Laser gyroskop

Lasergyroskop  - en optisk enhed til måling af vinkelhastighed , normalt brugt i inerti-navigationssystemer . Lasergyroskoper bruger Sagnac-effekten  - udseendet af et faseskift af modkørende lysbølger i et roterende ringinterferometer . I modsætning til et mekanisk gyroskop søger denne enhed ikke at opretholde den oprindelige retning, men måler enhedens rotationsvinkel i resonatorkredsløbets plan. Ved at tælle antallet (eller fasen for små vinkler) og retningen af ​​antinoderne for en stående bølge, der passerer gennem fotodetektorområderne, som er stationær i inertiereferencerammen, kan man få værdien af ​​den vinkel, hvormed drejningen er lavet, og ved at differentiere med hensyn til tid kan man få vinkelhastigheden. Fordelene ved dette gyroskop er et digitalt udgangssignal, en kort klarhedstid og fraværet af bevægelige dele (i nogle tilfælde).

Sådan virker det

Selve enheden er en laser og består af et aktivt medium og en resonator; under drift genereres stråling i to retninger [1] . Driften af ​​et lasergyroskop er baseret på Sagnac-effekten , to stråler genereres i lasergyroskopets resonator, og hvis enheden roterer, genereres bølger med forskellige frekvenser i forskellige retninger på grund af forskellige effektive længder af resonatoren for forskellige omløbsretninger (på grund af rotation). Frekvensforskellen i gyroskopet forårsaget af rotation kan beskrives ved hjælp af formlen:

hvor  er området dækket af strålen,  er resonatorens omkreds,  er gyroskopets vinkelhastighed,  er bølgelængden [2] .

Resonatoren i et lasergyroskop kan være ret kompleks, men normalt er det en ringresonator med tre eller fire spejle; resonatoren kan være lavet som et monoblokdesign eller bestå af separate elementer. Ofte er resonatoren lavet i form af en trekant eller firkant. Størrelsen af ​​gyroskopet kan være fra et par centimeter til flere meter.

I et lasergyroskop skabes og vedligeholdes en stående bølge , og dens noder og antinoder er ideelt forbundet med en inerti-referenceramme . Positionen af ​​bølgens noder og antinoder ændres således ikke i forhold til inertiereferencerammen, og når resonatoren (gyroskoplegemet) drejes i forhold til den stående bølge, opnås interferensfrynser, der bevæger sig langs dem, på fotodetektorer. De måler rotationsvinklen og tæller antallet af løbende interferenskanter.

Opløsningen af ​​et lasergyroskop (LG) er jo mindre, jo større resonatorareal er begrænset af laserstrålerne.

Måling af vinkelhastighed

Under drift kommer to stråler ud af laseren, der udbreder sig i modsatte retninger langs et lukket kredsløb. Strålerne bringes sammen, hvilket resulterer i et vandrende interferensmønster (IR), hvis rumlige periode normalt er omkring 1 mm . Bevægelsesretningen, eller tegnet for IR-fasetilvæksten, bestemmes af en fotodetektor med to områder, hvor afstanden imellem er lig med 1/4 af IR-perioden. Fasetilvæksten på er proportional med LG-rotationsvinklen og varierer normalt fra 0,1-0,2'' for store LG'er med en omkreds på omkring 4 m til 10-20'' for små omkredse (ca. 4 cm ). Ved at tælle antallet af IR-bånd eller deres fraktioner (fra 1/2 til 1/8), der passerer gennem fotodetektoren under akkumuleringstiden (fra 1 ms til 1000 s ), er det muligt at bestemme rotationsvinklen for LG'en omkring en akse vinkelret på strålebaneplanet under akkumuleringstiden og følgelig den gennemsnitlige vinkelhastighed i denne tid.

Lasergyroskopfejl

Under driften af ​​gyroskopet opstår der fejl ved bestemmelse af rotationsvinklen. Fejl skyldes

De første to typer fejl kan primært forklares ved påvirkningen af ​​det aktive medium - ændringer i fremadgående og bagudgående spredning og brydningsindekset, forårsaget for eksempel af temperaturpåvirkningen eller Fizeau-Fresnel- effekten .

Opfangningszonen forekommer nær nulpunktet af outputkarakteristikken og gør det umuligt at registrere et signal ved lave vinkelhastigheder. Denne effekt er forårsaget af påvirkningen af ​​tilbagespredning. Ved lave vinkelhastigheder er forskellen i strålingsfrekvenser i modsatte retninger lille, og de er synkroniserede, hvilket gør det umuligt at registrere signalet. For at overvinde denne effekt er det nødvendigt at gøre frekvensforskellen mellem de mod-udbredende bølger tilstrækkelig stor. Til disse formål kan du bruge et ikke-gensidigt element, magneto-optiske eller mekaniske (vibrationsophæng) frekvenssokler.

Det eksterne magnetfelt påvirker gennem den cirkulære komponent i polariseringen af ​​de modstående stråler og den magneto-optiske følsomhed af de reflekterende elementer.

Temperaturen påvirker gennem ændringen i de reflekterende elementers brydningsindeks, ændringen i spredningen under temperaturjusteringen af ​​resonatoren, og også gennem ændringen i de indre mekaniske spændinger i lasergyroskopdesignet.

Accelerationer og vibrationer forårsager en ændring i de indre mekaniske spændinger af lasergyroskopstrukturen, hvilket fører til ændringer i optiske egenskaber og fejl i elektroniske enheder.

Capture zone

Hovedtræk ved et lasergyroskop er tilstedeværelsen af ​​en opfangningszone, hvilket fører til ufølsomhed over for rotation ved lave vinkelhastigheder. Derfor er det nødvendigt at bringe driftspunktet til den lineære sektion af outputkarakteristikken. Til disse formål bruges en frekvensbias: mekanisk, på Zeeman- eller Faraday- effekterne .

Ansøgning

Lasergyroskopets hovedanvendelse er navigation af bevægelige objekter såsom fly eller missiler. Til små enheder (som en mobiltelefon) bruges mindre og mindre præcise gyroskoper.

Udover navigation kan et gyroskop bruges til grundforskning eller til måling af udsving i jordskorpen (jordskælv) [3] Til disse formål anvendes store gyroskoper, med en omkreds på flere meter.

Verdens mest nøjagtige lasergyroskop med en omkreds på 16 m er bygget ved Wettzell Geodetic Observatory ved det tekniske universitet i München . Den er designet til at fiksere den mest subtile ændring i projektionen af ​​vinkelhastigheden af ​​Jordens rotation på lasergyroskopets indgangsakse.

Det mindste KM-2 lasergyroskop med en omkreds på 2 cm er designet til at måle vinkelhastigheden af ​​en hurtigt roterende rotor.

Se også

Noter

  1. ↑ Broslavets Yu. Yu., Georgieva M. A. Lasergyroskop : laboratoriearbejde nr. 34 i kurserne: Kvanteelektronik. Fysisk grundlag for fotonik og nanofotonik. - M. : MIPT, 2018. - 36 s.
  2. ↑ Aronovits F. Lasergyroskoper // Anvendelser af lasere. - Moskva: Mir, 1974.
  3. ↑ Kislov K., Gravirov V. Rotationsseismologi: fra beregninger og ræsonnement til målinger og forståelse  // Science and Life . - 2021. - Nr. 4 . - S. 70-80 .

Links

  Gå til Wikidata-elementet  Ordbøger og encyklopædier