Żyroskopy laserowe pierścieniowe i żyroskopy światłowodowe: Zasady działania, typy i porównanie wydajności

Nowoczesne inercyjne systemy nawigacyjne w dużym stopniu opierają się na precyzyjnych czujnikach obrotu. Wśród nich Żyroskop laserowy pierścieniowy (RLG) oraz żyroskop światłowodowy (FOG) są najczęściej używane ze względu na ich stabilność, dokładność i niezawodność.

Artykuł ten zapewnia jasny przegląd działania tych żyroskopów, różnych klasyfikacji żyroskopów światłowodowych oraz porównanie ich wydajności na arenie międzynarodowej.

1. Co to jest żyroskop laserowy pierścieniowy (RLG)?

Akademicka nazwa żyroskopu laserowego to laser pierścieniowy.
Jego międzynarodowo uznanym terminem jest Żyroskop laserowy pierścieniowy (RLG).

RLG to w zasadzie laser He-Ne (Hel-Neon) z zamkniętą wnęką pierścieniową.
Wewnątrz wnęki dwie wiązki laserowe rozchodzą się w przeciwnych kierunkach. Gdy system się obraca, długości ścieżek optycznych zmieniają się asymetrycznie, co skutkuje mierzalną różnicą częstotliwości.

Ten mechanizm fizyczny jest znany jako efekcie Sagnaca — ta sama zasada, która jest stosowana we wszystkich żyroskopach optycznych.

Dlaczego RLG są ważne

Duży zakres dynamiczny

Bardzo wysoka dokładność

Wyjątkowa długoterminowa stabilność

Dojrzałe i sprawdzone w zastosowaniach lotniczych i obronnych

2. Żyroskopy światłowodowe (FOG): Typy i zasady pomiaru

Żyroskopy światłowodowe również opierają się na efekcie Sagnaca, ale zamiast wnęki laserowej, światło przemieszcza się przez długą cewkę światłowodu.

FOG można podzielić na trzy główne typy:

2.1 Rezonansowy żyroskop światłowodowy (RFOG)

Mierzy różnicę częstotliwości pomiędzy wiązkami rozchodzącymi się w przeciwnych kierunkach

Wykorzystuje rezonansową wnękę optyczną

Potencjał dla bardzo wysokiej dokładności

Preferowany dla systemów nawigacyjnych nowej generacji

2.2 Interferencyjny żyroskop światłowodowy (IFOG)

Mierzy różnicę faz

Obecnie najbardziej dojrzały i powszechnie stosowany typ

Wysoka niezawodność i dobry stosunek kosztów do wydajności

2.3 Żyroskop światłowodowy rozpraszania Brillouina (BFOG)

Mierzy różnicę faz

Wykorzystuje efekty rozpraszania Brillouina w światłowodzie

Odpowiedni do zastosowań o wysokiej precyzji

3. Architektura FOG z otwartą i zamkniętą pętlą

Żyroskop światłowodowy z otwartą pętlą

Stosunkowo prosta konstrukcja

Mały zakres dynamiczny

Słaba liniowość współczynnika skali

Niższa dokładność

Najlepszy dla zastosowań wrażliwych na koszty lub o średniej wydajności.

Żyroskop światłowodowy z zamkniętą pętlą

Bardziej złożona konstrukcja

Duży zakres dynamiczny

Doskonała liniowość współczynnika skali

Wysoka dokładność

Szeroko stosowany w lotnictwie, robotyce, zastosowaniach morskich i systemach bezzałogowych.

4. RLG vs. FOG: Porównanie wydajności

5. Poziomy dokładności: Krajowe vs. Międzynarodowe

Chiny (Krajowe):

Dokładność RLG: >5 ppm

Stabilność odchyłki: 0.01–0.001°/h

Międzynarodowe (Najwyższy poziom):

Dokładność RLG: <1 ppm

Stabilność odchyłki: 0.0001°/h

Te specyfikacje plasują zagraniczne wysokiej klasy RLG wśród najdokładniejszych czujników inercyjnych dostępnych na świecie.

6. Podsumowanie

Zarówno żyroskopy laserowe pierścieniowe, jak i żyroskopy światłowodowe są niezbędnymi elementami wysokowydajnej nawigacji inercyjnej. Ich różnice można podsumować następująco:

RLG zapewniają doskonałą precyzję i długoterminową stabilność, co czyni je idealnymi dla zastosowań lotniczych i strategicznych.

FOG oferują elastyczne, skalowalne podejście z wieloma architekturami (IFOG, RFOG, BFOG) dostosowanymi do różnych poziomów wydajności.

FOG z zamkniętą pętlą wypełniają lukę między kosztami a wydajnością, dominując w głównych zastosowaniach przemysłowych i UAV.

Dzięki ciągłym innowacjom w technologiach rezonansowych i Brillouin FOG oraz stałemu rozwojowi procesów produkcyjnych RLG, żyroskopy optyczne będą nadal wyznaczać nowe standardy w dokładności nawigacji inercyjnej.