Brevet FR2583872A1 — publié le 19861226

PROCEDE DE BOBINAGE D'UN GYROSCOPE A FIBRE OPTIQUE ET BOBINE DE FIBRE OPTIQUE AINSI OBTENUE La présente invention se rapporte à un procédé de bobinage de l'enroulement de fibre optique formant l'anneau d'un gyroscope. Un type connu de gyroscope est constitué à partir d'un interféromètre en anneau, encore appelé interféromètre de SAGNAC. Un tel interféromètre comporte principalement une source d'énergie lumineuse généralement constituée par un laser; un dispositif optique constitué soit d'un certain nombre de miroirs, soit d'une fibre optique enroulée sur elle-même, ce dispositif formant guide d'onde; un dispositif de séparation et de mélange de la lumière et un dispositif de détection et de traitement du signal détecté. Il est connu que dans ces interféromètres, il existe deux ondes issues du dispositif séparateur et parcourant en sens opposes un même trajet optique. Une propriété fondamentale des interféromètres en anneau est la réciprocité qui peut s'exprimer comme suit: toute perturbation du trajet optique affecte semblablement les deux ondes malgré que ces deux ondes ne la subissent ni exactement au même instant, ni dans le même sens. Il existe cependant deux types de perturbations qui affecte réciprocité. Il s'agit, d'une part, des perturbations qui varient dans le temps, ce dans un laps de temps comparable au temps que mettent les ondes à se propager le long du chemin optique de l'interféromètre; et, d'autre part, des perturbations dites "non-réciproques", c'est-à- dire les perturbations n'ayant pas le même effet sur les ondes selon qu'elles se propagent dans un sens ou dans un autre le long du chemin optique. Il s'agit d'effets physiques qui détruisent la symétrie du milieu dans lequel se propagent les ondes. Deux effets connus présentent ce dernier type de pertur- bations: - l'effet Faraday, ou effet magnéto-optique colinéaire, par lequel un champ magnétique crée une orientation préférentielle du spin des électrons d'un matériau optique; - et l'effet Sagnac, ou effet inertiel relativiste, dans lequel la rotation de l'interféromètre par rapport à un repère Galliléen détruit la symétrie du temps de propagation. Cet effet est mis à profit pour réaliser des gyroscopes notamment. L'invention se place dans ce cadre d'application. En l'absence de manifestation de perturbations "non récipro- ques", la différence de phase (que l'on appelera dans ce qui suit A 4) entre les deux ondes qui se recombinent dans le dispositif de séparation et de mélange après avoir parcouru le chemin optique est nulle. Dans le cas contraire, c'est-à-dire lorsque le système tourne dans l'espace inertiel, la différence de phase obéit à la relation A q'.!2 S f - (1) c relation dans laquelle f est la fréquence de l'onde optique et c la célérité de la lumière dans le vide. Le déphasage A 0 dépend du produit scalaire entre le vecteur surface apparente S de la bobine de fibre utilisée pour constituer l'anneau, et le vecteur rotation I. Le système est donc sensible au flux du vecteur rotation à travers la bobine. -}. Le vecteur surface apparente S est défini par la relation: S r (M) A dl (2) relation dans laquelle le signe J représente l'intégrale sur le contour fermé défini par le chemin suivi par la lumière le long de la fibre,M un point quelconque de ce contour fermé et dl est le vecteur différence de marche. 4. La direction du vecteur S est parallèle à l'axe de symétrie de la bobine. Le système détecte donc les rotations autour de cet axe et est insensible aux rotations autour d'axes orthogonaux. Pour de nombreuses applications de navigation, il est fondamental que la direction de l'axe soit très stable. Cette stabilité, dite de pointage, peut être affectée par des déplacements des différentes spires de la bobine de fibre. Le problème est simple à résoudre dans le cas d'une bobine à une seule couche. Il est possible de réaliser dans un tube support de la bobine une gorge hélicoïdale formant pas-de-vis, de période supérieure au diamètre de la fibre, et d'enrouler la fibre dans la gorge hélicoïdale ainsi réalisée. Un problème se pose pour la deuxième couche. On peut revenir le long du tube support en bobinant toujours dans le même sens de rotation, mais alors le pas de bobinage est inversé. A chaque spire, la fibre devra sortir de la gorge définie par la couche précédente, passer au-dessus d'une spire et repasser dans la gorge suivante. Une telle disposition est décrite par exemple, dans le brevet US-A-3 102 953, plus particulièrement à la figure 2. Ce point de passage est aléatoire et peut varier en particulier en fonction de la température: phénomènes de dila- tation. Cela modifie l'orientation de la spire et donc affecte la stabilité de pointage, créant en particulier de l'hystérésis si la fibre ne revient pas en position au cours d'un cycle thermique. Si maintenant on inverse le sens de rotation dans le bobinage, il est possible alors d'enrouler la deuxième couche dans la gorge définie par la première, mais l'effet Sagnac dû à la rotation va s'annuler, de même qu'on annule l'auto-inductance d'une bobine électroma- gnétique. La présente invention se fixe pour but un procédé de bobinage de l'enroulement de fibre optique formant l'anneau d'un gyromètre qui permet d'en améliorer la stabilité de pointage. L'invention a donc pour objet un procédé de bobinage d'un gyroscope du type interféromètre de SAGNAC comportant un anneau constitué d'une bobine de fibre optique multicouche carac- térisé en ce qu'il comprend au moins: - une étape préliminaire de bobinage d'une longueur de fibre optique nécessaire à la réalisation de ladite bobine sur au moins une bobine intermédiaire; - une première étape de bobinage d'une première couche de spires, sur un support cylindrique comportant un canal central de section circulaire, de manière à former un enroulement hélicoïdal à pas constant par dévidement de la fibre optique de la bobine intermédiaire; - une deuxième étape consistant en l'introduction de ladite bobine intermédiaire à l'intérieur du canal central, la formation d'une spire unique en spirale sur la paroi intérieure du canal central, enroulée dans le même sens que les spires de la première couche, et au retrait de la bobine intermédiaire du canal central par l'extré- mité opposé à l'extrémité d'introduction; - et une troisième étape de bobinage d'une couche supplé- mentaire de spires par enroulement de la fibre optique, dans le même sens que les spires de la couche sous-jacente et en utilisant les espaces interspires de cette couche comme canal de guidage et de positionnement de la fibre optique. L'invention a encore pour objet la bobine de fibre optique obtenue par le procédé de bobinage. L'invention sera mieux comprise et d'autres particularités et avantages apparaîtront à l'aide de la description qui suit et des figures annexées: - la figure 1 illustre le processus complet de bobinage d'une couche selon l'invention; - - les figures 2 à 5 illustrent des étapes du bobinage de deux couches successives; - les figures 6 à 8 illustrent des aspects de détail d'une bobine de fibre optique réalisée selon le procédé de l'invention; - les figures 9 à 12 illustrent une variante de réalisation supplémentaire du procédé de l'invention. Le procédé selon l'invention consiste à faire passer en spirale la fibre optique, après bobinage d'une couche à l'intérieur d'un tube porteur, toujours dans le même sens d'enroulement. En ressortant à l'autre extrémité du tube, il est alors possible de bobiner la deuxième couche dans le même sens de rotation tout en suivant la gorge définie par la couche précédente. Cela nécessite d'avoir bobiné l'ensemble de la fibre sur un bobineau intermédiaire, de diamètre hors-tout inférieur au diamètre intérieur du tube support, de façon à pouvoir le faire passer facilement à travers ce tube. Cette manoeuvre peut être répétée plusieurs fois. Une couche de n spires définissant n-I espaces interfibres susceptibles de recevoir la fibre de la couche suivante, les différentes couches montant en quinconce. Chaque spire est maintenant tenue latéralement par l'espace interspire de la couche précédente ce qui donne une bien meilleure stabilité de positionnement et réduit les effets d'hysté- résis thermique. La figure I illustre schématiquement l'ensemble des opérations de bobinage d'une couche complète. En résumé, la méthode consiste à tout d'abord enrouler en vrac l'ensemble de la fibre FO sur un bobineau intermédiaire 2 de faible diamètre et de longueur suffisante pour la contenir en entier. La fibre du bobineau est ensuite rembobinée sur un tube support I avec un pas supérieur au diamètre de fibre. A la fin de la première couche le bobineau est repassé à l'intérieur du tube support o la fibre est alors positionnée en spirale. On peut alors rembobiner une deuxième couche dans l'interstice interspires de la couche précé- dente. La manoeuvre est ensuite répétée à chaque couche. Sur la figure 1, les spires de la première couche sont repérées SP11 à SPin. De la même manière, la spire de la deuxième couche représentée sur la figure 1 est repérée SP21. Le support cylindrique I comporte un canal central 10 de diamètre supérieur au diamètre extérieur 20, hors tout, du bobineau 2 sur lequel est enroulée la fibre optique FO. L'axe de la bobine B de fibre optique FO, qui se constitue couche par couche, est repéré A. Sur la figure 1, le trajet suivi par le bobineau 2 est repéré par la référence T. Il est supposé que le bobinage commence par la partie gauche du support 1, sur la figure 1, et se termine, après n spires, à l'autre extrémité de support: partie droite sur la figure 1. Le bobineau 2 se déplace également, pour ce faire, suivant une direction parallèle à l'axe A de gauche à droite, tandis que le support est mis en rotation autour de l'axe A. Ensuite, il est introduit dans le canal central 10 du support 1 et ressorti vers la gauche. La fibre optique FO est enroulée en spirale, sous la forme d'une spire interne SPI,, contre la paroi du canal 10, pendant le passage du bobineau 2 à l'intérieur de celui-ci. Il y a une seule spire interne par couche. Ensuite l'opération de bobinage se poursuit par les spires de la seconde couche qui se logent dans les espaces inter-spires de la première couche. Seule la première spire SP21 de la seconde couche a été représentée sur la figure 1. Le cycle recommence alors de façon itérative pour bobiner le nombre de couches nécessaires. Les figures 2 à 5 illustrent de façon plus détaillée quatre stades de Popération de bobinage de deux couches successives, en l'occurence les première et seconde couches. Sur la figure 2 est représenté l'état de la bobine après le bobinage d'une couche complète: spires SP11 à SPin' Le bobineau 2 est ensuite enfilé à l'intérieur du support 1 et ressort sur la gauche: figure 3. L'opération de bobinage de la seconde couche commence alors, comme illustré sur la figure 4: spires SP21 à SP23. Enfin, après bobinage complet de la seconde couche, comme illustré sur la figure 5: spires SP21 à SP2 n-l' le bobineau 2 (non visible sur la figure 5) est repassé à nouveau à l'intérieur du support 1. Il est naturellement supposé que la bobine B comporte, dans son stade final, plus de deux couches. Dans le cas contraire l'opération de bobinage serait terminée au stade illustré par la figure 5. Il existe une contrainte liée au pas de bobinage. En effet, le pas de bobinage doit bien sûr être supérieur au diamètre de la fibre mais aussi être inférieur à \- fois ce diamètre si on ne veut pas que la troisième couche soit soulevée par la première. Les figures 6 et 7 illustrent deux situations possibles. La figure 6 illustre un détail de la bobine B en coupe longitudinale. La première couche comprend les spires SPlm, SP1 m+l' SPim+2; m étant en nombre arbitraire compris entre 1 et n. La deuxième couche comprend notamment deux spires SP2m, SP2 m+l enroulées dans les sillons formés par les espaces interspires de la première couche. De la même manière, une spire de la troisième couche SP3m est disposée dans le sillon formé par l'espace interspire des spires SP2m et SP2m+i. Il a été supposé ici que le pas de bobinage, qui peut être représentée par la distance e entre les centres O et O' des sections droites de deux spires contiguës, vérifie simultanément les relations qui viennent d'être indiquées, soit: e > d (3) et e supérieure à /T d. On réalise aisément qu'une spire SP3m de la troisième couche est alors soulevée par une spire SP1 m+l de la première couche. Sa position dans l'espace interspire des spires SP2m et SP2 m+l de la deuxième couche n'est donc plus définie de façon précise. Seul l'empilement illustré par la figure 6 présente la stabilité recherchée par l'invention, chaque spire étant calée par deux spires de la couche inférieure sans possibilité de débattement. Pour définir avec précision la position des spires de la pre- mière couche, le tube support I peut être muni d'un sillon hélicoïdal à la manière d'un pas de vis. La figure 8 illustre cette possibilité, commune d'ailleurs à l'Art Connu. Il est représenté sur cette figure 8, trois spires de la première couche SPlm à SP1 m+2' Le support 1 est muni d'un sillon hélicoïdal , par exemple, de façon classique, à structure en Vé, dans lequel est positionnée la fibre optique FO pour former les spires SPlm à SP1 m+2 de la première couche. Selon une autre variante de réalisation, il est possible de bobiner une précouche indépendante pour éviter que d'éventuels défauts d'usinage du tube-support affectent le comportement opti- que de la fibre: pertes dues aux microcourbures, couplage de polarisation, etc. Si l'on se reporte à nouveau à la figure 6, les spires de la première courbe, SPlm à SP1 m+2' forment alors une couche fictive sur laquelle sont bobinées les autres couches. Le matériau utilisé pour le tube porteur n'est pas systéma- tiquement imposé. Son choix résulte d'un compromis entre la facilité d'usinage, la stabilité thermique, l'amagnétisme et la légèreté. On peut également envisager l'utilisation de cire fusible pour obtenir des bobines auto-porteuses. On peut noyer la fibre optique dans une substance appropriée, par exemple un adhésif durcissant lorsqu'il est exposé aux rayon U.V. Un exemple d'une telle substance est le produit vendu sous la référence Commerciale 6154 de PANACOL. Le durcissement effectué, le mandrin est retiré pour obtenir une bobine "en l'air". Le procédé qui vient d'être décrit est susceptible d'amélio- rations supplémentaires. Il est reconnu que des variations temporelles d'un gradient thermique appliqué à la bobine peuvent provoquer un déphasage parasite dans un gyromètre à fibre optique. Il a été suggéré de bobiner la fibre en couches alternées à partir de son milieu, plaçant ainsi en proximité les parties symétriques de la bobine. Cette approche a été suggérée dans l'article de SCHUPE: "Thermally induced non-reciprocity in the fiber-optic interfero- meter" paru dans "APPLIED OPTICS", n 19, pages 654-655, en 1980. Le procédé selon l'invention reste compatible avec cette approche moyennant quelques modifications. La fibre doit être bobinée par moitié sur deux bobineaux intermédiaires de façon à pouvoir la débobiner à partir du milieu situé, au départ, entre les deux bobineaux. Une première couche est alors bobinée en débo- binant un des bobineaux intermédiaires, l'autre restant solidaire du tube porteur et tournant donc avec lui. A la fin de la première couche les bobineaux sont interchangés en les passant à travers le tube porteur. La deuxième couche est alors bobinée à partir de la fibre provenant du deuxième bobineau et ainsi de suite. L'ensemble peut être terminé par une couche complète, le milieu de la bobine étant alors au début de la première couche si le nombre de couches est pair, et au milieu si le nombre de couches est impair. On peut aussi préférer avoir deux demi-couches provenant de chaque bobi- neau ce qui permet facilement de dérouler chacune des extrémités si cela s'avère nécessaire. Le milieu de la bobine est alors l'extré- mité de la première couche si le nombre de couches est pair et le milieu si le nombre de couches est impair. Les figures 9 à 12 illustrent différentes étapes du procédé de bobinage de l'invention selon l'une des variantes sus-mentionnées de cette approche. La fibre optique FO est répartie sur deux bobineaux inter- médiaires 2 et 3. Le milieu Mi de la fibre FO qui constituera, une fois bobinée, l'anneau du gyromètre est placé, dans l'exemple illustré par la figure 9 au début de la première couche, spire la plus à gauche du support 1. La figure 9 illustre schématiquement les positions respectives du bobineau 2, à gauche du support 1 et tournant avec lui, et du bobineau 3, à droite du support 1 en fin de bobinage de la première couche. Le bobineau 3 s'est déplacé de la gauche vers la droite pendant cette première étape de bobinage. Ensuite, comme illustré par la figure 10, les bobineaux 2 et 3 sont intervertis. On fait passer les bobineaux 2 et 3 au travers du support 1. Une deuxième couche est alors bobinée comme illustrée par la figure 11, toujours dans le même sens, le bobineau 2 se déplaçant vers la gauche et le bobineau 3 tournant avec le support 1. La figure 11 illustre la fin de cette étape. Une nouvelle couche est alors bobinée à partir du bobineau 3 se déplaçant vers la droite. La figure 12 illustre la fin de cette étape. A la suite de cette étape, les bobineaux vont être à nouveau intervertis en les faisant passer au travers du support. Comme précédemment, ce processus se répète jusqu'à ce que le nombre de couches nécessaires soit obtenu. A chaque passage d'un bobineau au travers du support I la fibre optique est enroulée en spirale sur la face interne du support pour former une spire interne unique. il REVENDICATIONS 1. Procédé de bobinage d'un gyroscope du type interféromètre de SAGNAC comportant un anneau constitué d'une bobine (B) de fibre optique (FO) multicouche, caractérisé en ce qu'il comprend au moins: - une étape préliminaire de bobinage d'une longueur de fibre optique (FO) nécessaire à la réalisation de ladite bobine (B) sur au moins une bobine intermédiaire (2); - une première étape de bobinage d'une première couche de spires (SP1i à SPin), sur un support cylindrique (1) comportant un canal central (10) de section circulaire, de manière à former un enrou- lement hélicoidal à pas constant (e) par dévidement de la fibre optique de la bobine intermédiaire (2); - une deuxième étape consistant en l'introduction de ladite bobine intermédiaire (2) à l'intérieur du canal central (10), la formation d'une spire unique (SPI1) en spirale sur la paroi intérieure du canal central (10), enroulée dans le même sens que les spires (SP11 à SPIn) de la première couche, et au retrait de la bobine intermédiaire (2) du canal central (10) par l'extrémité opposée à l'extrémité d'intro- duction; - et une troisième étape de bobinage d'une couche supplémentaire de spires (SP11, SP21) par enroulement de la fibre optique (FO) dans le même sens que les spires (SP11 à SP14) de la couche sous-jacente, et en utilisant les espaces interspires de cette couche comme canal de guidage et de positionnement de la fibre optique (FO). 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend des étapes supplémentaires consistant en la répétition des deuxième et troisième étapes de manière à réaliser une bobine (b) comprenant un nombre déterminé de couches, supérieur à deux. 3. Procédé selon l'une quelconque des revendications I ou 2, caractérisé en ce que ledit pas (e) est choisi supérieur au diamètre extérieur (d) de la fibre optique (FO) et inférieur à cette valeur multipliée par r. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications I à 3, caractérisé en ce que ledit support (1) comporte sur sa paroi extérieure une entaille hélicoïdale (100) en forme de Vé audit pas constant (e) dans laquelle est enroulée la fibre optique (FO) pour former la première couche. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications I à 3, caractérisé en ce que ladite première couche bobinée pendant la premiere étape est une précouche indépendante sur laquelle sont bobinées les couches formant la bobine (b) et dont les espaces interspires définissent ledit pas constant (e). 6. Procédé selon Pune quelconque des revendications I à 5, caractérisé en ce que ledit support (1) est en matériau fusible de manière à réaliser une bobine (b) multicouche auto-porteuse. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'étape préliminaire de bobinage consiste à repartir ladite longueur de fibre optique (FO) nécessaire à la réalisation de la bobine (B) en deux portions égales et à bobiner ces deux portions égales sur des première (2) et seconde (3) bobines intermédiaires, et en ce que le bobinage des couches successives s'effectue en dévidant, alternativement, les première (2) et seconde (3) bobines intermédiaires et en intervertissant, à chaque couche, ces bobines en les faisant passer au travers dudit canal central (14), de manière à réaliser une bobine dont le milieu (Mi) de l'enroulement de fibre optique (FO) est situé dans la première couche. 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que le nombre de couches de la bobine (b) est pair et le milieu (Mi) de l'enroulement de fibre optique (FO) est au début de la premiere couche. 9. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que le nombre de couches de la bobine (b) est impair et le milieu (Mi) de l'enroulement est au milieu de la première couche. 10. Bobine multicouche de fibre optique formant l'anneau d'un gyroscope du type interféromètre de SAGNAC, caractérisé en ce qu'elle est réalisée par le procédé de bobinage selon -l'une quelconque des revendications 1 à 9.