ไจโรสโคปแบบเลเซอร์วงแหวนและไจโรสโคปแบบใยแก้วนำแสง: หลักการ ประเภท และการเปรียบเทียบประสิทธิภาพ

ระบบนำทางเฉื่อยสมัยใหม่พึ่งพาเซ็นเซอร์วัดการหมุนที่มีความแม่นยำสูงเป็นอย่างมาก ในบรรดาเซ็นเซอร์เหล่านี้ Ring Laser Gyroscope (RLG) และ Fiber Optic Gyroscope (FOG) เป็นที่นิยมใช้กันอย่างแพร่หลายเนื่องจากความเสถียร ความแม่นยำ และความน่าเชื่อถือ

บทความนี้ให้ภาพรวมที่ชัดเจนว่าไจโรสโคปเหล่านี้ทำงานอย่างไร การจำแนกประเภทต่างๆ ของไฟเบอร์ออปติกไจโร และประสิทธิภาพของพวกมันเปรียบเทียบกันในระดับสากลอย่างไร

1. Ring Laser Gyroscope (RLG) คืออะไร

ชื่อทางวิชาการของเลเซอร์ไจโรสโคปคือ Ring Laser.
คำศัพท์ที่ได้รับการยอมรับในระดับสากลคือ Ring Laser Gyroscope (RLG).

RLG โดยพื้นฐานแล้วคือ He-Ne (Helium–Neon) laser พร้อมด้วย closed ring cavity.
ภายในโพรง มีลำแสงเลเซอร์สองลำเคลื่อนที่ไปในทิศทางตรงกันข้าม เมื่อระบบหมุน ความยาวเส้นทางแสงจะเปลี่ยนไปอย่างไม่สมมาตร ส่งผลให้เกิดความแตกต่างของความถี่ที่วัดได้

กลไกทางกายภาพนี้เป็นที่รู้จักกันในชื่อ Sagnac Effect  — หลักการเดียวกันที่ใช้ในไจโรสโคปแบบออปติคอลทั้งหมด

ทำไม RLG จึงมีความสำคัญ

ช่วงไดนามิกขนาดใหญ่

ความแม่นยำสูงมาก

ความเสถียรในระยะยาวเป็นพิเศษ

ผ่านการพิสูจน์แล้วและใช้งานได้จริงในงานด้านการบินและอวกาศและการป้องกันประเทศ

2. Fiber Optic Gyroscopes (FOG): ประเภทและหลักการวัด

Fiber Optic Gyroscopes ยังพึ่งพา Sagnac Effect แต่แทนที่จะเป็นโพรงเลเซอร์ แสงจะเดินทางผ่านขดลวดไฟเบอร์ออปติกยาว

FOG สามารถแบ่งออกเป็นสามประเภทหลัก:

2.1 Resonant Fiber Optic Gyroscope (RFOG)

วัด ความแตกต่างของความถี่ ระหว่างลำแสงที่เคลื่อนที่สวนทางกัน

ใช้โพรงแสงสะท้อน

มีศักยภาพในการมีความแม่นยำสูงมาก

เป็นที่นิยมสำหรับระบบนำทางรุ่นต่อไป

2.2 Interferometric Fiber Optic Gyroscope (IFOG)

วัด ความแตกต่างของเฟส

ปัจจุบันเป็นประเภทที่ใช้งานได้จริงและใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุด

ความน่าเชื่อถือสูงและอัตราส่วนต้นทุนต่อประสิทธิภาพที่ดี

2.3 Brillouin Scattering Fiber Optic Gyroscope (BFOG)

วัด ความแตกต่างของเฟส

ใช้เอฟเฟกต์การกระเจิงของ Brillouin ในไฟเบอร์ออปติก

เหมาะสำหรับการใช้งานที่มีความแม่นยำสูง

3. สถาปัตยกรรม Open-Loop เทียบกับ Closed-Loop FOG

Open-Loop Fiber Optic Gyro

การออกแบบที่ค่อนข้างง่าย

ช่วงไดนามิกขนาดเล็ก

ความเชิงเส้นของปัจจัยมาตราส่วนไม่ดี

ความแม่นยำต่ำกว่า

เหมาะสำหรับการใช้งานที่คำนึงถึงต้นทุนหรือประสิทธิภาพระดับกลาง

Closed-Loop Fiber Optic Gyro

การออกแบบที่ซับซ้อนกว่า

ช่วงไดนามิกขนาดใหญ่

ความเชิงเส้นของปัจจัยมาตราส่วนดีเยี่ยม

ความแม่นยำสูง

นำมาใช้อย่างแพร่หลายในด้านการบินและอวกาศ หุ่นยนต์ ทางทะเล และระบบไร้คนขับ

4. RLG เทียบกับ FOG: การเปรียบเทียบประสิทธิภาพ

5. ระดับความแม่นยำ: ในประเทศเทียบกับระดับสากล

ประเทศจีน (ในประเทศ):

ความแม่นยำของ RLG: >5 ppm

ความเสถียรของไบแอส: 0.01–0.001°/h

ระดับสากล (ระดับสูงสุด):

ความแม่นยำของ RLG:  <1 ppm

ความเสถียรของไบแอส: 0.0001°/h

ข้อมูลจำเพาะเหล่านี้ทำให้ RLG ระดับไฮเอนด์จากต่างประเทศอยู่ในกลุ่มเซ็นเซอร์เฉื่อยที่มีความแม่นยำสูงสุดในโลก

6. สรุป

ทั้ง Ring Laser Gyroscopes และ Fiber Optic Gyroscopes เป็นส่วนประกอบที่ขาดไม่ได้ของระบบนำทางเฉื่อยประสิทธิภาพสูง ความแตกต่างของพวกมันสามารถสรุปได้ดังนี้:

RLG ให้ความแม่นยำและความเสถียรในระยะยาวที่เหนือกว่า ทำให้เหมาะสำหรับระบบการบินและอวกาศและระบบเชิงกลยุทธ์

FOG นำเสนอแนวทางที่ยืดหยุ่นและปรับขนาดได้ด้วยสถาปัตยกรรมหลายแบบ (IFOG, RFOG, BFOG) ที่เหมาะสำหรับระดับประสิทธิภาพต่างๆ

Closed-loop FOG เชื่อมช่องว่างระหว่างต้นทุนและประสิทธิภาพ ครอบงำการใช้งานในอุตสาหกรรมและ UAV หลัก

ด้วยนวัตกรรมอย่างต่อเนื่องในเทคโนโลยี resonant และ Brillouin FOG และความก้าวหน้าอย่างต่อเนื่องของกระบวนการผลิต RLG ไจโรสโคปแบบออปติคอลจะยังคงกำหนดมาตรฐานใหม่ในด้านความแม่นยำในการนำทางเฉื่อย