Почему он называется волоконно-оптическим гироскопом?

Основные положения

• • Изделие: волоконно-оптический гироскоп (ВОГ)

    Основные характеристики:

    • Компоненты: Твердотельный датчик, использующий оптическое волокно для точных инерциальных измерений.
    • Функция: Использует эффект Сагнака для точного измерения угловой скорости без движущихся частей.
    • Области применения: подходит для инерциальных измерительных блоков (IMU), инерциальных навигационных систем (INS), головок самонаведения ракет, беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) и робототехники.
    • Объединение данных: сочетает данные FOG с внешними эталонными данными для повышения точности и стабильности.
    • Вывод: волоконно-оптические гироскопы обеспечивают высокую точность и надежность в навигационных задачах, и их дальнейшее развитие в различных секторах является многообещающим.

Подобно кольцевому лазерному гироскопу, волоконно-оптический гироскоп обладает преимуществами отсутствия механических движущихся частей, отсутствия времени предварительного нагрева, нечувствительного ускорения, широкого динамического диапазона, цифрового вывода и малых размеров. Кроме того, волоконно-оптический гироскоп также преодолевает существенные недостатки кольцевого лазерного гироскопа, такие как высокая стоимость и явление блокировки.

Волоконно-оптический гироскоп — это разновидность волоконно-оптического датчика, используемого в инерциальной навигации.
Благодаря отсутствию движущихся частей – высокоскоростному ротору, называемому твердотельным гироскопом. Этот новый полностью твердотельный гироскоп станет ведущим продуктом в будущем и имеет широкий спектр перспектив развития и применения.

1. Классификация волоконно-оптических гироскопов

В зависимости от принципа работы волоконно-оптические гироскопы можно разделить на интерферометрические волоконно-оптические гироскопы (I-FOG), резонансные волоконно-оптические гироскопы (R-FOG) и волоконно-оптические гироскопы со стимулированным бриллюэновским рассеянием (B-FOG). В настоящее время наиболее зрелым волоконно-оптическим гироскопом является интерферометрический волоконно-оптический гироскоп (то есть, первое поколение волоконно-оптических гироскопов), который является наиболее широко используемым. В нем используется многовитковая оптическая волоконная катушка для усиления эффекта SAGNAC. Двухлучевой кольцевой интерферометр, состоящий из многовитковой одномодовой оптической волоконной катушки, может обеспечить высокую точность, но также неизбежно усложняет общую структуру.
Волоконно-оптические гироскопы делятся на гироскопы с открытым кольцом и гироскопы с замкнутым контуром в зависимости от типа контура. Волоконно-оптический гироскоп с открытым контуром не имеет обратной связи, напрямую детектирует оптический выходной сигнал, что позволяет избежать сложных оптических и схемных решений, обладает преимуществами простой конструкции, низкой цены, высокой надежности и низкого энергопотребления. Недостатком является низкая линейность вход-выход и малый динамический диапазон; в основном используется в качестве датчика угла. Базовой структурой волоконно-оптического гироскопа с открытым контуром является кольцевой двухлучевой интерферометр. Он в основном используется в случаях, когда точность невысока, а габариты малы.

2. Текущее состояние и перспективы волоконно-оптических гироскопов

В связи с быстрым развитием волоконно-оптических гироскопов многие крупные компании, особенно производители военной техники, вложили огромные финансовые ресурсы в их изучение. Основные исследовательские компании США, Японии, Германии, Франции, Италии и России завершили индустриализацию гироскопов низкой и средней точности, и США сохранили лидирующие позиции в этой области исследований.
Развитие волоконно-оптических гироскопов в нашей стране всё ещё находится на относительно отсталом уровне. По уровню развития разработка гироскопов делится на три эшелона: первый эшелон — это США, Великобритания и Франция, обладающие всеми возможностями для исследований и разработок в области гироскопов и инерциальной навигации; второй эшелон — это в основном Япония, Германия и Россия; Китай в настоящее время находится на третьем эшелоне. Исследования волоконно-оптических гироскопов в Китае начались относительно поздно, но благодаря усилиям большинства научных исследователей разрыв между нами и развитыми странами постепенно сократился.
В настоящее время в Китае полностью сформирована производственная цепочка волоконно-оптических гироскопов, производители представлены как на верхнем, так и на нижнем уровнях этой цепочки. Точность разработки волоконно-оптических гироскопов достигла уровня, необходимого для инерциальных навигационных систем средней и низкой точности. Хотя их характеристики относительно невелики, они не создают узких мест, как это происходит с микросхемами.
Дальнейшее развитие волоконно-оптических гироскопов будет сосредоточено на следующих аспектах:
(1) Высокая точность. Более высокая точность является неизбежным требованием для замены лазерного гироскопа волоконно-оптическим гироскопом в современных системах навигации. В настоящее время технология высокоточных волоконно-оптических гироскопов еще не полностью зрелая.
(2) Высокая стабильность и помехоустойчивость. Долговременная высокая стабильность также является одним из направлений развития волоконно-оптического гироскопа, который может поддерживать точность навигации в течение длительного времени в суровых условиях. Это требование к инерциальной навигационной системе для гироскопа. Например, в случае высоких температур, сильных землетрясений, сильного магнитного поля и т. д. волоконно-оптический гироскоп также должен обладать достаточной точностью, чтобы соответствовать требованиям пользователей.
(3) Диверсификация продукции. Необходимо разрабатывать продукцию с различной точностью и различными потребностями. Разные пользователи предъявляют разные требования к точности навигации, а конструкция волоконно-оптического гироскопа проста, и для изменения точности требуется лишь регулировать длину и диаметр катушки. В этом отношении он имеет преимущество перед механическими и лазерными гироскопами, а также позволяет легче создавать изделия с различной точностью, что является неизбежным требованием практического применения волоконно-оптических гироскопов.
(4) Масштаб производства. Снижение затрат также является одним из предварительных условий для принятия волоконно-оптических гироскопов пользователями. Масштаб производства различных компонентов может эффективно способствовать снижению производственных затрат, особенно для волоконно-оптических гироскопов средней и низкой точности.

3. Резюме