demodülasyon sonuçlarına göre dönme açısal hızına karşılık gelen değeri hesaplar ve sonucu çıkış arayüzü aracılığıyla harici sisteme sağlar.

Şekil 3.10: FOG Sinyal İşleme Devresi (Diyagramdaki Üst Devre Kartı)

IV. Özet

Fiber optik jiroskopların belirleyici özelliği, dönmeyi ölçmek için mekanik yapılar yerine ışık kullanmalarıdır, bu da onlara kritik performans ölçümlerinde farklı avantajlar sağlar:

Ø Yüksek hassasiyet: Sistem, daha yüksek doğruluk için mekanik titreşimlere olan bağımlılığı ortadan kaldırarak dönmeyi optik prensipler kullanarak ölçer.

Ø Kararlı performans: İçeride yüksek hızlı mekanik bileşenlerin olmaması, uzun süreli çalışma sırasında minimum kayma sağlar.

Ø Mükemmel titreşim ve darbe direnci: Uçak ve gemiler gibi titreşimli ortamlarda bile güvenilir ölçüm performansı sağlar.

Ø Yüksek güvenilirlik ve uzun hizmet ömrü: Optik fiberler ve bileşenler minimum aşınma gösterir, bu da onları sürekli uzun süreli çalışma için ideal hale getirir.

Üstün performanslarına rağmen, fiber optik jiroskoplar evrensel olarak uygulanabilir değildir.

Ø Hantal boyut ve ağırlık: Uzun optik fiberlerin sarılması ihtiyacı, minyatürleşmeyi zorlaştırır.

Ø Yüksek maliyetler: Fiber malzemeleri, optik bileşenler ve hassas üretim süreçleri nedeniyle maliyetler artar.

Ø Yüksek güç tüketimi: Pille çalışan mikro cihazlar için ideal değildir.

Fiber optik jiroskoplar, tüm jiroskopların yerini almak için değil, daha ziyade yüksek hassasiyet, güvenilirlik ve çevresel uyarlanabilirlik gerektiren alanlarda önemli bir rol oynamak içindir. Geleneksel MEMS (Mikro-Elektro-Mekanik Sistemler) jiroskoplarından farklı olarak, daha çok bir 'profesyonel uzun mesafe koşucusu' gibi çalışırlar — aşırı minyatürleşme ve maliyet etkinliğinden ziyade istikrar ve doğruluğa öncelik verirler, havacılık, derin deniz ve üst düzey ekipman uygulamalarında sessizce yönlendirmeyi sağlarlar.

Bir sonraki uçağa bindiğinizde veya otonom olarak seyreden bir derin deniz sondası hayal ettiğinizde, ince zaman farkını kullanarak yolumuzu yönlendiren, hassas bir fiber optik döngüden geçen bir ışın olduğunu unutmayın.

​