Лазерный гироскоп

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск
Схема лазерного гироскопа. Здесь луч лазера циркулирует с помощью зеркал и постоянно усиливается лазером (а точнее квантовым усилителем). Замкнутый контур имеет ответвление через полупрозрачное зеркало (или, например, через щель) в датчик на базе интерферометра.
Кольцевой лазерный гироскоп производства украинского завода «Арсенал» в одном из павильонов авиасалона МАКС-2011. Резонатор имеет форму квадрата. В его центре расположен виброподвес.
Лазерный гироскоп КМ-11-1А производства НИИ «Полюс». Здесь для накачки используется СВЧ-разряд, а вместо зеркал по сторонам резонатора установлены призмы.

Лазерный гироскоп — оптический прибор для измерения угловой скорости, обычно применяется в системах инерциальной навигации. Лазерные гироскопы используют эффект Саньяка — появление фазового сдвига встречных световых волн во вращающемся кольцевом интерферометре.

Принцип работы[править | править вики-текст]

Прибор сам по себе является лазером и состоит из активной среды и резонатора, при работе происходит генерация излучения в двух направлениях.Работа лазерного гироскопа основана на эффекте Саньяка, два луча генерируются в резонаторе лазерного гироскопа и, если прибор вращается, то происходит генерация волн разной частоты для разных направлений из-за различной длины резонатора для разных направлений обхода, вызванной вращением. Описать разность частот в гироскопе, вызванную вращением, можно с помощью формулы:

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

где A - площадь, охватываемая лучом, L - периметр резонатора, Ω - угловая скорость вращения гироскопа, λ - длина волны. [1]

Резонатор лазерного гироскопа может быть достаточно сложным, но обычно это - кольцевой резонатор с тремя или четырьмя зеркалами, резонатор может быть выполнен как моноблочная конструкция, так и состоять из отдельных элементов. Часто резонатор выполняется в форме треугольника или квадрата. Размер гироскопа может быть от нескольких сантиметров до нескольких метров.

Два лазерных луча, генерируемые и усиливающиеся в полостях гироскопа, непрерывно циркулируют по резонатору в противоположных направлениях. В лазерном гироскопе создаётся и поддерживается стоячая волна, а её узлы и пучности в идеальном случае связаны с инерциальной системой отсчёта. Таким образом, положение узлов и пучностей не меняется если гироскоп не вращается (в плоскости кольцевого контура) относительно инерциальной системы отсчёта, а при повороте резонатора (корпуса гироскопа) фотоприёмники измеряют угол поворота, считая пробегающие по ним интерференционные полосы.

Чувствительность лазерного гироскопа пропорциональна площади поверхности, ограниченной лучами лазера.

Ошибки лазерного гироскопа[править | править вики-текст]

При работе гироскопа возникают ошибки при получении сигнала вращения. Ошибки сводятся к

  • Дрейф нулевого сигнала
  • Изменение масштабного коэффициента
  • Наличие зоны захвата

Первые два типа погрешностей можно объяснить прежде всего влиянием активной среды - изменениями коэффициента преломления, вызванные, например, влиянием температуры или эффектом Физо-Френеля.

Зона захвата возникает вблизи нуля выходной характеристики и не дает возможности регистрировать сигнал при небольших угловых скоростях. Этот эффект вызван влиянием обратного рассеяния. При малых угловых скоростях различие частот излучения во встречных направлениях небольшое и происходит их синхронизация, делающая невозможным регистрацию сигнала. Для преодоления этого эффекта необходимо сделать различие частот встречных волн достаточно большим. Для этих целей можно использовать невзаимный элемент, магнитооптическую или механическую (виброподвес) частотные подставки.

Применение[править | править вики-текст]

Основное применение лазерного гироскопа - навигация подвижных объектов, таких как самолеты или ракеты. Для маленьких приборов (например, сотовый телефон) используются более маленькие и менее точные гироскопы.

Помимо навигации гироскоп можно применять для фундаментальных исследований или измерения колебаний земной коры (землетрясения). Для этих целей используются большие гироскопы, с периметром в несколько метров.

Самый точный в мире лазерный гироскоп построен в геодезической обсерватории Веттцелль, Мюнхенского технического университета. Он предназначен для фиксации тончайшего изменения смещения земной оси при вращении. Точность прибора такова, что он может улавливать биения земной оси в доли угловых минут.

См. также[править | править вики-текст]

Примечания[править | править вики-текст]

  1. Ароновиц Ф. Лазерные гироскопы // Применения лазеров. — Москва: Мир, 1974.

Ссылки[править | править вики-текст]