リングレーザージャイロスコープ

リングレーザージャイロスコープ( RLG ) は、同じ経路で 2 つの独立した逆伝搬共振モードを持つリングレーザーで構成され、位相の差を利用して回転を検出します。これは、角度回転に応じて内部の定在波パターンのヌルをシフトするサニャック効果の原理に基づいて動作します。外部から観察される逆伝搬ビーム間の干渉により、定在波パターンが動き、回転を示します。

説明

最初の実験的なリングレーザージャイロスコープは、1963年に米国でマセックとデイビスによって実証されました。^[1] その後、世界中のさまざまな組織がリングレーザー技術をさらに開発しました。何万ものRLGが慣性航法システムで動作しており、0.01°/時間未満のバイアス不確実性と60,000時間を超える平均故障間隔という高い精度を確立しています。

リングレーザーセットアップの概略図。ビームサンプリング位置では、各対向伝播ビームの一部がレーザーキャビティから出ます。

リングレーザージャイロスコープは、慣性基準システムで安定要素 (それぞれ 1 自由度) として使用できます。RLG を使用する利点は、従来の回転ジャイロスコープと比較して、可動部品 (ディザモーターアセンブリ (詳細は下記を参照) とレーザーロックを除く) がないことです。つまり、摩擦がないため、ドリフトの大きな原因がなくなります。さらに、ユニット全体がコンパクトで軽量、耐久性に優れているため、航空機、ミサイル、衛星などのモバイルシステムでの使用に適しています。機械式ジャイロスコープとは異なり、このデバイスは方向の変化に抵抗しません。

リングレーザージャイロスコープの最新の用途には、軍用機、民間航空機、船舶、宇宙船の RLG慣性航法システムの精度をさらに高める組み込みGPS機能があります。これらのハイブリッド INS/GPS ユニットは、ほとんどの用途で機械式のユニットに取って代わりました。

「リングレーザージャイロスコープ（RLG）は、慣性系に対する回転運動をテストするための最も感度の高い装置であることが実証されています。」^[2]

動作原理

サニャック効果によると、回転により、光がリングを 2 方向に横断するのにかかる時間の間にわずかな差が生じます。これにより、反対方向に伝播するビームの周波数間にわずかな分離が生じ、リング内で定在波パターンが動き、その結果、2 つのビームがリングの外で干渉するときにビートパターンが発生します。したがって、その干渉パターンの正味のシフトは、リングの平面内でのユニットの回転に従います。

RLG は機械式ジャイロスコープよりも正確ですが、回転速度が非常に遅い場合、「ロックイン」と呼ばれる効果が発生します。リングレーザーがほとんど回転していない場合、反対方向に伝搬するレーザーモードの周波数はほぼ同一になります。この場合、反対方向に伝搬するビーム間のクロストークによって注入ロックが可能になり、定在波が優先位相で「固定」され、各ビームの周波数が徐々に回転するのではなく、他のビームの周波数にロックされます。

強制ディザリングはこの問題をほぼ克服できます。リングレーザーキャビティは、その共振周波数で駆動される機械バネを使用して、その軸を中心に時計回りと反時計回りに回転します。これにより、システムの角速度が通常ロックインしきい値から遠く離れていることが保証されます。一般的な速度は 400 Hz で、ピークディザ速度は 1 度/秒のオーダーです。ディザリングではロックインの問題が完全に解決されるわけではありません。回転方向が反転するたびに、回転速度がほぼゼロになり、ロックインが短時間発生する可能性がある短い時間間隔が存在するためです。純粋な周波数振動が維持されると、これらの小さなロックイン間隔が蓄積される可能性があります。これは、400 Hz の振動にノイズを導入することで解決されました。^[3]

ロックインを回避する別のアプローチは、マルチオシレータリングレーザージャイロスコープ^[4]^[5]に具体化されており、ここでは実質的に、反対の円偏光の 2 つの独立したリングレーザー (それぞれが 2 つの反対方向に伝播するビームを持つ) が同じリング共振器内に共存しています。共振器には、偏光回転 (非平面形状による) が組み込まれており、これにより、4 重縮退キャビティモード (2 つの方向、それぞれ 2 つの偏光) が、それぞれ 2 つの反対方向に伝播するビームを持つ、数百 MHz 離れた右円偏光モードと左円偏光モードに分割されます。特殊な薄いファラデー回転子内またはゲイン媒体上の縦方向の磁場を介したファラデー効果による非相反バイアスにより、各円偏光が通常数百 kHz ずつさらに分割され、各リングレーザーの静的出力ビート周波数が数百 kHz になります。慣性回転がある場合、一方の周波数が増加し、もう一方の周波数が減少します。 2 つの周波数を測定し、デジタル的に減算して最終的にサニャック効果による純周波数分割を算出し、回転速度を決定します。ファラデーバイアス周波数は、予想される回転による周波数差よりも高くなるように選択されるため、2 つの反対方向に伝搬する波がロックインする機会はありません。

光ファイバージャイロスコープ

関連するデバイスとして、光ファイバージャイロスコープがあります。これもサニャック効果に基づいて動作しますが、リングはレーザーの一部ではありません。外部レーザーが光ファイバーリングに逆伝播ビームを注入し、回転により、ファイバーリングを通過した後に干渉を受けたビーム間に相対的な位相シフトが生じます。位相シフトは回転速度に比例します。リングを 1 回横断する場合、外部から観測される位相シフトは回転の微分ではなく累積回転自体に比例する RLG よりも感度が低くなります。ただし、光ファイバージャイロの感度は、コンパクトにするためにコイル状に巻かれた長い光ファイバーを使用することで向上し、サニャック効果は巻き数に応じて増大します。

アプリケーション例

エアバスA320 ^[6]
アグニIII ^[7]とアグニIV ^[8]
アグニV ^[9]
ASM-135米国の対衛星ミサイル
ボーイング757-200
ボーイング777 ^[10]
AMIアップグレードを施したB-52H ^[11]
EF-111 レイヴン
F-15E ストライクイーグル
F-16 ファイティングファルコン
HAL テジャス
MC-130E コンバットタロン IとMC-130H コンバットタロン II
MQ-1C ウォリアー
MK39 NATOの水上艦艇と潜水艦で使用されている艦内航行システム^[12]
P3 オリオン（アップグレード付き）
シャウリヤミサイル。
MH-60R、MH-60S、SH60F、SH60Bシーホークヘリコプター
スホーイ Su-30MKI
トライデントIとトライデントIIミサイル
ローラーアライメントに使用するPARALIGN
国際宇宙ステーション
JF-17 サンダー^[13]

参照

参考文献

^ Macek, WM; Davis, DTM (1963). 「進行波リングレーザーによる回転速度の検出」.応用物理学レター. 2 (3). AIP 出版: 67–68. Bibcode :1963ApPhL...2...67M. doi :10.1063/1.1753778. ISSN 0003-6951.
^ Beverini, N; Di Virgilio, A; Belfi, J; Ortolan, A; Schreiber, KU; Gebauer, A; Klügel, T (2016). 「高精度リングレーザージャイロスコープ：地球の自転速度と相対論的効果」. Journal of Physics: Conference Series . 723 (1). IOP Publishing: 012061. Bibcode :2016JPhCS.723a2061B. doi :10.1088/1742-6596/723/1/012061. hdl : 11568/796104 . この記事には、CC BY 3.0 ライセンスの下で利用可能なこのソースからのテキストが組み込まれています。
^ Knowing Machines、ドナルド・マッケンジー、MIT Press、(1991)。
^ Statz, Hermann; Dorschner, TA; Holz, M.; Smith, IW (1985). 「3. マルチオシレータリングレーザージャイロスコープ」 Stich, ML; Bass, M. (編)レーザーハンドブックエルゼビア (North-Holland Pub. Co). pp. 229-332. ISBN 0444869271。
^ Volk, CH et al.,マルチオシレーターリングレーザージャイロスコープとその応用、光ジャイロとその応用（NATO RTO-AG-339 AC/323(SCI)TP/9）、Loukianov, D et al.（編）[1] 2019年10月23日閲覧
^ 「HoneywellのADIRUがエアバスに選定」ファーンバラ、2002年7月22～28日。2006年10月17日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2008年7月16日閲覧。
^ 「アグニIIIミサイル導入準備完了」Press Trust of India 2008年5月7日2008年5月8日閲覧。
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^ 「MK 39 MOD 3A リングレーザー」(PDF)。2009年2月5日時点のオリジナル(PDF)よりアーカイブ。
^ 「パキスタン航空複合体カムラ – JF-17サンダー航空機」www.pac.org.pk 。 2017年2月26日閲覧。

外部リンク

カンタベリーリングレーザー研究グループ
アメリカ海軍兵学校兵器システム工学部
AD King (1998). 「慣性航法 - 40年間の進化」(PDF) . GEC Review . 13 (3). General Electric Company plc : 140–149.

[1] Macek, WM; Davis, DTM (1963). 「進行波リングレーザーによる回転速度の検出」.応用物理学レター. 2 (3). AIP 出版: 67–68. Bibcode :1963ApPhL...2...67M. doi :10.1063/1.1753778. ISSN 0003-6951.

[2] Beverini, N; Di Virgilio, A; Belfi, J; Ortolan, A; Schreiber, KU; Gebauer, A; Klügel, T (2016). 「高精度リングレーザージャイロスコープ：地球の自転速度と相対論的効果」. Journal of Physics: Conference Series . 723 (1). IOP Publishing: 012061. Bibcode :2016JPhCS.723a2061B. doi :10.1088/1742-6596/723/1/012061. hdl : 11568/796104 . この記事には、CC BY 3.0 ライセンスの下で利用可能なこのソースからのテキストが組み込まれています。

[MacKenzie-3] Knowing Machines、ドナルド・マッケンジー、MIT Press、(1991)。

[4] Statz, Hermann; Dorschner, TA; Holz, M.; Smith, IW (1985). 「3. マルチオシレータリングレーザージャイロスコープ」 Stich, ML; Bass, M. (編)レーザーハンドブックエルゼビア (North-Holland Pub. Co). pp. 229-332. ISBN 0444869271。

[5] Volk, CH et al.,マルチオシレーターリングレーザージャイロスコープとその応用、光ジャイロとその応用（NATO RTO-AG-339 AC/323(SCI)TP/9）、Loukianov, D et al.（編）[1] 2019年10月23日閲覧

[6] 「HoneywellのADIRUがエアバスに選定」ファーンバラ、2002年7月22～28日。2006年10月17日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2008年7月16日閲覧。

[7] 「アグニIIIミサイル導入準備完了」Press Trust of India 2008年5月7日2008年5月8日閲覧。

[8] 「インド、アグニIVミサイルの発射試験に成功」。Economic Times India、Press Trust of India経由。2014年1月20日。2014年1月24日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2015年10月14日閲覧。

[9] 「アグニVミサイル、インドをエリート核クラブに迎え入れる」BBCニュース。2012年4月19日。 2015年10月14日閲覧。

[10] デジタルアビオニクスシステム。IEEE 、 AIAA 。 1995年。ISBN 0-7803-3050-1. 2008年10月16日閲覧。

[11] 「B-52 Maps Its Way Into New Century」. fas.org . 19 Nov 1999 . 2009-02-24閲覧。

[12] 「MK 39 MOD 3A リングレーザー」(PDF)。2009年2月5日時点のオリジナル(PDF)よりアーカイブ。

[13] 「パキスタン航空複合体カムラ – JF-17サンダー航空機」www.pac.org.pk 。 2017年2月26日閲覧。