Brevet FR2524148A2 — publié le 19830930

FR 2524148 A2 19830930 FR 8205230 A 19820326 On a décrits au brevet principal, un dispositif de mesu- re d'une composante de la vitesse angulaire d'un mobile sur lequel il est monté, qui comprend des moyens optiques aptes à réaliser un parcours optique fermé sur lui-meme, des moyens générateurs de deux faisceaux de lumière cohérente monochromatique de fréquences réglables et dont les variations de fréquence sont mesurables, des moyens agencés pour faire pénétrer dans le parcours une fraction de chacun des deux faisceaux lumineux de façon que leursrayonnements respectifs circulent dans ledit parcours en des sens inverses, des moyens de mesure à chaque instant de l'intensite de chacun de ces deux rayonnements, des moyens agencés pour donner successivement à la fréquence de chacun des rayonnements, par réglage de leurs moyens générateurs, une multiplicité de valeurs selon une séquence périodiquement répétée et un calculateur qui enregistre, d'une part, les écarts des fréquences respectives des deux rayonnements à partir d'une fréquence connue, corrélatifs des réglages successifs des dits moyens générateurs, et d'autre part, les valeurs des intensités des deux rayonnements, calculateur qui est agencé pour déterminer, à partir de ces données, écart en fréquence des courbes représentatives des lois de variation de l'intensité lumineuse, en fonction de la fréquence correspondant respectivement aux deux sens de parcours et pour déterminer la vitesse angulaire proportionnelle audit écart de fréquence. Dans une première addition, on a décrit un dispositif selon le brevet principal, caractérisé par le fait que les moyens optiques aptes à réaliser un parcours optique fermé sur lui-même sont constitués par un guide de lumière de grande longueur, et qu'il comporte des moyens correcteurs agencés pour compenser ou réduire l'effet des variations de la longueur optique résultant de l'action des facteurs perturbateurs. Il subsiste une difficulté inhérente à la réalisation du parcours optique au moyen d'un guide de lumière et en particulier d'une fibre optique : cette difficulté résulte du fait que l'état de polarisation de la lumière varie le long du guide et de plus peut fluctuer dans le temps, par effet de divers facteurs tels que, par exemple, les contraintes mécaniques ou le champ magnétique. Il en résulte que même si, à la résonance, il y a bien concordance de phase du rayonnement après un tour du parcours avec le rayonnement entrant, il n'y a pas identité de polarisation, d'où réduction de lsintensité mesurée, et corrélativement de la précision sur la vitesse angulaire.De plus, certains effets, notamment l'action magnéto-optique du champ magnétique affectent d'erreurs de sign contraires, c'est-à-dire non symétriques > les fréquences de résonance des rayonnements circulant en sens opposés, et sont cause d'une importante erreur de zéro sur la vitesse angulaire. re 4 gCgRelnOtelinvention vise un dispositif du type décrità la/de la première addition au brevet principal, qui est capable de fournir une mesure juste et précise de la vitesse an yulaire malgré les variations de la polarisation, imposées par le guide de lumière aux radiations y circulant, lorsqu'il est soumis à divers effets perturbateurs. A cet effet3 la présente addition prévoit de doter le dispositif de moyens agencés pour détecter les effets des facteurs aptes à modifier la polarisation de la lumière circulant dans chaque sens, le long du guide d'onde, et des moyens aptes, à partir de ces informations, à compenser lesdits effets, ou à corriger la mesure de la vitesse angulaire, des erreurs qu'ils produisent. On peut, selon la disposition la plus générale, conduire la lumière extraite de la cavité résonnante, en provenance de chacun des sens de parcours, à des photodétecteurs munis d'analyseurs de polarisation, ces ensembles étant au moins au nombre de quatre, correspondant à deux polarisations rectilignes orthogonales entre elles et aux F B risations circulaires droite et gauche. D'après les intensités respectives de ces composantes diversement polarisées, de la lumière provenant de chaque sens de parcours, on peut commander des éléments correcteurs appropriés disposés dans le parcours optique. Les éléments correcteurs utilisés pour compenser les effets d'une biréfringence peuvent exploiter un phénomèneappliquer ,pn électro--optique, et comporter, pour cela, les moyens pour/ I.un /élément approprié inclus dans le parcours optique, ou à la matière du guide d'onde lui-même, un champ électrique régla ble en intensité et en azimut. Mais un mode de réalisation plus avantageux consiste à exploiter l'analyse des courbes de résonance relatives à chaque sens de parcours, qui est opérée par le calculateur aux fins de mesure de la vitesse angulaire pour déterminer les fréquences de résonance qui apparaissent par l'effet des phénomènes qui font varier la polarisation. Dans le cas, par ou exemple,/des parties du guide d'onde sont douées de pouvoir rotatoire, et si la polarisation est restée rectiligne, il est connu que le rayonnement peut être décomposé en deux rayonnements de polarisations circulaires inverses, lesquels se propagent à des vitesses différentes, et ont des fréquen ces de résonance distinctes.L'analyse de la courbe de réso nance par le calculateur met en évidence ces deux fréquences, et permet de commander, d'après leur différencessun élément correcteur apte à compenser l'effet rotatoire, de façon à faire coïncider les deux fréquences. S'il existe en outre un effet rotatoire non symétrique, donc affectant en sens inverse les plans de polarisation des rayonnements circulant en sens inverses, il produit un écart de fréquence supplémentaire, dont le signe s'inverse avec le sens de parcours. La différence entre l'écart des fréquences dédoublées relatives à un des sens de parcours et l'écart des fréquences dédoublées relatives à l'autre sens de parcours mesure l'effet rotatoire non symétrique, et commande un second correcteur qui compense cet effet, par un effet de même natu re, par exemple magnéto-optique > jusqu'à supprimer le dédouble ment pour les deux sens de parcours. L'écart entre les fréquences relatives aux deux sens de parcours, mesure alors la vitesse angulaire. L'avantage de ce mode de réalisation est que les données utiles aux compensations résultent uniquement du traitement des courbes de résonance, effectué pour la me sure de vitesse angulaire selon le brevet principal : ce n'est plus nécessaire de reconnaitre les types de polarisation, et les dispositifs analyseurs ne sont plus nécessaires. Selon un autre mode de réalisation, les données d'écarts entre fréquences de résonance dédoublées, établies par le traitement effectué dans le calculateur, ne sont pas utilisées à compenser ces écarts mais exploitées dans le calcul pour corriger la mesure; les correcteurs correspondants ne sont pas nécessaires. Plus généralement, les mesures de toutes les fréquences de résonance, c'est-à-dire deux mesures définies par le dédoublement d'un mode d'oscillation de la cavité correspondant à un sens de parcours et deux mesures définies par le dédoublement du mode correspondant pour l'autre sens de parcours sont combinées dans le calculateur .Les effets rotatoires, qui changent de signe selon le sens de la vitesse angulaire, comme la variation de fréquence due à la rotation d'entrainement, se distinguent de cette dernière,en ce qu'ils changent aussi de signe selon le sens de la polarisation circulaire. Ce fait permet d'éliminer le déplacement de fréquence dû aux effets non symétriques, et de tirer la différence de fréquence) mesure de la vitesse angulaire. Pour obtenir une analyse assez facile des courbes de résonance, et une détermination assez précise des fréquences de résonance, il est utile que celles-ci présentent entre elles un écart suffisant. On augmente cet écart en interposant dans le parcours un élément à pouvoir rotatoire. Il est préférable, pour éviter des pertes au raccordement, de communiquer cette propriété à une section du guide de lumière au moyen d'un traitement approprié, physique ou mécanique. Si les courbes ne sont pas suffisamment séparées, on peut distinguer les mesures d'intensité lumineuse qui les définissent au moyen d'analyseursde polarisation. Pour éviter que l'analyse des courbes de résonance soit faussée par une lumière polarisée circulairement ou elliptiquement, due à la biréfringence accidentelle d'une section du guide de lumière, cet effet est compensé par la biréfringence produite par un correcteur approprié, électro-optique par exemple. Celui-ci est asservi de façon à réduire la différence d'intensité des deux pics de résonance correspondant respectivement aux deux sens de polarisation. La figure unique du dessin annexé représente un mode de réalisation de l'invention. Le dispositif représenté comporte une cavité constituée comme celle décrite dans la première addition, par une fibre optique 1 qui définit un parcours optique fermé, que la lumiere peut suivre dans le sens marqué par les flèches 2a ou dans le sens marqué par les flèches 2b. La fibre optique est enroulée sur la bobine 4. Une partie 3 de la fibre optique peut être soumise à l'action de dispositifs correcteurs. Comme dans la première additiongde de la lumière issue d'un laser 8 est introduite dans les sens 2a et 2b au point 14 de la fibre optique 1, per l'intermédiaire du dlvistTyr 9 et et du guide de lumière 13 des deux miroirs lla et lîbALes deux faisceaux issus du diviseur 9 sont transmis aux miroirs lla et llb,respective mentJpar déflection dans deux variateurs de fréquence 10a et lOb. La commande de ces variateurs par un programmeur n'est pas représentée sur la figure.Une petite fraction de la lumière circulant, dans chaque sens, dans la fibre optique 1 est extraite au point 16 de cette fibre, d'où elle est conduite par le guide de lumière 15 à chacun des deux photodétecteurs 17a et 17b correspondant chacun à l'un des sens de parcours. Les dispositifs de correction de la longueur optique du parcours, électro-optiques, thermiques ou autres ne sont pas représentésvnon non plus que le commuta- teur, commandé par programme, qui permet éventuellement d'alterner des phases de correction et des phases de mesure. Les signaux de mesure d'intensité lumineuse produits par les deux photodétecteurs 17a et 17b sont amplifiés et codés par des éléments non figurés et transmis au calculateur de traitement 19. Cet élément reçoit également les signaux de fréquences f a et fb, qui commandent respectivement les variateurs de'fréquence 10a et lOb. Ces signaux communiquent à l'élément de traitement 19 l'information des fréquences lumineuses F+fa et F+f b introduite dans la fibre optique, pour y circuler dans les sens des flèches 2a et 2b respectivement. Avec ces données, le calculateur détermine la courbe fréquenceintensité relative à chaque sens de parcours.Si des effets perturbateurs produisent un changement de polarisation au bout d'un tour de parcours, chacune de ces courbes présente deux maxima pour les fréquences Fal et Fa2, en ce qui concerne un sens de parcours et d'autre part Fbl et Fb2 pour l'autre sens. La moyenne des écarts Fa2-Fa1 et Bb2-Fb1 représente l'effet des facteurs symétriques .La différence de ces écarts est l'effet dçs facteurs non sYmét,ri ues. modifier ences correcteur3 agences our Dans une première variante,/ la polarisation de la lumière circulant dans la matière constituant la fibre opti que) sont disposés pour agir sur certaines sections de la partie 3 de la fibre optique 1; ils peuvent exploiter un principe électro-optique ou magnéto-optique ou encore comporter une action mécanique sur la fibre agissant par effet élasto -optique.La figure montre à titre d'exemple non limitatif un correcteurelectrooptique. I1 comporte une première paire d'électrodes planes 21 et 21' capables de créer un champ électrique perpendiculaire à l'axe de la partie 3 et de la fibre optique, /une deuxième paire d'éiectrodes planes 22 et 22' qui établit un chanip électrique perpendiculaire à la fois à la partie 3 de la fibre optique et au champ électrique des électrodes 21 et 21'. Un générateur haute tension 23 établit entre les électrodes 21 et 21' la différence de potentiel génératrice du champ électrique; de même les électrodes 22 et 22' sont connectées à la sortie du générateur haute tension 24. Les générateurs 23 et 24 sont pilotés par le calculateur 19.- la figure montre aussi un correcteur à effet magnéto-optique; il est constitué par un solénoïde 25 parcouru par le courant électrique produit par un générateur à intensité régulée 26, piloté par le calculateur 19. I1 produit un champ magnétique dirigé selon l'axe de la partie 3 de la fibre optique) qui produit sur la polarisation un effet rotatoire non symétrique. Dans une deuxième variante, la vitesse angulaire est calculée, sans réduction préalable des effets de changement de polarisation, et sans détermination des deux fréquences de résonance qui correspondraient à une polarisation rectiligne constante. L'écart SF entre les fréquences de résonance relatives respectivement aux deux sens de parcours, qui mesure la vitesse angulairenest donné par la formule 2#F=Fal + Fa2 + Fa2 - Fbl - Fb2 La mesure est facilitée si 1'écart entre les deux pointes de résonance est accru; à cet effet, la partie 3 du parcours optique peut avantageusement etre douée d'un pouvoir rotatoire : elle peut etre constituée par une baguette de quartz raccordée optiquement à deux extrémités de fibre optique, par des optiques convergentes à progression d'indice. De préférence c'est la fibre elle-meme à laquelle on communique un pouvoir rotatoire par un traitement approprié, mécanique par exemple. Pour améliorer les conditions d'analyse des courbes de résonance, en réduisant les effets de biréfringence, on peut utiliser un correcteur électro-optique tel que celui qui est représenté sous les références 21, 21', 22, 22' mis sous tension par les générateurs 23 et 24; ceux-ci sont alors pilotés par le calculateur 19 de façon à réduire la différence entre les deux intensités maximales correspondant à chacun des sens de parcours. Revendications. 1. - Dispositif de mesure d'une composante de la vitesse angulaire du mobile sur lequel il est monté, qui comprend un guide de lumière apte à réaliser un parcours optique fermé sur lui-même, des moyens générateurs de deux faisceaux de lumière cohérente monochromatique de fréquences réglables et dont les variations de fréquence sont mesurables, des moyens agencés pour faire pénétrer dans le parcours une fraction de chacun des deux faisceaux lumineux de façon que leurs rayonnements respectifs circulent dans ledit parcours en des sens inverses, des moyens de mesure à chaque instant de ltintensité de chacun de ces deux rayonnements, des moyens agencés pour donner successivement à la fréquence de chacun des rayonnements, par réglage de leurs moyens générateurs, une multiplicité de valeurs selon une séquence périodiquement répétée, un calculateur qui enregistre, d'une part, les écarts des fréquences respectives des deux rayonnements à partir d'une fréquence connue, corrélatifs des réglages successifs desdits moyens générateurs, et vautre part, les valeurs des intensités des deux rayonnements, calculateur qui est agencé pour déterminer à partir de ces données, l'écart en fréquence dés courbes représentatives des lois de variation de l'inten- sité lumineuse, en fonction de la fréquence correspondant respectivement aux deux sens de parcours, et pour déterminer la vitesse angulaire proportionnelle audit écart de fréquence, selon la revendication 1 du brevet principal, caractérisé par le fait qu'il comporte des moyens de déterminer les variations de ltétat de polarisation subies par le rayonnement en un tour du parcours. 2. - Dispositif selon la revendication 1, dans lequel les moyens de déterminer des variations de l'état de polarisation subies par le rayonnement en un tour de parcours sont des analyseurs de polarisation qui reçoivent une fraction de la lumière extraite du parcours. 3. - Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, dans lequel le trajet optique fermé comporte des dispositifs correcteurs agencds pour produire une modification locale de l'état de polarisation du rayonnement y circulant, lesquels sont commandés d'après la mesure d'une variation correspondante de l'état de polarisation de façon à compenser ou à réduire la dite variation. 4.- Dispositif selon l'une des revendications i à 3, dans lequel un dispositif correcteur opère par un effet électrooptique au moyen d'un champ électrique réglable en intensité et en direction appliqué transversalement à un élément de la cavité. 5.- Dispositif selon l'une des revendications i a' 3,dans lequel un dispositif correcteur opère par un effet magnéto-optique, au moyen d'un champ magnétique réglable en intensité appliqué à un élément de la cavité dans le sens du parcours. 6. - Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel le guide de lumière est agencé pour accroître l'écart entre deux fréquences de résonance résultant du dédoublement d'un mode d'oscillation sous l'effet d'un facteur de variation de l'état de polarisation,de préférence symétri que. l'une des l'une des 7. - Procédé d'utilisation du dispositif selon / re vendicationsli6,canctérisé par le fait qu'on détecte des variations de l'état de polarisation pour chacun des sens de parcours par l'écart de deux fréquences de résonance définies par le dédoublement d'un mode d'oscillation produit par la dite variation de l'état de polarisation, lequel écart de fréquences est obtenu par le traitement de l'intensité lumineuse en fonction de la fréquence réalisée dans le calculateur. selon la revendication 7 8. - Procédé d'utilisation/du dispositif selon l'une des revendications 1 à6, dans lequel l'information relative à certains changements de polarisation est exploitée dans le calculateur pour apporter aux mesures la correction correspondant auxdiX changementset déterminer la vitesse angulaire, sans compensation de ces changements. selon l'une des revendications 7 ou 8 9. - Procédé d'utilisation/du dispositif selon l'une des revendications 1 à 6, dans lequel les deux fréquences de résonance, définies par le dédoublement d'un mode d'oscillation de la cavité pour l'un des sens de parcours, et les deux fréquences définies par le dédoublement du mode correspondant pour l'autre sens de parcours, sont combinées dans le calculateur de façon à éliminer 11 effet des facteurs non symétriques de changement de polarisation, et à fournir la différence de fréquences qui est la mesure de la vitesse angulaire. 10. - Procédé d'utilisation du dispositif selon l'une des revendications 1 à 6, dans lequel un correcteur de l'état de polarisation est réglé d'apures la mesure de la différence des mesures des intensités des deux pointes de résonance correspondant au dédoublement d'un mode d'oscillation de fa çon à annuler ou réduire la différence des dites intensités par compensation du faeteur de variation du type de polarisation produisant cette différence.