Was ist ein faseroptisches Gyroskop?

faseroptische Gyroskope FOGs) sind hochpräzise und genaue Rotationssensoren. Sie kommen in Navigations- und Leitsystemen von Flugzeugen, Raumfahrzeugen, Schiffen und anderen Fahrzeugen zum Einsatz. Sie erfassen die Rotation, indem sie die Interferenz von Laserlicht messen, das durch eine Glasfaserspule läuft.

Grundlagen des Gyroskops

Ein Gyroskop ist ein Gerät, das die Ausrichtung und die Winkelgeschwindigkeit messen kann. Die Grundlage für die einfachste Art von Gyroskop bildet ein in einem Rahmen gehaltenes, sich drehendes Rad – vielen bekannt als Kinderspielzeug. Durch den Drehimpuls bleibt die Ausrichtung des Rades konstant, auch wenn sich der Rahmen um es herum dreht.

Mit der Entwicklung von Fluggeräten – zunächst Flugzeugen, später Raketen – im 20. Jahrhundert wurden Kreisel zu weit mehr als nur Spielzeug. Der Grund dafür ist, dass Fluggeräte eine navigatorische Anforderung erfüllen müssen, die bei Bodenfahrzeugen oder sogar Schiffen nicht besteht. Das heißt, sie können sich frei drehen und in allen drei Dimensionen bewegen. Piloten müssen daher die Ausrichtung des Fluggeräts in allen drei Achsen ständig kennen, um das Flugzeug steuern zu können. 

Unbemannte Raketen und Flugkörper müssen eine weitere Anforderung erfüllen. Diese Flugkörper müssen ihre Ausrichtung und Position kennen, ohne dass ein menschlicher Pilot dies überwacht. Die Lösung hierfür ist ein Trägheitsnavigationssystem (IGS). Das IGS nutzt Gyroskope, um die Ausrichtung und Winkelbewegung zu erfassen, den Flugkörper kontinuierlich zu steuern und zu berechnen, wie weit er sich von seinem Startpunkt entfernt hat.

Vorteile von faseroptische Gyroskope

Die ersten Kreisel waren mechanischer Bauart – ein motorgetriebener, sich drehender Rotor sowie verschiedene Sensoren, die die Winkelgeschwindigkeit und die Orientierungsdaten erfassten und diese an den Piloten oder das IGS weitergaben. Diese mechanischen Kreisel waren relativ groß und schwer. Ihre Leistung konnte durch Vibrationen beeinträchtigt werden, und sie mussten regelmäßig kalibriert werden. 

Interferometrische faseroptische Gyroskope IFOGs) wurden entwickelt, um die Einschränkungen mechanischer Gyroskope zu überwinden. Anstelle eines mechanischen Rotors nutzen sie eine Glasfaserspule, eine kohärente Lichtquelle und einen Fotodetektor, um Drehbewegungen zu erfassen. Dies führt zu kleineren, leichteren und präziseren Systemen.

Im Inneren des IFOG wird das Licht vor dem Eintritt in die Faserspule in zwei Strahlen aufgeteilt. Die beiden Strahlen werden in die entgegengesetzten Enden der Faser eingekoppelt, sodass sich der eine im Uhrzeigersinn und der andere gegen den Uhrzeigersinn bewegt.

Dreht sich die Spule um ihre eigene Achse, kommt es zu einer Phasenverschiebung zwischen den beiden Strahlen. Dies wird als Sagnac-Effekt bezeichnet. Wenn die beiden Strahlen aus der Faser austreten, werden sie wieder zusammengeführt. Jede Phasenverschiebung erzeugt Interferenzstreifen (ein Muster aus hellen und dunklen Bereichen) im kombinierten Strahl. Dieses Muster wird vom Detektor erfasst, um die Winkelgeschwindigkeit der Drehung zu bestimmen. In der Regel werden drei Spulen verwendet, die jeweils im rechten Winkel zueinander angeordnet sind, um die Drehung in allen drei Achsen gleichzeitig zu erfassen.

IFOG Bauwesen

IFOG-Spulen werden in der Regel hergestellt, indem eine stark doppelbrechende, polarisationserhaltende optische Faser um eine zentrale Achse gewickelt und die Spule anschließend in einem Schutzmaterial eingekapselt wird. Es gibt zwei Hauptarten von Verkapselungsverfahren: das Nass- und das Trockenverfahren. Bei nassen IFOG-Spulen wird eine Flüssigkeit wie Öl oder Wasser zum Schutz und zur Abstützung der optischen Faser verwendet, während bei trockenen IFOG-Spulen ein Feststoff wie Keramik oder Glas zum Schutz und zur Abstützung der optischen Faser dient. 

Nasse IFOG-Spulen bieten eine bessere Temperaturstabilität und können in einem breiteren Spektrum von Umgebungen eingesetzt werden. Allerdings sind sie komplexer und schwieriger herzustellen. Trockene IFOG-Spulen sind einfacher und leichter herzustellen, reagieren jedoch empfindlicher auf Temperaturschwankungen.

Die IFOG-Lichtquelle ist in der Regel ein Lasergerät mit geringer Leistung und Dauerstrichbetrieb, Diode superlumineszente Diode oder eine Quelle mit verstärkter spontaner Emission. Als Detektor dient meist eine Fotodiode oder eine Photomultiplierröhre. 

Die Konfigurationsmöglichkeiten für IFOGs sind nahezu unbegrenzt – insbesondere hinsichtlich der Wicklungsart und der Gehäuseausführung. Weitere Variablen sind die Gesamtlänge der Faser im Spulenkörper, verschiedene optische Beschichtungen sowie Eigenschaften wie Strahlungsbeständigkeit (insbesondere für weltraumgestützte Anwendungen). 

All diese unterschiedlichen Bauformen stellen jedoch recht ähnliche Anforderungen an die Glasfaserspule, die das Herzstück des Systems bildet. Insbesondere gibt es bestimmte Parameter, die für eine einwandfreie Funktion des IFOG entscheidend sind. Die wichtigsten davon sind der Einfügungsverlust, das Polarisationsauslöschungsverhältnis (PER) und Wellenlänge Verluste. Auch Präzision die Qualität der Verkapselung spielen eine wichtige Rolle. 

Um in diesen Bereichen gute Ergebnisse zu erzielen, muss die Herstellung der Faser selbst sowie der anschließende Wickelvorgang präzise gesteuert werden. Insbesondere ist es unerlässlich, dass die Faserspule vollkommen symmetrisch gewickelt wird (damit die in entgegengesetzte Richtungen verlaufenden Strahlen identischen Bedingungen ausgesetzt sind). Zudem ist es wichtig, die mechanische Belastung der gewickelten Faser so gering wie möglich zu halten. 

Um diese Aufgaben wiederholbar ausführen zu können, sind umfangreiches Fachwissen und Prozesskompetenz erforderlich. Coherent eine vollständig vertikal integrierte Fertigungskapazität für IFOG-Spulen – vom Ziehen des Glasfaserkabels bis hin zum Aufwickeln zu Spulen –, um das Maß an Prozesskontrolle zu gewährleisten, das für die konsistente Herstellung von leistungsstarken IFOG-Spulen erforderlich ist. 

Es gibt nicht den einen „besten“ IFOG-Typ. Das erforderliche Leistungsniveau, die Betriebsumgebung sowie die akzeptablen Werte für Größe, Gewicht und Stromverbrauch müssen bei jeder konkreten Anwendung gegen die Kosten abgewogen werden. 

IFOGs in Aktion

IFOGs bieten gegenüber herkömmlichen Gyroskopen und sogar anderen nicht-mechanischen Technologien mehrere wesentliche Vorteile. Zum einen sind IFOGs äußerst empfindlich und können selbst kleinste Drehbewegungen erfassen – Winkelgeschwindigkeiten mit einer Auflösung von wenigen Nanoradian pro Sekunde. Dies ist um mehrere Größenordnungen besser als bei mechanischen Gyroskopen. Somit ermöglichen sie eine Navigation und Steuerung mit höherer Genauigkeit.

Darüber hinaus sind IFOGs relativ unempfindlich gegenüber Vibrationen und elektromagnetischen Störungen und zeichnen sich durch eine lange Lebensdauer sowie geringen Wartungsaufwand aus. Dies macht sie für den Einsatz in einer Vielzahl von „rauen“ Umgebungen oder an Orten, an denen der Zugang zu den Geräten eingeschränkt ist, besonders geeignet. Dazu gehören Anwendungen in der Raumfahrt sowie in Trägheitsmesssystemen für See- und Unterwasserfahrzeuge und -ausrüstung. 

IFOGs werden aufgrund ihrer hohen Empfindlichkeit und Genauigkeit häufig auch zur Stabilisierung ortsfester Bauwerke eingesetzt. So können IFOGs beispielsweise die Drehbewegung eines Bauwerks wie einer Brücke, eines Gebäudes oder einer Antennenplattform messen und die Daten an ein Steuerungssystem weiterleiten, das etwaige Bewegungen ausgleicht. Dies kann dazu beitragen, die Stabilität des Bauwerks zu gewährleisten, insbesondere bei starkem Wind oder seismischen Einwirkungen.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass IFOGs eine hochpräzise und zuverlässige Art von Drehsensoren sind, die ein breites Anwendungsspektrum abdecken. Sie sind unempfindlich gegenüber elektromagnetischen Störungen, relativ vibrationsunempfindlich, zeichnen sich durch eine lange Lebensdauer und geringen Wartungsaufwand aus und sind zudem relativ klein und leicht. Dies macht sie ideal für den Einsatz in Navigations-, Leit- und Steuerungssystemen für Flugzeuge, Schiffe und Bodenfahrzeuge. Darüber hinaus finden sie Anwendung in der industriellen Automatisierung und Robotik.