Ringlasergyroskop

För ett något liknande system som använder fiberoptiska kablar, se fiberoptiskt gyroskop .
Ringlasergyroskop

Ett ringlasergyroskop ( RLG ) består av en ringlaser som har två oberoende mot-propagerande resonansmoder över samma bana; Fasskillnaden används för att detektera rotation. Den fungerar på principen om Sagnac-effekten som förskjuter nollorna i det interna stående vågmönstret som svar på vinkelrotation. Interferens mellan de mot-utbredande strålarna, observerad externt, resulterar i rörelse av det stående vågmönstret och indikerar således rotation.

Beskrivning

Det första experimentella ringlasergyroskopet demonstrerades i USA av Macek och Davis 1963. Olika organisationer världen över utvecklade därefter ringlaserteknologin ytterligare. Många tiotusentals RLG:er arbetar i tröghetsnavigeringssystem och har etablerat hög noggrannhet, med bättre än 0,01°/timme bias osäkerhet och medeltid mellan fel på över 60 000 timmar.

Schematisk representation av en ringlaseruppställning. Vid strålsamplingsplatsen lämnar en bråkdel av var och en av de motriktade strålarna laserkaviteten.

Ringlasergyroskop kan användas som de stabila elementen (för en frihetsgrad vardera) i ett tröghetsreferenssystem . Fördelen med att använda en RLG är att det inte finns några rörliga delar (förutom vibrationsmotorenheten (se vidare beskrivning nedan) och laserlås), jämfört med det konventionella spinngyroskopet . Detta betyder att det inte finns någon friktion, vilket eliminerar en betydande källa till drift. Dessutom är hela enheten kompakt, lätt och mycket hållbar, vilket gör den lämplig för användning i mobila system som flygplan, missiler och satelliter. Till skillnad från ett mekaniskt gyroskop motstår inte enheten förändringar av dess orientering.

Samtida tillämpningar av Ring Laser Gyroscope (RLG) inkluderar en inbyggd GPS-kapacitet för att ytterligare förbättra noggrannheten hos RLG Inertial Navigation Systems (INS) på militära flygplan, kommersiella flygplan, fartyg och rymdfarkoster. Dessa hybrid INS/GPS-enheter har ersatt sina mekaniska motsvarigheter i de flesta applikationer.

Ringlasergyroskop (RLG) har visat sig för närvarande vara den mest känsliga enheten för att testa rotationsrörelse med avseende på en tröghetsram. En ny era för uppskalade ringlasergyroskop startade på 1990-talet när, tack vare de tekniska förbättringarna i produktionen av speglar med låga förluster, uppnåddes en reflektivitet på över 99,99 %. Olåst jordrotationsavkänning med en ringlaser på cirka 1 m2 yta demonstrerades vid University of Canterbury i Christchurch, Nya Zeeland

Funktionsprincip

Enligt Sagnac-effekten inducerar en viss rotationshastighet en liten skillnad mellan den tid det tar ljuset att korsa ringen i de två riktningarna. Detta introducerar en liten separation mellan frekvenserna för de mot-utbredningsstrålar, en rörelse av det stående vågmönstret i ringen, och därmed ett slagmönster när dessa två strålar interfererar utanför ringen. Därför följer nettoförskjutningen av det interferensmönstret enhetens rotation i ringens plan.

Även om RLG är mer exakta än mekaniska gyroskop, lider de av en effekt som kallas "lock-in" vid mycket långsamma rotationshastigheter. När ringlasern knappt roterar blir frekvenserna för de mot-utbredande lasermoden nästan identiska. I det här fallet kan överhörning mellan de mot-utbredningsstrålar tillåta injektionslåsning , så att den stående vågen "fastnar" i en föredragen fas, och därmed låser frekvensen för varje stråle till den andra, snarare än att reagera på gradvis rotation .

Påtvingad dithering kan till stor del övervinna detta problem. Ringlaserkaviteten roteras medurs och moturs runt sin axel med hjälp av en mekanisk fjäder som drivs med sin resonansfrekvens. Detta säkerställer att systemets vinkelhastighet vanligtvis ligger långt från inlåsningströskeln. Typiska hastigheter är 400 Hz, med en toppvibreringshastighet i storleksordningen 1 grad per sekund. Dither löser inte inlåsningsproblemet helt, eftersom varje gång rotationsriktningen vänds om finns ett kort tidsintervall där rotationshastigheten är nära noll och kortvarig inlåsning kan inträffa. Om en ren frekvensoscillation upprätthålls kan dessa små inlåsningsintervall ackumuleras. Detta åtgärdades genom att introducera brus till 400 Hz-vibrationen.

Ett annat tillvägagångssätt för att undvika inlåsning finns i multioscillatorringlasergyroskopet, där vad som i praktiken är två oberoende ringlasrar (var och en med två motriktade strålar) med motsatt cirkulär polarisation samexisterar i samma ringresonator. Resonatorn inkorporerar polarisationsrotation (via en icke-planar geometri) som delar upp den fyrfaldigt degenererade kavitetsmoden (två riktningar, två polarisationer vardera) i höger- och vänstercirkulärpolariserade moder åtskilda av många hundra MHz, var och en med två motriktade strålar. Icke-reciprok förspänning via Faraday-effekten , antingen i en speciell tunn Faraday-rotator, eller via ett longitudinellt magnetfält på förstärkningsmediet, delar sedan upp varje cirkulär polarisation ytterligare med typiskt några hundra kHz, vilket gör att varje ringlaser får ett statiskt utslag. frekvens på hundratals kHz. En frekvens ökar och en minskar, när tröghetsrotation är närvarande; de två frekvenserna mäts och subtraheras sedan digitalt för att slutligen ge netto Sagnac-effektens frekvensdelning och därmed bestämma rotationshastigheten. Faraday-förspänningsfrekvensen är vald att vara högre än någon förväntad rotationsinducerad frekvensskillnad, så de två motriktade vågorna har ingen möjlighet att låsa sig.

Fiberoptiskt gyroskop

En relaterad anordning är det fiberoptiska gyroskopet som också fungerar på basis av Sagnac-effekten, men där ringen inte är en del av lasern. Snarare injicerar en extern laser strålar som utbreder sig i en optisk fiberring , där rotation orsakar en relativ fasförskjutning mellan dessa strålar när de störs efter att de passerat genom fiberringen. Fasförskjutningen är proportionell mot rotationshastigheten. Detta är mindre känsligt i en enda travers av ringen än RLG, där den externt observerade fasförskjutningen är proportionell mot den ackumulerade rotationen i sig, inte dess derivata. Det fiberoptiska gyrots känslighet förstärks dock genom att ha en lång optisk fiber, lindad för kompakthet, där Sagnac-effekten multipliceras med antalet varv.

Exempelapplikationer

Se även

externa länkar

Hämtad från " https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Ring_laser_gyroscope&oldid=1143817598 "