Brevet FR2271542A1 — publié le 19751212

La présonte invention concerne les CYromètres pour la mesure des rote tions. et plus particulièrement les quroscopes à laser. Elle concorme également le dispositif d'cxploitation des signaux issus de ces gyromètres. On connaît les cyrescopes à liser en anneau, utilisant les effets relatif vistes dus à rotation. A portir d'un escilleteur laser, placé dans une covité en anneau (la plus gépéralement en forme de triagle équilatéral), deux ondes progressives s- dévleoppent et se propagent en sens inverse. Lorsque le gyroscope est sovmis è une rotstion, la cavité présentée à l'onde se propa goent dans le sens de la retstion poreît s'allonger, vors que l'autre peraît se racourcir. La fréquence de chacune de ces deux ondes varie plors, en sens inverse et de part et d'autre de la fréquence pominale du système au repos. L'éoart en fréquence #f entre les deux ondes, carzctéristique de la vitesse de rotation # du g';roscope est donné par la relation #f = ### dans laquelle : P = périmètre de la cavité en anneau, S = suface comprise à l'int/rieur de ce nérimètre, #=longueur d'onde d'émission du laser, #=vitesse de rotation gyroscope. Nais, pour de faibles vitesses de rotation #, qui ne devraient donner naissance qu'à des # f faibles, de l'ordre de quelques centaines de cycles par seconde, le système ne peut fonctionner : les deux ondes se propageant en sens inverse sont issues de deux oscillateurs fortement couplés, constitués par l'émetteur laser lui-même; si l'écart entre leurs fréquences respectives tombe en dessous d'une valeur minimum, l'un des oscillateurs entratne l'autre, il se produit un phénomène "d'accrochage" et les deux oscillateurs se synchronisent. L'écart #f entre les deux fréquences s'annule, et la mesure de la vitesse de rotation n'est plus possible; le système présente une zône avendle de part et d'sutre du zéro. Il existe des procédés pour diminuer l'écart minimum possible entre les deux fréquences d'oscillation, en créent une anisotropie d-ns la carité on anneau, par exemple en y faisant circuler un gaz. Nais de tels procédés exigent la mise en oeuvre de systèmes encomgbrants et délicats, donc neu fiables. De plus, ils ne font que réduire la zône sveugle pour loquelle la mesure n'est pas possible; ils autorisent ç l'heure actuelle des meures de vitesses de rotation non inf-'rieWXres à la seconde d'arc par seconde (coit 1 vitesse de rota tion de la terra sur elle-même). Le nerfectionnement objet de l'invention, très simple et très fiable, permet d'éviter complètement le phénomène d'accrochage entre les deux ondes progressives se propageant en sens inverse, d'une part; ceci autorise donc des écarts de fréquence extrêmement faibles, qui peuvent devenir alors de simples -écarts de phase. D'autre part. le dispositif électronique pour la mise en ocuvre de co perfoctionnement permet des mesures de déphasage inférieures au 1/1.000e de cycle par seconde.Enfin, à l'opposé, il permet toujours la mesure des vitesses de rotation élevées, ce qui confère à l'ensemble une échelle de mesures couvrant une gamme d'au moins 1 à 109, correspondante à des vitesses de rotation de moins de 1/1.000e de seconde d'arc par seconde à plusieurs tours par seconde. Le perfectionnement, suivant l'invention, comporte les phases suivantes - création d'un écart de fréquence #F, supériaur à l'écat mineiym tolérable dans les gyroscopes classiques, entre les deux faisceaux laser se propageant en sens inverse, sur une partie du trajet constitué par la cavité en anneau; - mise en dntèrférence d'une fraction dos deux faisceaux décalés en frs'quence, sur un premier photo-détecteur donnant en sortie un signal électrique carac téristique de l'écart en fréquence #F ci-dessus et du déphasage 84 en cas de rotation faible du système;; - comparaison dans un comparateur de phase électronique, du signal F F + ci-dessus avec un signal de référence à fréquence #F; - génération, dans un générataur éloctronique, du signal de référence à fré quence #F ci-dessue, ce signal servant églament à la création de l'écort en fréquence entre las deux faiscoeux lssor; - miso en interf'rance d'une fraction des feux feiscenux n'ayent entre eus que l'écart de fréquence #4 tû à la rotation du gyroscope, sur un deuxième photo-détectaur denhant un signal @@otrique de cortie caractéristique soule mant de la rotation à mosurer quend elle otteint une carteine valeur:: - coration, dans un cmmtaur qoctronique, des oériodes du signal ci-dessus, et d'duction de la valqur de la rotetion correspondonts. L'invention va maintonant êtra déorite avec plus de détalis, en se référant aux schémes annexés. la figure 1. donne du procédé pour obtopir un écort de fréquence entre doux tiscenaux loser. La figun 1. roprésonte l'opplication de co pracédé au syposcope à lesor. la digure 3. syobclise l'ensemble du gyrsocop0e per fectionné, avse los circuits électrenéques naanciés. Les figares 4a et 4b paracttent de comporar les courbes de réponse d'un garoscope classique et d'un gyrossope perfectionné. En se référant taut d'abord 1 1 #F, en sens inverse l'un per rapport à l'outre; les faisecaux sortants C1 et C2 subissent chacun une rotation de phase linaire Ro, n sens inverse. Si Ro est égal #, les doux faixcoaux ont alors un écart de fréquence relatif #F, selon un principe connu. On fait alors interférer C1 et C2 sur un photo-détecteur 4 R l'aide des mireirs 10 et 11; le signal électrique issu du détecteur 4 est un ciqual sinauso@la I fri@@ence A F, les deux faisceaux Cl et C2 se comportent comme s'ils avaiant respectivement les tréquences Fe + ## et Fo - ## par rapport aux fnisceaux d'entrée A et P t fréquence F0. C'est ce proc dé oui va être utilisé sour le perfactionnenpnt des gyroscopes è lasur, objet de l'invention. Canditénoqu müüintenant la figure 2. schéantisont un tal gyroscope. Il est constitué principalement de l'oscillateur lassr 1., de la cadté an anneau LACBL, das piroirs 20, 21 et , des interfér@@@@@ 6 et 7, des phete-capteurs 4 et 5, des cristaux 2 et 3 dont une de leurs faces s est semi-réfiéchissante, et enfin du générateur de dents de scis d'excitetion 31. le gyroscone n'étant soumis à zucune rotation, nous allons étudier le comportement de deu faisceaus se propoqeent en sens inverse dans la cavité en anneen en forme de triongle équilatéral ABC. Cuoosons que le faiscoau allant de L vers A, fréouence initiale Fo, seit dijè souris à la ptation de phose - Bo (nous varrons plus loin qu'il ne peut en être autrement). Nous dirons par la suite qu'il est à la fréquence Ro - Ro. La faiscoau allant de L vors B sora à fréquence Fo + Ro. Le premier feiscau, en troverssnt le oristal 2 dans la sens AC, subit une rotation de phase =Ro; il sort donc en D @ la fréquence Fo, et @ amplitude moitié puisoue la face S du cristal 2. réfléchit vers A l'outre moitié. Zn contiouont le trajet vers L par C et D, il subit unt nouvelle rotation de phase - Ro dans le enistal 3, il so rotrouve done on L à la fréquence Fo - Ro, qui est la fréquence d'origine.Ln frection de faisoeau réfléchie en S par le cristal 2 traverso une pouvelle fois ce mâme onistal, subit done une nouvella ratetion de phase =Ro, et retouroe vors A et L è la fréquence Fo + Ro; mais coci ast le fréquence du faiscoqu se propegennt da L vars B. Le raisonnement est riqoureusement identigue pour on dornier, an signe prèe des rotations de phase. Rinsi, tous les fntsceaux traversant la lasor 1 et so spopogennt dans le sens LACBL, qu'ils soient directs ou réfléchis un nombre quelconque de fois sur les faces seri-trensparentes des cristqux 2 et 3, auront toujours pour expression de fréquence Fo - Ro; les faisceaux tournant dans Te sens LBCAL auront toujours la fréquence Fo + Ro. Ceci n'est vrai que dans la portion de cavité comprise entre les points D', A, L, B, E', Dans la portion de cavité DCE, les de cavité DCE, les deux ondes se propaqeant en sens inverse ant toutes deux la fréquence Fo. Un système de détection 6-4, positionné en A, par exemple, décèlera les rotations e phase relatives entre les deux faisceaux, soit 2 Ro. En se reportant à l'explication donnée à propos de la figure 1., le dignsl électrique résultant est à la #F est la fréquence du signal en dents de scie d'excitation des cristaux 2 et. Par contre, le système de dotection 75 positionné en C, ne donnera aucun signal puisque les deux faisceaux sont à la même fréquence Fo. Si l'on avait supposé que les deux faisceaux circulant en sens inverse, restent t"us deux à la froquence initiale Fo en sortant du laser, il serait apparu une autre onde à fréquonce Fo + 2 Ro allant de A vers B, et une onde Fo - 2 Ro allant de B vers A. Le laser devrait donc osciller sur trois fréquen- ces différentes au lieu de deux, les énergies se répartissant sur les trois faisceaux, ce qui est hautement improbable. Et quand même cela serait, on pourrait toujours utiliser ces deux faisceaux espacés de 2#F pour exploiter le principe. Si le gyroscope est soumis P une rotation, très faible p^-r exemple, une variation de phase + ## apparaît sur l'un des faisceaux, et une variation -## sur l'autre faisceau. Si la rotation-est plus rapide, c'est un écart de fréquence #4 qui apparaît. Les deux détecteurs 4 et 5 donnent alors respectivement un signal à fréquence #F + S4 et #4. Ces deux signaux sont exploités par le système électronioue représenté schémotiquement figure 3. @) excitation des cristaux 2 et 3. Un générateur 30 délivre des impulsions à fréquence de récurrence #F; ce signal est trensformé en dents de scie, à front de retoup ranide, pop la cir ouit 31. Ce signal en donts de scie e une amplitude telle que la rotation de phase Ro est de # . Le niobate de strontium, déjà ci.tó, permet es tensions de l'ordre de la containe de volts, ce qui autorise facilanenent l'utilisation d'électronique à transistors. b) mesure des faibles vitesses de potation. Le signal à fréquence #F # S4 issu du détecteur 4 nasse dans un filtre 33, centré sur #F et à bende passante étroite, qui e um devble rôble : élimiper les harmeniques de #F au cas ou les rotations de chase Ro obtenues par les cristaux 2 et 3 ne seraiont pas nigoureuserment de n ni rigoureusement linéaires, et interdire le fonctionnement du comparateur de phase 32 pour des élevéns qui seraient alors des ##. Ce coparateur de phase 32 est du type synchrone et autorise des mesures de déphasage allant de moins de 1/1.000e de période à quelques dizaines de périodes, pour des fréquences nominales de l'ordre de 1.000 à 10.000 Hz. c) mesure des vitesses de rotation élevées. Elle consiste en un décompte des périodes du sigoal à fréquence ## issu du détecteur 5. Un compteur électronique 34 procède a cette opération. d) blocage des rotations de phase Ro Dans certains cas, la vitesse et le sens de rotation du gyroscope peuvent être tels que la fréquence du signal # F # ## s'approche de la voleur critique d'accrochage, lorsmle -## tend vers # F. Le phénomène d'accrochage risque alors de se produire, et la mesure deviendrait imopssible. Pour éviter cela, il suffit d'interrompre les rotations de phase RO, noun des valeurs appopriécs de ##. Un filtre pasce - haut 35 détermine ces valeurs, et un comparcateur à souil 36 délivre un sigpal d'interdiction pour le générateur 30. La figure 4a donne, la courbe de répoose : différence des fréquences ## en fonction de la vitesse de potation # , pour le gorasecope à lasor classique. Poun des valeurs de # inférizures au seuil -inimm #1 (ou symétriquament #2) nour une rotation en sens inverse), la phénamène d'accrochage apparaît,et la différance des feréquences ## s'annule. Pour fixer les idées. supposons oud l'cart ## @@@@@@ soit de 300 Hz, correspondant à la vitesse de ratation mini mum #1 (ou #2). Considérons alors la figure 4b renrépente la courbe de pépensa du avroscops perfectionné : pour une # nulle, donnant un écart ## nul, le système est "certré" sur #F (1.000 Hz par exopple) produite par les rotetions de chase Ro qui cat été déorites précédemment.Pour les valgure très peti t@@ de #, la répense du système @@ situe de part et dloutre du point C. Pour des yaldurs plus élovées de #, la rénnpse ist sun la portion de droite DE. Lorsque # atteint la valsur da #3 (ou #4) anoduisang une ## de 500 Hz par example, le filtre 33 et le comnarateun à souil 30 de la figura 3 rénqissent et viennent bloqueer la génération de la figura 3 réngissent tème rasse alort russ@@@@ de4 8 op F (ou D en G) et eour des # encora nlus importantes, ce point de fonctionnent décrit la domi-draite FM (ou RB') qui est confondue ayce la portion de courbe de réponse AM(ou RB') du gyroscope classique.Cette discontinuits de la courbe de réqonse n'effocte en rien 1mosure nuisoue, pour cos valeurs de ##, c'nst le commteur 345 qui l'effectne; et poussvons vu eue le détecteur 5 est ipsonsible à une éventuelle présence d'un écart de fréquence #F entre letre les denx Gaisceaux se nropodeant en sens inverse, car cette #F n'enbaraît/dans la portion de cavité DCE 9figure 2.). Le système présenté e été décrit sous une forme élaborée pour bien en montrer le méconieme. Mais s'il n'est pos pécessaire, ou peut-tre pas souhaitable, d'aveir une finesse de résolution meillsure que le 1/1. 900e de période, un systène simalifié conyient alars peut-être pieux. En eréant une #F plus élevée, de l'erdre de 104 à 105 Hz nar examnle, an mattant des oristeux @@ et 3 @@@lés et avent leur faco commune semi-réfl'chissante, il n'est plus plors hesoin que d'un seul ensomble de détection 6-4, un générateur 30, un circuit de mise an forme 31 et un comparatour 32.La résolution peut encore être comprise entre le 1/10e et le 1/100e de périede (soit une rotation de 1/100e de soconde d'are), co qui pornet oncore une échlle de mosures d'au mains 1 è 107. êtant donné la valeur de l'cart de fréquence créé, le signal #F -## ne risque plus de tandre vars le velsur critique d'accrochage, et le signel d'interdiotion mour #F n'est plus nécessaire. Le perfectionnemont. selon L'invention, peut âtre utilisé dans tous les cas Pù des vitasses et des angles de rotetian deivent être connus avec une extrême précision. Il s'applique tout particulièrement aux syroscopes à laser utilisés dans les platofonmes à inertie pour la navigation spatiale, aérienne, paritime ou sous-marine, pour le guidage des engins, ou encore pour le poin tage très précis de systèmes de vise, antennes, lanceurs d'engins, etc... Bien entoudu: l'invention n'est pas strictement limitée aux processus décrits qui n'ont été donnés qu'à titre d'exemples, maie elle englobe également les dispositifs équivalents, s'ils sont exécutés selon l'esprit de l'invention. En outre, elle comprend tous les moyens constituant des équivalents techniques qui permettrsient l'obtention de résultats identiques R E V E N D I C A T I O N S 1- Dispositif de perfectionnement pour les appareils de mesure des angles et vitesses de rotation, comportant prncipalement un gyroscope à laser en anneau, et caractérisé par le fait qu'il utilise le processus suivant a/- Création d'un écart de fréauence contrôlé, par un effet comparable à l'effet Doppler produisant une rotation linéaire de phase donc un changement de fréquence, entre les deux faisceaux laser se propageant en sens inverse, de manière à interdire ie phénomène de verrouillage dû au couplage entre les deux ondes. b/- Utilisation de deux cristaux accolés, leur face commune étant partiellement réfléchissante et ces cristaux ayant des propriétés électro-optiques, pour l'obtention de l'écart de fréquence ci-dessus c/- Utilisation d'un modulateur dlectronique a signaux linaires en dents de scie, pour ltexcitation des cristaux ci-dessus. d/- Mise en interférence d'une fraction des deux faisceaux à fréquences décalées pour l'o'stention d'un signal caractéristique des rotations à mesurer. e,- Comparaison des signaux obtenus en d/ aves un signal de référence issu du modnalateur cité en e/ , dans un comparateur de phase du type synchrone, pour déterminer les valeurs des mesures des rotations ainsi que leur sens0 2- Dispositif selon revendication 1, caractérisé par le fait qu'il utilise deux cristaux indépendants, ayant chacun en vis à vis une face partiellement réfléchissante, dans la cavité en anneaux 3- Dispositif selon revendication 1 et 2, caractérisé par le fait que les changements de fréquence par effet Doppler sur les deux faisceaux lumineux sont obtenus par réflexions partielles sur une lame mince insérée dans la cavité en anneau, cette lame étant supportée par un cristal à propriétés piézo-élec triques dont la forme autorise le libre passage des fractions de faisceaux non réfléchies. 4- Procédé électronique adapté aux perfectionnements des revendications 1, 2 et 3, caractérisé par le fait qu'il permet l'utilisation d'un comparateur de phase linéaire synchrone pour la mesure des angles et vitesses de rotation, ainsi que le sens des rotations mesurées.