CA2446706A1 - Gyrometre a fibre optique - Google Patents
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Abstract
La présente invention se rapporte à un gyromètre à fibre optique comprenant un interféromètre de Sagnac utilisant deux ondes lumineuses (S1, S2) circulant en sens opposés dans un guide d'onde (2) en anneau, comprenant un photodétecteur (4) délivrant un signal électrique (Ud) représentant l'intensité lumineuse des interférences entre les deux ondes, et des moyens de déphasage (5) optique des ondes commandés par un signal de modulation (Um) en créneaux apte à commander une variation de phase optique à une fréquence F0 sensiblement égale à â.t0? est le temps de trajet d'une onde dans le guide (2). Le photodétecteur (5) est relié à au moins un premier (34) et un second (36) circuit d'échantillonnage contrôlés en opposition de phase par une horloge (30) à fréquence F0 et fournissant deux échantillons (A, B) à chaque période respectivement sur une première et une seconde entrée d'un amplificateur différentiel (64), un convertisseur analogique-numérique (42) à la sortie de l'amplificateur différentiel et un additionneur/soustracteur (46) pour accumuler les valeurs numériques successivement fournies par le convertisseur analogique-numérique (42). Le gyromètre comporte un moyen (28) pour inverser, à une fréquence f très inférieure à la fréquence F0, la phase de l'horloge (30), de manière à alterner, à la fréquence f, le sens de la différence d'échantillons à la sortie de l'amplificateur différentiel, l'additionneur/soustracteur (46) est également commandé par la fréquence f, pour fonctionner alternativement en additionneur ou en soustracteur.
Description
GYROMETRE A FIBRE OPTIQUE
La présente invention se rapporte aux gyromètres à fibre optique et plus particulièrement à un dispositif de mesure d'un déphasage non réciproque engendré dans un interféromètre optique en anneau du gyromètre, encore appelé interféromètre de SAGNAC.
Un tel interféromètre comporte principalement une source d'énergie lumineuse généralement constituée par un laser ; un dispositif optique constitué soit d'un certain nombre de miroirs, soit d'une fibre optique enroulée sur elle-même, ce dispositif formant guide d'onde ; un dispositif de séparation et de mélange de la lumière et un dispositif de détection et de ~ o traitement du signal détecté.
II est connu que dans ces interféromètres, il existe deux ondes issues du dispositif séparateur et parcourant en sens opposés un même trajet optique.
Une propriété fondamentale des interféromètres en anneau est la ~ 5 réciprocité qui peut s'exprimer comme suit : toute perturbation du trajet optique affecte semblablement les deux ondes malgré que ces deux ondes ne la subissent ni exactement au même instant, ni dans le même sens.
II existe cependant deux types de perturbations qui affectent la réciprocité.
2o II s'agit, d'une part, des perturbations qui varient dans le temps, ce dans un laps de temps comparable au temps que mettent les ondes à se propager le long du chemin optique de l'interféromètre ; et, d'autre part, les perturbations dites "non réciproques", c'est-à-dire les perturbations n'ayant pas le même effet sur les ondes selon qu'elles se propagent dans un sens 25 ou dans un autre le long du chemin optique. II s'agit d'effets physiques qui détruisent la symétrie du milieu dans lequel se propagent les ondes.
Deux effets connus présentent ce dernier type de perturbations - l'effet Faraday, ou effet magnéto-optique colinéaire, par lequel un champ magnétique crée une orientation préférentielle du spin des électrons 3o d'un matériau optique ;
- et l'effet SAGNAC, ou effet inertiel relativiste, dans lequel la rotation de l'interféromètre par rapport à un repère Galiléen détruit la
La présente invention se rapporte aux gyromètres à fibre optique et plus particulièrement à un dispositif de mesure d'un déphasage non réciproque engendré dans un interféromètre optique en anneau du gyromètre, encore appelé interféromètre de SAGNAC.
Un tel interféromètre comporte principalement une source d'énergie lumineuse généralement constituée par un laser ; un dispositif optique constitué soit d'un certain nombre de miroirs, soit d'une fibre optique enroulée sur elle-même, ce dispositif formant guide d'onde ; un dispositif de séparation et de mélange de la lumière et un dispositif de détection et de ~ o traitement du signal détecté.
II est connu que dans ces interféromètres, il existe deux ondes issues du dispositif séparateur et parcourant en sens opposés un même trajet optique.
Une propriété fondamentale des interféromètres en anneau est la ~ 5 réciprocité qui peut s'exprimer comme suit : toute perturbation du trajet optique affecte semblablement les deux ondes malgré que ces deux ondes ne la subissent ni exactement au même instant, ni dans le même sens.
II existe cependant deux types de perturbations qui affectent la réciprocité.
2o II s'agit, d'une part, des perturbations qui varient dans le temps, ce dans un laps de temps comparable au temps que mettent les ondes à se propager le long du chemin optique de l'interféromètre ; et, d'autre part, les perturbations dites "non réciproques", c'est-à-dire les perturbations n'ayant pas le même effet sur les ondes selon qu'elles se propagent dans un sens 25 ou dans un autre le long du chemin optique. II s'agit d'effets physiques qui détruisent la symétrie du milieu dans lequel se propagent les ondes.
Deux effets connus présentent ce dernier type de perturbations - l'effet Faraday, ou effet magnéto-optique colinéaire, par lequel un champ magnétique crée une orientation préférentielle du spin des électrons 3o d'un matériau optique ;
- et l'effet SAGNAC, ou effet inertiel relativiste, dans lequel la rotation de l'interféromètre par rapport à un repère Galiléen détruit la
2 symétrie du temps de propagation. Cet effet est mis à profit pour réaliser des gyromètres notamment.
En l'absence de manifestation de perturbations "non réciproques", la différence de phase (que l'on appellera dans ce qui suit ~~) entre les deux ondes qui se recombinent dans le dispositif de séparation et de mélange après avoir parcouru le chemin optique est nulle. Le dispositif de détection et de traitement détecte des signaux représentant la puissance optique de l'onde composite obtenue après recombinaison. Cette puissance peut se décomposer dans les interféromètres de l'art connu en deux composantes ~ o une composante constante et une composante proportionnelle à Cos (~~), cette composante n'existant qu'à l'apparition de perturbations "non réciproques".
Si on désire mesurer des perturbations de faible amplitude, par exemple dans le cas de gyromètres, des faibles vitesses de rotation, la ~ 5 composante contenant le terme en Cos (~~) varie peu, puisque le déphasage ~~ est proche de zéro.
II est alors nécessaire d'introduire artificiellement un déphasage supplémentaire fixe ou "biais non réciproque" pour augmenter la sensibilité
de la mesure. Un cas particulièrement intéressant est celui où le nouveau 2o déphasage mesuré ~~ est tel que ~~ ' _ ~~ + n/2.
Dans ce cas, la sensibilité est maximale puisque le terme à
mesurer est proportionnel à Cos (~~ + ~/2), c'est-à-dire à sin (0~).
Bien que séduisant, ce procédé s'est heurté à des difficultés de réalisation et notamment à la possibilité de réaliser un dispositif introduisant 25 un "biais non rëciproque" suffisamment stable pour être utilisable.
L'instabilité de ces dispositifs est en général du même ordre de grandeur que les variations de la grandeur à mesurer.
Aussi pour pallier ces inconvénients, il a été prop~osë dans le brevet FR-B-2 471 583, une modulation de phase des ondes qui se 3o propagent dans l'anneau, alternativement de + ~/2 et - ~/2 radians.
Cette méthode est basée sur la propriété qu'a l'interféromètre de SAGNAC de réaliser l'équivalent d'une dérivation temporelle discrète.
En effet, une modulation de phase étant produite à une extrémité
de la boucle de fibre, l'une des ondes subit la modulation au moment où
35 celle-ci est produite, alors que l'autre onde la subit avec un retard égal au
En l'absence de manifestation de perturbations "non réciproques", la différence de phase (que l'on appellera dans ce qui suit ~~) entre les deux ondes qui se recombinent dans le dispositif de séparation et de mélange après avoir parcouru le chemin optique est nulle. Le dispositif de détection et de traitement détecte des signaux représentant la puissance optique de l'onde composite obtenue après recombinaison. Cette puissance peut se décomposer dans les interféromètres de l'art connu en deux composantes ~ o une composante constante et une composante proportionnelle à Cos (~~), cette composante n'existant qu'à l'apparition de perturbations "non réciproques".
Si on désire mesurer des perturbations de faible amplitude, par exemple dans le cas de gyromètres, des faibles vitesses de rotation, la ~ 5 composante contenant le terme en Cos (~~) varie peu, puisque le déphasage ~~ est proche de zéro.
II est alors nécessaire d'introduire artificiellement un déphasage supplémentaire fixe ou "biais non réciproque" pour augmenter la sensibilité
de la mesure. Un cas particulièrement intéressant est celui où le nouveau 2o déphasage mesuré ~~ est tel que ~~ ' _ ~~ + n/2.
Dans ce cas, la sensibilité est maximale puisque le terme à
mesurer est proportionnel à Cos (~~ + ~/2), c'est-à-dire à sin (0~).
Bien que séduisant, ce procédé s'est heurté à des difficultés de réalisation et notamment à la possibilité de réaliser un dispositif introduisant 25 un "biais non rëciproque" suffisamment stable pour être utilisable.
L'instabilité de ces dispositifs est en général du même ordre de grandeur que les variations de la grandeur à mesurer.
Aussi pour pallier ces inconvénients, il a été prop~osë dans le brevet FR-B-2 471 583, une modulation de phase des ondes qui se 3o propagent dans l'anneau, alternativement de + ~/2 et - ~/2 radians.
Cette méthode est basée sur la propriété qu'a l'interféromètre de SAGNAC de réaliser l'équivalent d'une dérivation temporelle discrète.
En effet, une modulation de phase étant produite à une extrémité
de la boucle de fibre, l'une des ondes subit la modulation au moment où
35 celle-ci est produite, alors que l'autre onde la subit avec un retard égal au
3 temps de propagation dans la fibre. Ce temps de propagation satisfait la relation : to = nl/c, dans laquelle n est l'indice de réfraction de la silice, I la longueur de la fibre et c la vitesse de la lumière dans le vide. La "fréquence propre" de l'interféromètre est (1/2.to), et représente la fréquence de modulation à laquelle les deux ondes subissent deux déphasages en opposition de phase. Le déphasage entre les deux ondes optiques est donc égal à la différence S(t) -S(t -to), où S(t) est le signal appliqué au modulateur de phase. On voit donc que, si la demi-période du signal de modulation est to, le déphasage en sortie de l'interféromètre est égal au double du ~ o déphasage appliqué. C'est cette méthode qui est utilisée pour créer le biais donnant le point de fonctionnement de l'interféromètre.
A ce déphasage s'ajoute un déphasage D~o dû à l'effet non réciproque, en l'occurrence dû à la rotation si elle n'est pas nulle.
II est possible d'exploiter les signaux directement et de mesurer la ~ 5 composante en Cos (0~ + ~/2).
Une méthode plus précise, évitant les erreurs dues aux dérives éventuelles des différents éléments utilisés par exemple les éléments opto-électroniques, consiste en une méthode indirecte ou "méthode de zéro".
Selon cette méthode, on compare cet écart du déphasage par rapport à
20 ~ ~/2 radians en générant un déphasage supplémentaire, égal en valeur absolue à l'amplitude du déphasage dû à l'effet non réciproque et de signe contraire, de manière à l'annuler.
Pour ce faire, on ne peut, de façon pratique, utiliser le même phénomène physique qui produit l'effet non réciproque, en l'occurrence jouer 25 sur la rotation.
On fait appel à des moyens électriques pour générer un signal de contre-réaction. II est supposé que l'on peut obtenir une plus grande maîtrise de ces moyens électriques que des autres éléments de l'interféromètre, ce que l'expérience a montré.
3o L'objet de cette contre-réaction est de créer entre les deux ondes un déphasage constamment égal et de signe opposé à celui induit par la vitesse de rotation. Si la vitesse est constante, et crée un déphasage 0~ ; il faut donc qu'entre deux instants séparés de t, la valeur instantanée de la modulation de phase ait varié de (0 ~o + 2 gin) radians, n étant un nombre
A ce déphasage s'ajoute un déphasage D~o dû à l'effet non réciproque, en l'occurrence dû à la rotation si elle n'est pas nulle.
II est possible d'exploiter les signaux directement et de mesurer la ~ 5 composante en Cos (0~ + ~/2).
Une méthode plus précise, évitant les erreurs dues aux dérives éventuelles des différents éléments utilisés par exemple les éléments opto-électroniques, consiste en une méthode indirecte ou "méthode de zéro".
Selon cette méthode, on compare cet écart du déphasage par rapport à
20 ~ ~/2 radians en générant un déphasage supplémentaire, égal en valeur absolue à l'amplitude du déphasage dû à l'effet non réciproque et de signe contraire, de manière à l'annuler.
Pour ce faire, on ne peut, de façon pratique, utiliser le même phénomène physique qui produit l'effet non réciproque, en l'occurrence jouer 25 sur la rotation.
On fait appel à des moyens électriques pour générer un signal de contre-réaction. II est supposé que l'on peut obtenir une plus grande maîtrise de ces moyens électriques que des autres éléments de l'interféromètre, ce que l'expérience a montré.
3o L'objet de cette contre-réaction est de créer entre les deux ondes un déphasage constamment égal et de signe opposé à celui induit par la vitesse de rotation. Si la vitesse est constante, et crée un déphasage 0~ ; il faut donc qu'entre deux instants séparés de t, la valeur instantanée de la modulation de phase ait varié de (0 ~o + 2 gin) radians, n étant un nombre
4 entier. Ceci est donc l'équivalent d'une intégrale de la vitesse. Une façon de faire est de générer une "rampe" de phase de pente proportionnelle à
(O~Ito).
Cependant, cette méthode suppose deux opérations distinctes : la modulation de phase et la génération d'un signal de contre-réaction. En outre, le facteur de proportionnalité ou facteur d'échelle n'est pas lié à
celui mis en oeuvre pour la modulation de ~ ( ~/2) radians.
En outre, la "rampe" de phase ne peut être infinie, c'est-à-dire que le signal, qui est constitué dans la pratique par une tension de commande ~ o d'un modulateur de phase, ne peut augmenter au-dessus d'un seuil déterminé.
Aussi une méthode utilisable est de générer des signaux de commande de déphasage en dents de scie d'amplitude crête à crête 2 n radians, les fonctions mathématiques mises en cause étant périodiques et de ~ 5 période 2 ~ radians. II s'ensuit le problème de déterminer avec précision cette amplitude de déphasage égale à 2 ~c radians.
La « rampe » de phase consiste en un signal numérique. La modulation de phase, également sous forme numérique, et cette "rampe" de phase sont combinées en un signal unique et converties en un signal 2o analogique de commande d'un modulateur de phase disposé dans l'anneau.
Un interféromètre fonctionnant sur ce principe est décrit dans le brevet FR 2 566 133. Cependant l'interféromètre décrit dans le brevet FR 2 566 133 comporte des circuits électroniques de traitement de la puissance optique détectée qui introduisent des dérives faussant les 25 mesures de rotation à long terme. Les gyromètres sont très sensibles à la dérive puisqu'on mesure des rotations pendant des temps longs. Toute dérive des circuits électroniques peut se traduire par une dérive de signal intégrée dans le temps. Pour éviter ces dérives, on a déjà proposé de numériser le signal immédiatement en sortie du photodétecteur et de traiter 3o ensuite tout en numérique, mais cette technique comporte l'inconvénient de nécessiter un convertisseur analogique/numérique présentant une très grande dynamique.
L'invention, pour pallier les inconvénients de l'art antérieur qui viennent d'être évoqués, propose un gyromètre à fibre optique comprenant 35 un interféromètre de Sagnac utilisant deux ondes lumineuses circulant en sens opposés dans un guide d'onde en anneau, comprenant un photodétecteur délivrant un signal électrique représentant l'intensité
lumineuse des interférences entre les deux ondes, et des moyens de déphasage optique des ondes commandés par un signal de modulation en créneaux apte à commander une variation de phase optique à une fréquence FO sensiblement égale à 1/2.to, où ta est le temps de trajet d'une onde dans le guide, le photodétecteur étant relié à au moins un premier et un second circuits d'échantillonnage contrôlés en opposition de phase par une horloge à
fréquence FO et fournissant deux échantillons à chaque période ~ o respectivement sur une première et une seconde entrées d'un amplificateur différentiel, un convertisseur analogique-numérique à la sortie de l'amplificateur différentiel et un additionneur/soustracteur pour accumuler les valeurs numériques successivement fournies par le convertisseur analogique-numérique, l'additionneurlsoustracteur fournissant un contenu ~ 5 représentant un paramètre de la mesure de rotation du gyromètre, caractérisé en ce qu'il est prévu un moyen pour inverser, à une fréquence f très inférieure à la fréquence F0, la phase de l'horloge, de manière à
alterner, à la fréquence f, le sens de la différence d'échantillons à la sortie de l'amplificateur différentiel, et en ce que l'additionneur/soustracteur est 20 également commandé par la fréquence f, pour fonctionner alternativement en additionneur ou en soustracteur.
L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à l'aide de la description qui suit et des figures annexées parmi lesquelles 25 - la figure 1 représente un interféromètre en anneau de l'art connu ;
- la figure 2 représente la variation de la puissance optique PS
dans une branche de sortie de l'interféromètre de la figure 1.
- la figure 3 représente un synoptique de principe d'un gyromètre 30 selon l'invention.
- la figure 4a représente un signal de modulation Um du modulateur de phase du gyromètre de la figure 3.
- la figure 4b représente le signal de contrôle d'un inverseur des états complémentaires d'une horloge du gyromètre de la figure 3.
ô
- la figure 5 montre une variante du gyromètre de la figure 3 selon l'invention corrigeant le facteur d'échelle de la rampe de phase commandant le modulateur.
II est tout d'abord utile de rappeler les principaux phénomènes mis en jeu dans un interféromètre en anneau de type SAGNAC ainsi que la méthode de modulation enseignée par le brevet FR-B-2 471 583 précité.
La figure 1 illustre schématiquement l'architecture d'un interféromètre en anneau tel que décrit dans ce brevet.
Une source laser S produit un faisceau de rayons parallèles 1, ~ o vers un dispositif séparateur constitué, par exemple, par une lame ou un miroir semi-transparent M couplé optiquement à l'anneau 2 de l'interféromètre. Cet anneau 2 peut être réalisé par exemple à l'aide d'une fibre optique monomode enroulée sur elle-même. En effet, la sensibilité de la mesure est accrue grâce à l'utilisation d'un parcours optique long, ~ 5 proportionnel au nombre de tours. Cet anneau 2 est rebouclé sur le dispositif séparateur M qui joue également le rôle d'un dispositif mélangeur et définit ainsi une branche de sortie 3. L'anneau est donc parcouru par deux ondes se propageant en sens inverse : l'une dans le sens horaire S1 l'autre dans le sens anti-horaire S2 Ces deux ondes se recombinent sur la lame séparatrice 2o M. Le résultat de cette recombinaison peut être observé dans la branche de sortie 3 à l'aide du photodétecteur 4.
Soit ~~o la différence de phase entre les deux ondes qui se propagent en sens inverse dans l'anneau et PS la puissance optique de sortie que l'on peut mesurer dans la branche de sortie 3. En l'absence de 25 perturbation« non réciproque » O~o est nul.
Si, à titre d'exemple non limitatif, on considère un gyromètre mettant en oeuvre un interféromètre en anneau, une perturbation « non réciproque » va être créée par la mise en rotation du gyromètre. La différence de phase n'est plus nulle et l'on a ~~o = a S2 où S2 est la vitesse de 3o rotation et a = k L/~,C où k est une constante dépendant de la géométrie du gyromètre, L la longueur du parcours optique, ~, la longueur d'onde de la lumière émise par la source laser S, et C la vitesse de la lumière dans l'anneau 2. Lorsque la vitesse de rotation S2 augmente, la différence de phase ~ ~o augmente dans les mêmes proportions car le coefficient a reste constant. La puissance optique Ps évolue selon une loi cosinusoïdale. En effet Ps = pis + P2s + 2 Pis P~ s Cos (0 ~o) ; relation dans laquelle la composante Pis correspond au sens S1 et la composante P2s au sens S2.
La sensibilité de la mesure pour une valeur 0~ donnée est exprimée par la dérivée de Ps dPs / d(0 ~o) _ - 2 Pis P2s sin (0 ~o).
La sensibilité de l'interféromètre est très faible si la différence de phase 0~ est peu différente de zéro. C'est le cas dans un gyromètre si on ~ o désire mesurer de faibles vitesses de rotation S2. La variation de la puissance optique Ps dans la branche de sortie en fonction de la différence de phase ~~ est illustrée par le diagramme de la figure 2.
On peut considérer les termes Pis et P2s égaux. II s'ensuit que pour une différence de phase 0~ _ ~c radians, la puissance détectée est ~ 5 minimum. Elle passe par un maximum Psmax pour ~~ = 0 et pour 2 ~ radians et ainsi de suite.
Pour augmenter la sensibilité de l'interféromètre, on peut introduire un biais « non réciproque » constant dans la phase des deux ondes circulant en sens inverses de façon à déplacer le point de 2o fonctionnement de l'interféromètre.
Dans le cas d'une fonction variant selon une loi cosinusoïdale, le point de plus haute sensibilité est obtenu par les angles de (2n + 1 ) ~/2 radians, avec n nombre entier. On peut donc choisir un biais introduisant une variation de phase sur chaque onde en valeur absolue de ~/4 radians mais 25 de signes contraires. En l'absence de perturbation « non réciproque » la différence de phase devient alors au point Pso de la figure 2.
Selon l'enseignement du brevet français précité, on introduit sur le parcours des ondes dans l'anneau 2, un modulateur de phase 5 mettant en jeu un effet réciproque. Le modulateur de phase 5 (figure 1 ) est excité de 3o façon à créer une variation de phase ~ (t) de l'onde qui le traverse. Cette variation est périodique, sa période étant égale à 2.ta, to étant le temps de parcours d'une onde dans l'anneau.
La figure 3 représente l'architecture d'un gyromètre selon l'invention mettant en oeuvre l'interféromètre en anneau de la figure 1.
ô
Un dispositif électronique d'exploitation 20 de l'interféromètre reçoit des informations électriques du photodétecteur 4 couplé optiquement à la voie 3, en sortie de la lame séparatrice M de l'interféromètre de la figure 1 et fournit un signal de modulation Um au modulateur de phase 5 introduit dans l'anneau 2 dudit interféromètre.
Le photodétecteur 4 convertit l'intensité optique en sortie du dispositif mélangeur M (lame séparatrice M) en une tension électrique Ud appliquée, à travers un adaptateur 24, à un circuit de détection synchrone 26 pilotée par deux signaux de contrôle complémentaires Ca et Cb à la ~0 fréquence de modulation FO=1/2.to.
Un processeur 28 gère l'ensemble du dispositif électronique d'exploitation 20 du gyromètre selon l'invention. Les signaux de contrôle Ca et Cb nécessaires à la commande du détecteur synchrone 26 qui peuvent être par exemple la recopie de signaux impulsionnels d'une horloge 30 pilotée par un oscillateur à quartz 32 du processeur 28.
Le détecteur synchrone 26 comporte essentiellement un premier 34 et un second échantillonneurlbloqueur 36 commandés par l'horloge 30, à
travers un inverseur 38 des états logiques complémentaires H et H fournis par l'horloge 30, de façon à ce que le signal Ud en sortie de l'adaptateur 24 2o soit échantillonné, par le premier échantillonneur-bloqueur 34, pendant une demi-période to de la modulation de phase du signal optique dans un sens, puis, par le second échantillonneur-bloqueur 36, pendant l'autre demi-période suivante de la modulation de phase du signal optique dans l'autre sens, les deux sens correspondant aux modulations de phase synchrone en +~12 et -~l2 (somme des déphasages physiques selon S2 de +et- n/4 à T- to et selon S1 de - et + ~/4 à T).
Lorsque le gyromètre est en rotation, l'ensemble de la courbe de l'interféromètre en fonction du déphasage appliqué par le modulateur est décalée. Ceci produit une modulation de la tension Ud en sortie du photodétecteur à la fréquence FO = 1 /2to dont l'amplitude est proportionnelle à la vitesse si celle-ci est assez faible pour que le déphasage reste dans la zone linéaire de la courbe de réponse.
L'amplitude de cette modulation est extraite par le détecteur synchrone 26 qui fournit une tension Us analogique correspondant à la variation de phase. La tension Us analogique, après numérisation par un convertisseur analogique/numérique 42, est appliquée à un circuit numérique de commande 44 générant un signal composite de modulation du modulateur de phase 5. Le convertisseur analogique/numérique 42 est commandé par une horloge à fréquence F0.
Le circuit numérique de commande 44 a pour but d'élaborer une rampe numérique et de la combiner avec les signaux numériques de modulation de phase. A cet effet, le circuit numérique de commande 44 comporte un additionneur/soustracteur 46 recevant sur des entrées les signaux numériques en sortie du convertisseur analogique-numérique 42 et ~ o un ordre d'accumulation à la fréquence FO et fournissant à une sortie une information numérique à un intégrateur 48 chargé de réaliser une rampe numérique dont la pente est fonction de la vitesse de rotation du gyromètre.
La sortie numérique de l'intégrateur 48 attaque un convertisseur numérique/analogique 50 générant, à travers un amplificateur ~ 5 de puissance 52, la tension analogique Um de modulation du déphaseur 5 disposé dans le trajet des ondes lumineuses de l'interféromètre.
Selon la caractéristique principale du gyromètre selon l'invention, le dispositif d'exploitation comporte un moyen pour inverser, à une fréquence f très inférieure à la fréquence F0, la phase de l'horloge 30, de manière à
2o alterner, à cette fréquence f, le sens de la différence d'échantillons. Le circuit additionneur/soustracteur 46 est également commandé par la fréquence f, pour fonctionner alternativement en additionneur(+1 ) ou en soustracteur(-1 ).
A cet effet, les états H et H fournis par l'horloge 30 sont inversés par l'inverseur 38, au rythme de la fréquence f appliquée à une entrée de 25 contrôle 54 de l'inverseur 38.
Les échantillonneurs-bloqueurs 34, 36 effectuent l'échantillonnage du signal Ud en sortie de l'adaptateur 24 du photodétecteur 4. Le signal Ud représente la puissance optique résultant de l'interférence entre les deux ondes lumineuses Si et S2 se propageant dans la fibre optique de 30 l'interféromètre.
Chacune des sorties 60, 62 des échantillonneurs-bloqueurs 34 et 36 attaque l'une et l'autre des deux entrées (+, -) d'un amplificateur différentiel 64 fournissant à sa sortie la tension Us représentant la différence entre deux échantillons consécutifs pris au cours de l'une et de l'autre demi-période de la fréquence FO du signal de puissance optique Ud en sortie du photodétecteur 4.
Chacun des échantillonneurs-bloqueurs du détecteur synchrone comporte des entrées de commande Ea, Éa et Eb, Éb pilotées par l'horloge
(O~Ito).
Cependant, cette méthode suppose deux opérations distinctes : la modulation de phase et la génération d'un signal de contre-réaction. En outre, le facteur de proportionnalité ou facteur d'échelle n'est pas lié à
celui mis en oeuvre pour la modulation de ~ ( ~/2) radians.
En outre, la "rampe" de phase ne peut être infinie, c'est-à-dire que le signal, qui est constitué dans la pratique par une tension de commande ~ o d'un modulateur de phase, ne peut augmenter au-dessus d'un seuil déterminé.
Aussi une méthode utilisable est de générer des signaux de commande de déphasage en dents de scie d'amplitude crête à crête 2 n radians, les fonctions mathématiques mises en cause étant périodiques et de ~ 5 période 2 ~ radians. II s'ensuit le problème de déterminer avec précision cette amplitude de déphasage égale à 2 ~c radians.
La « rampe » de phase consiste en un signal numérique. La modulation de phase, également sous forme numérique, et cette "rampe" de phase sont combinées en un signal unique et converties en un signal 2o analogique de commande d'un modulateur de phase disposé dans l'anneau.
Un interféromètre fonctionnant sur ce principe est décrit dans le brevet FR 2 566 133. Cependant l'interféromètre décrit dans le brevet FR 2 566 133 comporte des circuits électroniques de traitement de la puissance optique détectée qui introduisent des dérives faussant les 25 mesures de rotation à long terme. Les gyromètres sont très sensibles à la dérive puisqu'on mesure des rotations pendant des temps longs. Toute dérive des circuits électroniques peut se traduire par une dérive de signal intégrée dans le temps. Pour éviter ces dérives, on a déjà proposé de numériser le signal immédiatement en sortie du photodétecteur et de traiter 3o ensuite tout en numérique, mais cette technique comporte l'inconvénient de nécessiter un convertisseur analogique/numérique présentant une très grande dynamique.
L'invention, pour pallier les inconvénients de l'art antérieur qui viennent d'être évoqués, propose un gyromètre à fibre optique comprenant 35 un interféromètre de Sagnac utilisant deux ondes lumineuses circulant en sens opposés dans un guide d'onde en anneau, comprenant un photodétecteur délivrant un signal électrique représentant l'intensité
lumineuse des interférences entre les deux ondes, et des moyens de déphasage optique des ondes commandés par un signal de modulation en créneaux apte à commander une variation de phase optique à une fréquence FO sensiblement égale à 1/2.to, où ta est le temps de trajet d'une onde dans le guide, le photodétecteur étant relié à au moins un premier et un second circuits d'échantillonnage contrôlés en opposition de phase par une horloge à
fréquence FO et fournissant deux échantillons à chaque période ~ o respectivement sur une première et une seconde entrées d'un amplificateur différentiel, un convertisseur analogique-numérique à la sortie de l'amplificateur différentiel et un additionneur/soustracteur pour accumuler les valeurs numériques successivement fournies par le convertisseur analogique-numérique, l'additionneurlsoustracteur fournissant un contenu ~ 5 représentant un paramètre de la mesure de rotation du gyromètre, caractérisé en ce qu'il est prévu un moyen pour inverser, à une fréquence f très inférieure à la fréquence F0, la phase de l'horloge, de manière à
alterner, à la fréquence f, le sens de la différence d'échantillons à la sortie de l'amplificateur différentiel, et en ce que l'additionneur/soustracteur est 20 également commandé par la fréquence f, pour fonctionner alternativement en additionneur ou en soustracteur.
L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à l'aide de la description qui suit et des figures annexées parmi lesquelles 25 - la figure 1 représente un interféromètre en anneau de l'art connu ;
- la figure 2 représente la variation de la puissance optique PS
dans une branche de sortie de l'interféromètre de la figure 1.
- la figure 3 représente un synoptique de principe d'un gyromètre 30 selon l'invention.
- la figure 4a représente un signal de modulation Um du modulateur de phase du gyromètre de la figure 3.
- la figure 4b représente le signal de contrôle d'un inverseur des états complémentaires d'une horloge du gyromètre de la figure 3.
ô
- la figure 5 montre une variante du gyromètre de la figure 3 selon l'invention corrigeant le facteur d'échelle de la rampe de phase commandant le modulateur.
II est tout d'abord utile de rappeler les principaux phénomènes mis en jeu dans un interféromètre en anneau de type SAGNAC ainsi que la méthode de modulation enseignée par le brevet FR-B-2 471 583 précité.
La figure 1 illustre schématiquement l'architecture d'un interféromètre en anneau tel que décrit dans ce brevet.
Une source laser S produit un faisceau de rayons parallèles 1, ~ o vers un dispositif séparateur constitué, par exemple, par une lame ou un miroir semi-transparent M couplé optiquement à l'anneau 2 de l'interféromètre. Cet anneau 2 peut être réalisé par exemple à l'aide d'une fibre optique monomode enroulée sur elle-même. En effet, la sensibilité de la mesure est accrue grâce à l'utilisation d'un parcours optique long, ~ 5 proportionnel au nombre de tours. Cet anneau 2 est rebouclé sur le dispositif séparateur M qui joue également le rôle d'un dispositif mélangeur et définit ainsi une branche de sortie 3. L'anneau est donc parcouru par deux ondes se propageant en sens inverse : l'une dans le sens horaire S1 l'autre dans le sens anti-horaire S2 Ces deux ondes se recombinent sur la lame séparatrice 2o M. Le résultat de cette recombinaison peut être observé dans la branche de sortie 3 à l'aide du photodétecteur 4.
Soit ~~o la différence de phase entre les deux ondes qui se propagent en sens inverse dans l'anneau et PS la puissance optique de sortie que l'on peut mesurer dans la branche de sortie 3. En l'absence de 25 perturbation« non réciproque » O~o est nul.
Si, à titre d'exemple non limitatif, on considère un gyromètre mettant en oeuvre un interféromètre en anneau, une perturbation « non réciproque » va être créée par la mise en rotation du gyromètre. La différence de phase n'est plus nulle et l'on a ~~o = a S2 où S2 est la vitesse de 3o rotation et a = k L/~,C où k est une constante dépendant de la géométrie du gyromètre, L la longueur du parcours optique, ~, la longueur d'onde de la lumière émise par la source laser S, et C la vitesse de la lumière dans l'anneau 2. Lorsque la vitesse de rotation S2 augmente, la différence de phase ~ ~o augmente dans les mêmes proportions car le coefficient a reste constant. La puissance optique Ps évolue selon une loi cosinusoïdale. En effet Ps = pis + P2s + 2 Pis P~ s Cos (0 ~o) ; relation dans laquelle la composante Pis correspond au sens S1 et la composante P2s au sens S2.
La sensibilité de la mesure pour une valeur 0~ donnée est exprimée par la dérivée de Ps dPs / d(0 ~o) _ - 2 Pis P2s sin (0 ~o).
La sensibilité de l'interféromètre est très faible si la différence de phase 0~ est peu différente de zéro. C'est le cas dans un gyromètre si on ~ o désire mesurer de faibles vitesses de rotation S2. La variation de la puissance optique Ps dans la branche de sortie en fonction de la différence de phase ~~ est illustrée par le diagramme de la figure 2.
On peut considérer les termes Pis et P2s égaux. II s'ensuit que pour une différence de phase 0~ _ ~c radians, la puissance détectée est ~ 5 minimum. Elle passe par un maximum Psmax pour ~~ = 0 et pour 2 ~ radians et ainsi de suite.
Pour augmenter la sensibilité de l'interféromètre, on peut introduire un biais « non réciproque » constant dans la phase des deux ondes circulant en sens inverses de façon à déplacer le point de 2o fonctionnement de l'interféromètre.
Dans le cas d'une fonction variant selon une loi cosinusoïdale, le point de plus haute sensibilité est obtenu par les angles de (2n + 1 ) ~/2 radians, avec n nombre entier. On peut donc choisir un biais introduisant une variation de phase sur chaque onde en valeur absolue de ~/4 radians mais 25 de signes contraires. En l'absence de perturbation « non réciproque » la différence de phase devient alors au point Pso de la figure 2.
Selon l'enseignement du brevet français précité, on introduit sur le parcours des ondes dans l'anneau 2, un modulateur de phase 5 mettant en jeu un effet réciproque. Le modulateur de phase 5 (figure 1 ) est excité de 3o façon à créer une variation de phase ~ (t) de l'onde qui le traverse. Cette variation est périodique, sa période étant égale à 2.ta, to étant le temps de parcours d'une onde dans l'anneau.
La figure 3 représente l'architecture d'un gyromètre selon l'invention mettant en oeuvre l'interféromètre en anneau de la figure 1.
ô
Un dispositif électronique d'exploitation 20 de l'interféromètre reçoit des informations électriques du photodétecteur 4 couplé optiquement à la voie 3, en sortie de la lame séparatrice M de l'interféromètre de la figure 1 et fournit un signal de modulation Um au modulateur de phase 5 introduit dans l'anneau 2 dudit interféromètre.
Le photodétecteur 4 convertit l'intensité optique en sortie du dispositif mélangeur M (lame séparatrice M) en une tension électrique Ud appliquée, à travers un adaptateur 24, à un circuit de détection synchrone 26 pilotée par deux signaux de contrôle complémentaires Ca et Cb à la ~0 fréquence de modulation FO=1/2.to.
Un processeur 28 gère l'ensemble du dispositif électronique d'exploitation 20 du gyromètre selon l'invention. Les signaux de contrôle Ca et Cb nécessaires à la commande du détecteur synchrone 26 qui peuvent être par exemple la recopie de signaux impulsionnels d'une horloge 30 pilotée par un oscillateur à quartz 32 du processeur 28.
Le détecteur synchrone 26 comporte essentiellement un premier 34 et un second échantillonneurlbloqueur 36 commandés par l'horloge 30, à
travers un inverseur 38 des états logiques complémentaires H et H fournis par l'horloge 30, de façon à ce que le signal Ud en sortie de l'adaptateur 24 2o soit échantillonné, par le premier échantillonneur-bloqueur 34, pendant une demi-période to de la modulation de phase du signal optique dans un sens, puis, par le second échantillonneur-bloqueur 36, pendant l'autre demi-période suivante de la modulation de phase du signal optique dans l'autre sens, les deux sens correspondant aux modulations de phase synchrone en +~12 et -~l2 (somme des déphasages physiques selon S2 de +et- n/4 à T- to et selon S1 de - et + ~/4 à T).
Lorsque le gyromètre est en rotation, l'ensemble de la courbe de l'interféromètre en fonction du déphasage appliqué par le modulateur est décalée. Ceci produit une modulation de la tension Ud en sortie du photodétecteur à la fréquence FO = 1 /2to dont l'amplitude est proportionnelle à la vitesse si celle-ci est assez faible pour que le déphasage reste dans la zone linéaire de la courbe de réponse.
L'amplitude de cette modulation est extraite par le détecteur synchrone 26 qui fournit une tension Us analogique correspondant à la variation de phase. La tension Us analogique, après numérisation par un convertisseur analogique/numérique 42, est appliquée à un circuit numérique de commande 44 générant un signal composite de modulation du modulateur de phase 5. Le convertisseur analogique/numérique 42 est commandé par une horloge à fréquence F0.
Le circuit numérique de commande 44 a pour but d'élaborer une rampe numérique et de la combiner avec les signaux numériques de modulation de phase. A cet effet, le circuit numérique de commande 44 comporte un additionneur/soustracteur 46 recevant sur des entrées les signaux numériques en sortie du convertisseur analogique-numérique 42 et ~ o un ordre d'accumulation à la fréquence FO et fournissant à une sortie une information numérique à un intégrateur 48 chargé de réaliser une rampe numérique dont la pente est fonction de la vitesse de rotation du gyromètre.
La sortie numérique de l'intégrateur 48 attaque un convertisseur numérique/analogique 50 générant, à travers un amplificateur ~ 5 de puissance 52, la tension analogique Um de modulation du déphaseur 5 disposé dans le trajet des ondes lumineuses de l'interféromètre.
Selon la caractéristique principale du gyromètre selon l'invention, le dispositif d'exploitation comporte un moyen pour inverser, à une fréquence f très inférieure à la fréquence F0, la phase de l'horloge 30, de manière à
2o alterner, à cette fréquence f, le sens de la différence d'échantillons. Le circuit additionneur/soustracteur 46 est également commandé par la fréquence f, pour fonctionner alternativement en additionneur(+1 ) ou en soustracteur(-1 ).
A cet effet, les états H et H fournis par l'horloge 30 sont inversés par l'inverseur 38, au rythme de la fréquence f appliquée à une entrée de 25 contrôle 54 de l'inverseur 38.
Les échantillonneurs-bloqueurs 34, 36 effectuent l'échantillonnage du signal Ud en sortie de l'adaptateur 24 du photodétecteur 4. Le signal Ud représente la puissance optique résultant de l'interférence entre les deux ondes lumineuses Si et S2 se propageant dans la fibre optique de 30 l'interféromètre.
Chacune des sorties 60, 62 des échantillonneurs-bloqueurs 34 et 36 attaque l'une et l'autre des deux entrées (+, -) d'un amplificateur différentiel 64 fournissant à sa sortie la tension Us représentant la différence entre deux échantillons consécutifs pris au cours de l'une et de l'autre demi-période de la fréquence FO du signal de puissance optique Ud en sortie du photodétecteur 4.
Chacun des échantillonneurs-bloqueurs du détecteur synchrone comporte des entrées de commande Ea, Éa et Eb, Éb pilotées par l'horloge
5 30 à travers l'inverseur 38 tel que décrit par la suite. La sortie Ca de l'inverseur est connectée respectivement à l'entrée Éa du premier échantillonneur-bloqueur 34 et à l'entrée Eb du second 36 et la sortie Cb de l'inverseur 38 est connectée à l'entrée Ea du premier échantillonneur-bloqueur 34 et à l'entrée Éb du second, ainsi, de façon connue, l'échantillon maintenu est la valeur analogique présente à l'entrée sur les flancs de montée par exemple, des entrées Ea et Eb. Lors de la commande de conversion analogique/numérique le signal présenté à l'entrée du convertisseur analogique/numérique 42 est la différence entre les valeurs échantillonnées lors des derniers flancs de montée des signaux aux entrées ~ 5 Ea et Eb.
L'inverseur 38 reçoit par son entrée de contrôle 54 un signal de commande Co d'inversion, à la fréquence f, présentant pendant une demi-période de durée 1/2.f, un état haut puis pendant la demi-période suivante, de même durée, un état bas. Ainsi, lorsque le signal de commande 2o d'inversion est, par exemple, à l'état haut, les états H et H sont transmis respectivement aux sorties Ca et Cb de l'inverseur 38, la sortie Ca transmettant l'état H de l'horloge et la sortie Cb l'état H et lorsque le signal de commande d'inversion est à l'état bas, les états H et H sont inversés aux sorties Ca et Cb de l'inverseur 38, la sortie Ca transmettant l'état H de 25 l'horloge et la sortie Cb l'état H.
Pendant l'état haut du signal de contrôle. Co de l'inverseur 38, l'amplificateur différentiel 64 présente à sa sortie une tension correspondant à une suite de différences de deux échantillons consécutifs AP et B~P+~, pris respectivement pendant l'une et l'autre phases de modulation des signaux 30 lumineux (+~/2 et -~c12). Le signal Us en sortie de l'amplificateur différentiel, représentant la différence des échantillons (AP - BOP+y) au cours d'une période 2to, est appliqué, après numérisation par le convertisseur analogique-numérique 42, à l'additionneur/soustracteur 46.
L'additionneur/soustracteur 46 est commandé par le processeur 28, pendant que signal de commande de l'inverseur 38 est à l'état haut, de façon à efFectuer une accumulation positive (+1 ).
Lorsque le signal de contrôle Co de l'inverseur passe de l'état haut à l'état bas, les états H et H sont inversés aux sorties Ca et Cb de l'inverseur 26, la sortie Ca transmettant l'état H de l'horloge et la sortie Cb l'état H
inversant les états logiques aux respectives entrées Eb et Éb et Ea et Éa des échantillonneurs-bloqueurs. Les échantillons prélevés par le premier l'échantillonneur-bloqueur 34, lorsque le signal de contrôle Co de l'inverseur ~ o était à l'état haut lors d'une variation de phase des signaux lumineux dans un sens, sont prélevés par le second échantillonneur-bloqueur 36 lorsque le signal de contrôle Co de l'inverseur 38 est à l'état bas, et vice-versa. La différence des échantillons en sortie de l'amplificateur différentiel changeant de signe, le processeur 28 inverse la commande de l' ~ 5 additionneur/soustracteur 46 pour effectuer une accumulation négative (-1 ) et ainsi conserver le même sens de la rampe de phase.
La figure 4a représente un signal de modulation Um du modulateur de phase 5 du gyromètre de la figure 3 selon l'invention et la figure 4b le signal de contrôle Co de l'inverseur 38 d'états de l'horloge 30.
2o Le signal de modulation Um appliqué au modulateur de phase 5 génère la rampe de phase, de pente proportionnelle à (~o l ta) et d'amplitude crête-à-crête égale à 2~ radians, combinée au signal de modulation de phase de +~/4 et -~/4 à la fréquence 1 /2 to.
Dans la figure 4a, les échantillons prélevés par le premier 25 échantillonneur-bloqueur 34 sont repères par la lettre A et ceux prélevés par le second échantillonneur-bloqueur 36 sont repérés par la lettre B.
En supposant, qu'avant un instant x1 au cours de la rampe de phase le signal de contrôle Co de l'inverseur est à l'état haut (état 1 sur la figure), les échantillons A sont prélevés lors de la demi-période de durée to 30 donnant lieu à une modulation de phase de +~/4 et les échantillons B lors de l'autre demi-période donnant lieu modulation de phase de -~/4. Après l'instant x1 le signal de contrôle Co de l'inverseur change d'état passant à
l'état bas (état 0 sur la figure 4b) inversant la prise des échantillons, les échantillons A étant alors prélevés lors de la demi-période de durée to donnant lieu à une modulation de phase de -n/4 et les échantillons B lors de l'autre demi-période donnant lieu modulation de phase de +~c14.
Le rôle de cette fonction d'alternance est d'inverser abruptement la phase de détection synchrone et d'alterner simultanément en signe la fonction additionneur du premier accumulateur du signal issu du convertisseur analogique-numérique.
Ainsi l'additionneur/soustracteur 46 effectuera par exemple la somme suivante (A1-B2)+(A3-B4)+... ..(A997-B998)-(A1000-B1001 )... .
-(A1998-81999)+(A2001-82002)+...
Avec un signe positif pour la différence et une accumulation positive (+1 ) de A1 à B998 puis changement de signe de la différence qui ~ 5 devient négatif et accumulation négative (-1 ) de A1000 à B1999 puis à
nouveau changement de signe de la différence qui devient positif et accumulation positive (+1 ) et ainsi de suite.
La fonction asservissement n'est pas modifiée puisque le signe du signal d'erreur de phase cumulée dans le premier accumulateur n'est pas 2o affecté par la double inversion. Seul le signe de l'erreur du décalage des tensions de l'électronique est alterné car cette erreur n'est pas modifiée par la première inversion (inversion de phase) alors qu'elle l'est pas la deuxième inversion (de signe).
La séquence d'opération réalisée par l'additioneur/soustracteur 46 25 montre qu'à chaque transition de l'horloge f, un échantillon x du signal Ud a été omis. La cadence moyenne des opérations de l'additionneurlsoustracteur 46 est égale à FO-f. Ceci peut se traduire en cas de rotation de signe constante par une erreur systématique de valeur relative f/F0. A fin de corriger cette erreur, il est possible de mémoriser la valeur moyenne 3o d'addition/soustraction précédent la transition de l'horloge f et par un circuit ou un opérateur logique additionnel d'additionner/soustraire la moitie de cette valeur moyenne pour compenser le demi-échantillon manquant.
Le dispositif d'exploitation du gyromètre selon l'invention permet à
la fois d'utiliser une conversion analogique-numérique qui n'est pas 35 nécessairement à la fréquence de la modulation de phase optique, ce qui réduit la consommation de l'électronique, améliore l'immunité au bruit et compense les défauts de décalage, ou « offset » en langue anglaise, de la partie analogique de l'électronique, notamment les décalages en tension des amplificateurs différentiels.
Dans le brevet FR 8409311, il est proposé de corriger le facteur d'échelle de la rampe de phase en comparant deux modes de fonctionnement correspondant aux déphasages ~l2 et 312 du modulateur de phase.
La figure 5 montre le synoptique d'une variante du gyromètre de la ~ o figure 3 selon l'invention corrigeant le facteur d'échelle de la rampe de phase du modulateur de phase 5.
Dans cette variante, le dispositif d'exploitation du gyromètre comporte quatre échantillonneurs-bloqueurs. Un premier groupe de deux échantillonneurs-bloqueurs 70, 72 attaque les deux entrées d'un premier ~ 5 amplificateur différentiel 74, l'ensemble formant un premier détecteur synchrone 75, le premier amplificateur différentiel 74 fournissant la différence des échantillons pris par le premier groupe d'échantillonneurs-bloqueurs.
Un second groupe de deux autres échantillonneurs-bloqueurs 76, 78 attaqué les deux entrées d'un second amplificateur différentiel 80, 20 l'ensemble formant un second détecteur synchrone 79, le second amplificateur différentiel fournissant la différence des échantillons pris par le second groupe d'échantillonneurs-bloqueurs.
Le premier et le second groupe d'échantillonneurs-bloqueurs sont respectivement pilotés par une première 82 et une seconde 84 horloge à
25 travers des respectifs inverseurs 86, 88 des états des horloges selon le fonctionnement décrit dans le cas du gyromètre de la figure 3.
Le premier et le second groupe d'échantillonneurs-bloqueurs fonctionnent en détecteur synchrone de la même façon qûe dans le cas du gyromètre de la figure 3 décrit au paravent. A cet effet, le processeur 28 3o commande simultanément selon que l'on fonctionne avec un écart de modulation de phase de X12 ou de 3~/2 - un premier commutateur 88 sélectionnant, soit la sortie du premier amplificateur différentiel 74 du premier groupe d'échantillonneurs-bloqueurs, soit la sortie du second amplificateur différentiel 80 du premier groupe d'échantillonneurs-bloqueurs, pour attaquer le convertisseur analogique numérique 42 du dispositif d'électronique d'exploitation ;
- l'horloge 82, 84 et l'inverseur 86, 88 d'états associés au groupe d'échantillonneur-bloqueurs sélectionné ;
- un second commutateur 92 de même type que le premier commutateur 88 fournissant une information au convertisseur numérique/analogique 50 à partir des informations G1 et G2 en sortie du premier et du second groupe d'échantillonneurs-bloqueurs.
L'inverseur 38 reçoit par son entrée de contrôle 54 un signal de commande Co d'inversion, à la fréquence f, présentant pendant une demi-période de durée 1/2.f, un état haut puis pendant la demi-période suivante, de même durée, un état bas. Ainsi, lorsque le signal de commande 2o d'inversion est, par exemple, à l'état haut, les états H et H sont transmis respectivement aux sorties Ca et Cb de l'inverseur 38, la sortie Ca transmettant l'état H de l'horloge et la sortie Cb l'état H et lorsque le signal de commande d'inversion est à l'état bas, les états H et H sont inversés aux sorties Ca et Cb de l'inverseur 38, la sortie Ca transmettant l'état H de 25 l'horloge et la sortie Cb l'état H.
Pendant l'état haut du signal de contrôle. Co de l'inverseur 38, l'amplificateur différentiel 64 présente à sa sortie une tension correspondant à une suite de différences de deux échantillons consécutifs AP et B~P+~, pris respectivement pendant l'une et l'autre phases de modulation des signaux 30 lumineux (+~/2 et -~c12). Le signal Us en sortie de l'amplificateur différentiel, représentant la différence des échantillons (AP - BOP+y) au cours d'une période 2to, est appliqué, après numérisation par le convertisseur analogique-numérique 42, à l'additionneur/soustracteur 46.
L'additionneur/soustracteur 46 est commandé par le processeur 28, pendant que signal de commande de l'inverseur 38 est à l'état haut, de façon à efFectuer une accumulation positive (+1 ).
Lorsque le signal de contrôle Co de l'inverseur passe de l'état haut à l'état bas, les états H et H sont inversés aux sorties Ca et Cb de l'inverseur 26, la sortie Ca transmettant l'état H de l'horloge et la sortie Cb l'état H
inversant les états logiques aux respectives entrées Eb et Éb et Ea et Éa des échantillonneurs-bloqueurs. Les échantillons prélevés par le premier l'échantillonneur-bloqueur 34, lorsque le signal de contrôle Co de l'inverseur ~ o était à l'état haut lors d'une variation de phase des signaux lumineux dans un sens, sont prélevés par le second échantillonneur-bloqueur 36 lorsque le signal de contrôle Co de l'inverseur 38 est à l'état bas, et vice-versa. La différence des échantillons en sortie de l'amplificateur différentiel changeant de signe, le processeur 28 inverse la commande de l' ~ 5 additionneur/soustracteur 46 pour effectuer une accumulation négative (-1 ) et ainsi conserver le même sens de la rampe de phase.
La figure 4a représente un signal de modulation Um du modulateur de phase 5 du gyromètre de la figure 3 selon l'invention et la figure 4b le signal de contrôle Co de l'inverseur 38 d'états de l'horloge 30.
2o Le signal de modulation Um appliqué au modulateur de phase 5 génère la rampe de phase, de pente proportionnelle à (~o l ta) et d'amplitude crête-à-crête égale à 2~ radians, combinée au signal de modulation de phase de +~/4 et -~/4 à la fréquence 1 /2 to.
Dans la figure 4a, les échantillons prélevés par le premier 25 échantillonneur-bloqueur 34 sont repères par la lettre A et ceux prélevés par le second échantillonneur-bloqueur 36 sont repérés par la lettre B.
En supposant, qu'avant un instant x1 au cours de la rampe de phase le signal de contrôle Co de l'inverseur est à l'état haut (état 1 sur la figure), les échantillons A sont prélevés lors de la demi-période de durée to 30 donnant lieu à une modulation de phase de +~/4 et les échantillons B lors de l'autre demi-période donnant lieu modulation de phase de -~/4. Après l'instant x1 le signal de contrôle Co de l'inverseur change d'état passant à
l'état bas (état 0 sur la figure 4b) inversant la prise des échantillons, les échantillons A étant alors prélevés lors de la demi-période de durée to donnant lieu à une modulation de phase de -n/4 et les échantillons B lors de l'autre demi-période donnant lieu modulation de phase de +~c14.
Le rôle de cette fonction d'alternance est d'inverser abruptement la phase de détection synchrone et d'alterner simultanément en signe la fonction additionneur du premier accumulateur du signal issu du convertisseur analogique-numérique.
Ainsi l'additionneur/soustracteur 46 effectuera par exemple la somme suivante (A1-B2)+(A3-B4)+... ..(A997-B998)-(A1000-B1001 )... .
-(A1998-81999)+(A2001-82002)+...
Avec un signe positif pour la différence et une accumulation positive (+1 ) de A1 à B998 puis changement de signe de la différence qui ~ 5 devient négatif et accumulation négative (-1 ) de A1000 à B1999 puis à
nouveau changement de signe de la différence qui devient positif et accumulation positive (+1 ) et ainsi de suite.
La fonction asservissement n'est pas modifiée puisque le signe du signal d'erreur de phase cumulée dans le premier accumulateur n'est pas 2o affecté par la double inversion. Seul le signe de l'erreur du décalage des tensions de l'électronique est alterné car cette erreur n'est pas modifiée par la première inversion (inversion de phase) alors qu'elle l'est pas la deuxième inversion (de signe).
La séquence d'opération réalisée par l'additioneur/soustracteur 46 25 montre qu'à chaque transition de l'horloge f, un échantillon x du signal Ud a été omis. La cadence moyenne des opérations de l'additionneurlsoustracteur 46 est égale à FO-f. Ceci peut se traduire en cas de rotation de signe constante par une erreur systématique de valeur relative f/F0. A fin de corriger cette erreur, il est possible de mémoriser la valeur moyenne 3o d'addition/soustraction précédent la transition de l'horloge f et par un circuit ou un opérateur logique additionnel d'additionner/soustraire la moitie de cette valeur moyenne pour compenser le demi-échantillon manquant.
Le dispositif d'exploitation du gyromètre selon l'invention permet à
la fois d'utiliser une conversion analogique-numérique qui n'est pas 35 nécessairement à la fréquence de la modulation de phase optique, ce qui réduit la consommation de l'électronique, améliore l'immunité au bruit et compense les défauts de décalage, ou « offset » en langue anglaise, de la partie analogique de l'électronique, notamment les décalages en tension des amplificateurs différentiels.
Dans le brevet FR 8409311, il est proposé de corriger le facteur d'échelle de la rampe de phase en comparant deux modes de fonctionnement correspondant aux déphasages ~l2 et 312 du modulateur de phase.
La figure 5 montre le synoptique d'une variante du gyromètre de la ~ o figure 3 selon l'invention corrigeant le facteur d'échelle de la rampe de phase du modulateur de phase 5.
Dans cette variante, le dispositif d'exploitation du gyromètre comporte quatre échantillonneurs-bloqueurs. Un premier groupe de deux échantillonneurs-bloqueurs 70, 72 attaque les deux entrées d'un premier ~ 5 amplificateur différentiel 74, l'ensemble formant un premier détecteur synchrone 75, le premier amplificateur différentiel 74 fournissant la différence des échantillons pris par le premier groupe d'échantillonneurs-bloqueurs.
Un second groupe de deux autres échantillonneurs-bloqueurs 76, 78 attaqué les deux entrées d'un second amplificateur différentiel 80, 20 l'ensemble formant un second détecteur synchrone 79, le second amplificateur différentiel fournissant la différence des échantillons pris par le second groupe d'échantillonneurs-bloqueurs.
Le premier et le second groupe d'échantillonneurs-bloqueurs sont respectivement pilotés par une première 82 et une seconde 84 horloge à
25 travers des respectifs inverseurs 86, 88 des états des horloges selon le fonctionnement décrit dans le cas du gyromètre de la figure 3.
Le premier et le second groupe d'échantillonneurs-bloqueurs fonctionnent en détecteur synchrone de la même façon qûe dans le cas du gyromètre de la figure 3 décrit au paravent. A cet effet, le processeur 28 3o commande simultanément selon que l'on fonctionne avec un écart de modulation de phase de X12 ou de 3~/2 - un premier commutateur 88 sélectionnant, soit la sortie du premier amplificateur différentiel 74 du premier groupe d'échantillonneurs-bloqueurs, soit la sortie du second amplificateur différentiel 80 du premier groupe d'échantillonneurs-bloqueurs, pour attaquer le convertisseur analogique numérique 42 du dispositif d'électronique d'exploitation ;
- l'horloge 82, 84 et l'inverseur 86, 88 d'états associés au groupe d'échantillonneur-bloqueurs sélectionné ;
- un second commutateur 92 de même type que le premier commutateur 88 fournissant une information au convertisseur numérique/analogique 50 à partir des informations G1 et G2 en sortie du premier et du second groupe d'échantillonneurs-bloqueurs.
Claims (9)
1. Gyromètre à fibre optique comprenant un interféromètre de Sagnac utilisant deux ondes lumineuses (S1, S2) circulant en sens opposés dans un, guide d'onde (2) en anneau, comprenant un photodétecteur (4) délivrant un signal électrique Ud représentant l'intensité lumineuse des interférences entre les deux ondes, et des moyens de déphasage (5) optique des ondes commandés par un signal de modulation Um en créneaux apte à
commander une variation de phase optique à une fréquence F0 sensiblement égale à 1/2.t o, où to est le temps de trajet d'une onde dans le guide (2), le photodétecteur (5) étant relié à au moins un premier (34, 70, 76) et un second (36, 72, 78) circuits d'échantillonnage contrôlés en opposition de phase par une horloge (30, 82, 84) à fréquence F0 et fournissant deux échantillons (A, B) à chaque période respectivement sur une première et une seconde entrées d'un amplificateur différentiel (64, 74, 80), un convertisseur analogique-numérique (42) à la sortie de l'amplificateur différentiel et un additionneur/soustracteur (46) pour accumuler les valeurs numériques successivement fournies par le convertisseur analogique-numérique (42), l'additionneur/soustracteur (46) fournissant un contenu représentant un paramètre de la mesure de rotation du gyromètre, caractérisé en ce qu'il est prévu un moyen (28, 38) pour inverser, à une fréquence f très inférieure à la fréquence F0, la phase de l'horloge (30), de manière à alterner, à la fréquence f, le sens de la différence d'échantillons à la sortie de l'amplificateur différentiel, et en ce que l'additionneur/soustracteur (46) est également commandé par la fréquence f, pour fonctionner alternativement en additionneur ou en soustracteur.
commander une variation de phase optique à une fréquence F0 sensiblement égale à 1/2.t o, où to est le temps de trajet d'une onde dans le guide (2), le photodétecteur (5) étant relié à au moins un premier (34, 70, 76) et un second (36, 72, 78) circuits d'échantillonnage contrôlés en opposition de phase par une horloge (30, 82, 84) à fréquence F0 et fournissant deux échantillons (A, B) à chaque période respectivement sur une première et une seconde entrées d'un amplificateur différentiel (64, 74, 80), un convertisseur analogique-numérique (42) à la sortie de l'amplificateur différentiel et un additionneur/soustracteur (46) pour accumuler les valeurs numériques successivement fournies par le convertisseur analogique-numérique (42), l'additionneur/soustracteur (46) fournissant un contenu représentant un paramètre de la mesure de rotation du gyromètre, caractérisé en ce qu'il est prévu un moyen (28, 38) pour inverser, à une fréquence f très inférieure à la fréquence F0, la phase de l'horloge (30), de manière à alterner, à la fréquence f, le sens de la différence d'échantillons à la sortie de l'amplificateur différentiel, et en ce que l'additionneur/soustracteur (46) est également commandé par la fréquence f, pour fonctionner alternativement en additionneur ou en soustracteur.
2. Gyromètre à fibre optique selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'amplitude de modulation d'interférences entre les deux ondes (S1, S2) est extraite par un détecteur synchrone (26, 75, 79) fournissant une tension Us analogique correspondant à la variation de phase entre les ondes, la tension Us analogique, après numérisation par le convertisseur analogique/numérique (42) étant appliquée à un circuit numérique de commande (44) générant un signal composite de modulation des moyens de déphasage optique, le circuit numérique de commande 44 élaborant une rampe numérique combinée avec des signaux numériques de modulation de phase.
3. Gyromètre à fibre optique selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comporte un circuit de détection synchrone (26, 75, 79) piloté par deux signaux de contrôle complémentaires Ca et Cb à la fréquence de modulation F0=1/2.t o, le détecteur synchrone comportant un premier (34, 74, 76) et un second (36, 72, 78) échantillonneurs-bloqueurs commandés par l'horloge (30, 82, 84), à travers un inverseur (38, 86, 88) des états logiques complémentaires H et H fournis par l'horloge, de façon à ce que le signal Ud en sortie de l'adaptateur (24) soit échantillonné, par le premier échantillonneur-bloqueur, pendant une demi-période t o de la modulation de phase du signal optique dans un sens, puis, par le second échantillonneur-bloqueur, pendant l'autre demi-période suivante de la modulation de phase du signal optique dans l'autre sens.
4. Gyromètre à fibre optique selon la revendication 3, caractérisé en ce que chacun des échantillonneurs-bloqueurs (34, 36 70, 72, 76, 78) du détecteur synchrone (26, 75, 79) comporte des entrés de commande Ea, ~a et Eb, ~b pilotées par l'horloge (30, 82, 84) à travers l'inverseur (38, 86, 88), une sortie Ca de l'inverseur étant connectée respectivement à l'entrée ~a du premier échantillonneur-bloqueur et à
l'entrée Eb du second et la sortie Cb de l'inverseur étant connectée à
l'entrée Ea du premier échantillonneur-bloqueur et à l'entrée ~b du second, l'échantillon maintenu étant la valeur analogique présente à l'entrée sur les flancs de montée par exemple, des entrées Ea et Eb, lors de la commande de conversion analogique/numérique le signal présenté à l'entrée du convertisseur analogique/numérique 42 étant la différence entre les valeurs échantillonnées lors des derniers flancs de montée des signaux aux entrées Ea et Eb.
l'entrée Eb du second et la sortie Cb de l'inverseur étant connectée à
l'entrée Ea du premier échantillonneur-bloqueur et à l'entrée ~b du second, l'échantillon maintenu étant la valeur analogique présente à l'entrée sur les flancs de montée par exemple, des entrées Ea et Eb, lors de la commande de conversion analogique/numérique le signal présenté à l'entrée du convertisseur analogique/numérique 42 étant la différence entre les valeurs échantillonnées lors des derniers flancs de montée des signaux aux entrées Ea et Eb.
5. Gyromètre à fibre optique selon l'une des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce que l'inverseur (38, 86, 88) reçoit par son entrée de contrôle (54) un signal de commande Co d'inversion, à la fréquence f, présentant pendant une demi-période de durée 1/2.f, un état haut puis, pendant la demi-période suivante, de même durée, un état bas et en ce que lorsque le signal de commande d'inversion est à l'état haut, les états H et ~
sont transmis respectivement aux sorties Ca et Cb de l'inverseur, la sortie Ca transmettant l'état H de l'horloge et la sortie Cb l'état ~ et lorsque le signal de commande d'inversion est à l'état bas, les états H et ~ sont inversés aux sorties Ca et Cb de l'inverseur, la sortie Ca transmettant l'état ~ de l'horloge et la sortie Cb l'état H.
sont transmis respectivement aux sorties Ca et Cb de l'inverseur, la sortie Ca transmettant l'état H de l'horloge et la sortie Cb l'état ~ et lorsque le signal de commande d'inversion est à l'état bas, les états H et ~ sont inversés aux sorties Ca et Cb de l'inverseur, la sortie Ca transmettant l'état ~ de l'horloge et la sortie Cb l'état H.
6. Gyromètre à fibre optique selon l'une des revendications 1 à
5, caractérisé en ce que le signal de modulation Um appliqué au modulateur de phase (5) génère la rampe de phase, de pente proportionnelle à (.PHI.o /t o) et d'amplitude crête-à-crête égale à 2.pi. radians, combinée au signal de modulation de phase de +/2 et -.pi./2 à la fréquence 1/2.t o.
5, caractérisé en ce que le signal de modulation Um appliqué au modulateur de phase (5) génère la rampe de phase, de pente proportionnelle à (.PHI.o /t o) et d'amplitude crête-à-crête égale à 2.pi. radians, combinée au signal de modulation de phase de +/2 et -.pi./2 à la fréquence 1/2.t o.
7. Gyromètre à fibre optique selon l'une des revendications 2 à
6, caractérisé en ce que le circuit numérique de commande (44) comporte un additionneur/soustracteur (46) recevant sur des entrées les signaux numériques en sortie du convertisseur analogique-numérique (42) et un ordre d'accumulation à la fréquence F0 et fournissant à sa sortie une information numérique à un intégrateur (48) chargé de réaliser une rampe numérique dont la pente est fonction de la vitesse de rotation du gyromètre, la sortie numérique de l'intégrateur (48) attaquant un convertisseur numérique/analogique (50) générant, à travers un amplificateur de puissance (52), la tension analogique Um de modulation du déphaseur (5) disposé dans le trajet des ondes lumineuses de l'interféromètre.
6, caractérisé en ce que le circuit numérique de commande (44) comporte un additionneur/soustracteur (46) recevant sur des entrées les signaux numériques en sortie du convertisseur analogique-numérique (42) et un ordre d'accumulation à la fréquence F0 et fournissant à sa sortie une information numérique à un intégrateur (48) chargé de réaliser une rampe numérique dont la pente est fonction de la vitesse de rotation du gyromètre, la sortie numérique de l'intégrateur (48) attaquant un convertisseur numérique/analogique (50) générant, à travers un amplificateur de puissance (52), la tension analogique Um de modulation du déphaseur (5) disposé dans le trajet des ondes lumineuses de l'interféromètre.
8. Gyromètre à fibre optique selon l'une des revendications 6 ou 7, caractérisé en ce que, pour corriger le facteur d'échelle de la rampe de phase, le dispositif d'exploitation (20) du gyromètre comporte quatre échantillonneurs-bloqueurs, un premier groupe de deux échantillonneurs-bloqueurs (70, 72) attaquant les deux entrées d'un premier amplificateur différentiel (74), l'ensemble formant un premier détecteur synchrone (75), le premier amplificateur différentiel (74) fournissant la différence des échantillons pris par le premier groupe d'échantillonneurs-bloqueurs, un second groupe de deux autres échantillonneurs-bloqueurs (76, 78) attaquant les deux entrées d'un second amplificateur différentiel (80), l'ensemble formant un second détecteur synchrone (79), le second amplificateur différentiel fournissant la différence des échantillons pris par le second groupe d'échantillonneurs-bloqueurs, le premier et le second groupes d'échantillonneurs-bloqueurs étant respectivement pilotés par une première (82) et une seconde (84) horloges à travers des respectifs inverseurs (86, 88) des états des horloges, le processeur (28) commandant simultanément, selon que l'on fonctionne avec un écart de modulation de phase de .pi./2 ou de 3.pi./2:
- un premier commutateur (88) sélectionnant, soit la sortie du premier amplificateur différentiel (74) du premier groupe d'échantillonneurs-bloqueurs, soit la sortie du second amplificateur différentiel (80) du premier groupe d'échantillonneurs-bloqueurs, pour attaquer le convertisseur analogique numérique (42) du dispositif d'électronique d'exploitation;
- l'horloge (82, 84) et l'inverseur (86, 88) d'états associés au groupe d'échantillonneurs-bloqueurs sélectionné;
- un second commutateur (92) de même type que le premier commutateur (88) fournissant une information au convertisseur numérique/analogique (50) à partir des informations G1 et G2 en sortie du premier et du second groupe d'échantillonneurs-bloqueurs.
- un premier commutateur (88) sélectionnant, soit la sortie du premier amplificateur différentiel (74) du premier groupe d'échantillonneurs-bloqueurs, soit la sortie du second amplificateur différentiel (80) du premier groupe d'échantillonneurs-bloqueurs, pour attaquer le convertisseur analogique numérique (42) du dispositif d'électronique d'exploitation;
- l'horloge (82, 84) et l'inverseur (86, 88) d'états associés au groupe d'échantillonneurs-bloqueurs sélectionné;
- un second commutateur (92) de même type que le premier commutateur (88) fournissant une information au convertisseur numérique/analogique (50) à partir des informations G1 et G2 en sortie du premier et du second groupe d'échantillonneurs-bloqueurs.
9. Gyromètre à fibre optique selon l'une des revendications 1 à
8, caractérisé en ce qu'un processeur (28) gère l'ensemble du dispositif d'exploitation (20) du gyromètre fournissant entre autres les signaux de contrôle Ca et Cb nécessaires à la commande du détecteur synchrone (26, 75, 79) qui peuvent être par exemple la recopie de signaux impulsionnels d'une horloge (30, 82, 84) pilotée par un oscillateur à quartz (32) du processeur.
8, caractérisé en ce qu'un processeur (28) gère l'ensemble du dispositif d'exploitation (20) du gyromètre fournissant entre autres les signaux de contrôle Ca et Cb nécessaires à la commande du détecteur synchrone (26, 75, 79) qui peuvent être par exemple la recopie de signaux impulsionnels d'une horloge (30, 82, 84) pilotée par un oscillateur à quartz (32) du processeur.
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