miniatura|direita|A interferência em um interferômetro de Sagnac é proporcional à área delimitada pelo caminho óptico. Uma bobina de fibra óptica multiplica a área efetiva pelo número de voltas.
Um giroscópio de fibra óptica (FOG, do inglês fibre-optic gyroscope) é um sensor de velocidade angular que detecta mudanças de orientação por meio do efeito Sagnac. Ele cumpre a função de um giroscópio mecânico, mas seu funcionamento baseia-se na interferência da luz que percorre uma bobina de fibra óptica, cujo comprimento pode chegar a 5 km.
O desenvolvimento de fibras ópticas monomodo de baixa atenuação e de fontes semicondutoras de luz no início da década de 1970 tornou possível a construção de giroscópios ópticos de estado sólido baseados em longas bobinas de fibra.
Funcionamento Dois feixes de um laser são injetados na mesma fibra em sentidos opostos. Por causa do efeito Sagnac, o feixe que se propaga contra o sentido da rotação sofre um atraso de percurso ligeiramente menor que o outro. O deslocamento diferencial de fase resultante é medido por interferometria. Uma componente da velocidade angular é então convertida em uma alteração do padrão de interferência, detectada pela intensidade da luz em um fotodetector.
Um divisor de feixe separa a luz de um diodo laser, ou de outra fonte óptica, em duas ondas que percorrem nos sentidos horário e anti-horário uma bobina formada por muitas voltas de fibra. A intensidade do efeito Sagnac depende da área efetiva do caminho óptico fechado. Essa área não corresponde apenas à área geométrica de uma volta, pois cresce com o número de voltas da bobina.
Para uma bobina circular de raio e comprimento total de fibra , a diferença de fase de Sagnac pode ser escrita como:
em que é o comprimento de onda da luz, é a velocidade da luz no vácuo e é a componente da velocidade angular perpendicular ao plano da bobina. O comprimento incorpora o número de voltas, razão pela qual uma bobina longa aumenta a sensibilidade sem exigir um caminho óptico de grande diâmetro.
Em IFOGs de alta precisão, emprega-se uma fonte de espectro largo e baixa coerência temporal. A baixa coerência reduz interferências parasitas causadas por retroespalhamento e por caminhos ópticos indesejados. Fibras que mantêm a polarização e componentes ópticos integrados também são usados para limitar erros de polarização.
O FOG foi proposto pela primeira vez por V. Vali e Richard Shorthill em 1976. O tipo interferométrico passivo, ou IFOG, e o giroscópio de fibra óptica com ressonador anelar passivo, ou RFOG, foram desenvolvidos em diferentes configurações para aplicações de navegação e medição de rotação.
Malha aberta e malha fechada FOGs podem operar em malha aberta ou malha fechada. A intensidade de saída de um interferômetro sem compensação varia de forma aproximadamente cossenoidal com a diferença de fase. Essa resposta não é linear em toda a faixa de medição e, sem uma referência de fase, pode produzir ambiguidades quanto ao sentido da rotação.
Na configuração de malha aberta, uma modulação de fase desloca o ponto de operação para uma região mais sensível da curva de interferência. O sinal demodulado fornece a estimativa da velocidade angular. Na configuração de malha fechada, o sistema introduz uma fase de realimentação oposta à fase produzida pelo efeito Sagnac. A realimentação necessária para manter a diferença próxima de zero passa a ser a medida da rotação, melhorando a linearidade e ampliando a faixa dinâmica.
Vantagens Um FOG fornece medições precisas da taxa de rotação, em parte porque apresenta pouca sensibilidade cruzada entre eixos a vibrações, aceleração e choque. Diferentemente do giroscópio clássico de massa girante e de giroscópios ressonantes ou mecânicos, o FOG não possui partes móveis e não depende da resistência inercial ao movimento. Pode, por isso, substituir giroscópios mecânicos em aplicações que exigem essas características.
A ausência de partes móveis proporciona longa vida útil e elimina mecanismos de desgaste encontrados em giroscópios rotativos. FOGs são usados em sistemas espaciais de controle de atitude e navegação. Também são empregados em sistemas militares de navegação inercial.
Como sensores inerciais autônomos, os FOGs não dependem de sinais externos de satélite para medir a rotação. Podem continuar fornecendo dados de atitude e alimentando um sistema de navegação inercial durante episódios de interferência de GPS ou de outros sinais de GNSS. Interferências deliberadas em sistemas de navegação por satélite têm afetado serviços de navegação e telecomunicações. Há ocorrências no Mar Negro, no Mar Báltico, no Mediterrâneo Oriental e no Estreito de Ormuz.
A comparação entre FOGs e giroscópios a laser de anel depende do parâmetro medido e da classe do instrumento. FOGs de alto desempenho podem atingir níveis de ruído de viés e estabilidade de longo prazo inferiores aos de giroscópios a laser de anel de classe de navegação.
Desvantagens Como ocorre com outras tecnologias de giroscópio, alguns FOGs precisam de calibração inicial para determinar qual leitura corresponde a uma velocidade angular igual a zero.
Alguns projetos de FOG são sensíveis a vibrações. Em sistemas inerciais, sensores instalados em eixos diferentes podem ser combinados com acelerômetros e dados de GNSS. Há FOGs projetados para ambientes sujeitos a choques elevados, inclusive sistemas de estabilização de armamentos.
Variações de temperatura na bobina podem criar uma diferença de fase não recíproca entre os dois sentidos de propagação. Esse erro térmico, conhecido como efeito Shupe, depende do gradiente de temperatura ao longo da fibra e da forma como ela é enrolada. Erros de polarização e retroespalhamento também podem produzir sinais espúrios. Bobinamento simétrico, fibras que mantêm a polarização, fontes de baixa coerência e processamento eletrônico são usados para reduzir esses efeitos.
Aplicações FOGs são usados em sistemas inerciais de aeronaves, embarcações, veículos terrestres e espaçonaves. Conjuntos de três sensores orientados segundo eixos ortogonais podem ser combinados com acelerômetros para medir rotação e aceleração nos três eixos.
FOGs suficientemente sensíveis também podem determinar o norte verdadeiro a partir da rotação da Terra. O instrumento mede a projeção local do vetor de rotação terrestre e usa essa informação para calcular a direção do norte sem depender de uma referência GNSS.
Ver também Giroscópio, instrumento usado para medir ou manter a orientação Experiência de Sagnac, fenômeno físico usado na medição óptica da rotação Sistemas de navegação inercial, sistemas que podem empregar FOGs como sensores de rotação Acelerômetro, sensor usado com giroscópios em sistemas inerciais
Bibliografia
Categoria:Instrumentos de medida Categoria:Fibra óptica Categoria:Interferometria