Кольцевой лазерный гироскоп ( RLG ) состоит из кольцевого лазера , имеющего две независимые встречные резонансные моды по одному и тому же пути; разность фаз используется для обнаружения вращения. Он работает по принципу эффекта Саньяка , который смещает нули внутренней картины стоячей волны в ответ на угловое вращение. Интерференция между встречными лучами, наблюдаемая снаружи, приводит к движению картины стоячей волны и, таким образом, указывает на вращение.
Первый экспериментальный кольцевой лазерный гироскоп был продемонстрирован в США Мацеком и Дэвисом в 1963 году. [1] Различные организации по всему миру впоследствии развили технологию кольцевого лазера дальше. Многие десятки тысяч RLG работают в инерциальных навигационных системах и установили высокую точность с погрешностью смещения лучше, чем 0,01°/час, и средним временем между отказами 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 том, что в нем нет движущихся частей (кроме узла двигателя вибрации (см. дальнейшее описание ниже) и лазерного замка) по сравнению с обычным вращающимся гироскопом . Это означает отсутствие трения, что устраняет значительный источник дрейфа. Кроме того, весь блок компактен, легок и очень долговечен, что делает его пригодным для использования в мобильных системах, таких как самолеты, ракеты и спутники. В отличие от механического гироскопа, устройство не сопротивляется изменениям своей ориентации.
Современные приложения кольцевого лазерного гироскопа включают встроенную возможность GPS для дальнейшего повышения точности инерциальных навигационных систем RLG на военных самолетах, коммерческих авиалайнерах, кораблях и космических аппаратах. Эти гибридные блоки INS/GPS заменили свои механические аналоги в большинстве приложений.
«Кольцевые лазерные гироскопы (КЛГ) продемонстрировали, что в настоящее время являются наиболее чувствительным устройством для проверки вращательного движения относительно инерциальной системы отсчета». [2]
Согласно эффекту Саньяка , вращение вызывает небольшую разницу между временем, которое требуется свету для прохождения кольца в двух направлениях. Это вносит крошечное разделение между частотами встречных лучей, движение картины стоячей волны внутри кольца и, таким образом, картину биений, когда эти два луча интерферируют вне кольца. Таким образом, чистый сдвиг этой картины интерференции следует за вращением блока в плоскости кольца.
RLG, хотя и более точны, чем механические гироскопы, страдают от эффекта, известного как «захват» при очень низких скоростях вращения. Когда кольцевой лазер едва вращается, частоты встречных лазерных мод становятся почти идентичными. В этом случае перекрестные помехи между встречными лучами могут позволить осуществить захват инжекции , так что стоячая волна «застревает» в предпочтительной фазе, тем самым запирая частоту каждого луча на частоте другого, а не реагируя на постепенное вращение.
Принудительное дизеринг может в значительной степени преодолеть эту проблему. Кольцевой лазерный резонатор вращается по часовой стрелке и против часовой стрелки вокруг своей оси с помощью механической пружины, приводимой в действие на своей резонансной частоте. Это гарантирует, что угловая скорость системы обычно далека от порога синхронизации. Типичные скорости составляют 400 Гц, с пиковой скоростью дизеринга порядка 1 градуса в секунду. Дизеринг не устраняет проблему синхронизации полностью, так как 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 введения шума в вибрацию 400 Гц. [3]
Другой подход к избежанию блокировки реализован в многоосцилляторном кольцевом лазерном гироскопе [4] [5], в котором два фактически независимых кольцевых лазера (каждый с двумя встречными лучами) противоположной круговой поляризации сосуществуют в одном и том же кольцевом резонаторе. Резонатор включает в себя вращение поляризации (через неплоскую геометрию), которое разделяет четырехкратно вырожденную моду полости (два направления, две поляризации каждое) на право- и лево-круговые поляризованные моды, разделенные многими сотнями МГц, каждая из которых имеет два встречных луча. Невзаимное смещение через эффект Фарадея , либо в специальном тонком вращателе Фарадея, либо через продольное магнитное поле на усиливающей среде, затем дополнительно разделяет 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; 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 выбирается выше любой ожидаемой разницы частот, вызванной вращением, поэтому две встречные волны не имеют возможности запереться.
Схожее устройство — 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 сдвиг фаз между этими лучами при интерференции после их прохождения через волоконное кольцо. Сдвиг фаз пропорционален скорости вращения. Это менее чувствительно при одиночном прохождении кольца, чем RLG, в котором внешне наблюдаемый сдвиг фаз пропорционален самому накопленному вращению, а не его производной. Однако чувствительность волоконно-оптического гироскопа повышается за счет наличия длинного оптоволокна, свернутого для компактности, в котором эффект Саньяка умножается в соответствии с числом витков.
