EP0425546A1 - Gyrometres a lasers redondants - Google Patents

Gyrometres a lasers redondants

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Publication number
EP0425546A1
EP0425546A1 EP19890908175 EP89908175A EP0425546A1 EP 0425546 A1 EP0425546 A1 EP 0425546A1 EP 19890908175 EP19890908175 EP 19890908175 EP 89908175 A EP89908175 A EP 89908175A EP 0425546 A1 EP0425546 A1 EP 0425546A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
activation
gyrolasers
redundant laser
optical
optical units
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP19890908175
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Bernard Lucien Charles De Salaberry
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Individual
Original Assignee
Individual
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Filing date
Publication date
Application filed by Individual filed Critical Individual
Publication of EP0425546A1 publication Critical patent/EP0425546A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C19/00—Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
    • G01C19/58—Turn-sensitive devices without moving masses
    • G01C19/64—Gyrometers using the Sagnac effect, i.e. rotation-induced shifts between counter-rotating electromagnetic beams
    • G01C19/66—Ring laser gyrometers
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C19/00—Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
    • G01C19/58—Turn-sensitive devices without moving masses
    • G01C19/64—Gyrometers using the Sagnac effect, i.e. rotation-induced shifts between counter-rotating electromagnetic beams
    • G01C19/66—Ring laser gyrometers
    • G01C19/68—Lock-in prevention
    • G01C19/70—Lock-in prevention by mechanical means

Definitions

  • the present invention relates to redundant laser gyros for space applications, but which can be used in many other applications and in particular on submarines.
  • several laser gyrometers are mounted in parallel so as to allow economic redundancies and to eliminate the effect of the vibrations which they create due to the activation mechanism with which they are generally provided.
  • the provisions of the invention can be applied to all laser gyrometers, triangular or square, single-axis or multi-axis.
  • Laser gyros called in the following gyros, generally include:
  • an optical unit made of insulating material and with a low coefficient of expansion, in which an optical path, most often triangular or square, is arranged, delimited by three or four mirrors, the assembly constituting a resonant optical cavity,
  • an amplifying medium generating, in the optical cavity, two light waves rotating in opposite directions from each other, the interference between these two waves allowing the measurement of the rotation of the gyrometer around an axis perpendicular to the plane of the course optical,
  • Remedies for this drawback consisting in introducing a resonant mass into the housing of the laser gyro to suppress the reaction on the support structure.
  • this solution has the disadvantage of increasing its mass and volume.
  • the present invention provides a configuration of gyrolasers which solves all the problems posed by their use on satellite and which provides redundancy for all the elements which can break down by allowing only permanently functioning elements which have a long service life by itself and by operating these elements only under conditions of stress much lower than normal so that their duration life remains close to the shelf life.
  • the present invention proposes to use for each axis for which an angular speed measurement must be made, at least two gyrolasers, oscillating at the same frequency and at the same amplitude, but with phase conditions such as the reaction torques on the structure offset and cancel each other out.
  • the proposed configurations make it possible to directly compare the effect of the blind zones of each of the gyrolasers and to minimize them by moving their piezoelectric mirrors for this purpose.
  • the invention therefore relates to redundant gyrolasers based on the above principle, characterized in that they are associated at least in pairs at the same time on the same support, in that they have their axes of mechanical activation parallel, in that that they are activated at the same frequency and in that the amplitudes and phases of their activations are adjusted to cancel the reaction torques on said support.
  • FIG. 1 is a top view of a gyrolaser without a case and according to the prior art
  • FIG. 2 is a top view of a first embodiment of the invention
  • FIG. 3 is a sectional view of the embodiment of FIG. 2
  • FIG. 4 is a sectional view of an alternative embodiment of the invention
  • FIG. 5 is an example of a redundant connection diagram of the activations of two gyrolasers used according to the invention
  • FIG. 6 is a block diagram of the device for reducing the blind zone of two gyrolasers used according to the invention
  • FIG. 7 is a representation of the error made by a gyrolaser when it passes through zero speed.
  • a laser gyro includes in particular:
  • an optical block 1 made of an insulating and helium-tight material, generally a vitrified ceramic of the "zerodur" type, in which conduits 2 are pierced, closed by mirrors 3, at least one of which is mobile and which form with said conduits 2 an optical path, triangular in the case of FIG. 1, but which can take any other form, the same optical unit being able to comprise several optical paths.
  • Such an optical path forms a resonant optical cavity.
  • mirrors 3 at least one of which is movable in a direction perpendicular to its plane.
  • These mirrors are generally composed of a polished substrate on which a stack of multi-electric layers is deposited to constitute the reflecting part of the mirror itself.
  • an information output system placed on one of the mirrors 3 and comprising at least one mixing prism 6 capable of creating interference fringes on a set of photoelectric cells 77, said mirror being slightly transmitting, that is to say that is to say able to let pass part of the light that it must reflect.
  • the scrolling of the interference fringes is proportional to the rotation of the laser gyro around its measurement axis.
  • cathodes and anodes constitute the electrodes of the laser gyro and are connected to the conduits 2 by connection conduits 7.
  • the optical unit 1 is filled with a gas mixture generally based on helium and neon. An electric current passing between the electrodes excites this gas mixture and creates a plasma in the connection conduits 7 and in the conduits 2, plasma which, by amplifying the light, generates by laser effect, two light waves rotating in opposite directions in the cavity optical.
  • This optical unit 1 is mounted oscillating around an axis 8 thanks to an activation wheel. This is composed, for example, of an outer ring 9, a central hub 10 and elastic blades 11 on which are bonded piezoelectric ceramics 12.
  • Figure 2 shows a top view of a first embodiment of the invention in which two gyrolasers 13 and 14 are associated in a pair. They have two activation axes of their optical units, respectively 16 and 17, parallel to their measurement axes, and they are placed in the same case 15 so that said activation axes 16 and 17 are parallel to each other and that said optical units are in the same plane.
  • the exact arrangement of the gyrolasers is preferably chosen to minimize the distance between the two axes of rotation 16 and 17 of the activations and the overall size.
  • the two activation mechanisms are fixed to a wall 18 of the housing 15. Said wall is made thicker locally by a reinforcement 19, in order to transmit from one laser gyrolaser to the other the reaction torques of the activations.
  • This reinforcement 19 can take, for example, the form of two extra thicknesses, preferably circular, 20 and 21, placed under each laser gyro, respectively 13 and 14, and two stiffeners 22 and 23, parallel to a straight line connecting the axes 16 and 17 of the two activations, and tangent to the two circular extra thicknesses 20 and 21.
  • the housing 15 is also dimensioned to meet the stability requirements of the measurement axes under the expected environmental conditions.
  • the activation movements are controlled by an electronic system so that the rotations are made at each instant in opposite directions for each of the gyrolasers.
  • the reinforcement 19 is designed so as to link together the various activation systems and the phases of the movements are chosen so as to cancel the total reaction on the support.
  • the phase differences between the gyrolasers are for example 120 degrees, two by two, in the case of the use of three gyrolasers.
  • two reinforcement systems, of the type described above can be placed on either side of the gyrolasers, one on the wall 18 and the other on a wall 24 of the housing 15 facing said wall 18, and this at each end of the activation mechanisms.
  • FIG. 3 shows better the mechanical connection between the core 10 of the activation mechanism of the laser gyro 13 and the reinforcement 19.
  • the core 10 carries at its end, and in this case, at its two ends, a widening 25 which serves to fix the mechanism on the excess thickness (es) 20, using for example screws 26, distributed around said widening 25.
  • the reinforcements 19, composed of the thickeners 20 and 21 and the stiffeners 22 and 23 may form a single piece with the housing 15 or be an added piece.
  • a variant of the previous solution is to put the gyrolasers 13 and 14, forming a pair, no longer side by side, but in opposition.
  • the activation axes 16 and 17 of the optical units are preferably coaxial, the enlargements 25 face each other and transmit the reaction torques directly. They are interconnected by screws 26 distributed around said enlargements 25. Reinforcements 19 are no longer necessary.
  • the cores 10 of the activations of said gyrolasers 13 and 14 must be provided with widening 25 at each of their ends so as to be able to ensure a rigid connection between each of the activation mechanisms.
  • phase conditions to be observed for the activation movements of each of the gyrolasers are the same as above, depending on the number of gyrolasers used.
  • the diagram in FIG. 5 presents a soluton for controlling the activation mechanisms in the case of the use of two gyrolasers 13 and 14, mounted according to one of the solutions described above.
  • the circuit includes two identical chains, one per laser gyro, controlled by a processing circuit 47.
  • the redundancy presented is only of order two on piezoelectric ceramics to simplify the diagram. It is obvious that all the circuits can be doubled or tripled, and as we will see later, it is possible to use only half, a third, or even a quarter of the available ceramics to ensure the amplitude of activation. necessary. All this increases the possible redundancies.
  • the ceramics 12 of two gyrolasers 13 and 14 are grouped into four groups by laser gyro. Each of these groups is connected to an output 29 to 36 of a control amplifier 37 to 45. These amplifiers are linked together in pairs so that the amplifiers 38, 40, 42 and 44 provide, at their outputs, voltages in phase opposition with respect to those from amplifiers 37, 39, 41 and 43. Ceramics are of course connected to outputs 29 to 36 in such a way that their actions add up under the effect of the voltages they receive . Two inverters 45 and 46 make it possible to control only half of the eight amplifiers.
  • the assembly also includes:
  • Circuit 47 is provided with three inputs, 56, 61 and 62 and four outputs 57 to 60.
  • the inputs 61 and 62 receive signals from the position sensors 54 and 56. These signals are also sent to the phase shifters 48 and 49.
  • the input 56 receives signals from outside and corresponding to possible parasitic vibrations, measured at a sensitive location on the equipment on which the gyrolasers 13 and 14 are mounted and which should be corrected.
  • the outputs 57 and 58 control the phase shift to be achieved by the phase shifters 48 and 49.
  • Outputs 59 and 60 control the gain of each of the activation chains.
  • the two gyrolasers 13 and 14 oscillate at their natural frequency and at amplitudes limited by the saturations.
  • the natural frequencies of the two gyrolasers have been adjusted to be as close as possible.
  • the circuit 47 analyzes the signals supplied by the position sensors 54 and 55. It controls the phase shifters 48 and 49 by the outputs 57 and 58, on the one hand, rendering the two identical frequencies and on the other hand, put the movements strictly in phase opposition. It controls the multipliers 50 and 51 by the outputs 59 and 60 to make the amplitudes of the two movements equal to each other and to a set value.
  • the circuit 47 analyzes this vibration to correct the phase difference and the amplitude difference so as to cancel this residual vibration.
  • the source of information for this input 56 may advantageously be a sensitive accelerometer 63, placed near the block of gyrolasers, and having its measurement axis substantially perpendicular to the axes 16 and 17 of measurement of gyrolasers and in a direction such that it measures the movements due to reactive forces. incompletely compensated.
  • a sensitive accelerometer 63 placed near the block of gyrolasers, and having its measurement axis substantially perpendicular to the axes 16 and 17 of measurement of gyrolasers and in a direction such that it measures the movements due to reactive forces. incompletely compensated.
  • circuit 47, phase shifters 48 and 49 as well as multipliers 50 and 51 will advantageously be produced using a microprocessor.
  • the diagram in FIG. 6 describes the principle of the device for reducing the blind area in the case of a pair of gyrolasers 13 and 14.
  • the general principle consists in using at least two piezoelectric mirrors on each gyrolaser as has been described. in several patents. We can also very advantageously use three mirrors here piezoelectric by gyrolaser to reduce their blind zone almost to zero.
  • the originality of the solution comes from the fact that one uses the comparison of the errors made by each gyrolaser of the same pair each time they cross the blind zone, and from the fact that one controls the piezoelectric mirrors of each of the gyrolasers to minimize the standard deviation of the difference of these errors. This results in minimizing the random walk of each of the gyrolasers.
  • the gyrolasers were perfect, they would not exhibit non-linearity in the vicinity of low speeds. As this is not the case, due to this non-linearity, they make an error ⁇ at each crossing of the blind zone, error ⁇ which depends, as shown in Figure 7, on the value of the existing phase a between the two light waves when switching to zero speed. The amplitude of the sinusoid representing this error ⁇ depends on the value of the blind zone.
  • This error ⁇ is made random by making the phase ⁇ random by a noise added to the activation command.
  • the errors ⁇ made by each laser gyro are not correlated and their difference at each passage by the zero speed is also random.
  • a circuit 64 receives on two inputs, 75 and 76, the voltages from the photoelectric cells 7 of the two gyrolasers. These entries 75 and
  • This circuit 64 performs the comparison of the signals during the periods of time during which the observed frequencies are lower than a predetermined value and it provides for example the time difference to obtain a zero count on the two channels from the moment or the frequency arrived below the predetermined value.
  • Circuit 64 sends these voltage variations to amplifiers 64 and 70 by two outputs 73 and 74.
  • the cumulative difference in errors ⁇ presents a certain correlation with the errors accumulated by each of the gyrolasers and a modeling process makes it possible to further reduce the random walk of each of the gyrolasers.
  • a modeling process makes it possible to further reduce the random walk of each of the gyrolasers.

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Abstract

L'invention a pour objet des gyromètres à lasers redondants dans lesquels des blocs optiques sont groupés de préférence par paires, activés à la même fréquence et en opposition de phase pour supprimer les réactions sur les supports et dans lesquels les erreurs qui se produisent à chaque passage par la zone aveugle sont comparées. L'écart type de la différence de ces erreurs est utilisé pour minimiser la zone aveugle de chacun des gyromètres de la paire. L'invention s'applique à toute utilisation demandant un faible niveau de vibration, une marche au hasard faible et surtout des possibilités de redondance.

Description

GYROMETRES A LASERS REDONDANTS.
La présente invention concerne des gyromètres à lasers redondants pour des applications spatiales, mais qui peuvent être utilisés dans de nombreuses autres applications et notamment sur des sous-marins. Dans l'invention, plusieurs gyromètres à lasers sont montés en parallèle de façon à permettre des redondances économiques et à supprimer l'effet des vibrations qu'ils créent du fait du mecanisme d' activation dont ils sont généralement munis. Les dispositions de l'invention peuvent s'appliquer à tous les gyromètres à laser, triangulaires ou carrés, monoaxes ou multiaxes. Les gyromètres à laser, appelés dans ce qui va suivre gyrolasers, comportent généralement :
- un bloc optique, en matériau isolant et à faible coefficient de dilatation, dans lequel est aménagé un parcours optique, le plus souvent triangulaire ou carré, délimité par trois ou quatre miroirs, l'ensemble constituant une cavité optique résonnante,
- un milieu amplificateur générant, dans la cavité optique, deux ondes lumineuses tournant en sens inverses l'une de l'autre, les interférences entre ces deux ondes permettant la mesure de la rotation du gyromètre autour d'un axe perpendiculaire au plan du parcours optique,
- un dispositif de mélange des ondes lumineuses, pour créer des franges d'interférences sur un ensemble de cellules photoélectriques, le défilement desdites franges représentant la rotation angulaire du gyrolaser, et étant transformé par lesdites cellules photoélectriques en signaux électriques utilisables, - des moyens d'asservissement de la longueur de cavité agencés de telle sorte que la fréquence de résonnance de la cavité optique corresponde à celle pour laquelle le gain du milieu amplificateur de lumière est maximum et utilisant généralement un ou plusieurs miroirs mobiles, dits miroirs piézoélectriques, commandés par des circuits électroniques,
- des moyens d'activation mécanique permettant de faire osciller le bloc optique par rapport à son support pour éviter les effets bien connus de zone aveugle, ou blocage entre les deux ondes lumineuses, et utilisant le plus souvent des céramiques piézoélectriques collées sur des lames métalliques formant ressort pour créer cette oscillation.
Ces derniers moyens, très efficaces en eux mêmes, ont l'inconvénient de créer, lorsqu'ils fonctionnent, des couples de réaction importants sur le support et donc sur la structure extérieure sur laquelle le gyrolaser est fixé.
Dans le cas de l'utilisation sur un satellite, ces couples vont créer des vibrations pré judiciables à la durée de vie et au fonctionnement des autres équipements délicats portés par ledit satellite. Les équipements optiques ou les accéléromètres très sensibles, par exemple, risquent d'être très perturbés.
Des remèdes à cet inconvénient out été proposés, consistant â introduire une masse résonnante dans le boitier du gyrolaser pour supprimer la réaction sur la structure support. Outre la complication apportée à l'organisation interne du boitier des gyrolasers, cete solution a l'inconvénient d'en augmenter la masse et le volume.
La présente invention propose une configuration de gyrolasers qui résoud l'ensemble des problèmes posés par leur emploi sur satellite et qui assure une redondance pour tous les éléments qui peuvent tomber en panne en ne laissant fonctionner en permanence que des éléments dont la durée de vie est grande par elle-même et en ne faisant fonctionner ces éléments que dans des conditions de contraintes beaucoup plus faibles que normalement pour que leur durée de vie reste proche de la durée de vie en stockage.
La présente invention propose d'utiliser pour chaque axe pour lequel une mesure de vitesse angulaire doit être effectuée, au moins deux gyrolasers, oscillant à la même fréquence et à la même amplitude, mais avec des conditions de phase telles que les couples de réaction sur la structure se compensent et s'annulent.
Les configurations proposées permettent de comparer directement l'effet des zones aveugles de chacun des gyrolasers et de les minimiser en déplaçant à cet effet leurs miroirs piézoélectriques.
Dans de telles configurations, seules les activations doivent fonctionner en permanence, mais du fait que les zones aveugles sont minimisées, l'amplitude d'activation peut être très réduite. Il est alors possible de créer des redondances sur les moteurs des activations en n'utilisant qu'une partie des céramiques piézoélectriques disponibles sur chaque mécanisme d'activation.
Par ailleurs, le fait que les activations fonctionnent à une amplitude faible conduit à des contraintes dans les lames ressort négligeables et leur donne une durée de vie équivalente à celle du stockage.
Cette réduction de l'amplitude d'activation contribue bien entendu à la réduction des vibrations parasites qui pourraient subsister. Enfin les dispositions proposées permettent de réduire le poids des boitiers des gyrolasers au minimum car ces boitiers n'ont pas d'efforts importants à transmettre à la structure et la seule partie vraiement renforcée doit se trouver dans la liaison entre les mécanismes d'activation eux-mêmes.
L'invention concerne donc des gyrolasers redondants basés sur le principe susdits, caractérisés en ce qu' ils sont associés au moins par deux à la fois sur un même support, en ce qu'ils ont leurs axes d'activation mécanique parallèles, en ce qu'ils sont activés à la même fréquence et en ce que les amplitudes et phases de leurs activations sont ajustées pour annuler les couples de réaction sur ledit support.
Des modes de réalisation de l'invention seront décrits ciaprès, à titre d'exemples non limitatifs, avec référence aux dessins annexés dans lesquels :
La figure 1 est une vue de dessus d'un gyrolaser sans boitier et selon l'art antérieur,
La figure 2 est une vue de dessus d'un premier mode de réalisation de l'invention,
La figure 3 est une vue en coupe de la réalisation de la figure 2, La figure 4 est une vue en coupe d'une variante de réalisation de l'invention,
La figure 5 est un exemple de schéma de branchement redondant des activations de deux gyrolasers utilisés selon l'invention, La figure 6 est un schéma synoptique du dispositif de réduction de la zone aveugle de deux gyrolasers utilisés selon l'invention, et La figure 7 est une représentation de l'erreur faite par un gyrolaser lorsqu'il passe par la vitesse nulle.
Comme précédemment mentionné, et ainsi que le montre la figure 1, un gyrolaser comprend notamment :
- un bloc optiqu1 1, réalisé dans un matériau isolant et étanche à l'hélium, généralement une céramique vitrifiée du genre "zérodur", dans lequel sont percés des conduits 2, fermés par des miroirs 3 dont un au moins est mobile et qui forment avec lesdits conduits 2 un parcours optique, triangulaire dans le cas de la figure 1, mais qui peut prendre toute autre forme, un même bloc optique pouvant comporter plusieurs parcours optiques. Un tel parcours optique forme une cavité optique résonnante.
- des miroirs 3 dont l'un au moins est mobile dans une direction perpendiculaire à son plan. Ces miroirs sont généralement composés d'un substrat poli sur lequel est déposé un empilement de couches multidiélectriques pour constituer la partie réfléchissante du miroir lui-même.
- un système de sortie des informations placé sur l'un des miroirs 3 et comportant au moins un prisme de mélange 6 capable de créer des franges d'interférence sur un ensemble de cellules photoélectriques 77, ledit miroir étant légèrement transmettant, c'est-à-dire pouvant laisser passer une partie de la lumière qu'il doit réfléchir. Le défilement des franges d'interférence est proportionnel à la rotation du gyrolaser autour de son axe de mesure.
- une ou deux cathodes 4 fixées sur le bloc optique 1.
- une ou deux anodes 5 également fixées sur le bloc optique 1 .
Ces cathodes et anodes constituent les électrodes du gyrolaser et sont reliées aux conduits 2 par des conduits de raccordements 7.
Le bloc optique 1 est rempli d'un mélange gazeux généralement à base d'hélium et de néon. Un courant électrique passant entre les électrodes excite ce mélange gazeux et crée un plasma dans les conduits de raccordement 7 et dans les conduits 2, plasma qui, en amplifiant la lumière, génère par effet laser, deux ondes lumineuses tournant en sens inverse dans la cavité optique. Ce bloc optique 1 est monté oscillant autour d'un axe 8 grâce à une roue d'activation. Celle-ci est composée, par exemple, d'une couronne extérieure 9, d'un moyeu central 10 et de lames élastiques 11 sur lesquelles sont collées des céramiques piézoélectriques 12.
La figure 2 montre en vue de dessus un premier mode de réalisation de l ' invention dans lequel deux gyrolasers 13 et 14 sont associés en une paire. Ils ont deux axes d'activation de leurs blocs optiques, respectivement 16 et 17, parallèles à leurs axes de mesure, et ils sont placés dans un même boitier 15 de telle sorte que lesdits axes d'activation 16 et 17 soient parallèles entre eux et que lesdits blocs optiques soient dans un même plan. La disposition exacte des gyrolasers est choisie de préférence pour minimiser la distance entre les deux axes 16 et 17 de rotation des activations et l'encombrement général. Les deux mécanismes d'activation sont fixés sur une paroi 18 du boitier 15. Ladite paroi est rendue plus épaisse localement par un renfort 19, afin de transmettre d'un gyrolaser à l'autre les couples de réaction des activations. Ce renfort 19 peut prendre par exemple la forme de deux surépaisseurs, de préférence circulaires, 20 et 21, placées sous chaque gyrolaser, respectivement 13 et 14, et de deux raidisseurs 22 et 23, parallèles à une droite reliant les axes 16 et 17 des deux activations, et tangeants aux deux surépaisseurs circulaires 20 et 21.
Le boitier 15 est par ailleurs dimensionné pour satisfaire aux besoins de stabilité des axes de mesures dans les conditions d'environnement prévues.
Ainsi qu'il sera décrit plus loin, les mouvements d'activation sont commandés par un système électronique de telle sorte que les rotations se fassent à chaque instant en sens opposés pour chacun des gyrolasers.
Dans le cas de l'utilisation de plus de deux gyrolasers, dans le même boitier, le renfort 19 est dessiné de façon à relier entre eux les divers systèmes d'activation et les phases des mouvements est choisies de façon à annuler la réaction totale sur le support. Les écarts de phases entre les gyrolasers sont par exemple de 120 degrés, deux à deux, dans le cas de l'utilisation de trois gyrolasers. Pour améliorer encore la liaison mécanique entre les activations, et ainsi que le montre la vue en coupe de la figure 3, deux systèmes de renfort, du type décrit cidessus peuvent être placés de part et d'autre des gyrolasers, l'un sur la paroi 18 et l'autre sur une paroi 24 du boitier 15 faisant face à ladite paroi 18, et ceci à chaque extrémité des mécanismes d'activation.
Cette figure 3 montre mieux la liaison mécanique entre le noyau 10 du mécanisme d'activation du gyrolaser 13 et le renfort 19. le noyau 10 porte à son extrémité, et dans ce cas, à ses deux extrémités, un élargissement 25 qui sert à fixer le mécanisme sur la ou les surépaisseurs 20, à l'aide par exemple de vis 26, réparties autour dudit élargissement 25.
Les renforts 19, composés des surépaisseurs 20 et 21 et des raidisseurs 22 et 23 peuvent ne former qu'une seule et même pièce avec le boitier 15 ou être une pièce rapportée.
Dans le cas de l'emploi de gyrolasers multiaxes, c'est à dire ayant plusieurs cavités optiques, et activés mécaniquement, autour d'un axe quelconque, la même technique peut être employée, d'une part en montant en parallèle les mécanismes d'activation, et d'autre part en disposant de préférence les axes de mesure parallèlement deux à deux.
Ainsi que le montre la figure 4, une variante de la solution précédente consiste à mettre les gyrolasers 13 et 14, formant une paire, non plus côte à côte, mais en opposition. Dans ce cas, les axes d'activation 16 et 17 des blocs optiques sont de préférence coaxiaux, les élargissements 25 se font face et se transmettent directement les couples de réaction. Ils sont reliés entre eux par des vis 26 réparties autour des dits élargissements 25. Les renforts 19 ne sont plus nécessaires.
Il est possible de monter sur un même axe plus de deux gyrolasers, ainsi que le montrent les traits pointillés de la figure 4 qui représentent deux autres gyrolasers 27 et 28 placés de part et d'autre des gyrolasers 13 et 14.
Dans ce cas, les noyaux 10 des activations desdits gyrolasers 13 et 14 doivent être munis d'élargissement 25 à chacune de leurs extrémités de façon à pouvoir assurer une liaison rigide entre chacun des mécanismes d'activation.
Dans la pratique, les élargissement 25, existant déjà sur les gyrolasers actuels, sont réalisés fractionnés et beaucoup plus hauts car ils pénètrent entre les lames ressort 12 et occupent généralement toute la hauteur du gyrolaser. Cette disposition favorise la rigidité et rend plus aisée la fixation des gyrolasers par deux ou plus, selon les dispositions présentées ci-dessus.
Dans cette réalisation de la figure 4, les conditions de phase à respecter pour les mouvements d'activation de chacun des gyrolasers sont les mêmes que précèdement, en fonction du nombre de gyrolasers utilisés.
Le schéma de la figure 5 présente une soluton de commande des mécanismes d'activation dans le cas de l'utilisation de deux gyrolasers 13 et 14, montés selon l'une des solutions décrites précèdement. Le circuits comprend deux chaines identiques, une par gyrolaser, commandées par un circuit de traitement 47. La redondance présentée est seulement d'ordre deux sur les céramiques piézoélectriques pour simplifier le schéma. II est évident que tous les circuits peuvent être doublés ou triplés, et comme on le verra plus loin, il est possible de n'utiliser que la moitié, un tiers, ou même un quart des céramiques disponibles pour assurer l'amplitude d'activation nécessaire. Tout ceci permet de multiplier les redondances possibles.
Dans cette figure 5, les céramiques 12 de deux gyrolasers 13 et 14 sont groupés en quatre groupes par gyrolaser. Chacun de ces groupes est relié à une sortie 29 à 36 d'un amplificateur de commande 37 à 45. Ces amplificateurs sont reliés entre eux deux à deux de sorte que les amplificateurs 38, 40, 42 et 44 fournissent, sur leurs sorties, des tensions en opposition de phase par rapport à celles issues des amplificateurs 37, 39, 41 et 43. Les céramiques sont bien entendu branchées aux sorties 29 à 36 de telles sortes que leurs actions s'additionnent sous l'effet des tensions qu'elles reçoivent. Deux inverseurs 45 et 46 permettent de ne commander que la moitié des huit amplificateurs.
Outre le circuit de traitement 47, l'ensemble comprend par ailleurs :
- deux déphaseurs 48 et 49, réglables autour de 90º.
- deux multiplieurs 50 et 51, permettant de modifier le gain de la chaine,
- éventuellement deux amplificateurs d'adaptation 52 et 53, - un capteur de position pour chaque gyrolaser 13 et 14, respectivement 54 et 55.
Le circuit 47 est muni de trois entrées, 56, 61 et 62 et de quatre sorties 57 à 60.
Les entrées 61 et 62 reçoivent des signaux issus des capteurs de positions 54 et 56. Ces signaux sont également envoyés aux déphaseurs 48 et 49. L'entrée 56 reçoit des signaux venant de l'extérieur et correspondant à d'éventuelles vibrations parasites, mesurées à un endroit sensible du matériel sur lequel sont montés les gyrolasers 13 et 14 et qu'il faudrait corriger.
Les sorties 57 et 58 commandent le déphasage à réaliser par les dêphaseurs 48 et 49.
Les sorties 59 et 60 commandent le gain de chacune des chaines d'activation. En l'absence de contrôle par le circuit 47, les deux gyrolasers 13 et 14 oscillent à leur fréquence propre et à des amplitudes limitées par les saturations. Les fréquences propres des deux gyrolasers ont été ajustées pour être aussi voisines que possible.
Le circuit 47 analyse les signaux fournis par les capteurs de positions 54 et 55. Il commande les déphaseurs 48 et 49 par les sorties 57 et 58, pour d'une part, rendre les deux fréquences identiques et d'autre part, mettre les mouvements strictement en opposition de phase. Il commande les multiplieurs 50 et 51 par les sorties 59 et 60 pour rendre les amplitudes des deux mouvements égales entre elles et à une valeur de consigne.
Dans le cas où l ' entrée 56 reçoit une information de vibration résiduelle, le circuit 47 analyse cette vibration pour corriger l'écart de phase et 1' écart d' amplitude de façon à annuler cette vibration résiduelle.
La source d'information pour cette entrée 56 pourra avantageusement être un accélérométre sensible 63, placé à proximité du bloc des gyrolasers, et ayant son axe de mesure sensiblement perpendiculaire aux axes 16 et 17 de mesure des gyrolasers et dans une direction telle qu'il mesure les mouvements dus aux forces de réactior. incomplètement compensées. Dans le cas où aucune information de vibration parasite n'est disponible en utilisation, et où les gyrolasers associés ne seraient pas parfaitement identiques, il est possible d'introduire un décalage volontaire d'amplitude ou de phase pour supprimer les vibrations résiduelles mesurées à la mise au point.
Bien qu'ils puissent être réalisés en circuits analogiques, le circuit 47, les déphaseurs 48 et 49 ainsi que les multiplieurs 50 et 51 seront avantageusement réalisés à l'aide d'un microprocesseur.
Le shéma de la figure 6 expose le principe du dispositif de réduction de la zone aveugle dans le cas d'une paire de gyrolasers 13 et 14. Le principe général consiste à utiliser au moins deux miroirs piézoélectriques sur chaque gyrolaser ainsi que cela à été décrit dans plusieurs brevets. On pourra d'ailleur ici très avantageusement utiliser trois miroirs piézoélectriques par gyrolaser pour réduire quasiment à zéro leur zone aveugle.
L'originalité de la solution provient du fait que l'on utilise la comparaison des erreurs faites par chaque gyrolaser d'une même paire à chaque fois qu'ils traversent la zone aveugle, et du fait que l'on commande les miroirs piézoélectriques de chacun des gyrolasers pour minimiser l'écart type de la différence de ces erreurs. Ceci a pour résultat de minimiser la marche au hasard de chacun des gyrolasers.
En effet, si les gyrolasers étaient parfaits, ils ne présenteraient pas de non linéarité au voisinage des vitesses faibles. Comme cela n'est pas le cas, du fait de cette non linéarité, ils font une erreur δ à chaque traversée de la zone aveugle, erreur δ qui dépend, ainsi que le montre la figure 7, de la valeur de la phase a existant entre les deux ondes lumineuses au moment du passage à vitesse nulle. L'amplitude de la sinusoïde représentant cette erreur δ dépend de la valeur de la zone aveugle. Cette erreur δ est rendue aléatoire en rendant la phase α aléatoire par un bruit rajouté sur la commande d'activation. Les erreurs δ faites par chaque gyrolaser ne sont pas corrélées et leur différence à chaque passage par la vitesse nulle est aussi aléatoire. Minimiser la zone aveugle de chacun des gyrolasers tendra à minimiser l'écart type de cette différence et réciproquement. L'observation de l'effet du déplacement relatif des miroirs piézoélectriques de chacun des gyrolasers successivement sur cet écart type conduit à trouver une position optimum des miroirs de chacun des gyrolasers pour laquelle les deux zones aveugles seront minimum.
La mesure de la différence des erreurs se fait simplement en observant les signaux issus des cellules photoélectriques 7. L'écart de défilement des franges d'interférence, mesuré pendant une fraction de la période d'activation entourant le passage par la vitesse nulle est représentatif de cette différence. Ce principe est appliqué comme suit sur la figure 6 :
Les gyrolasers 13 et 14 d'une même paire, actives en opposition de phase, possèdent chacun au moins deux miroirs piézoélectriques respectivement 66 et 67, 68 et 69, alimentés respectivement par des amplificateurs 65 et 64,
71 et 70. Ces amplificateurs sont reliés deux à deux de sorte que les tensions reçues par les deux miroirs de chaque gyrolaser soient en opposition de phase. Ces amplificateurs sont par ailleurs associes à des chaines d'asservissement de longueur de cavité classiques non représentées.
Un circuit 64, de préférence un microprocesseur, reçoit sur deux entrées, 75 et 76, les tensions issues des cellules photoélectriques 7 des deux gyrolasers. Ces entrées 75 et
76 sont en réalité doubles car chaque gyrolaser possède deux cellules photoélectriques pour mesurer le défilement des franges d'interférence. Ce circuit 64 effectue la comparaison des signaux pendant les périodes de temps pendant lesquelles les fréquences observées sont inférieure à une valeur prédéterminée et il fournit par exemple l'écart de temps pour obtenir un comptage nul sur les deux voies à partir du moment ou la fréquence est arrivée en dessous de la valeur prédéterminée.
Ces écarts de temps sont traités statistiquement et leur écart type est utilisé pour déterminer les variations de tension à imposer aux miroirs piézoélectriques de chaque gyrolaser pour réduire la valeur de cet écart type et leur marche au hasard. Le circuit 64 envoi ces variations de tension aux amplificateurs 64 et 70 par deux sorties 73 et 74.
En outre le cumul de la différence des erreurs δ présente une certaine corrélation avec les erreurs cumulées par chacun des gyrolasers et un traitement de modélisation permet de réduire encore la marche au hasard de chacun des gyrolasers. Dans le cas de l'utilisation de plus de deux gyrolasers et de préférence de plusieurs paires de gyrolasers sur un même axe, il est possible de combiner différement les signaux issus des cellules 77 pour améliorer encore les résultats. On pourra par exemple comparer les signaux des gyrolasers oscillant en phase, ou encore comparer tous les signaux deux à deux et sommer les écarts des erreurs δ pour calculer l'écart type du total.
Par ailleurs, dans le cas de l'utilisation sur satellite, on pourra mémoriser les tensions de commande optimum des miroirs piézoélectriques pour ne plus laisser fonctionner qu'un seul bloc optique par axe pour augmenter la durée de vie de l'ensemble. Dans le cas de l'utilisation de plusieurs paires, on pourra également ne plus laisser fonctionner que les activations d'une seule paire et éteindre l'un des gyrolaser de cette paire. Dans le cas de l'utilisation de trois gyrolasers par axe, on pourra n'en activer que deux, en opposition de phase, et n'en laisser qu'un allumé après avoir optimisé sa marche au hasard comme indiqué ci-dessus.
L'utilisation du même microprocesseur pour réaliser les fonctions du circuit 47 et celles du circuit 64 permet de faciliter tous ces traitements puisque l'ensemble des paramètres à traiter est alors rassemblé aux entrées de ce processeur. On peut également envisager de commander l'amplitude des activations pour fixer la valeur moyenne de la différence des erreurs δ et ramener ainsi le biais de l'un des gyrolasers à une valeur nulle.
Du fait de ces améliorations et du fait que la marche au hasard est inversement proportionnelle à la racine de l'amplitude de 1' activation, il est possible de réduire cette amplitude de façon très importante sans nuire aux performances globales des gyrolasers. On pourra par exemple adopter une vitesse crête d'activation de 10 à 20 degrés par seconde au lieu des 100 à 200 degrés par seconde généralement utilisés. Ces faibles vitesses sont également possibles du fait que les vitesses angulaires des satellites sont beaucoup plus faibles lorsque leurs mouvements angulaires doivent être mesurés avec précison.

Claims

REVENDICATIONS
1. Gyromètres à laser redondants du type comprenant : - un bloc optique (1) comportant au moins une cavité optique, à l'intérieur de laquelle sont engendrées, grâce à un milieu amplificateur, deux ondes laser inverses; - au moins un miroir mobile à moteur piézoélectrique;
- un dispositif de mélange des ondes lumineuses muni de cellules photoélectrique ; - des moyens d'activation mécanique;
- des moyens d'asservissement de la longueur de cavité; caractérisés en ce qu' ils sont associés au moins par deux à la fois sur un même support, en ce qu'ils ont leurs axes d'activation mécanique parallèles, en ce qu'ils sont activés à la même fréquence et en ce que les amplitudes et phases de leurs activations sont ajustées pour annuler les couples de réaction sur ledit support.
2. Gyromètres à laser redondants selon la revendication 1 caractérisés en ce qu'ils comportent au moins deux blocs optiques, sur un même support et de préférence dans un même boitier, situés sensiblement dans un même plan, en ce que leurs moyens d'activation mécanique sont fixés sur des zones renforcées dudit support et en ce que lesdites zones renforcées sont elles-mêmes reliées entre elles par des renforts.
3. Gyromètres à laser redondants selon la revendication 1 caractérisés en ce qu'ils comportent au moins deux blocs optiques dont les moyens d'activation sont reliés entre eux de sorte qu'ils aient un axe d'activation commun .
4. Gyromètres à laser redondants selon l'une des revendications précédentes, caractérises en ce qu'il comportent deux blocs optiques oscillant en opposition de phase à une amplitude identique.
5. Gyromètres à laser redondants selon l'une des revendications précédentes caractérisés en ce qu'il comporte un circuit (47), de
préférence un microprocesseur, d'ajustage des phases et des amplitudes d'activation.
6. Gyromètres a laser redondants selon la revendication 5 caractérises en ce que le circuit de réglage des oscillations (47) utilise un signal extérieur, représentant des vibrations parasites à corriger, pour ajuster les phases et les amplitudes des oscillations d'activation des blocs optiques.
7. Gyromètres à laser redondants selon l'une des revendications précédentes caractérisés en ce que les blocs optiques sont associés par paires, en ce qu'ils sont munis chacun d'au moins deux miroirs piézoélectriques, en ce que, pour chaque paire, un circuit (64), de préférence un microprocesseur, compare les signaux issus de cellules photoélectriques (77) placées sur le dispositif de mélange des ondes lumineuses, pour calculer la différence entre les erreurs que font chaque bloc optique à chaque passage par ia vitesse nulle, calcule l'écart type de ces différences et commande les miroirs piézoélectriques des gyrolasers pour réduire ledit écart type.
8. Gyromètres à laser redondants selon l'une des revendications précédentes caractérisés en ce qu'il comporte des moyens de ne mettre en fonctionnement qu'une partie des blocs optiques et qu'une partie des activations, celle-ci fonctionnant au moins par paire.
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