Giroscopio láser de anillo

Un giroscopio láser de anillo (RLG) consta de un láser de anillo que tiene dos modos resonantes de contrapropagación independientes en la misma ruta; la diferencia de fase se utiliza para detectar la rotación. Funciona según el principio del efecto Sagnac que cambia los valores nulos del patrón de onda estacionario interno en respuesta a la rotación angular. La interferencia entre los haces que se propagan en sentido contrario, observada externamente, da como resultado el movimiento del patrón de onda estacionaria y, por lo tanto, indica la rotación.

Descripción

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

Los giroscopios láser de anillo se pueden utilizar como elementos estables (cada uno con un grado de libertad) en un sistema de referencia inercial. La ventaja de usar un RLG es que no hay piezas móviles (aparte del conjunto del motor de oscilación (consulte la descripción detallada a continuación) y el bloqueo láser), en comparación con el giroscopio giratorio convencional. Esto significa que no hay fricción, lo que elimina una fuente importante de deriva. Además, toda la unidad es compacta, liviana y muy duradera, lo que la hace adecuada para su uso en sistemas móviles como aviones, 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 (RLG) incluyen una capacidad GPS integrada para mejorar aún más la precisión de los sistemas de navegación inercial (INS) 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 de rotación con respecto a un marco de inercia. Una nueva era para los giroscopios láser de anillo mejorado comenzó en la década de 1990 cuando, gracias a las mejoras tecnológicas en la producción de espejos de baja pérdida, se logró una reflectividad superior al 99,99%. La detección de rotación de la Tierra desbloqueada con un láser de anillo de aproximadamente 1 m² de área se demostró en la Universidad de Canterbury en Christchurch, Nueva Zelanda

Principio de funcionamiento

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 ondas estacionarias dentro del anillo y, por lo tanto, un patrón de pulsaciones cuando esos dos haces interfieren fuera del anillo. Por lo tanto, el cambio neto de ese patrón de interferencia sigue la rotación de la unidad en el plano del anillo.

Los RLG, aunque 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 de láser de contrapropagación se vuelven casi idénticas. En este caso, la diafonía entre los haces que se propagan en sentido contrario puede permitir el bloqueo de la inyección, de modo que la onda estacionaria "se atasca" en una fase preferida, bloqueando así la frecuencia de cada haz con la del otro, en lugar de responder a una rotación gradual.

El tramado forzado puede superar en gran medida este problema. La cavidad del láser anular se gira en el sentido de las agujas del reloj y en el sentido contrario a las agujas del reloj alrededor de su eje utilizando un resorte mecánico accionado a su frecuencia de resonancia. Esto asegura que la velocidad angular del sistema generalmente esté lejos del umbral de bloqueo. Las frecuencias típicas son 400 Hz, con una velocidad máxima de oscilación del orden de 1 grado por segundo. Dither no soluciona el problema de bloqueo por completo, ya que cada vez que se invierte la dirección de rotación, existe un breve intervalo de tiempo en el que la velocidad de rotación es cercana a cero y puede ocurrir un bloqueo breve. 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.

Un enfoque diferente para evitar el bloqueo está incorporado en el giroscopio láser de anillo multioscilador, en el que coexisten en el mismo resonador de anillo dos láseres de anillo independientes (cada uno con dos haces contrapropagantes) de polarización circular opuesta. El resonador incorpora rotación de polarización (a través de una geometría no plana) que divide el modo de cavidad degenerado cuádruple (dos direcciones, dos polarizaciones cada una) en modos de polarización circular derecha e izquierda separados por muchos cientos de MHz, cada uno con dos haces de contrapropagación. La polarización no recíproca a través del efecto Faraday, ya sea en un rotador Faraday delgado especial, o a través de un campo magnético longitudinal en el medio de ganancia, luego divide aún más cada polarización circular en unos pocos cientos de kHz, lo que hace que cada láser de anillo tenga un latido de salida estático frecuencia de cientos de kHz. Una frecuencia aumenta y otra disminuye, cuando está presente la rotación inercial; las dos frecuencias se miden y luego se restan digitalmente para finalmente producir la división de frecuencia neta del efecto Sagnac y así determinar la tasa de rotación. La frecuencia de polarización de Faraday se elige para que sea más alta que cualquier diferencia de frecuencia inducida por rotación anticipada, por lo que las dos ondas que se contrapropagan no tienen oportunidad de bloquearse.

Giroscopio de fibra óptica

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 forma parte del láser. Más bien, un láser externo inyecta haces de contrapropagación en un anillo de fibra óptica, donde la rotación provoca un cambio de fase relativo entre esos haces cuando se interfiere 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 misma, 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 compacta, en la que el efecto Sagnac se multiplica según el número de vueltas.

Aplicaciones de ejemplo

• Airbus A320
• Agni III y Agni-IV
• Agni-V
• ASM-135 US Misil antisatélite
• Boeing 757-200
• Boeing 777
• B-52H con la actualización del IAM
• EF-111 Raven
• F-15E Strike Eagle
• F-16 Fighting Falcon
• HAL Tejas
• MC-130E Combat Talon I y MC-130H Combat Talon II
• Guerrero MQ-1C
• Sistema de navegación interna de MK39 Ship utilizado en naves de superficie de la OTAN y submarinos
• P3 Orión (con actualización)
• Misil Shaurya.
• MH-60R, MH-60S, SH60F and SH60B Seahawk helicopters
• Sukhoi Su-30MKI
• Misiles Trident I y Trident II
• PARALIGN, utilizado para alineación de rodillos
• Estación Espacial Internacional
• JF-17 Thunder