Лазерный гироскоп

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

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:

<math>\Delta\nu={4A\Omega \over L\lambda}</math>,

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

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

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

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

• Волоконно-оптический гироскоп
• Оптический резонатор
• Датчик угловой скорости

Ссылки

• [www.krugosvet.ru/enc/nauka_i_tehnika/voennaya_tehnika/INERTSIALNAYA_NAVIGATSIYA.html?page=0,1 Статья «Инерциальная навигация» в энциклопедии «Кругосвет»]. Проверено 19 ноября 2011. [www.webcitation.org/65iU6keO5 Архивировано из первоисточника 25 февраля 2012].
• Квантовый гироскоп // Большая советская энциклопедия : [в 30 т.] / гл. ред. А. М. Прохоров. — 3-е изд. — М. : Советская энциклопедия, 1969—1978.</span>
• [www.3dnews.ru/599686 3Dnews — Гироскоп в булавочной головке]. Проверено 19 ноября 2011.
• [www.membrana.ru/particle/17309 Немцы впервые напрямую измерили колебания земной оси] (рус.). Membrana.ru. Проверено 27 декабря 2011. [www.webcitation.org/65iU9E6Nq Архивировано из первоисточника 25 февраля 2012].

Отрывок, характеризующий Лазерный гироскоп

Прежде чем ехать к Билибину, князь Андрей поехал в книжную лавку запастись на поход книгами и засиделся в лавке.
– Что такое? – спросил Болконский.
– Ach, Erlaucht? – сказал Франц, с трудом взваливая чемодан в бричку. – Wir ziehen noch weiter. Der Bosewicht ist schon wieder hinter uns her! [Ах, ваше сиятельство! Мы отправляемся еще далее. Злодей уж опять за нами по пятам.]
– Что такое? Что? – спрашивал князь Андрей.
Билибин вышел навстречу Болконскому. На всегда спокойном лице Билибина было волнение.
– Non, non, avouez que c'est charmant, – говорил он, – cette histoire du pont de Thabor (мост в Вене). Ils l'ont passe sans coup ferir. [Нет, нет, признайтесь, что это прелесть, эта история с Таборским мостом. Они перешли его без сопротивления.]
Князь Андрей ничего не понимал.
– Да откуда же вы, что вы не знаете того, что уже знают все кучера в городе?
– Я от эрцгерцогини. Там я ничего не слыхал.
– И не видали, что везде укладываются?
– Не видал… Да в чем дело? – нетерпеливо спросил князь Андрей.
– В чем дело? Дело в том, что французы перешли мост, который защищает Ауэсперг, и мост не взорвали, так что Мюрат бежит теперь по дороге к Брюнну, и нынче завтра они будут здесь.
– Как здесь? Да как же не взорвали мост, когда он минирован?
– А это я у вас спрашиваю. Этого никто, и сам Бонапарте, не знает.
Болконский пожал плечами.
– Но ежели мост перейден, значит, и армия погибла: она будет отрезана, – сказал он.
– В этом то и штука, – отвечал Билибин. – Слушайте. Вступают французы в Вену, как я вам говорил. Всё очень хорошо. На другой день, то есть вчера, господа маршалы: Мюрат Ланн и Бельяр, садятся верхом и отправляются на мост. (Заметьте, все трое гасконцы.) Господа, – говорит один, – вы знаете, что Таборский мост минирован и контраминирован, и что перед ним грозный tete de pont и пятнадцать тысяч войска, которому велено взорвать мост и нас не пускать. Но нашему государю императору Наполеону будет приятно, ежели мы возьмем этот мост. Проедемте втроем и возьмем этот мост. – Поедемте, говорят другие; и они отправляются и берут мост, переходят его и теперь со всею армией по сю сторону Дуная направляются на нас, на вас и на ваши сообщения.
– Полноте шутить, – грустно и серьезно сказал князь Андрей.
Известие это было горестно и вместе с тем приятно князю Андрею.
Как только он узнал, что русская армия находится в таком безнадежном положении, ему пришло в голову, что ему то именно предназначено вывести русскую армию из этого положения, что вот он, тот Тулон, который выведет его из рядов неизвестных офицеров и откроет ему первый путь к славе! Слушая Билибина, он соображал уже, как, приехав к армии, он на военном совете подаст мнение, которое одно спасет армию, и как ему одному будет поручено исполнение этого плана.
– Полноте шутить, – сказал он.
– Не шучу, – продолжал Билибин, – ничего нет справедливее и печальнее. Господа эти приезжают на мост одни и поднимают белые платки; уверяют, что перемирие, и что они, маршалы, едут для переговоров с князем Ауэрспергом. Дежурный офицер пускает их в tete de pont. [мостовое укрепление.] Они рассказывают ему тысячу гасконских глупостей: говорят, что война кончена, что император Франц назначил свидание Бонапарту, что они желают видеть князя Ауэрсперга, и тысячу гасконад и проч. Офицер посылает за Ауэрспергом; господа эти обнимают офицеров, шутят, садятся на пушки, а между тем французский баталион незамеченный входит на мост, сбрасывает мешки с горючими веществами в воду и подходит к tete de pont. Наконец, является сам генерал лейтенант, наш милый князь Ауэрсперг фон Маутерн. «Милый неприятель! Цвет австрийского воинства, герой турецких войн! Вражда кончена, мы можем подать друг другу руку… император Наполеон сгорает желанием узнать князя Ауэрсперга». Одним словом, эти господа, не даром гасконцы, так забрасывают Ауэрсперга прекрасными словами, он так прельщен своею столь быстро установившеюся интимностью с французскими маршалами, так ослеплен видом мантии и страусовых перьев Мюрата, qu'il n'y voit que du feu, et oubl celui qu'il devait faire faire sur l'ennemi. [Что он видит только их огонь и забывает о своем, о том, который он обязан был открыть против неприятеля.] (Несмотря на живость своей речи, Билибин не забыл приостановиться после этого mot, чтобы дать время оценить его.) Французский баталион вбегает в tete de pont, заколачивают пушки, и мост взят. Нет, но что лучше всего, – продолжал он, успокоиваясь в своем волнении прелестью собственного рассказа, – это то, что сержант, приставленный к той пушке, по сигналу которой должно было зажигать мины и взрывать мост, сержант этот, увидав, что французские войска бегут на мост, хотел уже стрелять, но Ланн отвел его руку. Сержант, который, видно, был умнее своего генерала, подходит к Ауэрспергу и говорит: «Князь, вас обманывают, вот французы!» Мюрат видит, что дело проиграно, ежели дать говорить сержанту. Он с удивлением (настоящий гасконец) обращается к Ауэрспергу: «Я не узнаю столь хваленую в мире австрийскую дисциплину, – говорит он, – и вы позволяете так говорить с вами низшему чину!» C'est genial. Le prince d'Auersperg se pique d'honneur et fait mettre le sergent aux arrets. Non, mais avouez que c'est charmant toute cette histoire du pont de Thabor. Ce n'est ni betise, ni lachete… [Это гениально. Князь Ауэрсперг оскорбляется и приказывает арестовать сержанта. Нет, признайтесь, что это прелесть, вся эта история с мостом. Это не то что глупость, не то что подлость…]