Brevet FR2544858A1 — publié le 19841026

i la présenta invention concerne un dispositif de mesure de la vitesse de rotation d'un corps L'invention porte plus particulièrement sur un capteur de vitesse de rotation perfectionné du type à laser en anneau. Le capteur de vitesse de rotation ou gyroscope à laser en anneau correspond à une technologie bien connue, bien que relativement récente Cet instrument est basé sur les fréquences de battement produites par l'interaction de faisceaux laser tournant en sens contraire dans une cavité fermée, lorsqu'une fréquence de différence est créée entre eux Une telle différence de fréquence apparaît sous l'effet de l'allongement relatif du chemin de l'un des faisceaux, par rapport à celui de l'autre L'instrument décrit ci-des- sus s'est avéré tre particulièrement utile en tant qu'ins- trument de navigation fixé au véhicule En tant que tel, son utilisation simplifie la conception d'un système de naviga- tion par la suppression de la nécessité de plate-formes équipées de suspensions à la cardan et de structures simi- laires De plus, la précision potentielle élevée du gyrosco- pe à laser en anneau augmente encore l'intérêt de cette technologie. Un inconvénient qui constitue une limitation à l'utilisation du gyroscope à laser en anneau réside dans le phénomène de "verrouillage" qui se produit à des vitesses de rotation relativement faibles Ce phénomène donne lieu à une réponse non linéaire de l'instrument aux vitesses de ro- tation faibles,aussi bien en sens d'horloge qu'en sens in- verse d'horloge. On a tenté de surmonter ce problème de "point aveugle" du gyroscope par des moyens mécaniques comme par des moyens électro-optiques On a employé une oscillation mécanique de haute fréquence de l'instrument pour décaler le fonctionnement de l'instrument vers la région de réponse linéaire Parmi les tentatives employant des moyens magnéto- optiques, figure l'introduction d'une structure de cellule de Faraday dans la cavité laser En procédant de cette -a- nière, on peut appliquer un décalage constant à l'instru -ent pour décaler le fonctiomnement du dispositif hors de la ré- gion non linéaire qui correspond aux vitesses de rotation faibles Ces deux techniques se sont avérées difficiles à mettre en oeuvre, l'oscillation mécanique introduisant sou- vent des effets de vibration notables dans des systèmes de navigation complexes, et le décalage par cellule de Faraday étant difficile à mettre en oeuvre avec succès, du fait qu'il exige un champ magnétique pratiquement constant pour maintenir un décalage optique constant. Le brevet US 3 826 575 décrit Mun procédé pour ré- soủdre les problèmes de stabilité à long terme qui sont associés à la cellule de Faraday Ce brevet décrit l'utili- sation de deux cavités laser triangulaires, avec une confi- guration dans laquelle un segment de chacune des cavités contient une matière ayant une constante de Verdet relative- ment élevée, comme du verre flint la faible distance entre cette paire de segments de cavité homologues permet d'utili- ser une source de tension continue commune, telle qu'une batterie, pour constituer une source de courant pour une bo- bine génératrice de champ, et donc pour appliquer des déca- lages égaux et opposés aux cavités En utilisant des élé- ments optiques et électroniques de combinaison de sortie ap- propriés, on annule les décalages et on obtient pour l'ins- trument un signal de sortie global qui est par nature insen- sible aux variations du décalage magnéto-optique appliqué. On peut donc utiliser une telle structure de décalage com- mune ou différentielle pour éviter les effets du verrouilla- ge en décalant le fonctionnement de cavités indépendantes dans des directions opposées, vers des régions de réponse linéaire, et en supprimant ensuite par annulation les effets de l'erreur de dérive sur le décalage appliqué. Bien que le dispositif décrit dans le brevet pré- cité représente un perfectionnement dans la mesure de vites- sesde rotation faibles,ce dispositif exige l'introduction dans les cavités laser de lames quart d'onde et d'autres éléments qui présentent des pertes et qui, dans une certaine mesure, introduisent également des effets de rétrodiffusion qui aggraventie problème du verrouillage. L'invention résout les problèmes précités de l'art antérieur, ainsi que d'autres, en procurant un capteur de vitesse de rotation à laser en anneau du type dans lequel on utilise des faisceaux de lumière laser tournants en sens in- verse pour mesurer des vitesses de rotation Le capteur com- prend des première et seconde cavités laser, chaque cavité comprenant quatre segments pratiquement rectilignes qui sont disposés de façon à former une figure gauche Un milieu am- plificateur laser est placé à l'intérieur de chaque cavité. Il existe des moyens destinés à décaler de façon optique, de valeurs égales et opposées,les fréquences de battement des première et seconde cavités Il existe enfin des moyens des- tinés à combiner les fréquences de battement de sortie de première et seconde cavités laser pour produire une mesure de la rotation du capteur. Les caractéristiques et avantages de l'invention mentionnés ci-dessus, ainsi que d'autres, ressortiront mieux de la description détaillée qui suit, faite en relation avec les dessins annexés sur lesquels les éléments semblables sont toujours désignés par les mêmes références numériques, et sur lesquels: La figure 1 est un schéma optique en perspective de l'invention; - La figure 2 est une vue en plan de dessus des che- mins optiques des cavités droite et gauche d'un gyroscope à laser en anneau conforme à l'invention; et la figure 3 est une vue latérale du chemin optique de la cavité droite des figures 1 et 2, la vue latérale du chemin optique de la cavité gauche étant pratiquement iden- tique. On va Maintenant considérer 7 es dessins, sur les- quels la figure 1 montre un schéma optique en perspective d'un capteur de vitesse de rotation à laser en anneau con- forme à l'invention Le capteur comprenrd de façon générale la cavité laser fermée droite A, formée par quatre segments pratiquement rectilignes 10, 12, 14 et 16, et la cavité gauche B formée par les segments correspondants 10 ', 12 ', 14 ' et 16 ' Les cavités laser droite et gauche sont disposées symétriquement l'une par rapport à l'autre et, comme on peut le voir, elles sont imbriquées de façon que les segments 10 et 10 ' s'étendent respectivement à l'intérieur de la cavité gauche et à l'intérieur de la cavité droite Les segments très proches 10, 10 ' constituent l'emplacement commun d'un milieu de décalage différentiel et d'ul milieu amplificateur destiné à exciter une émission laser dans les cavités A et B Un aimant permanent tubulaire 18 établit un champ magné- tique commun dans les cavités et ce champ donne lieu à une interaction avec la lumière laser pour produire des déphasa- ges optiques opposés dans les faisceaux à l'intérieur de ces cavités Selon une variante, le champ magnétique pourrait être fourni par une bobine excitée par une batterie, les avantages d'un aimant permanent résidant dans une meilleure stabilité du champ, en combinaison avec l'absence de consom- mation d'énergie et d'effets d"échauffement qui sont norma- lement associés à un électro-aimanto Des anodes 22 et 22 ', en association avec une cathode commune 24, produisent l'ionisation des gaz à l'intérieur des cavités qui est né- cessaire pour produire l'émission laser désirée; ainsi, la génération de l'émission laser et le décalage magnéto-optique de la lumière laser produite ont lieu dans la même région physique (c'est-à-dire la région correspondant aux segments et 10 ') des cavités A et B. Les faisceaux qui tournent en sens inverse dans les cavités sont dirigés par la combinaison de miroirs 26, 28, 30 et 32 de la cavité droite et par la combinaison cor- respondante de miroirs 26 ', 28 ', 30 ' et 32 ' de la cavité gauche Les miroirs 28, 28 ', 32 et 32 ' sont de préférence totalement réfléchissants tandis aue les miroirs 26, 26 ', et 30 ' sont partiellement réfléchisanrts Une partie de la lumière tombant sur les miroirs partiellement réfléchis- sants 26 et 26 ' entre dans des prismes de combinaison res- pectifs 36 et 36 ', tandis qu'une partie de celle qui tombe sur les miroirs 30 et 30 ' entre dans les prismes de combi- naison 34 et 34 ' Les deux jeux de prismes agissent sur les faisceaux qui tournent en sens contraire dans une cavité as- sociée Les prismes de combinaison 36, 36 ' dévient les com- posantes tournant en sens contraire pour donner une paire de faisceaux de sortie parallèles 38, 38 ', et l'intensité de chacun de ces faisceaux est proportionnelle à celle de l'un des faisceaux tournant en sens contraire à l'intérieur de la cavité les faisceaux sont dirigés vers une paire de photodétecteurs au silicium 40 ou 40 ', dans lesquels leurs- intensités relatives sont converties en signaux électriques correspondants On utilise ces signaux pour la commande de la longueur du chemin de la cavité, comme il est indiqué en détail ci-après, tandis qu'on utilise les signaux de sortie des prismes 34 et 54 ' pour la mesure de la rotation. Comme il est bien connu, l'application d'un champ magnétique B au milieu amplificateur produit une séparation dans les courbes de la longueur de la cavité (ou de la fré- quence) en fonction du gain ou de l'intensité de faisceaux tournant en sens contraire La valeur de la séparation des courbes de gain est donnée par p B Bg 1, en désignant par p B et par g 1 des constantes qui représentent respectivement le magnéton de Bohr et la fonction g de Lande Du fait que les gaz contenus dans les segments 10 et 10 ' constituent à la fois le milieu amplificateur et le rotateur de Faraday fai- sant intervenir un champ magnétique destiné à décaler les fréquences optiques dans les cavités A et B, la configura- tion des éléments du gyroscope est telle que les faisceaux -44858 de luière tournant en sens inverse a i intérieur de chaque cavité atteignent une intensité maximale pour des longueurs de carité différentes En outre, du fait de la séparation des ccurces donnmant le gain en fonction de la longueur de la cavité, il existe une seule longueur de cavité pour la- quelle les intensités des faisceaux tournant en sens inverse sont identiques On chcisit donc les divers paramètres de conception de l'invention de façon que la longueur de cavité nominale soit celle pour laquelle les intensités des fais- ceaux tournant en sens inverse sont identiques Ceci permet un asservissement optique relativement simple de la longueur du chemin de la cavité, au lieu de nécessiter l'emploi d'une oscillation mécanique de miroirs pour détecter le seul "point de verrouillage" disponible de la courbe pour des faisceaux tournant en sens contraire sans séparation de gain, c'est-à-dire l'intensité maximale relativement difficile à déterminer. On commande la longueur du chemin en réglant les positions de miroirs 28, 28 ' au moyen de transducteurs pié- zoélectriques classiques 44, 44 ' Les transducteurs 44, 44 ' sont actionnés par des signaux électriques produits par des circuits d'asservissement qui comprennent les comparateurs 42, 42 ' Les circuits comprenant les transducteurs 44, 44 ' sont conçus de façon à déplacer les miroirs 28, 28 ', sous la dépendance de signaux provenant des comparateurs 42, 42 ' (indiquant la différence d'intensité entre des faisceaux individuels des paires de faisceaux 38, 38 '), pour faire tendre vers zéro la différence entre ces signaux De cette manière, la longueur de chaque cavité est asservie à la seule longueur connue pour laquelle les intensités des fais- ceaux tournant en sens inverse à l'intérieur des cavités coïncident ou ont un rapport constant choisi. Les faisceaux tournant en sens inverse qui sont transmis à travers les miroirs 30, 30 ' sont combinés au moyen de prismes 34, 34 ', pour produire un signal optique représentatif de la fréquence de battement qui est produite par les fréquences différentes des faisceaux tournant en sens contaire à l'intérieur des cavités Comme il est bien connu dans la technique des gyroscopesà laser en anneau, cette fréquence de battement fournit la mesure de la rota- tion du gyroscope Comme décrit ci-dessus, les signaux op- tiques sont appliqués à des photodétecteurs 46, 46 ', dans lesquels ils sont transformés en signaux électriques repré- sentatifs, pour être traités par des circuits de détection de vitesse (non représentés) les circuits de détection de vitesse, qui peuvent comprendre une configuration classique de compteurs numériques et d'éléments analogues, synchroni- sés de façon appropriée, combinent les signaux de sortie des deux cavités d'une manière telle que leur décalage optique commun soit annulé et que les effets à long terme de la dé- rive du champ magnétique soient éliminés du signal de sor- tie final. la figure 2 est une vue en plan de dessus des chemins optiques de la cavité droite A et de la cavité gau- che B Comme on peut le voir, les miroirs des cavités diri- gent les faisceaux selon des chemins qui définissent des triangles rectangles isocèles Comme le montre clairement la figure 3, qui est une vue latérale de la cavité droite A, le segment 14 est orienté verticalement, ce qui-donne une configuration gauche pour la cavité par ailleurs triangulai- reo En outre, comme le montre la figure 3, les segments de cavité 12 et 16 sont contenus dans des plan parallèles qui sont perpendiculaires au segment 14 (ceci concerne la cavité droite et une configuration identique est établie pour la cavité gauche), et le segment 10, formant l'hypoténuse du triangle, est incliné par rapport aux deux plansparallèles précités. Bien que le mode de réalisation représenté puisse 9 tre préférable pour la fabrication et/ou d'autres raisons, les configurations précises des chemins optiques qui sont recrésentées n'excluent en rien d'autres configuration appro- priées pour le fonctionnement de l'invention Il suffit que les cavités A et B soient gauches, c'est-à-dire qu'elles ne scient pas contenues dans un plan; il n'est pas nécessaire que deux segments soient parallèlcs dans un sens quelconque, ni que les segments de raccordement 14 et 14 ' soient orien- tés perpendiculairement à un ou plusieurs autres segments des cavités En outre, ccntrairement à la représentation fai- te sur la figure 2, il n'est pas nécessaire que les segments des cavités A et B forment des triangles; ces cavités doi- vent simplement avoir des configurations géométriques gau- ches comprenant des chemins optiques définis par quatre mi- roirs A titre de considération de conception, on peut dire que l'importance de l'écart par rapport à un plan qui résul- te des longueurs relatives des segments 14 et 14 ' sera ajus- tée conformément à l'écartement désiré entre les modes de la cavité en polarisation circulaire à droite et à gauche, de façon à pouvoir ajuster la longueur de la cavité afin qu'un seul de ces modes donne lieu à un effet laser dans chaque cavité (même mode de polarisation dans les segments 1 C et '), ce qui annule les effets du champ magnétique (décalage) et produit l'addition désirée d'effets de rotation entre les cavités, conformément à l'invention Une telle conception est tout-à-fait dans le domaine des possibilités de l'homme de l'art. Comme il est bien connu, une cavité optique vide non plane avec quatre miroirs réfléchissants diélectriques parfaits ne permet la propagation que de modes de lumière en polarisation circulaireo Ainsi, seuls les modes en pola- risation circulaire des faisceaux lumineux laser tournant en sens inverse se propagent dans les deux cavités gauche et droite, qui sont des éléments d'entrée appropriés pour les rotateurs de Faraday de décalage optique qui comprennent les combinaisons de l'aimant 18 et des plasmas à l'intérieur des segments 10 et 1 C' Dans le brevet précité, des modes en polarisation linéaire peuvent se propager dans des cavités laser planes à trois miroirs, ce qui exige l'introduction de lames quart d'onde dans les cavités laser pour faire en sorte que la lumière par ailleurs polarisée de façon liné- aire soit compatible avec le dispositif de décalage de Faraday. En outre, un élément solide est utilisé en tant que matière de décalage de Faraday dans le brevet précité De tels élé- ments ont des pertes et ajoutent dans la cavité une rétro- diffusion optique qui produit des phénomènes de verrouillage parasites. On voit ainsi que l'invention procure un capteur de vitesse de rotation à laser en anneau nouveau et perfec- tionné Un capteur conforme à l'invention offre les avanta- ges d'un décalage différentiel sans introduire à l'intérieur de ses cavités des configurations d'éléments optiques qui ont des pertes et d'autres inconvénients L'invention offre en outre un procédé très avantageux pour la commande de la longueur du chemin de la cavité qui évite les inconvénients, parmi lesquels les problèmes de fiabilité et de complexité mécanique, de la technique d'oscillation de miroirs. Il va de soi que de nombreuses modifications peu- vent étre apportées au procédé et au dispositif décrits et représentés, sans sortir du cadre de l'invention. DR C__: 3 IC 7 w TIO 1 Canteur de vitesse de rotation à laser en an- neau, du type dans lequel on utili 2 e des faisceaux de lu- mière laser tournant en sens inrveise oour mecsurer la vitesse de rotation de ce capteur, caractérisé ern ce qu'il comprend en combinaison: (a) des première et seccnde cavités laser (A, B); (b) chacune de ces première et seconde cavités la- ser (A, B) comprenant quatre segments pratiquement recti- lignes ( 10, 12, 14, 16, 10 ', 12 ', 14 ', 16 ') disposés de fa- çon à former une figure gauche; (c) un milieu-amplificateur laser dans chacune des cavités (A, B); (d) des moyens ( 18) destinés à décaler de façon optique l'énergie laser, de quantités égales et opposées, dans les première et seconde cavités; et (e) des moyens ( 34, 46, 34 ', 46 ') destinés à combiner l'énergie dans les première et seconde cavités la- ser (A, B) pour produire une mesure de la rotation du cap- teur. 2 Capteur de vitesse de rotation à laser en an- neau selon la revendication 1, caractérisé en ce que: (a) un segment ( 10) de la première cavité laser (A) est placé, sur toute sa longueur, à faible distance d'un segment ( 10 ') de la seconde cavité laser (B); et (b) le milieu amplifi- cateur est associé aux segments des cavités qui sont placés à faible distance l'un de l'autre. 3 Capteur de vitesse de rotation à laser en an- neau selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il com- prend: (a) des moyens ( 40, 40 ') associés à chacune des ca- vités (A, B) et réagissant aux intensités relatives des faisceaux qui tournent en sens inverse dans ces cavités; et (b) des moyens ( 42, 44, 42 ', 44 ') qui réagissent aux moyens mentionnés en dernier en réglant les longueurs des chemins optiques de chacune des cavités (A, B). 4 Capteur de vitesse de rctation à laser en an- neau selon la revendication 3, caractérisé en ce que les moyens ( 18) destinés à produire des décalages optiques 11 il égaux et opposés sont associés aux segments proches ( 10, 10 ') des cavités (A, 3). Capteur de vitesse de rotation à laser en anneau selon la revendication 4, caractérisé en ce que les moyens destinés à produire des décalages optiques égaux et opposés comprennent des moyens ( 18) destinés à appliquer un champ magnétique commun aux segments proches ( 10, 10 ')o 6 Capteur de vitesse de rotation à laser en anneau selon la revendication 5, caractérisé en ce que la figure gauche forme un triangle, dans une vue présélectionnéeo 7 Capteur de vitesse de rotation à laser en anneau selon la revendication 6, caractérisé en ce que les moyens ( 42, 44, 42 ', 44 ') destinés à régler les longueurs des che- mins optiques de chacune des cavités comprennent au moins un transducteur piézoélectrique ( 44, 44 ') 8 Capteur de vitesse de rotation à laser en anneau selon la revendication 7, caractérisé en ce que les moyens réagissant aux intensités relatives des faisceaux tournant en sens contraire comprennent enoutre: (a) un prisme ( 36, 36 ') destiné à dévier la lumière dans la cavité en deux faisceaux parallèles, le premier faisceau étant fonction de l'intensité de la lumière qui tourne dans un premier sens et le second faisceau étant fonction de l'intensité de la lu- mière qui tourne dans le sens opposé; (b) des moyens ( 42, 42 ') destinés à'comparer les intensités de ces faisceaux; (c) des moyens ( 42, 42 ') destinés à produire un signal sous la dépendance de la différence entre les intensités de fais- ceaux; et (d) des moyens ( 42, 42 ') destinés à appliquer ce signal au transducteur piézoélectrique ( 44, 44 ').