WO2013124584A1 - Dispositif de mesure à fibre optique, gyromètre, centrale de navigation et de stabilisation inertielle - Google Patents

Dispositif de mesure à fibre optique, gyromètre, centrale de navigation et de stabilisation inertielle Download PDF

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bias
phase
phase difference
signal
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Hervé Lefevre
Van-Dong PHAM
Joachim HONTHAAS
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Ixblue
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    • G01R33/0322—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using magneto-optic devices, e.g. Faraday or Cotton-Mouton effect using the Faraday or Voigt effect

Definitions

  • Fiber optic measuring device gyro, navigation center
  • the invention relates to an optical fiber measuring device for measuring the variation of a parameter which produces non-reciprocal disturbances in a SAGNAC ring interferometer.
  • a splitter plate or any other splitter device divides an incident wave at the input of the interferometer into two waves.
  • the two waves thus created are called “contra-propagative". They propagate in opposite directions along the same closed optical path, then recombine producing interference during their recombination.
  • the state of interference between the two contra-propagating waves then depends on the relative phase difference between them.
  • the power measured at the output of the interferometer takes values between a minimum (so-called "dark” fringe) and a maximum (“brilliant" fringe) as a function of the value of the phase difference ⁇ .
  • the main physical phenomenon likely to create non-reciprocal disturbances is the SAGNAC effect produced by the rotation of the interferometer around an axis perpendicular to the plane of its closed optical path.
  • a second effect, the FARADAY effect - or collinear magneto-optic effect - is also known to produce non-reciprocal effects of this type.
  • a SAGNAC interferometer may comprise an optical fiber coil, preferably monomode, and polarization conservation.
  • the multiple turns of an optical fiber form a closed optical path of very great length, up to several kilometers.
  • a natural frequency f p of the SAGNAC interferometer is commonly defined.
  • the natural frequency f p of a SAGNAC ring interferometer comprising a single-mode optical fiber coil (silica fiber having a refractive index close to 1.5 in the operating wavelength range) of 1 kilometer in length is the order of 100 kilohertz (kHz).
  • the lengthening of the coil length and therefore of the optical path has the advantage of conferring a greater sensitivity to the interferometer. It has been shown, moreover, that the accuracy of the measurement is improved by the use of a so-called "phase cancellation" method, also known as closed-loop operation, instead of a simple open-loop operation.
  • an additional phase difference called "counter-reaction" ⁇ 0 ⁇ is introduced by means of a phase modulator between the two counter-propagating waves, so as to compensate for the phase shift ⁇ ⁇ produced by the measured parameter.
  • the sum of the two phase shifts ⁇ ⁇ and ⁇ 0 ⁇ is maintained zero, which makes it possible to operate the interferometer with a better precision.
  • the measurement of the parameter to be measured is performed by the exploitation of the signal necessary for the production of the counter-reaction phase difference ⁇ 0 ⁇ .
  • a simple solution to implement to achieve this biasing consists of a periodic modulation slots at a bias modulation frequency f b , the modulation having levels + ⁇ / 2 and - ⁇ / 2 for example.
  • This bias phase modulation modulation ⁇ b produces at the output of the interferometer a periodic modulated electric signal in slots at the bias modulation frequency f b whose amplitude is a sinusoidal function of the sum of the two phase shifts ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ 0 ⁇ , in the case of a closed-loop measurement as previously described.
  • the response provided by the SAGNAC interferometer can therefore be exploited with greater sensitivity.
  • the document EP0430747 proposes a device in which the phase difference modulation of biasing introduced between the two counterpropagating waves is periodic at the frequency f b .
  • the level of phase difference modulation is thus equal to:
  • the device according to EP0430747 also comprises a signal processing system exploiting the four values taken by the modulated electrical signal delivered by the interferometer during a modulation period.
  • the signal processing system then makes it possible to keep the gain of the modulation system constant in order to compensate for the slow drifts of the various components of the device (for example: variation as a function of temperature).
  • the bias modulation frequency f b must be equal to the natural frequency f p of the interferometer or to one of its multiples. odd.
  • the so-called "4-state" modulation generated by the biasing described in the document EP0430747 introduces peaks carrying defects on the modulated electrical signal measured at the output of the interferometer, these defects being eliminated when the modulation frequency of bias f b is equal to the natural frequency f p of the SAGNAC interferometer, or to one of its odd multiples.
  • the modulation frequency of the bias is increased. b .
  • the accuracy of the measurement is significantly degraded because of a greater number of peaks in the detected signal.
  • the object of the present invention is to propose an optical fiber measuring device in which a parameter to be measured generates a phase difference between two counter-propagative waves in which the response time is improved while maintaining a good precision over the range. measurement.
  • the invention relates to an optical fiber measuring device of the type in which a parameter to be measured generates a phase difference ⁇ ⁇ between two counterpropagating waves, comprising:
  • an optical fiber interferometer of SAGNAC preferably monomode, comprising a coil and a separating element, in which said two counterpropagating waves propagate, said ring interferometer having a natural frequency f p ,
  • an electromagnetic radiation detector receiving the light power output from said ring interferometer and delivering a modulated electrical signal representative of the light power, which is a function of the total phase difference ⁇ between said two counter-propagating waves at the output of said interferometer in ring, a modulation system adapted to modulate said light output from said ring interferometer, said modulation system comprising:
  • At least one digital-to-analog converter adapted to process a digital control signal for outputting an analog control signal
  • phase modulator placed in said interferometer, which, when input to said modulation control voltage V m (t), is able to output a phase shift modulation (
  • ) m (t) introducing between said two counter-propagating waves a phase difference modulation such as: (
  • ) m (t) - ⁇ ⁇ ( ⁇ - ⁇ ⁇ ), where g 1 / (2 f p ) is the transit time difference between said two counter-propagative waves determined between said phase modulator and said separator element, and
  • signal processing means comprising:
  • an analog / digital converter digitizing said modulated electrical signal received from the detector and representative of said received power to deliver a digital electrical signal
  • a digital processing unit adapted to process said digital electrical signal to deliver a signal according to said phase difference ⁇ ⁇ and said parameter to be measured
  • feedback means adapted to process said signal according to said phase difference ⁇ ⁇ to generate a feedback signal
  • biasing means adapted to generate a biasing signal
  • control means of said modulation system adapted to process said feedback signal and said biasing signal for outputting said input control digital signal; of said modulation chain, such that said modulation control voltage V m (t) at the input of said phase modulator is the sum of a feedback modulation voltage V cr (t) and a voltage bias modulating modulation V b (t), said phase modulator being adapted, when subjected to said feedback modulation voltage V cr (t), to generate a counter-reaction phase shift modulation ⁇ 0
  • said optical fiber measuring device is characterized in that said biasing means are adapted to generate said biasing signal such that said phase modulator generates an offset phase shift modulation.
  • ) b (t) when subjected to said bias modulation voltage V b (t), said bias phase shift modulation (J) (t) being the sum:
  • a second bias phase shift modulation component (J) b2 (t) introducing a second bias phase modulation component ⁇ b2 (t) between said two counter-propagative waves, said second component bias phase modulation modulation being a periodic modulation, extremal amplitudes + 7t / a and - ⁇ / a, a being a non-zero real number such that
  • > 1, at a second bias modulation frequency f b2 such that f b2 (2k 2 + 1) f p , k 2 being a non-zero natural integer such that k 2 > k x , and f p said natural frequency.
  • said device according to the invention makes it possible to carry out a "biasing" around ⁇ , by virtue of said first phase difference modulation component being biased offering an optimal signal-to-noise ratio for the detection chain.
  • Said device also makes it possible to increase the frequency of demodulation of the signal according to said phase difference ⁇ ⁇ and of said parameter to be measured by said second phase difference modulation component biasing to reduce the response time of the interferometer without increasing the number of troublesome peaks in the modulated electrical signal.
  • the stability of the closed loop is thus improved, that is to say that the measuring device according to the invention is capable of measuring a parameter generating a non-reciprocal effect, even if said parameter to be measured varies very rapidly.
  • said first bias phase difference modulation component has a duty ratio of 50%
  • the second bias modulation frequency f b2 of said second bias phase modulation component ⁇ [, 2 ( ⁇ ) is such that k 2 >2;
  • the second bias modulation frequency f b2 of said second bias phase modulation component ⁇ [, 2 ( ⁇ ) is such that k 2 >4;
  • ) b2 (t) is a slot modulation
  • ) b2 (t) is a sinusoidal modulation
  • said counter-reaction phase shift modulation ⁇ 0 ⁇ ( ⁇ ) is a stair step modulation
  • said digital processing unit demodulates said digital electrical signal in phase with said second phase difference modulation component by biasing independently of the first bias phase difference modulation component and said gain servo means of said modulation string demodulate said digital electrical signal to provide a signal dependent on the transfer function of said modulation string .
  • the measuring device according to the invention is particularly well suited to producing a gyrometer.
  • the parameter to be measured is a component of the rotational speed of the ring interferometer.
  • the invention also relates to a gyroscope, characterized in that it conforms to the optical fiber measuring device according to the invention, the parameter to be measured being a component of the rotational speed of the ring interferometer.
  • This gyrometer advantageously comes into the production of central navigation or inertial stabilization.
  • the invention also proposes a central navigation or inertial stabilization comprising at least one gyrometer according to the invention.
  • FIG. 1 shows a schematic view of the measuring device according to the prior art
  • FIG. 2 represents a block diagram representing the different means implemented in the measuring device according to the prior art
  • FIG. 3 represents an example according to the prior art of a counter-reaction phase shift modulation ⁇ 0 ⁇ ( ⁇ ) in stair steps falling from 2 ⁇ when it exceeds 2 ⁇ ;
  • FIG. 4 shows an example according to a particular embodiment of the invention of first and second bias phase modulation components ⁇ ⁇ ( ⁇ ).
  • FIG. 5 represents an example according to a particular embodiment of the invention. invention of first and second phasing phase shift components ⁇ bl (t) and ⁇ b2 (t) generating first and second phase difference modulation components bias ⁇ [, ⁇ ( ⁇ ) and ⁇ b2 (t) shown in Figure 4;
  • FIG. 6 represents an example of phase difference modulation according to a particular embodiment of the invention, the total phase difference in open loop in the interferometer and the corresponding modulated electrical signal produced by the detector when the parameter to be measured generates a phase difference ⁇ ⁇ zero and when the transfer function of the modulation chain is correctly adjusted;
  • FIG. 7 represents an example of phase difference modulation.
  • the total phase difference in open loop in the interferometer and the corresponding modulated electrical signal produced by the detector when the parameter to be measured generates a non-zero phase difference ⁇ ⁇ and when the transfer function of the modulation chain is correctly adjusted;
  • FIG. 8 represents an example of phase difference modulation according to a particular embodiment of the invention, the total open-loop phase difference in the interferometer and the corresponding modulated electrical signal produced by the detector when the parameter to be measured generates a phase difference ⁇ ⁇ zero and when the transfer function of the modulation system is incorrectly adjusted;
  • FIG. 9 represents an example of phase difference modulation.
  • the total phase difference in open loop in the interferometer and the corresponding modulated electrical signal produced by the detector when the parameter to be measured generates a non-zero phase difference ⁇ ⁇ and when the transfer function of the modulation system is incorrectly adjusted.
  • FIG. 1 represents an optical fiber measuring device 10 according to the prior art of the type in which a parameter to be measured generates a phase difference ⁇ ⁇ between two waves.
  • the optical fiber measuring device 10 firstly comprises a light source 11 comprising here a laser diode.
  • the light source may comprise, for example, a super-luminescent diode or an "ASE" ("Amplified Spontaneous Emission”) type doped fiber light source.
  • the device 10 also comprises a first separator element 12.
  • This first separator element 12 is here a semi-reflective plate having a transmittance of 50% and a reflectance of 50%.
  • the separator element may for example be a 2 ⁇ 2 decibel coupler or an optical circulator.
  • the light wave emitted by the light source 11 is thus transmitted in part by the first separator element 12 in the direction of an optical filter 13 at the output of which the light wave has been filtered.
  • the optical filter 13 preferably comprises a polarizer and a spatial filter.
  • This spatial filter is here a monomode optical fiber, preferably with polarization conservation.
  • the device 10 also comprises a SAGNAC ring interferometer 20 comprising a coil 21 of an optical fiber wound on itself.
  • This is an optical fiber, preferably monomode type and polarization conservation.
  • This SAGNAC ring interferometer 20 also comprises a second separator element 23 making it possible to divide the wave coming out of the optical filter 13 into two counter-propagating waves 24, 25 on the two "arms" of the ring interferometer 20, these two arm defining two optical paths 24A and 25A.
  • the second separator element 23 is here a semi-reflective plate having a transmittance of 50% and a reflectance of 50%.
  • the second separator element 23 also makes it possible to recombine the two counterpropagating waves 24, 25 at the output of the ring interferometer 20.
  • the second separator element may for example be a 2 ⁇ 2 decibel coupler or a "Y" junction in integrated optics.
  • the two contra-propagating waves 24, 25 then pass through the optical filter 13 and are reflected by the first separator element 12 in the direction of an electromagnetic radiation detector 14.
  • This detector 14 is here a semiconductor photodiode.
  • the detector 14 is sensitive to the light power received, which is here a function of the state of interference between the two counter-propagating waves 24, 25 during their recombination at the output of the SAGNAC ring interferometer 20. It thus delivers an electrical signal which is representative of the total phase difference ⁇ between the two counter-propagating waves 24, 25. It will be seen in the remainder of the description that this electrical signal is a modulated electrical signal.
  • the device 10 also comprises a modulation chain 30 comprising a digital-to-analog converter 31, an amplifier 32 and a phase modulator 33.
  • the digital-to-analog converter 31 processes a digital control signal delivered by the control means 140, the decomposition of this signal being specified in detail later.
  • the digital-to-analog converter 31 outputs an analog control signal.
  • Amplifier 32 then processes this analog control signal to deliver a modulation control voltage V m (t) to phase modulator 33.
  • the phase modulator 33 is placed in the ring interferometer 20 and is therefore also part of it. It is here disposed at one end of the optical path of the SAGNAC ring interferometer 20.
  • the phase modulator 33 is here of the electro-optical type (called "Pockels effect") in integrated optics on lithium niobate by proton exchange.
  • the phase modulator 33 makes it possible, when the time-dependent modulation control voltage V m (t) is applied at its input, to generate a phase shift modulation (
  • ) m (t) generated by the phase modulator 33 controlled by the modulation control voltage V m (t) introduced between the two counter-propagating waves 24, 25 a phase difference modulation A (
  • ) m (t) (
  • This natural frequency f p therefore depends on the length of the coil 21 in the SAGNAC ring interferometer 20.
  • the natural frequency f p of the ring interferometer 20 SAGNAC is approximately 100 kilohertz (kHz) corresponding to a difference in transit time A g of 5 microseconds ( ⁇ 5).
  • the received luminous power ⁇ ( ⁇ ) by the detector 14 is also modulated and the electrical signal delivered by the detector 14 will therefore be a modulated electrical signal (38), examples of which are given in FIGS. 6 to 9.
  • This modulated electrical signal 38 is transmitted to electronic means 100 which process it to deliver a signal function of the phase difference ⁇ ⁇ and the parameter to be measured.
  • the electronic means 100 comprise signal processing means 110, as shown in FIG. 2.
  • These signal processing means 110 comprise an analog / digital converter 111 that digitizes the modulated electrical signal 38 supplied by the detector 14. to deliver a digital electrical signal.
  • This scanning operation is performed at a synchronization frequency set by the clock 101.
  • the synchronization frequency of the clock 101 is preferably a multiple of the natural frequency f p of the SAGNAC ring interferometer 20.
  • the signal processing means 110 also comprise a digital processing unit 112 configured to process the digital electrical signal output from the analog / digital converter 111.
  • the digital processing unit 112 here comprises a digital demodulator, a digital loop filter servo powered by a first demodulated digital signal output from the digital demodulator and a register.
  • the digital processing unit 112 delivers a signal that is a function of the phase difference ⁇ ⁇ and the parameter to be measured for any desired external use.
  • the electronic means 100 also control the modulation chain 30 in return.
  • the electronic means 100 comprise on the one hand counter-feedback means 120 and on the other hand biasing means 130.
  • the feedback means 120 receive as input the signal which is a function of the phase difference ⁇ ⁇ of the parameter to be measured provided by the digital processing unit 112. At the output, the feedback means 120 generate a counter signal reaction whose action on the modulation system 30 will be described in more detail later.
  • the feedback means 120 here comprise an accumulator.
  • the biasing means 130 is configured to generate a biasing signal at precise times, synchronized by the frequency of the clock 101. The action of this bias signal on the modulation string 30 will be described. in more detail later.
  • the electronic means 100 further comprise control means 140 which has two inputs and an output.
  • the control means 140 receive on the one hand the feedback signal and on the other hand the biasing signal. These signals are then processed by the means 140.
  • the control means 140 deliver a digital control signal which is then transmitted to the digital-to-analog converter 31 of the modulation system 30.
  • the control means 140 here comprise a digital adder.
  • the operation performed by the control means 140 consists of the digital addition of the feedback signal supplied by the feedback means 120 and the biasing signal provided by the biasing means 130.
  • the signal Numeric control is the signal resulting from this addition.
  • the digital control signal is then transmitted to the modulation system 30. It is converted into an analog control signal by the digital-to-analog converter 31 and then transmitted to the amplifier 32 which delivers a modulation control voltage V m (t ) to the phase modulator 33.
  • the modulation system 30 thus receives the digital control signal as input and outputs a phase-modulated modulation (
  • the modulation chain 30 is thus electronically characterized by its transfer function between the input and the output. This transfer function is the ratio between the value (in radians) of the phase shift actually generated by the modulation system 30 via the phase modulator 33 and the value (without unit) of the digital control signal transmitted to the modulation system 30.
  • the electronic means 100 also comprise gain servocontrol means 150.
  • These gain servocontrol means 150 comprise another digital processing unit (not shown) exploiting the digital electrical signal delivered by the analog / digital converter 111 so as to provide a signal which is a function of the transfer function of the modulation system. .
  • This signal is filtered by a digital integrator servo loop filter that powers another digital / analog converter controlling the variable gain G of the amplifier 32 or the analog reference voltage of the digital / analog converter 31. transfer of the modulation chain 30 is maintained correctly adjusted, as well as the modulation control voltage V m (t) delivered by the amplifier 32 to the phase modulator 33.
  • a given value of the digital control signal at the input of the modulation system 30 will always give the same value (in radians) of phase shift modulation (
  • the modulation control voltage V m (t) at the input of the phase modulator 33 is decomposed into the sum of a voltage of feedback modulation V cr (t) and a bias modulation voltage V b (t).
  • the feedback modulation voltage V cr (t) at the input of the phase modulator 33 causes the output of the phase modulator 33 to have a counter-reaction phase shift ⁇ 0 ⁇ ( ⁇ ) on a wave passing through it.
  • This feedback makes it possible to operate the device 10 in a closed loop in order to achieve good linearity and stability of the measurement of the parameter generating the phase difference ⁇ ⁇ .
  • FIG. 3 relates to the counter-reaction phase-shift modulation ⁇ ⁇ ( ⁇ ) generated by the phase modulator 33 from the feedback modulation voltage V cr (t).
  • the feedback signal generated by the feedback means 120 is a digital stair step signal.
  • the height of the step is such that the phase difference modulation ⁇ ⁇ ( ⁇ ) introduced between the two counter-propagating waves 24, 25 compensates for the phase difference ⁇ ⁇ due to the measured parameter.
  • the counter-reaction phase-shift modulation ⁇ ⁇ ( ⁇ ) is a ramp ramp modulation as this modulation drops by 2 ⁇ , as shown in FIG. 3, when the value of the step exceeds 2 ⁇ . ⁇ . It is known that this "fallback at 2 ⁇ " is made necessary by the fact that the value of the feedback modulation voltage V cr (t) can not grow indefinitely.
  • digital means such as the digital-to-analog converter 31 makes it possible to simply produce this fallback at 2 ⁇ .
  • the biasing means 130 are configured to generate a biasing signal, this biasing signal being transmitted to the control means 140 driving the modulation chain 30.
  • This bias signal is associated with the bias modulation voltage V b (t), through the digital-to-analog converter 31 and the amplifier 32.
  • This bias setting modulation of voltage V b (t) at the output of the amplifier 32 and the input of the phase modulator 33 causes the output of the phase modulator 33 modulating a bias setting of phase shift (
  • the modulation control voltage V m (t) at the input of the phase modulator 33 is decomposed into the sum of the feedback modulation voltage V cr (t) and the bias modulation voltage V b ( t), the phase shift modulation (
  • ) b (t) (respectively of the phase difference modulation of bias so that: 0 m (t) ⁇ ⁇ ( ⁇ ) +
  • the bias phase shift modulation ⁇ b (t) is the sum:
  • biasing means 130 are arranged such that the bias biasing signal is the sum of a first biasing component and a second biasing component.
  • the first biasing component is associated with a first voltage component V bi (t), through the digital-to-analog converter 31 and the amplifier 32.
  • the second biasing component is associated with a second voltage component V b2 (t), through the digital-to-analog converter 31 and the amplifier 32.
  • the bias modulation voltage V b (t) is decomposed into the sum of a first voltage component V b (t) and a second voltage component V b 2 (t), generated at through amplifier 32 and digital-to-analog converter 31 respectively from the first biasing component and the second biasing component.
  • ) b i (t) 35A generated from the first voltage component V bl (t) by means of the phase modulator 33, introduces a first phase difference modulation component biasing A (
  • the first bias modulation frequency f bl may be, for example, an odd multiple of the natural frequency f p . such that k x > 0.
  • ) bl (t) 34 has extreme levels of value + ⁇ and - ⁇ .
  • this modulation ⁇ , referenced 34 here has a cyclic ratio of 50%, that is to say that the duration of the level + ⁇ (respectively level - ⁇ ) represents 50% (respectively 50%) of the total duration of the period of the modulation ⁇ , referenced 34.
  • the first voltage component V bi (t) produces a first bias phase shift modulation component (
  • each step of the steps of the counter-reaction phase shift ⁇ 0 ⁇ ( ⁇ ) has a duration Az g
  • - ( ⁇ ) created through the modulation chain 30 is synchronous with the first bias phase modulation component (
  • - ( ⁇ ) and the first phasing phasing component ⁇ b l (t) are in phase when the transition from one step to another of the counter-reaction phase shift modulation ⁇ ⁇ ( ⁇ ) occurs during a transition of the first phasing phase shift component ⁇ b l (t) from one extreme level to another.
  • the 2 ⁇ drop in the counter-reaction phase shift ⁇ ⁇ ( ⁇ ) is thus synchronized with a transition of the ⁇ modulation, referenced 34.
  • the second bias modulation frequency f b2 is thus a frequency strictly greater than the first bias modulation frequency f bl .
  • the second bias modulation frequency f b2 is preferably such that k 2 > 2, and even more preferably such that k 2 > 4.
  • the second phase difference modulation component of biasing here is a modulation in niches.
  • this second bias phase difference modulation component is shown and referenced in FIG. 4. It is seen that the second bias phase difference modulation component 35 has, in this example, levels extremes of value + ⁇ / 8 and - ⁇ / 8. The "modulation 7i / 8" will henceforth be called the second modulation component of this example.
  • the second bias phase modulation component ⁇ [, 2 ( ⁇ ) may have extreme levels of values + 7t / a and - ⁇ / a, where a is a real number satisfying the condition
  • the second modulation component is then generally called "rfa modulation".
  • the ⁇ / 8 modulation, referenced 35 preferably has a duty ratio of 50%, that is to say that the duration of the + ⁇ / 8 level (respectively of the - ⁇ / 8 level ) represents 50% (respectively 50%) of the total duration of the period of the ⁇ / 8 modulation, referenced 35.
  • the second bias phase modulating modulation component ⁇ [, 2 ( ⁇ ) is a sinusoidal periodic modulation, of amplitude ⁇ / a, such that a is a number real non-zero checking condition
  • the second bias modulation voltage V b2 (t) produces a second bias phase shift modulation component. 35A as shown in FIG. 5.
  • first bias phase difference modulation component 34 and the second bias phase modulation component A ()) b2 (t) are here in quadrature.
  • first bias phase modulation component 34 and the second bias phase modulation component 35 are in quadrature when a transition of the first modulation component of bias phase difference A (
  • the ⁇ modulation, referenced 34 and ⁇ / 8 modulation, referenced 35 are in quadrature because here
  • tl - 121
  • FIGS. 6 to 9 show different operations of a particular embodiment of the device according to the invention:
  • phase difference ⁇ ⁇ generated by the parameter to be measured is zero and the transfer function of the modulation system 30 is incorrectly adjusted
  • phase difference ⁇ ⁇ generated by the parameter to be measured is non-zero and the transfer function of the modulation system 30 is incorrectly adjusted.
  • the bias phase difference modulation is the sum of the first phase difference modulation component of setting 34 and the second bias phase modulation component ⁇ b2 (t) 35,
  • the reasoning is made for these figures 6 to 9 on a device 10 set open loop.
  • the received luminous power ⁇ ( ⁇ ) 37 by the detector 14 is a cosine function of the relative phase difference ⁇ between the two counter-propagating waves 24, 25 in the SAGNAC ring interferometer 20.
  • the reasoning can be transposed to the case of the closed loop.
  • the first bias phase modulation component ⁇ b l (t) 34 ( ⁇ modulation) is here at the frequency f p and the second bias phase modulation component ⁇ b2 (t) 35 ( modulation ⁇ / 8) being at the frequency 3 f p , the difference modulation phase of bias 36, which is the sum of the two previous modulations, is therefore a periodic modulation at the natural frequency f p .
  • the modulation ⁇ referenced 34
  • the ⁇ / 8 modulation referenced 35
  • the modulation of phase difference of bias setting presents sequentially 4 different levels defining 4 different modulation states, which are:
  • E1, E2, E3, E4 modulation states are preferably close to a dark fringe of the SAGNAC ring interferometer 20, where the signal-to-noise ratio is optimal.
  • the light power received ⁇ ( ⁇ ) 37 by the detector 14 is thus modulated according to these 4 distinct modulation states and the modulated electrical signal S (t) 38 delivered by the detector 14 sequentially takes 4 values SI, S2, S3, and S4 associated respectively with the 4 modulation states El, E2, E3, and E4.
  • phase difference modulation 36 When the parameter to be measured generates a zero phase difference ⁇ ⁇ , as is the case in FIG. 6, then the four levels of the phase difference modulation 36 are:
  • the light power received ⁇ ( ⁇ ) 37 by the detector 14 is a cosine function, as explained above, it is here in the case of Figure 6 the same regardless of the modulation state.
  • the detector 14 thus delivers a modulated electrical signal S (t) 38 taking 4 identical values S1, S2, S3, and S4.
  • the situation described in FIG. 7 is set in which the parameter to be measured generates a phase difference ⁇ ⁇ no null between the two counterpropagating waves 24, 25 in the SAGNAC ring interferometer 20. It will be considered, in the example of FIG. 7, that the phase difference ⁇ ⁇ generated by the parameter to be measured is ⁇ / 16.
  • phase difference modulation 36 This can be represented in FIG. 7 by "shifting" the bias phase difference modulation 36 of the value ⁇ ⁇ .
  • This shift causes a change in the 4 modulation states on which is modulated the signal received by the detector 14, which is a function of the received light power ⁇ ( ⁇ ) 37 depending on the total phase difference ⁇ at the output of the interferometer. ring 20.
  • the 4 levels of phase difference modulation bias setting 36 associated with the 4 states of modulations are henceforth:
  • the received luminous power ⁇ ( ⁇ ) 37 by the detector 14 in the modulation states E1 and E4 is smaller, and that received in the modulation states E2 and E3 is stronger. .
  • the detector 14 then delivers a modulated electrical signal S (t) 38 as shown in FIG. 7.
  • This modulated electrical signal S (t) 38 sequentially takes the 4 values S1, S2, S3, and S4 respectively associated with the four states of modulation E1, E2, E3, and E4.
  • the modulated electrical signal S (t) 38 has peaks 39 corresponding alternately to transitions from the E1 state to the E4 modulation state and from the E3 state to the E2 modulation state.
  • peaks 39 are troublesome insofar as they introduce unwanted faults in the modulated electrical signal S (t) 38.
  • This modulated electrical signal S (t) 38 is then digitized by the analog / digital converter 111 which delivers and transmits a digital electrical signal to the digital processing unit 112.
  • This digital electrical signal is also modulated and takes 4 numerical values ⁇ 1, ⁇ 2, ⁇ 3, and ⁇ 4 according to the four states of modulations E1, E2, E3, and E4 of the bias phase modulation modulation 36 to which the values are associated.
  • the digital processing unit 112 demodulates the digital electrical signal in phase with the second phase difference modulation component of biasing. Regardless of the first bias phase modulation component ⁇ , ⁇ 34.
  • the digital processing unit 112 therefore produces a first demodulated digital signal p dependent on the phase shift ⁇ ⁇ and representative of the value of the parameter to be measured in the SAGNAC ring interferometer 20.
  • the first demodulated digital signal p is a signal at the same frequency as the ⁇ / 8 modulation, referenced 35, namely 3 f p . Nevertheless, it is also noted that the peaks 39 carrying defects in the modulated electrical signal S (t) 38 transmitted by the detector 14 appear at the frequency double the frequency of the modulation ⁇ , referenced 34, namely here at the frequency 2 f p .
  • a first bias phase modulating modulation component ⁇ [, ⁇ ( ⁇ ) 34 at the frequency f p and a second phase difference modulation component of bias biasing At the frequency 3 f p , to obtain a signal representative of the parameter to be measured at a frequency 3 f p and to limit the number of fault-carrying peaks 39 in the modulated electrical signal S (t) 38 delivered by the detector 14 The device 10 can then detect rapid variations of the parameter to be measured without degrading the accuracy of the measurement.
  • the number of defective peaks 39 is a function of the first bias modulation frequency f b 1 of the first bias phase modulation component 34 and the frequency of the signal function of the parameter to The measurement provided by the digital processing unit 112 is equal to the second bias modulation frequency f b 2 of the second bias phase difference modulation component 35.
  • the response time of the device 10 The optical fiber measuring device according to the invention is substantially reduced and the accuracy of the measurement is maintained.
  • the first demodulated digital signal p serves as an error signal for slaving the total phase difference ⁇ 4 to zero by compensating for the non-reciprocal phase shift ⁇ ⁇ with the opposite phase shift ⁇ ⁇ introduced by the modulator of phase 33 controlled by the counter-reaction means 120.
  • This phase shift ⁇ ⁇ being generated through the same modulation chain 30 as the bias phase modulation modulation ⁇ ⁇ the slaving of the modulation chain 30, which details the operation below, therefore allows to to have a stable and controlled measurement of ⁇ ⁇ , and thus finally of ⁇ ⁇ which is opposite to it and which is the parameter which one seeks to measure.
  • FIG. 8 represents the case of an optical fiber measuring device 10 according to a particular embodiment of the invention, in which the measured parameter generates a zero phase difference ⁇ ⁇ , and in which the transfer function of the modulation string 30 is incorrectly adjusted.
  • the reasoning is here done in open loop.
  • the transfer function which depends on the characteristics of both the digital-to-analog converter 31 via its reference analog voltage and both of the amplifier 32 via its variable gain G, can undergo variations depending on the conditions of the measuring, for example the operating temperature of the device 10 or the electrical drift of certain electronic components that comprise the electronic means 100.
  • the parameters influencing the transfer function generate low and slow variations thereof, so that the gain control means 150 operate easily and quickly in order to keep the transfer function of the modulation system 30 adjusted.
  • the transfer function of the modulation chain 30 is such that the parameter ⁇ is 1/15.
  • the first bias modulation frequency f bl of the first bias phase modulation component ⁇ ⁇ ( ⁇ ) 34 remains unchanged and here equal to the natural frequency f p .
  • the second bias phase modulating modulation component ⁇ b2 (t) 35 is a modulation here in slots, of levels extremes (1 + ⁇ ).
  • [ ⁇ / 8] 2 ⁇ / 15 and (1 + ⁇ ).
  • [- ⁇ / 8] -2 ⁇ / 15, periodic at a second bias modulation frequency f b2 remaining unchanged and equal to 3 f p .
  • this homothclimate on the 4 modulation levels causes a change of the 4 modulation states El, E2, E3, and E4 on which is modulated the signal received by the detector 14, which is a function of the received luminous power ⁇ ( ⁇ ) 37 depending on the phase difference ⁇ open loop output of the ring interferometer 20 SAGNAC.
  • phase difference modulation biasing 36 The 4 levels of phase difference modulation biasing 36 associated with the 4 states of modulations are henceforth:
  • the received luminous power ⁇ ( ⁇ ) 37 by the detector 14 in the E1 and E4 modulation states is identical, but smaller than the light power received when the transfer function of the modulation system 30 is correctly adjusted, as in Figures 7 and 8.
  • the received luminous power ⁇ ( ⁇ ) 37 by the detector 14 in the modulation states E2 and E3 is identical, but stronger than the light power received when the transfer function of the modulation system 30 is correctly adjusted, as in Figures 7 and 8.
  • the detector 14 then delivers a modulated electrical signal S (t) 38 as shown in FIG. 8.
  • the digital electrical signal delivered by the analog / digital converter 111 is transmitted to the gain servocontrol means 150 as shown in FIG.
  • the gain control means 150 demodulate the digital electrical signal so as to provide a signal which is a function of the transfer function of the modulation system 30.
  • the second demodulated digital signal G is non-zero, the transfer function of the modulation system being incorrectly adjusted.
  • the second demodulated digital signal G then serves as an error signal for a control loop of the transfer function of the modulation system 30.
  • the second demodulated digital signal G is filtered by a servo digital integrator filter which then feeds the digital-to-analog converter 31 to control the analog reference voltage or the amplifier 32 to control its variable gain G .
  • the transfer function of the modulation system 30 is maintained correctly adjusted between the value of the digital control signal and the value of the phase shift modulation actually applied by the phase modulator 33.
  • FIG. 9 represents the case of an optical fiber measuring device 10 according to a particular embodiment of the invention, in which the measured parameter generates a non-zero phase difference ⁇ ⁇ , equal here to ⁇ / 24 and in FIG. which the transfer function of the modulation chain 30 is incorrectly adjusted.
  • the reasoning is here done in open loop.
  • the 4 levels of phase difference modulation biasing 36 associated with the 4 states of modulations are here:
  • the modulated electrical signal S (t) 38 then takes 4 values S1, S2, S3, and S4 which are all different.
  • the first demodulated digital signal ⁇ P representative of the phase difference ⁇ ⁇ and the parameter to be measured in the ring interferometer 20 of SAGNAC is non-zero.
  • the second demodulated digital signal G significant to the transfer function of the modulation system 30 is non-zero, showing that it is indeed incorrectly adjusted.
  • the measuring device of the invention is particularly well suited to the realization of a gyrometer.
  • the parameter to be measured is a component of the rotational speed of the ring interferometer 20.
  • This gyrometer thus advantageously enters into the production of central navigation or inertial stabilization.
  • Such an arrangement is also well suited to the realization of a device for measuring magnetic field and electric current by taking advantage of the FARADAY effect.

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Abstract

L'invention concerne un dispositif (10) de mesure à fibre optique comportant un interféromètre en anneau (20) de SAGNAC de fréquence propre fp. Le but de l'invention est d'améliorer le temps de réponse tout en conservant une bonne précision sur la gamme de mesure. À cet effet, des moyens de mise au biais (130) sont mis en œuvre pour produire : une première composante de modulation de différence de phase de mise au biais ΔΦb1(t) (34) périodique en créneaux, de niveaux +π et -π, à une première fréquence de modulation de mise au biais fb1 telle que fb1= (2k1+1) fp, k1 étant un nombre entier naturel, et une seconde composante de modulation de différence de phase de mise au biais A(|)b2(t) (35) périodique, d'amplitudes extrémales +π/a et -π/a, a étant un nombre réel non nul tel que | a | > 1, à une seconde fréquence de modulation de mise au biais fb2 telle que fb2 = (2k2+1) fp, k2 étant un nombre entier naturel non nul tel que k2 > k1. L'invention concerne également un gyromètre comportant un tel dispositif de mesure et une centrale de navigation ou de stabilisation inertielle comportant au moins un tel gyromètre.

Description

Dispositif de mesure à fibre optique, gyromètre, centrale de navigation
et de stabilisation inertielle
L'invention concerne un dispositif de mesure à fibre optique permettant de mesurer la variation d'un paramètre qui produit des perturbations non réciproques dans un interféromètre en anneau de SAGNAC.
L'interféromètre de SAGNAC et les phénomènes physiques qu'il met en jeu sont bien connus. On pourra par exemple consulter sur ce sujet l'ouvrage « The Fiber-Optic Gyroscope » de H. Lefèvre (Artech House, 1993).
Dans un tel interféromètre, une lame séparatrice ou tout autre dispositif séparateur divise une onde incidente en entrée de l'interféromètre en deux ondes. Les deux ondes ainsi créées sont dites « contra-propagatives ». Elles se propagent en effet en sens opposé le long d'un même chemin optique fermé, puis se recombinent en produisant des interférences lors de leur recombinaison. L'état d'interférence entre les deux ondes contra-propagatives dépend alors de la différence de phase relative entre elles. La puissance lumineuse P mesurée en sortie d'un interféromètre de SAGNAC est de la forme : P (Δφ) = P0 [ 1 + cos (Δφ) ] où Δφ est la différence de phase relative entre les deux ondes contra-propagatives. Ainsi, la puissance mesurée en sortie de l'interféromètre prend des valeurs entre un minimum (on parle alors frange « sombre ») et un maximum (frange « brillante ») en fonction de la valeur de la différence de phase Δφ.
Il est connu que certains phénomènes physiques sont susceptibles d'introduire des déphasages dits non réciproques, sur les ondes contra-propagatives, engendrant ainsi une différence de phase Δφρ entre ces ondes et modifiant l'état d'interférence lors de leur recombinaison. Ainsi, la mesure de ce déphasage Δφρ non réciproque permet de quantifier le phénomène qui l'a engendré.
Le principal phénomène physique susceptible de créer des perturbations non réciproques est l'effet SAGNAC produit par la rotation de l'interféromètre autour d'un axe perpendiculaire au plan de son chemin optique fermé. Un second effet, l'effet FARADAY - ou effet magnéto-optique colinéaire -, est également connu comme produisant des effets non réciproques de ce type.
Il est connu qu'un interféromètre de SAGNAC peut comporter une bobine de fibre optique, de préférence monomode, et à conservation de polarisation. Les multiples tours d'une fibre optique forment un chemin optique fermé de très grande longueur, jusqu'à plusieurs kilomètres.
On définit communément une fréquence propre fp de l'interféromètre de SAGNAC. La fréquence propre fp d'un interféromètre en anneau de SAGNAC comportant une bobine de fibre optique monomode (fibre de silice d'indice de réfraction proche de 1.5 dans la gamme de longueur d'onde de fonctionnement) de 1 kilomètre de longueur est de l'ordre de 100 kilohertz (kHz). L'allongement de la longueur de bobine et donc du chemin optique a pour avantage de conférer une plus grande sensibilité à l'interféromètre. Il a été montré par ailleurs que la précision de la mesure est améliorée par l'utilisation d'une méthode dite « d'annulation de phase », également appelée fonctionnement en boucle fermée, au lieu d'un fonctionnement en simple boucle ouverte.
Selon cette méthode, une différence de phase supplémentaire dite « de contre-réaction » Δφ0Γ est introduite au moyen d'un modulateur de phase entre les deux ondes contra-propagatives, de manière à compenser le déphasage Δφρ produit par le paramètre mesuré. La somme des deux déphasages Δφρ et Δφ0Γ, est maintenue nulle, ce qui permet de faire fonctionner l'interféromètre avec une meilleure précision. La mesure du paramètre à mesurer est réalisée par l'exploitation du signal nécessaire à la production de la différence de phase de contre-réaction Δφ0Γ.
Cependant, la sensibilité de la réponse Ρ(Δφ) de l'interféromètre au voisinage de la différence de phase nulle (Δφ = 0) est faible, car le signal mesuré en sortie de l'interféromètre est une fonction cosinusoïdale de la différence de phase Δφ.
Il est connu qu'il est possible de déplacer le point de fonctionnement de l'interféromètre vers un point offrant une plus grande sensibilité. Il a notamment été proposé d'introduire une modulation de différence de phase supplémentaire Δφ^ dite « de mise au biais » au moyen du modulateur de phase. La différence de phase totale Δφι entre les deux ondes contra-propagatives est égale alors à la somme des différentes différences de phase : Δφ4 = Δφρ + Δφ0Γ + Δφ^
Une solution simple à mettre en œuvre pour réaliser cette mise au biais consiste en une modulation périodique en créneaux à une fréquence de modulation de mise au biais fb, la modulation présentant des niveaux +π/2 et -π/2 par exemple. Cette modulation de différence de phase de mise au biais Δφb produit en sortie de l'interféromètre un signal électrique modulé périodique en créneaux à la fréquence de modulation de mise au biais fb dont l'amplitude est une fonction sinusoïdale de la somme des deux déphasages Δφρ θΐ Δφ0Γ, dans le cas d'une mesure en boucle fermée comme décrit précédemment. La réponse fournie par l'interféromètre de SAGNAC peut donc être exploitée avec une plus grande sensibilité.
Par ailleurs, afin d'améliorer la stabilité de la mesure d'un paramètre non réciproque au moyen d'un interféromètre de SAGNAC, le document EP0430747 propose un dispositif dans lequel la modulation de différence de phase de mise au biais
Figure imgf000004_0001
introduite entre les deux ondes contra- propagatives est périodique à la fréquence fb.
À chaque période de la modulation, le niveau de la modulation de différence de phase
Figure imgf000004_0002
est ainsi égal à :
Φο pendant le premier quart de période,
a φ0 pendant le deuxième quart de période,
- φο pendant le troisième quart de période, et
-a φ0 pendant le quatrième quart de période. Les valeurs de a et de φ0 sont choisies de telle sorte qu'elles vérifient la relation : cos ( φ0 ) = cos ( a φ0 ).
Le dispositif selon le document EP0430747 comporte également un système de traitement du signal exploitant les quatre valeurs prises par le signal électrique modulé délivré par l'interféromètre au cours d'une période de modulation. Le système de traitement du signal permet alors de maintenir constant le gain de la chaîne de modulation afin de compenser les dérives lentes des différents composants du dispositifs (par exemple : variation en fonction de la température).
Pour diminuer les effets des défauts de la chaîne de modulation sur la mesure, il est connu que la fréquence de modulation de mise au biais fb doit être égale à la fréquence propre fp de l'interféromètre ou à l'un de ses multiples impairs.
En particulier, la modulation dite « 4 états » générée par la mise au biais décrite dans le document EP0430747 introduit des pics porteurs de défauts sur le signal électrique modulé mesuré en sortie de l'interféromètre, ces défauts étant éliminés lorsque la fréquence de modulation de mise au biais fb est égale à la fréquence propre fp de l'interféromètre de SAGNAC, ou à l'un de ses multiples impairs.
De plus, le nombre de ces pics augmente avec la fréquence de modulation de mise au biais fb.
Pour diminuer le temps de réponse de l'interféromètre et s'assurer que la boucle de contre- réaction de mesure ne décroche pas dans le cas d'une variation rapide du paramètre à mesurer, on augmente la fréquence de modulation de mise au biais fb. Cependant, la précision de la mesure s'en trouve sensiblement dégradée à cause d'un plus grand nombre de pics dans le signal détecté.
Le but de la présente invention est de proposer un dispositif de mesure à fibre optique dans lequel un paramètre à mesurer engendre une différence de phase entre deux ondes contra-propagatives dans lequel le temps de réponse est amélioré tout en conservant une bonne précision sur la gamme de mesure.
À cet effet, l'invention concerne un dispositif de mesure à fibre optique du type dans lequel un paramètre à mesurer engendre une différence de phase Δφρ entre deux ondes contra-propagatives, comportant :
une source lumineuse,
un interféromètre en anneau de SAGNAC à fibre optique, de préférence monomode, comportant une bobine et un élément séparateur, dans lequel se propagent lesdites deux ondes contra- propagatives, ledit interféromètre en anneau ayant une fréquence propre fp,
un détecteur de rayonnement électromagnétique, recevant la puissance lumineuse sortant dudit interféromètre en anneau et délivrant un signal électrique modulé représentatif de la puissance lumineuse, qui est fonction de la différence de phase totale Δφι entre lesdites deux ondes contra-propagatives à la sortie dudit interféromètre en anneau, une chaîne de modulation apte à moduler ladite puissance lumineuse sortant dudit interféromètre en anneau, ladite chaîne de modulation comportant :
au moins un convertisseur numérique / analogique apte à traiter un signal numérique de commande pour délivrer un signal analogique de commande,
- un amplificateur apte à traiter ledit signal analogique de commande pour délivrer une tension de commande de modulation Vm(t),
au moins un modulateur de phase placé dans ledit interféromètre , qui, lorsqu'il est soumis en entrée à ladite tension de commande de modulation Vm(t), est apte à générer en sortie une modulation de déphasage (|)m(t), ladite modulation de déphasage (|)m(t) introduisant entre lesdites deux ondes contra-propagatives une modulation de différence de phase
Figure imgf000006_0001
telle que :
Figure imgf000006_0002
= (|)m(t) - φΓγι(ΐ-ΔτΕ), A g = 1 / (2 fp) étant la différence de temps de transit entre lesdites deux ondes contra-propagatives déterminée entre ledit modulateur de phase et ledit élément séparateur, et
des moyens de traitement du signal comportant :
- un convertisseur analogique / numérique numérisant ledit signal électrique modulé reçu du détecteur et représentatif de ladite puissance reçue pour délivrer un signal électrique numérique, et
une unité de traitement numérique apte à traiter ledit signal électrique numérique pour délivrer un signal fonction de ladite différence de phase Δφρ et dudit paramètre à mesurer,
des moyens de contre-réaction aptes à traiter ledit signal fonction de ladite différence de phase Δφρ pour générer un signal de contre-réaction,
des moyens de mise au biais aptes à générer un signal de mise au biais, des moyens de commande de ladite chaîne de modulation aptes à traiter ledit signal de contre-réaction et ledit signal de mise au biais pour délivrer ledit signal numérique de commande en entrée de ladite chaîne de modulation, de telle sorte que ladite tension de commande de modulation Vm(t) en entrée dudit modulateur de phase est la somme d'une tension de modulation de contre-réaction Vcr(t) et d'une tension de modulation de mise au biais Vb(t), ledit modulateur de phase étant apte, lorsqu'il est soumis à ladite tension de modulation de contre-réaction Vcr(t), à générer une modulation de déphasage de contre-réaction φ0|-(ΐ), ladite modulation de déphasage de contre-réaction φ0Γ(ΐ) introduisant une modulation de différence de phase de contre-réaction Δφ0Γ entre lesdites deux ondes contra-propagatives permettant de maintenir nulle la somme de ladite différence de phase Δφρ et de ladite modulation de différence de phase de contre-réaction Δφοη, et
des moyens d'asservissement de gain de ladite chaîne de modulation permettant de maintenir ajustée la fonction de transfert de ladite chaîne de modulation. Selon l'invention, ledit dispositif de mesure à fibre optique est caractérisé en ce que lesdits moyens de mise au biais sont adaptés à générer ledit signal de mise au biais de telle sorte que ledit modulateur de phase génère une modulation de déphasage de mise au biais (|)b(t), lorsqu'il est soumis à ladite tension de modulation de mise au biais Vb(t), ladite modulation de déphasage de mise au biais (J) (t) étant la somme :
d'une première composante de modulation de déphasage de mise au biais (|)bi(t), introduisant une première composante de modulation de différence de phase de mise au biais Δφω(ΐ) ente lesdites deux ondes contra-propagatives, ladite première composante de modulation de différence de phase de mise au biais
Figure imgf000007_0001
étant une modulation périodique en créneaux, de niveaux +π et -π, à une première fréquence de modulation de mise au biais fbl telle que fbl = (2ki+l) fp, kx étant un nombre entier naturel, et fp ladite fréquence propre, et
d'une seconde composante de modulation de déphasage de mise au biais (J)b2(t), introduisant une seconde composante de modulation de différence de phase de mise au biais Δφb2(t) entre lesdites deux ondes contra-propagatives, ladite seconde composante de modulation de différence de phase de mise au biais
Figure imgf000007_0002
étant une modulation périodique, d'amplitudes extrémales +7t/a et -π/a, a étant un nombre réel non nul tel que | a | > 1, à une seconde fréquence de modulation de mise au biais fb2 telle que fb2 = (2k2+l) fp, k2 étant un nombre entier naturel non nul tel que k2 > kx, et fp ladite fréquence propre.
Ainsi, ledit dispositif selon l'invention permet de réaliser une « mise au biais » autour de π, grâce à ladite première composante de modulation de différence de phase de mise au biais
Figure imgf000007_0003
offrant un rapport signal à bruit optimal pour la chaîne de détection. Ledit dispositif permet également d'augmenter la fréquence de démodulation du signal fonction de ladite différence de phase Δφρ et dudit paramètre à mesurer grâce à ladite seconde composante de modulation de différence de phase de mise au biais pour diminuer le temps de réponse de l'interféromètre sans pour autant augmenter le nombre de pics gênants dans le signal électrique modulé. La stabilité de la boucle fermée en est donc améliorée, c'est-à-dire que le dispositif de mesure selon l'invention est capable de mesurer un paramètre engendrant un effet non réciproque, même si ledit paramètre à mesurer varie très rapidement.
Par ailleurs, d'autres caractéristiques avantageuses et non limitatives du dispositif selon l'invention sont les suivantes :
ladite première composante de modulation de différence de phase de mise au biais présente un rapport cyclique de 50% ;
ladite seconde composante de modulation de différence de phase de mise au biais présente un rapport cyclique de 50% ; la première fréquence de modulation de mise au biais fbi de ladite première composante de modulation de différence de phase de mise au biais
Figure imgf000008_0001
est telle que kx = 0 ;
la seconde fréquence de modulation de mise au biais fb2 de ladite seconde composante de modulation de différence de phase de mise au biais Δφ[,2(ΐ) est telle que k2 > 2 ;
- la seconde fréquence de modulation de mise au biais fb2 de ladite seconde composante de modulation de différence de phase de mise au biais Δφ[,2(ΐ) est telle que k2 > 4 ;
ladite seconde composante de modulation de différence de phase de mise au biais A(|)b2(t) est une modulation en créneaux ;
ladite seconde composante de modulation de différence de phase de mise au biais A(|)b2(t) est une modulation sinusoïdale ;
ladite seconde fréquence de modulation de mise au biais fb2 = (2k2+l) fp est telle que fb2 = (2k2i+l) fbl, k2i étant un entier naturel non nul, et fbl = (2ki+l) fp étant la première fréquence de modulation de mise au biais, et ladite première composante de modulation de différence de phase de mise au biais et ladite seconde composante de modulation de différence de phase de mise au biais A(|)b2(t) sont en quadrature ;
ladite modulation de déphasage de contre-réaction φ0Γ(ΐ) est une modulation en marches d'escalier ;
ladite modulation de déphasage de contre-réaction φ0Γ(ΐ) et ladite première composante de modulation de déphasage de mise au biais φι (ΐ) sont synchrones, chaque marche d'escalier de ladite modulation de déphasage de contre-réaction φ0Γ(ΐ) ayant une durée A g et ladite première composante de modulation de déphasage de mise au biais φω(ΐ) étant à une première fréquence de modulation de mise au biais fbl telle que fbl = fp, fp étant la fréquence propre.
ladite modulation de déphasage de contre-réaction φ0Γ(ΐ) retombe de 2 π lorsqu'elle dépasse 2 π.
- ladite unité de traitement numérique démodule ledit signal électrique numérique en phase avec ladite seconde composante de modulation de différence de phase de mise au biais
Figure imgf000008_0002
indépendamment de la première composante de modulation de différence de phase de mise au biais et lesdits moyens d'asservissement de gain de ladite chaîne de modulation démodulent ledit signal électrique numérique de manière à fournir un signal fonction de la fonction de transfert de ladite chaîne de modulation.
Le dispositif de mesure selon l'invention est particulièrement bien adapté à la réalisation d'un gyromètre. Dans ce cas, le paramètre à mesurer est une composante de la vitesse de rotation de l'interféromètre en anneau. Ainsi, l'invention concerne également un gyromètre, caractérisé en ce qu'il est conforme au dispositif de mesure à fibre optique selon l'invention, le paramètre à mesurer étant une composante de la vitesse de rotation de l'interféromètre en anneau.
Ce gyromètre entre avantageusement dans la réalisation de centrales de navigation ou de stabilisation inertielle.
Ainsi, l'invention propose également une centrale de navigation ou de stabilisation inertielle comportant au moins un gyromètre selon l'invention.
Des modes de réalisation de l'invention seront décrits en détail en référence aux dessins dans lesquels :
- la figure 1 représente une vue schématique du dispositif de mesure selon l'art antérieur ;
la figure 2 représente un schéma fonctionnel représentant les différents moyens mis en œuvre dans le dispositif de mesure selon l'art antérieur ;
la figure 3 représente un exemple selon l'art antérieur d'une modulation de déphasage de contre-réaction φ0Γ(ΐ) en marches d'escalier retombant de 2π lorsqu'elle dépasse 2π ;
la figure 4 représente un exemple selon un mode de réalisation particulier de l'invention de première et seconde composantes de modulation de différence de phase de mise au biais Δφω(ΐ) la figure 5 représente un exemple selon un mode de réalisation particulier de l'invention de première et seconde composantes de modulation de déphasage de mise au biais φbl(t) et φb2(t) générant les première et seconde composantes de modulation de différence de phase de mise au biais Δφ[,ι(ΐ) et Δφb2(t) représentées sur la figure 4 ;
la figure 6 représente un exemple de modulation de différence de phase
Figure imgf000009_0001
selon un mode de réalisation particulier de l'invention, la différence de phase totale en boucle ouverte dans l'interféromètre et le signal électrique modulé correspondant produit par le détecteur lorsque le paramètre à mesurer engendre une différence de phase Δφρ nulle et lorsque que la fonction de transfert de la chaîne de modulation est correctement ajustée ;
la figure 7 représente un exemple de modulation de différence de phase
Figure imgf000009_0002
selon un mode de réalisation particulier de l'invention, la différence de phase totale en boucle ouverte dans l'interféromètre et le signal électrique modulé correspondant produit par le détecteur lorsque le paramètre à mesurer engendre une différence de phase Δφρ non nulle et lorsque que la fonction de transfert de la chaîne de modulation est correctement ajustée ;
la figure 8 représente un exemple de modulation de différence de phase
Figure imgf000009_0003
selon un mode de réalisation particulier de l'invention, la différence de phase totale en boucle ouverte dans l'interféromètre et le signal électrique modulé correspondant produit par le détecteur lorsque le paramètre à mesurer engendre une différence de phase Δφρ nulle et lorsque que la fonction de transfert de la chaîne de modulation est incorrectement ajustée ;
la figure 9 représente un exemple de modulation de différence de phase
Figure imgf000010_0001
selon un mode de réalisation particulier de l'invention, la différence de phase totale en boucle ouverte dans l'interféromètre et le signal électrique modulé correspondant produit par le détecteur lorsque le paramètre à mesurer engendre une différence de phase Δφρ non nulle et lorsque que la fonction de transfert de la chaîne de modulation est incorrectement ajustée.
La figure 1 représente un dispositif 10 de mesure à fibre optique selon l'art antérieur du type dans lequel un paramètre à mesurer engendre une différence de phase Δφρ entre deux ondes.
Le dispositif 10 de mesure à fibre optique comporte tout d'abord une source lumineuse 11 comprenant ici une diode laser.
En variante, la source lumineuse peut comprendre par exemple une diode super-luminescente ou une source lumineuse à fibre dopée de type « ASE » (« Amplified Spontaneous Emission » en anglais).
Le dispositif 10 comprend aussi un premier élément séparateur 12. Ce premier élément séparateur 12 est ici une lame semi-réfléchissante ayant une transmittance de 50% et une réflectance de 50%.
En variante, l'élément séparateur peut être par exemple un coupleur 2x2 à 3 décibels ou un circulateur optique.
L'onde lumineuse émise par la source lumineuse 11 est ainsi transmise en partie par le premier élément séparateur 12 en direction d'un filtre optique 13 en sortie duquel l'onde lumineuse a été filtrée. Le filtre optique 13 comporte de préférence un polariseur et un filtre spatial. Ce filtre spatial est ici une fibre optique monomode, de préférence à conservation de polarisation.
Le dispositif 10 comporte également un interféromètre en anneau 20 de SAGNAC comprenant une bobine 21 d'une fibre optique enroulée sur elle-même. Il s'agit ici d'une fibre optique, de préférence de type monomode et à conservation de polarisation.
Cet interféromètre en anneau 20 de SAGNAC comprend également un second élément séparateur 23 permettant de diviser l'onde sortant du filtre optique 13 en deux ondes contra-propagatives 24, 25 sur les deux « bras » de l'interféromètre en anneau 20, ces deux bras définissant deux chemins optiques 24A et 25A. Le second élément séparateur 23 est ici une lame semi- réfléchissante ayant une transmittance de 50% et une réflectance de 50%.
Le second élément séparateur 23 permet également de recombiner les deux ondes contra- propagatives 24, 25 à la sortie de l'interféromètre en anneau 20.
En variante, le second élément séparateur peut être par exemple un coupleur 2x2 à 3 décibels ou une jonction « Y » en optique intégrée. Les deux ondes contra-propagatives 24, 25 passent alors à travers le filtre optique 13 et sont réfléchies par le premier élément séparateur 12 en direction d'un détecteur 14 de rayonnement électromagnétique.
Ce détecteur 14 est ici une photodiode à semi-conducteur.
Le détecteur 14 est sensible à la puissance lumineuse reçue, qui est ici fonction de l'état d'interférence entre les deux ondes contra-propagatives 24, 25 lors de leur recombinaison à la sortie de l'interféromètre en anneau 20 de SAGNAC. Il délivre ainsi un signal électrique qui est représentatif de la différence de phase totale Δφι entre les deux ondes contra-propagatives 24, 25. On verra dans la suite de la description que ce signal électrique est un signal électrique modulé.
Le dispositif 10 comporte également une chaîne de modulation 30 comprenant un convertisseur numérique / analogique 31, un amplificateur 32 et un modulateur de phase 33.
Le convertisseur numérique / analogique 31 traite un signal numérique de commande délivré par les moyens de commande 140, la décomposition de ce signal étant précisée en détail par la suite. Le convertisseur numérique / analogique 31 délivre en sortie un signal analogique de commande.
L'amplificateur 32 traite alors ce signal analogique de commande pour délivrer une tension de commande de modulation Vm(t) au modulateur de phase 33.
Le modulateur de phase 33 est placé dans l'interféromètre en anneau 20 et fait donc également partie de celui-ci. Il est ici disposé à une extrémité du chemin optique de l'interféromètre en anneau 20 de SAGNAC. Le modulateur de phase 33 est ici du type électro-optique (dit à « effet Pockels ») en optique intégrée sur niobate de lithium par échange protonique.
Le modulateur de phase 33 permet, lorsqu'on applique en son entrée la tension de commande de modulation Vm(t) dépendant du temps, de générer une modulation de déphasage (|)m(t) proportionnelle et donc avec la même dépendance temporelle, sur une onde lumineuse le traversant à l'instant t donné dans un sens ou dans un autre.
Dans le cas de l'interféromètre en anneau 20 de SAGNAC représenté sur la figure 1, la différence des temps de transit des ondes contra-propagatives 24, 25 le long des deux chemins optiques 24A, 25A entre le modulateur de phase 33 et le second élément séparateur 23 est notée Azg.
Ainsi, la modulation de déphasage (|)m(t) générée par le modulateur de phase 33 commandé par la tension de commande de modulation Vm(t) introduit entre les deux ondes contra-propagatives 24, 25 une modulation de différence de phase A(|)m(t) telle que : A(|)m(t) = (|)m(t) - (|)m(t-ATg).
La différence de temps de transit A g définit également une fréquence propre fp de l'interféromètre en anneau 20 de SAGNAC par la relation : fp = 1 / (2 Azg).
Cette fréquence propre fp dépend donc de la longueur de la bobine 21 dans l'interféromètre en anneau 20 de SAGNAC. Avec la bobine 21 de fibre optique utilisée ici, bobine présentant une longueur de 1 kilomètre, la fréquence propre fp de l'interféromètre en anneau 20 de SAGNAC est d'environ 100 kilohertz (kHz), correspondant à une différence de temps de transit A g de 5 microsecondes (μ5).
La puissance lumineuse reçue Ρ(Δφι) par le détecteur 14 est également modulée et le signal électrique délivré par le détecteur 14 sera donc un signal électrique modulé (38), dont des exemples sont donnés sur les figures 6 à 9.
Ce signal électrique modulé 38 est transmis à des moyens électroniques 100 qui le traitent pour délivrer un signal fonction de la différence de phase Δφρ et du paramètre à mesurer.
À cet effet, les moyens électroniques 100 comprennent des moyens de traitement du signal 110, tels que représentés sur la figure 2. Ces moyens de traitement du signal 110 comportent un convertisseur analogique / numérique 111 numérisant le signal électrique modulé 38 fourni par le détecteur 14 pour délivrer un signal électrique numérique.
Cette opération de numérisation est réalisée à une fréquence de synchronisation fixée par l'horloge 101. La fréquence de synchronisation de l'horloge 101 est de préférence un multiple de la fréquence propre fp de l'interféromètre en anneau 20 de SAGNAC.
Les moyens de traitement du signal 110 comprennent également une unité de traitement numérique 112 configurée pour traiter le signal électrique numérique fourni en sortie du convertisseur analogique / numérique 111. L'unité de traitement numérique 112 comporte ici un démodulateur numérique, un filtre numérique de boucle d'asservissement alimenté par un premier signal numérique démodulé sortant du démodulateur numérique et un registre.
L'unité de traitement numérique 112 délivre un signal fonction de la différence de phase Δφρ et du paramètre à mesurer pour tout usage externe souhaité.
Les moyens électroniques 100 commandent également en retour la chaîne de modulation 30.
À cet effet, les moyens électroniques 100 comportent d'une part des moyens de contre-réaction 120 et d'autre part des moyens de mise au biais 130.
Les moyens de contre-réaction 120 reçoivent en entrée le signal fonction de la différence de phase Δφρ du paramètre à mesurer fourni par l'unité de traitement numérique 112. En sortie, les moyens de contre-réaction 120 génèrent un signal de contre-réaction dont l'action sur la chaîne de modulation 30 sera décrite plus en détail par la suite.
Les moyens de contre-réaction 120 comportent ici un accumulateur.
Les moyens de mise au biais 130 sont configurés pour générer un signal de mise au biais à des instants précis, synchronisés par la fréquence de l'horloge 101. L'action de ce signal de mise au biais sur la chaîne de modulation 30 sera décrite plus en détail par la suite.
Les moyens électroniques 100 comportent en outre des moyens de commande 140 qui possède deux entrées et une sortie. En entrée, les moyens de commande 140 reçoivent d'une part le signal de contre-réaction et d'autre part le signal de mise au biais. Ces signaux sont ensuite traités par les moyens de commande 140. En sortie, les moyens de commande 140 délivrent un signal numérique de commande qui est alors transmis au convertisseur numérique / analogique 31 de la chaîne de modulation 30.
Les moyens de commande 140 comportent ici un additionneur numérique. L'opération effectuée par les moyens de commande 140 consiste en l'addition numérique du signal de contre- réaction fourni par les moyens de contre-réaction 120 et du signal de mise au biais fourni par les moyens de mise au biais 130. Le signal numérique de commande est le signal résultant de cette addition.
Le signal numérique de commande est alors transmis à la chaîne de modulation 30. Il est converti en un signal analogique de commande par le convertisseur numérique / analogique 31 puis transmis à l'amplificateur 32 qui délivre une tension de commande de modulation Vm(t) au modulateur de phase 33.
La chaîne de modulation 30 reçoit donc en entrée le signal numérique de commande et produit en sortie au moyen du modulateur de phase 33 une modulation de déphasage (|)m(t) modulée dans le temps qui sera introduite sur les ondes contra-propagatives 24, 25 se propageant dans l'interféromètre en anneau 20 de SAGNAC.
La chaîne de modulation 30 est ainsi caractérisée électroniquement par sa fonction de transfert entre l'entrée et la sortie. Cette fonction de transfert est le rapport entre la valeur (en radians) du déphasage effectivement généré par la chaîne de modulation 30 via le modulateur de phase 33 et la valeur (sans unité) du signal numérique de commande transmis à la chaîne de modulation 30.
Afin de maintenir ajustée la fonction de transfert de la chaîne de modulation 30, les moyens électroniques 100 comportent aussi des moyens d'asservissement de gain 150.
Ces moyens d'asservissement de gain 150 comprennent une autre unité de traitement numérique (non représentée) exploitant le signal électrique numérique délivré par le convertisseur analogique / numérique 111 de manière à fournir un signal fonction de la fonction de transfert de la chaîne de modulation 30.
Ce signal est filtré par un filtre intégrateur numérique de boucle d'asservissement qui alimente un autre convertisseur numérique / analogique commandant le gain G variable de l'amplificateur 32 ou la tension analogique de référence du convertisseur numérique / analogique 31. Ainsi, la fonction de transfert de la chaîne de modulation 30 est maintenue correctement ajustée , ainsi que la tension de commande de modulation Vm(t) délivrée par l'amplificateur 32 au modulateur de phase 33.
On entend par là qu'une valeur donnée du signal numérique de commande en entrée de la chaîne de modulation 30 donnera toujours la même valeur (en radians) de modulation de déphasage (|)m générée par le modulateur de phase 33, et ainsi la même valeur (en radians) de modulation de différence de phase Δφ introduite entre les deux ondes contra-propagatives 24, 25 dans l'interféromètre en anneau 20 de SAGNAC.
Le signal numérique de commande étant la somme du signal de contre-réaction et du signal de mise au biais, la tension de commande de modulation Vm(t) en entrée du modulateur de phase 33 se décompose en la somme d'une tension de modulation de contre-réaction Vcr(t) et d'une tension de modulation de mise au biais Vb(t).
La tension de modulation de contre-réaction Vcr(t) en entrée du modulateur de phase 33 entraîne en sortie du modulateur de phase 33 une modulation de déphasage de contre-réaction φ0Γ(ΐ) sur une onde le traversant.
Dans le cas de l'interféromètre en anneau 20 de SAGNAC, l'effet de cette modulation de déphasage de contre-réaction φ0|-(ΐ) est l'introduction d'une modulation de différence de phase de contre-réaction Δφ0Γ(ΐ) entre les deux ondes contra-propagatives 24, 25, permettant de compenser la différence de phase Δφρ engendrée par le paramètre à mesurer et donc de maintenir nulle la somme de la différence de phase Δφρ et de la différence de phase Δφ0Γ.
Cette contre-réaction permet de faire fonctionner le dispositif 10 en boucle fermée afin d'atteindre une bonne linéarité et stabilité de la mesure du paramètre engendrant la différence de phase Δφρ.
Selon l'art antérieur, la figure 3 est relative à la modulation de déphasage de contre-réaction φοη(ΐ) générée par le modulateur de phase 33 à partir de la tension de modulation de contre-réaction Vcr(t).
Le signal de contre-réaction généré par les moyens de contre-réaction 120 est un signal numérique en marches d'escalier.
Pour un interféromètre en anneau 20 de SAGNAC, de fréquence propre fp, l'art antérieur enseigne une durée de Azg pour chaque marche, le passage d'une marche à une autre étant synchronisée grâce à l'horloge 101 présente dans les moyens électroniques 100.
Ceci se traduit sur la figure 3 au niveau de la modulation de déphasage de contre-réaction φ0Γ(ΐ) qui est une modulation en marches d'escalier. Comme mentionné précédemment, l'art antérieur enseigne que la durée des marches de la modulation de déphasage de contre-réaction φοη(ΐ) est égale à A g.
De même, comme décrit précédemment, la hauteur de la marche est telle que la modulation de différence de phase Δφοη(ΐ) introduite entre les deux ondes contra-propagatives 24, 25 compense la différence de phase Δφρ due au paramètre mesuré.
Par ailleurs, la modulation de déphasage de contre-réaction φοη(ΐ) est une modulation de rampe en marche d'escaliers telle que cette modulation retombe de 2 π, comme représenté sur la figure 3, lorsque la valeur de la marche dépasse 2 π. Il est connu que cette « retombée à 2 π» est rendu nécessaire par le fait que la valeur de la tension de modulation de contre-réaction Vcr(t) ne peut pas croître indéfiniment. L'utilisation de moyens numériques, tels que le convertisseur numérique / analogique 31 permet de réaliser simplement cette retombée à 2 π.
Comme indiqué précédemment, les moyens de mise au biais 130 sont configurés pour générer un signal de mise au biais, ce signal de mise au biais étant transmis aux moyens de commande 140 pilotant la chaîne de modulation 30.
Ce signal de mise au biais est associé à la tension de modulation de mise au biais Vb(t), au travers du convertisseur numérique / analogique 31 et de l'amplificateur 32.
Cette tension de modulation de mise au biais Vb(t) en sortie de l'amplificateur 32 et en entrée du modulateur de phase 33 entraîne en sortie du modulateur de phase 33 une modulation de déphasage de mise au biais (|)b(t) sur une onde le traversant.
Dans le cas de l'interféromètre en anneau 20 de SAGNAC, l'effet de cette modulation de déphasage de mise au biais (|)b(t) est l'introduction d'une modulation de différence de phase de mise au biais entre les deux ondes contra-propagatives 24, 25.
La tension de commande de modulation Vm(t) en entrée du modulateur de phase 33 se décomposant en la somme de la tension de modulation de contre-réaction Vcr(t) et de la tension de modulation de mise au biais Vb(t), la modulation de déphasage (|)m(t) (respectivement la modulation de différence de phase
Figure imgf000015_0001
est la somme de la modulation de déphasage de contre-réaction φ0Γ(ΐ) (respectivement de la modulation de différence de phase de contre-réaction Δφ0|-(ΐ)) et de la modulation de déphasage de mise au biais (|)b(t) (respectivement de la modulation de différence de phase de mise au biais
Figure imgf000015_0002
de sorte que : 0m(t) = φοη(ΐ) +
Selon l'invention, la modulation de déphasage de mise au biais §b(t) est la somme :
d'une première composante de modulation de déphasage de mise au biais φι (ΐ), et - d'une seconde composante de modulation de déphasage de mise au biais
Figure imgf000015_0003
À cet effet, les moyens de mise au biais 130 sont agencés de manière à ce que le signal numérique de mise au biais soit la somme d'une première composante de mise au biais et d'une seconde composante de mise au biais.
La première composante de mise au biais est associée à une première composante de tension Vbi(t), au travers du convertisseur numérique / analogique 31 et de l'amplificateur 32.
De même, la seconde composante de mise au biais est associée à une seconde composante de tension Vb2(t), au travers du convertisseur numérique / analogique 31 et de l'amplificateur 32.
Ainsi, la tension de modulation de mise au biais Vb(t) se décompose en la somme d'une première composante de tension Vbl(t) et d'une seconde composante de tension Vb2(t), générées au travers de l'amplificateur 32 et du convertisseur numérique / analogique 31 respectivement à partir de la première composante de mise au biais et de la seconde composante de mise au biais.
Selon l'invention, la première composante de modulation de déphasage de mise au biais (|)bi(t) 35A, générée à partir de la première composante de tension Vbl(t) grâce au modulateur de phase 33, introduit une première composante de modulation de différence de phase de mise au biais A(|)bi(t) ente les ondes contra-propagatives 24, 25 de l'interféromètre en anneau 20 de SAGNAC.
Selon l'invention, cette première composante de modulation de différence de phase de mise au biais A(|)bi(t) est une modulation périodique en créneaux à une première fréquence de modulation de mise au biais fbl telle que fbl = (2ki+l) fp, kx étant un entier naturel et fp la fréquence propre.
Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, la première fréquence de modulation de mise au biais fbi est ici égale à la fréquence propre fp (ki = 0) de l'interféromètre en anneau 20 de SAGNAC.
En variante, la première fréquence de modulation de mise au biais fbl peut être par exemple un multiple impair de la fréquence propre fp. tel que kx > 0.
Un exemple de cette première composante de modulation de différence de phase de mise au biais est représenté et référencé 34 sur la figure 4.
Selon l'invention, la première composante de modulation de différence de phase de mise au biais A(|)bl(t) 34 présente des niveaux extrêmes de valeur +π et -π. On appellera donc par la suite
« modulation π» cette première composante de modulation.
Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, cette modulation π, référencée 34 présente ici un rapport cyclique de 50%, c'est-à-dire que la durée du niveau +π (respectivement du niveau -π) représente 50% (respectivement 50%) de la durée totale de la période de la modulation π, référencée 34.
La première fréquence de modulation de mise au biais fbl étant ici égale à la fréquence propre fp = 1/(2 Axg) de l'interféromètre en anneau 20 de SAGNAC, la période de la modulation π, référencée 34 est égale à 1 / fbl = 2 Azg, la modulation π, référencée 34, restant sur son niveau +π pendant une demi-période de durée A g, et sur son niveau -π pendant une autre demi-période de durée A g.
La première composante de tension Vbi(t) produit une première composante de modulation de déphasage de mise au biais (|)bi(t) 34A telle que représenté sur la figure 5. Le modulateur de phase 33 étant un modulateur réciproque, l'interféromètre en anneau 20 de SAGNAC se comporte comme une ligne à retard entre les deux ondes contra-propagatives 24, 25 de telle sorte que la première composante de modulation de différence de phase de mise au biais Δφω(ΐ) 34 vérifie la relation : Δφ,ι(ΐ) = φω(ΐ) - <|>bi(t-Axg). On comprend ainsi comment est générée la première composante de modulation de différence de phase de mise au biais
Figure imgf000017_0001
34, représentée sur la figure 4, à partir de la première composante de modulation de déphasage de mise au biais (|)bi(t) 34A, représentée sur la figure 5.
Dans un mode de réalisation particulier de l'invention où chaque marche d'escaliers de la modulation de déphasage de contre-réaction φ0Γ(ΐ) a une durée Azg, la modulation de déphasage de contre-réaction φ0|-(ΐ) créée au travers de la chaîne de modulation 30 est synchrone avec la première composante de modulation de déphasage de mise au biais (|)bi(t) qui est ici à la fréquence propre fp.
On définira ici que la modulation de déphasage de contre-réaction φ0|-(ΐ) et la première composante de modulation de déphasage de mise au biais φbl(t) sont en phase lorsque le passage d'une marche à une autre de la modulation de déphasage de contre-réaction φοη(ΐ) intervient lors d'une transition de la première composante de modulation de déphasage de mise au biais φbl(t) d'un niveau extrême à un autre.
Selon ce mode de réalisation particulier, la retombée à 2 π de la modulation de déphasage de contre-réaction φοη(ΐ) est ainsi synchronisée avec une transition de la modulation π, référencée 34.
Selon l'invention, la seconde composante de modulation de déphasage de mise au biais φb2(t), générée à partir de la seconde composante de tension Vb2(t) grâce au modulateur de phase 33, introduit une seconde composante de modulation de différence de phase de mise au biais Δφb2(t) ente les ondes contra-propagatives 24, 25 de l'interféromètre en anneau 20 de SAGNAC.
Selon l'invention, cette seconde composante de modulation de différence de phase de mise au biais Δφbl(t) est une modulation périodique à une seconde fréquence de modulation de mise au biais fb2.telle que fb2 = (2k2+l) fp, k2 étant un entier naturel non nul tel que k2 > kx et fp étant la fréquence propre.
La seconde fréquence de modulation de mise au biais fb2 est ainsi une fréquence strictement supérieure à la première fréquence de modulation de mise au biais fbl.
Selon un mode de réalisation particulier de l'invention, la seconde fréquence de modulation de mise au biais fb2 est telle que fb2 = 3 f p (i.e. k2=l). Elle est donc bien strictement supérieure à la première fréquence de modulation de mise au biais fbl qui est ici telle que fbl = fp.
Dans un autre mode de réalisation, la seconde fréquence de modulation de mise au biais fb2 est préférentiellement telle que k2 > 2, et encore plus préférentiellement telle que k2 > 4.
Selon un mode de réalisation particulier de l'invention, la seconde composante de modulation de différence de phase de mise au biais
Figure imgf000017_0002
est ici une modulation en créneaux.
Un exemple de cette seconde composante de modulation de différence de phase de mise au biais est représenté et référencé 35 sur la figure 4. On observe que la seconde composante de modulation de différence de phase de mise au biais 35 présente, dans cet exemple, des niveaux extrêmes de valeur +π/8 et -π/8. On appellera donc par la suite « modulation 7i/8 » la seconde composante de modulation de cet exemple.
De manière générale, la seconde composante de modulation de différence de phase de mise au biais Δφ[,2(ΐ) peut présenter des niveaux extrêmes de valeurs +7t/a et -π/a, a étant un nombre réel vérifiant la condition | a | > 1. La seconde composante de modulation est alors appelée de manière générale « modulation rfa ».
Comme représenté sur la figure 4, la modulation π/8, référencée 35, présente de préférence un rapport cyclique de 50%, c'est-à-dire que la durée du niveau +π/8 (respectivement du niveau -π/8) représente 50% (respectivement 50%) de la durée totale de la période de la modulation π/8, référencée 35.
La seconde fréquence de modulation de mise au biais b2 étant ici égale à 3 fp = 3/ (2 Azg) de l'interféromètre en anneau 20 de SAGNAC, la période de la modulation π/8, référencée 35, est égale à l/fb2 = (2/3) Axg, la modulation π/8, référencée 35, restant sur son niveau +π/8 pendant une demi- période de durée (1/3) A g, et sur son niveau -π/8 pendant une autre demi-période de durée (1/3) A g.
Selon un autre mode de réalisation de l'invention, la seconde composante de modulation de différence de phase de mise au biais Δφ[,2(ΐ) est une modulation périodique sinusoïdale, d'amplitude π/a, tel que a est un nombre réel non nul vérifiant la condition | a | > 1.
La seconde tension de modulation de mise au biais Vb2(t) produit une seconde composante de modulation de déphasage de mise au biais
Figure imgf000018_0001
35A telle que représentée sur la figure 5. Par analogie avec la première composante de modulation décrite ci-dessus, la seconde composante de modulation de différence de phase de mise au biais Δφ[,2(ΐ) 35 vérifie la relation : Δφ[,2(ΐ) = φωίΐ) - (|½(ΐ-ΔτΕ).
On comprend ainsi comment est générée la seconde composante de modulation de différence de phase de mise au biais
Figure imgf000018_0002
35, représentée sur la figure 4, à partir de la seconde composante de modulation de déphasage de mise au biais
Figure imgf000018_0003
35A, représentée sur la figure 5.
Selon le mode de réalisation particulier décrit ci-dessus, la seconde fréquence de modulation de mise au biais fb2 est une fréquence multiple impaire de la première fréquence de modulation de mise au biais fbl. En effet, la première fréquence de modulation de mise au biais fbl étant telle que fbl = fp, la seconde fréquence de modulation de mise au biais fb2 est telle que fb2 = 3 fp = 3 fbl = (2k2i+l) fbi, avec k21 = 1.
De plus, la première composante de modulation de différence de phase de mise au biais 34 et la seconde composante de modulation de différence de phase de mise au biais A(|)b2(t) 35 sont ici en quadrature.
On définira ici que la première composante de modulation de différence de phase de mise au biais 34 et la seconde composante de modulation de différence de phase de mise au biais
Figure imgf000018_0004
35 sont en quadrature lorsqu'une transition de la première composante de modulation de différence de phase de mise au biais A(|)bl(t) 34, d'un niveau extrême à un autre intervient à égale distance de deux zéros successifs de la la seconde composante de modulation de différence de phase de mise au biais Δ(|½(ΐ) 35.
Comme illustré sur la figure 4, la modulation π, référencée 34 opère une transition du niveau +π au niveau -π à l'instant t = tl. De même, la modulation π/8, référencée 35 s'annule à deux instants t2 et t'2 autour de la transition considérée de la modulation π, référencée 34. Les modulation π, référencée 34 et modulation π/8, référencée 35 sont en quadrature car ici | tl - 121 = | tl - l'21.
On a représenté sur les figures 6 à 9, différents fonctionnements d'un mode de réalisation particulier du dispositif selon l'invention :
- dans la figure 6, la différence de phase Δφρ engendrée par le paramètre à mesurer est nulle et la fonction de transfert de la chaîne de modulation 30 est correctement ajustée,
dans la figure 7, la différence de phase Δφρ engendrée par le paramètre à mesurer est non nulle et la fonction de transfert de la chaîne de modulation 30 est correctement ajustée,
dans la figure 8, la différence de phase Δφρ engendrée par le paramètre à mesurer est nulle et la fonction de transfert de la chaîne de modulation 30 est incorrectement ajustée, et
dans la figure 9, la différence de phase Δφρ engendrée par le paramètre à mesurer est non nulle et la fonction de transfert de la chaîne de modulation 30 est incorrectement ajustée.
Sur chacune des figures 6 à 9, où Δφ = Δφb + Δφρ représente la différence de phase en boucle ouverte à la sortie de l'interféromètre en anneau 20 et t représente le temps, on a représenté :
- la modulation de différence de phase de mise au biais est la somme de la première composante de modulation de différence de phase de mise a
Figure imgf000019_0001
34 et de la seconde composante de modulation de différence de phase de mise au biais Δφb2(t) 35,
la puissance lumineuse reçue Ρ(Δφ) 37 par le détecteur 14, et
le signal électrique modulé S(t) 38 délivré par le détecteur 14.
Pour plus de simplicité, le raisonnement est fait pour ces figures 6 à 9 sur un dispositif 10 mis en boucle ouverte. Dans ce cas, la puissance lumineuse reçue Ρ(Δφ) 37 par le détecteur 14 est une fonction cosinusoïdale de la différence de phase relative Δφ entre les deux ondes contra-propagatives 24, 25 dans l'interféromètre en anneau 20 de SAGNAC.
La puissance lumineuse reçue Ρ(Δφ) 37 par le détecteur 14 est en effet de la forme : Ρ(Δφ) = P0 [1 + cos (Δφ) ]. Elle est donc nulle lorsque Δφ = +π ou -π, (car cos(+7t) = cos(-7t) = -1) et elle est maximale et égale à 2P0 lorsque Δφ = 0 (car cos(0) = 1).
Le raisonnement peut être transposé au cas de la boucle fermée.
La première composante de modulation de différence de phase de mise au biais Δφbl(t) 34 (modulation π) étant ici à la fréquence fp et la seconde composante de modulation de différence de phase de mise au biais Δφb2(t) 35 (modulation π/8) étant à la fréquence 3 fp, la modulation de différence de phase de mise au biais
Figure imgf000020_0001
36, qui est la somme des deux modulations précédentes, est donc une modulation périodique à la fréquence propre fp.
Comme décrit précédemment, la modulation π, référencée 34,présente 2 niveaux extrêmes +π et -π et la modulation π/8, référencée 35, présente 2 niveaux extrêmes +π/8 et -π/8, si bien que la modulation de différence de phase de mise au biais
Figure imgf000020_0002
présente séquentiellement 4 niveaux différents définissant 4 états de modulation différents, qui sont :
État El ou état « < + - > » : lorsque la modulation π, référencée 34, est sur son niveau extrême « haut » +π et lorsque la modulation π/8, référencée 35, est sur son niveau extrême « bas » - π/8,
État E2 ou état « < + + > » : lorsque la modulation π, référencée 34, est sur son niveau extrême « haut » +π et lorsque la modulation π/8, référencée 35, est sur son niveau extrême « haut » +π/8,
État E3 ou état « < - + > » : lorsque la modulation π, référencée 34, est sur son niveau extrême « bas » -π et lorsque la modulation π/8, référencée 35, est sur son niveau extrême « haut » +π/8,
État E4 ou état « < - - > » : lorsque la modulation π, référencée 34, est sur son niveau extrême « bas » -π et lorsque la modulation π/8, référencée 35, est sur son niveau extrême « bas » -π/8.
Ces 4 états de modulation El, E2, E3, E4 distincts sont de préférence proches d'une frange sombre de l'interféromètre en anneau 20 de SAGNAC, où le rapport signal à bruit est optimal.
La puissance lumineuse reçue Ρ(Δφ) 37 par le détecteur 14 est ainsi modulée suivant ces 4 états de modulation distincts et le signal électrique modulé S(t) 38 délivré par le détecteur 14 prend séquentiellement 4 valeurs SI, S2, S3, et S4 associées respectivement aux 4 états de modulation El, E2, E3, et E4.
Lorsque le paramètre à mesurer engendre une différence de phase Δφρ nulle, comme c'est la cas sur la figure 6, alors les 4 niveaux de la modulation de différence de phase de mise au biais
Figure imgf000020_0003
36 sont :
Pour l'état El (état < + - >) :
Δφ = Δφ[, + Δφρ = Δφ[, =Δφω + Δφ[,2 = +π - π/8 = 7π/8
Pour l'état Ε2 (état < + + >) :
Δφ = Δφ[, + Δφρ = Δφ[, =Δφω + Δφ[,2 = +π + π/8 = 9π/8
Pour l'état Ε3 (état < - + >) :
Δφ = Δφb + Δφρ = Δφb =Δφω + Δφb2 = -π + π/8 = -7π/8
Pour l'état Ε4 (état < - - >) :
Δφ = Δφ[, + Δφρ = Δφ[, =Δφω + Δφ[,2 = -π - π/8 = -9π/8 La puissance lumineuse reçue Ρ(Δφ) 37 par le détecteur 14 étant une fonction cosinusoïdale, comme expliqué précédemment, elle est ici dans le cas de la figure 6 la même quel que soit l'état de modulation. Le détecteur 14 délivre donc un signal électrique modulé S(t) 38 prenant 4 valeurs SI, S2, S3, et S4 identiques.
À partir de la situation précédente, décrite sur la figure 6, où le paramètre à mesurer engendre une différence de phase Δφρ nulle, on passe à la situation décrite sur la figure 7 où le paramètre à mesurer engendre une différence de phase Δφρ non nulle entre les deux ondes contra- propagatives 24, 25 dans l'interféromètre en anneau 20 de SAGNAC. On considérera, dans l'exemple de la figure 7, que la différence de phase Δφρ engendrée par le paramètre à mesurer est de π/16.
Ceci peut être représenté sur la figure 7 en « décalant » la modulation de différence de phase de mise au biais 36 de la valeur Δφρ. Ce décalage entraîne un changement des 4 états de modulation sur lesquels est modulé le signal reçu par le détecteur 14, qui est fonction de la puissance lumineuse reçue Ρ(Δφ) 37 dépendant de la différence de phase totale Δφ en sortie de l'interféromètre en anneau 20. Les 4 niveaux de la modulation de différence de phase de mise au biais
Figure imgf000021_0001
36 associés aux 4 états de modulations sont donc désormais :
Pour l'état El (état < + - >) :
Δφ = Δφb + Δφρ = [+π - π/8] + π/16 = 15π/16
Pour l'état Ε2 (état < + + >) :
Δφ = Δφΐ3 + Δφρ = [+π + π/8] + π/16 = 19π/16
- Pour l'état Ε3 (état < - + >) :
Δφ = Δφb + Δφρ = [-π + π/8] + π/16 = -13π/16
Pour l'état Ε4 (état < - - >) :
Δφ = Δφΐ3 + Δφρ = [-π - π/8] + π/16 = -17π/16
Ainsi, comme cela est visible sur la figure 7, la puissance lumineuse reçue Ρ(Δφ) 37 par le détecteur 14 dans les états de modulation El et E4 est plus faible, et celle reçue dans les états de modulation E2 et E3 est plus forte.
Le détecteur 14 délivre alors un signal électrique modulé S(t) 38 tel que représenté sur la figure 7. Ce signal électrique modulé S(t) 38 prend séquentiellement les 4 valeurs SI, S2, S3, et S4 associées respectivement aux 4 états de modulation El, E2, E3, et E4. Ces 4 valeurs SI, S2, S3, et S4 prises par le signal électrique modulé S(t) 38 sont ici deux à deux identiques : SI = S4 et S2 = S3.
On remarquera également sur la figure 7 que le signal électrique modulé S(t) 38 présente des pics 39 correspondant alternativement aux transitions de l'état El à l'état E4 de modulation et de l'état E3 à l'état E2 de modulation, lorsque la puissance lumineuse reçue Ρ(Δφ) passe par un maximum à la valeur Δφ = 0. Ces pics 39 sont gênants dans la mesure où ils introduisent des défauts non voulues dans le signal électrique modulé S(t) 38.
Ce signal électrique modulé S(t) 38 est ensuite numérisé par le convertisseur analogique/numérique 111 qui délivre et transmet un signal électrique numérique à l'unité de traitement numérique 112.
Ce signal électrique numérique est également modulé et prend 4 valeurs numériques∑1,∑2, ∑3, et∑4 suivant les 4 états de modulations El, E2, E3, et E4 de la modulation de différence de phase de mise au biais 36 auxquelles les valeurs sont associées.
L'unité de traitement numérique 112 démodule le signal électrique numérique en phase avec la seconde composante de modulation de différence de phase de mise au biais
Figure imgf000022_0001
35 indépendamment de la première composante de modulation de différence de phase de mise au biais Δφι,ι 34.
On entend par là que l'unité de traitement numérique 112 délivre un premier signal numérique démodulé∑p à partir des 4 valeurs numériques∑1,∑2,∑3, et∑4 associées respectivement aux 4 états de modulations El, E2, E3, et E4 en effectuant une opération de calcul du type :∑p = -∑1 +∑2 +∑3 -∑4 où le « poids » de chaque valeur numérique dans l'expression précédente dépend du niveau extrême de la modulation π/8, référencée 35, dans l'état de modulation associé à cette valeur numérique, mais ne dépend pas du niveau de la modulation π, référencée 34, dans cet état de modulation.
L'unité de traitement numérique 112 produit donc un premier signal numérique démodulé∑p dépendant du déphasage Δφρ et représentatif de la valeur du paramètre à mesurer dans l'interféromètre en anneau 20 de SAGNAC.
On remarque ici que le premier signal numérique démodulé∑p est un signal à la même fréquence que la modulation π/8, référencée 35, à savoir 3 fp. Néanmoins, on remarque également que les pics 39 porteurs de défauts dans le signal électrique modulé S(t) 38 transmis par le détecteur 14 apparaissent à la fréquence double de la fréquence de la modulation π, référencée 34, à savoir ici à la fréquence 2 fp.
Ainsi, il est ici possible en utilisant une première composante de modulation de différence de phase de mise au biais Δφ[,ι(ΐ) 34 à la fréquence fp et une seconde composante de modulation de différence de phase de mise au biais
Figure imgf000022_0002
35 à la fréquence 3 fp, d'obtenir un signal représentatif du paramètre à mesurer à une fréquence 3 fp et de limiter le nombre de pics 39 porteurs de défauts dans le signal électrique modulé S(t) 38 délivré par le détecteur 14. Le dispositif 10 peut alors détecter des variations rapides du paramètre à mesurer sans pour autant dégrader la précision de la mesure.
De manière générale, selon l'invention, le nombre de pics 39 porteurs de défauts est fonction de la première fréquence de modulation de mise au biais fbl de la première composante de modulation de différence de phase de mise au biais 34 et la fréquence du signal fonction du paramètre à mesurer fourni par l'unité de traitement numérique 112 est égale à la seconde fréquence de modulation de mise au biais fb2 de la seconde composante de modulation de différence de phase de mise au biais 35. Ainsi, le temps de réponse du dispositif 10 de mesure à fibre optique selon l'invention est sensiblement diminué et la précision de la mesure est conservée.
Dans un fonctionnement en boucle fermée, le premier signal numérique démodulé∑p sert de signal d'erreur pour asservir la différence de phase totale Δφ4 à zéro en compensant le déphasage non réciproque Δφρ avec le déphasage opposé Δφοη introduit par le modulateur de phase 33 commandé par les moyens de contre-réaction 120.
Ce déphasage Δφοη étant généré à travers la même chaîne de modulation 30 que la modulation de différence de phase de mise au biais Δφ^ l'asservissement de la chaîne de modulation 30, dont on détaille le fonctionnement ci-après, permet donc d'avoir une mesure stable et contrôlée de Δφοη, et donc finalement de Δφρ qui lui est opposé et qui est le paramètre que l'on cherche à mesurer.
La figure 8 représente le cas d'un dispositif 10 de mesure à fibre optique selon un mode de réalisation particulier de l'invention, dans lequel le paramètre mesuré engendre une différence de phase Δφρ nulle, et dans lequel la fonction de transfert de la chaîne de modulation 30 est incorrectement ajustée. Comme précédemment, le raisonnement est ici fait en boucle ouverte.
En pratique, la fonction de transfert qui dépend des caractéristiques à la fois du convertisseur numérique/analogique 31 via sa tension analogique de référence et à la fois de l'amplificateur 32 via son gain variable G, peut subir des variations en fonction des conditions de mesure, par exemple la température de fonctionnement du dispositif 10 ou la dérive électrique de certains composants électroniques que comportent les moyens électroniques 100. Généralement, les paramètres influençant la fonction de transfert engendrent des variations faibles et lentes de celle-ci, si bien que les moyens d'asservissement de gain 150 opèrent aisément et rapidement afin de maintenir ajustée la fonction de transfert de la chaîne de modulation 30.
Dans le cas représenté sur la figure 8, la première composante de modulation de différence de phase de mise au biais
Figure imgf000023_0001
34 est une modulation périodique en créneaux, de niveaux extrêmes (1+ε).[π] = 16π/15 et (1+ε).[-π] = -16π/15, le paramètre ε étant une grandeur représentative de l'écart à la fonction de transfert de la chaîne de modulation 30 correctement ajustée. Ici, la fonction de transfert de la chaîne de modulation 30 est telle que le paramètre ε vaut 1/15.
En revanche, la première fréquence de modulation de mise au biais fbl de la première composante de modulation de différence de phase de mise au biais Δφω(ΐ) 34 demeure inchangée et ici égale à la fréquence propre fp.
De la même manière, comme représenté sur la figure 8, la seconde composante de modulation de différence de phase de mise au biais Δφb2(t) 35 est une modulation ici en créneaux, de niveaux extrêmes (1+ε).[π/8] = 2π/15 et (1+ε).[-π/8] = -2π/15, périodique à une seconde fréquence de modulation de mise au biais fb2 demeurant inchangée et égale à 3 fp.
Ces changements de niveaux extrêmes de modulation a pour conséquence que la modulation de différence de phase de mise au biais
Figure imgf000024_0001
36 est également modifiée par le facteur multiplicatif (l+ε) = 16/15.
Ainsi, cette homothétie sur les 4 niveaux de modulation entraîne un changement des 4 états de modulation El, E2, E3, et E4 sur lesquels est modulé le signal reçu par le détecteur 14, qui est fonction de la puissance lumineuse reçue Ρ(Δφ) 37 dépendant de la différence de phase Δφ en boucle ouverte sortie de l'interféromètre en anneau 20 de SAGNAC.
Les 4 niveaux de la modulation de différence de phase de mise au biais
Figure imgf000024_0002
36 associés aux 4 états de modulations sont donc désormais :
Pour l'état El (état < + - >) :
Δφ = Δφΐ3 + Δφρ = (1+ε) [π - π/8] = 14π/15
Pour l'état Ε2 (état < + + >) :
Δφ = Δφb + Δφρ = (1+ε) [π + π/8] = 18π/15
Pour l'état Ε3 (état < - + >) :
Δφ = Δφb + Δφρ = (1+ε) [-π + π/8] = -14π/15
Pour l'état Ε4 (état < - - >) :
Δφ = Δφΐ3 + Δφρ = (1+ε) [-π - π/8] = -18π/15
Ainsi, la puissance lumineuse reçue Ρ(Δφ) 37 par le détecteur 14 dans les états de modulation El et E4 est identique, mais plus faible que la puissance lumineuse reçue lorsque la fonction de transfert de la chaîne de modulation 30 est correctement ajustée, comme sur les figures 7 et 8.
De même, la puissance lumineuse reçue Ρ(Δφ) 37 par le détecteur 14 dans les états de modulation E2 et E3 est identique, mais plus forte que la puissance lumineuse reçue lorsque la fonction de transfert de la chaîne de modulation 30 est correctement ajustée, comme sur les figures 7 et 8.
Le détecteur 14 délivre alors un signal électrique modulé S(t) 38 tel que représenté sur la figure 8. Ce signal électrique modulé S(t) 38 prend séquentiellement 4 valeurs SI, S2, S3, et S4 associées respectivement aux 4 états de modulation El, E2, E3, et E4. Ces 4 valeurs sont ici deux à deux identiques : SI = S3 et S2 = S4.
Les 4 valeurs∑1,∑2,∑3, et∑4 du signal électrique numérique associées respectivement aux 4 états de modulation El, E2, E3, et E4 étant aussi deux à deux identiques avec∑1 =∑3 et∑2 =∑4, le premier signal numérique démodulé∑p, calculé selon l'opération ∑p = -∑1 +∑2 +∑3 -∑4, est nul, indiquant que la valeur de la différence de phase Δφρ due au paramètre à mesurer est également nulle. Par ailleurs, le signal électrique numérique délivré par le convertisseur analogique / numérique 111 est transmis aux moyens d'asservissement de gain 150 tels que représentés sur la figure 2.
Les moyens d'asservissement de gain 150 démodulent le signal électrique numérique de manière à fournir un signal fonction de la fonction de transfert de la chaîne de modulation 30.
Plus précisément, l'autre unité de traitement numérique des moyens d'asservissement de gain 150 effectuent une opération de calcul du type :∑G =∑1 -∑2 +∑3 -∑4, afin de produire un second signal numérique démodulé∑G indépendant de la différence de phase Δφρ engendrée par le paramètre à mesurer mais significatif de la fonction de transfert de la chaîne de modulation 30.
En particulier, dans le cas représenté sur la figure 8, le second signal numérique démodulé∑G est non nul, la fonction de transfert de la chaîne de modulation 30 étant incorrectement ajustée.
Le second signal numérique démodulé∑G sert alors de signal d'erreur pour une boucle d'asservissement de la fonction de transfert de la chaîne de modulation 30.
À cet effet, le second signal numérique démodulé∑G est filtré par un filtre intégrateur numérique de bouche d'asservissement qui alimente ensuite le convertisseur numérique / analogique 31 pour commander la tension analogique de référence ou l'amplificateur 32 pour commander son gain variable G.
Ainsi, la fonction de transfert de la chaîne de modulation 30 est maintenu correctement ajustée entre la valeur du signal numérique de commande et la valeur de la modulation de déphasage effectivement appliquée par le modulateur de phase 33.
On remarquera, que dans le cas des figures 6 et 7, le second signal numérique démodulé∑G est nul puisque la fonction de transfert de la chaîne de modulation 30 est correctement ajustée.
En effet, dans ce cas, on a :
- ∑1 =∑4, la puissance lumineuse reçue Ρ(Δφ) 37 reçue dans l'état El et dans l'état E4 étant la même, et
∑2 =∑3, la puissance lumineuse reçue Ρ(Δφ) 37 reçue dans l'état E2 et dans l'état E3 étant la même.
La figure 9 représente le cas d'un dispositif 10 de mesure à fibre optique selon un mode de réalisation particulier de l'invention, dans lequel le paramètre mesuré engendre une différence de phase Δφρ non nulle, égale ici à π/24 et dans lequel la fonction de transfert de la chaîne de modulation 30 est incorrectement ajustée. Comme précédemment, le raisonnement est ici fait en boucle ouverte.
Dans le cas particulier de la figure 9, la fonction de transfert de la chaîne de modulation 30 est ici également telle que ε = 1/15. Ainsi, les 4 niveaux de la modulation de différence de phase de mise au biais
Figure imgf000026_0001
36 associés aux 4 états de modulations sont donc ici :
Pour l'état El (état < + - >) :
Δφ = Δφΐ3 + Δφρ = (l+ε) [π - π/8] + π/24 = 117π/120
Pour l'état Ε2 (état < + + >) :
Δφ = Δφΐ3 + Δφρ = (1+ε) [π + π/8] + π/24 = 149π/120
Pour l'état Ε3 (état < - + >) :
Δφ = Δφΐ3 + Δφρ = (1+ε) [-π + π/8] + π/24 = -107π/120
Pour l'état Ε4 (état < - - >) :
Δφ = Δφΐ3 + Δφρ = (1+ε) [-π - π/8] + π/24 = -139π/120
Comme cela est visible sur la figure 9, le signal électrique modulé S(t) 38 prend alors 4 valeurs SI, S2, S3, et S4 qui sont toutes différentes.
Ainsi, le premier signal numérique démodulé ∑P représentatif de la différence de phase Δφρ et du paramètre à mesurer dans l'interféromètre en anneau 20 de SAGNAC est non nul.
De même, le second signal numérique démodulé∑G significatif de la fonction de transfert de la chaîne de modulation 30 est non nul, montrant que celle-ci est effectivement incorrectement ajustée.
Ainsi, la mesure de la différence de phase Δφρ due au paramètre à mesurer et celle de la fonction de transfert de la chaîne de modulation (30) sont effectuées de manière indépendante.
Le dispositif de mesure de l'invention est particulièrement bien adapté à la réalisation d'un gyromètre. Dans ce cas, le paramètre à mesurer est une composante de la vitesse de rotation de l'interféromètre en anneau 20.
Ce gyromètre entre ainsi avantageusement dans la réalisation de centrales de navigation ou de stabilisation inertielle.
Une telle disposition est également bien adaptée à la réalisation d'un dispositif de mesure de champ magnétique et de courant électrique en mettant à profit l'effet FARADAY.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif (10) de mesure à fibre optique du type dans lequel un paramètre à mesurer engendre une différence de phase Δφρ entre deux ondes contra-propagatives (24, 25), comportant :
une source lumineuse (11),
- un interféromètre en anneau (20) de SAGNAC à fibre optique, de préférence monomode, comportant une bobine (21) et un élément séparateur (23), dans lequel se propagent lesdites deux ondes contra-propagatives (24, 25), ledit interféromètre en anneau (20) ayant une fréquence propre fp,
un détecteur (14) de rayonnement électromagnétique, recevant la puissance lumineuse (37) sortant dudit interféromètre en anneau (20) et délivrant un signal électrique modulé (38) représentatif de la puissance lumineuse (37), qui est fonction de la différence de phase totale Δφ4 entre lesdites deux ondes contra-propagatives (24, 25) à la sortie dudit interféromètre en anneau (20),
une chaîne de modulation (30) apte à moduler ladite puissance lumineuse (37) sortant dudit interféromètre en anneau (20), ladite chaîne de modulation (30) comportant :
- au moins un convertisseur numérique / analogique (31) apte à traiter un signal numérique de commande pour délivrer un signal analogique de commande,
un amplificateur (32) apte à traiter ledit signal analogique de commande pour délivrer une tension de commande de modulation Vm(t),
au moins un modulateur de phase (33) placé dans ledit interféromètre (20), qui, lorsqu'il est soumis en entrée à ladite tension de commande de modulation Vm(t), est apte à générer en sortie une modulation de déphasage ΦΓΠ(Ϊ), ladite modulation de déphasage
Figure imgf000027_0001
introduisant entre lesdites deux ondes contra-propagatives (24, 25) une modulation de différence de phase A$m(t) telle que :
Figure imgf000027_0002
= §m(t) - §m(t-A g), A g = 1 / (2 fp) étant la différence de temps de transit entre lesdites deux ondes contra-propagatives (24, 25) déterminée entre ledit modulateur de phase (33) et ledit élément séparateur (23), et
des moyens de traitement du signal (110) comportant :
un convertisseur analogique / numérique (111) numérisant ledit signal électrique modulé (38) reçu du détecteur (14) et représentatif de ladite puissance reçue pour délivrer un signal électrique numérique, et
- une unité de traitement numérique (112) apte à traiter ledit signal électrique numérique pour délivrer un signal fonction de ladite différence de phase Δφρ et dudit paramètre à mesurer,
des moyens de contre-réaction (120) aptes à traiter ledit signal fonction de ladite différence de phase Δφρ pour générer un signal de contre-réaction,
- des moyens de mise au biais (130) aptes à générer un signal de mise au biais, des moyens de commande (140) de ladite chaîne de modulation (30) aptes à traiter ledit signal de contre-réaction et ledit signal de mise au biais pour délivrer ledit signal numérique de commande en entrée de ladite chaîne de modulation (30), de telle sorte que ladite tension de commande de modulation Vm(t) en entrée dudit modulateur de phase (33) est la somme d'une tension de modulation de contre-réaction Vcr(t) et d'une tension de modulation de mise au biais Vb(t), ledit modulateur de phase (33) étant apte, lorsqu'il est soumis à ladite tension de modulation de contre-réaction Vcr(t), à générer une modulation de déphasage de contre-réaction φ0|-(ΐ) (121), ladite modulation de déphasage de contre-réaction φ0Γ(ΐ) (121) introduisant une modulation de différence de phase de contre-réaction Δφοη entre lesdites deux ondes contra-propagatives (24, 25) permettant de maintenir nulle la somme de ladite différence de phase Δφρ et de ladite modulation de différence de phase de contre-réaction Δφοη, et
des moyens d'asservissement de gain (150) de ladite chaîne de modulation (30) permettant de maintenir ajustée la fonction de transfert de ladite chaîne de modulation (30), ledit dispositif (10) de mesure à fibre optique étant caractérisé en ce que lesdits moyens de mise au biais (130) sont adaptés à générer ledit signal de mise au biais de telle sorte que ledit modulateur de phase (33) génère une modulation de déphasage de mise au biais
Figure imgf000028_0001
lorsqu'il est soumis à ladite tension de modulation de mise au biais Vb(t), ladite modulation de déphasage de mise au biais
Figure imgf000028_0002
étant la somme :
d'une première composante de modulation de déphasage de mise au biais φbl(t) (34A), introduisant une première composante de modulation de différence de phase de mise au biais (34) ente lesdites deux ondes contra-propagatives (24, 25), ladite première composante de modulation de différence de phase de mise au biais Δφ[,ι(ΐ) (34) étant une modulation périodique en créneaux, de niveaux +π et -π, à une première fréquence de modulation de mise au biais fbl telle que fbi = (2Ι !+1) fp, Ι ! étant un nombre entier naturel, et fp ladite fréquence propre, et
- d'une seconde composante de modulation de déphasage de mise au biais φb2(t) (35A), introduisant une seconde composante de modulation de différence de phase de mise au biais Δφb2(t) (35) entre lesdites deux ondes contra-propagatives (24, 25), ladite seconde composante de modulation de différence de phase de mise au biais
Figure imgf000028_0003
(35) étant une modulation périodique, d'amplitudes extrémales +7t/a et -π/a, a étant un nombre réel non nul tel que | a | > 1, à une seconde fréquence de modulation de mise au biais fb2 telle que fb2 = (2k2+l) fp, k2 étant un nombre entier naturel non nul tel que k2 > kx, et fp ladite fréquence propre.
2. Dispositif (10) de mesure à fibre optique selon la revendication 1, dans lequel ladite première composante de modulation de différence de phase de mise au biais
Figure imgf000028_0004
(34) présente un rapport cyclique de 50%.
3. Dispositif (10) de mesure à fibre optique selon la revendication 1, dans lequel ladite seconde composante de modulation de différence de phase de mise au biais
Figure imgf000029_0001
(35) présente un rapport cyclique de 50%.
4. Dispositif (10) de mesure à fibre optique selon l'une des revendication 1 à 3, dans lequel kx = 0.
5. Dispositif (10) de mesure à fibre optique selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel k2 > 2.
6. Dispositif (10) de mesure à fibre optique selon la revendication 5, dans lequel k2 > 4.
7. Dispositif (10) de mesure à fibre optique selon l'une des revendications 1 à 6, dans lequel ladite seconde composante de modulation de différence de phase de mise au biais
Figure imgf000029_0002
(35) est une modulation en créneaux.
8. Dispositif (10) de mesure à fibre optique selon l'une des revendications 1 à 6, dans lequel ladite seconde composante de modulation de différence de phase de mise au biais Δφ[,2(ΐ) (35) est une modulation sinusoïdale.
9. Dispositif (10) de mesure à fibre optique selon l'une des revendications 1 à 8, dans lequel :
ladite seconde fréquence de modulation de mise au biais fb2 = (2k2+l) fp est telle que fb2 = (2k21+l) fbl, k21 étant un entier naturel non nul, et fbl = (2^+1) fp étant la première fréquence de modulation de mise au biais, et
- ladite première composante de modulation de différence de phase de mise au biais A(|)bl(t) (34) et ladite seconde composante de modulation de différence de phase de mise au biais A(|)b2(t) (35) sont en quadrature.
10. Dispositif (10) de mesure à fibre optique selon l'une des revendications 1 à 9, dans lequel ladite modulation de déphasage de contre-réaction φ0Γ(ΐ) (121) est une modulation en marche d'escaliers.
11. Dispositif (10) de mesure à fibre optique selon la revendication 10, dans lequel ladite modulation de déphasage de contre-réaction φ0|-(ΐ) (121) et ladite première composante de modulation de déphasage de mise au biais
Figure imgf000029_0003
(34A) sont synchrones, chaque marche d'escaliers de ladite modulation de déphasage de contre-réaction φοη(ΐ) (121) ayant une durée A g et ladite première composante de modulation de déphasage de mise au biais
Figure imgf000029_0004
(34A) étant à une première fréquence de modulation de mise au biais fbl telle que fbl = fp, fp étant la fréquence propre.
12. Dispositif (10) de mesure à fibre optique selon l'une des revendications 1 à 11, dans lequel ladite modulation de déphasage de contre-réaction φ0Γ(ΐ) retombe de 2 π lorsqu'elle dépasse 2 π.
13. Dispositif (10) de mesure à fibre optique selon l'une des revendications 1 à 12, dans lequel : ladite unité de traitement numérique (112) démodule ledit signal électrique numérique en phase avec ladite seconde composante de modulation de différence de phase de mise au biais (35) indépendamment de la première composante de modulation de différence de phase de mise au biais Δφ[,ι(ΐ) (34) et
- lesdits moyens d'asservissement de gain (150) de ladite chaîne de modulation (30) démodulent ledit signal électrique numérique de manière à fournir un signal fonction de la fonction de transfert de ladite chaîne de modulation (30).
14. Gyromètre, caractérisé en ce qu'il est conforme au dispositif (10) de mesure de l'une des revendications 1 à 13, le paramètre à mesurer étant une composante de la vitesse de rotation de l'interféromètre en anneau (20).
15. Centrale de navigation ou de stabilisation inertielle comportant au moins un gyromètre selon la revendication 14.
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