miniatura|Giroscopi làser d'anell Un giroscopi làser en anell (RLG) consisteix en un làser en anell que té dos modes ressonants independents que es propaguen en contrapartida sobre el mateix camí; la diferència de fase s'utilitza per detectar la rotació. Funciona segons el principi de l'efecte Sagnac, que desplaça els nuls del patró d'ona estacionària interna en resposta a la rotació angular. La interferència entre els feixos que es propaguen en contrapartida, observada externament, provoca el moviment del patró d'ona estacionària i, per tant, indica rotació. marc|Representació esquemàtica d'una configuració de làser circular. A la ubicació de mostreig del feix, una fracció de cadascun dels feixos contrapropagants surt de la cavitat del làser.

Descripció El primer giroscopi làser d'anell experimental va ser demostrat als Estats Units per Macek i Davis el 1963. Diverses organitzacions d'arreu del món van desenvolupar posteriorment la tecnologia làser d'anell. Desenes de milers de giroscopi làser d'anell operen en sistemes de navegació inercial i han aconseguit una alta precisió, amb una incertesa de biaix superior a 0,01°/hora i un temps mitjà entre fallades superior a 60.000 hores. miniatura|256x256px|Giroscop làser d'anell d'un sol eix Honeywell GG1320 amb cavitat triangular de tres miralls. Els giroscopis làser d'anell es poden utilitzar com a elements estables (per a un grau de llibertat cadascun) en un sistema de referència inercial. Un avantatge clau del RLG és que no hi ha parts mòbils a part del conjunt del motor de vibració (vegeu la descripció més detallada a continuació). En comparació amb el giroscopi giratori convencional, això significa que no hi ha fricció, cosa que elimina una font important de deriva. A més, tota la unitat és compacta, lleugera i molt resistent, cosa que la fa adequada per al seu ús en sistemes mòbils com ara avions, míssils i satèl·lits. A diferència d'un giroscopi mecànic, el dispositiu no resisteix els canvis d'orientació. miniatura|259x259px|Giro làser d'anell monolític de tres eixos Kearfott KI-4921 amb cavitats triples quadrades de quatre miralls. Les aplicacions contemporànies del giroscopi làser d'anell inclouen una capacitat GPS integrada per millorar encara més la precisió dels sistemes de navegació inercial RLG en avions militars, avions comercials, vaixells i naus espacials. Aquestes unitats híbrides INS/GPS han substituït les seves contraparts mecàniques en la majoria d'aplicacions.

"Els giroscopis làser d'anell (RLG) han demostrat ser actualment el dispositiu més sensible per provar el moviment de rotació respecte a un marc inercial."

Principi de funcionament Segons l'efecte Sagnac, la rotació indueix una petita diferència entre el temps que triga la llum a travessar l'anell en les dues direccions. Això introdueix una petita separació entre les freqüències dels feixos que es propaguen en contrapartida, un moviment del patró d'ona estacionària dins de l'anell i, per tant, un patró de batec quan aquests dos feixos interfereixen fora de l'anell. Per tant, el desplaçament net d'aquest patró d'interferència segueix la rotació de la unitat en el pla de l'anell. miniatura|263x263px|Esquema de blocs del giroscopi làser monolític RLG de Kearfott. Cada mirall és compartit per un parell d'eixos. Aquest diagrama es va derivar de la patent nord-americana núm. 4.477.188 de Kearfott: giroscopi làser d'anell monolític de tres eixos. (Aquest diagrama està girat respecte a la foto del dispositiu real, a dalt.) Els RLG, tot i ser més precisos que els giroscopis mecànics, pateixen un efecte conegut com a "bloqueig" a velocitats de rotació molt lentes. Quan el làser circular amb prou feines gira, les freqüències dels modes làser de contrapropagació es tornen gairebé idèntiques. En aquest cas, la diafonia entre els feixos de contrapropagació pot permetre el bloqueig d'injecció, de manera que l'ona estacionària "es queda enganxada" en una fase preferida, bloquejant així la freqüència de cada feix a la de l'altre, en lloc de respondre a una rotació gradual.

El dithering forçat pot superar en gran manera aquest problema. La cavitat del làser anular es gira en sentit horari i antihorari al voltant del seu eix mitjançant una molla mecànica accionada a la seva freqüència de ressonància. Això garanteix que la velocitat angular del sistema normalment estigui lluny del llindar de bloqueig. Les velocitats típiques són de 400 Hz, amb una velocitat màxima de dithering de l'ordre d'1 grau per segon. El dithering no soluciona completament el problema del bloqueig, ja que cada vegada que s'inverteix la direcció de rotació, existeix un interval de temps curt en què la velocitat de rotació és propera a zero i es pot produir un bloqueig breu. Si es manté una oscil·lació de freqüència pura, aquests petits intervals de bloqueig es poden acumular. Això es va solucionar introduint soroll als 400 Vibració de Hz.Knowing Machines, Donald MacKenzie, The MIT Press, (1991).

Un enfocament diferent per evitar el bloqueig s'incorpora al giroscopi làser d'anell multioscil·lador, on el que són efectivament dos làsers d'anell independents (cadascun amb dos feixos contrapropagants) de polarització circular oposada coexisteixen en el mateix ressonador d'anell. El ressonador incorpora la rotació de polarització (mitjançant una geometria no planar) que divideix el mode de cavitat quàdruple degenerada (dues direccions, dues polaritzacions cadascuna) en modes de polarització circular dreta i esquerra separats per molts centenars de MHz, cadascun amb dos feixos contrapropagants. La polarització no recíproca mitjançant l'efecte Faraday, ja sigui en un rotador de Faraday prim especial o mitjançant un camp magnètic longitudinal sobre el medi de guany, divideix encara més cada polarització circular en típicament uns quants centenars de kHz, fent així que cada làser d'anell tingui una freqüència de batec de sortida estàtica de centenars de kHz. Una freqüència augmenta i una disminueix quan hi ha rotació inercial; les dues freqüències es mesuren i després es resten digitalment per obtenir finalment la divisió de freqüència neta de l'efecte Sagnac i així determinar la velocitat de rotació. La freqüència de polarització de Faraday s'ha escollit per ser més alta que qualsevol diferència de freqüència induïda per la rotació prevista, de manera que les dues ones contrapropagadores no tenen l'oportunitat de bloquejar-se.

Els fabricants de sistemes de navegació basats en RLG (generalment anomenats "Unitats de Mesura Inercial" o "Unitats de Referència Inercial" (els termes són intercanviables) inclouen Honeywell, Sperry, Kearfott, Litton i altres. Honeywell és probablement el més conegut, amb diverses versions que tenen diversos nivells de rendiment per a aplicacions que van des de míssils fins a avions comercials i militars. El GG1320 que es mostra a dalt és típic d'aquest últim, amb cada eix en un bloc separat. El KI-4921 de Kearfott implementa els tres eixos en un únic bloc monolític amb un rendiment similar al del GG1320, però és molt més compacte i té menys peces. El KI-4921 (que es mostra a dalt) s'utilitza per a aplicacions en navegació marítima com ara submarins. El seu bloc RLG monolític encaixaria còmodament dins d'una pilota de beisbol. També hi ha un KI-4902 de més rendiment que té un disseny similar però aproximadament un 50 per cent més gran.

Giroscopi de fibra òptica Un dispositiu relacionat és el giroscopi de fibra òptica, que també funciona sobre la base de l'efecte Sagnac, però en què l'anell no forma part del làser. Més aviat, un làser extern injecta feixos que es propaguen en contra en un anell de fibra òptica, on la rotació provoca un canvi de fase relatiu entre aquests feixos quan s'interfereixen després del seu pas per l'anell de fibra. El canvi de fase és proporcional a la velocitat de rotació. Això és menys sensible en un sol recorregut de l'anell que el giroscopi de fibra òptica (RLG), en què el canvi de fase observat externament és proporcional a la rotació acumulada en si mateixa, no a la seva derivada. Tanmateix, la sensibilitat del giroscopi de fibra òptica es veu millorada per tenir una fibra òptica llarga, enrotllada per a la seva compacitat, en què l'efecte Sagnac es multiplica segons el nombre de voltes.

Exemples d'aplicacions Airbus A320 Agni III i Agni-IV Agni-V Míssil antisatèl·lit ASM-135 dels EUA Boeing 757-200 Boeing 777 B-52H amb l'actualització AMI EF-111 Raven F-15E Strike Eagle F-16 Falcó de Combat HAL Tejas MC-130E Combat Talon I i MC-130H Combat Talon II Guerrer MQ-1C Sistema de navegació interna del vaixell MK39 utilitzat en vaixells de superfície i submarins de l'OTAN P3 Orion (amb actualització) Míssil Shaurya Helicòpters Seahawk MH-60R, MH-60S, SH60F i SH60B Sukhoi Su-30MKI Míssils Trident I i Trident II PARALIGN, utilitzat per a l'alineació de corrons Estació Espacial Internacional JF-17 Thunder

Referències

Categoria:Làsers Categoria:Mesura