Кольцевой лазерный гироскоп - Ring laser gyroscope

Относительно похожей системы, в которой используются оптоволоконные кабели, см. волоконно-оптический гироскоп.
Кольцевой лазерный гироскоп

А кольцевой лазерный гироскоп (RLG) состоит из кольцевой лазер наличие двух независимых встречных резонансных мод на одном и том же пути; разница в частотах используется для обнаружения вращения. Он работает по принципу Эффект Саньяка который сдвигает нули структуры внутренней стоячей волны в ответ на угловое вращение. Вмешательство между встречно распространяющимися лучами, наблюдаемое извне, приводит к движению структуры стоячей волны и, таким образом, указывает на вращение.

Описание

Первый экспериментальный кольцевой лазерный гироскоп был продемонстрирован в США Мацеком и Дэвисом в 1963 году.[1] Впоследствии различные организации по всему миру развили технологию кольцевых лазеров. Многие десятки тысяч RLG работают в инерциальные навигационные системы и установили высокую точность с погрешностью смещения лучше 0,01 ° / час, и среднее время наработки на отказ свыше 60 000 часов.

Схематическое изображение кольцевой лазерной установки. В месте отбора проб часть каждого встречного луча выходит из резонатора лазера.

Кольцевые лазерные гироскопы могут использоваться в качестве устойчивых элементов (каждый с одной степенью свободы) в инерциальная система отсчета. Преимущество использования RLG заключается в том, что в нем нет движущихся частей (кроме узла дизеринга, см. Дальнейшее описание ниже и лазерной блокировки) по сравнению с обычным вращением. гироскоп. Это означает отсутствие трения, что, в свою очередь, устраняет значительный источник дрейфа. Кроме того, весь блок компактный, легкий и очень прочный, что делает его пригодным для использования в мобильных системах, таких как самолеты, ракеты и спутники. В отличие от механического гироскопа, устройство не сопротивляется изменению ориентации.

Современные применения кольцевого лазерного гироскопа (RLG) включают встроенную возможность GPS для дальнейшего повышения точности инерциальных навигационных систем (INS) RLG на военных самолетах, коммерческих авиалайнерах, кораблях и космических кораблях. Эти гибридные блоки INS / GPS заменили их механические аналоги в большинстве приложений. Однако там, где требуется сверхточность, до сих пор используются ИНС на основе спиновых гироскопов.[2]

Принцип действия

Определенная скорость вращения вызывает небольшую разницу между временем, которое требуется свету для прохождения кольца в двух направлениях в соответствии с Эффект Саньяка. Это вводит крошечное расстояние между частотами встречных лучей, движение стоячая волна узор внутри кольца и, следовательно, узор биений, когда эти два луча пересекаются вне кольца. Следовательно, чистый сдвиг этой интерференционной картины следует за вращением блока в плоскости кольца.

RLG, хотя и более точны, чем механические гироскопы, страдают от эффекта, известного как «синхронизация» при очень низких скоростях вращения. Когда кольцевой лазер почти не вращается, частоты встречных лазерных мод становятся почти одинаковыми. В этом случае перекрестные помехи между встречно распространяющимися лучами могут позволить блокировка впрыска так что стоячая волна «застревает» в предпочтительной фазе, таким образом синхронизируя частоту каждого луча с частотой другого, вместо того, чтобы реагировать на постепенное вращение.

Принужденный дизеринг может в значительной степени решить эту проблему. Резонатор кольцевого лазера вращается по часовой стрелке и против часовой стрелки вокруг своей оси с помощью механической пружины, приводимой в действие на его резонансной частоте. Это гарантирует, что угловая скорость системы обычно далеко от порога блокировки. Типичная частота составляет 400 Гц с максимальной скоростью дизеринга порядка 1 градуса в секунду. Дизеринг не решает проблему блокировки полностью, поскольку каждый раз, когда направление вращения меняется на противоположное, существует короткий временной интервал, в течение которого скорость вращения близка к нулю, и может произойти кратковременная блокировка. Если сохраняется чистое колебание частоты, эти небольшие интервалы синхронизации могут накапливаться. Это было исправлено путем внесения шума в вибрацию 400 Гц.[3]

Другой подход к предотвращению блокировки воплощен в кольцевом лазерном гироскопе Multioscillator,[4][5] при этом фактически два независимых кольцевых лазера (каждый из которых имеет два встречных луча) с противоположной круговой поляризацией сосуществуют в одном кольцевом резонаторе. Резонатор включает в себя вращение поляризации (посредством неплоской геометрии), которое разбивает четырехкратно вырожденную моду резонатора (два направления, две поляризации в каждом) на моды с правой и левой круговой поляризацией, разделенные на многие сотни МГц, каждая из которых имеет два встречных луча. Невзаимное смещение из-за Эффект Фарадея либо в специальном тонком ротаторе Фарадея, либо через продольное магнитное поле на усиливающей среде, затем дополнительно разбивает каждую круговую поляризацию, как правило, на несколько сотен кГц, таким образом заставляя каждый кольцевой лазер иметь статическую выходную частоту биений в сотни кГц. Одна частота увеличивается, а другая уменьшается, когда присутствует инерционное вращение, и две частоты измеряются, а затем вычитаются в цифровом виде, чтобы окончательно получить результирующее разделение частот эффекта Саньяка и, таким образом, определить скорость вращения. Частота смещения Фарадея выбрана выше, чем любая ожидаемая разность частот, вызванная вращением, поэтому две встречные волны не имеют возможности синхронизироваться.

Волоконно-оптический гироскоп

Связанное устройство - это волоконно-оптический гироскоп который также работает на основе эффекта Саньяка, но в котором кольцо не является частью лазера. Вместо этого внешний лазер вводит встречные лучи в оптоволокно кольцо, где вращение вызывает относительный фазовый сдвиг между этими лучами при возникновении помех после их прохождения через волоконное кольцо. Фазовый сдвиг пропорционален скорости вращения. Это менее чувствительно при одиночном пересечении кольца, чем RLG, в котором наблюдаемый извне фазовый сдвиг пропорционален самому накопленному вращению, а не его производной. Однако чувствительность оптоволоконного гироскопа повышается за счет наличия длинного оптического волокна, скрученного для компактности, в котором эффект Саньяка умножается в зависимости от количества витков.

Примеры приложений

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Macek, W. M .; Дэвис, Д. Т. М. (1963). "Измерение частоты вращения кольцевыми лазерами бегущей волны". Письма по прикладной физике. Издательство AIP. 2 (3): 67–68. Дои:10.1063/1.1753778. ISSN  0003-6951.
  2. ^ Питер М. Тейлор - инженер-испытатель INS Honeywell, Inc.
  3. ^ Знающие машины, Дональд Маккензи, MIT Press, (1991).
  4. ^ Статц, Германн; Доршнер, Т. А .; Holz, M .; Смит, И. В. (1985). «3. Мультиосцилляторный кольцевой лазерный гироскоп». In Stich, M.L .; Басс, М. (ред.). Справочник по лазеру. Elsevier (паб Северная Голландия). стр.229-332. ISBN  0444869271.
  5. ^ Volk, C.H. et al., Мультиосцилляторные кольцевые лазерные гироскопы и их применение, в Оптические гироскопы и их применение (NATO RTO-AG-339 AC / 323 (SCI) TP / 9), Лукьянов Д. и др. (ред.) [1] Проверено 23 октября 2019 г.
  6. ^ "ADIRU Honeywell выбран Airbus". Фарнборо. 22–28 июля 2002 г. Архивировано с оригинал на 2006-10-17. Получено 2008-07-16.
  7. ^ «Ракета Агни-III готова к запуску». Press Trust of India. 2008-05-07. Получено 2008-05-08.
  8. ^ "Индия успешно испытала запуск ракеты" Агни-IV ". Economic Times India через Press Trust of India. 2014-01-20. Получено 2015-10-14.
  9. ^ «Ракета Агни-В приведет Индию в элитный ядерный клуб». Новости BBC. 2012-04-19. Получено 2015-10-14.
  10. ^ Цифровые системы авионики. IEEE, AIAA. 1995. ISBN  0-7803-3050-1. Получено 2008-10-16.
  11. ^ "B-52 начинает свой путь в новый век". fas.org. 19 нояб.1999 г.. Получено 2009-02-24.
  12. ^ "Кольцевой лазер MK 39 MOD 3A" (PDF). Архивировано из оригинал (PDF) на 2009-02-05.
  13. ^ Успех ракет - Frontline Magazine[постоянная мертвая ссылка ]
  14. ^ «Пакистанский авиационный комплекс Камра - JF-17 Thunder Aircraft». www.pac.org.pk. Получено 2017-02-26.

внешняя ссылка