Brevet FR2611897A1 — publié le 19880909

APPAREIL POUR MESURER UNE MODULATION DE PHASE DANS UNE FIBRE OPTIQUE La présente invention concerne un appareil pour mesurer une modulation de phase dans une fibre optique. Elle concerne plus particulièrement un appareil destiné à mesurer des vitesses de rotation, notamment un gyroscope. Les gyroscopes à fibre optique ainsi que d'autres appareils pour mesurer une modulation de phase emploient une bobine de fibre optique dont une extrémité reçoit un rayonnement optique cohérent. Si la bobine tourne autour de son axe, cela modifie la vitesse apparente de propagation du rayonnement le long de la fibre et cela produit un dépnasage dans le rayonnement sortant à l'autre extrémité de la DoDine. En comparant la phase du rayonnement sortant à celle d'un rayonnement dérivé de la même. source, mais n'ayant pas traversé la bobine ou l'ayant traversée dans le sens opposé, il est possible d'obtenir une mesure de la vitesse de rotation ou d'une autre modulation de phase. Plusieurs problèmes se présentent quand on utilise un tel appareil pour mesurer une modulation de phase. Tout d'abord, il peut être sujet à des imprécisions si les intensités du rayonnement varient d'une manière inégale sur les deux chemins. En outre, des erreurs peuvent être amenées par des discontinuités dans la fibre et par des variations de temperature. La présente invention a pour but de fournir un appareil destiné à mesurer une modulation de phase et agencé de manière à réduire sensiblement ce genre de problèmes. Dans ce but, l'invention concerne un appareil du type indiqué en préambule, caractérisé en ce qu'il comporte une source de rayonnement optique cohérent modulé en fréquence qui délivre un rayonnement de détection sur un premier chemin optique comprenant la fibre optique et un rayonnement de référence sur un second chemin optique différent du premier, un détecteur qui combine les rayonnements issus du premier et du second - 2 - chemin par mélange homodyne et détecte différentes harmoniques de la fréquence modulée du signal homodyne, et un comparateur qui compare l'amplitude d'une des harmoniques du signal nomodyne à celle de l'harmonique voisine supérieure pour en tirer une indication de la modulation de phase entre le premier et le second chemin. La fibre optique peut être disposée en une bobine. Dans une première forme de réalisation, l'appareil comporte des moyens pour transmettre le rayonnement de la source sur les extrémités opposées de la bobine, des détecteurs qui combinent le rayonnement issu de chaque extrémité de la boDine avec le rayonnement de référence respectif par mélange homodyne et qui détectent différentes harmoniques de la fréquence modulée dans chaque signal homodyne, et des comparateurs qui comparent l'amplitude d'une harmonique dans chaque signal homodyne à l'harmonique voisine supérieure pour en tirer une indication respective de la modulation de phase dans chaque sens le long de la fibre de la bobine. Dans une autre forme de réalisation, l'appareil comporte deux DoDbines disposées coaxialement, des moyens pour délivrer le rayonnement de la source aux deux bobines, de façon que le rayonnement parcoure les booines dans des sens opposés, des détecteurs qui combinent le rayonnement issu de chaque bobine avec le rayonnement de référence respectif par mélange nomodyne et qui détectent différentes harmoniques de la fréquence modulée dans cnaque signal homodyne, et des comparateurs qui comparent l'amplitude d'une harmonique dans chaque signal homodyne à l'harmonique voisine supérieure, de manière à en tirer une indication de la modulation de phase produite dans chaque bobine. De préférence, l'appareil comporte un comparateur supplémentaire qui compare les sorties desdits comparateurs au point de vue de la modulation de phase, de manière à en tirer un signal moyen représentatif de la modulation de phase dans l'appareil. L'appareil peut comporter aussi des moyens de traitement délivrant une indication de la vitesse de rotation de la bobine ou de chaque bobine autour de son axe. De préférence, la longueur de la bobine, ou de chaque Dobine, est sensiblement égale à la moitié de la longueur d'onde à la vitesse de propagation du rayonnement le long de la - 3 - fiDre de la Dobine. De préférence, le comparateur est agencé pour comparer l'amplitude de l'harmonique du troisième ordre à celle de l'harmonique du quatrième ordre. Selon une réalisation avantageuse, l'appareil comporte un organe de réflexion qui réfléchit une partie du rayonnement délivré sur une extrémité de la DoDine ou de chaque Dobine, pour former un rayonnement de référence qui sera combiné au rayonnement de l'autre extrémité de la Dobine. D'autre part, l'appareil peut comporter un ou plusieurs amplificateurs connecté(s) au détecteur pour normaliser les amplitudes relatives des harmoniques voisines. On décrira ci-dessous, à titre d'exemple, un gyroscope à fiDre optique et un autre appareil pour mesurer une modulation de phase selon la présente invention, ainsi que leur procédé d'utilisation, en référence aux dessins annexés, dans lesquels la fig. I représente schématiquement le gyroscope, la fig. 2 représente un spectre de fréquence d'un rayonnement dans le gyroscope, la fig. 3 représente des fonctions de Bessel de différents ordres, la fig. 4 représente schématiquement une variante du gyroscope illustré en fig. l, la fig. 5 représente un appareil pour mesurer d'autres valeurs physiques, les fig. 5A à 5C représentent des variantes de l'appareil de la fig. 5, et les fig. 6A et 6B représentent d'autres variantes de l'appareil illustré en fig. 5. En référence à la fig. 1, le gyroscope à fibre optique comporte une source 1 de rayonnement optique cohérent qui est modulé en fréquence par une unité 2 à une basse fréquence de 420 KHz. De préférence, la source est un laser annulaire à semi-conducteurs à pompage par diodes, du type faDriqué -4- par Lightwave Electronics Inc. et décrit dans le orevet US-4 578 793. Au moyen d'un diviseur de faisceau 3, le rayonnement modulé est divisé én parties égales sur deux chemins différents. Le rayonnement allant sur l'un des cnemins de détection est délivré, au moyen d'un miroir semi-réflécris- sant incliné 4, sur une première extrémité 5 d'une fibre optique 10 enroulée en DoDbine 1l1. La fiDre 10 est une fibre monomode et elle a une longueur de 500 m. Le rayonnement allant sur l'autre chemin de détection est délivré, au moyen d'un second miroir semi-réfléchissant incliné 6, sur l'extrémité opposée 7 de la fibre bobinée 10. Le miroir 4 est disposé de manière qu'une partie du rayonnement allant vers la première extrémité 5 de la bobine Il soit réfléchi vers un premier détecteur de rayonnement 21 pour servir de rayonnement de référence, en traversant le second miroir 6. Le miroir 4 réflécnit aussi le rayonnement de détection issu de la première extrémité 5 de la boDine 11, en direction d'un second détecteur de rayonnement 31. Le second miroir 6 est disposé de manière à réfléchir une partie du rayonnement allant vers la seconde extrémité 7 de la bobine 11, pour servir de rayonnement de référence allant au second détecteur 31 à travers le premier miroir 4. Le second miroir 6 réfléchit aussi le rayonnement de détection issu de l'autre extrémité 7 de la bobine, en direction du premier détecteur 21. Par conséquent, le premier détecteur 21 reçoit une comDinaison du rayonnement ayant passé dans la bobine 11 dans le sens des aiguilles d'une montre et d'un écnantillon de référence du rayonnement dans son état antérieur au passage dans la bobine, tandis que le second détecteur 31 reçoit une combinaison du rayonnement ayant passé dans la bobine 11 dans le sens contraire à celui des aiguilles d'une montre et d'un échantillon de référence du rayonnement dans son état antérieur au passage de la bobine. Les détecteurs 21 et 31 fonctionnent comme des détecteurs homodynes non linéaires, produisant un spectre d'harmoniques de la fréquence de modulation Wm, représenté en fig. 2. Des signaux représentatifs de l'amplitude de la troisième et de la quatrième narmonique sont délivrés, par des amplificateurs respectifs 22, 23 et 32, 33 à des comparateurs 24 et 34. Les comparateurs 24 et 34 comparent les amplitudes relatives, corrmme on le décrira en détail plus loin, et ils produisent sur des lignes 25 et 35 des 2 6 1 1 8 97 - 5 - signaux respectifs de sortie représentatifs des dépnasages introduits dans les deux chemins du rayonnement quand la boDine tourne autour de son axe. Ces déphasages sont généralement d'amplitudes égales et de signes opposes, ce qui entraîne des modifications correspondantes dans des amplitudes relatives des troisième et quatrième harmoniques. Quand la DoDine est en accélération ou en décélération, il y a une modulation transitoire de phase qui apparaît dans le spectre de Fourier sous la forme de bandes latérales équidistantes autour de chaque fréquence harmonique. Les fréquences porteuses elles-mêmes seraient alors supprimées, c'est-à-dire que les signaux composés apparaîtraient sous la forme de signaux à doubles bandes latérales et à porteuse supprimée, dans lesquels la porteuse pourrait être rétablie avant la détection d'amplitude. Les signaux issus des comparateurs 24 et 34 sont délivrés à un troisième comparateur 40 qui fournit un signal moyen représentatif du déphasage créé dans l'appareil, ce signal étant délivré à un organe utilisateur 50. L'organe utilisateur 50 tire du signal de déphasage un signal représentant la vitesse de rotation et il l'utilise, par exemple, pour afficher ou stocker cette valeur, ou pour l'exploiter dans des dispositifs de navigation ou de commande. Le procédé de fonctionnement du gyroscope sera décrit ci-dessous en se référant également à la fig. 3. Les amplitudes des harmoniques indiquées par les détecteurs 21 et 31 dépendent des différences nettes de phase, à la longueur d'onde de la source 1, entre d'une part les rayonnements ayant passé dans la bobine 1 1 dans chaque sens, et d'autre part les rayonnements de référence reçus directement par réflexion respectivement sur les miroirs 4 et 6. Ce dépha- sage est égal à l'arctangente du rapport des amplitudes du signal d'une harmonique impaire au signal de l'harmonique paire voisine. Ce rapport est aussi fonction de la durée de propagation dans la fibre optique, ainsi qu'une fonction de Bessel de l'ordre de l'harmonique en cause, le tout étant constant quand la bobine 11 est stationnaire et que la profondeur de modulation de la source I est constante. L'amplitude et du signal émis, c'est-à-dire avant son passage dans la oobine, est donnée par l'expression -6- et: Etsin (wt + mf sin w t) (1) f m o Et est l'amplitude maximale du signal; w est la vitesse angulaire de la source 1; wm est la vitesse angulaire de la modulation; et est l'indice de modulation, donné par a f/fM; f étant l'écart de fréquence, et fm étant la fréquence de modulation. De manière semDlable, l'amplitude er du signal reçu, c'est-à-dire après passage à travers la Dooine, est donnée par: er = Er sin [w(t - r) + mi sin w (t - r) 4](2) o r est le retard introduit par la bobine, et 4 est le déphasage introduit par la bobine. Le spectre homodyne ou de Fourier est donnce par e 0 m t E = Jo (X)cos(st-)-2J1 (X)sin(wt-4)coswm(- o s - 2J2 (X) cos (wt- i) cos 2w in(t --) 33 (X) sin (wt-) os 3wm (t - ,3 CS m 2 + 234 (X) cos (wt-) cos 4wm (t -) (3) o 3n (X) est la fonction de Bessel d'ordre n et d'argument X, lequel vaut n X - 2m sin w r 2- - f m m2 (4) Comme l'angle de phase m est mesuré en utilisant le rapport entre des fonctions de Bressel d'ordres consécutifs, il en résulte une sortie qui est indépendante de la valeur absolue du signal. -7- L'écart de fréquence a f et la fréquence de modulation w1 peuvent être optimisés par le choix de l'argument de la fonction de Bessel (expression 4) en vue de donner une sensibilité maximale à une ha:monique particulière. en négligeant les effets d'atténuation. A la troisième harmonique, avec la valeur maximale de J(X), l'argument X vaut 4,2 et l'on tire de l'expression (4) X - 4, 2 =. sin i\ /4 fm 2. Af 1*2. 10 (6) si f - 200 kHz et sin À /4 - m f = 420 kHz, c'est-à-dire que -;- = 4,2 Les fonctions de Bessel d'ordres zéro J0(X) à cinq J5(X) sont représentées en fig. 3, ainsi qu'une fonction sinusoïdale. La longueur de la bobine 11 est choisie égale à la moitié d'une longueur d'onde (180 ) à la vitesse de propagation, c'est-à-dire pour une valeur de sin Wm- égale à I et une valeur maximale correspondant au premier maximum de la fonction de Bessel 33(X) de la troisième harmonique pour X = 4,2, de sorte que leur produit est maximal. Comme le pic de l'harmonique voisine supérieure, correspondant à 34(X), sera plus bas que celui de la troisième harmonique, les amplificateurs 22 et 32 peuvent être agencés pour produire une plus forte amplification que les amplificateurs 23 et 33, de manière que les amplitudes relatives de la troisième et de la quatrième harmonique soient normalisées. Suivant un autre procédé, on peut utiliser un argument X tel que J3(X) = 34(X), c'est-à-dire que X vaut 4,88. De l'expression (4), on tire X = 4,88 =.2 f sin /4 fm 2A.10f fm -8- si f = 200 kHZ et sin /4 I m f = 488 kHz Un autre avantage est que 3 (X) fonctionne comme Xn pour les petites n valeurs de X, si bien que le système fait une discrimination des réflexions et d'autres discontinuités intervenant à l'entrée et à de faibles distances de celle-ci dans la fibre optique. Le système fait aussi les mêmes discrimi- nations à la sortie. Pour des fonctions de Bessel supérieures à J 1(X), il y a une amplitude plus faible aux faibles valeurs de X, inférieures à environ 1. Ceci a pour effet une discrimination à l'égard du bruit Rayleigh. En utilisant un signal de référence à faible retard, on peut employer des fonctions de Bessel dont l'argument est grand. A cet égard, on remarquera que la comparaison peut porter sur l'amplitude de n'importe quelle paire d'harmoniques voisines sauf la première, par exemple la deuxième et la troisième, ou la quatrième et la cinquième. Comme tout le spectre de chaque faisceau est affecté dans une égale mesure, on n'est pas gêné par des propriétés optiques non linéaires ou par un effet Kerr. Les grandes vitesses de rotation autour de l'axe de la bobine 11 produiront une variation de fréquence équivalente. Par exemple, une vitesse de rotation de 1000 /sec. produit une variation de fréquence de 2, 8 Hz. Dans certaines applications, il peut être utile de détecter cette variation de fréquence, tandis que dans d'autres la variation de fréquence peut être injectée dans le faisceau de référence au moyen d'une modulation de phase à basse fréquence. Au lieu d'une seule bobine, on peut employer deux bobines 61 et 62 disposées coaxialement, leurs fibres respectives étant intercalées et portant chacune une seule onde, comme le montre la fig. 4. Dans un tel appareil, on pourrait employer des coupleurs directionnels à la place de diviseurs de faisceau. On pourrait aussi employer des mélangeurs équiliDrés, puisque les points d'entrée et de sortie des deux bobines 61 et 62 sont séparés. Dans ce -9 - cas, on utilise quatre détecteurs 71 à 74. Les détecteurs 71 et 72 reçoivent tous deux des échantillons du rayonnement délivré à l'entrée de la oobine 62 pour tourner dans le sens contraire à celui des aiguilles d'une montre, et des échantillons du rayonnement sortant de cette bobine. Le premier détecteur 71 reçoit une portion du rayonnement entrant par réflexion sur un miroir 75 placé à l'entrée et par transmission à travers un miroir 76 placé à la sortie. L'autre détecteur 72 reçoit une portion du rayonnement entrant par réflexion sur le miroir 75 et par réflexion sur le miroir 76. De même, le premier détecteur 71 reçoit le rayonnement sortant de la bobine 62 par réflexion sur le miroir.76, tandis que l'autre détecteur 72 reçoit le rayonnement sortant de la bobine par transmission à travers le miroir 76. Les deux autres détecteurs 73 et 74. sont disposés de manière similaire par rapport à des miroirs 77 et 78 placés respectivement à l'entrée et à la sortie de la bobine 61, dans laquelle le rayonnement tourne dans le sens des aiguilles d'une montre. Le détecteur 73 reçoit le rayonnement entrant par réflexion sur les deux miroirs 77 et 78, et il reçoit le rayonnement sortant par transmission à travers le miroir de sortie 78. Le détecteur 74 reçoit le rayonnement de référence par réflexion sur le miroir d'entrée 77 et par transmission à travers le miroir de sortie 78, et il reçoit le rayonnement de détection de sortie par réflexion sur le miroir de sortie 7S. L'utilisation de mélangeurs équilibrés réduit le bruit et l'erreur dus à la distorsion de modulation d'amplitude harmonique dans la source 1, du fait de la modulation de fréquence et particulièrement de l'utilisation de détecteurs à polarités opposées. Le rétablissement de la porteuse harmonique mentionnée plus haut peut aussi effectuer une discrimination à l'égard de la distorsion de modulation d'amplitude harmonique. Diverses modifications sont possibles dans le cadre de la présente invention. Par exemple, au lieu de moduler en fréquences le rayonnement de la source, on pourrait utiliser une autre modulation angulaire, en particulier une modulation de phase ou de longueur d'onde. Dans le cas d'une modulation de phase, l'appareil comporterait un modulateur de phase indiqué par les éléments 1' et 2' en fig. 1. - 10 - L'invention peut s'appliquer -à d'autres appareils pour mesurer une modulation de phase dans une bobine et il n'est pas limité à la mesure des vitesses de rotation. Par exemple, dans le cas de la fig. 5, la modulation de phase peut résulter d'une variation de pression ou de température subie par la bobine de détection 51 ou sa carcasse 52. Là aussi, la fréquence de modulation est en relation avec la longueur de la boDine 51. Le rayonnement de référence est séparé du rayonnement de détection à proximité immédiate de la bobine de détection 51, par exemple au moyen de miroirs semi-transparents 53, ou d'un prisme 54 comme indiqué en fig. 5A. On pourrait employer une seule fibre 55 de transmisssion et de réception, avec un coupleur directionnel 56 comme le montre la fig. 5B, ou avec un miroir semi-transparent 57 (ou son équivalent) comme le montre la fig. 5C. Il est aussi possible d'employer un plus grand nombre de bobines de détection 51A à 51D alimentées par la même source, comme le montrent les fig. 6A ou 6B. 6 1 1 8 9 7 _ Il I- Revendications 1. Appareil pour mesurer une modulation de phase dans une fibre optique, caractérisé en ce qu'il comporte une source (1, 2) de rayonnement optique cohérent modulé en fréquence, qui délivre un rayonnement de détection sur un premier chemin optique comprenant la fibre optique (1 l, 61, 62, 51) et un rayonnement de référence sur un second chemin optique différent du premier, un détecteur (21, 31, 71 à 74)'qui combine les rayonnements issus du premier et du second chemin par mélange homodyne et détecte différentes harmoniques de la fréquence modulée du signal homodyne, et un comparateur (24, 34) qui compare l'amplitude d'une des harmoniques du signal homodyne à celle de l'harmonique voisine supérieure pour en tirer une indication de la modulation de phase entre le premier et le second chemin. 2. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que la fibre optique est disposée en une bobine (l, 61, 62, 51). 3. Appareil selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens (3) pour transmettre le rayonnement de la source (l, 2) sur les extrémités opposées de la bobine ( 11), des détecteurs (31, 21) qui combinent le rayonnement issu de chaque extrémité de la bobine avec le rayonnement de référence respectif par mélange homodyne et qui détectent différentes harmoniques de la fréquence modulée dans chaque signal homodyne, et des comparateurs (24, 34) qui comparent l'amplitude d'une harmonique dans chaque signal homodyne à l'narmonique voisine supérieure pour en tirer une indication respective de la modulation de phase dans chaque sens, le long de la fibre de la bobine (11). 4. Appareil selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte deux bobines (61 et 62) disposées coaxialement, des moyens pour délivrer le rayonnement de la source (1, 2) aux deux bobines de façon que le rayonnement parcoure les bobines dans des sens opposés, des détecteurs (71 à 74) qui combinent le rayonnement issu de chaque bobine (61 et 62) avec le rayonnement de référence respectif par mélange homodyne et qui détectent différentes harmoniques de la fréquence modulée dans chaque signal - 12 - 2611897 homodyne, et des comparateurs qui comparent l'amplitude d'une harmonique dans chaque signal homodyne à l'narmonique voisine supérieure, de manière à en tirer une indication de la modulation de phase produite dans chaque bobine. 5. Appareil selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce qu'il comporte un comparateur supplémentaire (40) qui compare les sorties desdits comparateurs (24, 34) au point de vue de la modulation de phase, de manière à en tirer un signal moyen représentatif de la modulation de phase dans l'appareil. 6. Appareil selon l'une des revendications 2 à 5, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de traitement (50) délivrant une indication de la vitesse de rotation de la bobine ou de chaque bobine (I 1, 61, 62, 51) autour de son axe. 7. Appareil selon l'une des revendications 2 à 6, caractérisé en ce que la longueur de la bobine ou de chaque DoDine (I l, 61, 62, 51) est sensiblement égale à la moitié de la longueur d'onde à la vitesse de propagation du rayonnement le long de la fibre de la bobine. 8. Appareil selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le comparateur (24, 34) est agencé pour comparer l'amplitude de l'harmonique du troisième ordre à celle de l'harmonique du quatrième ordre. 9. Appareil selon l'une des revendications 2 à 8, caractérisé en ce qu'il comporte un organe de réflexion (4, 6, 75 à 78, 53) qui réfléchit une partie du rayonnement délivré sur une extrémité de la bobine ou de chaque bobine (I l, 61, 62, 51), pour former un rayonnement de référence qui sera combiné au rayonnement issu de l'autre extrémité de la bobine ou de chaque bobine. 10. Appareil selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte un ou plusieurs amplificateurs (22, 23, 32, 33) connecté(s) au détecteur pour normaliser les amplitudes relatives des harmoniques voisines.