Brevet FR2887339A1 — publié le 20061222

SYSTEME GYROMETRE INTERFEROMETRIQUE A LASER POUR LE REPERAGE D'ORIENTATION SPATIALE D'UNE DIRECTION LIEE A UN CORPS, ET APPLICATION A UN VISEUR DE CASQUE La présente invention concerne un système gyrométre interférométrique à laser permettant de repérer la position spatiale d'un axe d'un corps mobile. Une utilisation du système est plus particulièrement envisagée en aéronautique pour un viseur de casque. De nombreux dispositifs existent, permettant de repérer quasi instanément une direction de l'espace par rapport à un trièdre de référence, fixe ou mobile. Ces solutions répondent aux besoins de repérer une direction de l'espace, en particulier dans le domaine militaire, par exemple pour effectuer le pointage d'une arme, ou la désignation de la direction d'un objectif, ou la désignation de points de repères géographiques, etc.... Le problème prend toute son importance lorsque la désignation doit se faire depuis un véhicule en mouvement, notamment d'un avion. Le pilote portant sur sa tête un casque muni d'un dispositif de collimation de réticule a pour mission de désigner un objectif en faisant coïncider la direction collimatée avec la direction de l'objectif, et en indiquant par un marqueur temporel la coïncidence ainsi réalisée (manoeuvre d'un bouton poussoir par exemple, qui effectue la fermeture d'un circuit électrique de validation). Le problème consiste concrètement à repérer la position de son casque par rapport au trièdre lié à l'avion, de manière à connaître la direction désignée. Pour résoudre le problème différents effets physiques ont été utilisés. Une solution optique consiste à repérer par triangulation des émetteurs ponctuels lumineux disposés sur le casque au moyen de capteurs photoélectriques disposés dans l'avion. Une autre solution utilise des émetteurs de champ magnétique et des récepteurs correspondants. D'autres solutions utilisent des ultrasons, le repérage mécanique, etc... L'invention propose de réaliser un système de ce genre en utilisant une autre solution à base d'un gyromètre interférométrique à laser du type décrit dans la publication de brevet FR n 2 409 518. Ce brevet se rapporte à un gyromètre interférométrique à laser utilisant l'effet Sagnac par propagation de rayons lumineux dans une fibre enroulée et dans lequel les liaisons optiques entre la source laser, les extrémités de la fibre monomode enroulée et le dispositif de détection du rayonnement émergeant de la fibre sont entière-ment effectués dans des guides d'onde intégrés dans un substrat électro-optique. Le gyromètre comporte une source laser, un guide de lumière formant un circuit à plusieurs spires, des moyens de séparation et de mélange du rayonnement monochromatique émis par la source pour le diriger simultanément et par parties égales vers les deux extrémités du guide de lumière et pour recombiner le rayonnement émergeant de ces deux extrémités et le transmettre à un dispositif de détection. Les liaisons optiques entre la face émissive de la source et les extrémités du guide et les liaisons optiques entre ces mêmes extrémités et le dispositif de détection sont effectués en milieu solide, le couplage entre les extrémités du guide et les extrémités des liaisons optiques étant direct. Les moyens de séparation et de mélange du rayonnement sont formés d'un coupleur directionnel commandé électriquement, agissant lors de l'émission du rayonnement par le laser comme séparateur, et lors du retour du rayonnement comme mélangeur. Un objet de l'invention est de réaliser un système gyromètre interférométrique à laser apte à déterminer la direction du casque d'un pilote d'avion, à l'aide de trois gyroscopes à fibre optique et à circuit détecteur en optique intégrée, du type considéré. Les particularités et avantages de l'invention apparaîtront dans la description qui suit donnée à titre d'exemple, à l'aide des figures annexées qui représentent: - Figure 1, un diagramme général d'un système gyromètre interférométrique à laser conforme à l'invention; - Figure 2, des formes d'onde de fonctionnement relatives aux signaux de synchronisation et de commande du système selon la figure 1; - Figure 3, un schéma du montage sur un casque dans le cadre d'une application aéroportée; - Figure 4, un schéma relatif à un exemple de réalisation de la partie liaisons optiques en optique intégrée. En référence à la figure 1 le système comporte une source laser 1 couplée par l'intermédiaire d'un coupleur 2 à deux voies de sortie 21,22, destinées à être connectées à un guide de lumière formé d'une bobine de plusieurs spires. Au retour des ondes lumineuses le coupleur directionnel 2 sort l'énergie par une sortie 23 appliquée à un détecteur 3. Le système comporte trois guides de lumière représentés par les trois bobines BX, BY et BZ. Chaque bobine est composée d'un certain nombre de spires et si ce nombre de spires est suffisamment réduit elles sont assimilables à un plan. Les bobines sont disposées respectivement dans les trois plans perpendiculaires ZOY, ZOX et XOY définis par le trièdre de référence XYZ. Ce trièdre est lié au corps mobile dans le cas d'utilisation pour la détection de position spatiale d'une direction liée à ce corps. Le trièdre de référence par rapport auquel s'effectue la mesure est représenté par les axes Xo Yo Zo. L'orientation ou le repérage spatial de la direction à effectuer est à faire par rapport à ce dernier trièdre. Si l'on considère que les bobines ont une certaine épaisseur selon leur axe, on considérera la direction de leur axe qui est perpendiculaire aux trois plans précités respecti- vement. Pour alimenter les bobines l'une après l'autre et ceci de manière périodique, le dispositif comporte entre les bobines et les sorties 21 et 22 du coupleur directionnel des moyens de commu- tation 4 et 5 symbolisés par des interrupteurs à deux positions pour commuter successivement les sorties 21 et 22 sur la bobine BX, puis sur la bobine BZ et enfin sur la bobine BY au cours d'une période T. On a représenté sur la figure 2 les signaux de commande S2 et S3 correspondant à la commande des circuits de commutation 4 et 5. Suivant ce diagramme temporel, chaque bobine est alimentée le tiers du temps T/3 au cours de chaque période T. Le signal Si représente un signal de synchronisation qui peut être appliqué à la source laser pour produire une émission par impulsion de durée2 à la cadence T/3 c'est-à-dire une impulsion durant chaque séquence T/3 d'alimentation d'une bobine. La figure 3 représente le montage sur un casque de pilote des trois bobines BX, BY et BZ. L'ensemble coupleur 2 et commutateurs 4 et 5 peut être constitué en optique intégrée en utilisant des techniques connues. On peut également monter sur un même substrat, outre les éléments 2,4 et 5 la source laser 1 et le détecteur 3. Un tel ensemble est repéré 10 sur les figures. L'élément 11 constitue une prise d'interconnexion pour transmettre à la source laser une tension d'alimentation VA, pour transmettre à l'extérieur la sortie SD du détecteur 3, et pour recevoir les signaux de synchronisation Si, S2 et S3. Ces signaux sont élaborés par un circuit générateur de synchronisation et de commande 12 qui est placé à distance. La figure 4 représente un mode de réalisation du gyromètre interférométrique à laser suivant l'invention. La source laser 1 est du type à semiconducteur monté sur la plaquette 10 en substrat électrooptique sur lequel des guides d'onde sont réalisés. La source laser 1 émet un rayonnement lumineux en permanence. La modulation en impulsion du rayonnement transmis par cette source est effectuée par un modulateur interférométrique. Le guide de lumière 20 couplé à la face émissive de la source est séparé en deux guides, ces deux guides étant réunis ensuite. Un système à trois électrodes dont une électrode centrale 31, mise à la masse et deux électrodes latérales 32 et 33 portées à des potentiels V1 et V2 susceptibles de varier permet d'appliquer un champ électrique au matériau électrooptique qui induit une variation d'indice de ce matériau. Les deux ondes recombinées ayant une différence de marche, un état d'interférence est créé. Si les deux ondes sont en phase, tout le rayonnement lumineux émis par la source est transmis mais la différence de marche peut être réglée pour qu'aucun rayonnement ne soit transmis. Lorsqu'un rayonnement est transmis par le guide 20 il se retrouve en sortie du coupleur directionnel 2 partagé entre les guides de sortie 21 et 22. Le coupleur 2 est constitué de trois électrodes, une première électrode 35 recouvrant la totalité du chemin de couplage du guide 20 est connectée à la masse, et deux autres électrodes 36 et 37 recouvrant par moitié le chemin de couplage du guide interne reliant 21 à 23. Les électrodes 36 et 37 sont respectivement placées à deux valeurs de potentiels opposés +V et-V. Une telle structure permet de coupler en totalité la lumière dans l'un ou l'autre guide, ou de la partager entre les deux guides. Dans le dispositif représenté le rôle du coupleur 2 est de partager également le rayonnement entre les deux guides lors de l'émission de rayonnement et de mélanger ce rayonnement provenant des deux extrémités de la bobine correspondante lors du retour de la lumière. Les deux fractions du rayonnement issues du coupleur sont guidées par les guides 21 et 22 vers les extrémités de la bobine alimentée à l'instant considéré à travers les dispositifs de commutation. L'onde lumineuse recueillie en retour après circulation dans la bobine retraverse les dispositifs de commutation et le coupleur 2 en sens inverse et ressort par la sortie 23 allant vers le détecteur 3. Les commutateurs sont réalisés par des jonctions optiques hybrides selon le principe du coupleur directionnel. Ces éléments sont référencés par les numéros 41, 42, 51 et 52. Ils comportent chacun un guide central qui se subdivise en deux guides à chaque extrémité et deux électrodes, l'une connectée à la masse et l'autre à une valeur de potentiel déterminée. Sous l'action de ce potentiel on créé un champ électrique qui fait que la transmission provenant, par exemple du guide d'onde 21, va partir en sortie du commutateur 41 soit vers la bobine BX pour une valeur de potentiel donnée et vers le commutateur 42 pour une valeur de potentiel de signe opposé. Le fonctionnement est le même pour le dispositif 42 de manière à basculer les sorties soit vers la bobine BZ, soit vers la bobine BY. Les électrodes des deux autres coupleurs 51 et 52 sont commandés en synchronisme pour obtenir les commutations appropriées des extrémités des bobines. Le principe de mesure du repérage d'une direction du trièdre XYZ va maintenant être décrit dans ce qui suit. On considérera par exemple OX comme étant un axe du corps mobile à surveiller du point de vue de son orientation spatiale par rapport au trièdre de référence X0 Yo Zo. L'émetteur laser produit un rayonnement monomode qui est séparé en deux parties par les moyens 41, 42 et 51, 52 inclus dans le système. Lorsque l'ensemble est immobile par rapport au référentiel X0 Yo Zo la lumière parcourt la fibre alimentée dans les deux sens dans le même temps et aucun signal de battement n'est engendré dans la fibre BX par exemple, le détecteur 32 ne voit aucun signal. Au cours de la fraction de période T/3 ultérieure il en est de même pour les signaux détectés à l'aide de la bobine BY et enfin au cours du troisième tiers de temps la même chose se produit avec la bobine BZ alimentée. Si par contre le système est animé, dans le plan contenant les fibres d'une vitesse angulaire w X, w Y, WZ, respectivement, on observe alors en sortie de détection un déplacement de franges valant 2 w LR/nc X expression où w est la vitesse angulaire correspondante, R le rayon de la bobine de la fibre, L la longueur totale de la fibre, c la vitesse de la lumière dans le vide, n l'indice optique du matériau et a la longueur d'onde du laser. La connaissance des signaux produits par les trois bobines disposées orthogonalement les unes aux autres permet de connaître, dans le trièdre X Y Z les vitesses angulaires wx w y wz. Après intégration, il est aisé de déterminer les valeurs des déplacements correspondants ce qui permet de connaître l'orientation d'une direction quelconque liée au trièdre X Y Z par rapport au trièdre Xo, Yo, Zo. Par rapport aux solutions existantes l'invention apporte de nombreux avantages qui sont rappelés ci-après: - suppression de tout dispositif capteur installé à bord du véhicule, le seul dispositif capteur matériellement installé est sur le casque, - le repérage de la direction se fait indépendamment de la position et de la direction du véhicule, par rapport au trièdre universel Xo Yo Zo, - l'ensemble des fibres peut être noyé par moulage dans le casque lui-même bien qu'il s'agisse d'un dispositif gyroscopique aucune pièce n'est mécaniquement en mouvement, et la fiabilité du système est celle des circuits intégrés. REVENDICATIONS 1. Système gyromètre interférométrique à laser utilisant une source laser (1), un guide de lumière formant un circuit à plusieurs spires, des moyens de séparation et de mélange (2) du rayonnement émis par la source pour le diriger simultanément et par parties égales vers les deux extrémités du guide de lumière et pour le recombiner ensuite lorsqu'il émerge de ces deux extrémités et le transmettre à un dispositif de détection (3), ledit système interférométrique étant caractérisé en ce qu'il comporte trois guides de lumière formant trois bobines (BX,BY,BZ) qui sont positionnées de manière à ce que leurs axes correspondent aux directions (X,Y,Z) d'un trièdre cartésien, des moyens de commutation (4, 5) étant prévu pour commuter successivement les sorties des moyens de séparation et de mélange aux bobines pendant des durées égales et de manière cyclique, les moyens de commutation étant commandés par des signaux de commande (S2,S3) élaborés périodiquement par un circuit de synchronisation et de commande (12) annexe. 2. Système gyromètre selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de séparation et de mélange (2) et les moyens de commutation (4,5) sont réalisés en optique intégrée (10) sur un même substrat. 3. Système gyromètre selon la revendication 2, caractérisé en ce que la source laser et le dispositif détecteur sont également intégrés sur le substrat (10). 4. Système gyromètre selon l'une quelconque des revendi- cations 1 à 3, caractérisé en ce que la source laser (1) est modulée (SI) pour délivrer des impulsions, chaque bobine recevant au moins une impulsion au cours de chaque durée d'alimentation de celle-ci. 5. Système gyromètre selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il est utilisé pour détecter la position spatiale d'une direction liée à un corps. 6. Système gyromètre selon l'une quelconque des revendi- cations 1 à 4, caractérisé en ce qu'il est utilisé pour détecter la position spatiale d'un axe lié au casque (15) d'un pilote à bord d'un aéronef.