Faseroptisches Gyroskop

Was ist ein Gyroskop?

Faseroptische Gyroskope (FOGs) sind hochpräzise und genaue Rotationssensoren. Sie werden in Navigations- und Leitsystemen in Flugzeugen, Raumfahrzeugen, Schiffen und anderen Fahrzeugen verwendet. Sie erfassen die Rotation, indem sie die Interferenz von Laserlicht messen, das sich in einer Spule aus optischen Fasern ausbreitet.

Grundlagen-Informationen zu Gyroskopen

Ein Gyroskop ist ein Gerät, das Ausrichtung und Winkelgeschwindigkeit erfassen kann. Die Grundlage für den einfachsten Gyroskop-Typ ist ein in einem Rahmen gehaltener Kreisel – vielen ist dies als Kinderspielzeug vertraut. Der Drehimpuls der Bewegung bewirkt, dass die Ausrichtung des Kreisels konstant bleibt, selbst wenn sich der Rahmen darum dreht.

Gyroskope erhielten durch die Entwicklung von fliegenden Fahrzeugen im 20. Jahrhundert – zunächst Flugzeuge, dann Raketen – eine weit über den Status als Spielzeug reichende Bedeutung. Dies liegt daran, dass fliegende Fahrzeuge eine Navigationsanforderung besitzen, die in bodengebundenen Fahrzeugen oder auch Schiffen nicht erforderlich ist. Das heißt, sie können sich in allen drei Dimensionen frei drehen und bewegen. Piloten müssen daher die Fahrzeugausrichtung in den drei Achsen ständig kennen, um das Flugzeug zu steuern. 

Für unbemannte Raketen und Flugkörper besteht eine weitere Anforderung. Diese Fahrzeuge müssen ihre Ausrichtung und Position ohne Überwachung durch einen menschlichen Piloten kennen. Die Lösung dafür ist ein Trägheitsnavigationssystem, das sog. Inertial Guidance System (IGS). Das IGS verwendet Gyroskope, um die Ausrichtung und den Drehimpuls zu erfassen, um das Fahrzeug kontinuierlich zu steuern und zu berechnen, wie weit es sich von seinem Startpunkt entfernt hat.

Vorteile von faseroptischen Gyroskopen

Die ersten Gyroskope waren mechanisch – ein motorgetriebener rotierender Rotor und verschiedene Sensoren, um die Winkelgeschwindigkeits- und Orientierungsinformationen zu lesen und diese an den menschlichen Piloten oder IGS auszugeben. Diese mechanischen Gyroskope waren relativ groß und schwer. Ihre Leistung konnte durch Vibrationen beeinträchtigt werden und sie mussten häufig kalibriert werden. 

Daher wurden interferometrische faseroptische Gyroskope (IFOGs) entwickelt, um die Grenzen mechanischer Gyroskope zu überwinden. Sie verwenden anstelle eines mechanischen Rotors eine Spule aus optischen Fasern, eine kohärente Lichtquelle und einen Fotodetektor, um die Rotation zu erfassen. Dies führt zu kleineren, leichteren und genaueren Systemen.

Im Inneren des IFOG wird die Lichtquelle in zwei Strahlen aufgeteilt, bevor sie in die Faserspule eintritt. Die beiden Strahlen werden in den gegenüberliegenden Enden der Faser gekoppelt, sodass sich der eine in Richtung des Uhrzeigersinns und der andere in entgegengesetzter Richtung ausbreitet.

Wenn sich die Spule um ihre Achse dreht, werden die beiden Strahlen einer relativ zueinander wirkenden Phasenverschiebung ausgesetzt. Dies wird als Sagnac-Effekt bezeichnet. Bei Verlassen der Faser werden die beiden Strahlen wieder zusammengefasst. Jede Phasenverschiebung erzeugt Interferenzstreifen (ein Hell-Dunkel-Muster) im kombinierten Strahl. Dieses Muster wird vom Detektor erfasst, um die Winkelgeschwindigkeit der Rotation zu bestimmen. Typischerweise werden drei, jeweils einzeln im rechten Winkel zu den anderen beiden montierte Spulen verwendet, um die Drehung in allen drei Achsen gleichzeitig zu erfassen.

IFOG-Konstruktion

IFOG-Spulen werden normalerweise hergestellt, indem eine stark doppelbrechende, polarisationserhaltende optische Faser um eine Mittelachse gewickelt und die Spule dann in einem Schutzmaterial gekapselt wird. Es gibt zwei Haupttypen von Kapselungsmethoden: Nass und trocken. Nasse IFOG-Spulen verwenden eine Flüssigkeit wie Öl oder Wasser, um die optische Faser zu schützen und zu stützen, während trockene IFOG-Spulen hierzu einen Feststoff wie Keramik oder Glas verwenden. 

Nasse IFOG-Spulen bieten eine bessere Temperaturstabilität und können in einem breiteren Spektrum von Umgebungen verwendet werden. Ihre Herstellung ist jedoch komplexer und schwieriger. Trockene IFOG-Spulen sind zwar einfacher herzustellen, aber sie reagieren empfindlicher auf Temperaturänderungen.

Die IFOG-Lichtquelle ist üblicherweise ein Dauerstrichlaser mit geringem Stromverbrauch, eine Superlumineszenzdiode oder eine ASE-Quelle (amplified spontaneous emission). Bei dem Detektor handelt es sich normalerweise um eine Photodiode oder eine Photovervielfacherröhre. 

Es gibt nahezu unbegrenzte mögliche IFOG-Konfigurationen – insbesondere gilt dies bei den Optionen für die Art und Weise, wie die Spule gewickelt und verpackt wird. Andere Variablen sind die Gesamtlänge der Faser in der Spule, verschiedene optische Beschichtungen und Eigenschaften wie Strahlungsbeständigkeit (insbesondere für weltraumgestützte Anwendungen). 

Und doch haben all diese unterschiedlichen Bauformen ziemlich ähnliche Anforderungen an die faseroptische Spule im Inneren des Systems. Insbesondere gibt es bestimmte Parameter, die für eine ordnungsgemäße IFOG-Leistung entscheidend sind. Die wichtigsten Parameter sind die Einfügungsdämpfung, das Polarisations-Extinktionsverhältnis (PER) und wellenlängenabhängige Verluste. Auch die Präzision der Wicklung und die Qualität der Kapselung sind wichtig.

Um in diesen Bereichen eine gute Leistung zu erzielen, ist die Fähigkeit erforderlich, die Herstellung der Faser selbst und den anschließenden Prozess für das Wickeln der Faser in das Spulenformat genauestens überwachen zu können. Insbesondere eine perfekt symmetrische Wicklung der Faserspule ist von entscheidender Bedeutung (sodass die sich in entgegengesetzte Richtung ausbreitenden Strahlen identischen Bedingungen ausgesetzt sind). Ferner ist es wichtig, die mechanische Belastung in der gewickelten Faser zu minimieren.

Für die Durchführung dieser Aufgabe in wiederholbarer Weise ist ein gutes Maß an Fachwissen und Prozesserfahrung erforderlich. Coherent besitzt die umfangreichen Kompetenzen für die vertikal integrierte IFOG-Spulenherstellung – vom Ziehen des Glasfaserkabels bis zum Wickeln der Spulen – um das Niveau der Prozesskontrolle zu gewährleisten, das für die beständige Produktion von Hochleistungs-IFOG-Spulen erforderlich ist.

Es gibt nicht die eine „beste“ Art von IFOG. Das erforderliche Leistungsniveau, die Betriebsumgebung und die akzeptable Größe, das Gewicht und der Stromverbrauch müssen bei jeder spezifischen Anwendung im Vergleich zu den Kosten abgewogen werden. 

IFOGs im praktischen Einsatz

IFOGs bieten mehrere bedeutende Vorteile gegenüber herkömmlichen Gyroskopen und sogar anderen nicht-mechanischen Technologien. Zum einen sind IFOGs hochempfindlich und können sehr kleine Rotationsbewegungen erkennen – Winkelgeschwindigkeiten mit einer Auflösung von wenigen Nanorad pro Sekunde. Dies ist um mehrere Größenordnungen besser als bei mechanischen Gyroskopen. Daher bieten sie eine genauere Navigation und Führung.

Darüber hinaus sind IFOGs relativ immun gegen Vibrationen und elektromagnetische Interferenzen und besitzen eine lange Lebensdauer bei geringen Wartungsanforderungen. Hierdurch sind sie in „rauen” Umgebungen bzw. in Umgebungen mit beschränktem Zugang zu den Geräten hilfreich. Zu diesen Bereichen gehören weltraumgestützte Anwendungen und Trägheitsmesssysteme für See- und Unterwasserfahrzeuge und -ausrüstungen. 

IFOGs werden aufgrund ihrer hohen Empfindlichkeit und Genauigkeit auch häufig zur Stabilisierung stationärer Strukturen verwendet. Beispielsweise können IFOGs die Rotationsbewegung einer Struktur wie einer Brücke, eines Gebäudes oder einer Antennenplattform messen und die Daten an ein Steuersystem zurückgeben, das jede Bewegung kompensiert. Dies kann dazu beitragen, die Stabilität der Struktur aufrechtzuerhalten, insbesondere bei starkem Wind oder seismischen Bedingungen.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass IFOGs eine hochpräzise und genaue Art von Rotationssensoren für ein breites Anwendungsspektrum sind. Sie sind immun gegen elektromagnetische Störungen, relativ immun gegen Vibrationen, besitzen eine lange Lebensdauer bei geringem Wartungsaufwand und sind relativ klein und leicht. Dadurch eignen sie sich ideal für den Einsatz in Navigations-, Führungs- und Steuerungssystemen für Flugzeuge, Schiffe und bodengebundene Fahrzeuge. Darüber hinaus bieten sie hilfreiche Einsatzmöglichkeiten in der industriellen Automatisierung und Robotik.