Brevet FR2441848A1 — publié le 19800613

L'objet de la présente invention est la mesure de la composante de la vitesse angulaire d'un véhicule aux fins d'assurer sa stabilisation et sa navigation. La stabilisation et la navigation de divers véhicules, aériens notamment, et le guidage d'engins reposent sur la définition à chaque instant de leur orientation dans 1' espace, et celle de la direction de leur vitesse. Cette fonction peut titre assurée avantageusement par des gyromètres, qui fournissent chacun la mesure d'une composante de la vitesse angulaire dans 1' espace. Les gyromètres permettent de stabiliser une plateforme, qui sert de référence d'orientation pour la stabilisation ou pour la navigation.Dans d'autres modes d'utilisation, les gyromètres commandent directement des gouvernes pour la stabilisation de véhicules,d'engins,ou bien ils fournissent à un calculateur, à chaque instant, des données à partir desquelles celui-ci détermine l'orientation du véhicule et son vecteur vitesse0 Uh moyen avantageux de réaliser les gyromètres consiste à faire appel à l'effet Sagnac, c'est-à-dire à la différence des temps de parcours d'un circuit fermé, par deux radiations lumineuses, dans les deux sens respectivement. L'exploitation directe de ce principe conduirait à la mesure d'une différence de phase, décelable par déplacement de franges d'interférence, extrtmement petite par rapport à 1' intervalle entre franges. L'ordre de grandeur de cette indication la rendrait inutilisable à moins d'utiliser un circuit de dimensions prohibitives; de toute façon, elle est fournie sous une forme difficilement exploitable. Le mame principe est donc exploité indirectement, par la différence des fréquences de résonance du circuit ,constitué comme une cavité résonnante annulaire, selon que la lumière se propage dans le sens de la rotation à mesurer, ou en sens inverse. Cette différence se manifeste de façon très sensible, soug la forme d'un battement dont la frdquence,relativement petite, mesure la vitesse angulaire et peut entre facilement exploitée par voie électrique, et fournir ainsi à un calculateur un signal en forme d'impulsions. Ce résultat est rendu possible gracie à l'effet laser qui permet l'entretien d'une oscillation lumineuse cohérente dont la fréquence définit, avec une précision extrême, la fréquence de résonance de la cavité. Les gyromètres lasers actuellement réalisés sont constitués essentiellement par une cavité résonnante, qui définit un traJet optique polygonal, au moyen de trois miroirs au moins.Cette cavité est occupée en totalité ou en partie par un milieu amplificateur optique, dont une partie des atomes est excitée par voie électrique. Une petite fraction de chacune des ondes cohérentes circulant en sens opposés est recueillie à travers l'un des miroirs ; les deux fais ceaux sortant se combinent sur un récepteur photoélectrique qui fournit un signal dont la fréquence est égale à la différence des fréquences des deux faisceaux, donc à la vitesse angulaire à mesurer . Le milieu amplificateur est toujours constitué par un mélange de gaz, en général hélium et néon. D' autres milieux ne seraient pas satisfaisants en ce qui concerne la finesse de raie ou la stabilité de l'émission.Les gyromètres lueurs ont, sur les gyromitres mécaniques classiques, de grands avantages : ils sont insensibles à la gravité, et aussi aux accélérations et vibrations ils ne comportent pas de pièces mobiles, expo- suées à l'usure ou à des ruptures. Leur mise en route est plus courte, sinon instantanée. lais l'introduction du milieu actif gazeux les affecte d'autres inconvénients. La très grande sensibilité du dispositif l'expose à répondre à tout effet dissymétrique dont le milieu est le siège, notamment au déplacement de gaz que l'énergie d'excitation peut provoquer par effet électrique ou thermique. I1 peut en résulter des erreurs notables surtout pendant la p4- riode de mise en route. Les divers phénomènes produits dans le milieu se manifestent par un effet de couplage entre lee deux ondes de sens opposés ; il en résulte un seuil de vitesse angu- laire au-dessous duquel la sensibilité s' annule. Cet effet doit titre compensé par divers artifices d'activation, par exemple par oscillation mécanique du dispositif, ce qui supprime une part des avantages de simplicité du principe. D'autre part, le périmètre du trajet optique est limité d'abord pour des raisons d'encombrement, mais aussi par la nécessité d'éviter la poseibilité de modes multiples qui perturberaient la mesure. Le but de l'invention est la réalisation de dispositifs gyrométriques optiques, qui ne soient pas affectés de ces inconvénients. Le dispositif, selon l'invention, comporte à cet effet un guide de lumière qui peut être de grande longueur, et disposé de façon à réaliser un trajet optique fermé sur lui-m8ms, et à constituer ainsi l'élément essentiel d'une cavité résonnante annulaire, laquelle ne contient aucun milieu amplificateur optique. Deux faisceaux lumineux, provenant de deux sources de lumière cohérente,de fréquence riglable, sont introduite dans la cavité par des moyens appropriés de façon qu' ils parcourent le trajet fermé dans des sens opposés. Une partie de la lumière de chacun des deux faisceaux est extraite par des moyens appropriés et envoyée chacun sur un photodétecteur.Le signal produit par chacun des photodétecteurs est transmis à l'entrée d'une channe d'asservissement appropriée qui commande automatiquement le réglage de la fréquence de la source correspondante de façon à rendre masimale l'intensité mesurée par le photodétecteur. Les deux sources sont alors accordées sur deux modes de la cavité correspondant à des parcours en sens inverses et de même rang N. Chacune des deur longueurs d'ondes est alors dans le rapport 1 N avec la longueur apparente du circuit parcouru dans le sens correspondant. Les deux fréquences sont mesurées et leur diffé- rence mesure la vitesse angulaire à déterminer ; le dispositif est caractérisé par l'absence d'émission lumineuse dans le trajet optique fermé, et par le fait que le guide de lumière est enroulé en spires dont le nombre est de préférence élevé et dont le plan est celui de la vitesse angulaire à déterminer. Un dispositif basé sur ce principe présente sur les gyromitres à laser existants plusieurs avantages notables qui sont les suivants Puisque la cavité ne content pas de milieu amplificateur optique gazeux notamment et ne reçoit pas d'énergie d'excitation, il ne peut pas se produire d'erreurs dues à des effets dissym4- triques de déplacement de matière. Il n'y a pas d'effet de couplage entre ondes de sens opposés puisque la cavité n'est pas le siège d'émissions stimulées il nty a pas, en conséquence, de zone aveugle ni de seuil de sensibilité ; le système ne nécessite pas de dispositif d'activation. Les rayonnements utilisés étant émis de l'extérieur de la cavité et non produits d l'intérieur, l'apparition simultanée de modes multiples n'est pas à craindre ; en conséquence, la longueur du parcoure optique n'a pas à être limitée par la considération d'un tel effet. Ce fait permet d'accrottre beaucoup la précision de la mesure, laquelle résulte de la précision de l'accord autontique de la fréquence des deux sources de lumière cohérente ; celle-ci dépend esientiellement de l'acuité de la résonance de la cavité, que l'on peut caractériser par la largeur à si-hauteur de la courbe représentant l'intensité lumineuse en fonction de la fréquence.Celle-ci ddpend de la perte totale relative P le long du parcours, mais aussi de sa longueur optique L selon la formule Pc #F 2 # L in 1' effet des pertes indépendantes de la longueur du guide peut être considérablement réduit. Celui des pertes dues au guide et proportionnelles à Sa longueur est indépendant de cette longueur. Le guide de lumière peut entre une fibre optique, à très faible coefficient de perte, de préférence à mode unique. La fermeture du circuit optique peut être réalisée avec un ou plusieurs miroirs à couches diélectriques multiples. Les fais ceaux provenant des deux source pénètrent alors dans la cavité en traversant l'un des miroirs en un même point. Un dee miroirs est également utilisé pour la sortie de lumière vers les deux photodé tecteurs. On peut également utiliser des prismes à réflexion totale. Dans ce caB, la lumière entre ou sort par la face réfléchissante à travers une lame mince d'air ou d'un milieu moins réfringent limité par la face du prisme et une lame transparente parallèle de même indice que le prisme. L'agencement du dispositif de détermination des fréquences de résonance de la cavité, selon la présente invention, peut donner lieu à diverses formes de réalisation suivant la préci- sion et le domaine de mesure requis. Dans une première forme de réalisation, les sources de lumière cohérente sont deux lasers identiques, de fréquence réglable. Chacun d'eux est accordé automatiquement par la chine d'asservissement commandée par le photodétecteur correspondant. Cette disposition peut être prévue pour des gyromètres de faible précision seulement, et même alors exige des lasers très stables. Bn effet, bien que la fréquence des lasers soit réglée automatiquement, on ne peut éviter des fluctuations caractérisées par des fréquences sortant du domaine de fréquences dans lequel l'asservissement est efficace. Il est donc préférable d'adopter une deuxième forme de réalibation dans laquelle les deux sources de lumière cohérente comportent essentiellement chacune un élément variateur de fréquence, ces deux éléments recevant respectivement deux faisceaux de lumière cohérente issus d'un meme laser et faisant glisser leur fréquence chacun d'une quantité réglée automatiquement d'après le photodétecteur correspondant. Les deux faisceaux de lumière cohérente issus des deux éléments et de fréquence modifiée par ceux-ci sont introduits dans la cavité. Ainsi, les fluctuations de fréquence du laser qui ne sont pas compensées complètement par l'asservissement, affectent de façon identique les fréquences des deux faisceaux, et sont ainsi sans effet sur leur différence, donc sur la mesure. Dans ces deux formes de réalisation, la différence des fré- quences peut outre obtenue au moyen d'un troisième photodétecteur qui reçoit une fraction de la lumière issue d'une des sources prélevée au moyen d'un diviseur de faisceau, de préférence avant l'entrée de la lumière dans la cavité et une fraction de la lumière issue de la deuxième source prélevée de même, au moyen d'un deuxième diviseur de faisceau, et qui délivre un signal électrique dont la fréquence est la différence des fréquences des deux sources et mesure la vitesse angulaire. Dans le cas de la deuxième forme de réalisation, on peut également comparer les deux glissements de fréquence , commandés aux deux éléments variateurs, dans un calculateur qui fournit leur différence, égale à la différence des fréquences optiques. Â titre nullement limitatif, on a décrit deux formes de réalisation de l'invention, en se référant au dessin annexé, sur lequel - la fige i représente un premier mode de réalisation de l'invention qui comporte l'emploi de deux lasers, d'une fibre optique et de deux miroirs - la fig. 2 reprdsente un deuxième mode de réalisation de l'invention qui comporte un laser unique, une fibre optique et deux miroirs. Dans le dispositif de la figure 1, la cavité résonnante est constituée par une fibre optique 1 à très faible perte, enroulée en un grand nombre de spires dont le plan est parallèle à celui de la rotation dont on veut mesurer la vitesse. Cette fibre ne permet de préférence qu'un unique mode longitudinal de propagation, afin d'éviter des confusions que pourraient appor- ter des modes obliques. Les deux extrémités de cette fibre sont fixées respectivement sur des supports 2 et 3 reliés à deux miroir 4 et 5 à très bon coefficient de réflexion, réalisés de préférence au moyen de couches diélectriques multiples : la fixation de la fibre optique sur les deux supports comporte des dispositifs de réglage non représentés.Ceux-ci permettent d'obtenir la fermeture du traJet optique grtce à deux réflexions successives du faisceau lumineux sur les deux miroirs, par le trajet rectiligne 6. Un premier laser 7a eet disposé de façon que le faisceau qu'il émet puisse entrer dans la fibre optique par son extrémité montée dans le support 2, à travers le miroir 4, ce qui est obtenu grâce au dispositif de réglage que comporte ce support.La petite fraction de l'onde lumineuse cohérente qui a traversé le miroir 4 parcourt la fibre optique dans le sens figuré par la flèche 8 ; elle sort de la fibre par son extré- mité montée sur le support 3 ; le faisceau sortant, après réfle- xion sur le miroir 5, suit le traJet 6, puis est réfléchi par le miroir 4, entre à nouveau dans la fibre optique pour parcourir à nouveau le même circuit, et ainsi de suite ; il y a résonance et maximum d1intensité dans la cavité si l'onde arrivant sur le miroir 4 se trouve en accord de phase avec l'onde arrivant au même point en provenance du laser 7a, ainsi qu'avec celles qui ont fait un nombre quelconque de tours.Une très petite fraction de l'onde progressant dans la calté dans le sens de la floche Bj traverse le miroir 5 et arrive sur le photodétecteur 9a qui envoie un signal électrique à l'entrée de la channe d'asservisse- ment figurée en 10â dont la sortie commande la tension électri que appliquée à un cristal piézoélectrique Il sur lequel est monté un des deux miroirs constituant la cavité résonnante du laser 7a ; selon une disposition connue, la channe d'asservisse- ment a pour effet de régler la tension appliquée en lia, donc la fréquence de la lumière émise par le laser 7a, de façon que le signal électrique reçu du photodétecteur 9a soit maximal. La fréquence de l'onde émise par le laser 7a et progressant le long de la fibre optique, dans le sens 8a,est alors égale à la ire- quence de résonance de la cavité mesurée pour le sens de par- cours 8ffi. Un second laser 7b, composé de deux miroirs dont l'un est monté sur un support piézoélectrique 11b, eet monté de façon que son faisceau soit aligné sur le traJet 6. Une petite partie de ce faisceau traverse le miroir 4, suit le parcours 6 et, après réflexion sur le miroir 5, entre dans la fibre par l'estré- mité fixée sur le support 3 et la parcourt dans le sens de la flèche 8b.Le photodétecteur 9b, l'asservissement 10q règlent^w par le support piézoélectrique 11b, le laser 7b à la fréquence de résonance correspondant au sens de parcours 8b. Deux lames semi-réfléchissantes 12a et 12b sont interposées respectivement sur le trajet des faisceaux issus des lasers 7a et 7b.Les faisceaux réfléchis respectivement par ces deux lames sont recombinés par une lame semi-réfléchissante 13 qui transmet l'un d'eux et réfléchit l'autre ; les deux faisceaux interfèrent, il en résulte,par battement, une variation périodique d'inten eité dont la fréquence r est égale à la différence AF des fréquences des rayonnements correspondant aux deux sens de parcoure ; un photodétecteur 14 reçoit les deux faisceaux et transmet un signal électrique, dont la fréquence 9 mesure la vitesse angulaire. Ce signal est traité par des dispositifs non figurés g il peut notamment outre transformé en impulsions qui entrent dans un calculateur de navigation. La combinaison de8 deux faisceaux peut entre plus avantageusement réalisée au moyen d'un prisme combinateur qui fait interférer lee deux faisceaux en produisant un système de franges dont la vitesse de défilement caractérise la fréquence de battement et, par conséquent, la vitesse angulaire. L'emploi corrélatif de deux photodétecteurs au moins permet de discriminer le sens de défilement et par suite le signe de la vitesse angulaire à mesurer. Ce dispositif dont le principe est connu et appliqué à de nombreux gyromètres lasers n'est pas représenté sur la figure. Il est clair que la cavité peut comporter un nombre de miroirs différent de deux, mais il est préférable, pour éviter des pertes inutiles, d'en limiter le nombre à ce qui est strictement nécessaire, notamment pour assurer l'entrée de la lumière dans la cavité et sa sortie. À ce titre, la cavité peut avantageusement comporter un miroir unique. Chaque faisceau sortant est alors envoyé sur le photodétecteur correspondant par une lame semi-réfléchissante traversée par le faisceau entrant correspondant à l'autre sens de parcours. La mOrne lame peut alors servir à réfléchir une partie du faisceau entrant, vers le combinateur. Chaque miroir peut entre remplacé par un autre élément réflecteur, notamment par un prisme à réflexion totale. En effet, si on accole, à la face réfléchissante de ce prisme, une lame de préférence de même indice, en laissant entre les deux surfaces une pellicule très mince d'air par exemple, d'épaisseur assez petite par rapport à la longueur d'onde, la face réfléchissante du prisme peut laisser paseer une très petite fraction de la lumière dans un sens ou dans l'autre. Te dispositif représenté par la figure 2 comporte la mOrne ca vité résonnante que celui de la figure 1; elle est composée de la fibre optique 1,dont les extrémités sont fixées sur les supports 2 et 3,et des miroirs 4 et 5. La cavité peut comporter les diverses variantes mentionnées dessus pour le premier mode de réalisation représenté par la figure 1. Les deux faisceaux de lumière cohérente, qui pénètrent dans la cavité à travers le miroir 4, sont issus d'un laser unique 7; le faisceau issu du laser 7 tombe sur un diviseur de faisceau 18 constitué, par exemple, par une lame semi-rifléchis- sante.Le faisceau réfléchi par la lame 18 traverse un élément va riateur de fréquence 16 qui en modifie la fréquence en 1' augmen- tant de ia. Le faisceau de fréquence P + f sortant de l'élément 16 est réfléchi selon 19 par le miroir 17. Par l'effet d'un disposi tif de réglage approprié, non représenté, le faisceau 19g pénètre, après avoir traversé le miroir 4, dane la fibre optique 1 par son extrémité fixée dans le support 2.La lumière de ce faisceau tourne alors dans le circuit dans le sens de la flèche 8a corne décrit pour le dispositif de la figure 1. La partie du faisceau issu du laser 7, qui traverse la lame 18, tombe sur l'élément variateur de fréquence 16b, qui en élève la fréquence de fb.Le faisceau sortant de 16b, de fréquence w + * est réfléchi par le miroir 17b selon l9k. Au moyen de dispositifs de réglage appropriés, non représentés, le faisceau 19k est amené à suivre le trajet 6, après avoir. traversé le miroir 4. 3:1 conséquence, après réflexion sur le miroir 5, il pénètre dans la fibre optique 1, par son ex- trémité fixée sur le support 3. La lumière de ce faisceau tourne alors dans le sens de la flèche 8b. Le fonctionnement du dispositif est, pour le reste, identique à celui du dispositif de la figure i. Une petite fraction des ondes tournent dans cha cun des deux sens, traverse le miroir 5 et impressionne l'un ou l'autre des deux photodétecteurs 9a et 9b, lesquels fournissent chacun un signal électrique à l'entrée de l'une ou l'autre des chines d'asservissement 15a et i 5b. Celles-ci sont disposées de façon à délivrer un signal de sortie, approprié au réglage des éléments variateurs de fréquence 16a et 16b. Les channes d'asservissement assurent alors le réglage automatique des fréquences F + fa et F + ib des lumières entrant dans la cavité sur les fréquences de résonance correspondant à l'un et à l'autre dea sens de parcours de la cavité. Chaque élément variateur de fréquence de lumière peut entre constitué par un dispositif à ultra-sons fonctionnant selon le principe de Bragg, disponible sous le nom de cellule de Bragg". La mesure peut, selon une variante, non représentée sur la figure 2, être effectuée au moyen du même dispositif que dans le cas de la figure I. Une partie de chacun des faisceaux sortant des deux éléments variateurs de fréquence 16 et 16b est prélevée au moyen de deux diviseurs de faisceau, deux lames semi-réfléchissantes 12n et 12b par exemple ; un élément optique combinateur reçoit les deux faisceaux ainsi prélevés et en produit 1' inter- férence ; celle-ci est détectée par un photodétecteur 14, ou de préférence par au moins deux photodétecteurs qui délivrent des signaux électriques dont la fréquence i = AF mesure la vitesse angulaire. Le mode de réalisation de la figure 2 permet une disposition de mesure plus avantageuse, selon laquelle les deux signaux de commande commande des éléments variateurs 16a et 16b, qui représentent respectivement les deux accroissements de la fréquence incidente P, sont envoyés à l'entrée d'un calculateur 20 qui fournit à sa sortie la différence fa - f b = Suivant les caractéristiques des variateurs de fréquence, et l'étendue de mesure souhaitée, il peut 8tre utile d'effectuer un accord préalable entre la fréquence propre de la cavité et celle du laser 7, de façon que les accroissements de fréquence a et ib soient compris dans des limites de bon rendement des variateurs et ne sortent pas de leur domaine d'action, sous l'effet des plus grandes vitesses angulairea. À cet effet, une chaine auxiliaire d'asservissement 21 peut commander le support piézoélectrique Il de l'un des miroirs du laser 7 de façon que le signal fourni par l'une des chaines d'asservissement du variateur de fréquence cor respondant, 16a par exemple, conserve une valeur convenablement choisie. Ce réglage peut n'être pas très précia, ni rapide. Il peut être effectué par intermittence. Il est clair que le réglage consiste à modifier la diffé- rence entre le chemin optique intérieur du laser 7, d'une part, et le chemin optique fermé de la cavité, d'autre part3comptée à un nombre entier de longueurs d'onde près, et qu'en conséquence, il peut aussi bien être réalisé par action sur ce dernier chemin optique, par exemple en déplaçant au moyen d'un cristal piezo- électrique une des extrémités de la fibre optique 1 par rapport au support de miroir auquel elle est fixée. BEVEBDICB iCÂT IONS 1.- Dispositif destiné à mesurer une composante de la vitesse angulaire d'un mobile sur lequel il est monté, caractérisé par le fait qu'il comporte un guide de lumière de grande longueur, enroulé en spires en nombre de préférence élevé et dont le plan est celui de la vitesse angulaire, et disposé de façon à constituer un trajet optique fermé sur lui-même, deux sources de lumière cohérente de fréquence réglable, extérieures au trajet optique fermé, des moyens pour introduire dans le guide de lumière les rayonnements de chacune des dites sources, de façon qu'ils parcourent le guide en des sens inverses, et pour amener une partie de chacun de ces deux rayonnements, respectivement, sur deux photodétecteurs, des moyens pour déterminer les fréquences correspondant à l'intensité maximale des rayonnements mesurés par les dite photodétecteurs, et des moyens pour mesurer la différence des fréquences des deux rayonnemente circulant en sens inverse dans le guide, différence qui est propar- tionnelle à la vitesse angulaire à déterminer. 2.- Dispositif selon la revendication 1 dans lequel les moyens pour déterminer les fréquences correspondant à l'intensité maximale des rayonnements mesurés par lesdits photodétecteurs sont constitués par une channe d'asservissement qui règle la fréquence de chacune des sources. 3.- Dispositif selon l1une des revendications 1 et 2, dans lequel le guide de lumière est une fibre optique, de préférence à mode unique. 4.- Dispositif selon l'une des revendications 1k 3 dans lequel le parcours optique fermé est réalisé au moyen d'au moins un élément optique réflecteur, les faisceaux issus des deux sources entrant dans le parcours optique fermé1 à travers un tel élément optique, et une fraction des deux faisceaux lumineux circulant le long du parcours étant extraite également à travers un tel élément optique. 5.- Dispoaiti! selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel les deux sources de lumière cohérente sont deux lasers identiques, de fréquence réglable. 6.- Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel les deux sources de lumière cohérente sont deux éléments qui font varier la fréquence de la lumière cohérente, que tous deux reçoivent d1un unique laser, et transmettent la lumière cohérente modifiée au guide de lumière, les dits éléments varia- teurs étant commandée chacun par une chacune d'asservissemant correspondante d' après l'intensité mesurée par le photodétecteur correspondant. 7.- Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6, dans lequel il est prévu un troisième photodétecteur qui reçoit à la fois une fraction de la lumière émise par la première source, et prélevée au moyen d'un diviseur de faisceau, situé de préié- rence entre la source et le parcoure optique fermé, et une fraction de la lumière émise par la deuxième source, prélevée de la même façon, ledit troisième photodétecteur délivrant un signal électrique dont la fréquence est la différence des fréquences des deux sources et fournit la mesure de la vitesse angulaire. 8.- Dispositif selon la revendication 6, dans lequel le signal de commande de chacun des deux éléments variateurs de fréquence, mesurant le glissement de fréquence communiqu au faisceau lumineux correspondant, est envoyé à l'entrée d'un calculateur, qui en tire la différence des deux glissements de fréquence, différence qui est égale à la différence des fréquen- ces des deux faisceaux et fournit la mesure de vitesse angulaire.