FR2680570A1 - Gyrometre en anneau a fibre optique multimode. - Google Patents

Abstract

Le gyromètre, réalisé en fibre optique multimode, comprend une bobine (10) de fibre optique, une source de lumière (12) munie d'un séparateur pour envoyer deux ondes contrapropagatives dans la bobine (10) et un détecteur d'interférence qui reçoit les ondes contrapropagatives. Un excitateur (32) de l'ensemble des modes possibles dans la fibre est disposé au niveau du séparateur (22). Des moyens de sélection d'au moins un mode déterminé est placé en amont du détecteur d'interférérence (20).

Description

GYROMETRE EN ANNEAU A FIBRE OPTIQUE MULTIMODE
L'invention concerne les gyromètressen anneau du type comportant : une bobine de fibre optique ; une source de rayonnement électromagnétique munie d'un séparateur pour envoyer dans la bobine deux ondes contrapropagatives provenant de la source ; et un détecteur d'interférence recevant les ondes contrapropagatives.

Ces gyromètres sont basés sur l'effet Sagnac.

Lorsque deux ondes polarisées rectilignes provenant de la même source et contrarotatives sont injectées dans une bobine de fibre optique monomode, et sont combinées au niveau d'un détecteur, les chemins optiques sont égaux lorsque le gyromètre ne tourne pas autour de l'axe de la bobine. La puissance reçue par un détecteur d'interférence est alors maximum. Si en revanche la bobine tourne à la vitesse n autour de son axe, les ondes parcourent deux chemins optiques différents, ce qui se traduit par un déphasage = = (en LR) O I X0 c0 où L est la longueur totale de la fibre, R le rayon de la bobine, X0 longueur d'onde dans le vide et c0 la vitesse de la lumière dans le vide.

Pour améliorer la détection, la plupart des gyromètres ont des moyens électro-optiques modulateurs de phase pour donner aux ondes une modulation périodique alternative et symétrique de phase, à une période sensiblement double du temps de parcours de la bobine, placés en amont de la bobine pour une onde et en aval pour l'autre.

Pour qu'un tel gyromètre puisse fonctionner, les phénomènes qui interviennent doivent être réciproques, c'est-à-dire avoir le même effet sur les deux ondes contrarotatives et la phase doit être conservée tout au long de la fibre. En conséquence, on a estimé jusqu'à présent qu'un gyromètre du type ci-dessus ne pouvait être réalisé qu'en fibre monomode. Or, les fibres monomodes et les composants optiques ou optoélectroniques à leur associer sont coûteux, exigent une très grande précision de mise en place et sont difficilement réalisables en optique intégrée.

La présente invention vise notamment à fournir un gyromètre à fibre optique répondant mieux que ceux antérieurement connus aux exigences de la pratique, notamment en ce qu'il comporte une fibre multimode, c' est-à-dire une fibre qui semble à première vue à écarter totalement, du fait de la multiplicité des chemins optiques différents que les ondes parcourent et de la présence de phénomènes non réciproques.

I1 n'a été possible d'arriver à la présente invention qu'en prenant conscience que les problèmes ci-dessus, en apparence rédhibitoires, pouvaient dans la réalité être résolus moyennant un certain nombre de précautions.

L'invention propose, en conséquence, un gyromètre du type ci-dessus, caractérisé en ce que la fibre optique est multimode, en ce qu'un excitateur de l'ensemble des modes possibles est disposé au niveau du séparateur et en ce que des moyens de sélection d'au moins un mode déterminé est placé en amont du détecteur d'interférence.

Un premier problème à résoudre était l'obtention de la réciprocité des phénomènes autres que celui qui est à mesurer et l'obtention d'une distribution modale identique dans les deux sens sens de propagation.

Pour cela, le gyromètre selon l'invention comporte:
- des moyens de sélection qui garantissent que les interférences mesurées interviennent entre des modes contrarotatifs ou contrapropagatifs homologues bien définis (avantageusement des modes inférieurs qui sont beaucoup plus décorrélés les uns des autres que les modes supérieurs),
- un excitateur de modes placé, pour les deux sens de propagation, en amont de la bobine, de façon à effectuer, sur une longueur très faible par rapport à celle de la bobine, une combinaison des différents modes de propagation et que chaque mode en sortie (défini par l'angle du rayonnement correspondant avec l'axe de la fibre) contienne les mêmes informations sur la propagation et ne diffère des autres modes que par 1'8tat de sa phase.

Dans un gyromètre en anneau à fibre optique monomode classique, des moyens supplémentaires modulateurs sont prévus pour que la mesure s'effectue dans des conditions telles que s varie rapidement en fonction de la vitesse angulaire n, comme cela est décrit par exemple dans la demande de brevet FR n" 90 16 122. Dans une fibre optique multimode, les non réciprocités de couplage n'introduisent pas de déphasage parasite, si les précautions mentionnées ci-dessus ont été prises, mais elles ont pour effet de modifier, en fonction de leur importance, la composante continue du signal fonction de la vitesse de rotation fournie par le détecteur d'interférence. De ce fait, le mode de mesure couramment utilisé dans les gyromètres à fibre monomode, consistant à considérer que la puissance fournie par le détecteur est représentative du déphasage, dans le cas où le gyromètre comporte des moyens modulateurs ou "dither" à période double du temps de propagation dans la bobine et une amplitude correspondant à une variation de phase de n/2 présente moins d'intérêt, n'est plus utilisable sans précaution. En conséquence, le gyromètre à fibre multimode selon l'invention utilisera, dans la plupart des cas, d'autres modes de détection.

L'excitateur de l'ensemble des modes peut notamment être constitué par un tronçon de fibre optique comportant des microcourbures alternées, permettant d'établir une distribution modale d'équilibre tout en n'ayant qu'un encombrement longitudinal faible. Cet excitateur permet également, à condition de lui donner une forme alternée, approximativement sinusoldale, avec une longueur d'onde appropriée, de transférer par couplage sélectif un maximum d'énergie vers le mode choisi. Un tel excitateur peut notamment être assimilé à la partie amont du coupleur directionnel décrit dans l'article de L.

Jeunhomme et al, Applied Physics Letters, volume 29, NO 8, 15 Octobre 1976, Page 485.

Les microcourbures peuvent être constantes et données par des cales. Elles peuvent aussi être commandables en montant une des cales sur un actuateur, tel qu'une pastille de céramique piézoélectrique, commandé par un circuit d'asservissement pour avoir diverses constitutions, dont certaines seront décrites plus loin.

Des moyens modulateurs de phase peuvent être prévus et avoir une quelconque des différentes constitutions connues et déjà utilisées dans des gyromètres à fibre monomode. Quelle que soit la constitution de ces moyens modulateurs, il sont utilisés pour permettre de faire fonctionner la bobine comme une ligne à retard optique.

Enfin, les moyens de sélection d'au moins un mode peuvent avoir des constitutions très diverses, dont certaines seront indiquées plus loin.

L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit d'un mode particulier de réalisation, donné à titre d'exemple non limitatif. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels
- la figure 1 est un schéma de principe d'un gyromètre à fibre optique, de constitution générale connue mais modifiée pour mettre en oeuvre l'invention,
- les figures 2, 3 et 4 montrent schématiquement, à grande échelle, une constitution possible du sélecteur de mode d'excitateur de modes et de premier coupleur,
- les figures 5, 6 et 7 sont des schémas de principe de gyromètres constituant des variantes de réalisation, etc.,
- la figure 8 montre l'allure des signaux aux différents emplacements du gyromètre de la figure 7.

Le gyromètre montré en figure 1 a une constitution générale qui est connue et en conséquence ne sera que sommairement décrite. I1 comprend un guide en anneau constitué par une bobine 10 de fibre optique, pouvant avoir 500 à 1000 mètres de longueur environ avec un rayon de l'ordre de 1 à quelques centimètres. Conformément à l'invention, la fibre optique est multimode, comportant une gaine à saut ou, mieux, à gradient d'indice. Une source 12 de lumière monochromatique ou à spectre assez large, par exemple une DEL, alimente les deux extrémités de la fibre par l'intermédiaire d'un ensemble 16 qui peut être regardé comme comportant un premier coupleur 18 permettant de récupérer la puissance fournie par des ondes qui ont parcouru en sens inverses la bobine 10 et de l'orienter vers un détecteur 20. L'ensemble 16 comporte un second coupleur 22 destiné à répartir la puissance lumineuse provenant de la source entre les deux extrémités de la bobine.

La constitution décrite jusqu'ici est relativement classique. Mais, du fait de l'utilisation d'une fibre optique multimode, des mesures doivent être prises pour assurer le fonctionnement réciproque, sauf en ce qui concerne l'effet de la rotation et pour que le détecteur d'interférence fournisse un signal de sortie représentatif d'une interférence mode à mode.

En conséquence, un fonctionnement satisfaisant implique
- un filtrage modal au niveau de la détection avantageusement prévu de façon que le détecteur ne soit sensible qu'au mode fondamental ou axial de propagation, car c'est ce dernier qui répond le mieux aux conditions de réciprocité du fait notamment de sa position au centre du diagramme de rayonnement de la fibre et de son faible taux de couplage avec les modes rayonnants,
- une combinaison de tous les modes de propagation telle que chaque mode en sortie contienne les mêmes informations sur la propagation et ne diffère des autres modes que par l'état de sa phase et l'inclinaison sur la tranche de sortie de la fibre,
- l'obtention d'une distribution modale d'équilibre.

On décrira maintenant diverses dispositions permettant d'arriver à ces résultats.

Le filtrage modal peut être obtenu de façon simple en utilisant la répartition angulaire des modes en champ lointain. Comme illustré sur la figure 1, il suffit alors de disposer un diaphragme, comportant un trou central dans le cas où l'on sélectionne le mode fondamental, en face de la tranche terminale de la branche 3 du premier coupleur 18, constituant également séparateur. La tranche terminale est alors avantageusement munie d'une micro lentille collée. Un diaphragme présentant une ouverture angulaire de l'ordre de 2" donne souvent des résultats satisfaisants.

Une autre possibilité, illustrée sur la figure 2, consiste à utiliser la partie terminale de la branche 3 comme filtre. Pour cela, la partie terminale de la branche est dénudée sur une longueur l et on lui donne une forme conique avec un diamètre terminal aO qui sera généralement inférieur d'au moins un ordre de grandeur au diamètre courant a. Ainsi la fibre devient pratiquement monomode dans sa partie terminale. Pour faciliter la réfraction des modes à propagation longitudinale et améliorer la sélectivité du filtre, la partie terminale peut être enduite ou enrobée à l'aide d'un matériau liquide ou solide ayant un indice proche de celui du coeur 28, par exemple d'huile de paraffine. Le matériau peut être retenu par un réceptacle 30. Une forme conique peut être aisément obtenue notamment par attaque chimique à l'acide fluorhydrique.

Une autre solution encore consiste à utiliser, comme détecteur, une matrice de capteurs et à sélectionner le signal reçu par certains des capteurs seulement.

Pour obtenir une combinaison complète des modes de propagation, il est souhaitable d'utiliser une bobine de grande longueur, pratiquement supérieure à 500 m dans le cas de fibres courantes. Une longueur d'au moins 700 à 800 mètre suivant le diamêtre de coeur de la fibre est généralement préférable.

L'obtention d'une distribution modale d'équilibre peut être obtenue, sur une faible longueur, avec un excitateur de modes ayant la constitution montrée schématiquement en figure 3. Cet excitateur 32 comporte 2 cales enserrant une fraction du tronçon 1, entre les coupleurs. L'une des cales est contituée par la surface supérieure d'un socle 34, présentant des ondulations ayant un pas A0. L'autre cale 6, présentant également des ondulations au pas A0, décalées d'un demi pas par rapport à celle du socle 34 est munie de moyens de règlage 38, constitués par exemple par une vis traversant le socle en forme d'étrier. L'amplitude des micro-courbures du tronçon de fibre placé entre les cales est réglée à l'aide de la vis 38. Il sera généralement avantageux de donner au pas A0 une valeur sensiblement égale à

2 2 est égal à (nr - nO ) /2n1,
Dans toutes ces formules, a est le diamêtre du coeur; nl et nO sont les indices optiques du coeur et de la gaine, dans le cas d'une fibre à saut d'indice.

Le premier coupleur est constitué de façon qu'il y ait un rendement d'injection aussi élevé que possible du tronçon 2, depuis la source vers la fibre. On peu notamment utiliser un premier coupleur 18 du genre montré en figure 4 où le tronçon de fibre 2 d'injection à partir de la source présente un diamètre plus faible que les tronçons 1 et 3 et est entouré autour du coeur de ces derniers.

On peut également utiliser un jeu de deux fibres assemblées mécaniquement par l'intermédiaire d'un liquide ou d'un gel d'indice approprié ou par co-fusion des coeurs.

Dans les deux cas, la zone de couplage peut être enrobé d'un liquide ou gel 40 d'indice approprié.

Le second coupleur 22, constituant distributeur, doit donner aux ondes propagatives des intensités égales.

Pour cela, on peut notamment utiliser un coupleur 22 constitué de tronçons de fibres 4 et 5 coupées à 45 ", une des surfaces étant recouverte d'une couche de matériau 42 jouant le rôle de miroir di-électrique, comme le montre la figure 3.

Alors que dans les gyromètres à fibre monomode on utilise généralement, comme source, une diode laser, il est préférable, dans le cas de l'invention d'utiliser une source spatialement incohérente, non monochromatique. On peut notamment utiliser une diode électro-luminescente, qui a l'avantage d'être peu couteuse et de produire une décorrélation élevée entre les coefficients de couplage.

Une telle diode permet d'obtenir un facteur de visibilité des franges d'interférences et une dérive de zéro moins importante que dans le cas d'utilisation d'une source cohérente.

L'étude de la réponse de l'interféromètre que constitue l'ensemble bobine-détecteur montre que la courbe représentative de la variation du signal de sortie en fonction de la phase présente un maximum qui est toujours atteint pour une phase correspondant à l'effet Sagnac, mais que l'amplitude du signal varie en permanence du fait de l'évolution de sa composante continue, provoquée notamment par les variations de couplage entre modes.

En conséquence, il n'est possible d'adopter le procédé généralement utilisé pour les gyromètres à fibre monomode qu'avec un certain nombre de précautions. Ce procédé consiste à moduler la phase à l'une des sorties de la bobine. Dans le cas illustré sur la figure 1, la modulation est effectuée par un générateur 44 fournissant un signal sinusoïdal à un générateur de retard 46 constitué par exemple par un tube en matériau piézoélectrique sur lequel est enroulé un tronçon de fibre. La fréquence du générateur 44 peut être choisie pour que la période corresponde sensiblement au temps de parcours de la bobine 10. Dans un gyromètre à fibre monomode, les variations d'amplitude du signal fourni par le détecteur 20 à un circuit de mesure 48 (figure 1) sont représentatives des variations de vitesse de rotation.

Dans le cas où la fibre est multimode, le signal d'interférence fourni par le détecteur 20 se traduirait, en l'absence de précautions, par d'importantes instabilités en intensité et en contraste. I1 est nécessaire de tenir compte des instabilités ou d'utiliser une méthode pour laquelle elles n'interviennent pas.

On décrira maintenant, à titre de modes particuliers de réalisation, divers dispositifs de mesure.

Le mode de réalisation montré en figure 5 (ou les éléments correspondant à ceux de la figure 1 sont désignés par le même numéro de référence) utilise un dispositif permettant d'obtenir une modulation linéaire et un signal exempt des instabilités. Le dispositif comporte un générateur 49 de rampe linéaire, fournissant donc un signal triangulaire, appliqué à un intégrateur 50. En conséquence, les déphasages imposés aux ondes contrarotatives varient en fonction du temps suivant une même loi parabolique, mais avec un décalage temporel égal au retard T d'une onde sur l'autre, dû à la rotation. Si iM désigne l'excursion en phase donnée par le modulateur 46, le déphasage Atm entre les deux faisceaux s'écrit :
m = 8çM(T2) - 4oM(ç2/T2)
Si la rampe fournie par le générateur 48 est bien linéaire, on obtient donc une loi de déphasage linéaire périodique.

Les retours à zéro peuvent être commandés par un circuit 54 relié à la sortie d'un amplificateur 56 attaqué par le détecteur 20.

Le signal à la sortie du détecteur 20 a alors la forme d'un produit de deux termes, dont l'un est fonctions des intensités des faisceaux contrapropagatifs reçus par détecteur 20 et l'autre est constitué par la partie réelle de l'exponentielle exp[j(## m + #R)] où R est le déphasage produit par la rotation de la bobine.

L'analyse mathématique du signal fait apparaitre que le signal, filtré par un filtre passe-bande 52 visant notamment à écarter la composante continue, varie de façon pratiquement linéaire à condition que la modulation +M de la phase ait l'amplitude suivante
(#(1 + #/T)] [4#(1 - #/T)/T]
Le générateur 44 sera dans ce cas prévu pour donner ce résultat.

Dans le mode de réalisation montré en figure 6, le générateur 54 est constitué par un oscillateur sensiblement sinusoidal, à une fréquence de 250 KHz par exemple pour une bobine de 500 m de long, et le circuit de mesure 48 est constitué par un détecteur synchrone. L'amplificateur de sortie 56 du détecteur 20 attaque alors le directeur synchrone 48 par l'intermédiaire d'un filtre 60 centré sur la fréquence de modulation de l'oscillateur 58. Pour affranchir la mesure des variations de couplage, ces variations sont compensées dans le mode de réalisation de la figure 6.

Pour cela l'action de l'excitateur de mode 32 est modulée par une boucle d'asservissement ou de contre-réaction. La boucle montrée en figure 6 comporte un modulateur à basse fréquence 62 qui module l'énergie lumineuse fourni par la source 12 à une fréquence qui sera de l'ordre de la centaine de Hz. Le signal prélevé à la sortie de l'amplificateur 56 traverse un filtre passe-bande 64 accordé à la fréquence de modulation de la source. Le signal filtré est appliqué à un circuit de traitement 66 dans lequel est mémorisée une table d'étalonnage établie expérimentalement.

Un traitement numérique étant plus commode qu'un traitement analogique, le circuit 66 comporte avantageusement un convertisseur analogique-numérique ou C.A.N. d'entrée, un circuit de traitement numérique proprement dit et un C.N.A.

de sortie. Le signal ainsi obtenu est appliqué à un amplificateur 70 qui commande l'excitateur 32.

Pour réaliser l'asservissement, l'excitateur 32 peut comporter une pastille piézoélectrique 72, interposée entre son boitier et la cale 36 en forme de peigne : la pression exercée par la cale 36 et donc l'amplitude des micro-courbures sont ainsi réglables par la tension appliquée à la pastille 72.

Une autre solution encore consiste à conserver la technique de modulation sinusoidale des gyromètres classique à fibre monomode (figure 1), et de mesurer des paramètres de compensation permettant de tenir compte des variations de l'intensité maximale et du facteur de visibilité des franges d'interférences.

Ce résultat peut être atteint en adoptant une constitution du genre montré en figure 7, qui permet de mesurer en alternance
- un signal d'interférence, donnant à son tour l'intensité maximale,
- un signal représentatif de la variation d'amplitude liée à la rotation, obtenu par modulation de l'une des sorties de la bobine, avec une amplitude correspondant à une différence de phase égale à n.

Pour cela, le dispositif montré en figure 7 comporte une électronique qui, au cours d'une séquence de mesure, répétée à fréquence élevée, applique successivement aux faisceaux deux modulations distinctes, montrées en figure 8. Pour plus de simplicité, certains des organes déjà montrés ne sont pas reproduits sur la figure 7.

L'alternance des deux phases, pouvant avoir la même durée T/2, est commandée par un générateur d'impulsions d'horloge 74 qui commande deux commutateurs 76 et 78.

Au cours de la phase de détection synchrone, destinée à la mesure de variation d'amplitude liée à la rotation, le dispositif de la figure 7 permet de placer le point de détection à mi-hauteur de la courbe de variation du signal en fonction du déphasage, c'est-à-dire pour un déphasage égal à + w/2 ou - w/2
Pour cela, le modulateur 46 reçoit le signal de sortie d'un générateur de tension sinusoidale 58 qui alimente également un détecteur synchrone 48. Le signal S de sortie fourni par le détecteur 20 passe à la forme:
S = S0 (1 + u cos A + R) où +R R est le retard dû à la rotation de la bobine 10 et SO une fonction en sinus. La tension de sortie d'un amplificateur 80 qui suit le commutateur 78 est alors celle montrée au milieu de la première ligne de la figure 8.

Le signal de sortie S du détecteur est alors orienté- par le commutateur 76, éventuellement par l'intermédiaire d'un amplificateur 82, vers le détecteur synchrone 48. Le signal de sortie de ce détecteur est alors du genre montré en tirets sur la ligne inférieure de la figure 8. Le signal obtenu est appliqué à un microprocesseur 84 qui le mémorise.

La mesure du signal d'interférence s'effectue par une intégration double, en 86, des impulsions d'horloge provenant du générateur 74 (seconde ligne à partir du haut de la figure 8). Une chaine de mesure constituée d'un amplificateur 88 et d'un détecteur de crête 90 permet de déterminer tM et, à partir de là, A+M (figure 8). A partir de ces données, le microprocesseur 84 peut fournir une valeur corrigée du signal et la visualiser en 92.

L'invention ne se limite pas aux modes particuliers de réalisation qui ont été représentés et décrits à titre d'exemple ; il doit être entendu que la portée du présent brevet s'étend à toutes variantes restant dans le cadre de ses équivalences.

Claims (8)

REVENDICATIONS

1. Gyromètre en anneau comportant : une bobine (10) de fibre optique, une source (12) de rayonnement électro-magnétique qui est munie d'un séparateur (22) pour envoyer dans la bobine (10), deux ondes contra-propagatives provenant de la source ; et un détecteur d'interférence (20) recevant les ondes contra-propagatives,

caractérisé en ce que la fibre optique est multi-mode, en ce qu'un excitateur (32) de l'ensemble des modes possibles dans la fibre est disposé au niveau du séparateur (22) et en ce que des moyens de sélection d'au moins un mode déterminé est placé en amont du détecteur d'interférence (20).

2. Gyromètre selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de sélection de mode sont constitués par un diaphragme central (24), par une extrémité conique de la fibre optique qui fait face au détecteur, ou par une optique de focalisation.

3. Gyromètre selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'excitateur (32) est constitué par un tronçon de fibre optique comportant des micro-courbures alternées, de longueur suffisante pour établir une distribution modale d'équilibre.

4. Gyromètre selon la revendication 3, caractérisé en ce que le tronçon de fibre optique a une forme ondulée, approximativement sinusoldale.

5. Excitateur selon la revendication 4, caractérisé en ce que la longueur d'onde X de l'excitateur est sensiblement égale à

est égal à

étant les indices du coeur et de la gaine de la fibre et a le diamètre de coeur.

6. Gyromètre selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens modulateurs de phase, interposés sur le trajet lumineux vers et à partir du séparateur double, imposant à la phase une variation sensiblement sinusoidale et des moyens de détection synchrone de la sortie fournissant un signal représentatif de la vitesse de rotation de la bobine.

7. Gyromètre selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens modulateurs de phase et interposés sur le trajet lumineux donnant à la phase une loi de variation parabolique.

8. Gyromètre selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que la source optique (12) est munie de moyens (62) de modulation d'amplitude et en ce que le gyromètre comporte des moyens pour prélever le signal à la sortie du détecteur, le soumettre à un filtrage d'isolement de la fréquence de modulation et commander l'excitateur, pour ramener la composante modulée à une valeur constante.