Laserový gyroskop

Laserový gyroskop - optické zařízení pro měření úhlové rychlosti , obvykle používané v inerciálních navigačních systémech . Laserové gyroskopy využívají Sagnacův efekt – vzhled fázového posunu přicházejících světelných vln v rotujícím prstencovém interferometru . Na rozdíl od mechanického gyroskopu se toto zařízení nesnaží udržet počáteční směr, ale měří úhel natočení zařízení v rovině obvodu rezonátoru. Počítáním počtu (nebo fáze pro malé úhly) a směru antiuzlů stojaté vlny procházející oblastmi fotodetektoru, která je v inerciální vztažné soustavě nehybná, lze získat hodnotu úhlu, o který se otáčí. a derivací s ohledem na čas lze získat úhlovou rychlost. Výhodou tohoto gyroskopu je digitální výstupní signál, krátká doba připravenosti a absence pohyblivých částí (v některých případech).

Jak to funguje

Vlastní zařízení je laser a skládá se z aktivního média a rezonátoru, při provozu je generováno záření ve dvou směrech [1] . Fungování laserového gyroskopu je založeno na Sagnacově efektu , v rezonátoru laserového gyroskopu jsou generovány dva paprsky a pokud se zařízení otáčí, pak jsou generovány vlny různých frekvencí pro různé směry v důsledku různých efektivních délek rezonátoru pro různé směry bypassu (kvůli otáčení). Frekvenční rozdíl v gyroskopu způsobený rotací lze popsat pomocí vzorce:

\Delta \nu ={4A\Omega \over L\lambda },

kde je plocha pokrytá paprskem, je obvod rezonátoru, je úhlová rychlost gyroskopu, je vlnová délka [2] . $A$ $L$ $\Omega$ $\lambda$

Rezonátor laserového gyroskopu může být poměrně složitý, ale obvykle se jedná o prstencový rezonátor se třemi nebo čtyřmi zrcadly, rezonátor může být vyroben jako monoblok nebo se skládá ze samostatných prvků. Rezonátor je často vyroben ve formě trojúhelníku nebo čtverce. Velikost gyroskopu může být od několika centimetrů do několika metrů.

V laserovém gyroskopu se vytváří a udržuje stojatá vlna a její uzly a antinody jsou ideálně spojeny s inerciální vztažnou soustavou . Poloha uzlů a antiuzlů vlny se tedy vůči inerciální vztažné soustavě nemění a při otáčení rezonátoru (tělesa gyroskopu) vůči stojaté vlně se na fotodetektorech získávají interferenční proužky pohybující se podél nich. Měří úhel natočení a počítají počet běžících interferenčních proužků.

Rozlišení laserového gyroskopu (LG) je tím menší, čím větší je plocha rezonátoru omezená laserovými paprsky.

Měření úhlové rychlosti

Během provozu vycházejí z laseru dva paprsky, které se šíří v opačných směrech podél uzavřeného okruhu. Paprsky se spojí, což má za následek pohybující se interferenční obrazec (IR), jehož prostorová perioda je obvykle asi 1 mm . Směr pohybu neboli znaménko přírůstku IR fáze je určeno fotodetektorem se dvěma plochami, jejichž vzdálenost je rovna 1/4 IR periody. Fázový přírůstek na je úměrný úhlu natočení LG a obvykle se pohybuje od 0,1–0,2'' pro velké LG s obvodem asi 4 m do 10–20'' pro malé obvody (asi 4 cm ). Počítáním počtu IR pásem nebo jejich zlomků (od 1/2 do 1/8) procházejících fotodetektorem během doby akumulace (od 1 ms do 1000 s ) je možné určit úhel natočení LG kolem osu kolmou k rovině dráhy paprsku během doby akumulace a následně průměrnou úhlovou rychlost během této doby. $2\pi$

Chyby laserového gyroskopu

Při provozu gyroskopu dochází k chybám při určování úhlu natočení. Chyby jsou splatné

nulový posun signálu;
změna měřítka;
přítomnost záchytné zóny;
citlivost LG na vnější magnetické pole;
vliv na odečty okolní teploty a rychlost její změny;
citlivost LG na zrychlení a vibrace základny.

První dva typy chyb lze vysvětlit především vlivem aktivního prostředí - změnami dopředného a zpětného rozptylu a indexu lomu, způsobenými např. vlivem teploty nebo Fizeau-Fresnelovým jevem .

Záchytná zóna se vyskytuje blízko nuly výstupní charakteristiky a znemožňuje registrovat signál při nízkých úhlových rychlostech. Tento efekt je způsoben vlivem zpětného rozptylu. Při nízkých úhlových rychlostech je rozdíl ve frekvencích záření v opačných směrech malý a jsou synchronizované, což znemožňuje registraci signálu. K překonání tohoto efektu je nutné, aby byl frekvenční rozdíl mezi protiběžně se šířícími vlnami dostatečně velký. Pro tyto účely můžete použít nereciproční prvek, magneto-optické nebo mechanické (vibrační odpružení) frekvenční podstavce.

Vnější magnetické pole ovlivňuje prostřednictvím kruhové složky polarizaci protilehlých paprsků a magnetooptickou citlivost odrazných prvků.

Teplota ovlivňuje změnou indexů lomu odrazných prvků, změnou rozptylu při teplotním ladění rezonátoru a také změnou vnitřních mechanických napětí konstrukce laserového gyroskopu.

Zrychlení a vibrace způsobují změnu vnitřního mechanického namáhání struktury laserového gyroskopu, což vede ke změnám optických charakteristik a poruchám elektronických jednotek.

Oblast zachycení

Hlavním rysem laserového gyroskopu je přítomnost záchytné zóny, která vede k necitlivosti vůči rotaci při nízkých úhlových rychlostech. Proto je nutné pracovní bod přivést na lineární úsek výstupní charakteristiky. Pro tyto účely se používá frekvenční zkreslení: mechanické, na Zeemanově nebo Faradayově efektu .

Aplikace

Hlavní aplikací laserového gyroskopu je navigace pohybujících se objektů, jako jsou letadla nebo střely. Pro malá zařízení (jako je mobilní telefon) se používají menší a méně přesné gyroskopy.

Kromě navigace lze gyroskop využít pro základní výzkumy nebo pro měření výkyvů zemské kůry (zemětřesení) [3] , pro tyto účely se používají velké gyroskopy s obvodem několika metrů.

Nejpřesnější laserový gyroskop na světě s obvodem 16 m je postaven na geodetické observatoři Wettzell Technické univerzity v Mnichově . Je navržen tak, aby zafixoval tu nejjemnější změnu v průmětu úhlové rychlosti rotace Země na vstupní osu laserového gyroskopu.

Nejmenší laserový gyroskop KM-2 s obvodem 2 cm je určen k měření úhlové rychlosti rychle rotujícího rotoru.

Viz také

Poznámky

↑ Broslavets Yu. Yu., Georgieva M. A. Laserový gyroskop: laboratorní práce č. 34 v kurzech: Kvantová elektronika. Fyzikální základy fotoniky a nanofotoniky. - M. : MIPT, 2018. - 36 s.
↑ Aronovits F. Laserové gyroskopy // Aplikace laserů. - Moskva: Mir, 1974.
↑ Kislov K., Gravirov V. Rotační seismologie: od výpočtů a úvah k měření a porozumění // Věda a život . - 2021. - č. 4 . - S. 70-80 .

Odkazy

Inerciální navigace (nedostupný odkaz) . Encyklopedie "Circumnavigation" . Získáno 19. listopadu 2011. Archivováno z originálu 25. února 2012. (neurčitý)
Kvantový gyroskop // Velká sovětská encyklopedie : [ve 30 svazcích] / kap. vyd. A. M. Prochorov . - 3. vyd. - M .: Sovětská encyklopedie, 1969-1978.
Gyroskop v špendlíkové hlavičce (nepřístupný odkaz) . 3D novinky. Datum přístupu: 19. listopadu 2011. Archivováno z originálu 13. ledna 2014. (neurčitý)
Němci poprvé přímo měřili kmity zemské osy (nedostupný článek) . Membrana.ru. Datum přístupu: 27. prosince 2011. Archivováno z originálu 7. ledna 2012. (Ruština)
SMĚR VYSOCE PŘESNÉ LASEROVÉ gyroskopie (nedostupný odkaz) . Výzkumný ústav "Pole". Archivováno 1. října 2020. (Ruština)

Slovníky a encyklopedie	Britannica (online)