Кіріспе

Бұрыштық жылдамдықты өлшейтін құрал, оптикалық талшық кабельдерді пайдаланатын шамалы ұқсас жүйе. Лайзерлік сақиналы гироскоп (RLG) – бір бағытта екі тәуелсіз, қарама-қарсы таралатын резонанстық режимдері бар сақиналы лазерден тұрады; фазалық айырмашылық айналуды анықтау үшін қолданылады. Ол Сагнак эффектісі принципі бойынша жұмыс істейді, бұл эффект бұрыштық айналуға жауап ретінде ішкі тұрақты толқын үлгісінің нөлдік нүктелерін өзгертеді. Қарама-қарсы таралатын сәулелердің арасындағы интерференция сырттан байқағанда тұрақты толқын үлгісінің қозғалысын тудырады, осылайша айналуды көрсетеді.

Сипаттама

Алғашқы сынақтық лазерлік жироскоп 1963 жылы АҚШ-та Мачек пен Дэвис көрсетті. Кейіннен әлемдік түрлі ұйымдар лазерлік сақина технологиясын одан әрі дамытты. Он мыңдаған RLG инерциялық навигациялық жүйелерде қолданылады және 0,01°/сағаттан кем бұрыштық қателіксіздікке және 60 000 сағаттан астам орташа жұмыс істеу мерзіміне қол жеткізді. Сақиналық лазерлік гироскоптар инерциялық анықтама жүйесінде тұрақты элементтер ретінде (әрқайсысы бір еркіндік дәрежесі үшін) пайдаланылуы мүмкін. RLG-ны пайдаланудың артықшылығы – дәстүрлі айналмалы гироскоптарға қарағанда қозғалмалы бөліктердің (дитерлік мотор жинағынан (төмендегі сипаттаманы қараңыз) және лазерлік құлыптаудан басқа) болмауы. Бұл үйкелісті жояды, ол маңызды дрейф көзі болып табылады. Сонымен қатар, құрылымның өзі ықшам, жеңіл және жоғары беріктікке ие, сондықтан ұшақтар, зымырандар және спутниктер сияқты жылдам жүйелерде қолдануға қолайлы. Механикалық гироскоптан айырмашылығы, бұл құрылғы өз бағытын өзгертуге қарсылық көрсетпейді. Заманауи қолданыстарға әскери ұшақтарда, коммерциялық авиалайнерлерде, кемелерде және ғарыш кемелерінде RLG инерциялық навигациялық жүйелерінің дәлдігін одан әрі арттыру үшін кіріктірілген GPS мүмкіндіктері кіреді. Бұл гибридтік INS/GPS құрылғылары көптеген қолданыстарда механикалық аналогтарын алмастырды. "Лазерлік сақиналық гироскоптар (RLG) инерциялық кеңістікке қатысты айналу қозғалысын сынау үшін қазіргі уақытта ең сезімтал құрылғы болып табылады."

Жұмыс істеу принципі

Сагнак эффектісіне сәйкес, айналу екі бағытта сақинаны кесіп өту үшін жарыққа кететін уақыт арасында шағын айырмашылықты тудырады. Бұл қарсы таралатын сәулелердің жиіліктері арасындағы кішкентай бөлінуге, сақина ішіндегі тұрақ толқын үлгісінің қозғалысына және осылайша екі сәуле сақинадан тыс жерде араласқандағы соққы үлгісіне әкеледі. Сондықтан, бұл кедергі үлгісінің жалпы ауысуы сақина жазықтығындағы бірліктің айналуын қадағалайды. RLGs механикалық гироскоптардан дәлдігі жоғары болғанымен, өте төмен айналу жылдамдықтарында "құлыптану" деп аталатын әсерге ұшырайды. Сақиналық лазердің айналуы өте аз болғанда, қарсы таралатын лазерлік режимдердің жиіліктері дерлік бірдей болады. Бұл жағдайда қарсы таралатын сәулелердің арасындағы өзара әрекеттесу инъекциялық құлыптануға мүмкіндік береді, сондықтан тұрақ толқын белгілі бір фазада "қалқып", әр сәуленің жиілігін біртекті айналуға жауап берудің орнына бір-біріне құлыптайды. Бұл мәселенің шешімі – мәжбүрлі дірілдету. Сақиналық лазерлік қуыс өзінің резонанстық жиілігінде қозғалатын механикалық серіппе арқылы өзінің осі бойынша сағат тілі бойынша және сағат тіліне қарсы айналады. Бұл жүйедегі бұрыштық жылдамдықтың құлыптану шегінен қашық болуын қамтамасыз етеді. Типик жылдамдықтар 400 Гц құрайды, ал ең жоғары дірілдету жылдамдығы секундына 1 градусқа жуық. Дірілдету құлыптану мәселесін толық шешпейді, себебі айналу бағыты өзгерген сайын, айналу жылдамдығының нөлге жақын болатын қысқа уақыт аралығы пайда болады және құлыптану қысқа мерзімге орын алуы мүмкін. Егер таза жиілік осцилляциясы сақталса, бұл шағын құлыптану аралықтары жинақталуы мүмкін. Бұл мәселе 400 Гц дірілдетуге шу қосу арқылы шешілді. Құлыптанудан аулақ болудың тағы бір тәсілі – мультиосцилляторлық сақиналық лазерлік гироскопта көрініс тапқан, онда бір сақиналық резонаторда қарама-қарсы дөңгелек поляризациясының екі тәуелсіз сақиналық лазері (әрқайсысы екі қарсы таралатын сәулеге ие) бірге өмір сүреді. Резонатор поляризациялық айналымды (жазық емес геометрия арқылы) қамтиды, ол төрт еселік дегенерациялық қуыс режимін (екі бағыт, әрқайсысы екі поляризация) оң және сол дөңгелек поляризациялық режимдерге бөліп, әрқайсысы бірнеше жүздеген МГц-қа бөлінеді, әрқайсысында екі қарсы таралатын сәуле бар. Фарадей эффектісі арқылы кері емес бұрылыс, арнайы жұқа Фарадей ротаторында немесе пайда ортасындағы бойлық магнит өрісі арқылы, содан кейін әр дөңгелек поляризацияны әдетте бірнеше жүз кГц-қа бөліп, әр сақиналық лазердің жүздеген кГц статикалық шығыс жиілігіне ие болуын қамтамасыз етеді. Инерциялық айналу кезінде бір жиілік артады, ал екіншісі төмендейді; екі жиілік өлшенеді, содан кейін сандық түрде алынып тасталады, нәтижесінде Сагнак эффектісінің таза жиілік бөлігі шығарылады және айналу жылдамдығы анықталады. Фарадей бұрылысы жиілігі күтілетін кез келген айналудан туындаған жиілік айырмасынан жоғары таңдалады, сондықтан екі қарсы таралатын толқынның құлыптануға мүмкіндігі жоқ.

Күлтелі оптикалық гироскоп

Осыған ұқсас құрылғы – талшықты-оптикалық гироскоп, ол да Сагнак эффектісінің негізінде жұмыс істейді, бірақ оның сақинасы лазердің құрамына кірмейді. Керісінше, сыртқы лазер оптикалық талшық сақинасына қарама-қарсы бағытта сәулелерді жібереді, онда айналу осы сәулелер талшық сақинасынан өткен соң араласу нәтижесінде салыстырмалы фазалық ығысу тудырады. Фазалық ығысу айналу жылдамдығына пропорционалды. Сақинаны бір рет айналу кезінде бұл RLG-ге қарағанда сезімталдығы төмен, себебі RLG-де сыртқы түрде байқалатын фазалық ығысу жинақталған айналудың өзіне емес, оның өзгеру жылдамдығына пропорционалды. Дегенмен, талшықты-оптикалық гироскоптың сезімталдығы ұзын оптикалық талшықтың арқасында күшейеді, ол ықшамдылық үшін оралған, және Сагнак эффектісі оралған қабаттар санына сәйкес еселенеді.