Brevet FR2390769A1 — publié le 19781208

La présente invention concerne un perfectionnement apporté aux dispositifs de mesure précise des décalages de marche d'horloges éloignées fixes ou mobiles. La demande de brevet français 71.08 710 décrit un dispositif dans lequel une impulsion lumineuse émise à un instant quelconque par une première horloge, dite horloge de référence, est reçue par un récepteur situé à proximité d'une seconde horloge et retransmise par un réflecteur vers un récepteur situé à proximité de la première horloge. Des chronomètres situés près des horloges mesurent, d'une part, l'instant d'apparition de l'impulsion lumineuse par rapport au temps défini par des échelles de temps synchronisées avec chacune des horloges, et, d'autre part, la durée de propagation aller et retour de l'impulsion lumineuse. On confronte ensuite par des moyens radioélectriques les mesures effectuées pour calculer le décalage de marche entre les deux horloges. ka demande de brevet français 71.20 636 propose, pour éviter la transmission radioélectrique, un procédé consistant à émettre en synchronisme avec une impulsion de l'échelle de temps de l'horloge de référence un signal lumineux rectangulaire à destination de la seconde horloge, à le réfléchir de la seconde vers la première horloge, à commander l'interruption dudit signal lumineux par le signal réfléchi, à noter, à l'aide de chronomètres situés à proximité de la seconde horloge,l'instant de réception tl du signal lumineux et sa durée 2 G p qui représente le temps de propagation aller et retour du front avant du signal rectangulaire, puis à calculer le décalage t = Zp - tl entre les deux horloges.Dans une variante de réalisation de l'invention le signal lumineux émis est une impulsion très brève qui, après avoir été réfléchie vers la première horloge, commande l'émission d'une seconde impulsion très brève. L'intervalle de temps séparant les débuts des deux impulsions lumineuses représente alors la durée de propagation 2Zp. Les moyens d'émission des signaux lumineux comprennent, selon le cas, une source de lumière continue associee à un obturateur de lumière,comme par exemple un laser à C02 et une cellule de Kerr ou bien une source de lumière intermittente telle qu'un laser déclenché, une diode laser ou, selon une disposition prévue dans la demande de certificat d'addition na 72.11 492 à la demande de brevet 71.20 636, un laser continu comprenant un modulateur électro-optique intégré à sa structure. Les chronomètres et les dispositifs de commande de l'émetteur optique en synchronisme avec des impulsions des échelles de temps sont déclenchés par des impulsions lumineuses et la précision des mesures du décalage de marche entre les horloges dépend donc,en partie, de la précision avec laquelle est défini le temps de montée des impulsions laser. En l'état actuel de la techni que, la précision globale se trouve limitée à une nanoseconde. Or, il est souvent indispensable d'améliorer bien au-delà de la nanoseconde la précision des mesures du décalage de marche pour permettre une comparaison plus tine d'horloges de fréquences ultra-stables comme les masers à hydrogène dont la fréquence est de 1420 GHz et dont la stabilité à moyen terme en variation relative de fréquence ^$t f est de l'ordre de 10 f Pour améliorer la précision des mesures1 l'invention propose de combiner avec l'émission des signaux optiques destinés aux mesures chronométriques, l'émission de signaux sinusoidaux synchronisés avec les horloges. Dans ce but, un appareil selon l'invention comprend, outre les moyens habituels mis en oeuvre pour les mesures chronométriques, à proximité de chacune des deux horloges, des moyens de production et de réception desdits signaux sinusotdaux, et des moyens de mesure de la phase relative existant entre les signaux sinusordaux reçus et les signaux sinusoidaux locaux. Un dispositif de mesure du décalage de marche entre deux horloges fixes ou mobiles selon l'invention comprend donc, d'une manière connue en soi - à une première station : une première horloge et une première échelle des temps synchronisée avec l'horloge, un émetteur de signaux lumineux dirigé vers la seconde horloge et délivrant un premier signal de forme rectangu laire, un premier récepteur électro-optique sensible aux signaux lumineux et commandant l'émission du premier signal, - à une seconde station : une seconde horloge fonctionnant sensiblement à la même fréquence que la première horloge et comportant des moyens d'ajustage de fréquence et une seconde échelle de temps synchronisée avec la seconde horloge, un second récepteur électro-optique sensible aux signaux lumi neux, un réflecteur pour renvoyer les signaux lumineux reçus vers la pre mière station, un premier chronomètre comportant des moyens de mesure du décalage du début du premier signal lumineux relativement à une impulsion de la seconde échelle de temps, un second chronomètre comportant des moyens de mesure de la durée du premier signal lumineux, ledit dispositif étant caractérisé en ce qu'il comprend en outre - à la première station,: un premier synthétiseur de fréquence produisant un signal électrique sinusoidal synchronisé avec la première horloge et relié à l'émetteur optique pour commander l'émission d'un second signal lumineux sinusoïdal un premier phasemètre qui mesure le déphasagep existant entre le signal engendré par le synthétiseur et le signal sinusoïdal délivré par le premier récepteur électro-optique en réponse aux signaux reçus après réflexion sur la seconde station, des moyens pour transmettre l'information de phase lfi à la seconde station - à la seconde station : un second synthétiseur de fréquence synchronisé avec la seconde horloge et produisant un signal électrique sinusoidal de même fréquence que celui engendré par le premier synthétiseur, un second phase mètre qui mesure le déphasage a t2 existant entre le signal délivré par le second synthétiseur et le signal sinusoidal délivré par le second récepteur électro-optique en réponse aux signaux reçus des moyens récepteurs de l'information de phase Ag et des moyens de calcul déterminant à partir des mesures chronométriques élaborées à la seconde station et des mesures de phase At 1 et au 2 l'écart de marche entre les deux horloges. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit et en se référant aux dessins annexés dans lesquels - la figure 1 représente un dispositif de mesure selon l'invention, - la figure 2 représente une forme de réalisation de émetteur optique de la figure 1, - la figure 3 représente une autre forme de réalisation de cet émetteur. Sur la figure 1, l'horloge 1, située à la station A, est une horloge à transition nucléaire comme un maser à hydrogène, à césium ou à rubidium, et constitue dans notre exemple la référence de temps fonctionnant à 6,s34 GHz. Cette horloge peut être fixe ou mobile, par exemple elle est située à bord d'un avion. Elle pilote une échelle de temps 10 qui produit des impulsions électriques à la fréquence de 10 Hz. L'échelle de temps 10 est reliée à une première entrée 15 d'une source de lumière continue 11 par l'intermédiaire d'un organe de commande 16 qui contrôle l'émission ou l'interruption d'un signal lumineux rectangulaire 13 synchronisé sur le signal d'horloge. Un synthétiseur de fréquence 17, par exemple du type Adret, modèle 6315, est piloté par l'horloge 1 et engendre un signal électrique sinusoidal de fréquence 1 gigahertz qui est appliqué à l'entrée 18 de l'émetteur 11 convenablement agencé pour délivrer, en réponse, un signal lumineux sinusot- dal 14. Un récepteur optique 19, sensible à la lumière laser, délivre sur sa sortie 21 un signal électrique en réponse au signal lumineux 13 retransmis par le réflecteur 20 disposé à la seconde station B, ledit signal électrique provoquant, au moyen de l'organe de commande 16, l'interruption du signal lumineux 13. Un phasemètre à corrélation 23 est relié d'une part, au synthétiseur 17, et, d'autre part, à la sortie 22 du récepteur optique 19. Cette sortie 22 délivre, en réponse au signal lumineux sinusoidal 14 renvoyé par le réflecteur 20, un signal sinusoidal qui tient compte des variations de phase dues aux caractéristiques de propagation du milieu de transmission et/ ou de la distance entre les stations. La sortie 12 du phasemètre est reliée à un émetteur optique ou radioélectrique 24 qui transmet à la seconde station le résultat de la mesure du déphasage Af1 observé entre le signal direct venant du synthétiseur 17 et le signal 14 affecté des défauts de transmission. A la station B, l'horloge 3 est fixe et pilote une échelle de temps 30 qui produit des impulsions électriques à la fréquence de 10 Hz. Un récepteur optique 31 est sensible aux signaux lumineux 13 et 14. L'entrée " Marche " 33 d'un chronomètre 32 est connectée à l'échelle de temps 30, l'entrée " Arrêt " étant connectée à la première sortie 34 du récepteur 31 qui délivre des signaux électriques rectangulaires en réponse au signal 13. Le chronomètre 32 mesure donc la différence de temps tl entre l'instant d'apparition d'une impulsion de l'échelle de temps 10 retardée du temps de trajet G p et l'instant d'apparition d'une impulsion de l'échelle de temps 30 de la seconde horloge. Un second chronomètre 35 est relié à la sortie 34 du récepteur optique et est agencé pour mesurer le retard Z p apporté à la mesure par le milieu de transmission. Le front avant du signal lumineux 13 reçu par le récepteur 31 commande le démarrage du chronomètre 35. Après réflexion sur le réflecteur 20, ledit signal est reçu par le récepteur 19 qui commande par l'organe 16 l'interruption du signal lumineux 13 ce qui provoque l'arrêt du chronomètre 35. Le contenu du chronomètre est donc égal à 2 # p. Le décalage de marche entre les deux horloges est alors donné par la relation t = z p-tl. Un synthétiseur de fréquence 37 piloté par l'horloge 3 délivre-un signal sinusoidal de même fréquence que celui délivré par le synthétiseur 17, mais dont la phase par rapport à une référence est différente du fait du décalage de marche des deux horloges. Ce signal sinusoïdal est appliqué à une première entrée d'un second phasemètre corrélateur 38 dont la seconde entrée reçoit le signal délivré par la sortie 39 du récepteur optique 31 en réponse au signal lumineux 14. La sortie 40 du phasemètre est reliée à un organe de calcul 41 qui reçoit en outre les informations de déphasage A1 reçues par le récepteur 42 et, les informations tl et 2 # p élaborées par les deux chronomètres. Le moyen de calcul 41 détermine l'écart Q entre horloges 6 = = p - tl + 1 (aY1 - oYz ) Dans cette relation : f 360 est le temps de parcourt aller et retour du signal lumineux entre les stations, tl désigne l'écart de marche entre horloges, mesuré par chronométrie et affecté des défauts de transmission, hY1 est le déphasage, exprimé en degrés, subi par le signal sinusoïdal dans dans le milieu de transmission au cours du trajet aller et retour entre la première et la seconde station, est es le déphasage, exprimé en degrés, et existant entre le signal sinusoi- dal élaboré à la première station et affecté des défauts de transmission et le signal sinusoïdal élaboré à la seconde station, f est la fréquence en Hz du signal lumineux sinusoidal. Des moyens de réglage 43 alimentés par le signal élaboré par le moyen de calcul 41 permettent de synchroniser l'horloge 3. Dans une variante de réalisation de l'invention la source de lumière est un laser déclenché. Le signal rectangulaire 13 est alors remplacé par deux impulsions lumineuses très brèves correspondant respectivement au front avant et au front arrière du signal rectangulaire. Le chronomètre 35 comporte alors des moyens pour mesurer l'intervalle de temps 2 Hz p séparant les deux fronts avant des deux impulsions lumineuses successives. Dans une réalisation de l'invention, les signaux sont transmis sous forme de deux faisceaux lumineux 13 et 14 distincts. L'émetteur lI comporte alors deux lasers continus émettant des signaux lumineux de même longueur d'onde et qui sont chacun associés à un modulateur de lumière tel qu'une cellule de Pockels. Les récepteurs 19 ou 31 transforment respectivement chaque faisceau lumineux en signal électrique au moyen de deux détecteurs électrooptiques par exemple des photodiodes à avalanche. Dans une autre réalisation de l'invention, les signaux sont transmis sous forme d'un faisceau lumineux unique. L'émetteur 11 comporte, par exemple, deux sources de lumière monochromatique d'intensité lumineuse différente disposées au foyer d'un objectif et constituées par exemple par des diodes électroluminescentes ou des diodes laser. A la réception, une détection d'amplitude permet de séparer les deux signaux. Dans une variante de réalisation, les deux signaux se distinguent par le fait qu'ils ont une couleur différente. L'émetteur 11 (fig. 2) comprend alors deux sources de lumière monochromatique I10 et 111, de longueur d'onde respective > 1 et > 2, constituées, par exemple, par des diodes électroluminescentes du type Texas modèle TI K 14 ou TI XL 16 (ou par des diodes laser RCA 30001). Les diodes électroluminescentes sont disposées symétriquement par rapport à une lame semi-transparente 112 pour qu'un objectif 113 donne, de chacune des sources, un faisceau 114 de rayons lumineux parallèles de même intensité mais de couleur distincte.Les récepteurs sont munis d'un dispositif comportant deux filtres interférentiels centrés sur les fréquences spatiales Hz 1 et Hz 2 pour séparer les signaux lumineux de longueur d'onde ss 1 et # 2 Dans une autre variante de l'invention (fig.3) deux faisceaux lumineux 116 et 117 concentriques et d'amplitude différentes sont obtenus au moyen d'un miroir 115 associé à l'objectif 113, le diamètre du miroir 115 étant notablement inférieur à celui de l'objectif 113. A la réception, les deux signaux sont séparés par une double discrimination d'amplitude et de fréquence spatiale. A partir des signaux électriques sinusoidaux de fréquence 1 GHz, un phasemètre à corrélation, du type Adret modèle 6315,de de résolution 1/10 de degré, permet de mesurer une différence de marche de I picoseconde entre les deux horloges. Une mesure effectuée pendant 10 secondes permet de déterminer une stabilité en fréquence #f de l'ordre de 10-13 ce qui autorise la compa f raison d'horloges ultrastables comme des masers à hydrogène. Le milieu de transmission peut être 1'atmosphère ou un milieu guidé corne par exemple des fibres optiques. REVENDICATIONS 1 - Dispositif de mesure L-I décalage de marche entre deux horloges fixes ou mobiles comprenant - à une première station, une première horloge et une première échelle de temps synchronisée avec l'horloge, un émetteur de signaux lumineux délivrant un premier signal rectangulaire, un premier récepteur électro-optique sensi ble aux signaux lumineux et commandant lr.émission dudit signal lumineux, - à une seconde station, une seconde horloge fonctionnant sensiblement à la même fréquence et comportant des moyens d'ajustage de fréquence, une seconde échelle de temps spnchronisée,avec la seconde horloge, un second récepteur électro-optique sensible aux signaux lumineux, un réflecteur pour renvoyer les signaux lumineux vers la première station, un premier chronomètre com portant des moyens de mesure du décalage du début du premier signal lumi neux relativement à une impulsion de la seconde échelle de temps, un second chronomètre comportant des moyensde mesure de la~durée du premier signal lumineux ledit dispositif étant caractérisé en ce qu'il comprend en outre - à la première station : un premier synthétiseur de fréquence produisant un signal électrique sinusoïdal, synchronisé avec la première horloge et relié à l'émetteur optique pour commander l'émission d'un second signal lumineux sinusoidal, un premier phasemètre qui mesure le déphasage T1 exis tant entre le signal sinusoidal engendré par le synthétiseur et le signal sinusoidal délivré par le premier récepteur électro-optique en réponse aux signaux reçus après réflexion sur la seconde station, des moyens pour trans mettre l'information de phase tt1 à la seconde station; - à la seconde station : un second synthétiseur de fréquence synchronisé avec la seconde horloge et produisant un signal électrique sinusoidal de même fréquence que celui engendré par le premier synthétiseur, un second phase mètre qui mesure le déphasage At2 existant entre le signal délivré par le second synthétiseur et le signal sinusoidal délivré par le second récepteur optique en réponse aux signaux reçus, des moyens récepteurs de l'information de phase A41 et des moyens de calcul déterminant, à partir des informations chronométriques élaborées à la seconde station et des mesures de phase dt 1 et À 2 > l'éeartvde marche entre les deux horloges. 2 - Dispositif de mesure selon la revendication 1, caractérisé en ce que la sortie des moyens de calcul est reliée à l'entrée des moyens d'ajustage de fréquence de Horloge. 3 - Dispositif de mesure selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que l'émetteur de signaux lumineux comporte deux modulateurs de lumière associés à deux sources de lumière et des moyens,pour former des sources,deux faisceaux lumineux parallèles, et en ce que les récepteurs disposés à la première et la seconde station comportent deux détecteurs électro-optiques sensibles aux deux faisceaux lumineux. 4 - Dispositif de mesure selon la revendication 3, caractérisé en ce que émetteur de signaux lumineux comporte des moyens de modulation pour délivrer deux faisceaux lumineux d'amplitude différente et des moyens pour combiner les deux faisceaux lumineux en un faisceau lumineux unique, et en ce que les récepteurs comportent des moyens de détection d'amplitude pour séparer les deux faisceaux lumineux. 5 - Dispositif de mesure selon la revendication 4, caractérisé en ce que les sources de lumière sont monochromatiques et de longueur d'onde distincte, et en ce que les récepteurs comportent deux filtres interférentiels disposés devant chacun des détecteurs électro-optiques pour séparer les signaux lumineux de longueur d'onde distincte. 6 - Dispositif de mesure selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le premier signal délivré par émetteur de si gnaux lumineux disposé à la première station est constitué de deux impulsions très brèves correspondant respectivement au front avant et au front arrière du signal lumineux rectangulaire.