Кольцевые лазерные гироскопы (КЛГ). Современное состояние и перспективы технологического развития.

Кольцевые лазерные гироскопы (КЛГ) на He-Ne лазерах появились в 60-е гг. прошлого века как первый вид оптических гироскопов, работа которых, как известно, основана на эффекте Саньяка. Основным чувствительным элементом КЛГ является замкнутый треугольный или четырёхугольный лазерный контур, генерирующий две встречные световые волны, которые при вращении контура на выходе дают сдвиг по частоте, фиксируемый фотоприёмным устройством (ФПУ) в виде интерференционной картинки. При посылке лазерного луча в направлении вращения прибора и против направления его вращения, появляющаяся разница во времени прихода лучей, определяемая интерферометром, позволяет найти величину углового поворота прибора за это время. Таким образом, с помощью КЛГ можно непосредственно получить значение углового смещения (°), в то время как традиционная модель появившегося позднее волоконно-оптического гироскопа (ВОГ) измеряет прежде всего значение угловой скорости (°/с) на основе фазового смещения встречных световых волн. Ещё одним отличием от ВОГ является наличие у КЛГ генератора колебаний в виде т.н. «частотной подставки», которая позволяет увеличить его чувствительность, а следовательно, и точность измерений.  Частотная подставка обычно располагается в центре корпуса КЛГ (резонатора) с оптическими каналами, которые играют роль световодов. Моноблочные резонаторы изготавливают из кристаллических материалов, коэффициент линейного расширения которых достаточно мал: это инвар, плавленый кварц, ситалл и констасил. Световод выполняется в виде газоразрядной трубки, заполненной смесью изотопов ³Не и ²⁰Ne, ²²Ne. Наиболее оптимальной рабочей длиной волны лазеров в КЛГ признано значение λ=0,63 мкм (630нм).

Основные виды кольцевых лазерных гироскопов

Существует великое множество оптико-физических схем (ОФС) КЛГ, которые зависят от многих конструкционных и технологических особенностей, закладываемых в эти приборы. Помимо конфигурации резонатора (3-х отражательный или 4-х отражательный контур) КЛГ могут строится на основе лазеров с высокочастотным разрядом или разрядом постоянного тока, иметь внешние или внутренние электроды и т.д. Однако в настоящее время можно выделить пять основных и наиболее принципиальных признаков классификации КЛГ:

1. По количеству осей измерения: КЛГ могут быть одноосными или трёхосными, т.е. определять угловое отклонение лишь по одной из осей измерения, либо сразу по трём осям (X, Y, Z).
2. По конструкции: КЛГ могут иметь моноблочную конструкцию, когда все элементы гироскопа фактически находятся внутри одного резонатора и модульную, когда часть элементов вынесена за его пределы.

• По виду применяемых отражающих элементов резонатора: КЛГ с резонатором на зеркалах и КЛГ на призмах полного отражения.
• По режиму измерения: 2-х частотные (одномодовые) КЛГ, построенные на одном лазерном контуре и 4-х частотные (двухмодовые) КЛГ, имеющие двойной (неплоский) лазерный контур.
• По виду частотной подставки (ЧП): подавляющие большинство ныне существующих КЛГ оснащены пьезоэлектрической виброподставкой, однако наличие такого механического элемента внутри КЛГ снижает его устойчивость к перегрузкам, поэтому в ряде случаев, когда возможными внешними электромагнитными воздействиями можно пренебречь, в КЛГ используются магнитооптические ЧП, которые основаны на применении не механических, а магнитных колебаний. В свою очередь магнитооптические ЧП также подразделяются на несколько типов:
• ЧП на основе эффекта Зеемана (группа т.н. «Зеемановских КЛГ»);
• ЧП на основе «магнитных зеркал»;
• ЧП с применением невзаимных фазосдвигающих элементов (НФЭ) в виде т.н. «ячеек Фарадея» (т.н. «Фарадеевские КЛГ»).

Раздел "Оптика" - https://lasercomponents.ru/catalog/optika/

Далее мы рассмотрим наиболее общие особенности свойственные различным видам КЛГ. 

Ключевые особенности кольцевых лазерных гироскопов

1. Высокая точность измерений: главная гироскопическая погрешность - дрейф нуля у КЛГ может составлять всего лишь тысячные доли °/ч, показывая при этом высокую временную стабильность. Благодаря этой особенности КЛГ оказались очень востребованы в БИНС авиационного и морского применения.
2. Высокое быстродействие и короткая задержка пуска, составляющая лишь доли секунды, из-за чего КЛГ уверенно нашли своё применение в системах ориентирования высокоскоростных аэродинамических объектов.
3. Дискретность выходного сигнала, т.е. КЛГ изначально оказались максимально приспособлены как к аналоговому, так и к цифровому выводу данных, успешно пройдя эпоху цифровизации в 90-е гг. прошлого столетия.
4. Относительная устойчивость к линейным перегрузкам за счёт отсутствия подвижных элементов, но тут следует учитывать наличие электромеханической виброподставки в большинстве типов КЛГ, которая снижает эту устойчивость, в то время как магнитооптические ЧП, наоборот, её увеличивают.
5. Широкий диапазон измерений (примерно от 10 °/ч до 103 °/с).
6. Зависимость масштабного коэффициента от массогабаритных характеристик и прежде всего от длины оптического пути, ведь чем он больше (в определённых пределах), тем точнее показания КЛГ, однако это негативно сказывается на соответствии требованиям компактности и снижения массы.
7. Подверженность температурным и механическим воздействиям значительно затрудняет использование КЛГ в сфере навигации космических носителей.
8. Высокая себестоимость, энергозатратность (потребляемая мощность может составлять до 10 Вт и выше), сложность изготовления и эксплуатации. Таким образом, КЛГ остаются одним из самых сложных и дорогостоящих инерциальных навигационных приборов. 
9. Ограниченный эксплуатационный ресурс газоразрядных лазеров, который измеряется всего лишь в сотнях часов.
10. Низкая чувствительность к малым значениям угловых скоростей, что ограничивает использование КЛГ в качестве средства стабилизации пространственного положения низкоскоростных наземных объектов. 

        Все эти технологические особенности КЛГ являются основополагающими факторами при формировании спроса на этот тип гироскопов на мировом рынке.  

Мировой рынок кольцевых лазерных гироскопов

По данным американского аналитического агентства «Market Research Future» мировой рынок гироскопического оборудования в 2023г. в финансовом выражении составил 2600 млн. долларов США и за 10 предстоящих лет он должен вырасти до 3700 млн. долларов США. При этом основными драйверами роста являются авиакосмическая отрасль и оборонная промышленность, а наиболее востребованной гироскопическая продукция будет в Азиатско-Тихоокеанском регионе. Также следует отметить, что Европейский рынок гироскопического оборудования, включая и Россию, в последнее время обходит по темпам роста рынок Северной Америки. Из всего вышесказанного можно сделать вывод, что спрос в первую очередь будет расти на приборы средней и высокой точности (с показателем дрейфа нуля менее 0,5°/ч), а в этом классе КЛГ пока что остаются наиболее приоритетным видом гироскопов и за ними в ближайшее время сохранится примерно 50% от общей стоимости всего мирового рынка гироскопов.      

Однако помимо рынка серийно выпускаемых гироскопов существуют также эксклюзивные модели КЛГ, существующие в единичном экземпляре.

Сверхбольшие кольцевые лазерные гироскопы

Основная цель создания КЛГ больших периметров — это научные исследования в области обнаружения сверхмалых геомагнитных или гравитационных колебаний. Первый такой КЛГ (С-1), со стороной 85см, был создан в 1989 г. группой учёных из Кентерберийского университета (г. Крайстчерч, Новая Зеландия). С его помощью удалось произвести свехточные измерения скорости вращения Земли. Самый большой КЛГ на сегодняшний день (UG-2), периметр которого составляет 39,7×21м, также расположен в Новой Зеландии (Кашмирская пещерная лаборатория), однако, как выяснилось в ходе его испытаний, при таких гигантских размерах резонатора нестабильность масштабного коэффициента растет значительно быстрее, чем чувствительность. Самым успешным проектом КЛГ большого периметра считается КЛГ «Großring G» со стороной 4 м, установленный в геофизической обсерватории г. Ветцель (Германия). С его помощью были зафиксированы суточные колебания Земной оси, амплитуда которых составляет всего несколько сантиметров.

Перспективы технологического развития кольцевых лазерных гироскопов

Как известно, основной проблемой, влияющей на точностные характеристики КЛГ является эффект т.н. «динамического захвата», который заключается в том, что вследствие обратного рассеяния встречных волн на поверхности зеркал резонатора и усиливающей среды возникает взаимная синхронизация (захват) частот встречных волн, препятствующая корректному выводу данных об их разности. Для предотвращения данного эффекта используются различные методы, начиная от повышения качества поверхности оптических элементов и кончая специальными математическими алгоритмами обработки первичных квадратурных сигналов. Однако наиболее эффективными показали себя две технологии, позволяющие устранить т.н. «зону захвата»:

1. Использование четырехволнового (четырёхчастотного) режима генерации с т.н. «нулевой зоной захвата» (отсутствие знакопеременной частотной подставки и полная компенсация магнитного дрейфа нуля). Практически осуществлено в США (гироскопы Zero Lock Laser Gyro - ZLG).
2. Переход на оптические схемы с применением невзаимных фазосдвигающих элементов (НФЭ) в виде т.н. «ячеек Фарадея» для выхода из «зоны захвата» за счёт линейной поляризации. В настоящее время данная технология активно применяется рядом американских производителей КЛГ. 

Объединив эти два технологических подхода, в своё время удалось создать новое поколение КЛГ - четырехчастотные лазерные гироскопы (ЧЧЛГ) неплоского контура на основе Фарадеевской магнитооптической ЧП. Это позволило увеличить точность измерений более чем в два раза по сравнению с обычными двухчастотными КЛГ, а также избавится от влияния внешних магнитных полей, т.е. нивелировать магнитную составляющую нулевого дрейфа.

Два возможных направления дальнейшего конструкционного усовершенствования КЛГ:

1. Расширение круга материалов, используемых при изготовлении резонаторов КЛГ. Примером такого подхода могут служить уже давно применяемые модульные схемы резонаторов из стеклокерамики и металлических сплавов, что позволило расширить диапазон применения КЛГ за счёт увеличения устойчивости к перегрузкам и температурным воздействиям.

Ещё одним материалом для резонаторов КЛГ в будущем могут стать углеродные композитные соединения.

•  Возможный переход при конструировании КЛГ с устаревающих газоразрядных He-Ne лазеров на более современные полупроводниковые лазерные диоды (ПЛД) с открытыми оптическими каналами в моноблочном резонаторе на основе интерферометра Фабри-Перо.

Основной трудностью при разработке КЛГ такого типа являются большие потери энергии светового потока. Данная проблема может быть преодолена путём усовершенствования оптической схемы гироскопа.

В заключении хотелось бы отметить, что не смотря всё возрастающую конкуренцию со стороны ВОГ (особенно учитывая развитие микрооптических технологий) и со стороны твердотельных волновых гироскопов (ТВГ) на кварцевых резонаторах, КЛГ в обозримом будущем останутся незаменимым навигационным прибором в области авиации и ракетостроения.