Brevet FR2766565A1 — publié le 19990129

i GYROMETRE A FIBRE OPTIQUE A TRAITEMENT NUMERIQUE DU SIGNAL ET ASSERVISSEMENT DE FREQUENCE L'invention concerne les gyromètres dits à fibre optique, du type comportant: un guide diélectrique d'ondes en bobine; une source électromagnétique munie d'un sépara- teur pour envoyer dans la bobine deux ondes contrarotatives provenant de la source; un détecteur de puissance optique recevant les ondes contrarotatives; des moyens de déphasa- ge des ondes optiques, d'une part commandés pour donner aux ondes une modulation périodique de phase, à une demi-période tn, d'autre part suivant une rampe de commande de pente réglable; et des moyens électroniques de réglage et de mesure recevant le signal de sortie du détecteur de puissan- ce et adressant aux moyens de déphasage d'une part une rampe dite de commande apte à compenser le déphasage relatif des ondes résultant de leur propagation dans la bobine, et d'autre part un signal périodique de modulation apte à créer entre les ondes un déphasage alternatif, les moyens électro- niques de réglage et de mesure comportant un démodulateur recevant un signal de référence de même période que le signal de modulation, un intégrateur fournissant à chaque cycle de mesure une estimation numérique liée au déphasage relatif des ondes résultant de leur propagation dans la bobine, et des moyens de traitement de l'estimation pour déterminer à chaque cycle de mesure une valeur numérique de la rampe de commande. Le guide diélectrique est généralement une fibre optique constituant une bobine de quelques centaines de spires. Les gyromètres à fibre optique sont basés sur l'effet Sagnac: lorsque deux ondes contrarotatives prove- nant de la même source sont injectées dans une bobine de fibre, puis sont combinées, les chemins optiques sont égaux lorsque le gyromètre est fixe. La puissance reçue par le détecteur est alors maximum. Si en revanche la bobine tourne à vitesse Q autour de son axe, les ondes parcourent deux chemins optiques différents, ce qui se traduit par un déphasage s: dû = (4n LR) Q / kx0 c0 o L est la longueur totale de la fibre, R le rayon de la bobine, k0 la longueur d'onde dans le vide et co la vitesse de la lumière dans le vide. Des moyens de déphasage reçoivent le signal de modulation ayant une demi-période In. Dans les gyromètres actuels, tn est à peu prés égal au temps de parcours de la bobine (c'est-à-dire au temps If de propagation dans la fibre optique). L'amplitude du signal correspond à une variation de phase m,, non réciproque approximativement de n/2. La phase optique du gyromètre est ainsi polarisée alternativement à peu près au point de demi-intensité de chaque côté du maximum de la frange d'interférence. En d'autres termes, le point de fonctionnement oscille sur la caractéristique P( élaboré de façon à ramener ds + Pr à 0. La rampe de comman- de est générée à l'aide de la rampe de tension appliquée à un modulateur électro-optique par exemple. 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 a 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 If de parcours de la bobine. Le déphasage 4r est constant dans le temps pour une pente donnée et proportionnel à la pente de la rampe, à laquelle on donne un sens qui dépend du signe de la vitesse d'entrée Q. Les demandes de brevet FR 91 16003 et 93 01309 (FR- A-2 701 315), auxquelles on pourra se reporter, décrivent des gyromètres de ce type dans lequel les moyens électroni- ques de bouclage et de mesure sont entièrement numériques, exception faite d'un codeur analogique-numérique d'entrée et, éventuellement, d'un convertisseur numérique-analogique de sortie de la boucle d'asservissement. Les moyens électro- niques de bouclage et de mesure comprennent un convertisseur analogiquenumérique recevant le signal de sortie du détecteur de puissance et attaquant une chaîne ayant le démodulateur numérique recevant un signal de référence à la période 2 tn, l'intégrateur fournissant une estimation de la vitesse de rotation, un intégrateur de génération de ladite rampe. Le signal réglant de l'asservissement de phase (phase réglante) est appliqué aux moyens électro-optiques, après sommation avec le signal de modulation numérique. Pour arriver à des performances élevées, il est souhaitable d'asservir la fréquence 1/2 En du signal modulant à la fréquence propre 1/2 zf du guide diélectrique en bobine, c'est-à-dire d'asservir in à If. La présente invention vise à fournir un gyromètre à fonctionnement numérique du genre ci-dessus défini compor- tant un asservissement de fréquence réalisable de façon simple, et les moyens d'optimisation de la performance de cet asservissement. Dans ce but, l'invention propose notamment un gyromètre ayant des moyens permettant d'ajouter à la rampe de déphasage et au signal modulant, une composante compor- tant des harmoniques pairs de la fréquence de modulation à l/tn et des moyens pour déterminer l'écart entre la fré- quence de modulation de phase l/21n et la fréquence propre du gyromètre 1/2tf et pour commander la fréquence l/un dans un sens annulant l'écart. L'invention propose également, dans des applications exigeant la mesure de vitesses de rotation d'un corps suivant plusieurs axes, de disposer plusieurs guides diélectriques d'ondes en bobine, munis chacun de leur source, de leur détecteur et de leurs moyens électro- optiques de déphasage suivant des axes sensibles différents, et de les associer à des moyens électroniques de bouclage et de mesure. Cette dernière disposition est applicable non seulement dans le cas d'un asservissement de fréquence avec modulation de phase supplémentaire à une fréquence harmoni- que, mais aussi à d'autres gyromètres tels que par exemple ceux décrits dans les demandes FR 91 16003 et 93 01309. 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 est un schéma de principe d'un gyromètre à fibre optique, dont les parties optiques et électro-optiquqes sont de constitution générale connu mais qui met en oeuvre l'invention; - la figure 2 est un diagramme temporel montrant l'allure des signaux à divers emplacements du schéma de la figure 1; - les figures 3 et 4 montrent schématiquement une constitution possible d'un détecteur utilisable dans le dispositif de la figure 1 et d'une base de temps programma- ble. Le gyromètre montré en figure 1 a la même constitu- tion générale que celle décrite dans le document FR-A-2 701 315 et en conséquence elle ne sera que sommairement décrite. Il comprend un guide diélectrique en bobine 10, constitué généralement par une bobine de fibre optique, pouvant avoir de 50Zà plusieurs kilomètres de longueur avec un rayon de l'ordre de quelques centimètres. Une source 12 de lumière, telle qu'une diode laser ou une diode superluminescente, alimente les deux extrémités de la fibre par l'intermédiaire d'un ensemble optique 16. Un dérivateur 14 placé entre la source 12 et l'ensemble optique permet de récupérer la puissance fournie par les ondes qui ont parcouru en sens inverses la bobine 10. L'ensemble optique 16 comprend un séparateur envoyant la puissance d'entrée vers les deux extrémités de la fibre. Il comporte également des moyens modulateurs de phase. Dans le cas illustré sur la figure 1, ces moyens comportent un déphaseur unique 31 destiné à recevoir la somme de plusieurs signaux électriques; ces signaux comprennent: - un signal périodique alternatif, à demi-période In (qui n'est que sensiblement égale au temps zf de parcours de la lumière dans la bobine) et dont l'amplitude est telle qu'elle crée entre les deux ondes un déphasage optique alternatif; ce signal amène les points de mesure dans des zones o la sensibilité et la linéarité sont maximales. Comme on le verra plus loin, l'invention permet de rendre n égale à - f. Ce signal périodique provient d'une base de temps 18, - une rampe de pente variable élaborée par les moyens électroniques de réglage et de mesure. Les moyens électroniques de réglage et de mesure comprennent un module 22 de détection, de filtrage et de pré-amplification dont une constitution possible est montrée en figure 3. La tension VD de sortie du module détecteur 22, représentative de la puissance optique reçue est appliquée à un convertisseur analogique-numérique 27 fournissant sur sa sortie des échantillons successifs E, numérisés sous forme de mots de k bits (par exemple 6 ou 8 bits). Chaque signal E1 d'ordre i est appliqué à un démodulateur numérique 26 qui reçoit un signal de référence de fréquence 1/2 In élaboré à partir de la base de temps 18. Le signal démodulé Di, sortant du démodulateur 26 constitue un signal d'écart. Il est appliqué à un intégrateur numérique 28 dont le signal de sortie 4r est représentatif de la vitesse de rotation estimée ô. Ce signal de sortie attaque un intégrateur numérique appartenant à un générateur de rampe de phase 30. Ce générateur 30, dont la sortie est représentative de l'angle de rotation estimé e. Comme on l'a indiqué plus haut, les moyens électro- optiques 31 sont constitués par un déphaseur qui reçoit la somme de la rampe de commande et du signal de modulation. Pour cela, l'intégrateur 30 est suivi d'un sommateur numérique 32 qui reçoit également le signal de modulation MOD élaboré sous forme numérique à partir de la base de temps 18. Ainsi il suffit d'un seul convertisseur numérique- analogique 34 pour attaquer les moyens électro-optiques. Le module de détection, de filtrage et de préampli- fication 22 peut avoir la constitution montrée en figure 3. Le dérivateur 14 alimente deux détecteurs 50 et 52 destinés à recevoir l'un le signal S provenant de la source 12, l'autre le signal S' retardé par passage dans la boucle. Un gain K est introduit par un amplificateur 54 pour tenir compte des composantes continues. La sortie des détecteurs et 52 est appliquée à un additionneur 56. Grâce à la démodulation synchrone qui intervient en 26, on obtiendra ainsi un terme soustractif pour le bruit de source. Le gyromètre montré en figure 1 comporte encore une boucle de réglage, destinée à corriger les erreurs dans la représentation numérique de 2l à chaque réinitialisation de la rampe de déphasage. Ces moyens peuvent être ceux décrits dans la demande de brevet FR 93 01309. Il comportent un circuit 58 de prélèvement de la rampe représentant l'angle e et un circuit 59 d'élaboration d'un terme correctif. Ce terme correctif est appliqué à un multiplieur 60 qui reçoit la rampe élaborée par le sommateur 32, avant application au convertisseur numérique-analogique 34. L'amplitude de la modulation MOD appliquée au sommateur 32 peut être réglée initialement à l'aide d'un circuit de gain 62. Le gyromètre représenté en figure 1 comporte de plus des moyens permettant d'asservir la fréquence 1/2 In du signal modulant à la fréquence propre 1/2 -f du guide diélectrique en bobine 10. L'asservissement de la fréquence numérique exige que cette dernière soit fournie par une base de temps à fré- quence réglable. Cette base de temps 18 peut avoir la constitution montrée en figure 4. Elle comporte alors un générateur de référence 61 suivi d'un circuit équivalent à un oscillateur commandé par tension et filtrage, fournissant sur sa sortie une fréquence égale à la fréquence d'entrée multipliée par un facteur de correction M. Le circuit est suivi d'un diviseur par N 62, puis d'un diviseur par deux 64. La sortie de l'oscillateur peut être utilisée pour constituer l'horloge d'échantillonnage du CAN 27. Le diviseur par deux 64 attaque un générateur de signal de modulation multiple d'horloge entrante, riche en harmonique pair. Ce générateur 66 fournit par exemple un signal ayant la forme illustrée sur la ligne A de la figure 2 à un additionneur analogique 68 qui reçoit également le signal de sortie du CNA 34. Ainsi le signal appliqué aux moyens électro-optiques de déphasage 31 présente l'allure indiquée sur la ligne C de la figure 2. La commande de l'oscillateur à fréquence commandée par tension est effectuée par une boucle alimentée par un diviseur par deux 70, qui reçoit le signal de sortie du diviseur 64. C'est ce diviseur 70 qui fournit la fréquence de référence 1/2 In au démodulateur de phase 26. Il alimente également un générateur de référence de démodulation 72, constitué de façon à fournir, à partir du signal carré reçu du diviseur 70, un signal ayant l'allure montrée sur la ligne B' de la figure 2. Le signal de sortie du générateur 72 constitue le signal de référence d'un démodulateur de fréquence 74 qui reçoit également le signal de sortie du CAN 27. On obtient ainsi les modulations en phase et en quadrature du signal de sortie provenant du détecteur d'interférence 22. Un intégra- teur 76 permet ainsi d'élaborer le facteur de correction, destiné à annuler le terme en quadrature. En effet, du fait de l'addition du signal A, le signal apparaissant en D (figure 3) présente l'allure montrée sur la figure 2. Sur la figure 2, on voit apparaitre en C le signal résultant de la superposition du signal A (qu'il faut asservir à If) et de B. A la ligne D, la courbe en traits pleins montre le signal détecté lorsque In = If. La courbe en tirets montre au contraire le signal détecté lorsque In If. Le signal A représenté est constitué par des rampes symétriques. Il serait également possible d'utiliser des sinusoïdes, la condition essentielle étant que le signal soit riche en harmoniques pairs. En cas d'écart E entre la fréquence 1/2 In et 1/2 -cf, il apparait un déphasage qui est une fonction linéaire de E et sera décelée par le démodulateur de fréquence 74. Comme on l'a déjà indiqué plus haut, le même ensemble numérique peut être utilisé pour fonctionner cycliquement avec plusieurs ensembles analogiques dont les bobines ont des orientations différentes. On peut ainsi obtenir, en combinant les sorties obtenues à partir de trois bobines, un gyromètre omnidirectionnel. REVENDICATIONS 1. Gyromètre à fibre optique comportant: un guide diélectrique d'ondes en bobine (10); une source d'ondes électromagnétique (12) munie d'un séparateur pour envoyer dans la bobine deux ondes contrarotatives provenant de la source; un détecteur de puissance optique (22) recevant les ondes contrarotatives; des moyens électro-optiques de déphasage (3), d'une part commandés pour donner aux ondes une modulation périodique alternative et symétrique de phase, à une demi-période In, d'autre part suivant une rampe de commande de pente réglable, placés en amont de la bobine pour une onde et en aval pour l'autre; et des moyens électroniques de réglage et de mesure recevant le signal de sortie du détecteur de puissance optique et adressant aux moyens électro- optiques de commande d'une part la rampe de déphasage apte à compenser le déphasage relatif des ondes résultant de leur propagation dans la bobine, et d'autre part un signal périodique provoquant la modulation apte à créer entre les ondes un déphasage alternatif sensiblement égal à n/2, les moyens électroniques de réglage et de mesure comportant un convertisseur analogique-numérique (27) recevant le signal de sortie du détecteur de puissance optique (22) et attaquant une chaîne ayant un démodulateur numérique (26) recevant un signal de référence de même période 2t que le signal de modulation, un intégrateur (28) fournissant à chaque cycle de mesure une estimation numéri- que de la vitesse de rotation liée au déphasage relatif des ondes résultant de leur propagation dans la bobine, et des moyens de traitement de l'estimation pour déterminer à chaque cycle de mesure une valeur numérique de la rampe de déphasage et un intégrateur de génération de ladite rampe, caractérisé par des moyens pour ajouter, à la rampe de commande et au signal modulant, une composante comportant des harmoniques pairs de la fréquence de modulation à 1/in, et des moyens pour déterminer l'écart entre la fréquence de modulation de phase 1/2 t, et la fréquence propre du gyromètre 1/2 If et pour commander la fréquence 1/2 In dans un sens annulant l'écart, à partir de la détection des dits harmoniques. 2. Gyromètre selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens pour ajouter une composante comprennent une horloge à fréquence 2N/n ajustable autour d'une valeur qui est un multiple N de la fréquence propre (1/2 xf) de la bobine, des moyens (62,64,70) de division de la fréquence de l'horloge qui fournissent des signaux à fréquence l/in et 1/2 -n et des moyens pour élaborer, par démodulation de fréquence du signal provenant du convertisseur analogique- numérique (27) un terme de réglage de la fréquence de il'horloge. 3. Gyromètre selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'horloge (18) est constituée par un générteur de référence (61) suivi d'un oscillateur commandé par tension associé à des moyens de filtrage.