Brevet FR2508632A1 — publié le 19821231

La présente invention concerne de manière générale les dispositifs de détection de vitesse angulaire et a trait notamment à un gyroscope à laser en anneau comprenant des moyens permettant de compenser des gradients de tempéra- ture et les effets résiduels dé verrouillage. Le gyroscope à laser en anneau représente une nouvelle tendance par rapport auxdispositifsde détection de vitesse angulaire connus Les détecteurs de vitesse angulaire classique font appel à une masse en rotation pour obtenir une direction de référence Les détecteurs utilisant des masses en rotation sont sujets à des problèmes inhérents dont des dérives importantes, provoquées par le frottement, et par des couples parasites Le gyroscope à laser en anneau permet, dans une grande mesure, d'éliminer les caractéristiques indésirables de ces détecteurs connus Son fonctionnement se base entièrement sur des phénomènes optiques et électroniques permettant de mesurer le mouvement angulaire à l'aide d'ondes lumineuses sans masse circulant sur un trajet fermé. Les brevets américains no 3 373 650 et 3 467 472 délivrés au nom de Joseph E Kilpatrick enseignent une cavité résonnante en forme de triangle pour laser en anneau, cette cavité étant délimitée par trois miroirs placés aux an- gles La forme triangulaire est préférée parce qu'elle a besoin d'un nombre mi- nimal de miroirs Un laser à gaz remplit la cavité laser Le laser à gaz rem- plissant la cavité comprend de l'hélium et du néon fonctionnant en général à une de deux longueurs d'onde, soit de 1,15 micromètre dans la bande spectrale infrarouge ou de 0,63 micromètre dans la zone des longueurs d'onde visible. Par un choix judicieux du rapport entre les deux isotopes de néon Ne 20 et Ne 22 du mélange de gaz, on arrive à créer deux faisceaux monochromatiques Les deux faisceaux laser se propagent en sens opposésdans la cavité triangulaire en par- courant le même trajet fermé S'il n'y a pas de rotation autour de l'axe d'en- trée, les longueurs des deux faisceaux dans la cavité sont les mêmes et les deux fréquences optiques sont les mêmes Une rotation dans un sens ou dans l'autre provoque une augmentation apparente de la longueur du faisceau se propageant dans la cavité dans le sens de rotation et une diminution de longueur pour l'autre faisceau Du fait que le trajet optique fermé est une cavité résonnante assurant une oscillation soutenue, la longueur d'onde de chaque faisceau doit augmenter ou diminuer en conséquence La rotation de l'anneau dans un sens ou dans l'autre provoque ainsi un dédoublement de fréquence et les deux fréquences sont inégales d'une valeur proportionnelle à la vitesse de rotation Au niveau d'un miroir, servant de miroir de sortie, les faisceaux se propageant en sens opposéssont extraits et mélangés par hétérodynage dans un combinateur de fais- ceaux pour produire une fréquence de battement qui est détecté par les deux photodétecteurs Les deux détecteurs détectent la fréquence de battement dû à l'hétérodynage des deux fréquences, laquelle est une mesure de la vitesse de rotation, mais leurs sorties sont décalées en phase de t 900 en fonction du sens de rotation Par conséquent, les sorties des détecteurs contiennent des informations relatives à la fois à l'amplitude et à la direction de la rotation d'entrée. Tous les gyroscopes à laser en anneau sont sensibles à des gradients de température présents à travers leur ligne de symétrie Ces gradients ont une influence sur l'écoulement de Langmuir Cet écoulement de Langmuir, provoqué par le pompage cataphorétique entre l'anode et la cathode, est en général bien équilibré par un usinage soigné des alésages capillaires qui contiennent la dé- charge lumineuse, par l'utilisation de deux décharges lumineuses disposées sy- métriquement et par le maintien d'une décharge à courant constant dans les deux décharges luimineuses à l'aide de deux régulateurs de courant actifs. Les gyroscopes à laser en anneau de l'art antérieur sont extrêmement sensibles à des variations de température se produisant dans l'air ambiant ou à des variations de température dûes à l'échauffement Ces variations de tempé- rature, pour ce qui concerne les gyroscopes à laser en anneau de l'art anté- rieur, se traduisent par des gradients à travers le plan de symétrie parce que le bloc gyroscopique, selon l'art antérieur était dissymétrique Il en résulte l'apparition d'impulsions de sortie bien qu'il n'y ait pas eu de rotation au- tour de l'axe d'entrée Dans l'art antérieur, pour éviter des vibrations méca- niques, on a recours à un bloc dissymétrique pour compenser exactement les comptes indésirables produits par les vibrations Le verrouillage se produit à de faibles vitesses de rotation d'entrée, c'est-à-dire lorsque la vitesse d'en- trée tombe au-dessous d'une certaine valeur critique de seuil Dans la zone de verrouillage, il existe une relation non linéaire entre l'entrée et la sortie. Au-delà de la zone de verrouillage, il existe une relation sensiblement linéaire entre l'entrée et la sortie. Les gyroscopes à laser en anneau de l'art antérieur sont mis en vibra- tion par voie mécanique à une fréquence comprise entre 100 et 500 Hz Des effets de verrouillage résiduels sont évidents dans ces gyroscopes Ces effets de ver- rouillage résiduel se traduisent par des non-linéarités discrètes dans la constante d'échelle entrée-sortie On utilise en général un mouvement de vibra- tion pseudo-aléatoire pour minimiser les non-linéarités Ce caractère aléatoire a pour effet d'ajouter du bruit à la sortie du laser en anneau si le combina- teur de faisceaux de compensation n'annule pas exactement la sortie du laser en anneau Ce réglage, en ce qui concerne le laser en anneau de l'art antérieur, s'effectue par réglage de la dissymétrie ou du décalage un réglage très péni- ble parce que tous les réglages optiques doivent être refaits entièrement pour chaque réglage du décalage. Les gyroscopes à laser en anneau de l'art antérieur comprennent des combinateurs de faisceaux dans lesquels la convergence entre le faisceau tour- nant dans le sens des aiguilles d'une montre et le faisceau tournant en sens inverse est déterminé par des tolérances étroites lors de la réalisation des angles dans le combinateur de faisceaux Le maintien de ces tolérances étroi- tes est coûteux et limite la liberté de choix de l'emplacement du miroir lors de l'assemblage du miroir de sortie sur le gyroscope à laser en anneau. En conséquence, un but de l'invention est de réaliser un gyroscope à laser en anneau qui est intrinsèquement insensible aux variations de températu- re. Un autre but de l'invention est de réaliser un laser en anneau dans lequel le mouvement de vibration peut être exactement annulé sans repositionne- ment du gyroscope à laser en anneau par rapport à l'axe de vibration et dans lequel la convergence des faisceaux sur le photodétecteur à deux sorties peut être ajustée pour assurer une différence de phase de 900 entre les sorties des photodétecteurs. Un autre but de l'invention est de réaliser un gyroscope à laser en anneau qui est instrinséquement insensible à des effets de bruit résiduel dû à un mouvement de vibrations pseudo-aléatoires. Pour atteindre ces buts, la présente invention a pour objet une cavi- té résonnante de forme triangulaire, délimitée par trois miroirs d'angle, pour laser en anneau Un laser à gaz émettant une lumière monochromatique fait par- tie intégrante de la cavité et comprend une décharge lumineuse capillaire dans le mélange d'hélium et de néon La cavité est portée, à son centre, sur une colonne par une pluralité de moyens élastiques situés tous au niveau de la li- gne de symétrie de la cavité Selon la présente invention, aucune découpe dis- symétrique ni aucun trou décalé n'est nécessaire comme dans l'art antérieur. Ainsi, une variation de température de l'air ambiant ou une variation de tempé- rature due au démarrage ne se traduit pas par des gradients de température à travers la ligne de symétrie du dispositif. L'action essentielle du gyroscope à laser en anneau consiste en la création d'une différence de fréquence entre les ondes dirigées selon des sens opposés, différences proportionnelles à la vitesse angulaire d'entrée Cette différence de fréquence est mesurée à l'aide d'un combinateur de faisceaux, ou interféromètre. Brièvement, un interferomètre est un, dispositif optique permettant de superposer deux faisceaux lumineux cohérents de façon à créer un diagramme d'interférences se composant de franges alternativement claires et sombres. L'emplacement des franges dans la section transversale commune des faisceaux est fonction de la phase relative des deux faisceaux Si les fréquences des fais- ceaux sont différentes, cela est équivalent à une différence de phase qui change tout le temps, de sorte que le diagramme de franges se déplace sur la surface d'un détecteur qui fournit une sortie à la fréquence de la différence Ce pro- cédé est également appelé "hétérodynage". En ce qui concerne un gyroscope, le facteur de proportionnalité en- tre la différence entre les fréquences et la vitesse angulaire d'entrée est appelée la sensibilité du gyroscope La mise en vibration du bloc gyroscopique, en vue d'éliminer les phénomènes de verrouillage, a pour effet l'émission d'une sortie indésirable par le détecteur de franges en raison de cette sensibilité du gyroscope Si l'interféromètre peut en outre être rendu sensible à la vitesse angulaire d'entrée grâce à un décalage de phase, provoqué par voie mécanique d'un des faisceaux, la sortie indésirable peut être réduite ou même éliminée. Un coin optique en verre ou verre-céramique est fixé sur la face ex- térieure du miroir et provoque une faible réfraction angulaire d'un des fais- ceaux de sortie Ce faisceau de sortie est renvoyé sous un certain angle par un miroir vers un dédoubleur de faisceaux semi-transparent, par lequel l'autre faisceau est renvoyé vers le photodétecteur à deux sorties avec le premier faisceau Un angle judicieusement choisi du coin fait que la sensibilité de cet interféromètre est égale et opposée à celle du laser en anneau lorsque le laser est mis en vibration autour de son point central de symétrie Par suite de pe- tits ajustements du miroir et du dédoubleur de faisceaux, on peut régler avec précision la sensibilité pour annuler la sensibilité du gyroscope à laser en anneau En outre, il est possible d'ajuster exactement la convergence des deux faisceaux de lumière frappant le photodétecteur à deux sorties pour obtenir un décalage de phase désiré de 900, et ce sans exigences quant aux tolérances et avec un positionnement arbitraire du miroir de sortie sur le gyroscope à laser en anneau, par rapport à l'angle de son coin. Une forme d'exécution de la présente invention est décrite ci-après à titre d'exemple, en référence aux dessins annexés dans lesquels: la figure 1 est une représentation schématique d'un gyroscope à laser en anneau de l'art antérieur qui est sensible à des gradients de température à travers sa ligne de symétrie; et la figure 2 est une représentation schématique du gyroscope à laser en anneau conforme à la présente invention, sur laquelle on voit le coin qui, avec le miroir et le dédoubleur de faisceaux, constitue un interféromètre. Sur la figure 1, on voit un gyroscope à laser en anneau de l'art an- térieur comprenant un combinateur de faisceaux classique permettant de mettre en évidence les moyens classiquement utilisés pour éviter le verrouillage Le gyroscope comprend un bloc triangulaire en verrecéramique 10, dans lequel est creusée par usinage une cavité La cavité est délimitée par deux miroirs à ré- flexion élevée 12 et 13 et un miroir de sortie 14 La cavité est remplie d'un mélange de He et Ne Une décharge à plasma entre les deux anodes 15 et 16 et une cathode 17 assure à la cavité remplie de He-Ne le gain nécessaire. Le bloc 10 est porté mécaniquement dans un bottier par l'intermédiai- re d'un ressort 18 comprenant une pluralité de lames Le ressort 18 est fixé sur le bottier au niveau d'une colonne de support 19 Le bloc 10 est entralné, par exemple, par des dispositifs piézoélectriques externes (non représentés) de façon à vibrer autour d'un point A Le point A est décalé d'une distance d par rapport au centre du bloc triangulaire 10 Le but de ces vibrations est d'intro- duire une vitesse d'entrée suffisamment élevée pour éliminer l'effet de verrouil- lage On arrive à le faire de manière efficace en utilisant des vibrations pseudo-aléatoires Afin de récupérer avec précision la vitesse d'entrée réelle à laquelle le laser en anneau est sujet, il est nécessaire de faire appel à un combinateur de faisceaux de compensation Ce combina teur de faisceaux est constitué d'un rétro-réflecteur en cube 20 disposé au niveau d'un angle Les faisceaux CW et CCW et les faisceaux lumineux monochromatiques se combinent au niveau d'un miroir demi-étamé 21 Le mélange par effet hétérodynage des fais- ceaux CW et CCW est détecté à l'aide d'un photodétecteur 22 Le rétroréflecteur et, dans la plupart des cas, le photodétecteur sont fixés sur le bottier En dirigeant les faisceaux CW et CCW de cette façon, on réalise un interferomètre. La sensibilité de l'interferomètre réalisé est égale et opposée à celle de la sortie du gyroscope à laser en anneau lorsque le gyroscope est mis en vibration autour du point A qui est choisi pour que le décalage, d, égalel'épaisseur t, du miroir 14. Selon l'art antérieur, les faisceaux CW et CCW sont combinés pour réaliser un faible angle de convergence entre les deux faisceaux lorsqu'ils atteignent le photodétecteur 22 Ainsi, il se forme un diagramme d'interféren- ces qui se compose de deux ou plusieurs zones claires entre lesquelles se si- tuent des zones sombres Ce diagramme en forme 2 de barres se déplace vers un côté ou vers l'autre en fonction du sens de rotation du laser en anneau Le sens de rotation du laser en anneau peut ainsi être détecté en divisant le pho- todétecteur 22 en deux zones, espacées du quart de la distance, ou 900, entre les zones claires du diagramme en barres. Des découpes dissymétriques 23, 24 et 26 et un trou décalé 27 servent à assurer par voie mécanique l'équilibre du bloc autour de sa colonne de sup- port 19 Cet équilibrage est nécessaire afin d'éviter un couplage mécanique à des sources externes de vibrations linéaires. L'inconvénient du gyroscope à laser en anneau représenté sur la fi- gure 1 est qu'il est extrêmement sensible à des gradients de température à travers son axe de symétrie B-B Ces gradients entraînent des modifications de l'écoulement de gaz à l'intérieur de la cavité, modifications qui ont pour conséquence l'émission d'impulsions de sortie à des instants o il n'y a pas d'introduction d'une vitesse d'entrée Cette instabilité se produit dans le dis- positif de l'art antérieur représenté sur la figure 1 lorsqu'il y a une modifi- cation de la température externe La raison en est que le bloc dissymétrique entraîne des gradients de température Les constantes de temps thermique Ben jeu sont de l'ordre de quelques heures. Un autre inconvénient du gyroscope à laser en anneau de la figure 1 est que la différence entre la sensibilité du laser en anneau et la sensibilité du combinateur de faisceaux, appelé également "spillover", ne peut être réglée que par repositionnement du gyroscope à laser en anneau sur sa suspension - procédé difficile qui introduit en outre une dissymétrie supplémentaire. Un autre inconvénient de ce gyroscope à laser en anneau de l'art an- térieur est que la convergence des faisceaux sur le double photodétecteur de sortie est déterminée par des tolérances et l'angle en coin du miroir de sortie. Il est impossible d'effectuer les ajustements nécessaires sans rectification et repoussage du miroir de sortie. Sur la figure 1, on voit un mode de réalisation de la présente inven- tion La structure représentée sur la figure 2 est essentiellement la même que celle de la figure 1 Par conséquent, seules les caractéristiques importantes constituant l'invention seront décrites en détails Sur la figure 2, le centre du ressort 18 et de la colonne de support 19 se trouve au point A, lequel est situé sur la ligne médiane B-B du bloc En outre, il n'y a ni découpes dissymé- triques, ni trous décalés dans le bloc Un coin optique 28, en U L E par exem- ple est fixé sur le miroir de sortie 29 par un adhésif optique U L E est la dénomination donnée par la société dite Corning Glassworks à une silice à dila- tation ultra faible, un verre stabilisé au titane La silice U L E est claire comme l'eau et présente une dilatation thermique bien adaptée au bloc laser Le bloc laser est en général en un verre-céramique à faible dilatation thermique résistant à la diffusion de l'hélium, par exemple le produit "cervit" commercia- lisé par Owen-Illinois ou "zerodur" commercialisé par Schott Une bonne adapta- tion de la dilatation thermique est nécessaire pour éviter-les biréfringences optiques dues à des contraintes induites par la chaleur Le coin 28 possède une face fixée par adhésion sur le miroir de sortie Toutes les surfaces optiques exposées à l'air sont revêtues typiquement d'un produit anti-réflecteur pour réduire les pertes Le faisceau tournant en sens contraire des aiguilles d'une montre est renvoyé par un miroir rotatif 30 à travers un dédoubleur de faisceaux 31 sur le photodétecteur à deux sorties 32 Le faisceau tournant dans le sens des aiguilles d'une montre, après avoir été réfracté par le coin 28, est renvoyé partiellement par le dédoubleur de faisceaux 31 sur le photodétecteur à deux sorties 32 Le faible angle, d'environ 4050 ', fait par le coin 28 se traduit par une diminution de la sensibilité de l'interféromètre ainsi réalisé En ajus- tant le dédoubleur de faisceaux 31 pour l'approcher ou l'éloigner du point A, on peut faire en sorte que la sensibilité du combinateur de faisceaux annule exactement la sortie provenant du gyroscope à laser et provoquéeparle mouvement de vibration Par une orientation correcte du dédoubleur de faisceaux 31, on peut corriger l'inclinaison du diagramme d'interférences en barres sur le photo- détecteur à deux sorties 32 et on peut ajuster l'écartement des franges pour obtenir une différence de phase de 900 entre les sorties du photodétecteur Les modes de réalisation que l'on vient de décrire permettent d'utiliser un bloc symétrique à suspension disposée symétriquement. Les avantages sur l'art antérieur sont que l'instabilité due à la dissymétrie est éliminée, il n'y a pas besoin de prévoir des découpes et des trous décalés pour obtenir l'équilibrage et le miroir de sortie peut être posi- tionné sur le bloc en position optimale permettant de minimiser la diffusion en arrière Cela n'est pas possible avec les instruments de l'art antérieur (par exemple la figure 1) parce que le miroir de sortie 14 comprend une portion 21 semi-étamée lors de sa fabrication et le miroir de sortie 14 a également la forme d'un coin pour provoquer la convergence entre les faisceaux. On vient de décrire un gyroscope à laser en anneau comprenant des moyens optiques permettant une structure et un support symétriques d'un laser en anneau qui éliminent la sensibilité à des variations de température En ou- tre, l'invention permet de placer le réflecteur de sortie en position optimale pour minimiser la diffusion en arrière et assurer de ce fait un instrument plus performant On peut éliminer complètement le phénomène appelé "spillover". REVENDICATIONS 1 Gyroscope à laser en anneau d'une configuration permettant d'éli- miner les gradients de température à travers son axe de symétrie, caractérisé en ce qu'il comprend: a) des moyens ( 10) supportant deux faisceaux de lumière monochromati- que tournant en sens contraires le long d'une boucle fermée autour d'un axe (A) de façon qu'il se produise une différence de fréquence entre les faisceaux lorsque les moyens de support tournent autour dudit axe b) un miroir de sortie ( 29); c) un interféromètre ( 30, 31, 32) situé au niveau du miroir de sortie ( 29) pour détecter ces différences, comprenant un détecteur ( 32) sur lequel les faisceaux sont reproduits et des moyens fixés sur les moyens de support ( 10) pour déplacer angulairement un des faisceaux pour que la sensibilité de l'inter- féromètre ainsi réalisée soit rendue exactement égale et opposée à celle du gy- roscope à laser en anneau, lorsque le gyroscope à laser en anneau est mis en vibration autour dudit axe (A). 2 Gyroscope à laser en anneau selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend: a) un photodétecteur à deux sorties ( 32) b) un coin optique ( 28) fixé sur le miroir de sortie ( 29) et réfrac- tant un des faisceaux de sortie; c) un dédoubleur de faisceaux ( 31) renvoyant une partie dudit faisceau sur le photodétecteur ( 32); d) un miroir rotatif, renvoyant l'autre faisceau de sortie à travers le dédoubleur de faisceau ( 31); ledit autre faisceau étant renvoyé sur un trajet optique séparé afin de modifier la sensibilité de l'interféromètre afin de rendre sa sensibilité exactement égale et opposée à celle du gyroscope à laser en anneau. 3 Gyroscope à laser en anneau, caractérisé en ce qu'il comprend a) une cavité laser de forme triangulaire; b) des moyens faisant partie intégrante de la cavité et produisant deux faisceaux de lumière monochromatique tournant en sens contraires; c> une surface réfléchissante prévue à chaque jonction entre les bran- ches de la cavité, une de ces surfaces réfléchissantes étant constituée par un miroir de sortie ( 29); d) une base ( 10) e) des moyens ( 18, 19) permettant de supporter centralement la cavité laser sur la base ( 10) en vue de la mise en vibration pseudo-aléatoire de la cavité, f) un détecteur ( 32) et g) des moyens ( 30, 31, 32) situés à proximité du miroir de sortie ( 29) destinés à intercepter les deux faisceaux de lumière monochromatique émis par la cavité et à diriger chacun de ces faisceaux le long d'un trajet prédé- terminé en direction du détecteur ( 32), comprenant des moyens optiques ( 30, 28, 31) fixés extérieurement du miroir de sortie ( 29) pour dévier le trajet des faisceaux, ces moyens optiques constituant un interféromètre d'une sensibilité égale et opposée à celle du gyroscope à laser en anneau lorsque le gyroscope à laser en anneau est mis en vibration. 4 Gyroscope à laser en anneau selon la revendication 3, caractérisé en ce que les moyens optiques comprennent: un coin optique ( 28) fixé sur le miroir de sortie ( 29) pour dévier le trajet d'un premier faisceau de sortie, un miroir rotatif ( 30) destiné à intercepter le trajet d'un deuxième faisceau et le diriger vers le détecteur ( 32); et un dédoubleur de faisceaux à transmission partielle ( 31) disposé en- tre le miroir rotatif ( 30) et le détecteur ( 32), pour transmettre une partiedu second faisceau et renvoyer une partiedu premier faisceau sur le détecteur ( 32), afin de réaliser un diagramme d'interférences sur le détecteur ( 32). Gyroscope à laser en anneau selon la revendication 4, caractérisé en ce que le dédoubleur de faisceau à transmission partielle ( 31) est fixé de manière réglable sur la base ( 10) pour faciliter l'annulation exacte de la sor- tie à vibrations du gyroscope à laser en anneau et pour faciliter le réglage de l'inclinaison du diagramme d'interférences dû à l'interaction des deux faisceaux. 6 Gyroscope à laser en anneau selon la revendication 5, caractérisé en ce que le détecteur ( 32) est constitué par un photodétecteur à deux sorties.