Nguyên Lý Hoạt Động và Cấu Trúc Của La Bàn Quang ( FOG)

Bài này nêu nguyên lý và cấu trúc của la bàn quang FOG

I. NGUYÊN LÝ:

La bàn sợi quang (FOG) không cần bộ phận quay cơ khí vì nó hoạt động dựa trên các nguyên lý vật lý hoàn toàn khác biệt so với la bàn con quay truyền thống. Cụ thể, FOG đo tốc độ quay bằng ánh sáng thay vì sử dụng khối lượng vật lý.

Dưới đây là lý giải chi tiết :

1. Thay thế Momen động lượng bằng Hiệu ứng Sagnac

Con quay cơ học: Hoạt động dựa trên nguyên lý bảo toàn momen động lượng. Nó cần một khối vật lý (rotor) quay ở tốc độ rất cao trên các vòng bi và khung treo (gimbal) để duy trì hướng cố định trong không gian

FOG: Hoạt động dựa trên hiệu ứng Sagnac. FOG bắn hai chùm ánh sáng (laser hoặc SLD) đi vào một cuộn dây sợi quang dài theo hai hướng ngược nhau (một chùm cùng chiều kim đồng hồ, một chùm ngược chiều)

Khi cuộn dây (gắn liền với tàu/xe) quay, chùm ánh sáng đi cùng chiều quay sẽ phải di chuyển một quãng đường dài hơn một chút để đến đích so với chùm ánh sáng đi ngược chiều quay.

Sự chênh lệch quãng đường này tạo ra một độ lệch pha (phase shift) giữa hai chùm sáng. Các cảm biến quang học sẽ đo độ lệch này để tính toán chính xác tốc độ quay của phương tiện.

2. Cấu trúc thể rắn (Solid-State)

Do sử dụng ánh sáng làm phương tiện đo lường, FOG được coi là công nghệ "thể rắn". Các thành phần chính của nó hoàn toàn đứng yên về mặt cơ học, bao gồm:

Cuộn dây sợi quang: Nơi ánh sáng di chuyển.

Nguồn sáng (SLD): Cung cấp tín hiệu quang học.

Chip quang học tích hợp (MIOC): Điều biến và tách chùm sáng.

Cảm biến quang (PIN-FET): Thu nhận tín hiệu .

Vì không có bộ phận nào phải quay hay ma sát vật lý, FOG loại bỏ hoàn toàn các vấn đề cố hữu của con quay cơ học như mòn vòng bi, mất cân bằng rotor, hoặc hư hỏng do rung động mạnh.

II. CẤU TRÚC CỦA LA BÀN QUANG

1. Khối Lắp ráp Quang học (Optical Sensor Assembly)

Đây là trái tim của hệ thống, nơi diễn ra hiệu ứng Sagnac để đo tốc độ quay. Khối này bao gồm 5 thành phần chính quan trọng :

Nguồn sáng (Light Source): Thường sử dụng Diode siêu phát quang (SLD - Superluminescent Diode) hoặc nguồn phát xạ tự phát được khuếch đại (ASE). Các nguồn này cung cấp ánh sáng phổ rộng, độ kết hợp thấp để giảm nhiễu do tán xạ Rayleigh và đảm bảo độ chính xác cao .

Bộ ghép quang (Coupler): Có nhiệm vụ phân tách và kết hợp các tín hiệu ánh sáng. Nó chia ánh sáng từ nguồn thành hai phần đi vào cuộn dây và hướng ánh sáng quay trở lại vào bộ tách sóng .

Chip quang tích hợp đa năng (MIOC - Multi-functional Integrated Optical Chip): Thường được chế tạo trên nền Lithium Niobate ($LiNbO_3$). Nó tích hợp các chức năng như phân cực (polarizer), chia chùm tia (beam splitter) và quan trọng nhất là điều biến pha (phase modulator) để tạo ra độ lệch pha, giúp con quay hoạt động ở vùng tuyến tính nhạy nhất.

Cuộn dây sợi quang (Fiber Coil): Là thành phần cảm biến cốt lõi, bao gồm một sợi quang dài (có thể lên tới vài km) được quấn thành cuộn (thường là sợi duy trì phân cực - PM fiber). Đây là nơi ánh sáng truyền theo hai hướng ngược nhau để tạo ra sự lệch pha Sagnac khi có chuyển động quay.

Bộ tách sóng quang (Photodetector): Thường là linh kiện PIN-FET. Nó chuyển đổi tín hiệu quang học (mô hình giao thoa) thành tín hiệu điện để xử lý .

2. Khối Cảm biến Gia tốc (Accelerometer Triad)

Để một con quay hồi chuyển trở thành một la bàn (gyrocompass) tìm được hướng Bắc thật, nó bắt buộc phải xác định được mặt phẳng nằm ngang cục bộ và véc-tơ trọng trường Trái Đất.

Hệ thống FOG Compass tiêu chuẩn luôn tích hợp một bộ ba gia tốc kế (accelerometers) độ chính xác cao. Các cảm biến này đo trọng lực, cho phép hệ thống tính toán độ nghiêng (roll/pitch) và tách thành phần nằm ngang của tốc độ quay Trái Đất để xác định hướng Bắc.

3. Khối Điện tử và Xử lý Tín hiệu (Electronics & Signal Processing)

Khối này chịu trách nhiệm điều khiển các thành phần quang học và xử lý dữ liệu thô:

Mạch điều khiển nguồn sáng: Ổn định công suất và nhiệt độ cho SLD .

Mạch vòng kín (Closed-loop control): Sử dụng DSP (Digital Signal Processing) hoặc FPGA để thực hiện giải điều biến và áp dụng các thuật toán bù trừ sai số (như bù nhiệt độ, bù trôi bias, hiệu chỉnh hệ số tỷ lệ) trong thời gian thực .

Chuyển đổi tín hiệu: Chuyển đổi tín hiệu quang sang điện và khuếch đại tín hiệu từ PIN-FET.

4. Khối Tính toán Điều hướng (Navigation Computation)

Đây là nơi chạy các thuật toán tìm Bắc và định vị:

Thuật toán tìm Bắc (North-finding algorithms): Xử lý dữ liệu từ FOG và gia tốc kế để tính toán hướng mũi tàu (Heading) so với Bắc thật. Có thể sử dụng phương pháp tĩnh hoặc động (xoay cảm biến để triệt tiêu sai số bias).

Tích hợp dữ liệu (Integration): Trong các hệ thống hiện đại như FOG-INS, khối này còn tích hợp dữ liệu từ các nguồn bên ngoài như GNSS, DVL (Doppler Velocity Log) hoặc Log tốc độ để cung cấp giải pháp định vị toàn diện.

5. Khối Giao diện và Hiển thị (Interface & Display Unit)

Đơn vị giao diện (Interface Unit): Quản lý nguồn điện, các cổng kết nối dữ liệu đầu vào/đầu ra (như RS422, Ethernet), và chuyển đổi giao thức để kết nối với các hệ thống khác trên tàu (Radar, ECDIS, Autopilot).

Đơn vị hiển thị (Display Unit): Màn hình điều khiển để người dùng giám sát các thông số như hướng đi (Heading), tốc độ quay (ROT), tọa độ và trạng thái hệ thống.

Link Sản phẩm : Link 1

Thông tin thêm : Link 2

Tìm kiếm

Bài viết mới