Brevet FR2800456A1 — publié le 20010504

GYROMETRE EN ANNEAU A FIBRE OPTIQUE, A HAUTES PERFORMANCES La présente invention concerne des perfectionne- ments apportés aux gyromètres en anneau à fibre optique, qui, comme illustré à la figure 1 des dessins ci-annexés, comprennent une source de rayonnement électromagnétique 1 reliée à un coupleur 2 lui-même raccordé à un séparateur 3; les deux branches du séparateur 3 sont raccordées respectivement aux deux extrémités d'un guide en anneau constitué par une bobine 4 de fibre optique pouvant avoir un diamètre d'au moins 60 mm; le fonctionnement du gyromètre est assuré par un module électronique 5 raccordé à la source 1, au séparateur 3 et à la sortie du coupleur 2 o sont détectées les interférences des ondes contra- propagatives ayant circulées dans la bobine 4. Plus particulièrement l'invention s'intéresse à ceux de ces gyromètres qui ont des performances élevées, dans lesquels la source 1 de rayonnement électromagnétique comprend, comme illustré à la figure 2, un générateur de rayonnement électromagnétique 6 tel qu'une diode DEL, qui est relié à un coupleur 7 lui-même raccordé à une fibre optique dopée 8, enroulée sur plusieurs spires ayant un diamètre d'au moins 60 mm, dont l'extrémité libre est connectée à un miroir 9; la sortie du coupleur 7 est raccordée, à travers une diode optique 10, à l'utilisateur (coupleur 2 de la figure 1). Une source de ce type équipée d'une fibre optique dopée à l'erbium émet un rayonnement ayant une longueur d'onde proche de 1,55 Mm. L'une des difficultés rencontrées dans les gyromètres de ce type, pour la mesure des rotations de la bobine, réside dans la stabilité du facteur d'échelle. Ce facteur est le coefficient reliant le déphasage de Sagnac à la vitesse de rotation à mesurer, lequel coefficient a pour valeur: 27t. RL Ks = -.c avec c = vitesse de la lumière X. = longueur d'onde moyenne de la source lumineuse R = rayon moyen de la bobine L = longueur totale de la fibre optique bobinée. Les facteurs R et L augmentent avec la tempé- rature, de même que le facteur k. Toutefois, le produit RL et le facteur k ne varient pas de la même quantité avec la température, ce qui induit une variation du facteur Ks avec la tempé- rature. Or la connaissance de la valeur du coefficient Ks détermine la précision du gyromètre à fibre optique. Il est donc du plus grand intérêt de pouvoir déterminer la valeur exacte du coefficient Ks lorsque la température évolue. A cette fin, on modélise les varia- tions du produit RL et du facteur X en fonction de la température, afin de corriger le coefficient Ks lors de l'évolution de la température au cours du fonctionnement du gyromètre. Or il faut noter que les grandeurs R et L sont des paramètres de la bobine, alors que X est un paramètre de la source lumineuse. La bobine et la source lumineuse sont distinctes physiquement l'une de l'autre et peuvent être éloignées l'une de l'autre. Il en résulte qu'elles peuvent être portées à des températures différentes lorsque le gyromètre fonctionne. La correction du coefficient Ks en fonction de la température nécessiterait alors la connais- sance de deux modèles (RL en fonction de la température, et X en fonction de la température) et de deux valeurs de température (celle de la bobine et celle de la source lumineuse). Cette duplication des modèles double les erreurs de correction, alors même que le but de la correction est d'augmenter la précision du gyromètre. L'invention a donc pour but de proposer une solution originale et simple qui permette d'accroître la précision du gyromètre tout en mettant en oeuvre des moyens simples et peu onéreux qui n'influent pas sensiblement sur le coût d'ensemble du gyromètre. A cette fin, un gyromètre à hautes performances tel que mentionné plus haut se caractérise, étant agencé conformément à l'invention, en ce que la bobine et la fibre optique dopée sont disposées à proximité immédiate l'une de l'autre et en contact thermique l'une avec l'autre. De façon pratique, la fibre optique dopée de la source est enroulée sur la bobine de fibre et est en contact thermique étroit avec celle-ci, et de préférence elle est enroulée sur la région médiane (milieu de la hauteur) de la bobine de façon que la fibre dopée soit portée à la température moyenne de la bobine; de préfé- rence, la fibre optique dopée est enroulée extérieurement à la région médiane de la bobine; avantageusement, elle est enroulée à spires jointives afin d'obtenir une uniformité thermique optimale. De façon pratique, la fibre optique dopée enroulée est collée sur la bobine, notamment avec la même colle que celle ayant servi à constituer la bobine. La solution conforme à l'invention se révèle particulièrement efficace car c'est la fibre dopée de la source qui induit les plus fortes variations de X avec la température: désormais la fibre dopée et la bobine sont sensiblement à la même température et il n'y a à connaître qu'un seul modèle (la quantité RL/X en fonction de la température). La solution conforme à l'invention se révèle en outre économique car le montage de la bobine demeure inchangé par rapport au montage antérieur: la bobine est collée par son centre sur un support métallique et un capteur de température est fixé sur ce support. Les processus et matériels de montage n'ont donc pas besoin d'être modifiés. En outre, la solution conforme à l'invention conduit, incidemment, à un gain substantiel de place. En effet, en raison de leurs caractéristiques mécaniques, les fibres optiques ne peuvent pas être courbées avec des rayons de courbure trop faibles (risque de casse). En pratique, la bobine de fibre optique de l'interféromètre présente un diamètre de l'ordre de 70 mm et la fibre dopée ne doit pas présenter des rayons de courbure inférieurs à mm. Au bout du compte, ces deux enroulements de fibre optique sont relativement encombrants et, étant incorporés dans deux boîtiers distincts avec les organes afférents respectifs, ces boîtiers sont implantés côte à côte à leur emplacement d'utilisation en occupant une place impor- tante, alors que, en général, la place disponible pour les applications envisagées (missiles par exemple) est comptée. Le fait de réunir l'un sur l'autre les deux enroulements conduit à un composant dont le volume n'excède pas beaucoup le volume de la bobine seule (la fibre dopée est relativement fine et son nombre de tours d'enroulement est faible) et qui peut être logé dans le même boîtier qui recevait auparavant la bobine seule; par contre, l'autre boîtier, débarrassé de la fibre dopée, peut être notablement plus petit. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui suit de certains modes de réali- sation préférés donnés uniquement à titres d'exemples purement illustratifs. Dans cette description, on se réfère aux dessins annexés sur lesquels: - la figure 3 est un schéma synoptique illustrant un gyromètre en anneau à fibre optique à hautes perfor- mances agencé conformément à l'invention; - la figure 4 est une vue schématique en coupe diamétrale d'un mode de réalisation préféré d'une partie du gyromètre de la figure 3. On se reporte maintenant à la figure 3 qui montre un gyromètre en anneau à fibre optique à hautes perfor- mances qui conserve les mêmes composants que le gyromètre de l'art antérieur illustré aux figures 1 et 2, ces compo- sants étant désignés à l'aide des mêmes références numériques qu'aux figures 1 et 2. Afin de ramener à l'unité le nombre des modèles thermiques à connaître pour assurer une compensation précise du coefficient de Sagnac Ks en fonction de la température (grandeur RL/X en fonction de la tempéra- ture), on prévoit, conformément à l'invention, que la bobine de fibre optique 4 de l'interféromètre et la fibre dopée 8 (en l'occurrence fibre dopée à l'erbium) soient disposées à proximité immédiate l'une de l'autre et en contact thermique l'une de l'autre. Grâce à cet agencement, on est assuré de parvenir à une sensible égalité des températures de la bobine et de la fibre dopée, ainsi qu'à des évolutions identiques, en sens et en grandeur, de ces températures. En pratique, la solution la plus simple consiste, comme illustré à la figure 4, à réunir physiquement la bobine 4 et la fibre dopée 8 et à enrouler ladite fibre dopée 8 sur la bobine 4 de sorte que la transmission thermique de l'une à l'autre soit aussi facile et aussi totale que possible. Pour assurer le contact thermique requis, on peut prévoir que la fibre dopée 8, enroulée sur la bobine, soit collée sur celle-ci avec la même colle que celle solidarisant les spires de la fibre optique de la bobine. Pour obtenir que la fibre dopée 8 soit à la tempé- rature moyenne de la bobine, on prévoit qu'elle est enroulée sur la région médiane ou centrale (milieu de la hauteur) de la bobine. Le montage le plus aisé en pratique consiste à enrouler la fibre dopée autour de la région médiane de la bobine, c'est-à-dire extérieurement à celle-ci. De plus, pour obtenir une température homogène de la fibre dopée 8, on enroule celle-ci à spires jointives. En définitive, l'ensemble se présente comme illustré à la figure 4. La fibre dopée 8 est enroulée et collée autour de la bobine 4, puis la bobine 4 montée sur un noyau métallique 11 (par exemple aluminium) sur lequel elle est collée et un capteur de température (non montré) est fixé sur ce noyau. Le processus de montage de la bobine n'est pas modifié. L'acquisition du modèle est effectuée avec le gyromètre en fonctionnement. La tête optique 12 (sous- ensemble interférométrique englobant le séparateur 3, la bobine 4 et la fibre dopée 8) est placée dans une enceinte thermique à température contrôlable. Le gyromètre est mis en rotation avec une vitesse prédéterminée, en même temps que l'on fait varier la température. Les moyens de contrôle 5 mesurent, lors d'une rotation, une tension proportionnelle au déphasage de Sagnac induit par la rotation. La vitesse de rotation étant connue, il est possible d'associer une valeur du coefficient Ks à chaque température. Du fait que seule la tête optique 12 est placée dans l'enceinte thermique, à l'exclusion du reste de l'appareil, on est assuré que ce sont bien les valeurs de la grandeur RL/X, et elles seules, qui ont été relevées en fonction de la température. La variation de la grandeur RL/X en fonction de la température est traduite de façon approchée par un polynôme dont on calcule les coefficients. Ensuite la mise en oeuvre du modèle thermique est effectuée par les moyens de contrôle 5. Les coefficients du modèle thermique sont placés en mémoire et, en cours de fonctionnement, la valeur du coefficient Ks est corrigée en fonction de la température mesurée sur la tête optique. On améliore ainsi la précision du gyromètre. On notera également un avantage supplémentaire procuré par le montage conforme à l'invention, avantage qui réside dans la réduction de sensiblement la moitié de la surface occupée par la bobine 4 et la fibre dopée enroulée 8, du fait que la bobine 4 équipée de l'enroulement de fibre dopée 8 possède un encombrement qui n'est guère supérieur à celui de la bobine 4 seule. Cet agencement libère ainsi le volume qu'occuperait la fibre dopée seule, dans un environnement o la place disponible est toujours recherchée. REVENDICATIONS 1. Gyromètre en anneau à fibre optique, comprenant une bobine de fibre optique (4), une source de rayonnement électromagnétique (1) qui comporte une fibre optique dopée (8) et qui est munie d'un séparateur pour envoyer dans la bobine (4) deux ondes contra-propagatives en provenance de la source (1), et un détecteur d'interférence (2) recevant les ondes contrapropagatives, caractérisé en ce que la bobine (4) et la fibre optique dopée (8) sont disposées à proximité immédiate l'une de l'autre et en contact thermique l'une avec l'autre. 2. Gyromètre selon la revendication 1, caractérisé en ce que la fibre optique dopée (8) de la source est enroulée sur la bobine de fibre (4) et est en contact thermique étroit avec celle-ci. 3. Gyromètre selon la revendication 2, caractérisé en ce que la fibre dopée (8) est enroulée sur la région médiane de la bobine (4). 4. Gyromètre selon la revendication 3, caractérisé en ce que la fibre optique dopée (8) est enroulée extérieurement à la région médiane de la bobine (4). 5. Gyromètre selon l'une quelconque des revendica- tions 2 à 4, caractérisé en ce que la fibre optique dopée (8) est enroulée à spires jointives. 6. Gyromètre selon l'une quelconque des revendica- tions 2 à 5, caractérisé en ce que la fibre optique dopée (8) enroulée est collée sur la bobine (4). 7. Gyromètre en anneau à fibre optique, à haute performance, selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la fibre optique (8) de la source (1) est dopée à l'erbium.