Кольцевой лазерный гироскоп: принцип работы и применение.

Введение

Прибор для измерения угловой скорости – система, несколько похожая и использующая волоконно-оптические кабели.

Кольцевой лазерный гироскоп (RLG) состоит из кольцевого лазера, имеющего два независимых встречно-распространяющихся резонансных режима, следующих по одному и тому же пути; разность фаз используется для определения вращения. Он работает на основе эффекта Сагнака, который сдвигает положения минимумов внутренней стоячей волны при угловом вращении. Интерференция между встречными лучами, наблюдаемая извне, вызывает перемещение стоячей волны, тем самым указывая на вращение.

Описание

Первый экспериментальный кольцевой лазерный гироскоп был продемонстрирован в США Мачеком и Дэвисом в 1963 году. Впоследствии различные организации по всему миру продолжали развивать кольцевую лазерную технологию. Десятки тысяч RLG работают в инерциальных навигационных системах, обеспечивая высокую точность с неопределенностью смещения менее 0,01°/час и средним временем наработки на отказ более 60 000 часов. Кольцевые лазерные гироскопы могут использоваться в качестве стабильных элементов (по одной степени свободы каждый) в инерциальной системе отсчета. Преимущество использования RLG заключается в отсутствии движущихся частей (за исключением узла дитерного двигателя (см. подробное описание ниже) и системы лазерной фиксации) по сравнению с традиционным вращающимся гироскопом. Это устраняет трение, являющееся значительным источником дрейфа. Кроме того, устройство отличается компактностью, легкостью и высокой надежностью, что делает его пригодным для использования в мобильных системах, таких как самолеты, ракеты и спутники. В отличие от механического гироскопа, данное устройство не оказывает сопротивления изменению ориентации. Современные области применения кольцевых лазерных гироскопов включают встроенные возможности GPS для дальнейшего повышения точности инерциальных навигационных систем RLG на военных самолетах, коммерческих авиалайнерах, кораблях и космических аппаратах. Эти гибридные INS/GPS системы заменили свои механические аналоги в большинстве приложений. "Кольцевые лазерные гироскопы (RLG) в настоящее время демонстрируют наивысшую чувствительность при измерении вращательного движения относительно инерциальной системы отсчета."

Принцип действия

Согласно эффекту Сагнака, вращение вызывает небольшую разницу во времени прохождения света по кольцу в двух направлениях. Это приводит к незначительному разделению частот встречно распространяющихся лучей, движению картины стоячей волны внутри кольца и, следовательно, к биению при интерференции этих двух лучей за пределами кольца. Таким образом, чистое смещение этой интерференционной картины следует за вращением устройства в плоскости кольца. Кольцевые лазерные гироскопы (RLG), хотя и более точны, чем механические гироскопы, подвержены эффекту, известному как "захват" при очень низких скоростях вращения. Когда кольцевой лазер вращается с малой скоростью, частоты встречно распространяющихся лазерных мод становятся почти идентичными. В этом случае перекрестные помехи между встречными лучами могут привести к эффекту захвата, при котором картина стоячей волны "застревает" в предпочтительной фазе, фиксируя частоту каждого луча на частоте другого, а не реагируя на постепенное вращение. Принудительная дитеризация (dithering) позволяет в значительной степени преодолеть эту проблему. Кольцевая лазерная резонаторная полость вращается по часовой стрелке и против часовой стрелки вокруг своей оси с помощью механической пружины, работающей на резонансной частоте. Это обеспечивает, чтобы угловая скорость системы обычно была значительно ниже порога захвата. Типичные частоты составляют 400 Гц, а максимальная скорость дитеризации – порядка 1 градуса в секунду. Дитеризация не полностью устраняет проблему захвата, поскольку каждый раз при изменении направления вращения существует короткий интервал времени, в течение которого скорость вращения близка к нулю, и захват может произойти кратковременно. Если поддерживается чистое частотное колебание, эти небольшие интервалы захвата могут накапливаться. Это было решено путем добавления шума к вибрации частотой 400 Гц. Другой подход к предотвращению захвата реализован в многоосцилляторном кольцевом лазерном гироскопе, в котором в одном и том же кольцевом резонаторе сосуществуют, по сути, два независимых кольцевых лазера (каждый с двумя встречно распространяющимися лучами) с противоположной круговой поляризацией. Резонатор включает в себя вращение поляризации (за счет неплоской геометрии), которое разделяет четырехкратно вырожденный режим резонатора (два направления, две поляризации каждое) на режимы правой и левой круговой поляризации, разделенные на сотни мегагерц, каждый из которых имеет два встречно распространяющихся луча. Невозвратное смещение посредством эффекта Фарадея, либо в специальном тонком ротаторе Фарадея, либо посредством продольного магнитного поля на активной среде, дополнительно разделяет каждую круговую поляризацию, как правило, на несколько сотен килогерц, в результате чего каждый кольцевой лазер имеет статическую выходную частоту биений в сотни килогерц. Одна частота увеличивается, а другая уменьшается при наличии инерциального вращения; эти две частоты измеряются и затем цифровым способом вычитаются, чтобы получить чистое разделение частот, обусловленное эффектом Сагнака, и, таким образом, определить скорость вращения. Частота смещения Фарадея выбирается выше любой ожидаемой разницы частот, вызванной вращением, чтобы у двух встречных волн не было возможности зафиксироваться.

According to the Sagnac effect, rotation induces a small difference between the time it takes light to traverse the ring in the two directions. This introduces a tiny separation between the frequencies of the counter propagating beams, a motion of the standing wave pattern within the ring, and thus a beat pattern when those two beams interfere outside the ring. Therefore, the net shift of that interference pattern follows the rotation of the unit in the plane of the ring. RLGs, while more accurate than mechanical gyroscopes, suffer from an effect known as "lock in" at very slow rotation rates. When the ring laser is hardly rotating, the frequencies of the counter propagating laser modes become almost identical. In this case, crosstalk between the counter propagating beams can allow for injection locking, so that the standing wave "gets stuck" in a preferred phase, thus locking the frequency of each beam to that of the other, rather than responding to gradual rotation. Forced dithering can largely overcome this problem. The ring laser cavity is rotated clockwise and anti clockwise about its axis using a mechanical spring driven at its resonance frequency. This ensures that the angular velocity of the system is usually far from the lock in threshold. Typical rates are 400 Hz, with a peak dither velocity on the order of 1 degree per second. Dither does not fix the lock in problem completely, as each time the direction of rotation is reversed, a short time interval exists in which the rotation rate is near zero and lock in briefly can occur. If a pure frequency oscillation is maintained, these small lock in intervals can accumulate. This was remedied by introducing noise to the 400 Hz vibration. A different approach to avoiding lock in is embodied in the Multioscillator Ring Laser Gyroscope, wherein what is effectively two independent ring lasers (each having two counterpropagating beams) of opposite circular polarization coexist in the same ring resonator. The resonator incorporates polarization rotation (via a nonplanar geometry) which splits the fourfold degenerate cavity mode (two directions, two polarizations each) into right and left circular polarized modes separated by many hundreds of MHz, each having two counterpropagating beams. Nonreciprocal bias via the Faraday effect, either in a special thin Faraday rotator, or via a longitudinal magnetic field on the gain medium, then further splits each circular polarization by typically a few hundred kHz, thus causing each ring laser to have a static output beat frequency of hundreds of kHz. One frequency increases and one decreases, when inertial rotation is present; the two frequencies are measured and then digitally subtracted to finally yield the net Sagnac effect frequency splitting and thus determine the rotation rate. The Faraday bias frequency is chosen to be higher than any anticipated rotation induced frequency difference, so the two counterpropagating waves have no opportunity to lock in.

Гироскоп из волокон оптических

Схожим устройством является волоконно-оптический гироскоп, который также работает на основе эффекта Сагнака, но в котором кольцо не является частью лазера. Вместо этого внешний лазер вводит встречно направленные лучи в кольцо из оптического волокна, где вращение вызывает относительный сдвиг фаз между этими лучами при интерференции после прохождения через волоконное кольцо. Сдвиг фаз пропорционален угловой скорости вращения. Чувствительность в одном обороте кольца ниже, чем у кольцевого лазерного гироскопа (RLG), в котором наблюдаемый сдвиг фаз пропорционален накопленному углу вращения, а не его производной. Однако чувствительность волоконно-оптического гироскопа повышается за счет использования длинного оптического волокна, свернутого для компактности, в котором эффект Сагнака усиливается пропорционально числу витков.