Brevet FR2426886A1 — publié le 19791221

La présente invention concerne les gyroscopes à laser en anneau, du type à quatre modes. On sait qu'un laser en anneau permet de créer deux faisceaux laser tournant en sens inverse, c'est-à-dire des faisceaux qui se propagent dans des directions opposées. On trouvera par exemple la description de dispositifs de ce type dans un livre intitulé "Laser Applications", par Monte Ross, Academic Press, Inc., New York, N.Y. E.U.A 1971, et en particulier aux pages 134 à 200 qui portent sur le gyroscope à laser. Lorsqu'on fait tourner le laser en anneau autour d'un axe perpendiculaire à son plan, c'est-à-dire un axe qui passe par le centre du laser en anneau, les fréquences des oscillations sont décalées, et la fréquence du faisceau qui se propage dans un sens de rotation présente une diminution, tandis que celle du faisceau qui se propage dans le sens de rotation opposé présente une augmentation.On peut alors déterminer la vitesse et le sens de rotation en détectant les fréquences de battement entre les faisceaux qui se propagent dans des sens opposés. En utilisant un groupe de trois gyroscopes à laser, on peut employer ce phénomène dans les dispositifs de guidage par inertie, pour déterminer des donnée de rotation, et donc l'orientation résultante d'un aéronef ou d'un engin similaire. Il existe dans l'art antérieur des gyroscopes à laser à quatre modes. Ils utilisent des cristaux optiques et des dispositifs à effet Faraday, également appelés cellules de Faraday, pour décaler la fréquence des faisceaux laser. Cependant, les techniques de polarisation et de détection proposées dans l'art antérieur sont excessivement complexes,et sont associées à des niveaux de bruit élevés. L'invention a donc essentiellemens pour but de simplifier et de réduire le bruit des gyroscopes à laser en anneau à plusieurs oscillateurs et à quatre modes. Un aspect général de l'invention porte sur un gyroscope à laser en anneau qui fonctionne avec quatre faisceaux en polarisation circulaire à quatre fréquences respectivement distinctes, et avec deux faisceaux de polarisations circulaires opposées se propageant dans un sens, tandis que les deux autres faisceaux de polarisations circulaires opposées se propagent dans le sens opposé. Une fraction de l'énergie lumineuse de chaque faisceau est convertie en énergie électrique, et les fréquences présentes dans le signal électrique de sortie ainsi engendré sont utilisées pour déterminer la vitesse et le sens de rotation du laser en anneau.Les énergies lumineuses correspondant à l'ensemble des quatres fréquences sont appliquées simultanément à une seulephRodiode ayant une caractéristique non linéaire, ce qui fait apparaître un signal électrique combiné qui contient des fréquences de somme et de différence de l t ensemble des quatre fréquences, et ce signal est utilisé dans la détermination de la vitesse et du sens de rotation du laser en anneau. Conformément à des aspects plus spécifiques d'un mode de réalisation de l'invention, un filtre passe-bas reçoit le signal qui est engendré par la photodiode, et ne transmet que les composantes de signal aux fréquences de différence, ces composantes étant appliquées à des circuits qui déterminent la vitesse et le sens de rotation du laser en anneau. Le dispositif de l'invention peut comporter des circuits qui introduisent un signal de référence de phase présentant des variations périodiques, du type oscillant, dans le courant de plasma du laser, et le signal de référence de phase est également combiné avec une composante de basse fréquence redressée du signal de sortie de la photodiode, ce qui permet de déterminer le sens de rotation du laser. En outre, on utilise un circuit qui maintient la longueur de la cavité laser à une valeur pour laquelle il y a une modulation à 100% de l'un des deux signaux de différence de basse fréquence provenant de la photodiode, par l'autre signal de différence de basse fréquence. Des aspects importants d'un mode de réalisation pratique de l'invention portent sur l'utilisation d'un dispositif de détection simple pour les quatre fréquences optiques qui traversent l'un des miroirs du gyroscope à laser en anneau à plusieurs oscillateurs. Les quatre fréquences optiques, c'està-dire les faisceaux, qui traversent le miroir font l'objet d'un changement de fréquence direct, et les signaux résultants sont appliqués à 3 circuits, à savoir un circuit de commande de longueur de la cavité laser, un circuit de détection de vitesse de rotation, et un circuit de détermination de sens de rotation. Comme il sera décrit plus en détail ultérieurement, on détermine le sens de rotation à l'aide d'une alimentation qui possède une composante alternative qui fait osciller la valeur du courant de plasma du laser, et on utilise la composante alternative de l'alimentation du plasma comme référence de phase pour détecter le sens de rotation du gyroscope à laser en anneau. Le transducteur qui commande la longueur de la cavité fait l'objet d'un balayage périodique approprié, c'est-à-dire qu'on le fait osciller, pour faire varier les fréquences des modes d'émission laser du gyroscope, et ce balayage correspond à la tension de commande du transducteur, ce qui donne des fréquences de battement de même valeur pour les deux gyroscopes à laser à deux modes qui constituent le gyroscope à laser en anneau à quatre modes, ce qui se traduit par une modulation de 100 sur le signal de sortie qui résulte du battement des quatre fréquences. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre d'un exemple de réalisation, et en se référant aux dessins annexés sur lesquels La figure 1 est un schéma synoptique d'un gyroscope à laser en anneau à plusieurs oscillateurs, correspondant à un mode de réalisation de l'invention La figure 2 est un diagramme qui montre les quatre fréquences associées aux quatres modes, qui sont détectées dans le dispositif de l'invention ; La figure 3 est une représentation graphique de la caractéristique donnant les fréquences de battement en fonction de la rotation, pour le gyroscope à laser en anneau de la figure 1 ; et La figure 4 est un diagramme qui représente le signal de battements intermodulé qui est engendré par le détecteur de la figure 1 lorsque la cavité laser résonnante a la longueur optimale. On se reportera maintenant à la figure 1 sur laquelle on voit que le gyroscope à laser en anneau à quatre modes, 12, comporte quatre miroirs à ses coins, comprenant les deux miroirs simples 14 et 16, et le miroir 18 qui est fixé au transducteur piézoélectrique 20 pour commander la longueur de la cavité du gyroscope à laser en anneau. Le quatrième miroir 22 n'est que partiellement réfléchissant, ce qui lui permet d'être traversé par les quatre faisceaux qui sont associés aux quatres modes. Le gyroscope à laser en anneau à quatre modes comporte également un cristal approprié 21 et un dispositif à effet Faraday 23, de types classiques, qui permettent d'engendrer quatre faisceaux associés à quatre modes, mettant en jeu quatre fréquences distinctes, comme il est représenté sur la figure 2. Le cristal 21 peut être en quartz. On sait que le miroir partiellement réfléchissant 22 reçoit des faisceaux polarisés correspondant à deux modes ou deux types différents. Il s'agit des faisceaux en polarisation circulaire à gauche et en polarisation circulaire à droite. En outre, seules les composantes en polarisation P des quatres faisceaux traversent facilement le miroir de sortie contrairement aux composantes en polarisation S. Les composantes en polarisation P sont celles dont le vecteur électrique est parallèle au plan de propagation du faisceau laser, tandis que les composantes en polarisation S sont celles dont le vecteur électrique est orthogonal au plan de propagation du faisceau laser. Bien que des ondes S ne soient pas entièrement bloquées, le rapport de transmission/réjection pour les composantes P et S est généralement de l'ordre de 100/1. Le miroir 22 est traversé par les deux composantes P des modes laser qui sont associés aux fréquences F1 et F (voir la figure 2), et qui atteignent le miroir 24 à partir d'un sens de propagation autour du chemin du faisceau du laser en anneau, et parles deux composantes P de sens opposés qui correspondent aux deux modes laser qui sont associés aux fréquences F2 et F3 (voir la figure 2), et qui atteignent le miroir 26. Ces deux groupes de faisceau sont combinés par le "séparateur de faisceau" partiellement réfléchissant qui, dans le cas présent, fait fonction de miroir de combinaison de faisceaux, 28. Les quatres faisceaux atteignent simultanément la photodiode 30.Comme il est indiqué sur la figure 2, on peut considérer que les deux faisceaux qui se propagent dans des sens opposés avec les fréquences F1 et F2 correspondent à un premier gyroscope, désigné par GYRO 1, tandis que les deux autres faisceaux se propageant dans des sens opposés avec les fréquences F3 et F4 qui, dans les conditions de non rotation,sont séparés approximativement par le même écart de fréquence, correspondent à un second gyroscope, désigné par GYRO 2. Pour avoir une idée des gammes de fréquence et des fréquences qui interviennent, on notera qu'un gyroscope à laser normal, du type hélium-néon, qui présente la couleur rouge clair habituelle a une fréquence d'environ 5 x 1014 Hz. En fonction du type de cristal et de dispositif à effet Faraday, c'est-à-dire de cellule Faraday,que l'on utilise dans le gyroscope à laser en anneau à quatre modes de la figure 1, l'écart de fréquence entre les gyroscopes GYRO 1 et GYRO 2, comme il est représenté sur la figure 2, peut être de l'ordre de 10 à 500 MHz. On peut également noter que, en fonction du type de dispositif à effet Faraday utilisé, la différence de fréquence entre les deux fréquences des faisceaux tournant en sens inverse, c'est-à-dire des faisceaux se propageant en sens opposé, qui correspondent à chacun des gyroscopes GYRO 1 et GYRO 2, peut être de l'ordre de 10 à 500 kHz. La photodiode 30 est un détecteur à loi quadratique, et fait fonction d'élément de mélange non linéaire, ou d'intermodulation. A l'entrée du détecteur à loi quadratique, on applique les fréquences F1, F2, F3 et F4, représentées sur la figure 2. En sortie de la photodiode 30, on trouve les nombreuses fréquences de somme et de différence obtenues par battement entre les diverses fréquences F1, F2, F3 et F4, dans la photodiode 30, qui a une caractéristique non linéaire. Les signaux à bas niveau qui apparaissent en sortie de la photodiode 30 sont amplifiés par un amplificateur à large bande 32, et sont appliqués à un filtre passe-bas 34.Le filtre passe-bas 34 est réglé de façon à ne laisser passer que la fréquence de battement entre F1 et F2, désignée par F12; la fréquence de battement entre les fréquences F3 et F4, désignée par F34; et la fréquence de différence entre les fréquences de différence F12 et F34, désignée par (F12-F34). Le filtre 34 peut donc avoir une fréquence de coupure d'environ 2 MHZ. On notera que si le laser en anneau n'est soumis à aucune rotation, la fréquence F12 est égale à la fréquence F34, si bien qu'il n'apparat aucune fréquence de battement entre les fréquences F12 et F34, puisque la différence F12-F34 est égale à 0. La figure 3 représente sous forme de diagramme les relations mutuelles entre les diverses fréquences de battement. Sur la figure 3, l'axe horizontal représente la rotation du laser en anneau autour de son axe central. L'axe vertical de la figure 3 représente la fréquence, entre environ 10 kHz et 500 kHz. Le gyroscope GYRO 1, correspondant à la fréquence F12 a une caractéristique de réponse linéaire qui est représentée par la ligne 36, s'étendant entre le coin supérieur gauche et le coin inférieur droit de la figure 3. De façon similaire, la réponse du gyroscope GYRO 2 est représentée par la ligne 38 qui s'étend entre le coin supérieur droit et le coin inférieur gauche de la figure 3. Pour une rotation nulle, les deux gyroscopes fonctionnent à la même fréquence, et leurs caractéristiques se coupent donc au niveau de l'axe vertical 40 de la figu r.e 3, qui correspond à une rotation nulle.Lorsque le laser en anneau est entraîné en rotation dans un sens ou dans l'autre, la fréquence de fonctionnement de l'un des deux gyroscopes augmente, tandis que celle de l'autre gyroscope diminue. il apparaît alors la fréquence de battement F12-F34, et cette fréquence est indiquée par la distance entre les lignes 36 et 38 le long d'une ligne parallèle à l'axe vertical. Par exemple, dans le cas d'une rotation en sens positif, qui est indiquée par la ligne en pointillés 42, la fréquence de battement d'intermodu- lation entre les fréquences F12 et F34, c'est-à-dire la fréquence F12-F34 est représentée par la longueur de la flèche 44. On considèrera à nouveau ultérieurement la figure 3, pour décrire d'autres aspects de l'invention. On retournera maintenant à la figure I qui montre que la valeur de la rotation et la vitesse de rotation du gyroscope à laser en anneau sont déterminées par les circuits 52 et 54. Le circuit 52 détecte la fréquence de battement F12-F34,et le compteur de battements 54 compte le nombre de battements engendrés par la différence entre les deux fréquences différentielles F12 et F34. Le nombre de battements détectés par le compteur de battements 54 indique la valeur de la rotation, et le nombre de battements par seconde indique la vitesse de rotation du gyroscope à laser en anneau. Le signal de sortie du compteur de battements 54 permet de connaître la vitesse de rotation du laser en anneau. Cependant, en supposant que la vitesse de rotation soit connue et corresponde soit à la ligne en pointillés 62, soit à la ligne en pointillé 64, représentées sur la figure 3 respectivement du côté gauche et du côté droit de la ligne qui correspond à une rotation nulle, on ne sait toujours pas si le battement détecté entre les deux fréquences différentielles est cela qui est indiqué par la flèche 66, représentant une rotation dans un sens, ou celui qui est indiqué par la flèche 68, représentant une rotation dans le sens opposé. La figure 1 montre que cette ambiguïté est résolue par le circuit qui comprend le redresseur 72, le filtre passe-bas 74, le condensateur 76, le démodulateur synchrone 78, et l'alimentation 80 du plasma.On notera incidemment que l'alimentation 80 qui excite le plasma contenu dans le laser en anneau comprend à la fois une alimentation continue, et une source de tension d'oscillation alternative différentielle, qui est superposée à la tension continue d'excitation du plasma. Cette tension d'oscillation, qui provoque une augmentation et une diminution du courant de plasma de façon différentielle, ou opposée,dans les deux sections de gain opposéesdalaser, a un effet très semblable à celui de la rotation du gyroscope a laser. Une tension de référence de phase, synchronisée avec l'oscillation alternative du plasma, est appliquée au démodulateur synchrone 78 par le conducteur 82. Une légère variation du courant de plasma provoque un décalage des deux flèches 66 et 68 dans un sens, par exemple vers le côté droit, ce qui réduit la fréquence de battement représentée par la flèche 66, ou augmente la fréquence de battement représentée par la flèche 68, lorsque le courant de plasma est modifié. En utilisant le signal de référence de phase présent sur la ligne 82, qui est synchronisé sur l'oscillation du courant du plasma, on peut déterminer le sens de rotation du laser en anneau en déterminant si le signal détecté 84 ou 86 est en phase avec le signal de référence de phase, ou en opposition de phase par rapport à ce dernier. Cette détermination est effectuée par lé démodulateur synchrone 78 et est indiquée par l'indicateur de signe de rotation, également appelé indicateur de sens , 88. Pour que le laser en anneau fonctionne correctement, il est important que l'amplitude des signaux qui correspondent au gyroscope GYRO 1 (voir figure 2), et l'amplitude des signaux qui correspondent au gyroscope GYRO 2, soient pratiquement égales. Lorsque ces conditions sont réalisées, les battements entre les fréquences F12 et F34 se présentent sous la forme indiquée sur la figure 4, et s'annulent périodiquement, comme il est indiqué par le point 89 de la figure 4.La figure 4 représente ainsi l'intermodulation caractéristique de deux fréquences différentielles F12 et F34, et correspond à la forme classique de modulation d'amplitude, avec des maximums qui apparaissent lorsque les sommes des composantes instantanées sont en phase, et des minimums qui apparaissent lorsque ces composantes sont déphasées de 1800. Cependant, si l'-un des signaux F12 ou F34 est notablement supérieur à l'autre, le signal de battement ne stannule pas. Ainsi, en détectant les minimums du signal de battement , puis en déterminant si ces minimums sont effectivement nuls, et en réglant finalement ou en asservissant la longueur de la cavité pour obtenir l'égalité désirée des deux signaux, on peut obtenir un fonctionnement correct du gyroscope à laser.Dans le circuit considéré, la tension continue qui commande la longueur de la cavité, par l'intermédiaire du transducteur piézoélectrique 20 (voir figure 1) est fournie par une alimentation 92. L'oscillateur 94 fournit un courant alternatif superposé qui fait varier la longueur de la cavité d'une manière similaire à l'oscillation du courant de plasma sous l'action de l'alimentation 80. La boucle d'asservissement de la cavité comprend également un détecteur de niveau de tension 96, et un circuit d'analyse et de démodulation synchrqne 98. Si on n'obtient pas des tensions minimalesnulles (voir la figure 4), le circuit 98 applique-un signal de réaction-à l'alimentation 92, par le conducteur 100. Avec ces configurations de commande, le transducteur piézoélectrique 20 reçoit la tension appropriée pour demeurer dans la position correcte. On notera enfin que l'invention peut être mise en oeuvre à l'aide de lasers ou de composants électroniques équivalents, réalisant les fonctions qui viennent d'être décrites. il va de soi que de nombreuses autres modifications peuvent être apportées au dispositif décrit et représenté,sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATION5 1. Gyroscope à laser en anneau utilisant un laser en anneau à plusieurs oscillateurs comportant des dispositifs produisant quatre modes d'oscillation laser à quatre fréquences différentes, deux de ces modes se propageant dans chaque direction, et comprenant un détecteur optique pour la réception de l'ensemble des quatre modes et des dispositifs associés audit détecteur pour émettre des signaux qui représentent la vitesse et le sens de rotation du laser en anneau, gyroscope caractérisé en ce qu'un dispositif asservi relié au détecteur règle la longueur de la cavité du laser en anneau pour égaliser sensiblement l'intensité des quatre modes. 2. Gyroscope selon la revendication 1, dans lequel le détecteur optique est relié au dispositif asservi pour émettre des signaux qui déterminent la vitesse et le sens de rotation du laser en anneau, gyroscope caractérisé en ce qu'un dispositif comporte un détecteur optique pour recevoir l'ensemble des quatre modes et les mélanger pour produire des fréquences de somme et de différence, et en ce qu'un dispositif comporte un filtre passe-bas connc-é de manière à être sensible aux signaux de somme et de différence afin d'émettre des premier et second signaux g-yroscopiques dont les caractéristiques de fréquence linéaire par rapport à la vitesse de rotation sont sensiblement identiques, mais qui ont des inclinaisons opposées. 3. Gyroscope selon la revendication 2, dans lequel le dispositif est relié au détecteur pour émettre des signaux correspondant à la vitesse et au sens de rotation du laser en anneau, gyroscope caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif de détermination de la vitesse, connecté de façon à recevoir les deux signaux gyroscopiques afin de produire un signal déterminant la vitesse de rotation du gyroscope et un dispositif déterminant la direction, qui est connecté au détecteur optique pour émettre un signal indiquant le sens de rotation du laser en anneau. 4. Gyroscope selon l'une quelconque des revendications I à 3, dans lequel le détecteur- consiste en une simple photodiode. 5. Gyroscope selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le dispositif déterminant la direction comporte en outre un dispositif qui fait varier le courant de plasma du laser en anneau. 6. Gyroscope selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'un dispositif de comparaison de phases est connecté pour comparer la phase d'un signal de battement dérivé des quatre modes avec la phase du dispositif faisant varier le courant de plasma afin d'émettre un signal indiquant le sens de rotation du gyroscope à laser. 7. Gyroscope selon l'une quelconque des revendications l à 6, caractérisé en ce que le dispositif asservi comporte en outre un dispositif destiné à régler la longueur de la cavité du laser en anneau à une longueur correspondant à une modulation maximale d'un signal de battement des quatre modes d'oscillation par un autre signal de battement des quatre modes d'oscillation.