Faseroptischer Kreisel, vollständiger Name Fiber Optical Gyro, ist ein hochpräziser Trägheitssensor auf der Grundlage der Glasfasertechnologie, der im weitesten Sinne zu den Gyroskopen gehört. Ein Gyroskop, wie der Name schon sagt, ist ein Sensor, der auf Winkelgeschwindigkeit und Winkelabweichung reagieren kann. Ein Glasfaserkreisel wird nach den Grundsätzen der modernen Physik hergestellt, hat einen Kreiseleffekt und besitzt keine beweglichen Teile - einen Hochgeschwindigkeitsrotor - und wird auch als Festkörperkreisel bezeichnet. Sein Erscheinen hat die Entwicklung moderner Kreisel in eine neue Phase gebracht.
Ein faseroptisches Gyroskop wird hauptsächlich zur Messung der Winkelgeschwindigkeit oder des Drehwinkels eines Objekts relativ zum Inertialraum verwendet. Es hat äußerst wichtige Anwendungen in vielen Bereichen wie Luft- und Raumfahrt, Navigation, Landnavigation, Ölexploration und Robotern. Es liefert genaue Richtungs- und Lageinformationen für Geräte in diesen Bereichen, sozusagen "Richtungsaugen", die den stabilen Betrieb der Geräte gewährleisten.
Arbeitsprinzip des faseroptischen Kreisels
Das Funktionsprinzip des faseroptischen Kreisels beruht auf dem Sagnac-Effekt, der 1913 von dem französischen Physiker Georges Sagnac entdeckt und nachgewiesen wurde. Wenn sich ein Lichtstrahl in einem geschlossenen Faserring ausbreitet, breiten sich zwei Lichtstrahlen mit denselben Eigenschaften, die von derselben Lichtquelle ausgehen, in dem Faserring in entgegengesetzter Richtung aus, vorausgesetzt, der Faserring ist stationär. Sie durchlaufen denselben optischen Weg und erzeugen keine Phasendifferenz, wenn sie schließlich zusammenlaufen.
Wenn sich der Faserring jedoch mit einer bestimmten Winkelgeschwindigkeit relativ zum Inertialraum dreht, ist die Situation anders. Die Ausbreitungswege der beiden sich gegenläufig ausbreitenden Lichtstrahlen im Faserring sind dann unterschiedlich, was zu einer optischen Wegdifferenz führt. Bildlich ausgedrückt ist es so, als würden zwei Personen auf einer rotierenden Kreisbahn im und gegen den Uhrzeigersinn laufen, wobei sie unterschiedliche Strecken zurücklegen. Nach dem Prinzip der Optik führt die optische Wegdifferenz zur Erzeugung einer Phasendifferenz, und diese Phasendifferenz ist proportional zur Winkelgeschwindigkeit des Faserrings.
In praktischen Anwendungen misst das faseroptische Gyroskop genau diese Phasendifferenz, um daraus die Rotationsgeschwindigkeit und -richtung des Objekts abzuleiten. Um die Empfindlichkeit und Genauigkeit der Messung zu verbessern, verwendet das Glasfaserkreiselgerät in der Regel mehrere Windungen von Glasfaserspulen. Durch die Vergrößerung der Länge der Faser und der Gesamtfläche der Schleife wird der Sagnac-Effekt verstärkt, so dass selbst eine winzige Drehung ein Phasendifferenzsignal erzeugen kann, das genau erfasst werden kann.
Reichhaltige und vielfältige Arten von faseroptischen Kreiseln
Basierend auf unterschiedlichen Funktionsprinzipien werden faseroptische Kreisel hauptsächlich in drei Kategorien unterteilt: interferometrische faseroptische Kreisel (I-FOG), resonante faseroptische Kreisel (R-FOG) und faseroptische Kreisel mit stimulierter Brillouin-Streuung (B-FOG). Sie haben ihre eigenen Merkmale in Bezug auf Struktur, Leistung und Anwendungsszenarien.
Interferometrisches faseroptisches Gyroskop (I-FOG)
Das interferometrische faseroptische Gyroskop ist der am weitesten verbreitete Typ von faseroptischen Gyroskopen und gehört zur ersten Generation von faseroptischen Gyroskopen. Es verstärkt den Sagnac-Effekt durch mehrere Windungen von Faserspulen. Das zweistrahlige Ringinterferometer, das aus mehreren Windungen von Singlemode-Faserspulen besteht, kann eine höhere Genauigkeit bieten. In Bezug auf die Detektionstechnologie verwendet es interferometrische Messtechnik, um phasenmoduliertes Licht in amplitudenmoduliertes Licht umzuwandeln und die direkte Messung der optischen Phase in eine Lichtintensitätsmessung umzuwandeln, um die Sagnac-Phasenänderung einfacher zu messen. Die optischen Faserkomponenten des interferometrischen Faserkreisels bestehen im Allgemeinen aus Singlemode-Fasern oder polarisationserhaltenden Fasern. Gegenwärtig werden interferometrische Faserkreisel mit geringer und mittlerer Leistung in der Praxis eingesetzt und finden breite Anwendung in der Navigation und Lageregelung von Luft- und Raumfahrzeugen. So muss ein Flugzeug beispielsweise während des Fluges seine Fluglage und -richtung jederzeit genau kennen. Interferometrische Faserkreisel können die Winkelgeschwindigkeit und Winkeländerungen des Flugzeugs genau messen, wichtige Daten für das Flugsteuerungssystem liefern und die Sicherheit und Stabilität des Flugs gewährleisten. Leistungsstarke interferometrische Faserkreisel befinden sich noch in der Entwicklungsphase.
Resonantes faseroptisches Gyroskop (R-FOG)
Faseroptische Resonanzkreisel gehören zur zweiten Generation der faseroptischen Kreisel. Sie verstärken den Sagnac-Effekt durch einen Ringresonanzhohlraum und verbessern die Genauigkeit weiter, indem sie die kreisförmige Ausbreitung des Lichts im Resonanzhohlraum nutzen, so dass kürzere Glasfasern verwendet werden können. Die Grundstruktur des Gyroskops besteht darin, dass ein Resonanzhohlraum durch eine optische Faser gebildet wird. Wenn sich das Gyroskop dreht, ändert sich die Resonanzfrequenz des Resonanzraumes mit der Größe des Sagnac-Effekts. Durch Erfassen des Frequenzunterschieds zwischen den Wellen im und gegen den Uhrzeigersinn, der durch die fehlende Gegenläufigkeit der Rotation verursacht wird, kann die Winkelgeschwindigkeit gemessen werden. Das resonante Faserkreiselgerät stellt jedoch sehr strenge Anforderungen an die Lichtquelle. Es muss eine starke kohärente Lichtquelle verwenden, um den Resonanzeffekt des Resonanzraumes zu verstärken. Allerdings bringt die starke kohärente Lichtquelle auch viele parasitäre Effekte mit sich. Die Beseitigung dieser parasitären Effekte ist derzeit das größte technische Hindernis. Obwohl die Technologie noch nicht ausgereift ist, hat das Resonanzfaserkreisel-System seinen potenziellen Anwendungswert und seine Vorteile in einigen speziellen Bereichen mit extrem hohen Präzisionsanforderungen unter Beweis gestellt, z. B. bei wissenschaftlichen Forschungsgeräten der Spitzenklasse und bei der hochpräzisen Lageregelung von Satelliten. Sobald die technischen Schwierigkeiten überwunden sind, wird erwartet, dass es in diesen Bereichen eine wichtige Rolle spielen wird.
Faserkreisel mit stimulierter Brillouin-Streuung (B-FOG)
Das Faserkreisel mit stimulierter Brillouin-Streuung ist die dritte Generation von Faserkreiseln, auch bekannt als Faser-Ringlaserkreisel oder Faserringlaserkreisel mit stimulierter Brillouin-Streuung. Es verwendet einen aktiven Resonanzraum und nutzt Hochleistungslicht, um Brillouin-Streulicht in der Glasfaser zu stimulieren. Wenn die im Faserring übertragene Lichtintensität ein bestimmtes Niveau erreicht, kommt es zur Brillouin-Streuung. Die Frequenz des gestreuten Lichts wird durch den Sagnac-Effekt beeinflusst. Der Frequenzunterschied zwischen den beiden Brillouin-Streulichtern im und gegen den Uhrzeigersinn ist proportional zur Drehgeschwindigkeit. Durch die Erfassung der Frequenz des von den Lichtwellen im und gegen den Uhrzeigersinn erzeugten Streulichts und die Durchführung einer Schwebungsfrequenzverarbeitung kann die Drehwinkelgeschwindigkeit des Faserrings ermittelt werden. Diese Art von Faserkreisel hat die Vorteile einer hohen Erfassungsgenauigkeit, insbesondere einer guten Linearität des Proportionalitätsfaktors, und die Ausgangssignalverarbeitungsmethode ist einfach, die erforderliche Faserlänge ist kurz und der Rauschfaktor ist gering.
Der Faserkreisel mit stimulierter Brillouin-Streuung befindet sich jedoch noch in der theoretischen Forschungsphase. Die Forscher arbeiten hart daran, technische Engpässe zu überwinden, wie z. B. den Bedarf an hoher Stabilität (einschließlich stabiler Arbeitswellenlänge und stabiler Ausgangsleistung), schmaler Linienbreite, Hochleistungslasern und der Lösung von Sperrproblemen. Mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung der Faserlaser- und Faserverstärkertechnologie hat die Forschung an Faserkreiseln mit stimulierter Brillouin-Streuung auch neue Möglichkeiten eröffnet und könnte in Zukunft in Bereichen mit extrem hohen Anforderungen an Genauigkeit und Stabilität eingesetzt werden.
Vorteile des faseroptischen Kreisels
Keine mechanischen Teile, hohe Zuverlässigkeit
Eines der wichtigsten Merkmale des faseroptischen Kreisels ist, dass es keine mechanisch rotierenden Teile gibt und dass es sich um eine Festkörperstruktur handelt. Herkömmliche elektromechanische Gyroskope sind auf schnell rotierende Rotoren angewiesen, um die Winkelgeschwindigkeit zu messen. Mechanische Teile sind bei langfristiger Nutzung anfällig für Verschleiß und Ermüdung, was zu Leistungseinbußen oder sogar zum Ausfall führt. Das faseroptische Gyroskop kommt ohne diese mechanischen Teile aus, wodurch Zuverlässigkeitsprobleme aufgrund von mechanischem Verschleiß vermieden werden, die Stabilität und Zuverlässigkeit des Systems erheblich verbessert und seine Lebensdauer deutlich verlängert wird. Ein Beispiel aus der Luft- und Raumfahrt: Satelliten müssen im Weltraum über einen langen Zeitraum stabil arbeiten. Die hohe Zuverlässigkeit des Glasfaserkreisels ist zu einem Schlüsselfaktor für die Stabilität und Kontrolle der Satellitenlage geworden, wodurch sichergestellt wird, dass der Satellit weiterhin stabil arbeiten und verschiedene Aufgaben in einer komplexen Weltraumumgebung erfüllen kann.
Hohe Präzision und hohe Stabilität
Das faseroptische Gyroskop kann eine extrem niedrige Nullpunktinstabilität erreichen und hat eine ausgezeichnete Präzision und Stabilität. In einigen Bereichen mit extrem hohen Präzisionsanforderungen, wie z. B. High-End-Waffen und -Ausrüstung, Luft- und Raumfahrt usw., sind die hochpräzisen Eigenschaften des faseroptischen Kreisels besonders wichtig. Bei der Präzisionslenkung von Flugkörpern kann das faseroptische Gyroskop die Winkelgeschwindigkeit und die Lageänderungen des Flugkörpers während des Fluges genau messen, genaue Daten für die Flugbahn des Flugkörpers liefern und sicherstellen, dass der Flugkörper das Ziel genau treffen kann. Selbst in komplexen und sich verändernden Umgebungen, wie z. B. den dramatischen Luftdruck- und Temperaturschwankungen, mit denen Flugzeuge in großen Höhen konfrontiert sind, können faseroptische Gyroskope hochpräzise Messungen vornehmen und so einen stabilen Flug und eine präzise Steuerung von Flugzeugen gewährleisten.
Hohe Widerstandsfähigkeit gegen Stöße und Beschleunigung
Die Struktur des Glasfaserkreisels verleiht ihm eine hervorragende Stoß- und Beschleunigungsfestigkeit, so dass er sich sehr gut für den Einsatz in komplexen und rauen Umgebungen wie Flugzeugen und Raketenstarts eignet. Wenn ein Flugzeug startet, landet oder einen Manöverflug durchführt, ist es enormen Stoßkräften und Beschleunigungen ausgesetzt. Beim Start einer Rakete ist es extrem hohen Beschleunigungen und starken Erschütterungen ausgesetzt. Dank seiner robusten Festkörperstruktur kann das faseroptische Gyroskop in diesen extremen Umgebungen normal arbeiten und die Lage- und Winkelgeschwindigkeitsdaten genau messen. Wenn beispielsweise ein Kampfjet einen Flug mit hoher Manövrierfähigkeit durchführt, kann das faseroptische Gyroskop dem Flugkontrollsystem in Echtzeit und stabil genaue Lagedaten liefern, die den Piloten bei der Durchführung verschiedener komplexer Flugaktionen helfen und die Flugsicherheit und Missionsausführung gewährleisten.
Leicht zu integrieren
Das faseroptische Gyroskop hat große Vorteile bei der Systemintegration. Es kann direkt an eine Computerschnittstelle angeschlossen werden, was die Datenverarbeitung und Systemintegration erleichtert. Im autonomen Fahrsystem kann das Glasfaserkreisel als Kernkomponente des Trägheitsnavigationssystems nahtlos mit anderen Sensoren (z. B. Kameras, Radar usw.) und dem Steuerungssystem des Fahrzeugs integriert werden. Durch die Verbindung mit dem Computer überträgt das Glasfaserkreiselgerät die gemessenen Informationen über Lage und Bewegung des Fahrzeugs in Echtzeit an den Computer. Der Computer steuert den Fahrzustand des Fahrzeugs auf der Grundlage dieser Informationen und anderer Sensordaten genau, um verschiedene Funktionen des autonomen Fahrens zu realisieren, z. B. automatisches Einparken und adaptive Geschwindigkeitsregelung. In Steuerungssystemen für die Industrieautomation lassen sich faseroptische Kreisel auch leicht in Roboter, automatisierte Produktionslinien und andere Geräte integrieren, um wichtige Lage- und Positionsinformationen für eine präzise Bewegungssteuerung der Geräte zu liefern.
Anwendungen des faseroptischen Kreisels
Dank ihrer hohen Präzision, hohen Zuverlässigkeit und ausgezeichneten Störfestigkeit sind faseroptische Gyroskope in vielen Bereichen weit verbreitet und spielen eine unverzichtbare Rolle.
Bereich Luft- und Raumfahrt
In der Luft- und Raumfahrt werden Glasfaserkreisel hauptsächlich zur Navigation und Lageregelung von Flugzeugen eingesetzt. Während des Fluges muss das Flugzeug seine Fluglage und -richtung jederzeit genau erfassen können. Das faseroptische Gyroskop kann die Winkelgeschwindigkeit und die Winkeländerungen des Flugzeugs in Echtzeit und genau messen und liefert so wichtige Daten für das Flugkontrollsystem, um die Sicherheit und Stabilität des Flugs zu gewährleisten. Während des Satellitenstarts und -betriebs werden faseroptische Kreisel zur Bestimmung der Satellitenlage und zur Steuerung der Umlaufbahn verwendet, um sicherzustellen, dass der Satellit genau in die vorgegebene Umlaufbahn eintritt und stabil im Weltraum arbeitet, um verschiedene komplexe Aufgaben wie Kommunikation, Fernerkundung und meteorologische Überwachung zu erfüllen. Wenn der Satellit zum Beispiel hochpräzise Erdbeobachtungsaufgaben durchführt, kann das Glasfaserkreiselgerät dem Satelliten helfen, seine Lage genau zu justieren, so dass die Beobachtungsausrüstung immer auf das Zielgebiet ausgerichtet ist, um qualitativ hochwertige Bilder und Daten zu erhalten.
Navigation
Im Bereich der Navigation spielen faseroptische Kreisel eine Schlüsselrolle bei der Schiffsnavigation und der Lagemessung. Schiffe fahren auf den weiten Ozeanen und benötigen genaue Navigationsdaten, um die Sicherheit der Schifffahrt zu gewährleisten und ihr Ziel rechtzeitig zu erreichen. Faseroptische Gyroskope können den Kurs, die Drehung, die Neigung und andere Lageparameter des Schiffes genau messen, was eine wichtige Grundlage für das automatische Fahrsystem des Schiffes darstellt und die Sicherheit und Genauigkeit der Navigation verbessert. Während einer Seereise können Schiffe mit schweren Seebedingungen und komplexen meteorologischen Verhältnissen konfrontiert werden. Dank der hohen Zuverlässigkeit und Stabilität von faseroptischen Kreiseln können sie in solch rauen Umgebungen normal arbeiten und der Besatzung zuverlässige Navigationsinformationen liefern. Im Hafenbetrieb, z. B. beim Anlegen, Be- und Entladen von Gütern usw., können Glasfaserkreisel den Schiffen helfen, ihre Lage genau zu kontrollieren und einen reibungslosen Ablauf der Arbeiten zu gewährleisten.
Bereich Automobile
Auch im Automobilbereich, insbesondere bei autonomen Fahrsystemen, finden faseroptische Gyroskope wichtige Anwendungen. Mit der kontinuierlichen Entwicklung der autonomen Fahrtechnik werden die Anforderungen an die Fahrzeugnavigation und Stabilitätskontrolle immer höher. Als Kernkomponente des Trägheitsnavigationssystems kann das faseroptische Gyroskop die Lage und den Bewegungszustand des Fahrzeugs in Echtzeit messen und genaue Positions- und Richtungsinformationen für das autonome Fahrsystem liefern. In Versuchsfahrzeugen für autonomes Fahren arbeiten Glasfaserkreisel mit anderen Sensoren (z. B. Kameras, Radar usw.) zusammen, um den Fahrzeugen zu helfen, die Umgebung genau wahrzunehmen und Funktionen wie automatisches Fahren, Hindernisvermeidung und Einparken zu realisieren. In einigen serienmäßig hergestellten High-End-Modellen wird die Glasfaserkreiseltechnologie nach und nach auch eingesetzt, um die Fahrstabilität und Sicherheit des Fahrzeugs zu verbessern. Wenn ein Fahrzeug beispielsweise bei hoher Geschwindigkeit auf ein Hindernis stößt und diesem ausweichen muss, kann das faseroptische Gyroskop schnell und genau die Lageänderungen des Fahrzeugs erkennen und das elektronische Stabilitätskontrollsystem des Fahrzeugs dabei unterstützen, die Fahrtrichtung des Fahrzeugs rechtzeitig anzupassen, um Unfälle zu vermeiden.
Bereich der industriellen Automatisierung
In der Industrieautomation werden faseroptische Kreisel häufig zur Lageregelung von Robotern und Roboterarmen eingesetzt. Wenn Industrieroboter Vorgänge wie Handhabung und Montage durchführen, müssen sie ihre Haltung und Position präzise steuern, um die Genauigkeit und Effizienz des Vorgangs zu gewährleisten. Faseroptische Gyroskope können den Bewegungsstatus von Robotern und Roboterarmen in Echtzeit überwachen, Rückmeldungen an das Steuersystem liefern und es den Robotern ermöglichen, ihre Haltung entsprechend den Aufgabenanforderungen genau anzupassen und verschiedene komplexe Vorgänge auszuführen. In der Automobilproduktion setzen Industrieroboter faseroptische Kreisel ein, um eine hochpräzise Montage von Teilen und Komponenten zu erreichen und so die Produktionseffizienz und Produktqualität zu verbessern. In der Logistik und im Lagerwesen verwenden automatisierte Handhabungsroboter faseroptische Kreisel, um eine autonome Navigation und präzise Positionierung zu erreichen und die Handhabung und Lagerung von Waren schnell und präzise zu erledigen.
Zusammenfassung und Ausblick
Als hochpräzise Trägheitssensoren, die auf fortschrittlicher Glasfasertechnologie basieren, arbeiten faseroptische Gyroskope mit einem einzigartigen Sagnac-Effekt und nehmen eine wichtige Stellung im Bereich der modernen Wissenschaft und Technologie ein. Seine verschiedenen Arten, wie interferometrische, resonante und stimulierte Brillouin-Streuung, weisen jeweils einzigartige Vorteile und Anwendungspotenziale auf. Ob im Bereich der hochpräzisen Luft- und Raumfahrt, im Bereich der Navigation mit extrem hohen Stabilitätsanforderungen oder im Bereich des autonomen Fahrens und der Industrieautomation voller innovativer Vitalität, sie alle spielen eine unersetzliche Rolle.
Nach dem gegenwärtigen Entwicklungsstand zu urteilen, hat die Forschung an faseroptischen Kreiseln im In- und Ausland bemerkenswerte Ergebnisse erzielt, mit kontinuierlichen technologischen Durchbrüchen und einer stetigen Erweiterung der Anwendungsbereiche. Mit der rasanten Entwicklung von Wissenschaft und Technik wird erwartet, dass faseroptische Gyroskope in Zukunft in noch mehr Bereichen eingesetzt werden, z. B. im aufstrebenden intelligenten Verkehrswesen, in der virtuellen Realität, in der erweiterten Realität und in anderen Bereichen. Faseroptische Gyroskope können genauere Lage- und Positionsinformationen für Geräte in diesen Bereichen liefern und die weitere Entwicklung in diesen Bereichen fördern. Was die Technologie betrifft, so wird erwartet, dass sie größere Durchbrüche erzielt, die Genauigkeit weiter verbessert, die Kosten senkt, die Zuverlässigkeit erhöht und die Anforderungen der verschiedenen Branchen besser erfüllt. Ich glaube, dass faseroptische Kreisel in Zukunft eine wichtigere Rolle bei der Entwicklung moderner Wissenschaft und Technologie spielen und einen größeren Beitrag zur Förderung des technologischen Fortschritts und der innovativen Entwicklung in verschiedenen Branchen leisten werden.
