Кольцевой лазерный гироскоп ( RLG ) состоит из кольцевого лазера , имеющего две независимые встречные резонансные моды, распространяющиеся по одному и тому же пути; разница фаз используется для обнаружения вращения. Он действует по принципу эффекта Саньяка , который смещает нули внутренней структуры стоячей волны в ответ на угловое вращение. Интерференция между встречными лучами, наблюдаемая снаружи, приводит к движению структуры стоячей волны и, таким образом, указывает на вращение.
Первый экспериментальный кольцевой лазерный гироскоп был продемонстрирован в США Мацеком и Дэвисом в 1963 году. [1] Впоследствии различные организации по всему миру разработали технологию кольцевого лазера. Многие десятки тысяч RLG работают в инерциальных навигационных системах и добились высокой точности с погрешностью смещения менее 0,01°/час и средним временем наработки на отказ более 60 000 часов.
Кольцевые лазерные гироскопы могут использоваться в качестве устойчивых элементов (по одной степени свободы каждый) в инерциальной системе отсчета . Преимущество использования RLG заключается в отсутствии движущихся частей (кроме узла дизерингового двигателя (см. дальнейшее описание ниже) и лазерного замка) по сравнению с обычным вращающимся гироскопом . Это означает отсутствие трения, что устраняет существенный источник дрейфа. Кроме того, весь блок компактен, легок и очень прочен, что делает его пригодным для использования в мобильных системах, таких как самолеты, ракеты и спутники. В отличие от механического гироскопа устройство не препятствует изменению своей ориентации.
Современные применения кольцевого лазерного гироскопа включают встроенную функцию GPS для дальнейшего повышения точности инерциальных навигационных систем RLG на военных самолетах, коммерческих авиалайнерах, кораблях и космических кораблях. Эти гибридные блоки INS/GPS заменили свои механические аналоги в большинстве приложений.
«Кольцевые лазерные гироскопы (RLG) в настоящее время являются наиболее чувствительным устройством для проверки вращательного движения относительно инерциальной системы отсчета». [2]
Согласно эффекту Саньяка , вращение вызывает небольшую разницу во времени, которое требуется свету для прохождения кольца в двух направлениях. Это приводит к небольшому разделению частот встречных лучей, движению структуры стоячей волны внутри кольца и, таким образом, к структуре биений, когда эти два луча интерферируют за пределами кольца. Следовательно, чистый сдвиг этой интерференционной картины следует за вращением устройства в плоскости кольца.
RLG, хотя и более точны, чем механические гироскопы, страдают от эффекта, известного как «блокировка», при очень низких скоростях вращения. Когда кольцевой лазер практически не вращается, частоты встречных лазерных мод становятся практически одинаковыми. В этом случае перекрестные помехи между встречными лучами могут обеспечить блокировку инжекции , так что стоячая волна «застревает» в предпочтительной фазе, таким образом привязывая частоту каждого луча к частоте другого, а не реагируя на постепенное вращение. .
Принудительное сглаживание может в значительной степени решить эту проблему. Резонатор кольцевого лазера вращается вокруг своей оси по часовой стрелке и против часовой стрелки с помощью механической пружины, приводимой в действие на ее резонансной частоте. Это гарантирует, что угловая скорость системы обычно находится далеко от порога синхронизации. Типичная частота составляет 400 Гц с пиковой скоростью дизеринга порядка 1 градуса в секунду. Дизеринг не решает полностью проблему блокировки, поскольку каждый раз, когда направление вращения меняется на противоположное, существует короткий интервал времени, в течение которого скорость вращения близка к нулю, и может произойти кратковременная синхронизация. Если поддерживается чистое колебание частоты, эти небольшие интервалы синхронизации могут накапливаться. Это было исправлено путем добавления шума к вибрации частотой 400 Гц. [3]
Другой подход к предотвращению блокировки реализован в кольцевом лазерном гироскопе мультиосциллятора [4] [5] , в котором фактически два независимых кольцевых лазера (каждый имеет два встречных луча) с противоположной круговой поляризацией сосуществуют в одном кольцевом резонаторе. В резонаторе реализовано вращение поляризации (за счет неплоской геометрии), которое разделяет четырехкратно вырожденную моду резонатора (два направления, по 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 за счет эффекта Фарадея , либо в специальном тонком ротаторе Фарадея, либо за счет продольного магнитного поля на усиливающей среде, затем дополнительно расщепляет каждую круговую поляризацию, как правило, на несколько сотен кГц, что приводит к тому, что каждый кольцевой лазер имеет статический выходной биение. частота сотен кГц. Одна частота увеличивается, а другая уменьшается при наличии инерционного вращения; две частоты измеряются, а затем вычитаются в цифровом виде, чтобы в конечном итоге получить чистое разделение частот по эффекту Саньяка и, таким образом, определить скорость вращения. Частота фарадеевского смещения выбирается выше, чем любая ожидаемая разность частот, вызванная вращением, поэтому две встречные волны не имеют возможности синхронизироваться.
Родственным устройством является 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 оптоволоконное кольцо, где вращение вызывает относительный фазовый сдвиг между этими лучами при интерференции после их прохождения через оптоволоконное кольцо. Фазовый сдвиг пропорционален скорости вращения. Он менее чувствителен при одном прохождении 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, намотанного для компактности, в котором эффект Саньяка умножается в зависимости от количества витков.
