Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Для чего-то похожего на систему, в которой используются оптоволоконные кабели, см. Оптоволоконный гироскоп .
Кольцевой лазерный гироскоп

Лазерный гироскоп ( RLG ) состоит из кольцевого лазера , имеющего два независимых счетчика-распространяющихся мод резонансных за тот же путь; разница в частотах используется для обнаружения вращения. Он работает по принципу эффекта Саньяка, который сдвигает нули внутренней стоячей волны в ответ на угловое вращение. Интерференция между встречно распространяющимися лучами, наблюдаемая извне, приводит к движению структуры стоячей волны и, следовательно, указывает на вращение.

Описание [ править ]

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 инерциальных навигационных системах и достигли высокой точности с погрешностью смещения менее 0,01 ° / час и средним наработкой на отказ более 60 000 часов.

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

Кольцевые лазерные гироскопы могут использоваться в качестве устойчивых элементов (каждый с одной степенью свободы) в инерциальной системе отсчета . Преимущество использования RLG состоит в том, что в нем нет движущихся частей (кроме узла дизеринга, см. Дальнейшее описание ниже и лазерной блокировки) по сравнению с обычным вращающимся гироскопом . 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 работы [ править ]

Определенная скорость вращения вызывает небольшую разницу между временем, которое требуется свету для прохождения кольца в двух направлениях в соответствии с эффектом Саньяка . Это вводит крошечное разделение между частотами встречных лучей, движение структуры стоячей волны внутри кольца и, таким образом, картину биений, когда эти два луча интерферируют вне кольца. Следовательно, чистый сдвиг 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 обеспечить синхронизацию инжекции, так что стоячая волна «застревает» в предпочтительной фазе, таким образом синхронизируя частоту каждого луча с частотой другого, вместо того, чтобы реагировать на постепенное вращение.

Принудительный 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 интервал времени, в течение которого скорость вращения близка к нулю, и может произойти блокировка на короткое время. 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 мультиосцилляторном кольцевом лазерном гироскопе [4] [5], в котором фактически два независимых кольцевых лазера (каждый из которых имеет два встречных луча) с противоположной круговой поляризацией сосуществуют в одном кольцевом резонаторе. Резонатор включает вращение поляризации (посредством неплоской геометрии), которое разделяет четырехкратно вырожденную моду резонатора (два направления, две поляризации в каждом) на моды с правой и левой круговой поляризацией, разделенные многими сотнями МГц, каждая из которых имеет два встречных луча. Невзаимное смещение через эффект Фарадеялибо 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 в конечном итоге получить чистое разделение частот эффекта Саньяка и, таким образом, определить скорость вращения. Частота смещения Фарадея выбрана так, чтобы она превышала любую ожидаемую разность частот, вызванную вращением, поэтому две встречные волны не имеют возможности синхронизироваться.

Волоконно-оптический гироскоп [ править ]

Родственным устройством является волоконно-оптический гироскоп, который также работает на основе эффекта Саньяка, но в котором кольцо не является частью лазера. Скорее, внешний лазер вводит встречные лучи в оптическое волокно.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 [ править ]

  • Airbus A320 [6]
  • Агни III [7] и Агни-IV [8]
  • Агни-В [9]
  • Американская противоспутниковая ракета ASM-135
  • Боинг 757-200
  • Боинг 777 [10]
  • B-52H с модернизацией AMI [11]
  • EF-111 Ворон
  • F-15E Strike Eagle
  • F-16 Боевой сокол
  • HAL Tejas
  • MC-130E Combat Talon I и MC-130H Combat Talon II
  • MQ-1C Воин
  • Судовая внутренняя навигационная система MK39, используемая на надводных кораблях и подводных лодках НАТО [12]
  • P3 Orion (с апгрейдом)
  • Ракета Шаурья . [13]
  • Вертолеты MH-60R , MH-60S , SH60F и SH60B Seahawk
  • Сухой Су-30МКИ
  • Ракеты Trident I и Trident II
  • PARALIGN , используется для выравнивания роликов
  • Международная космическая станция
  • JF-17 Гром [14]

См. Также [ править ]

  • Акселерометр
  • Активная лазерная среда
  • Полусферический резонаторный гироскоп
  • Лазерная конструкция
  • Лазерная наука
  • Список лазерных приложений
  • Список типов лазеров
  • Оптические кольцевые резонаторы
  • Волоконно-оптический гироскоп

Ссылки [ править ]

  1. ^ Мацек, WM; Дэвис, DTM (1963). "Измерение частоты вращения кольцевыми лазерами бегущей волны". Письма по прикладной физике . Издательство AIP. 2 (3): 67–68. DOI : 10.1063 / 1.1753778 . ISSN  0003-6951 .
  2. ^ Питер М. Тейлор - инженер-испытатель INS Honeywell, Inc.
  3. ^ Зная машины , Дональд Маккензи, MIT Press, (1991).
  4. ^ Статц, Германн; Доршнер Т.А.; Holz, M .; Смит, И. В. (1985). «3. Мультиосцилляторный кольцевой лазерный гироскоп» . В Стич, ML; Басс, М. (ред.). Справочник по лазеру . Elsevier (паб Северная Голландия). С.  229-332 . ISBN 0444869271.
  5. ^ Volk, CH и др., Многосцилляторные кольцевые лазерные гироскопы и их применение , в оптических гироскопах и их применениях (NATO RTO-AG-339 AC / 323 (SCI) TP / 9) , Loukianov, D et al. (ред.) [1] Проверено 23 октября 2019 г.
  6. ^ "ADIRU Honeywell, выбранный Airbus" . Фарнборо. 22-28 июля 2002 года Архивировано из оригинала на 2006-10-17 . Проверено 16 июля 2008 .
  7. ^ "Ракета Агни-III готова к индукции" . Press Trust of India . 2008-05-07 . Проверено 8 мая 2008 .
  8. ^ "Индия успешно испытала запуск ракеты Agni-IV" . Economic Times India через Press Trust of India. 2014-01-20 . Проверено 14 октября 2015 .
  9. ^ "Ракета Agni-V, чтобы принять Индию в элитный ядерный клуб" . BBC News . 2012-04-19 . Проверено 14 октября 2015 .
  10. ^ Цифровые системы авионики . IEEE , AIAA . 1995. ISBN. 0-7803-3050-1. Проверено 16 октября 2008 .
  11. ^ "B-52 проложил свой путь в новый век" . fas.org . 19 ноября 1999 . Проверено 24 февраля 2009 .
  12. ^ "Кольцевой лазер MK 39 MOD 3A" (PDF) . Архивировано из оригинального (PDF) 05 февраля 2009 года.
  13. ^ Успех ракет - Frontline Magazine [ постоянная мертвая ссылка ]
  14. ^ "Пакистанский авиационный комплекс Камра - самолет грома JF-17" . www.pac.org.pk . Проверено 26 февраля 2017 .

Внешние ссылки [ править ]

  • Кентерберийская исследовательская группа по лазерному кольцу
  • Кафедра вооружения и системотехники, Военно-морская академия США
  • А. Д. Кинг (1998). «Инерциальная навигация - сорок лет эволюции» (PDF) . Обзор GEC . General Electric Company plc . 13 (3): 140–149.