Материал: Современные лазерные гироскопы

3.5 Лазерные гироскопы 70-х годов

Одним из недостатков, присущих ранним моделям ЛГ, являлось большое время выхода на рабочий режим. При этом большинство потенциальных применений требовало, чтобы датчик был готов к работе в течение нескольких минут после старта. Также неудовлетворительной была потребляемая мощность.

Основным компонентом, над которым велась работа, являлся резонатор. Его чувствительность к температуре приводила к большому времени готовности и требовала наличия нагревателей. Последние являлись основным потребителем энергии в ЛГ. Решением поставленной задачи стал переход от алюминия к стеклокерамике. Обладая практически нулевым коэффициентом температурного расширения, такой материал позволил регулировать периметр при помощи презопреобразователей на зеркалах и отказаться от нагревателей.

Другим элементом, подверженным температурной зависимости, были ППВО. На их место пришли многослойные диэлектрические зеркала. К тому времени технологии их производства сделали шаг вперед, и стало возможным изготавливать зеркала с коэффициентом отражения более 0,999. Также была подвергнута замещению и фарадеевская ячейка. Вместо нее были применены специальные магнитооптические зеркала. Их принцип работы основывался на эффекте Керра. Такое зеркало под воздействием магнитного поля вносило невзаимные фазовые сдвиги в падающие на него лучи. Внедрение всех вышеперечисленных новаций, а также совершенствование газоразрядной трубки позволили создать новое поколение ЛГ, время готовности которых было на уровне нескольких минут.

.6 Лазерные гироскопы 80-х

С годами системы на основе ЛГ находили себе все новые и новые применения. При этом некоторые из них требовали от датчиков высокой стойкости к вибрациям и ударам. Как показали исследования, применяемый резонаторный блок из стеклокерамики не выдержит расчетных нагрузок. При этом переход к металлическому резонатору являлся по сути возвращением к первоначальной модели, образца середины 60-х годов. Однако именно он оказался путем к решению задачи. Модульная структура ЛГ позволила вынести газоразрядную трубку за пределы металлического резонатора. Температурные же эффекты, как оказалось, в данном случае не важны, т.к. время работы прибора мало настолько, что температура резонатора не успевает измениться. Таким образом, в начале 80-х разработчикам из “Lockheed Martin” удалось изготовить вибро- и ударопрочный ЛГ на основе резонатора из металла При этом принцип действия газоразрядной трубки требовал порядка нескольких минут для того, чтобы прошла первая искра. Для решения этой задачи в газоразрядную трубку ЛГ был добавлен небольшой радиоизотоп, который служил источником постоянной ионизации среды. В результате время готовности ЛГ снизилось до нескольких миллисекунд.

В СССР в этот период одной из основных решаемых задач являлось повышение точности ЛГ. Этого удалось достичь за счет улучшения компоновки гироскопа и сопутствующей электроники, перехода к стеклокерамическим материалам (ситалл и др.). Не был исключением и завод «Арсенал» со своим ЦКБ. В Киеве с середины 80-х годов, разрабатывались ЛГ с «пустым» (без невзаимного элемента) резонатором для навигационных систем. Они использовали традиционную виброподставку и обеспечивали дрейф нуля до 0,03 °/ч. В Великобритании в начале 80-х вновь была проведена демонстрация ЛГ на полигоне в г. Фарнборо. На сей раз свои разработки демонстрировали уже 2 компании: British Aerospace и Ferranti. Каждая представила свою систему на основе ЛГ с периметром 30 и 43 см, соответственно. В результате правительство заключило с каждой из фирм по контракту на 1 млн. £. Компании должны были представить к январю 1986 по 2 новые БИНС для авиационного применения. Следует отметить, что компания British Aerospace опиралась на американские патенты, полученные при покупке отделения Sperry Gyroscope, в то время как в Ferranti занимались собственными разработками

3.7 Сверхбольшие лазерные гироскопы

Несмотря на то, что большие усилия инженеров-гироскопистов связаны с уменьшением размеров датчиков, существует и противоположное направление - разработка и создание сверхбольших ЛГ, открывающих совершенно новые области их использования. В середине 80-х годов группа ученых из Кентерберийского Университета (г. Крайстчерч, Новая Зеландия) занялась разработкой лазерного гироскопа, способного улавливать различные эффекты, проявляющиеся при вращении Земли. Для достижения требуемых значений чувствительности было решено увеличить периметр резонатора по сравнению с обычными гироскопами. Первый образец такого датчика был изготовлен к 1989 году. Он назывался C-I и имел квадратный резонатор со стороной 85 см. С его помощью далось измерить скорость вращения Земли, а также показать возможность построения ЛГ с большим периметром. В дальнейшем было построено еще несколько установок с различными периметрами. Наиболее успешным является проект, реализованный в геофизической обсерватории, г. Ветцель, Германия.

В лаборатории приняты все меры для исключения паразитного влияния на ЛГ внешних факторов. В результате получился сверхпрецизионный прибор, способный измерять вращение Земли с высокой точностью. С его помощью удалось зафиксировать суточные колебания Земной оси (период ~ 24 часа, амплитуда 5-60 см), чандлеровские колебания (период 433 дня, амплитуда ~ 9 м), приливные колебания. Особую роль устройства подобного рода играют в сейсмологии. Благодаря высокой чувствительности, большие лазерные гироскопы способны улавливать сигнал от удаленных землетрясений. Сегодня существует целый ряд подобных устройств, расположенных в различных странах и преследующих различные цели: обнаружение сейсмической активности, исследование движения Земли, оценка колебаний опор здания, обнаружение смещений в конструкции детектора гравитационных волн и др. Наибольшим периметром (39,7×21 м) сегодня обладает гироскоп UG-2, расположенный в Кашмирской пещерной лаборатории (Новая Зеландия). Данный проект направлен на оценку возможности дальнейшего увеличения периметра лазерных гироскопов. Как отмечают исследователи, такие макеты показали, что при увеличении размеров нестабильность масштабного коэффициента растет значительно быстрее, чем чувствительность.

4. Современные лазерные гироскопы

Современный лазерный гироскоп представляет собой сложную оптико-электронную систему, основным элементом которой является КОКГ. Конструкция лазерного гироскопа выполняется в виде монолитного блока из высококачественного кварца или ситалла, в котором имеются каналы, образующие единый четырехугольный или треугольный контур. По углам оптического контура расположены зеркала с высоким коэффициентом отражения (или призмы полного внутреннего отражения), образующие кольцевой резонатор.

Для обеспечения высокой жесткости конструкции отражатели соединяют с моноблоком методом молекулярной адгезии, для чего контактирующие поверхности выполняются предельно плоскими и тщательно полируются, внутренние полости блока заполняются активным веществом, в качестве которого используется смесь гелия и неона при давлении около 2 6 ?10 Па.

В моноблоке расположены также электроды (анод и катод), необходимые для возбуждения активной среды. На электроды подается высокое напряжение, которое ионизирует газ и создает тлеющий разряд. Возникающее при этом незатухающее излучение когерентно, т.е. имеет одну и ту же частоту, положение фазы и плоскость колебания.

В одном из газоразрядных резонаторов устанавливается диафрагма, управление которой дает возможность получить одномодовый режим работы, при котором ОКГ генерирует излучение в одной узкой полосе спектра. Для выделения сигнала разностной частоты встречные лучи проходят через совмещающую призму и попадают на фотоэлектронный умножитель или фотокатод оптического детектора, имеющий две узкие чувствительные площадки, ориентированные вдоль светлых и темных полос. При этом площадки фотоприемника отстоят друг от друга на расстояние, равное 1/4 части периода интерференционной картины. Таким образом, световой сигнал преобразуется в электрический. На рис. 5 показан ход лучей в устройстве съема выходного сигнала.

Рисунок 5. Электромагнитные волны КОКГ.

лазерный гироскоп моноблочный конструктивный

На двух выходах фотоприемника, связанных с чувствительными площадками, наблюдаются два сигнала синусоидальной формы с фазовым сдвигом 90°. Информация об угле поворота кольцевого лазера содержится в изменении фазы каждого сигнала. При этом в случае вращения прибора против часовой стрелки фаза первого сигнала опережает на 90° фазу второго сигнала, а в случае вращения по часовой стрелке фаза второго сигнала опережает фазу первого сигнала на те же 90°. Таким образом, производя фазовый анализ сигналов, можно определить угол поворота кольцевого лазера и направление его вращения. Основной чувствительный элемент (моноблок с КОКГ) современного лазерного гироскопа работает со многими подсистемами, которые призваны ликвидировать влияние отдельных дестабилизирующих факторов и улучшить его характеристики. К ним относятся подсистема регулирования мощности накачки, подсистема стабилизации частоты излучения и стабилизации периметра резонатора, а также подсистема частотной подставки кинематического или электрического типа. Кроме того, в состав лазерных гироскопов входят подсистемы съема и преобразования выходной информации.

5. Применение

В настоящее время уже отчетливо виден ряд достоинств когерентных оптических гироскопов, которые могут определить области их практического применения. Также их характеристики, как нечувствительность к большим ускорениям, мгновенный выход на рабочий режим, широкий диапазон измеряемых угловых скоростей, частотная форма выходного сигнала и другие, определяют повышенный интерес прежде всего разработчиков авиационной и космической техники к новому датчику угловой скорости. Когерентный оптический (лазерный) гироскоп может быть использован в наземных геодезических системах управления огнем подвижных артиллерийских и ракетных установок, в измерительных системах для определения физических констант, скоростей потоков и жидкостей и ряде других областей. Лазерные гироскопы используются в системах ориентации, под которой понимается процесс совмещения одной или нескольких осей подвижного объекта с осями некоторой системы координат, называемой базовой системой отсчета. Движение последней в пространстве предполагается известным, поэтому выбор базовой системы отсчета определяет характер угловых движений космического аппарата. Это объясняется тем, что при идеальной ориентации космического аппарата его оси постоянно совмещены с осями базовой системы отсчета. Ее выбор в значительной степени определяется назначением аппарата.

Например, для фотографирования земной поверхности целесообразно ось объектива фотокамеры ориентировать по местной вертикали. При решении задач встречи и стыковки двух космических аппаратов целесообразно оси кораблей, перпендикулярные плоскости стыковки, направить по линии, которая соединяет центры масс кораблей, т.е. по линии визирования.

Также, в наши дни гироскопические приборы и системы применяются в самых различных областях техники: для автоматического управления и навигации, для стабилизации оружия на военных кораблях и танках, в горнорудной и нефтяной промышленности для прокладки шахт и туннелей, при бурении нефтяных скважин и т.д.

С помощью гироскопических приборов определяют направление истинного меридиана и величину отклонения от истинной вертикали, измеряют углы отклонения, угловые скорости и ускорения маневрирующего объекта.

Гироскопические приборы относят к основным элементам инерционных систем наведения, используемых для управления большинством иностранных баллистических ракет. Особое значение приобрели гироскопические приборы в системах навигации.

6. Перспективы развития гироскопического приборостроения

Сегодня созданы достаточно точные гироскопические системы, удовлетворяющие большой круг потребителей. Сокращение средств, выделяемых для военно-промышленного комплекса в бюджетах ведущих мировых стран, резко повысило интерес к гражданским применениям гироскопической техники. Например, сегодня широко распространено использование микромеханических (МЭМС) гироскопов в системах стабилизации автомобилей или видеокамер.

По мнению сторонников таких методов навигации, как GPS и ГЛОНАСС, выдающийся прогресс в области высокоточной спутниковой навигации сделал ненужными автономные средства навигации. Сейчас разрабатывается система навигационных спутников третьего поколения. Она позволит определять координаты объектов на поверхности Земли с точностью до единиц сантиметров в дифференциальном режиме, при нахождении в зоне покрытия корректирующего сигнала DGPS. При этом якобы отпадает необходимость в использовании курсовых гироскопов. Например, установка на крыльях самолета двух приемников спутниковых сигналов, позволяет получить информацию о повороте самолета вокруг вертикальной оси.

Однако системы GPS оказываются неспособны точно определять положение в городских условиях, при плохой видимости спутников. Подобные проблемы обнаруживаются и в лесистой местности. В самолётах GPS оказывается точнее акселерометров на длинных участках. Но использование двух GPS-приёмников для измерения углов наклона самолета даёт погрешности до нескольких градусов. Подсчёт курса путём определения скорости самолёта с помощью GPS также не является достаточно точным. Поэтому, в сегодняшних навигационных системах оптимальным решением является комбинация GPS и гироскопических систем. За последние десятилетия, эволюционное развитие гироскопической техники подступило к порогу качественных изменений. Именно поэтому внимание специалистов в области гироскопии сейчас сосредоточилось на поиске нестандартных применений таких приборов. Открылись совершенно новые интересные задачи: разведка полезных ископаемых, предсказание землетрясений, сверхточное измерение положений железнодорожных путей и нефтепроводов, медицинская техника и многие другие.

Заключение

Мы рассмотрели некоторые физические явления, которые могут быть положены в основу создания приборов, чувствительных к вращению. Задачи, в которых возникает необходимость применять гироскопические устройства, разнообразны, как по целям, так и по назначению. Наиболее интересным и перспективным среди гироскопических приборов является лазерный гироскоп. В данной работе была рассмотрена цепь развития лазерных гироскопов. С каждым годом они совершенствовались и теперь мы можем смело сказать что: «Лазерный гироскоп - ключевое звено в современных системах навигации, ориентации и стабилизации». Лазерные гироскопы по праву относятся к числу самых наукоемких и уникальных лазерных приборов, производство которых аккумулирует и стимулирует развитие новейших технологий, включая нанотехнологии. В заключение хочется добавить, что перспективы развития гироскопического приборостроения весьма велики, и лазерные гироскопы сохраняют сегодня лидирующие позиции в области высокоточных бесплатформенных инерциальных навигационных системах (БИНС).

Библиографические ссылки

1.      Богданов А.Д. Гироскопы на лазерах // М., Военниздат - 1973. - Вып. 3. - С.

2.      Бычков С.И., Лукьянов Д.П., Бакаляр А.И. Лазерный гироскоп. Под ред. проф. С.И. Бычкова // М., “Советское радио” - 1975. - Вып. 9. - С.

.        Лукьянов Д.П., Филатов Ю.В., Голяев Ю.Д., Курятов В.Н., Соловьева Т.И.,Васильев В.П., Бузанов В.И., Спекторенко В.П., Клочко А.И., Виноградов В.И.,Шрайбер К.У., Перлмуттер М. 50 лет лазерному гироскопу //Фотоника. - 2014. - № 1. - С. 42-60

4.      Большая свободная энциклопедия. - электрон.дан.- Access regime: https://ru.wikipedia.org/wiki/Лазерный_гироскоп , свободный.- Загл. с экрана.

.        Центр лазерных технологий. - электрон.дан.- Access regime: http://www.ltc.ru/newsltc/2/591_1.shtml , свободный.- Загл. с экрана.

.        Кин К. Е. Применение лазерных гироскопов на современных летательных аппаратах//диссерация на соискание академической степени магистра. -2012.-Вып.

.        Н.М. Померанцев, Г.В. Скроцкий Физические основы квантовой гироскопии // “Успехи физических наук” - март 1970. - вып.100 том3