Brevet FR2670885A1 — publié le 19920626

i GYROMETRE EN ANNEAU A MODULATEUR ELECTRO-OPTIQUE L'invention concerne les gyromètres du type compor- tant un guide diélectrique d'ondes en anneau; une source électromagnétique munie d'un séparateur pour envoyer dans l'anneau deux ondes contrarotatives provenant de la sour- ce; un détecteur d'interférence recevant les ondes contra- rotatives; des premiers moyens électro-optiques commandés pour donner aux ondes une modulation périodique alternative et symétrique de phase, à une période sensiblement double du temps de parcours de l'anneau, placés en amont de l'anneau pour une onde et en aval pour l'autre; des se- conds moyens attaqués par un générateur de rampe de dépha- sage de pente réglable, placés en amont de l'anneau pour une onde et en aval pour l'autre; et des moyens électroni- ques de bouclage et de mesure commandant le sens et la va- leur de la pente de la rampe pour annuler le déphasage des ondes reçues par le détecteur d'interférence. Il existe de très nombreux documents décrivant des gyromètres du type ci-dessus défini, dont le guide diélec- trique est généralement une fibre optique constituant une bobine de quelques centaines de spires Ces gyromètres sont basés sur l'effet Sagnac: lorsque deux ondes polarisées rectilignes provenant de la même source sont-injectées dans une bobine de fibre et contrarotatives, puis sont combinées au niveau d'un détecteur, les chemins optiques sont égaux lorsque le gyromètre est fixe La puissance reçue par le détecteur est alors maximum Si en revanche la bobine tour- ne à vitesse O autour de son axe, les ondes parcourent deux chemins optiques différents, ce qui se traduit par un déphasage Ès: +s = ( 41 LR) O / X O co o L est la longueur totale de la fibre, R le rayon de la bobine, Xo la longueur d'onde dans le vide et co la vitesse de la lumière dans le vide. La puissance instantanée P reçue par le détecteur est alors; P = PO/2 ( 1 + cos As); - o PO est la puissance reçue en l'absence de rotation. Un gyromètre réalisé de façon à fournir N par sim- ple mesure de P/PO serait dans la pratique inutilisable. Les gyromètres du type ci-dessus défini permettent d'écar- ter deux défauts importants du montage de principe. Un premier défaut est dû à ce que P/PO varie de fa- çon faible et non linéaire, puisque cos +st varie peu lors- que +s est proche de zéro Les premiers moyens électro- optiques du gyromètre mentionné ci-dessus amenent le point de mesure dans une zone o le facteur d'échelle est élevé et la variation de signal en fonction de la vitesse sensi- blement linéaire Ces moyens modulateurs reçoivent un si- gnal, souvent qualifié de "dither" ayant une période à peu près double du temps de parcours de l'anneau (c'est-à-dire du temps de propagation dans la fibre optique) et une am- plitude correspondant approximativement à une variation de phase de H/2 Ce décalage de phase est appliqué en premier à une des ondes, en second à l'autre du fait de la propaga- tion dans la fibre, puisque les moyens modulateurs sont placés en amont de la fibre pour une onde et en aval pour l'autre Le gyromètre est ainsi polarisé alternativement à peu près au point de demi-intensité de chaque côté du maxi- mum de la frange d'interférences. Un second défaut est que, dans sa constitution de base, le gyromètre n'est pas un appareil de zéro Dans les gyromètres du type ci-dessus défini, ce défaut est écarté en introduisant un déphasage non réciproque, c'est-dire n'ayant pas le même effet sur les deux ondes contrarotati- ves +r entre les deux ondes, de façon à avoir -s +R = O t R est généré à l'aide d'une rampe de déphasage linéaire appliquée à des moyens de rampe de déphasage en optique in- tégrée placés en amont de l'anneau pour une onde et en aval pour l'autre La rampe est réglable pour annuler -s +r. La phase d'une onde est ainsi décalée avant qu'elle ne parcoure la bobine tandis que l'autre est décalée après qu'elle ait parcouru la bobine, ce qui se traduit par un décalage de phase entre les ondes égal à la différence entre deux rampes identiques décalées temporellement de la durée de parcours de l'anneau. Le diagramme temporel de la figure 1 montre le dé- calage de phase +r entre les deux ondes provoqué par les rampes 8 a et 8 b décalées du temps x de propagation dans la fibre Le déphasage +r est constant et proportionnel à la pente de la rampe, dont le sens dépend du signe de la vitesse d'entrée n. La remise à zéro de la rampe, à l'issue de chaque intervalle de temps correspondant à une variation de phase de 21, est nécessaire car il est impossible de laisser croître la rampe jusqu'à l'infini Cette remise à zéro pé- riodique ramène la mesure de vitesse angulaire O à une me- sure de la fréquence des retours à zéro La pente de la rampe est ajustée pour obtenir +s 4 r = O, donc *r = -+S On a alors +S = 2 H t/T La fréquence des remises à zéro est alors 2 R 0/n Xo Il suffit alors de fournir un signal à la période de retour à zéro T sur une sortie P pour un sens de rotation, sur une sortie M pour l'autre sens de rotation, pour disposer de la vitesse par mesure de fréquence ou comptage du nombre d'impulsions apparaissant sur la sortie P ou M par unité de temps. Les gyromètres existants construits sur ce principe présentent des limitations, dues notamment à ce que la re- mise à zéro de la rampe se fait de façon asynchrone avec la modulation de polarisation ou "dither", ce qui perturbe la détection, et à ce qu'elle n'est pas instantanée, ce qui sensibilise la linéarité du facteur d'échelle avec le temps de décharge. L'invention vise notamment à écarter ces défauts ou du moins à les réduire de façon notable Elle propose dans ce but un gyromètre ayant des moyens pour, en réponse aux inversions de polarité des premiers moyens électro-opti- ques, interrompre la rampe du générateur de déphasage. Dans ce but le générateur de rampe est avantageuse- ment constitué par un générateur de courant constant ajus- table alimentant un condensateur placé en parallèle avec le déphaseur électro-optique et les moyens de retour à zéro comprennent un second générateur de courant fournissant une quantité de charges modifiant la phase de 2 N en un temps inférieur d'au moins un ordre de grandeur à la période 2 T de modulation. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit d'un mode particulier de réalisation, donné à titre d'exemple non limitatif La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels: la figure 1, déjà mentionnée, est un diagramme temporel montrant l'allure du déphasage des signaux dans un gyromètre de type connu; la figure 2 est un schéma de principe d'un gyro- mètre à fibre optique, de constitution générale connue mais permettant de mettre en oeuvre l'invention; la figure 3 est un synoptique montrant une cons- titution possible d'un générateur de rampe conforme à un mode de réalisation particulier de l'invention; la figure 4 est un synoptique montrant l'allure des signaux qui apparaissent en différents points du synoptique de la figure 3. Le gyromètre montré en figure 2 a une constitution générale qui est connue et en conséquence ne sera que som- mairement décrite Il comprend un guide diélectrique en anneau 10, constitué généralement par une bobine de fibre optique, pouvant avoir de 100 à 1 000 mètres de longueur avec un rayon de l'ordre du centimètre Une source 12 de lumière cohérente et à polarisation linéaire, telle qu'une diode laser, alimente les deux extrémités de la fibre par l'intermédiaire d'un ensemble en optique intégrée 16 Un dérivateur 14 placé entre la source 12 et l'optique inté- grée permet de récupérer la puissance fournie par des ondes qui ont parcouru en sens inverses le guide en anneau 10. L'ensemble en optique intégrée comprend un sépara- teur envoyant une puissance égale vers les deux extrémités de la fibre Il comporte également des moyens modulateurs de phase électro-optiques, recevant, d'un circuit modula- teur 17, un signal électrique périodique, alternatif à pé- riode T à peu près double du temps T du parcours de l'anneau (temps dont les variations avec la vitesse de ro- tation O sont négligeables), dont l'amplitude est telle qu'elle provoque une commutation de phase optique de n/2; ce signal amène les points de mesure dans des zones o la sensibilité et la linéarité sont maximales. Ce signal périodique peut notamment être carré et être synchronisé par un signal MOD provenant d'une base de temps 18 qui reçoit un signal à fréquence fixe d'une horlo- ge 20. Le produit de l'interférence des ondes contrarota- tives qui ont traversé la bobine est envoyé par le dériva- tÉeur 14 vers une chaîne de mesure et de bouclage La chaîne représentée comprend un module 22 de détection, de pré- amplification et d'adaptation d'impédance suivi d'un commu- tateur analogique 24 et d'un démodulateur 26 Ces modules reçoivent des signaux de commande et de référence E 1 et DEM fournis par la base de temps 18. Le signal continu démodulé, dont on verra qu'il constitue un signal d'écart Af = rs Art est appliqué à un intégrateur 28 alimentant une entrée de commande de pente d'un générateur analogique de rampe 30. Le générateur 30 attaque un des moyens déphaseurs électro-optiques 31 placés sur une extrémité de l'anneau. Sur la figure 2, ces moyens déphaseurs sont distincts du déphaseur de modulation et placés à l'extrémité opposée de l'anneau Mais ils pourraient être placés à la même extré- mité et même confondus avec lui Le générateur 30 est prévu pour fournir, sur une sortie P ou M, suivant le sens de la rampe, une impulsion à chaque remise à zéro (dès que la rampe atteint une amplitude correspondant à un déphasage optique de 2 N dans les gyromètres connus). La fréquence des impulsions sur la sortie P ou M est représentative de la vitesse angulaire, chaque impul- sion correspondant à un angle de rotation donné. Conformément à l'invention, la remise à zéro du générateur de rampe 30 est synchronisée avec l'inversion de polarité du signal de sortie du modulateur 17 et elle modi- fie la tension appliquée au déphaseur électro-optique d'une valeur réduisant de 2 R le déphasage optique. Pour atteindre ce résultat, le générateur de rampe peut avoir la constitution montrée en figure 3 Les si- gnaux apparaissant aux points du générateur indiqués par des lettres peuvent alors avoir l'allure indiquée sur les lignes portant les lettres correspondantes en figure 4. La tension appliquée aux moyens déphaseurs électro- optiques 31, représentés par un condensateur équivalent sur la figure 3, est générée par charge du condensateur sous un courant ic constant, mais modifiable, provenant d'un géné- rateur de courant 32 commandé en tension La plupart des déphaseurs électro-optiques ayant une capacité faible, ils sont très sensibles aux capacités parasites Pour écarter ce défaut, un condensateur 34, ayant généralement une capa- cité de 100 à 200 p F, est monté en parallèle avec le dépha- seur. Les retours à zéro de la rampe sont effectués par amenée de la quantité de charges électriques requise pour modifier le déphasage de 21 Cette amenée s'effectue par l'une ou l'autre de deux branches identiques, sauf en ce qui concerne leur polarité d'alimentation +V O ou -V 0, sui- vant le sens de la rampe. La branche qui intervient en cas de pente positive comporte un générateur 36 de courant constant -id et un in- terrupteur qui, au repos, oriente le courant à la masse et, pendant la durée tr calibrée de créneaux de tension qu'il reçoit, oriente le courant vers le condensateur 34. Les interrupteurs 38 sont commandés par des bran- ches de détection et de mesure ayant la même constitution. Chaque branche a un comparateur d'entrée 40 de comparaison de la tension aux bornes du condensateur 34 avec une valeur +VSEUIL ou -VSEUIL, à peu près égale à la valeur de la ten- sion aux bornes du déphaseur qui donne un déphasage de 2 H, mais légèrement inférieure. La sortie de chaque comparateur 40 attaque l'entrée D d'une bascule synchrone 42 dont la sortie Q est reliée à une entrée d'une porte ET 44 dont l'autre entrée est reliée à l'entrée d'horloge H de la bascule pour être commandée simultanément. Le fonctionnement des bascules est cadencé par: des signaux E 1 de commande du multiplexeur analo- gique de remise à zéro, appliqués sur les entrées RAZ de forçage à zéro des bascules, des signaux E 2 d'horloge, ayant la durée tr, ap- pliqués sur les entrées d'horloge des bascules, chacune entièrement contenue dans un signal E 1. Les signaux E 1 sont élaborés à partir des transi- tions du signal MOD de période T et constitués de créneaux dont chacun encadre temporellement une inversion du signal MOD et est suffisamment large pour laisser le temps néces- saire au transfert des charges aux condensateurs 31 et 34 de s'achever. Chaque interrupteur 38 est maintenu en conséquence orienté vers les condensateurs pendant la durée des cré- neaux de durée tr provenant de la porte ET respective. La figure 4 montre un exemple de fonctionnement du générateur 30, pour un sens donné de la vitesse de rotation Q et donc des rampes. Le générateur de rampe fournit un courant i. proportionnel à sa tension d'entrée et provenant par exemple de la sortie de l'intégrateur, donc qui doit être représentatif de la vitesse n La tension V aux bornes des condensateurs augmente linéairement dans le temps. Lorsqu'elle dépasse le seuil VSEUIL, le comparateur 40 pas- se à l'état 1. Lorsque E 2 passe à 1 l'état du comparateur est transféré à la sortie Q de la bascule 42 et la porte ET 44 fournit le signal P, de même durée que E 2 Ce signal P aiguille la source 36 correspondante sur les condensateurs 31 et 34, diminue la tension d'une valeur correspondant à un changement de phase de 211. Dès retour de E 1 à l'état zéro, la bascule 42 est remise à zéro et elle y reste jusqu'au prochain dépassement de VSEUIL- Le décalage de tension des condensateurs 32 et 34 n'est pas instantané, les courants de décharge étant fixés; il nécessite la durée t R, pendant laquelle la rampe de tension se serait poursuive si t R avait été nulle, comme indiqué par une ligne en tirets sur la figure 4. La variation réelle de phase 211 E provoquée par l'apport des charges peut s'écrire 2 r I(l+t) o t est très faible par rapport à 1. Le signe de t peut être mesuré au cours de la demi- période de modulation qui suit la remise à zéro et être utilisé pour corriger 2 RE pour arriver à 2 N en réglant les courants de décharge id. Le mode de réalisation qui vient d'être décrit n'est pas le seul possible En particulier il n'est pas nécessaire que le dipositif comporte deux branches On peut utiliser un générateur de transfert de charges permettant d'injecter des charges de l'un ou l'autre de signe Un in- terrupteur unique permet alors d'effectuer l'apport de charges La polarité du générateur peut être déduite du signe de la rampe, avant l'instant o la remise à zéro devient nécessaire. REVENDICATIONS 1 Gyromètre comportant un guide diélectrique d'ondes en anneau; une source électromagnétique munie d'un séparateur pour envoyer dans l'anneau deux ondes contra- rotatives provenant de la source; un détecteur d'interfé- rence recevant les ondes contrarotatives; des premiers moyens électrooptiques commandés pour donner aux ondes une modulation périodique alternative et symétrique de phase, à une période sensiblement double du temps de parcours de l'anneau, placés en amont de l'anneau pour une onde et en aval pour l'autre; des seconds moyens attaqués par un gé- nérateur de rampe de déphasage de pente réglable, placés en amont de l'anneau pour une onde et en aval pour l'autre; et des moyens électroniques de bouclage et de mesure com- mandant le sens et la valeur de la pente de la rampe pour annuler le déphasage des ondes reçues par le détecteur d'interférence, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour, en réponse aux inversions de polarité des premiers moyens électro-optiques, effectuer une variation de 2 fl du générateur de déphasage. 2 Gyromètre selon la revendication 1, caractérisé en ce que le générateur de rampe comporte un générateur de courant constant ajustable alimentant un condensateur monté en parallèle avec un déphaseur électro-optique constituant25 les seconds moyens et en ce que les moyens de retour à zéro comprennent un second générateur de courant fournissant une quantité de charges modifiant la phase de 211 en un temps inférieur d'au moins un ordre de grandeur à la période de la modulation.30 3 Gyromètre selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens de retour à zéro comprennent au moins un générateur de transfert de charge et un interrupteur pour, pendant la durée calibrée tr des créneaux de tension qu'il reçoit, orienter un courant (id) fourni dans le sens35 convenable par le générateur, vers le condensateur ( 34). 4 Gyromètre selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens de retour à zéro comprennent deux branches ayant chacune un second générateur de courant constant, les courants étant de signes opposés (id et -id), et chacune un interrupteur ( 38) qui, au repos, oriente le courant à la masse et, pendant la durée tr calibrée de créneaux de tension qu'il reçoit, oriente le courant vers le condensateur ( 34). Gyromètre selon la revendication 4, caractérisé en ce que chaque interrupteur ( 38) est commandé par une branche de détection et de mesure ayant un comparateur d'entrée ( 40) de comparaison de la tension aux bornes du c- ondensateur ( 34) avec un seuil légèrement inférieur à la valeur de la tension aux bornes du déphaseur qui donne un déphasage de 2 11, en ce que la sortie du comparateur ( 40) attaque l'entrée D d'une bascule synchrone ( 42) dont la sortie Q est reliée à une entrée d'une porte ET ( 44) dont l'autre entrée est reliée à l'entrée d'horloge (H) de la bascule pour être commandée simultanément, et en ce que le gyromètre comporte une horlogerie fournissant des signaux (E 1) de remise à zéro, appliqués sur des entrées RAZ de forçage à zéro des bascules et du multiplexeur analogique et des signaux (E 2) d'horloge appliqués sur les entrées d'horloge des bascules et chacune entièrement contenue dans un signal E 1.