Brevet FR2550623A1 — publié le 19850215

La présente invention concernce des gyroscopes à fibre optique et, plus particulièrement, la stabilisation en température du facteur d'échelle optique d'un gyroscope à fibre optique à annulation de phase. Leprincipe du gyroscope à fibre optique à annulation de phase est basé sur l'interféromètre Sagnac dans lequel unedifférence de phase est provoquée par rotation entre des faisceaux lumineux se propageant en sens inverse Un exemple d'un tel gyroscope est décrit 10 dans le brevet des Etats Unis d'Amérique N 4 299 490. Si aes franges d'interférence sont formées entre les faisceaux lumineux, un décalage de franges se produit qui est lié à la vitesse de rotation et ainsi on peut produire un détecteur de rotation en observant le dé15 calage des frangea Dans le gyroscope à fibre optique à annulation de phase, le décalage des raies ou différence de phase dû à une vitesse de rotation appliquée est annulé au moyen d'un modulateur de fréquence ou de phase non réciproque, et l'étendue de la modulation de 20 fréquence ou de phase nécessaire à l'annulation de la différence de phase est une mesure de la rotation appliquée Le facteur qui lie la modulation de fréquence ou de phase à la vitesse de rotation appliquée est appelé facteur d'échelle optique S du gyroscope et l'on a trouvé que S varie avec les fluctuations de la température ambiante, donnant ainsi naissance à des erreurs dans la détermination de la vitesse de rotation Par conséquent, un objet de la présente invention est d'au moins réduire la variation de S avec la température, c'est-à-dire de réduire le coefficient de température du facteur d'échelle optique. Dans un aspect de la présente inventicn, on prévoit un moyen de compensation de température pour gyroscope à fibre optique qui comporte une fibre bobinée dans laquelle passe le rayonnement dans des directions opposées, ce qui permet de détecter la rotation du gyro, ce moyen de compensation de température étant destiné à imposer à la fibre bobinée un coefficient de 15 dilatation thermique qui est choisi en fonction du coefficient de température de l'indice de réfraction de la fibre bobinée de manière à au moins réduire leur différence Dans un gyro à annulation de phase qui utilise un système de modulation de fréquence, on peut montrer. que la fréquence F appliquée au modulateur est liée à la vitesse de rotation appliquée CJ par la formule F =US, o S est le facteur d'échelleoptique Pour ce type de gyro, on peut montrer que le coefficient de tempé25 rature du facteur d'échelle optique est égal au coefficient de dilatation thermique de la bobine moins le coefficient de température de l'indice de réfraction concernant la fibre Dans ce cas, le moyen de compensation de température est de préférence prévu pour impo30 ser à la fibre bobinée un coefficient de dilatation thermique qui est approximativement égal au coefficient de température de l'indice de réfraction concernant la fibre, de manière à réduire sensiblement le coefficient de température du facteur d'échelle optique. Dans un agencement, le moyen de compensation de température comprend un gabarit sur lequel la fibre est bobinée, ce gabarit étant constitué d'un matériau ayant un coefficient de dilatation thermique tel qu'il impose à la bobine un coefficient de dilatation thermique qui est approximativement égal au coefficient de température de l'indice de réfraction de la fibre bobinée. Dans un autre agencement, le moyen de compensation de température comprend un revêtement prévu sur la fibre bobinée, ayant un coefficient de dilatation ther10 mique suffisant pour imposer à la fibre bobinée un coefficient de dilatation thermique qui est approximativement égal au coefficient de température de l'indice de réfraction de la fibre bobinée. Dans l'un et l'autre agencement, le moyen de com15 pensation de température est de préférence constitué d'un matériau qui a une conductibilité thermique relativement élevée demanière à réduire les gradients thermiques dans la bobine. La présente invention sera bien comprise à la 20 lecture de la description suivante faite en relation avec les dessins ci-joints, dans lesquels: la figure 1 est une représentation schématique d'un premier type de gyroscope à fibre optique comportant une première forme de moyen de compensation de 25 température, et la figure 2 est une vue en-coupe d'une fibre d'un gyroscope à fibre optique ayant une seconde forme de moyen de compensation de température. En liaison tout d'abord avec la figure 1, on a 30 représenté un gyroscope à fibre optique à annulation de phase qui comprend umepremière forme de moyen de compensation de température Le gyroscope est constitué d'une bobine 10 en fibre optique 11 à monomode que traverseddes faisceaux lumineux en sens opposé produitspar un laser 12 et un dispositif 13 de division de faisceau, qui après avoir traversé la bobine sont recombinés par le dispositif 13 pour être appliqués à un détecteur 14 Si le gyroscope est scumis à une rotation G, une différence de phase sera introduite entre les faisceaux quittant la bobine qui est liée à la rotation appliquée. Cette différence de phase est détectée par le détecteur 14 et annulée en provoquant une différence de phase compensatoire au moyen d'un modulateur de fré10 quence 15 L'un des faisceaux se propa 9 eant dans le sens inverse rencontre le modulateur 15 avant Ce traverser ia nobine 10, mais l'autre faisceau traverse la bobine, puis le modulateur Par conséquent, les faisceaux quittent tous deux la bobine avec la même fréquence décalée en 15 avant, mais avec une différence de phase déterminée par le décalage en avant de la fréquence introduit par le modulateur de fréquence 15 et la longueur de la babine En marche, lorsque legyroscope est soumis à une rotation, la différence de phase résultante est annu20 lée par réglage du décalage en avant de la fréquer nce introduit par le modulateur, et on peut montrer que le décalage en avant F de la fréquence requis est lié à la vitesse de la rotation appliquée &D par: F = 2 RC o R = rayon de la bobine en fibre optique = longueur d'onde de la lumière utilisée n = indice de réfraction de la fibre utilisée. Le terme 2 R est appelé facteur d'échelle optique 30 S du gyroscope et on souhaite augmenter la stabilité de ce terme avec la température, et idéalement le rendre constant quelle que soit la température ambiante. Pour un gyroscope à annulation de phase employant un modulateur de fréquence et fonctionnant à une fré35 quence stabilisée, on peut montrer que la variation fractionnelle du facteur d'échelle optique due à la température d S (le coefficient de température du facteur d'échelle optique) est donnée par 1 d S 1 d R 1 dn S ' d = R ' d T ' d T ( 1) I d R o _ d T est le coefficient de dilatation thermique du R d T n rayon de la bobine et d est le coefficient de temn d T pérature de l'indice de réfraction de la bobine enfibre, et on peut voir que le coefficient de dilatation 10 thermique du rayon de la bobine est égal au coefficient de dilatation thermique de la fibre, c'est-à-dire 1 d R 1 d L f d RT = L dû Une analyse similaire du facteur d'échel' d-T= L d T' le S peut être appliquée à un gyroscupe à annulation de phase qui utilise un modulation de phase au lieu d'un 15 modulateur de fréquence, et à cet égard, le procédé et le dispositif décrits ici pour la stabilisation en température du facteur d'échelle optique peuvent être appliqués à tous les types de gyro en fibre optique à annulation. Les fibres monomodes convenant pour des gyroscopes en fibre sont en général presque exclusivement fabriquées à partir de verre de silice fortement dopé pour lequel le coefficient de température de l'indice de réfraction est compris dans la gamme allant de 6 à 25 8 x o 16 degrés C 1, en fonction de, longueur d'onde de fonctionnement. En liaison de nouveau avec la figure 1, la bobine 10 est enroulée sur un gabarit 16 qui est constitué d'un ou de plusieurs matériaux (par exemple une structure à couchesconcentriques)tel que le coefficient de dilatation thermique radial i de la fibre est R d T amené à avoir une valeur approximativement adaptée au coefficient de température de l'indice de réfraction de la fibre Dans le cas d'une fibre monomode à base 35 de silice, le coefficient de dilatation thermique ra- dial non modifié est très faible, voisin de 5 x 10-7 degrés C-1, et par conséquent le gabarit de bobine 16 confèrera une contrainte à la fibre bobinée, de manière à imposer un coefficient de dilatation thermique 5 proche du coefficient de température de l'indice de réfraction. On a trouvé que par suite de l'effet photo-élastique, le coefficient de température de l'indice de réfraction de la fibre diminue -lorsqu'elle est soumise 10 à une contrainte par le gabarit d'environ 20 % pour une fibre à base de silice et par conséquent, pour l'exemple spécifié, le coefficient de dilatation thermique devant être imposé à la bobine doit être compris entre 4,8 et 6,4 10-6 degrés C-1. On notera que c'est la bobine de fibre qui est amenée à avoir le coefficient de dilatation thermique spécifié et non le gabarit On a trouvé, par exemple, que par suite de l'effet de faisceau des nombreuses spires de la bobine, le coefficient de dilatation thermique du gabarit lui-même doit être sensiblement supérieur à celui qu'il confère à la bobine. On choisit également le gabarit de bobine 16 de manière à minimiser les gradients de température dans la bobine car on a montré que ceux-ci introdui25 sent d'autres erreurs, et par conséquent on choisit le matériau dont il est formé de manière qu'il présente une conductibilité thermique aussi élevée que possible tout en satisfaisant simultanément les critères de dilatation thermique exposés ci-dessus. Le choix du matériau pour le gabarit de la bobine est vaste etdesmatériaux appropriés sont les verres au borosilicate tels que les verres dits Schott N BK 3 et BK 5 ayant des dilatations thermiques de ,3 x 10-6 degrés C-1 et 6,0 x 10-6 degrés C-1, res35 pectivement, dans la gamme de température allant de -30 C à + 70 C et ayant des conductibilités thermiques de l'ordre de 1 Wm-1 K-1. D'autres matériaux répondant aux critères précédents apparaîtront à l'homme de métier, dont le choix peut être basé sur le coût, la facilité d'utilisation, la disponibilité, etc. En liaison avec la figure 2, on a représenté une autre forme de moyen de compensation de température; dans ce cas, le coefficient de dilatation thermique mo10 difié est imposé à la fibre 11 de la bobine au moyen d'un revêtement extérieur épais 17, par exemple en matériau dit Nylon, qu'on choisitde manière à conférer à l'ensemble composite fibre revêtement un coefficient de dilatation thermique supérieur à celui de la fibre seule, et qui est voisin du coefficient de température de l'indice de réfraction de la fibre. Dans la plupart des cas, la fibre restera enroulée sur le gabarit 16 de manière à éviter le mouvement de la bobine, mais dans ce cas, le gabarit de bobine est constitué d'un matériau qui a un très faible coefficient de dilatation thermique de manière à ne pas induire une nouvelle tension et de nouvelles variations du facteur d'échelle. La présente invention n'est pas limitée aux 25 exemples de réalisation qui viennent d'être décrits, elle est au contraire susceptible de variantes et de modifications qui apparaîtront à l'homme de l'art. REVENDICATI -S 1 Forme perfectionneede gyroscope à fibre optique du type comportant une fibre bobinée ( 11) que traverse un rayonnement dans des directions opposées, permettant ainsi la détection de la rotation du gyroscope, caractérisée en ce qu'elle com prend un moyen de compensation de température ( 16,17) destiné à imposer à la fibre bobinée un coefficient de dilatation thermique qui est choisi eu égard au coefficient de température de l'indice de réfraction de la fibre bobinée de manière à au moins réduire la différence les séparant. 2 Forme de gyroscope selon la revendication 1, caractérisée en ce que le moyen de compensation de tem15 pérature ( 16,17) impose à la fibre bobinée (I 1) un coefficient de dilatation thermique ayant une valeur approximativement égale au coefficient de l'indice de réfraction de la fibre. 3 Forme de gyroscope selon la revendication i 1 20 ou la revendication 2, caractérisée en ce que le noyer de compensation de température comprend un élément de gabarit ( 16) sur lequel est bobinée la fibre ( 11). 4 Forme de gyroscope selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisée en ce que le moyen 25 de compensation de température comprend un revêtement ( 17) appliqué à la fibre bobinée ( 11). Forme de gyroscope selon la revendication 3 ou la revendication 4, caractérisée en ce que le moyen de compensation de température ( 16,17) est constitué 30 d'un matériau ayant une conductibilité thermique relativement élevée de manière à réduire les gradients thermiques dans la bobine. 6 Forme de gyroscope selon la revendication 4, caractérisée en ce que l'élément de gabarit ( 16) est 35 constitué d'un verre au borosilicate.