גירוסקופ סיב אופטי

גירוסקופ סיב אופטי (באנגלית: Fibre-optic gyroscope; בראשי תיבות: FOG) הוא מכשיר מדידה המתבסס על סיב אופטי ומקור לייזר, ומשמש למדידת תנועה זוויתית של גוף במרחב אינרציאלי.

בדומה לגירוסקופ המכני, גם גירוסקופ סיב אופטי מסוגל לחוש תנועה זוויתית אבל עקרון הפעולה שלו מבוסס על אפקט סניאק.

מרכיבי המכשיר

המכשיר מורכב מתיבה אופטית המכילה סליל ארוך שעשוי מסיב אופטי. סליל זה מונח ב-90 מעלות לציר החישה הנדרש של התנועה הזוויתית. לקצה האחד של סליל הסיב מחובר מקור לייזר, ובקצהו השני מחובר אלמנט חישה אופטי (פוטודיודה) אשר מודד את צורת האות לאחר מעברה דרך הסליל, ואת התנועה הזוויתית. לצורך הבחנה בהבדלים זעירים הנוצרים באות הנוצר, מוכנסים למסלול האופטי זוג מפצלי אור ומקטב אור ביניהם, הדואג לקיטוב אחיד ומוגדר של קרן האור במהלך הפעולה. לצורך הדגשת האפקט האופטי שנגרם בעקבות תנועה זוויתית, נוסף רכיב הנקרא אפנן מתמר פיאזואלקטרי (piezoelectric transducer modulator – PZT) אשר מאריך ומקצר את הדרך שעושה קרן האור בקצב הניתן לשליטה. את השליטה על ה-PZT, גילוי וניתוח צורת האור ושליטה על עוצמת קרן האור מבצע שבב אלקטרוני הצמוד לתיבה האופטית. שני האלמנטים יחד מהוים את המכשיר עצמו והם תלויים האחד בשני (ראו ציור מבנה סביבון סיב אופטי אופייני בחוג פתוח).

עקרון פעולה

בדומה לגירוסקופ טבעת לייזר, FOG פועל גם הוא על בסיס אפקט סניאק (Sagnac effect) – מהירות האור קבועה ובפרט קרן אור תגיע במהירות קבועה מקצה לקצה של סיב אופטי סלילי. סיבוב הסליל (תנועה שרוצים למדוד) אמור לכאורה לשנות את מהירות ההגעה, אך היות שזה בלתי אפשרי, פרמטר הזמן הוא המשתנה היחיד במרכיב המהירות האור בסיב ( $v=x/t$ ) או במילים אחרות – הפאזה.

על מנת שאפשר יהיה למדוד את שינוי זמן המעבר בסיב, מכניסים לסיב קרן לייזר מפוצלת בכיוונים מנוגדים. לאחר מעבר דרך הסיב, שתי הקרניים (הגלים) מתאחדות ומתאבכות. מדידת עוצמת התאבכות הגלים היא פונקציה לא ליניארית של שינוי זמן המעבר במסלול, וממילא של המהירות הזוויתית.

בדרך כלל, יכויל אפנן ה־PZT כך שיוסיף פאזה של 90 מעלות לאינטרפרומטר. תזוזה זו בפאזה מאפשרת מדידה כמעט ליניארית סביב מהירות סיבוב 0. בנוסף, אזור פאזה של 90 מעלות הוא הרגיש ביותר לשינויי מהירות זוויתית. כלומר, שינוי במהירות הזוויתית יתורגם לשינוי גדול יותר בעוצמת המדידה.

תופעה זו הייתה ידועה שנים רבות אבל רק התפתחות הטכנולוגיה אפשרה למדוד את הפרשי הפאזה, שמשמעותם היא קצב השינויי הזוויתי של ה-FOG.

שגיאות מדידה

כמו בכל מכשיר מדידה פיזיקלי, גם ל-FOG יש שגיאות מדידה. אף על פי שאי אפשר לדעת את מודל השגיאה המדויק אשר ייצג את השגיאה כהוויתה, מקובל להשתמש במודל שגיאה חלקי הכולל פולינום מסדר ראשון בתוספת רעש לבן על מנת לבטא את שגיאות המדידה המשמעותיות.

מודל מתמטי

מודל השגיאה הפשוט הוא:

${\tilde {\omega }}=d+SF\cdot {\omega }+n(0,\sigma )$

יישומים

ה־FOG הוא מדיד שהדיוק והעלויות שלו מתפרסות על טווח רחב, החל ממדידים קטנים יחסית (שקוטרם הוא כ־5 ס"מ) וכלה במדידים גדולים (שקוטרם הוא כ־20 ס"מ). הדיוק והעלות של ה־FOG עולים ככל שה־FOG גדול יותר.

מכשיר זה נבנה בעיקר לצורכי ניווט כלי רכב, כלי טיס וכלי שיט בשילוב עם מד תאוצה (מערכת ניווט אינרציאלית).

כמו כן, ה־FOG משמש לייצוב מצלמות ואלמנטים צבאיים (לדוגמה קנה של טנק) לשמירה על קו ראייה.

יתרונותיו של FOG על גירוסקופ מכני

אינו מכיל חלקים נעים כלל – דבר שמגדיל מאוד את אמינות המכשיר.
משקלו קטן.
צריכת הספק נמוכה.
רגישות גבוהה לתדרים גבוהים (רוחב סרט).
עמידות להלמים ורעידות.

לקריאה נוספת

Herve C. Lefevre, The Fiber-Optic Gyroscope, 3rd ed, 2022
Anthony Lawrence, Modern Inertial Technology, 2dn Edition

ראו גם

קישורים חיצוניים