Brevet FR2495312A1 — publié le 19820604

L'invention a essentiellement pour objet des perfec- tionnements aux gyroscopes à anneaux laser. Elle vise plus par- ticulièrement des moyens pour corriger les dérives de polarisa- tion dues à des accélérations ou à des changements de tempéra- 5 ture imposés à un gyroscope à anneaux laser. Si on le compare à un gyroscope classique, le gyros- cope à anneaux laser est particulièrement insensible aux actions dues à l'environnement telles que les variations de température et les accélérations. Toutefois, lorsque de telles variations 10 provoquent le fléchissement ou déflexion du bloc du gyroscope à anneaux laser, il peut en résulter des décalages de polarisa- tion qui peuvent affecter de façon nuisible le bon fonctionnement du gyroscope. Un gyroscope à anneaux laser comporte essentiellement 15 une cavité dans laquelle se trouvent trois miroirsreliés par des orifices capillaires. Deux des miroirs sont plans et le troisiè- me est concave, avec un rayon compris approximativement entre 0,5 et 10 mètres. Le fléchissement ou la déflexion du bloc provoque le déplacement du plan laser dans la cavité. Le bascu- 20 lement d'un des miroirs peut également provoquer un décalage du plan laser. Dans les deux cas, le paramètre important est la variation de l'angle pyramidal du gyroscope. L'angle pyramidal d'un gyroscope à anneaux laser est l'angle formé en prolongeant trois plans imaginaires, chacun contenant un des trois miroirs 25 du gyroscope, dans la même direction le long de l'axe central du gyroscope et en considérant les plans comme étant légèrement basculés vers l'axe. Un basculement d'un miroir de l'ordre de 1/2 seconde d'arc peut provoquer un déplacement vers le haut ou le bas du plan laser de l'ordre de 25 y. A titre de comparaison, 30 une rotation similaire de l'un des miroirs dans le plan de l'an- neau laser ne provoque qu'un petit décalage des faisceaux laser, de l'ordre de 0,25 À. Habituellement, le gyroscope à anneaux laser est fait de telle sorte que le plasma qui y produit gain, par exemple un 35 laser à gaz hélium-néon, est symétrique par rapport aux côtés droit et gauche du gyroscope. D'une façon idéale, dans une telle structure, la polarisation provoquée par l'écoulement de Langmuir de matière entre les deux anodes et la cathode est nulle, en raison de l'écoulement d'un courant équilibré 2495312 2 provenant des anodes. Les petites erreurs dans le diamètre des trous 'et dans le positionnement de l'alésage dans le plan de l'anneau laser ont pour résultat une polarisation fixe qui n'est pas "sensible au basculement". De petites erreurs de position de 5 l'alésage en dehors du plan laser préférentiel ou entre les côtés droit et gauche provoquent une polarisation qui est sen- sible aux variations d'angle pyramidal. Le brevet U.S. no 4 113 387 (Sydney G. SHUTT) publié le 12 septembre 1978, décrit un gyroscope à anneaux laser com- 10 portant un miroir basculant qui est conçu pour réduire l'erreur de polarisation due au basculement du type qui vient d'être décrit. Cette conception utilise un miroir de commande de lon- gueur de trajet qui est associé à un mécanisme de basculement. Le basculement du miroir est servocommandé de sorte que ce 15 miroir bascule vers l'avant et vers l'arrière avec une faible amplitude. La modulation d'intensité du laser qui en résulte est démodulée et intégrée de façon à produire un signal qui est alors utilisé par rétroaction, par l'intermédiaire d'un ampli- ficateur haute tension, pour basculer le miroir dans la direc- 20 tion du laser à puissance maximum. La puissance du laser est usuellement maximale quand le faisceau est centré dans l'ouver- ture. Le succès d'une telle disposition dépend de deux facteurs : le gyroscope né doit pas être perturbé en permanence 25 par le basculement nécessaire du miroir basculant, et la posi- tion de l'ouverture doit être représentative de la position du faisceau par rapport à l'alésage. Le miroir basculant sans rétroaction est très sensible et permet de grands basculements. Une fois asservi en basculement, un tel miroir va fonctionner 30 aussi bien que les miroirs fixes. Toutefois, en l'absence de fonctionnement de l'asservissement, la stabilité de polarisa- tion a été mauvaise. Il apparaît que le miroir asservi en bas- culement corrige ses propres erreurs mais ne réduit pas les autres dérives de polarisation provoquées par basculement. 35 Selon la présente invention, les dérives de polarisa- tion dans les gyroscopes à anneaux laser qui sont produites par des accélérations ou des modifications du gradient de tempéra- ture peuvent être éliminées en faisant fléchir le bloc du 2495312 3 gyroscope à anneaux laser d'une quantité sensiblement propor- tionnelle aux variations. Ce procédé peut être mis en oeuvre en appliquant une tension proportionnelleàla variation de l'accélé- ration et/ou le gradient de température, à un ou plusieurs trans- 5 ducteurs électromécaniques couplés au bloc. La tension peut être appliquée, par exemple, à un ou plusieurs cristaux piézo- électriques collés sur les faces supérieure et inférieure du bloc du gyroscope à anneaux laser. Le bloc peut alors être fléchi pour modifier l'angle pyramidal d'une quantité suffi- 10 sante pour compenser les variations de l'angle pyramidal pro- voquées par la flexion due au gradient de température et à des modifications d'accélération et, en conséquence, à éliminer ces effets comme source de polarisation. Etant donné que l'ac- tion des transducteurs piézo-électriques est sensiblement 15 linéaire et, en conséquence, prévisible, le fléchissement du bloc peut être réalisé au moyen d'un circuit de commande ouvert et il en résulte une simplification considérable du circuit de commande et une réduction associée du prix du système. Dans les cas o les caractéristiques du bloc de laser à anneaux ne 20 sont pas connues avec précision, la tension de fléchissement est fournie au moyen d'un circuit à rétroaction sensible à l'amplitude. L'invention sera maintenant décrite en se référant aux dessins dans lesquels : 25 - la figure 1 est une vue en perspective d'un gyro- scope à anneaux laser auquel est appliquée l'invention, - la figure 2 est une vue du gyroscope de la figure 1 prise à partir d'un de ses c8tés de façon à montrer une paire de cristaux, 30 - la figure 3 est un dessin schématique montrant de quelle façon est piloté le gyroscope des figures 1 et 2 selon un premier mode de réalisation à circuit ouvert, et - la figure 4 est une vue schématique d'un autre mode de réalisation à circuit fermé pour piloter le gyroscope 35 des figures 1 et 2. On a découvert que le bloc d'un gyroscope à anneaux laser pouvait fléchir sous l'action de transducteurs électro- mécaniques tels que des fins cristaux piézo-électriques, 2495312 4 accouplés aux faces supérieure et inférieure du bloc d'anneaux laser. Une telle disposition est montrée à la figure 1, dans laquelle le bloc d'anneaux laser 1 comporte une cavité triangu- laire classique excitée (traits pointillés) disposée entre 5 trois miroirs classiques 2, 3 et 4. Les cristaux peuvent être collés sur le bloc au moyen d'une colle époxy. Le bloc d'anneaux laser 1 peut être réalisé en quartz ou en céramique. Un matériau préféré est le verre céramique vendu sous la marque de fabrique ZERODUR qui a un coefficient de dilatation nul. Dans le mode 10 de réalisation représenté, six cristaux piézo-électriques, référencés de 5 à 10 dans la figure 1, sont collés sur les faces supérieure et inférieure du bloc 1 à raison de trois par face. Les cristaux sont disposés par paire sur chaque face de chaque branche de la cavité. Chaque élément de commande à 15 cristal 5 à 10 comporte un corps rectangulaire allongé de faible épaisseur de cristal piézo-électrique. Le cristal piézo-électri- que peut être un titanate de zirconium-plcmt dopé. Chaque cristal comporte des moyens de raccordement à une tension de pilotage. Comme le montre clairement la figure 2 o sont seulement montrés 20 les cristaux 5 et 6, les électrodes d'argent ou de nickel Sa, 5c et 6a, 6c sont prévues sur les faces opposées des cristaux piézo-électriques Sb et 6b respectivement. L'orientation du cristal (polarisation) et les connexions électriques sont disposées de telle sorte que lorsque deux cristaux 5 et 6 sont 25 montés en opposition sur les faces du bloc radar 1,une applica- tion simultanée de tension à chacun des cristaux provoque l'allongement de l'un d'entre eux et la contraction de l'autre. L'action de chaque cristal, représentée au moyen des flèches 5d et 6d respectivement à la figure 2, est telle que soit ap- 30 pliquée une telle action combinée à un mouvement de flexion du bloc 1 dans le plan du trajet dans la cavité entre les électrodes. Comme on le comprendra, les cristaux 5, 7 et 9 sont reliés entre eux en parallèle et à des lignes 11 et 12 comme le sont les cristaux 6, 8 et 10. (A la figure 2, seules les conne- 35 xions aux cristaux 5 et 6 sont visibles). L'interconnexion des cristaux aux lignes 11 et 12 est telle que les cristaux placés sur la face supérieure du bloc se dilatentdans le sens de la lon- gueur en même temps que les cristaux de la face inférieure se 2495312 5 contractent. L'action de fléchissement de chaque cristal provo- quantune flexion du bloc est cumulative. Il en résulte une déflexion de "l'angle pyramidal" du bloc 1. La variation de l'angle pyramidal en réponse à la tension appliquée peut être 5 parfaitement prévue avec une faible hystérésis de l'ordre de 2 %. Dans un gyroscope utilisant un bloc à anneaux laser en ZERODUR qui avait une épaisseur de 28 mm, un angle pyramidal de _ 2,25 secondes d'arc, a été obtenu pour une application de _ 250 volts aux six cristaux de titanate-zirconium-plomb. Un tel angle pyra- 10 midal est suffisant pour compenser les erreurs provoquées par les variations de gradient de température et les variations d'accélération. Lorsqu'il est possible de piloter le dispositif de commande de fléchissement décrit ci-dessus au moyen d'une boucle réaction comme cela est décrit dans le brevet mentionné 15 ci-dessus, U.S. 4 113 387, en raison de la linéarité inhérente du dispositif d'actionnement de la présente invention, il est également possible de piloter ces dispositifs de commande au moyen d'une boucle ouverte. Un tel circuit à boucle ouverte est représenté à la figure 3. 20 Ala figure 3, des signaux proportionnels à l'accélé- ration et au gradient de température, forcesnaturelles qui pro- voquent la déflexion du bloc de gyroscope, sont transmis respec- tivement des détecteurs 13 et 14 à des amplificateurs à gain variable 15 et 16. Les sorties des amplificateurs 15 et 16 sont 25 reliées à une jonction 17 située à l'entrée d'un amplificateur 18. A partir de la sortie 19 de l'amplificateur 18, les signaux de pilotage sont transmis aux électrodes prévues sur les cristaux. Le détecteur d'accélération 13 et le détecteur de tempé- rature 14 peuvent être respectivement un accéléromètre fournis- 30 sant une tension de signal qui est proportionnelle à l'accélé- ration et une paire de thermomètres fournissant une tension de signal qui est proportionnelle au gradient de température ; de tels dispositifs sont bien connus dans la technique. D'une autre façon, des signaux appropriés déjà disponibles, par exem- 35 ple dans une centrale de navigation à inertie,peuvent être utilisés pour alimenter les amplificateurs 15 et 16. Bien que, comme énoncé plus haut, la présente inven- tion rende possible une correction directe de l'angle pyramidal 2495312 6 du gyroscope en réponse à des tensions de signal qui sont pro- portionnelles aux variations mesurées de l'environnement du gy- roscope, l'invention peut également être utilisée dans des si- tuations o d'autres considérations sont à prendre en compte. 5 Ainsi, dans le cas o les caractéristiques du bloc laser ne sont pas connues, il s'est avéré souhaitable d'employer un circuit à boucle fermé pour corriger les angles pyramidaux. Un tel circuit est représenté à la figure 4. Dans le circuit de commande fermé de la figure 4, un 10 bloc de gyroscope à anneaux laser 1 du type décrit ci-dessus comporte des miroirs 2, 3et 4. Les dispositifs commandant le fléchissement 5, 7 et 9 fixés au sommet du bloc sont associés à des dispositifs d'actionnement disposés sur la face inférieure du bloc qui ne peuvent pas être vus sur cette figure. Les 15 dispositifsde commande sont couplés par conducteurs 11 et 12 aux sorties d'un amplificateur à haute tension 20 et à un amplificateur 21àhautetension inversée respectivement. Un signal alternatif à 2,6 kilohertz est couplé sur la ligne 23 à partir d'un oscillateur 22 à travers une capacité de couplage 24 pour 20 parvenir à la jonction 12 du dispositif d'actionnement de telle sorte que ledit signal est appliqué au corps des dispositifs d'actionnement. La résistance 25, disposée entre l'amplifica- teur-inverseur 21 et la liaison 12, assure l'isolement de la sortie à basse impédance de l'amplificateur 21 de telle sorte 25 que, même si les amplificateurs 20et 21 venaient à être saturés pour une tension voisine du niveau de tension minimale d'alimen- tation, la tension continuerait à être fournie aux dispositifs de commande et le mauvais fonctionnement du dispositif d'asser- vissement dû à saturation des sorties d'aimlificateur serait ainsi 30 évité. L'application de la tension alternative à 2,6 kilohertz aux dispositifs de commande du fléchissement provoque le flé- chissement du bloc 1 d'une quantité d'environ 0,1 seconde d'arc ou moins, à la fréquence de 2,6 kilohertz. Le fléchissement du 35 bloc qui en résulte provoque une variation d'intensité du fais- ceau de lumière laser due à la variation des pertes par diffraction dans l'ouverture de la cavité du gyroscope à anneaux laser. La lumière provenant de l'anneau est détectée par un photodétec- 2495312 7 teur 26 qui est positionné pour recevoir la lumière pénétrant dans le miroir 3. Le signal provenant du détecteur 26 est am- plifié dans un amplificateur 27, est appliqué par une capacité 28 à un amplificateur 29 qu'il quitte pour traverser un filtre 5 passe-bande 30. La capacité 28 assure le couplage du signal alternatif tout en empêchant la saturation de l'amplificateur 29 due aux variations de courant continu. Le filtre passebande 30 laisse passer la partie du signal qui porte l'infor- mation relative au basculement alors qu'elle rejette le bruit 10 sur une large bande. Ceci garantie que le signal sortant du filtre et appliqué au démodulateur 31 ne surcharge pas ce dernier. Le démodulateur 31 qui est représenté en tant que détecteur synchrone reçoit le signal à 2,6 kilohertz provenant de l'oscillateur 22 et fournit un signal d'erreur de sortie 15 sur la ligne 32. Le signal d'erreur provenant du démodulateur 31 est intégré dans un intégrateur proportionnel 33 qui porte des commandes intégrale et proportionnelle fournis par la capacité 34 et la résistance 35 dans sa boucle de rétroaction. La sortie de 1 'intégrateur 33 est reliée par une ligne 36 à 1 'entrée de l'am- 20 plificateur haute tension 20. L'amplificateur haute tension d'inversion 21 reçoit sa tension d'entrée de pilotage de la sortie de l'amplificateur de pilotage 20 par l'intermédiaire d'un fil de liaison 37. Lors du fonctionnement du dispositif, le système 25 d'asservissement maximise la transmission de lumière à travers le bloc de gyroscope à anneaux laser par application d'une tension à courant continu au dispositif d'actionnement utilisé pour faire fléchir le bloc dans une direction qui maximise la sortie de faisceau laser au miroir 3.Par l'utilisation du système 30 d'asservissement en même temps que le fléchissement du bloc de gyroscope tel qu'il est enseigné par l'invention, on obtient un perfectionnement substantiel dans la stabilité de polarisation en comparaison avec les systèmes de l'art antérieur utili- sant par exemple des variations de position du miroir de sortie 35 laser. Le système est en soi éminemment stable. Il fournit une raideur angulaire d'alignement du gyroscope à anneaux laser avec une fréquence naturelle du bloc anneaux laser qui se trou- ve avoir une valeur élevée. 2495312 8 Le mode de réalisation préféré de l'invention propose l'utilisation de six cristaux qui sont disposés symétriquement sur chaque face du bloc de gyroscope à raison d'une paire de cristaux pour chaque branche de la cavité laser, il apparatt 5 aisément à l'homme de l'art que d'autres dispositifs d'action- nement autres que les cristaux piézo-électriques peuvent être utilisés pour faire fléchir le bloc. 2495312 9 REVENDICATIONS 1. Appareil pour corriger la dérive de polarisation résul- tant de la variation de l'angle pyramidal d'un gyroscope à laser en anneaux comportant un bloc (1) contenant une cavité dans laquelle au moins trois trajets allongés, interconnectés 5 constituent une boucle dans laquelle peuvent se déplacer des faisceaux de lumière dans des directions opposées, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un transducteur électromécanique. (5 à 10) couplé au bloc (1) et susceptible de provoquer le flé- chissement du bloc en réponse à l'application d'une tension 10 électrique, et des moyens pour relier le transducteur à une tension de pilotage. 2. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que la cavité s'étend sensiblement dans un plan dans le bloc et le bloc présente des côtés généralement parallèles à ce plan, et 15 en ce qu'il comprend un transducteur électromécanique (5 à 10) couplé à chaque côté du bloc et susceptible de provoquer le fléchissement de ce bloc, ainsi que des moyens (11, 12) pour connecter lesdits transducteurs à une tension pilote de telle sorte que, quand un transducteur s'allonge, l'autre se contracte. 3. Appareil selon l'une des revendications 1 ou 2, caracté- risé en ce que chaque transducteur précité (5 à 10) est allongé et couplé au bloc (1) parallèlement à un trajet allongé dans la cavité. 25 4. Appareil selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le transducteur électromécanique (5 à 10) est un cristal piézo-électrique. 5. Appareil selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens pour 30 engendrer un signal proportionnel aux variations en amplitude d'un faisceau de lumière et des moyens pour appliquer au trans- ducteur une tension proportionnelle au signal pour maximiser l'amplitude du faisceau. 6. Procédé pour corriger la dérive de polarisation dans un 35 gyroscope à anneaux laser résultant de la variation de l'angle pyramidal du gyroscope, le gyroscope comprenant un bloc (1) contenant une cavité dans laquelle au moins trois trajets allon- 2495312 1 0 gés sont interconnectés pour constituer une boucle le long de laquelle peuvent circuler, selon des trajets en opposition, des faisceaux de lumière, caractérisé en ce qu'on provoque le flé- chissement du bloc (1) pour compenser les variations de l'angle 5 pyramidal. 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que la variation de l'angle pyramidal du gyroscope résultant d'une variation de l'accélération, on effectue les phases opératoires qui consistent à mesurer la variation de l'accélération à la- 10 quelle est soumise le bloc et à fléchir le bloc pour compenser la variation d'angle pyramidal d'une quantité proportionnelle à la variation mesurée de l'accélération. 8. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que la variation de la dérive de polarisation résultant du gradient 15 de température, on effectue les phases opératoires consistant à mesurer le gradient de température du bloc, et faire fléchir le bloc pour compenser la variation de l'angle pyramidal d'une quantité proportionnelle au gradient de température mesuré. 9. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que 20 la variation de la dérive de polarisation résultant d'une varia- tion du gradient de température et d'une variation de l'accélé- ration, on effectue en outre les phases opératoires qui consis- tent à : - mesurer le gradient de température du bloc ; 25 - mesurer la variation de l'accélération à laquelle est soumis le bloc ; - procéder à l'addition des variations mesurées pour pro- duire une somme de ces dernières ; et - provoquer le fléchissement du bloc pour compenser la 30 variation de l'angle pyramidal d'une quantité proportionnelle à la somme des variations mesurées. 10. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'on effectue en outre les phases opératoires qui consistent à coupler un transducteur électromécanique au bloc (1), et appli- 35 quer une tension proportionnelle à la variation de l'angle pyra- midal au transducteur (5 à 10) pour provoquer le fléchissement du bloc. 11 . Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce 2495312 qu'on effectue en outre les phases opératoires qui consistent à coupler un transducteur électromécanique (5 à 10) au bloc (1), à faire fonctionner le gyroscope à anneaux laser et à constituer à l'intérieur de ce dernier un faisceau laser ; à 5 détecter le faisceau laser et à fournir un signal d'erreur proportionnel aux variations d'amplitude du faisceau laser et à appliquer ce signal d'erreur à un transducteur électromécani- que (5 à 10) pour compenser la variation d'amplitude du fais- ceau laser.