Brevet FR2557970A1 — publié le 19850712

i 0 La présente invention concerne d'une façon géné- rale un capteur de vitesse angulaire à laser et, plus particulièrement, une technique perfectionnée de mise en oscillation mécanique de miroirs d'un tel capteur de vitesse angulaire destinée à obvier aux erreurs dues au verrouillage ou accrochage qui se produisent lors de la détection de fai- bles vitesses angulaires. Un capteur de vitesse angulaire à laser, ou gyros- cope à laser en anneau, comporte deux faisceaux laser mono- chromatiques tournant en sens inverses qui font le tour d'un trajet fermé grâce à des réflexions successives sur trois ou quatre miroirs. Lors de la rotation du capteur autour de son axe de détection, la longueur effective du trajet est changée pour les deux faisceaux et il en résulte une diffé- rence des fréquences entre les faisceaux qui est proportion- nelle à la vitesse angulaire de rotation. Aux faibles vitesses de rotation, alors que la différence de fréquences entre les deux faisceaux laser devrait être petite, on constate que les faisceaux tendent à se "verrouiller", c'est-à-dire à osciller à la même fréquence, en sorte qu'on ne détecte pas de différence de fréquences. L'une des voies générales de résolution de l'art antérieur, pour l'élimination du verrouillage, a consisté à faire vibrer mécaniquement le capteur angulaire à laser afin de remonter les faibles vitesses de rotation du capteur hors de la plage de verrouillage. Quoiqu'elle se soit avérée utile pour réduire le verrouillage, cette vibration en bloc n'éli- mine pas complètement le verrouillage et il est en général indésirable de soumettre la totalité du capteur à des vibra- tions ininterrompues. Un autre mode de mise en vibration, décrit dans le brevet des E.U.A. N 3 533 014, consiste à faire vibrer sinusoidalement chaque miroir d'un système à trois miroirs dans une direction parallèle à sa surface réflectrice. Ceci est difficile à réaliser en pratique étant donné les forces transversales relativement grandes qui sont nécessaires pour actionner ainsi les miroirs. Une autre voie encore de résolution, exposée dans le brevet des E.U.A. N 4 281 930, met en oeuvre la vibration de chacun des trois miroirs d'un gyroscope à laser dans une direction orthogonale à leur surface réflectrice. Bien qu'il soit relativement facile de faire vibrer des miroirs de cette manière, à moins qu'une relation de phase correcte ne soit maintenue avec précision, la longueur de la cavité des fais- ceaux se modifiera pendant le cycle de vibration, ce qui est indésirable. Un capteur de vitesse angulaire à laser selon la présente invention comporte quatre miroirs convenablement disposés aux angles d'un carré de façon à réfléchir deux faisceaux laser dirigés en sens opposés autour d'un trajet fermé qui se situe le long de l'axe optique de la cavité. Des moyens de mise en vibration, ou moyens vibrateurs, sont couplés à deux miroirs adjacents pour faire osciller ces miroirs longitudinalement (c'est-à-dire perpendiculairement à la surface principale du miroir), la phase relative entre les mouvements des deux miroirs étant maintenue à 180 degrés, en sorte que la longueur de la cavité reste inchangée. Le circuit d'excitation des moyens vibrateurs est commandé en contrôlant le déplacement réel des miroirs afin d'ajuster et de maintenir l'amplitude de vibration à une valeur pré- déterminée qui est de préférence de 0,271 fois la longueur d'onde du rayonnement laser correspondant à l'indice de modulation de la fonction de Bessel d'ordre zéro, J0. Le circuit d'excitation des moyens vibrateurs est capable de provoquer la vibration lorsque la vitesse angu- laire appliquée au gyroscope est proche de zéro (c'est-à- dire dans la plage de verrouillage) mais se désactive pour des valeurs situées en dehors de la plage de vibration. Sur les dessins annexés: la figure 1 est une représentation schématique d'un capteur de vitesse angulaire à laser conforme à la présente invention; la figure 2 est une vue partielle en élévation d'un miroir et des moyens de mise en vibration du miroir la figure 3 est un schéma synoptique fonctionnel d'un circuit de commande et d'excitation en vibration; et la figure 4 représente un autre circuit de com- mande et d'excitation en vibration. En se référant maintenant aux dessins et en par- ticulier à la figure 1, il est représenté un capteur de vitesse angulaire à laser 10 qui comprend un bloc fonc- tionnel d'une seule pièce présentant une cavité 12 qui s'étend le long d'un trajet de forme carrée. La cavité con- tient typiquement un mélange de néon et d'hélium sous une pression très basse (par exemple 400 Pa). En établissant une différence de potentiel élevée entre une cathode 13 et une anode 14 ainsi qu'entre une cathode 15 et une anode 16, on engendre deux faisceaux laser moDochromatiques qui che- minent en sens opposés le long des axes de la cavité, glo- balement désignés par la ligne 17. Des miroirs 18-20 sont disposés à chaque angle de la cavité carrée et ont pour fonction première de diriger les deux faisceaux laser suivant le trajet de la cavité, en général suivant la ligne 17. Les deux miroirs adjacents 18 et 19 comportent des oscillateurs mécaniques du type piézoélectrique, respectivement 22 et 23, qui, lorsqu'ils sont excités, font osciller ou vibrer ces miroirs dans une direction perpendiculaire à la surface réflectrice plane du miroir. Lorsque les miroirs présentent une surface réflectrice incurvée, la vibration de chacun d'eux se fait dans la direction de son axe optique. En se référant maintenant à la figure 2, des vibrateurs ou oscillateurs piézo-électriques 22 et 23 con- venant aux présents objectifs comprennent une matière qui se dilate et se contracte à mesure qu'une différence de potentiel électrique est appliquée et supprimée entre deux faces opposées. L'application d'une tension à variation périodique à la matière piézo-électrique provoque donc un allongement et un raccourcissement de la matière qui, à son tour, agit par l'intermédiaire du boîtier 25 du vibrateur pour faire vibrer le miroir. Un excellent moyen pour engen- drer cette vibration consiste en la céramique piézo-élec- trique fonctionnant comme un bimorphe décrite dans le brevet des E.U.A. N 4 383 763. On se réfère maintenant à la figure 3 pour la description d'une première forme de circuit de commande et d'excitation en vibration des miroirs. Typiquement, dans un gyroscope à laser, un miroir (ici le miroir 20) est partiel- lement transparent aux faisceaux laser de façon à leur per- mettre d'attaquer des moyens 26 consistant en un système optique et un photo-détecteur afin de produire des signaux en réponse à l'onde correspondant à la fréquence de batte- ment des lasers qui est représentative de la vitesse appli- quée au gyroscope. Les signaux issus des moyens 26 sont envoyés sur un circuit classique de comptage pour engendrer une information donnant à la fois la grandeur et le signe de la rotation appliquée. L'information sur la vitesse de rotation appliquée est également envoyée vers un micropro- cesseur 28 dont le rôle consiste à décider si le gyroscope se trouve bien en dehors de la plage de verrouillage. Un générateur 29 d'onde sinusoidale fournit un signal alternatif à un amplificateur à gain variable 30 qui, à son tour, est connecté à un circuit 31 d'attaque du vibra- teur piézo-électrique 22 du miroir 18. De même, le signal sinusoidal issu du générateur 29 est appliqué à un deuxième amplificateur 32 dont la sortie est connectée à un circuit déphaseur 33 o le signal est déphasé de 180 degrés avant d'être appliqué à un circuit 34 d'attaque du vibrateur piézo-électrique 23 du miroir 19. Pour ce qui est du fonc- tionnement du circuit de mise en vibration tel que décrit à ce point, les deux vibrateurs 22 et 23 des miroirs sont excités en mode alternatif à des fréquences et amplitudes identiques, mais avec un déphasage de 180 degrés. Cette différence de phase assure, ainsi qu'il est désirable, que la longueur de la cavité est maintenue constante à l'égard des deux faisceaux laser. La valeur absolue du comptage issu du système optique et du photodétecteur 26 pour un nombre entier d'oscillations des miroirs est accumulée dans un compteur 35. Une impulsion de synchronisation est envoyée à cette fin depuis le générateur d'onde sinusoïdale jusqu'au compteur. Le compte d'impulsionb du compteur 35 est converti en un équivalent analogique au moyen d'un convertisseur numérique/ analogique 36 dont le signal de sortie est appliqué simul- tanément aux entrées de commande de gain des amplificateurs 30 et 32 pour provoquer une variation correspondante de l'amplitude de sortie des circuits d'attaque 31 et 34. Le microprocesseur 28 fournit sur la liqne 37 un signal d'activation au générateur d'onde sinusoïdale 29, aussi longtemps que le gyroscope fonctionne dans les limites de la plage prédéterminée de verrouillage. Lorsque la gran- deur d'entrée du gyroscope dépasse largement la limite de verrouillage en l'absence de vibration, mais avant que soit atteinte la plage d'accrochage du premier ordre engendrée par la vibration au niveau du premier harmonique de la fré- quence de vibration, le générateur d'onde sinusoïdale est désactivé de facon que la vibration du miroir soit complè- tement arrêtée à ce moment. La figure 4 représente une autre version d'un circuit de commande et d'excitation en vibration. Comme dans le premier mode de réalisation décrit, un générateur d'onde sinusoïdale 38 est connecté par l'intermédiaire d'un amplifi- cateur 39 et d'un circuit d'attaque 40 à un miroir 18 actionné en un mouvement vibratoire périodique. De même, comme pre- cédemment, le générateur d'onde sinusoïdale applique une tension alternative par l'intermédiaire de l'amplificateur 41, du déphaseur 42 et du circuit d'attaque 43, à un miroir 19 vibrant aux mêmes fréquence et amplitude que le miroir 18, mais avec un déphasage de 180 degrés. Un miroir 21 partiellement transparent laisse passer un faisceau laser unique jusqu'à une diode photosen- sible 44 qui engendre un signal correspondant à l'intensité du faisceau unique. Ce signal contient une composante alter- native en même temps que la sortie hétérodyne normale du gyroscope, en raison de la rétrodiffusion à l'intérieur de la cavité qui est essentiellement due aux miroirs. Le signal de sortie de la diode photosensible 44 est mis en forme dans un détecteur crête-à-crête 45 et un signal d'erreur est engendré par un amplificateur d'erreur 46. Ce signal est utilisé pour commander le gain des amplificateurs 39 et 41 de telle manière que les miroirs sont asservis à une ampli- tude de travail qui minimise la composante alternative (à la fréquence de battement de sortie du gyroscope) présente dans le signal issu de la diode photosensible 44. Il est également prévu un modulateur d'amplitude 47. Dans la mise en pratique de l'invention décrite, deux miroirs immédiatement adjacents (c'est-à-dire consécu- tifs) d'un gyroscope à laser sont mis en vibration à une même fréquence et une même amplitude, mais avec une diffé- rence de phase de 180 degrés, dans des directions respecti- vement perpendiculaires au plan des miroirs. Les deux modes de réalisation désactivent automatiquement la vibration des miroirs lorsque la vitesse appliquée au gyroscope dépasse la plage de verrouillage. REVENDICATIONS 1. Capteur de vitesse angulaire à laser (10) dans lequel un premier et un second faisceaux laser cheminant en sens opposés sont réfléchis sur quatre miroirs (18, 19, 20, 21) de facon à parcourir un trajet fermé (17) autour d'un axe de détection de vitesse angulaire appliquée, caractérisé en ce qu'il comprend: un premier moyen vibrateur (22) des- tiné à actionner un premier (18) desdits miroirs dans une direction perpendiculaire à la surface réflectrice dudit premier miroir; un second moyen vibrateur (23) destiné à actionner un deuxième miroir (19) immédiatement adjacent audit premier miroir dans une direction perpendiculaire à la surface réflectrice dudit deuxième miroir; et des moyens d'excitation destinés à activer lesdits premier et second moyens vibrateurs avec une différence de phases de 180 degrés et à la même amplitude prédéterminée. 2. Capteur de vitesse angulaire à laser selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens d'ex- citation comprennent des moyens (28) destinés à interrompre l'activation desdits premier et second moyens vibrateurs (22, 23) lorsqu'est appliquée au capteur (10) une vitesse angulaire excédant une vitesse prédéterminée de verrouillage. 3. Capteur de vitesse angulaire à laser selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits premier et second moyens vibrateurs (22, 23) sont activés de façon à ce que l'amplitude des vibrations soit égale à 0, 271 fois la longueur d'onde des faisceaux laser. - 4. Gyroscope à laser en anneau,caractérisé en ce qu'il comprend: un gyroscope à laser en anneau (10) pourvu de deux faisceaux laser tournant en sens opposés et compor- tant quatre miroirs (18, 19, 20, 21); des moyens pour actionner en translation deux (18, 19) desdits miroirs dans des modes vibratoires à la même fréquence et sensiblement seulement dans des directions respectivement verticales par rapport aux surfaces réflectrices desdits miroirs (18, 19); et des moyens (33, 42) de calage en phase des mouvements des deux miroirs vibrants afin de maintenir constamment à sa valeur initiale la longueur du trajet (17) des fais- ceaux laser lors du déplacement desdits miroirs vibrants. 5. Gyroscope à laser en anneau,caractérisé en ce qu'il comprend: des moyens (11) constituant une cavité op- tique (12) en boucle fermée contenant un milieu actif de fonctionnement laser pour y engendrer des faisceaux laser tournant en sens opposés, la différence de fréquences entre les faisceaux lumineux constituant une mesure de la vitesse de rotation qui est appliquée au gyroscope à laser en anneau, ladite cavité étant munie de moyens comprenant quatre miroirs (18, 19, 20, 21) pour réfléchir lesdits faisceaux lumineux; et des moyens destinés à mettre en vibration à la même fré- quence deux (18, 19) desdits miroirs selon des mouvements de translation respectivement uniquement perpendiculaires à la surface du miroir correspondant, lesdits miroirs vi- brants ayant des amplitudes de vibration et une différence de phases non nulles de telle façon que la distance totale autour de ladite boucle fermée reste sensiblement constante.