Ringlaserkreisel und Faseroptische Kreisel: Prinzipien, Typen und Leistungsvergleich

Moderne Trägheitsnavigationssysteme basieren stark auf hochpräzisen Rotationssensoren. Unter ihnen sind das Ringlaserkreisel (RLG) und Faseroptischer Kreisel (FOG) aufgrund ihrer Stabilität, Genauigkeit und Zuverlässigkeit am weitesten verbreitet.

Dieser Artikel gibt einen klaren Überblick darüber, wie diese Kreisel funktionieren, die verschiedenen Klassifizierungen von faseroptischen Kreiseln und wie ihre Leistung international verglichen wird.

1. Was ist ein Ringlaserkreisel (RLG)?

Der akademische Name eines Laser-Kreisels ist der Ringlaser.
Sein international anerkannter Begriff ist Ringlaserkreisel (RLG).

Ein RLG ist im Wesentlichen ein He-Ne-Laser (Helium-Neon) mit einem geschlossenen Ringresonator.
Innerhalb des Resonators breiten sich zwei Laserstrahlen in entgegengesetzte Richtungen aus. Wenn sich das System dreht, ändern sich die optischen Pfadlängen asymmetrisch, was zu einer messbaren Frequenzdifferenz führt.

Dieser physikalische Mechanismus ist als der Sagnac-Effekt — das gleiche Prinzip, das in allen optischen Kreiseln verwendet wird.

Warum RLGs wichtig sind

Großer Dynamikbereich

Sehr hohe Genauigkeit

Außergewöhnliche Langzeitstabilität

Ausgereift und bewährt in Luft- und Raumfahrt- und Verteidigungsanwendungen

2. Faseroptische Kreisel (FOG): Typen und Messprinzipien

Faseroptische Kreisel basieren ebenfalls auf dem Sagnac-Effekt, aber anstelle eines Laserresonators wandert das Licht durch eine lange Spule aus optischer Faser.

FOGs können in drei Haupttypen eingeteilt werden:

2.1 Resonanz-Faseroptischer Kreisel (RFOG)

Misst die Frequenzdifferenz zwischen gegenläufigen Strahlen

Verwendet einen resonanten optischen Resonator

Potenzial für extrem hohe Genauigkeit

Bevorzugt für Navigationssysteme der nächsten Generation

2.2 Interferometrischer Faseroptischer Kreisel (IFOG)

Misst die Phasendifferenz

Derzeit der ausgereifteste und am weitesten verbreitete Typ

Hohe Zuverlässigkeit und gutes Kosten-Leistungs-Verhältnis

2.3 Brillouin-Streuungs-Faseroptischer Kreisel (BFOG)

Misst die Phasendifferenz

Verwendet Brillouin-Streuungseffekte in optischen Fasern

Geeignet für hochpräzise Anwendungen

3. Open-Loop- vs. Closed-Loop-FOG-Architektur

Open-Loop-Faseroptischer Kreisel

Relativ einfaches Design

Kleiner Dynamikbereich

Schlechte Skalierungsfaktorlinearität

Geringere Genauigkeit

Am besten für kostenempfindliche oder mittlere Leistungsanwendungen.

Closed-Loop-Faseroptischer Kreisel

Komplexeres Design

Großer Dynamikbereich

Hervorragende Skalierungsfaktorlinearität

Hohe Genauigkeit

Weit verbreitet in der Luft- und Raumfahrt, Robotik, Marine und unbemannten Systemen.

4. RLG vs. FOG: Leistungsvergleich

5. Genauigkeitsstufen: Inländisch vs. International

China (Inland):

RLG-Genauigkeit: >5 ppm

Bias-Stabilität: 0,01–0,001°/h

International (Top Tier):

RLG-Genauigkeit: <1 ppm

Bias-Stabilität: 0,0001°/h

Diese Spezifikationen ordnen ausländische High-End-RLGs zu den genauesten Trägheitssensoren der Welt ein.

6. Zusammenfassung

Sowohl Ringlaserkreisel als auch faseroptische Kreisel sind unverzichtbare Bestandteile der Hochleistungs-Trägheitsnavigation. Ihre Unterschiede lassen sich wie folgt zusammenfassen:

RLGs bieten überlegene Präzision und Langzeitstabilität und sind damit ideal für Luft- und Raumfahrt- und strategische Systeme.

FOGs bieten einen flexiblen, skalierbaren Ansatz mit mehreren Architekturen (IFOG, RFOG, BFOG), die für verschiedene Leistungsniveaus geeignet sind.

Closed-Loop-FOGs schlagen die Brücke zwischen Kosten und Leistung und dominieren Mainstream-Industrie- und UAV-Anwendungen.

Mit kontinuierlicher Innovation in der Resonanz- und Brillouin-FOG-Technologie und stetiger Weiterentwicklung der RLG-Herstellungsverfahren werden optische Kreisel weiterhin neue Maßstäbe in der Trägheitsnavigationsgenauigkeit setzen.