Что такое «волоконно-оптический гироскоп» (FOG)?

Глобальный технический центр OFSCN Техническая база знаний OFSCN
1

Почему в навигации ракет и самолетов используется оптоволокно, свернутое в кольцо?

2

«Волоконно-оптический гироскоп» (Fiber Optic Gyroscope, сокращенно FOG), который используется в системах навигации ракет и самолетов, является ключевым компонентом, измеряющим угловую скорость (вращение позе) носителя в современных инерциальных навигационных системах (Inertial Navigation System, INS).

Физические основы его принципа работы и конструктивные решения заключаются в следующем:

1. Основной физический принцип: эффект Саньяка (Sagnac Effect)

Основной принцип работы волоконно-оптического гироскопа основан на эффекте Саньяка, открытом французским физиком Жоржем Саньяком (Georges Sagnac) в 1913 году:

  1. Механизм распространения света:
    Пучок когерентного света разлагается на два пучка равной интенсивности, которые распространяются по одной и той же замкнутой оптической трассе в по часовой стрелке (CW) и против часовой стрелки (CCW).

  2. Разность хода, вызванная вращением:

    • Когда носитель находится в состоянии покоя, оба пучка света проходят одинаковый оптический путь, и фазовая разность при интерференции в точке выхода равна нулю.
    • Когда носитель вращается со скоростью \Omega вокруг оси, перпендикулярной плоскости кольца, из-за постоянства скорости света в вакууме, эффективный путь света, распространяющегося против направления вращения, сокращается, а эффективный путь света, распространяющегося по направлению вращения, удлиняется.

  3. Связь между фазовой разностью и угловой скоростью:
    Когда два когерентных пучка света сходятся и интерферируют в точке выхода, возникает небольшая относительная фазовая разность \Delta \Phi_s:

    \Delta \Phi_s = \frac{4\pi L R}{\lambda c} \Omega
    • \Omega — входная угловая скорость вращения носителя;
    • L — общая длина оптического волокна в замкнутом контуре;
    • R — средний эффективный радиус кольца из оптического волокна;
    • \lambda — центральная длина волны источника света;
    • c — скорость света в вакууме.

Измеряя изменение фазы интерференционного сигнала с помощью высокоточного фотоэлектрического детектора и схемы модуляции/демодуляции, можно точно рассчитать мгновенную угловую скорость ракеты или самолета, а интегрирование позволяет получить углы тангажа, крена и рыскания летательного аппарата.

2. Почему необходимо «много витков»?

Как видно из теоретической формулы, фазовая разность Саньяка \Delta \Phi_s пропорциональна общей длине оптического волокна L и радиусу кольца R:

  • Повышение чувствительности датчика:
    При использовании одновиткового оптического волокна в обычных бортовых размерах (например, диаметром около десятка сантиметров) фазовая разность, вызванная вращением Земли или незначительной угловой скоростью, чрезвычайно мала, намного ниже порога шума обычных оптических систем.
  • Коэффициент усиления сигнала:
    Для достижения тактической или стратегической точности, необходимой для инерциальной навигации (например, стабильности смещения нуля 0.01^\circ/\text{h} или выше), инженеры используют длинные оптические волокна (обычно специальные поляризационные оптические волокна, PMF) длиной от сотен до тысяч метров, которые точно наматываются в кольцо по специальной симметричной схеме (например, квадрупольной или октупольной), тем самым усиливая интерференционную фазовую разность в тысячи раз.
  • Компенсация воздействия окружающей среды:
    Симметричная намотка кольца также эффективно компенсирует шум от нереципрокных термических напряжений, вызванных градиентами температуры окружающей среды (эффект Шупе, Shupe Effect).

3. Технологические преимущества волоконно-оптического гироскопа по сравнению с традиционными механическими гироскопами

Широкое применение волоконно-оптических гироскопов в навигационных системах ракет и самолетов обусловлено следующими инженерными характеристиками:

  • Полностью твердотельная конструкция без механических движущихся частей:
    Отсутствие высокоскоростных роторов и подшипниковых узлов, как в традиционных механических гироскопах, обеспечивает чрезвычайно высокую устойчивость к перегрузкам (способность выдерживать ударные ускорения в десятки тысяч g при запуске ракеты) и чрезвычайно высокое среднее время наработки на отказ (MTBF).
  • Краткое время запуска:
    Может начать измерение в течение миллисекунд после подачи питания, устраняя необходимость предварительного прогрева двигателя, как в традиционных механических гироскопах, что отвечает требованиям быстрой экстренной запуска.
  • Широкий динамический диапазон и высокая линейность:
    Способен справляться как с маневрами при очень высоких угловых скоростях, так и с малоамплитудными коррекциями позы в широком диапазоне.

Описание принадлежности технологий

Волоконно-оптический гироскоп (FOG) и его специализированные чувствительные волоконно-оптические кольца относятся к категории систем инерциальной навигации и инерциальных измерений (IMU).

Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. (OFSCN®) специализируется на технологиях волоконно-оптических брэгговских решеток (FBG Sensing Technology), включая волоконно-оптические датчики температуры, деформации, перемещения, трехмерные датчики силы, а также демодуляторы брэгговских решеток и другое оборудование для мониторинга состояния конструкций и измерения промышленных физических величин. Компания не занимается разработкой и производством волоконно-оптических гироскопов в сборе или чувствительных волоконно-оптических катушек для систем инерциальной навигации.