Giroscopio láser de anillo

Un giroscopio láser de anillo ( RLG ) consiste en un láser de anillo que tiene dos modos resonantes independientes que se propagan en sentido contrario a lo largo de la misma trayectoria; la diferencia de fase se utiliza para detectar la rotación. Funciona según el principio del efecto Sagnac , que desplaza los nulos del patrón de onda estacionaria interna en respuesta a la rotación angular. La interferencia entre los haces que se propagan en sentido contrario, observada externamente, produce un movimiento del patrón de onda estacionaria y, por lo tanto, indica rotación.

El primer giroscopio láser de anillo experimental fue presentado en los EE. UU. por Macek y Davis en 1963. ^[1] Posteriormente, varias organizaciones de todo el mundo desarrollaron aún más la tecnología de láser de anillo. Muchas decenas de miles de RLG están funcionando en sistemas de navegación inercial y han establecido una alta precisión, con una incertidumbre de sesgo mejor que 0,01°/hora y un tiempo medio entre fallas superior a 60 000 horas.

Los giroscopios láser de anillo se pueden utilizar como elementos estables (para un grado de libertad cada uno) en un sistema de referencia inercial . La ventaja de utilizar un RLG es que no hay partes móviles (aparte del conjunto del motor de vibración (ver descripción adicional a continuación) y el bloqueo del láser), en comparación con el giroscopio giratorio convencional . Esto significa que no hay fricción, lo que elimina una fuente significativa de deriva. Además, toda la unidad es compacta, liviana y muy duradera, lo que la hace adecuada para su uso en sistemas móviles como aeronaves, misiles y satélites. A diferencia de un giroscopio mecánico, el dispositivo no resiste cambios en su orientación.

Las aplicaciones contemporáneas del giroscopio láser de anillo incluyen una capacidad GPS integrada para mejorar aún más la precisión de los sistemas de navegación inercial RLG en aeronaves militares, aviones comerciales, barcos y naves espaciales. Estas unidades híbridas INS/GPS han reemplazado a sus contrapartes mecánicas en la mayoría de las aplicaciones.

"Los giroscopios láser de anillo (RLG) han demostrado ser actualmente el dispositivo más sensible para probar el movimiento rotacional con respecto a un marco inercial". ^[2]

Según el efecto Sagnac , la rotación induce una pequeña diferencia entre el tiempo que tarda la luz en atravesar el anillo en las dos direcciones. Esto introduce una pequeña separación entre las frecuencias de los haces que se propagan en sentido contrario, un movimiento del patrón de onda estacionaria dentro del anillo y, por lo tanto, un patrón de batido cuando esos dos haces interfieren fuera del anillo. Por lo tanto, el desplazamiento neto de ese patrón de interferencia sigue la rotación de la unidad en el plano del anillo.

Los RLG, si bien son más precisos que los giroscopios mecánicos, sufren un efecto conocido como "bloqueo" a velocidades de rotación muy lentas. Cuando el láser de anillo apenas gira, las frecuencias de los modos láser que se propagan en sentido contrario se vuelven casi idénticas. En este caso, la diafonía entre los haces que se propagan en sentido contrario puede permitir el bloqueo por inyección , de modo que la onda estacionaria "quede atascada" en una fase preferida, bloqueando así la frecuencia de cada haz con la del otro, en lugar de responder a una rotación gradual.

El dithering forzado puede solucionar en gran medida este problema. La cavidad del láser de anillo se gira en el sentido de las agujas del reloj y en el sentido contrario a las agujas del reloj sobre su eje utilizando un resorte mecánico accionado a su frecuencia de resonancia. Esto garantiza que la velocidad angular del sistema esté normalmente lejos del umbral de bloqueo. Las frecuencias típicas son de 400 Hz, con una velocidad de dithering pico del orden de 1 grado por segundo. El dithering no soluciona el problema del bloqueo por completo, ya que cada vez que se invierte la dirección de rotación, existe un breve intervalo de tiempo en el que la frecuencia de rotación es cercana a cero y puede producirse un bloqueo brevemente. Si se mantiene una oscilación de frecuencia pura, estos pequeños intervalos de bloqueo pueden acumularse. Esto se solucionó introduciendo ruido en la vibración de 400 Hz. ^[3]

Un enfoque diferente para evitar el bloqueo se materializa en el giroscopio láser de anillo multioscilador, ^{[4] [5]} en el que lo que son efectivamente dos láseres de anillo independientes (cada uno con dos haces que se propagan en contra) de polarización circular opuesta coexisten en el mismo resonador de anillo. El resonador incorpora rotación de polarización (a través de una geometría no plana) que divide el modo de cavidad degenerada cuádruple (dos direcciones, dos polarizaciones cada una) en modos polarizados circulares derecho e izquierdo separados por muchos cientos de MHz, cada uno con dos haces que se propagan en contra. La polarización no recíproca a través del efecto Faraday , ya sea en un rotador de Faraday delgado especial, o a través de un campo magnético longitudinal en el medio de ganancia, luego divide aún más cada polarización circular en típicamente unos pocos cientos de kHz, lo que hace que cada láser de anillo tenga una frecuencia de batido de salida estática de cientos de kHz. Una frecuencia aumenta y otra disminuye, cuando hay rotación inercial; Se miden las dos frecuencias y luego se restan digitalmente para obtener finalmente la división de frecuencia neta del efecto Sagnac y, de esta manera, determinar la velocidad de rotación. La frecuencia de polarización de Faraday se elige para que sea más alta que cualquier diferencia de frecuencia inducida por la rotación prevista, de modo que las dos ondas que se propagan en sentido contrario no tengan la oportunidad de bloquearse.

Un dispositivo relacionado es el giroscopio de fibra óptica, que también funciona sobre la base del efecto Sagnac, pero en el que el anillo no es parte del láser. En su lugar, un láser externo inyecta haces que se propagan en sentido contrario en un anillo de fibra óptica , donde la rotación provoca un cambio de fase relativo entre esos haces cuando se interfieren después de su paso por el anillo de fibra. El cambio de fase es proporcional a la velocidad de rotación. Esto es menos sensible en un solo recorrido del anillo que el RLG, en el que el cambio de fase observado externamente es proporcional a la rotación acumulada en sí, no a su derivada. Sin embargo, la sensibilidad del giroscopio de fibra óptica se mejora al tener una fibra óptica larga, enrollada para que sea más compacta, en la que el efecto Sagnac se multiplica según el número de vueltas.

• Airbus A320 ^[6]
• Agni III ^[7] y Agni IV ^[8]
• Agni-V ^[9]
• Misil antisatélite estadounidense ASM-135
• Boeing 757-200
• Boeing 777 ^[10]
• B-52H con la actualización AMI ^[11]
• EF-111 Cuervo
• Águila de ataque F-15E
• Halcón de combate F-16
• HAL Tejas
• MC-130E Combat Talon I y MC-130H Combat Talon II
• Guerrero MQ-1C
• Sistema de navegación interna MK39 utilizado en buques de superficie y submarinos de la OTAN ^[12]
• P3 Orion (con actualización)
• Misil Shaurya .
• Helicópteros Seahawk MH-60R , MH-60S , SH60F y SH60B
• Sukhoi Su-30MKI
• Misiles Trident I y Trident II
• PARALIGN, utilizado para la alineación de rodillos
• Estación Espacial Internacional
• JF-17 Trueno ^[13]

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• Grupo de investigación láser del anillo de Canterbury
• Departamento de Ingeniería de Armas y Sistemas, Academia Naval de los Estados Unidos
• AD King (1998). "Navegación inercial: cuarenta años de evolución" (PDF) . GEC Review . 13 (3). General Electric Company plc : 140–149.