Лазерный гироскоп (фотонный гироскоп) - квантовый гироскоп ,чувствительным элементом к-рого является
кольцевой лазер, генерирующий 2 встречные волны. Действие Л. г. основано на
зависимости разности собств. частот кольцевого оптического резонатора для
встречных волн от скорости его вращения относительно инерциальной системы отсчёта.
В отличие от волоконно-оптического гироскопа, регистрирующего угл. скорость
вращения, Л. г. позволяет определять изменение угла поворота.
Рис. 1. Принципиальная
схема лазерного гироскопа: Зt-З3 - зеркала; А - активная
среда; З4, З5 - зеркала смесителя встречзых волн (З6
- полупрозрачное); Н- невзаимный элемент; Ф - фотодетектор; П - блок питания;
С - система стабилизации параметров лазера; И - система обработки информации.
Резонатор кольцевого лазера
состоит из 3 (или 4) отражателей (зеркал или призм), установленных на Жёстком
основании и обеспечивающих замкнутую траекторию
(треугольник или прямоугольник) для встречных волн (рис. 1). Возникновение разности
частот встречных волн следует из зависимости времени обхода светом вращающегося
контура от скорости вращения и направления обхода. Согласно общей теории относительности,
разность времён обхода вращающегося контура 
(в приближении малости линейной скорости вращения по сравнению со скоростью
света с)записывается в виде, к-рый может быть интерпретирован и в рамках
классич. кинематики:
Здесь 
-время обхода неподвижного контура, S, L - площадь и оптич. периметр
контура (с учётом показателя преломления), 
- угл. скорость вращения (в рад/с), 
-
угол между осью вращения и нормалью к плоскости контура.
Т. к.
связана с различием оптич. путей встречных волн соотношением
, a L определяет собств. частоты резонатора, частоты вращающегося кольцевого
резонатора для встречных волн 
(+ для волны, распространяющейся по направлению вращения) становятся разными:
Здесь 
- частота волн в неподвижном резонаторе (m - целое число). Разность (
)
не зависит от формы контура, положения оси вращения относительно центра резонатора
и может быть записана в виде
где K=4S/
L наз. масштабным коэф. Л. г., 
=
= (
)/2
- длина волны излучения покоящегося Л. г.
Разностная частота 
(
10-2-105
Гц) выделяется фотодетектором при пространств. совмещении (смешении) небольшой
части энергии (
0,1%)
встречных световых волн (
1014
Гц), выведенной из кольцевого резонатора (31, 32, 33)
через выходное частично прозрачное зеркало 33. Смеситель состоит
из зеркал 34, 35 (35 - полупрозрачное; рис.
1) или спец. призмы с углом при вершине 
90°.
Синусоидальный сигнал на выходе фотодетектора преобразуется в измерит. устройстве
в последовательность импульсов, регистрируемых счётчиком. Число импульсов пропорц.
углу поворота в плоскости кольцевого лазера. Один импульс на 
выходе счётчика соответствует повороту Л. г. на
Большая величина К позволяет
измерять малые скорости вращения при небольших размерах Л. г. Напр., для кольцевого
гелий-неонового лазера (
=6,328
10-6 см), имеющего резонатор в виде квадрата со стороной 10 см, K=1,58
105. При этом суточное вращение Земли, происходящее с угл. скоростью
15 град/ч и регистрируемое на широте 60°, должно давать 
10 Гц. Считая угл. скорость вращения Земли известной и постоянной, можно с точностью
определить
широту, на к-рой расположен Л. г.
С квантовомеханич. точки
зрения Л. г. представляет собой прибор, вращение к-рого вызывает изменение энергий
и орбитальных
моментов 
макроскопич. "орбит" фотонов, распространяющихся во встречных направлениях:
где 
- величины проекций орбитальных моментов на нормаль к плоскости кольцевого резонатора,
= 2S/L - эффективный радиус орбиты. Из (4) следует, что 
.
Учитывая, что 
,
получим выражение (3).
Зависимость 
(выходная характеристика Л. г., рис. 2) в реальном кольцевом лазере отличается
от (3) из-за влияния
нелинейных свойств активной среды и наличия связи встречных волн вследствие
обратного рассеяния. В области малых 
связь встречных волн приводит к захвату их частот (см. Затягивание частоты). Поэтому выходная характеристика Л. г. имеет область нечувствительности к
вращению (зону захвата -
,
). Кроме
того, зависимость 
имеет ги-стерезисный характер: частоты, соответствующие входу в зону захвата
(
) и выходу
из неё (
),
различны. При изменении величины обратного рассеяния R и фазы
рассеянных волн 
изменяется в пределах
где 
-величина зоны захвата (
=0
при 
<
).
Для лучших Л. г. 
10-3
рад/с.
Для регистрации малых 
в Л. г. создаётся нач. частотное расщепление встречных волн 
с помощью небольших (
) в общем случае непериодических угл. колебаний кольцевого лазера. Нач. расщепление
может быть создано также с помощью помещаемых внутрь кольцевого резонатора частотных
невзаимных элементов. Наиб. часто используются невзаимные элементы на
основе Фарадея эффекта.
Рис. 2. Частотные характеристики
лазерного гироскопа: 1 - идеальная (
), 2, 3 - теоретические [
=
], 4 - область реальной характеристики.
В качестве активной среды
в Л. г. обычно используется газовая смесь двух изотопов неона (20Ne,
22Ne) с Не, характеризующаяся неоднородно уширенной линией рабочего
перехода. Это позволяет устранить конкурентное взаимодействие встречных волн
и полунить высокую стабильность. Исследуются кольцевые лазеры с кристаллич.
или стеклообразной активной средой.
Предельная точность измерения
10 -4
град/ч определяется естеств. флуктуациями разности частот встречных волн в кольцевом
лазере. В реальных Л. г. достигается погрешность измерения 
10-2-10-3 град/ч при времени измерения 
1
с.
Преимущества Л. г. перед
традиц. механич. гироскопами: возможность использования в системах, где
гироскоп жёстко связан с движущимся объектом; цифровой выход информации; большой
диапазон 
;
малая чувствительность к перегрузкам и малое время (
1
с) запуска.
Я. В. Кравцов, А. Н. Шелаев
|
|
 |
