لماذا يُطلق عليه اسم الجيروسكوب الليفي البصري؟

النقاط الرئيسية

• • المنتج: جيروسكوب الألياف البصرية (FOG)

    الميزات الرئيسية:

    • المكونات: مستشعر الحالة الصلبة الذي يستخدم الألياف البصرية لإجراء قياسات دقيقة بالقصور الذاتي.
    • الوظيفة: تستفيد من تأثير SAGNAC لاستشعار معدل الدوران الزاوي بدقة دون أجزاء متحركة.
    • التطبيقات: مناسب لوحدات القياس بالقصور الذاتي، وأنظمة الملاحة بالقصور الذاتي، وباحثات الصواريخ، والطائرات بدون طيار، والروبوتات.
    • دمج البيانات: يجمع بيانات FOG مع المراجع الخارجية لتعزيز الدقة والاستقرار.
    • الخلاصة: توفر أجهزة التوجيه البصرية دقة وموثوقية عاليتين في مهام الملاحة، مع تطورات مستقبلية واعدة في مختلف القطاعات.

يتميز الجيروسكوب الليفي البصري، على غرار الجيروسكوب الليزري الحلقي، بمزايا عديدة منها عدم وجود أجزاء ميكانيكية متحركة، وعدم الحاجة إلى التسخين المسبق، وحساسية التسارع المنخفضة، ونطاق ديناميكي واسع، ومخرج رقمي، وصغر الحجم. إضافةً إلى ذلك، يتغلب الجيروسكوب الليفي البصري على عيوب الجيروسكوب الليزري الحلقي الجوهرية، مثل ارتفاع التكلفة وظاهرة الانسداد.

الجيروسكوب الليفي البصري هو نوع من أجهزة الاستشعار الليفية البصرية المستخدمة في الملاحة بالقصور الذاتي.
لأنه لا يحتوي على أجزاء متحركة - دوار عالي السرعة، يُسمى جيروسكوب الحالة الصلبة. سيصبح هذا الجيروسكوب الصلب بالكامل المنتج الرائد في المستقبل، ويتمتع بآفاق تطوير وتطبيق واسعة.

1. تصنيف الجيروسكوب الليفي البصري

بحسب مبدأ عملها، يمكن تقسيم الجيروسكوب الليفي البصري إلى جيروسكوب ليفي بصري تداخلي (I-FOG)، وجيروسكوب ليفي بصري رنيني (R-FOG)، وجيروسكوب ليفي بصري مُحفَّز بتشتت بريلوين (B-FOG). حاليًا، يُعد الجيروسكوب الليفي البصري التداخلي (أي الجيل الأول من الجيروسكوبات الليفية البصرية) الأكثر نضجًا والأكثر استخدامًا. يستخدم هذا النوع ملفًا متعدد اللفات من الألياف البصرية لتعزيز تأثير SAGNAC. يوفر مقياس التداخل الحلقي ثنائي الحزمة، المُكوَّن من ملف ألياف بصرية أحادي النمط متعدد اللفات، دقة عالية، ولكنه يُؤدي حتمًا إلى تعقيد البنية العامة.
تُقسم الجيروسكوبات الليفية الضوئية إلى نوعين: جيروسكوبات ليفية ضوئية ذات حلقة مفتوحة وجيروسكوبات ليفية ضوئية ذات حلقة مغلقة، وذلك حسب نوع الحلقة. يتميز الجيروسكوب الليفي الضوئي ذو الحلقة المفتوحة بعدم وجود تغذية راجعة، حيث يقوم برصد الخرج الضوئي مباشرةً، مما يوفر العديد من البنى البصرية والدوائر المعقدة. يتميز هذا النوع ببساطة التركيب، وانخفاض السعر، والموثوقية العالية، واستهلاك الطاقة المنخفض. أما عيوبه فتتمثل في ضعف خطية الإدخال والإخراج، وضيق النطاق الديناميكي، ويُستخدم بشكل أساسي كمستشعر زاوية. أما الجيروسكوب الليفي الضوئي التداخلي ذو الحلقة المفتوحة، فيتكون تركيبه الأساسي من مقياس تداخل ثنائي الحزمة حلقي. ويُستخدم بشكل رئيسي في التطبيقات التي تتطلب دقة منخفضة وحجمًا صغيرًا.

2. وضع ومستقبل الجيروسكوب الليفي البصري

مع التطور السريع لجيروسكوب الألياف الضوئية، استثمرت العديد من الشركات الكبرى، ولا سيما شركات المعدات العسكرية، موارد مالية ضخمة لدراسته. وقد أنجزت شركات البحث الرئيسية في الولايات المتحدة واليابان وألمانيا وفرنسا وإيطاليا وروسيا تصنيع الجيروسكوبات منخفضة ومتوسطة الدقة على نطاق صناعي، وحافظت الولايات المتحدة على مكانتها الرائدة في هذا المجال البحثي.
لا يزال تطوير الجيروسكوب الليفي البصري في بلادنا في مراحله المتأخرة نسبيًا. وبحسب مستوى التطور، ينقسم تطوير الجيروسكوب إلى ثلاث فئات: الفئة الأولى تضم الولايات المتحدة والمملكة المتحدة وفرنسا، التي تمتلك جميع القدرات البحثية والتطويرية في مجال الجيروسكوب والملاحة بالقصور الذاتي؛ أما الفئة الثانية فتضم بشكل رئيسي اليابان وألمانيا وروسيا؛ بينما تقع الصين حاليًا في الفئة الثالثة. بدأ البحث في الجيروسكوب الليفي البصري في الصين متأخرًا نسبيًا، ولكن بفضل جهود غالبية الباحثين العلميين، تم تضييق الفجوة تدريجيًا بيننا وبين الدول المتقدمة.
تتمتع الصين حاليًا بسلسلة توريد متكاملة في صناعة الجيروسكوبات الليفية الضوئية، حيث يمكن العثور على المصنّعين في جميع مراحل هذه السلسلة، وقد وصلت دقة تطوير الجيروسكوبات الليفية الضوئية إلى متطلبات الدقة المتوسطة والمنخفضة لأنظمة الملاحة بالقصور الذاتي. ورغم أن الأداء ليس قويًا نسبيًا، إلا أنه لن يمثل عائقًا أمام التطور كما هو الحال مع الرقائق الإلكترونية.
سيركز التطوير المستقبلي لجيروسكوب الألياف الضوئية على الجوانب التالية:
(1) الدقة العالية. تُعدّ الدقة العالية شرطًا أساسيًا لاستخدام الجيروسكوب الليفي البصري كبديل للجيروسكوب الليزري في أنظمة الملاحة المتقدمة. وحاليًا، لا تزال تقنية الجيروسكوب الليفي البصري عالي الدقة قيد التطوير.
(2) الاستقرار العالي ومقاومة التداخل. يُعدّ الاستقرار العالي طويل الأمد أحد اتجاهات تطوير الجيروسكوب الليفي البصري، إذ يُشترط في نظام الملاحة بالقصور الذاتي للجيروسكوب الحفاظ على دقة الملاحة لفترات طويلة في ظل ظروف بيئية قاسية. فعلى سبيل المثال، في حالات ارتفاع درجات الحرارة، أو الزلازل القوية، أو المجالات المغناطيسية الشديدة، يجب أن يتمتع الجيروسكوب الليفي البصري بدقة كافية لتلبية متطلبات المستخدمين.
(3) تنويع المنتجات. من الضروري تطوير منتجات ذات دقة واحتياجات مختلفة. فلكل مستخدم متطلباته الخاصة بدقة الملاحة، ويتميز الجيروسكوب الليفي البصري ببساطة تركيبه، إذ لا يتطلب تغيير الدقة سوى تعديل طول وقطر الملف. وبهذا، يتفوق على الجيروسكوب الميكانيكي وجيروسكوب الليزر، كما يسهل إنتاج منتجات ذات دقة مختلفة، وهو شرط أساسي للتطبيق العملي للجيروسكوب الليفي البصري.
(4) حجم الإنتاج. يُعدّ خفض التكلفة أحد الشروط الأساسية لقبول الجيروسكوب الليفي البصري من قِبل المستخدمين. ويمكن لحجم إنتاج المكونات المختلفة أن يُسهم بفعالية في خفض تكاليف الإنتاج، لا سيما بالنسبة للجيروسكوبات الليفية البصرية متوسطة ومنخفضة الدقة.

3. ملخص