FR2662805A1 - Capteur de rotation optique a fibre. - Google Patents

Abstract

La présente invention concerne un capteur de rotation optique à fibre formant une boucle (40). Ce capteur est caractérisé en ce qu'il comprend un oscillateur (92) pour fournir un signal à basse fréquence, un premier déphaseur (88), répondant à ce signal à basse fréquence, des moyens de sommation (50) pour additionner le signal de vitesse et le signal déphasé en quadrature et pour fournir un signal additionné représentatif du signal de vitesse, des moyens d'amplification (52, 96) introduisant un déphasage indésirable, un déphaseur variable (102), un premier démodulateur (98) pour démoduler le signal additionné et un second démodulateur (110).

Description

La présente invention concerne des capteurs de rotation optique à fibre et

plus particulièrement des systèmes de ce type ayant la possibilité de compenser des déphasages indésirables dans le signal de vitesse de rotation détecté. Un gyroscope optique à fibre est un dispositif interférométrique sensible à la vitesse qui est utilisé, par exemple, dans des systèmes de guidage modernes pour détecter une vitesse de rotation Le principe de base mis en oeuvre dans le gyroscope optique à fibre est l'effet Sagnac Lorsque deux faisceaux de lumière se propagent en sens inverse dans une bobine ou boucle de fibre optique tournant autour d'un axe perpendiculaire au plan de la bobine, le temps de transit optique des faisceaux lumineux dépend de la vitesse et du sens de rotation de la bobine Il en résulte une différence de phase de Sagnac entre les deux faisceaux, laquelle est proportionnelle à la vitesse de rotation et sert ainsi à la

mesure de celle-ci.

Lorsque les faisceaux sont ajoutés d'une manière interférométrique, l'intensité lumineuse totale est une fonction cosinus de la différence de phase de Sagnac De ce fait la mesure de la différence de phase de Sagnac est difficile avec un système de détection conventionnel à courant continu, en particulier aux faibles vitesses de rotation Pour remédier à cela un tremblement de la phase optique à courant alternatif, par exemple une modulation à onde sinusoïdale ou à onde rectangulaire, est appliqué à une extrémité de la bobine La modulation de tremblement ajoute un tremblement alternatif à la différence de phase de Sagnac entre les deux faisceaux et elle améliore la sensibilité du gyroscope optique à fibre à l'égard des faibles vitesses de rotation La modulation de tremblement agit sur chaque faisceau de lumière à des instants différents par suite du retard dû au temps de transit optique dans la bobine Le fonctionnement du gyroscope optique à fibre est optimisé lorsque la fréquence du tremblement est égale à la moitié de l'inverse du temps du transit dans la bobine, c'est-à-dire à

la fréquence propre de la bobine.

Il est courant d'utiliser un gyroscope optique à fibre dans une configuration à boucle fermée dans laquelle l'intensité totale des faisceaux est utilisée pour ajouter une seconde polarisation de phase aux faisceaux se propageant en sens inverse, afin d'annuler la différence de phase de Sagnac A la différence de la sortie en boucle ouverte (intensité) qui varie d'une manière sinusoïdale en fonction de la vitesse, la polarisation de phase ajoutée, comme la

phase Sagnac, varie linéairement en fonction de la vitesse.

La seconde polarisation est appliquée par un modulateur de phase serrodyne excité par un signal rampe linéaire répétitif, l'amplitude de la crête de ce signal rampe étant maintenue constante à 2 * Pl radians et la période de retour du signal rampe étant essentiellement instantanée La pente de la rampe (et par conséquent sa fréquence) est modifiée en fonction de la vitesse de rotation détectée Lorsque la différence de phase de Sagnac est annulée, la fréquence du

signal rampe indique la vitesse de rotation.

Ainsi dans un fonctionnement typique d'un gyroscope optique à fibre, les faisceaux de lumière sont modulés et démodulés à la fréquence propre, afin d'obtenir une information sur la vitesse de rotation Cette information est fournie au modulateur serrodyne afin d'annuler le déphasage induit par la rotation Puisque le démodulateur est sensible à la phase, il est exigé, pour obtenir une démodulation parfaite du signal de vitesse et un rejet parfait de signaux indésirables en quadrature avec le signal de vitesse, que le signal de référence du démodulateur soit exactement en phase

avec le signal de vitesse de rotation, à la fréquence propre.

Normalement le modulateur de tremblement et le système optique introduisent un déphasage faible ou nul entre le signal d'excitation du modulateur serrodyne et le signal de vitesse Cependant le signal de vitesse a une amplitude faible et il doit être amplifié avant d'être démodulé Les déphasages ajoutés par l'amplification de prémodulation amènent la phase du signal de vitesse à être décalée par

rapport à celle de l'excitation du modulateur de tremblement.

Le déphasage est du aux produits limités gain-largeur de bande des amplificateurs opérationnels, combinés avec les gains élevés et les fréquences propres élevées (par exemple d'environ un M Hz pour une bobine de 100 mètres) qui sont exigés par certaines application d'un gyroscope optique à fibre Ce déphasage peut être relativement important et il varie couramment d'une partie à une autre et dans une large

plage de température.

Des buts de la présente invention comprennent la prévision d'une compensation du déphasage indésirable précité

dans le signal de vitesse de rotation mesuré.

Suivant la présente invention un capteur de rotation optique à fibre comportant une paire d'ondes lumineuses se propageant en sens inverse dans une boucle, comprend un modulateur de phase pour moduler les ondes à une première fréquence, ces ondes sont combinées, à leur sortie de la boucle, en un signal d'intensité lumineuse indiquant la vitesse de rotation qui est détectée, un signal à la première fréquence est déphasé en quadrature par un signal de fréquence plus basse et il est ajouté au signal de vitesse détecté, un amplificateur amplifie les signaux additionnés, cet amplificateur entraîne également d'une manière inhérente des déphasages indésirables, d'une valeur égale, à la fois dans le signal de vitesse détecté et dans le signal en quadrature, le signal en quadrature est démodulé et utilisé en réaction de manière à commander la phase d'un déphaseur variable qui fournit un signal à la première fréquence et dont la phase est décalée d'une valeur égale au déphasage indésirable du signal de vitesse détecté, le signal du déphaseur variable et le signal de vitesse détecté étant fournis à un démodulateur afin de démoduler l'information relative à la vitesse de rotation à partir du signal de

vitesse détecté.

La présente invention présente une utilité pour la compensation de déphasages indésirables et variables d'une manière inhérente dans le signal de vitesse de rotation mesuré dans un capteur de rotation optique à fibre, ces déphasages variables étant dus en partie à des facteurs thermiques et de vieillissement Le résultat en est une mesure plus précise de la vitesse de rotation Egalement la présente invention ne modifie pas d'une manière indésirable l'amplitude du signal de vitesse détecté puisque le signal à la fréquence propre déphasé est ajouté en quadrature au signal de vitesse détecté et également puisque la fréquence de la porteuse à basse fréquence se trouve au-delà de la largeur de bande de l'électronique de traitement du signal du capteur. On décrira ci-après, à titre d'exemple non limitatif, une forme d'exécution de la présente invention, en référence au dessin annexé sur lequel: La figure 1 est un schéma synoptique d'un gyroscope optique à fibre hybride, du type fibre/optique intégrée,

contenant l'appareil suivant l'invention.

La figure 2 est un diagramme représentant la variation de l'intensité lumineuse en fonction de la différence de phase dépendant de la vitesse de rotation telle qu'elle peut être mesurée dans le gyroscope optique à fibre

de la figure 1.

La figure 3 représente le diagramme de la figure 2 avec un signal de modulation à onde rectangulaire et la sortie résultante du gyroscope optique à fibre de la figure

1, sans rotation du gyroscope.

La figure 4 représente le diagramme de la figure 2 avec un signal de modulation à onde rectangulaire et la sortie résultante du gyroscope optique à fibre de la figure

1, le gyroscope étant entraîné eh rotation.

La figure 5 représente des formes d'ondes de signaux telles que mesurées en divers emplacements dans le gyroscope

optique à fibre de la figure 1.

Sur la figure 1 est représenté un capteur de rotation optique à fibre moderne, du type interférométrique, et plus particulièrement un gyroscope optique à fibre 10 du type hybride fibre/optique intégrée Le gyroscope optique à fibre comporte un certain nombre de composants du système fabriqués directement sur un dispositif à optique intégré 12, le reste des composants du système étant situés à l'extérieur de ce dispositif Comparativement aux gyroscopes optiques à fibre suivant la technique antérieure, réalisés en totalité en fibres, le dispositif optique intègré 12 améliore les performances en boucle fermée du gyroscope optique à fibre. Le gyroscope optique à fibre 10 comporte une source de lumière à faible cohérence 14, par exemple un laser à arséniure de gallium (Ga As), qui émet un faisceau de lumière peu cohérente ayant une longueur d'onde qui est, par exemple,

de 0,8 micromètre, dans une fibre optique 16 à un seul mode.

La lumière se propage à travers-la fibre 16 vers un coupleur directionnel optique 18 pour la fibre Le coupleur 18 peut avoir un coefficient de couplage qui est par exemple de 50 %; ainsi la moitié de la lumière d'entrée appliquée au coupleur à partir de la source 14 est transmise, par un couplage à champ évanescent, vers et dans une seconde fibre 20 et elle est dissipée sans réflexion par un terminateur 22 absorbant la lumière Un coupleur directionnel optique pour fibre

approprié est décrit dans le brevet US-4 735 506.

La partie de la lumière qui n'est pas perdue à partir du coupleur 18, se propage à travers la fibre 16 jusqu'à un port 24 du dispositif optique intégré 12 Si on le désire, le coupleur peut être attaché directement au dispositif optique intégré, ce qui supprime ainsi toute jonction de fusion et toute connexion d'un composant de réduction ainsi que les alignements associés Des moyens et procédés pour monter des fibres optiques sur un dispositif optique intégré sont

décrits dans le brevet US-4 871 226.

Le dispositif optique intégré peut être constitué, par exemple, de niobate de lithium (Li Nb O 3) ou de tantalate de lithium, avec des guides d'onde 26,28,30 formés en son sein par des techniques connues de diffusion interne de titane ou d'échange de protons Ainsi qu'il est illustré sur la figure 1, les faces frontales ou extrêmes 32,34 du dispositif à optique intégré sont inclinées, par exemple d'un angle d'environ 100, afin de réduire les réflexions à l'interface entre le dispositif optique intégré et les fibres. Après avoir pénétré dans le dispositif optique intégré 12, la lumière se propage le long du guide d'onde 26 o elle est soumise à une polarisation par un filtre polarisant 36 Le polariseur 36 transforme l'état de polarisation arbitraire de la lumière en un état de polarisation désiré, qui est exigé pour assurer une réciprocité dans les performances du gyroscope optique à fibre Ainsi qu'il est décrit plus loin, la lumière passe également à travers le polariseur après s'être propagée à travers la bobine ou boucle de fibre Le passage de la lumière à travers le polariseur dans les deux sens de déplacement permet d'éliminer la différente de phase de biréfringence produite par les vitesses de propagation

différentes dans les deux modes de polarisation possibles.

Après avoir quitté le polariseur, la lumière se propage le long du guide d'onde 26 jusqu'à ce qu'elle soit subdivisée en deux faisceaux égaux Chaque faisceau se propage le long d'un guide d'onde correspondant 28,30 jusqu'à ce qu'il sorte du dispositif optique intégré à l'endroit d'un port approprié 38,40 A chaque port 38,40 est couplée une extrémité d'une bobine ou boucle 42 d'un câble optique en fibre à travers laquelle les faisceaux de lumière se propagent en sens inverse avant d'être réintroduit dans le dispositif optique intégré 12 La bobine 42 constitue la boucle de détection de la vitesse de rotation du gyroscope

optique à fibre 10.

Suivant l'effet Sagnac bien connu, toute rotation de la bobine autour d'un axe perpendiculaire au plan de la bobine amène les faisceaux de lumière se propageant en sens inverse à se déplacer sur des distances inégales l'un par rapport à l'autre La vitesse de rotation est déterminée en recombinant, d'une manière interféromètrique, les faisceaux et en détectant la valeur de la différence de phase entre eux, au moyen d'un photodétecteur L'intensité lumineuse varie puisque, par suite de la rotation, les faisceaux de lumières ont des phases différentes l'un par rapport à

l'autre.

Le diamètre de la bobine et la longueur de la fibre dépendent de l'application considérée Pour accroître la sensibilité, il est désirable d'utiliser une bobine de grand diamètre, par exemple de 7,62 cm Par ailleurs la longueur de la fibre est un compromis entre des considérations de coût,

de sensibilité et de traitement du signal électronique.

Lorsque la longueur de la fibre diminue, la fréquence propre optimale augmente, ce qui augmente la complexité du circuit démodulateur En général des longueurs de fibre allant de 100

à 300 mètres sont courantes.

Après s'être propagé à travers la bobine 42, chaque faisceau de lumière pénètre de nouveau dans le dispositif optique intégré et se propage, dans le guide d'onde correspondant 28,30, dans la direction inverse de celle

suivant laquelle il provient initialement de la source 14.

Les faisceaux se recombinent ensuite en un faisceau unique, ils passent à travers le polariseur 36 et sortent du dispositif optique intégré par le port 24 Le faisceau se propage ensuite le long de la fibre 16 jusqu'au coupleur 18 qui transmet, par exemple, 50 % du faisceau le long de la

seconde fibre 20, vers un détecteur 44.

Le détecteur 44 peut être constitué typiquement par une photodiode du type PIN connue ou une photodiode à avalanche connue Les photodiodes à avalanche présentent une sensibilité élevée et des meilleurs rapports signal/bruit pour de faibles signaux Cependant les photodiodes à avalanche exigent un circuit support plus complexe, comportant une alimentation stable à haute tension Par contre les diodes PIN exigent un circuit support simple et une basse tension, elles présentent une stabilité en température relativement bonne et elles sont d'un coût plus bas. Sur la figure 1 le détecteur 44 est constitué en partie d'une diode PIN 46 La diode PIN détecte la lumière la frappant et elle convertit cette lumière en un signal électrique Ce signal électrique est fourni sur une ligne 48 menant à une jonction de sommation 50 qui est constituée couramment par l'entrée inverse d'un amplificateur opérationnel La sortie de la jonction de sommation est appliquée à un amplificateur 52 d'adaptation d'impédance du détecteur, lequel est constitué par l'amplificateur opérationnel précité connecté suivant la configuration connue en amplificateur inverseur (non représenté), c'est-à-dire avec une résistance connectée entre la sortie et l'entrée

inverse et avec l'entrée directe reliée à la masse.

Dans un schéma de traitement typique d'un gyroscope optique à fibre pour le signal de vitesse de rotation, il est connu d'utiliser des configurations à la fois en boucle ouverte et en boucle fermée Dans un gyroscope optique à fibre à boucle ouverte, le signal de vitesse de rotation est déterminé à partir de l'intensité du signal du faisceau de lumière recombiné L'approche à boucle fermée utilise le signal de vitesse de rotation pour induire une polarisation de phase dans les faisceaux de lumière se propageant en sens inverse dans la bobine de fibre Cette polarisation de phase est égale à la valeur négative du déphasage de Sagnac induit par la rotation, ce qui annule ce déphasage de Sagnac Ainsi

le déphasage induit est une mesure de la vitesse de rotation.

Comparativement à un système à boucle ouverte, un système à boucle fermée présente une sensibilité réduite à l'égard des erreurs dues à l'environnement, un facteur d'échelle linéaire et une gamme dynamique étendue La présente invention peut être réalisée dans un gyroscope optique à fibre soit du type à boucle ouverte soit du type à boucle fermée Un gyroscope optique à fibre à boucle fermée

est illustré sur la figure 1.

Pour obtenir l'annulation désirée du déphasage des faisceaux de lumière, un modulateur de phase 54 est fabriqué sur le dispositif optique intégré le long d'un guide d'onde 30 Le modulateur de phase 54 peut être excité par un signal électrique linéaire, en forme de rampe ou d'escalier, produit d'une manière répétée Si l'amplitude de crête du signal en forme de rampe ou d'escalier est égale à 2 * Pl radians et si le retour faisant suite à chaque segment de rampe est essentiellement instantané, la modulation serrodyne il résultante qui agit, à des instants différents, sur les faisceaux de lumière se propageant en sens inverse, produit une différence de phase effectivement constante entre les deux faisceaux L'amplitude de la polarisation de phase est proportionnelle à la pente de la rampe (et par conséquent à sa fréquence), ce qui constitue une représentation de la vitesse de rotation du gyroscope optique à fibre qui est

mesurable d'une manière aisée et précise.

Le modulateur serrodyne 54 est fabriqué sur le dispositif optique intégré 12 en déposant des électrodes métalliques 56, en utilisant un procédé photolithographique connu semblable à celui qui est utilisé dans l'industrie de la microélectronique Le signal d'excitation du modulateur serrodyne est typiquement d'une nature bipolaire et il est fourni sur une ligne 58 provenant d'un circuit de production de signal rampe 60 Le circuit de production du signal rampe comporte également un compteur qui détermine la polarité du signal bipolaire et qui fournit une paire de signaux sur des lignes 61,62 reliées à un dispositif d'affichage approprié 66 destiné à afficher la vitesse de rotation Un premier signal sur la ligne 61 indique une vitesse de rotation positive alors qu'un second signal sur la ligne 62 indique une vitesse

de rotation négative.

Lorsque le gyroscope optique à fibre 10 se trouve au repos (c'est-à-dire qu'il ne tourne pas), les faisceaux se propageant en sens inverse dans la bobine 42 parcourent des trajets d'égales longueurs et ils ont la même phase à l'endroit du détecteur 44, ce qui se traduit par une intensité lumineuse maximale La figure 2 représente une courbe 70 de la relation cosinusoïdale entre l'intensité I du signal optique (c'est-à-dire du faisceau de lumière recombiné) à l'endroit du détecteur et la différence de phase de Sagnac S, due à la rotation, entre les faisceaux de lumière se propageant en sens inverse La différence de phase de Sagnac en radians est donnée par: S = (( 2 * Pl * L * D)/ WL * C) * RR (équation 1) dans laquelle L est la longueur de la bobine de fibre en mètres, D est le diamètre de la bobine de fibre en mètres, WL est la longueur d'onde de la lumière dans la bobine, en mètres, C est la vitesse de la lumière en mètres par seconde

et RR est la vitesse de rotation en radians par seconde.

L'intensité I du faisceau de lumière frappant le détecteur est fonction de la différence de phase de Sagnac entre les faisceaux de lumière, et elle est donnée par: I = Il + I 2 + 2 (Il * I 2) 1/2 * cos(S) (équation 2) dans laquelle Il et I 2 sont les intensités des faisceaux de lumière se propageant en sens inverse dans la bobine. La figure 2 représente la courbe 70 correspondant à l'équation 2 Ainsi l'intensité du faisceau de lumière à l'endroit du détecteur est maximale lorsque la différence de phase de Sagnac est égale à 0 Cependant, par suite de la nature cosinusoïdale de la courbe, l'intensité du signal est relativement insensible à de légères variations de la différence de phase entre les faisceaux de lumière se propageant en sens inverse, ces légères différences de phase étant provoquées par des vitesses de rotation corrélativement faibles Une telle insensibilité rend difficile la transformation de l'intensité à l'endroit du détecteur en un

signal précis indiquant la vitesse de rotation.

Si on se réfère à la figure 3, il est connu d'induire une polarisation de phase à tremblement additionnelle sur les faisceaux de lumière se propageant en sens inverse, afin de rendre maximale la sensibilité du gyroscope optique à fibre à l'égard des faibles vitesses de rotation La polarisation de phase à tremblement peut être une modulation à onde rectangulaire imposée à une extrémité de la bobine de fibre, ainsi qu'il est illustré par la forme d'onde 72 Cependant on comprendra que l'on peut utiliser une modulation sinusoïdale, si on le désire La figure 3 illustre le gyroscope optique à fibre avec une rotation nulle, ce qui se traduit par une

forme d'onde de sortie 74 à niveau continu.

Si on se réfère à la figure 4, on voit que, pendant la rotation, la polarisation à onde rectangulaire 72 est asymétrique par rapport à la caractéristique cosinusoidale et la forme d'onde de sortie 74 contient une composante de la fréquence de modulation L'amplitude de la forme d'onde de sortie est liée au déphasage d'une manière sinusoïdale (à l'opposé d'une relation cosinuso dale) Ceci se traduit par une sensibilité accrue et approximativement linéaire du gyroscope optique à fibre pour de faibles vitesses de rotation Egalement, en faisant en sorte que la fréquence de modulation soit égale à la moitié de l'inverse du temps de transit optique à travers la boucle (c'est-à-dire à la fréquence propre), le rendement de la modulation dynamique de la polarisation est optimisé, les effets de certaines sources d'erreurs (telles qu'une modulation d'amplitude par inadvertance et une asymétrie du facteur de cycle) sont réduits au minimum et les performances globales du gyroscope optique à fibre sont améliorées Des techniques connues de démodulation synchrone peuvent être utilisées avec cette

modulation de tremblement à onde rectangulaire.

Si on se réfère à la figure 1, on voit que la polarisation de phase à tremblement est induite en plaçant un modulateur de phase optique 80 le long du guide d'onde 28 Le modulateur à tremblement 80 est fabriqué sur le dispositif optique intégré 12 en utilisant une paire d'électrodes 82, de la même façon que dans le cas du modulateur serrodyne 54 décrit précédemment Le modulateur à tremblement est excité par un signal sur une ligne 84 provenant d'un oscillateur à

onde rectangulaire 86, fonctionnant à la fréquence propre.

Suivant la présente invention la sortie de l'oscillateur à fréquence propre, sur la ligne 84, est appliqué à un déphaseur de + 900 (en quadrature) 88, lequel décale la phase du signal à fréquence propre de plus ou moins quatre-vingt-dix degrés ( 900) Ce déphasage s'effectue en réponse à un signal de modulation à onde rectangulaire sur

une ligne 90 provenant d'un oscillateur à basse fréquence 92.

Le signal de modulation a une amplitude de crête à crête de 1800 à une fréquence relativement basse, par exemple de 10 k Hz, la fréquence de 10 k Hz étant supérieure à la largeur de

bande de l'électronique de traitement du signal du capteur.

Un signal déphasé en quadrature sur une ligne 94, provenant du déphaseur en quadrature 88, est appliqué à la jonction de sommation 50 L'amplificateur d'adaptation d'impédance du détecteur 52 fournit un signal amplifié appliqué à un amplificateur de démodulateur 96; La sortie de l'amplificateur de démodulation 96 est appliquée à un premier mélangeur 98 (c'est-à-dire un démodulateur), lequel reçoit, à son autre entrée, un signal

sur une ligne 100 provenant d'un déphaseur variable 102.

L'entrée de ce déphaseur variable 102 est la sortie de l'oscillateur à fréquence propre 86, laquelle est transmise

sur la ligne 84.

La sortie du premier mélangeur 98 est appliquée, par une ligne 104, à un premier intégrateur 106 qui intègre le signal de vitesse de rotation résultant, sortant du premier mélangeur, et qui délivre un signal de vitesse intégré sur une ligne 108 reliée au circuit de production du signal rampe 60 La sortie du premier mélangeur est également appliquée, par la ligne 104, à une entrée d'un second mélangeur 110 (démodulateur) dont l'autre entrée reçoit la sortie de l'oscillateur à basse fréquence 92, laquelle est appliquée sur la ligne 90 La sortie du second mélangeur 110 est appliquée à un second intégrateur 112 qui intègre le signal de sortie du second mélangeur et qui fournit un signal de

sortie intégré sur une ligne 114 Ainsi qu'il sera décrit ci-

après, ce signal de sortie de l'intégrateur ajuste la phase de la sortie du déphaseur variable 102 en fonction de la valeur du déphasage indésirable du signal de vitesse de rotation. En fonctionnement, la présente invention mesure le déphasage indésirable qui est donné au signal de vitesse détecté à la fois par l'amplificateur d'adaptation d'impédance du détecteur 52 et l'amplificateur de démodulateur 96 et elle compense ce déphasage tout en appliquant le signal de vitesse au circuit de production du signal rampe En premier lieu le signal modulé à onde rectangulaire sur la ligne 94 est ajouté en quadrature au signal de vitesse mesuré sur la ligne 48 Ensuite l'amplificateur d'adaptation d'impédance du détecteur et l'amplificateur de démodulateur décalent d'une manière indésirable à la fois la phase du signal à onde rectangulaire

et celle du signal de vitesse, d'une même valeur.

A travers le premier mélangeur 98 passe la composante à basse fréquence du signal à onde rectangulaire modulée et déphasée, dont l'amplitude est idéalement égale à zéro lorsque la boucle est fermée, et le signal en quadrature déphasé d'une manière indésirable se trouve être en quadrature avec le signal de référence déphasé d'une manière variable L'amplitude de la composante à basse fréquence de ce signal est démodulée, dans le second mélangeur 110, au moyen du signal de modulation de référence à onde rectangulaire provenant de l'oscillateur à basse fréquence 92 L'amplitude et le signe résultants représentent nécessairement la grandeur et le sens du déphasage indésirable appliqué au signal de vitesse Cette différence est intégrée par le second intégrateur 112 et appliquée au déphaseur variable qui décale la phase du signal à fréquence propre sur la ligne 84, de manière qu'elle corresponde exactement à la phase du signal de vitesse tel qu'appliqué au premier mélangeur Le déphasage indésirable dans le signal de vitesse est ainsi annulé à l'endroit du premier mélangeur et l'information de vitesse résultante, démodulée d'une manière

optimale, est appliquée au premier intégrateur.

Ainsi qu'il est représenté sur la figure 5, les diagrammes représentés dans les parties (a)-(j) sont des formes d'onde de signaux électriques à état logique binaire (positif, négatif), mesurées en divers points dans le gyroscope optique à fibre de la figure 1 Dans la partie (a) de la figure 5 est représentée une forme d'onde 120 du signal à fréquence propre sur la ligne 84 provenant de l'oscillateur à fréquence propre 86 Dans la partie (b) est illustrée une forme d'onde 122 du signal de modulation à onde rectangulaire sur la ligne 90 provenant de l'oscillateur à basse fréquence 92 Ce signal est à une fréquence qui est par exemple égale à

1/100 de la fréquence propre.

La partie (c) illustre une forme d'onde 124 du signal à fréquence propre sur la ligne 94, à la sortie du déphaseur en quadrature 88 La phase de cesignal est décalée alternativement de manière à être en avance ou en retard, par rapport à la forme d'onde 120 du signal à fréquence propre, de quatre-vingt-dix degrés, suivant l'état logique de la forme d'onde 1, 22 du signal de modulation à onde rectangulaire La partie (d) de la figure 5 illustre une forme d'onde 126 du signal de vitesse de rotation détecté sur la ligne 48, en provenance de la diode PIN 46 Dans un fonctionnement idéal de la présente invention, la forme d'onde 126 du signal de rotation est en phase avec la forme d'onde 120 du signal à fréquence propre Bien que cela ne soit pas représenté, le signal de vitesse de rotation comporte une composante en quadrature avec le signal à fréquence propre, cette composante représentant une erreur

inhérente détectée par la bobine de fibre en rotation.

La partie (e) de la figure 5 illustre une forme d'onde 128 du signal de vitesse de rotation, représenté dans la partie (d) de la figure 5, après le déphasage indésirable inhérent provoqué par l'amplificateur d'adaptation d'impédance du détecteur et l'amplificateur de démodulateur (intervalle de temps tl-t 2) Dans cet exemple le déphasage est de 450 Cependant on comprendra que la valeur du déphasage indésirable dépend des caractéristiques des composants des amplificateurs précités La partie (f) de la figure 5 représente une forme d'onde 130 du signal à fréquence propre à la sortie du déphaseur en quadrature, représenté dans la partie (c) de la figure 5, après le déphasage de 45 réalisé par les amplificateurs (intervalle

de temps t 4-t 5).

La partie (g) de la figure 5 illustre une forme d'onde 132 du signal de sortie du déphaseur variable Ainsi qu'il a été décrit précédemment, les premier et second mélangeurs 98,110 et le second intégrateur 112 commandent la phase de la sortie 132 du déphaseur variable de manière qu'elle soit égale à la phase du signal de vitesse de rotation déphasé d'une manière indésirable, lequel est représenté dans la partie (e) de la figure 5 La partie (h) de la figure 5 illustre une forme d'onde 134 du signal de vitesse de rotation déphasé d'une manière indésirable après avoir été mélangé avec la sortie du déphaseur variable Bien que cela ne soit pas représenté, le niveau continu du signal de la partie (h) de la figure 5 est à sa valeur maximale

puisque ce signal est à un niveau logique positif constant.

Autrement dit, si le signal de la partie (h) de la figure 5 présentait des excursions en direction de l'état logique binaire négatif, le niveau continu de ce signal serait inférieur à sa valeur maximale Ces excursions négatives apparaissent si la phase de la sortie du déphaseur variable n'est pas égale à la phase du signal de rotation déphasé d'une manière indésirable Ainsi le signal de la partie (h) de la figure 5 représente l'état de commande idéal obtenu par la présente invention, ce signal étant ensuite intégré par la présente invention, ce signal étant ensuite intégré par la premier intégrateur 106 et appliqué au circuit de production

du signal rampe ( 60).

La partie (i) de la figure 5 illustre une forme d'onde 136 du signal déphasé en quadrature et déphasé d'une manière indésirable, après avoir été mélangé avec le signal de sortie du déphaseur variable La partie (j) de la figure 5 illustre une forme d'onde de la partie (i) de la figure 5 après avoir été mélangée, dans le second mélangeur 110, avec le signal 122 de modulation à onde rectangulaire, représenté dans la partie (b) de la figure 5 Le signal de la partie (j) de la figure 5 est appliqué au second intégrateur 112 et le signal intégré est transmis au déphaseur variable 102 Bien que cela ne soit pas représenté, le niveau continu de la partie (j) de la figure 5 est voisin de zéro dans l'exemple illustré sur la figure 5, ce qui indique que la présente invention a atteint l'état de commande désiré d'un déphasage nul entre le signal de vitesse de rotation et le signal

d'excitation du modulateur serrodyne.

Si la phase du signal en quadrature déphasé d'une manière indésirable ne se trouve pas en quadrature avec la phase de la sortie du déphaseur variable (c'est-à-dire les deux entrées appliquées au premier mélangeur), la sortie du second mélangeur ne présente pas alors un tel facteur de cycle de 50 % ainsi qu'il est illustré dans la partie (j) de la figure 5 Au contraire le signal de sortie du second mélangeur a un facteur de cycle plus asymétrique, la grandeur de l'asymétrie dépendant de l'amplitude du déphasage entre les deux signaux d'entrée appliqués au premier mélangeur Il en résulte que le niveau continu du signal asymétrique de la partie (j) de la figure 5 n'est pas égal à zéro mais qu'au contraire il a une valeur soit positive soit négative dont l'amplitude est proportionnelle à l'asymétrie Ce niveau continu est ensuite intégré et appliqué au déphaseur variable de telle façon que la grandeur de la sortie du second intégrateur amène le déphaseur variable à décaler en conséquence sa phase de manière à l'adapter à la phase du signal de vitesse de rotation déphasé d'une manière indésirable Le résultat obtenu est alors le signal à facteur

de cycle de 50 % représenté dans la partie (j) de la figure 5.

Sur la figure 1 est représenté, en tirets, un déphaseur de boucle ouverte optionnel 150 recevant le signal

provenant de l'oscillateur à basse fréquence sur la ligne 90.

Le déphaseur 150 ajoute quelques degrés de déphasage au signal présent sur la ligne 90, avant de l'appliquer au second mélangeur 110 Le déphasage ainsi ajouté rend la différence de phase entre le signal de vitesse déphasé, représenté dans la partie (e) de la figure 5, et le signal de vitesse de rotation, représenté dans la partie (d) de la figure 5, sensiblement égal à zéro en compensant l'erreur de phase résiduelle entre le signal de vitesse déphasé à l'endroit du premier mélangeur 98 et le signal sur la ligne en provenance du déphaseur variable 102 Cette erreur de phase résiduelle est approximativement égale au déphasage entre le signal de vitesse de rotation déphasé, représenté dans la partie (e) de la figure 5, et le signal de vitesse de rotation, représenté dans la partie (d) de la figure 5, divisé par le rapport de fréquence entre le signal à fréquence propre, représenté dans la partie (a) de la figure et le signal de l'oscillateur à basse fréquence, représenté dans la partie (b) de la figure 5 Ainsi, plus la fréquence du signal de l'oscillateur à basse fréquence est basse, plus

la valeur du déphasage résiduel est faible.

La présente invention est utilisable pour compenser des déphasages variables indésirables et inhérents dans le signal de vitesse de rotation mesuré, dans un capteur de rotation optique à fibre, les déphasages variables étant dus en partie à des facteurs thermiques et de vieillissement Le résultat obtenu est une mesure plus précise de la vitesse de rotation Egalement la présente invention ne modifie pas d'une manière indésirable l'amplitude du signal de vitesse détecté puisque le signal à fréquence propre déphasé est ajouté en quadrature au signal de vitesse détecté et également puisque la fréquence de la porteuse à basse fréquence se trouve au-delà de la largeur de bande de

l'électronique de traitement du signal du capteur.

La présente invention est illustrée dans le cas d'une

utilisation d'un gyroscope optique à fibre à boucle fermée.

Cependant la présente invention peut être employée, si on le désire, dans un gyroscope optique à fibre à boucle ouverte ou dans d'autres types de capteurs de rotation optiques à fibre d'une manière qui apparaîtra clairement à partir des indications données présentement Egalement l'invention a été illustrée comme décalant d'une manière variable la phase d'un signal à la fréquence propre de la bobine, en vue d'une démodulation subséquente de l'information relative à la vitesse de rotation, laquelle est elle-même modulée à la fréquence propre ou au voisinage de celle-ci Le modulateur est réglé typiquement à la fréquence propre de la bobine pour

des raisons de performances du gyroscope optique à fibre.

Pour démoduler totalement l'information relative à la vitesse

de rotation, le signal de référence du démodulateur (c'est-à-

dire la sortie provenant du déphaseur variable) est également à la fréquence propre Cependant, il suffit, dans le cadre de la présente invention, que les fréquences de modulation et

démodulation soient égales.

Il est suffisant, dans le cadre le plus large de la présente invention, qu'un capteur de rotation optique à fibre, comportant une paire de faisceaux de lumière se propageant en sens inverse dans une boucle, comporte un modulateur de phase pour moduler les ondes à une première fréquence, qu'à leur sortie de la boucle les ondes soient combinées en un signal d'intensité lumineuse indiquant la vitesse de rotation et qui est détecté, qu'un signal à la première fréquence soit déphasé en quadrature par un signal à plus basse fréquence et qu'il soit additionné avec le signal de vitesse détecté, qu'un amplificateur amplifie les signaux additionnés, que l'amplificateur induise également d'une manière inhérente des déphasages indésirables, d'une même valeur, à la fois dans le signal de vitesse détecté et dans le signal en quadrature, que le signal en quadrature soit démodulé et utilisé en réaction afin de commander la phase d'un déphaseur variable qui fournit un signal à la première fréquence dont la phase est décalée d'une valeur égale au déphasage indésirable du signal de vitesse détecté, le signal du déphaseur variable et le signal de vitesse détecté étant appliqués à un démodulateur afin de démoduler l'information relative à la vitesse de rotation à partir du signal de

vitesse détecté.

Claims (10)

REVENDICATIONS

1. Capteur de rotation optique à fibre caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de mesure de vitesse pour fournir un signal à une première fréquence et pour fournir également un signal de vitesse modulé sur ce signal à première fréquence, ce signal de vitesse indiquant une vitesse de rotation du capteur, un oscillateur ( 92) pour fournir un signal à basse fréquence, un premier déphaseur ( 88), répondant à ce signal à basse fréquence, pour déphaser le signal à la première fréquence et pour fournir un signal dont la phase est en quadrature avec le signal de vitesse, des moyens de sommation ( 50) pour additionner le signal de vitesse et le signal déphasé en quadrature et pour fournir un signal additionné représentatif du signal de vitesse, des moyens d'amplification ( 52,96) pour amplifier le signal additionné et pour fournir un signal amplifié représentatif de ce signal additionné, ces moyens d'amplification ( 52,96) introduisant également, d'une manière inhérente, un déphasage indésirable, d'une valeur égale, à la fois du signal de vitesse et du signal déphasé en quadrature, un déphaseur variable ( 102) répondant au signal à la première fréquence et délivrant un signal déphasé d'une manière variable, un premier démodulateur ( 98) pour démoduler le signal additionné au moyen du signal déphasé d'une manière variable et pour fournir un signal de vitesse démodulé représentatif d'une vitesse de rotation du capteur, ce premier démodulateur ( 98) fournissant également le signal déphasé en quadrature à une sortie du premier démodulateur ( 98), et un second démodulateur ( 110) pour démoduler le signal déphasé en quadrature au moyen du signal basse fréquence et pour fournir un signal de déphasage démodulé représentatif du signal déphasé en quadrature, le déphaseur variable ( 102) répondant au signal de déphasage démodulé en produisant le signal déphasé d'une manière variable, ce signal déphasé d'une manière variable étant représentatif de la grandeur du

déphasage indésirable dans le signal de vitesse.

2. Capteur de rotation suivant la revendication 1 caractérisé en ce que les moyens de mesure de vitesse comprennent en outre une source de lumière ( 14) pour émettre un signal lumineux, des moyens ( 28,30) pour subdiviser ce signal lumineux en deux signaux lumineux, des moyens ( 80) pour moduler chacun de ces deux signaux lumineux, au moyen du signal à la première fréquence, une boucle ( 42) d'un câble en fibre optique, les deux signaux lumineux se propageant en sens inverse dans cette boucle, des moyens pour combiner ces deux signaux lumineux, après qu'ils se soient propagés en sens inverse dans la boucle, en un signal d'intensité lumineuse unique, l'intensité de ce signal d'intensité lumineuse variant proportionnellement à la relation de phase entre les deux signaux lumineux après que ces deux signaux se soient propagés en sens inverse dans la boucle, la relation de phase étant proportionnelle à une vitesse de rotation quelconque du capteur, et un détecteur ( 44) pour détecter le signal d'intensité lumineuse et pour fournir, en réponse à ce

signal, le signal de vitesse.

3. Capteur de rotation suivant la revendication 2 caractérisé en ce que la fréquence du signal à la première

fréquence est égale à la fréquence propre de la boucle ( 42).

4. Capteur de rotation suivant la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comprend en outre un déphaseur fixe ( 150), répondant au signal à basse fréquence, pour déphaser ce signal à basse fréquence d'une valeur prédéterminée et pour fournir un signal à basse fréquence déphasé représentatif du signal à basse fréquence, le second démodulateur ( 110) répondant au signal à basse fréquence déphasé pour démoduler le signal déphasé en quadrature si bien que ladite valeur prédéterminée du déphasage compense toute erreur de phase résiduelle entre la phase du signal additionné et la phase du signal déphasé d'une manière

variable.

5. Capteur de rotation suivant la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens ( 60), répondant au signal de vitesse démodulé, pour fournir un signal de modulation et des moyens de modulation ( 54), répondant à ce signal de modulation, pour moduler les deux signaux lumineux se propageant en sens inverse dans la boucle d'une valeur de modulation produisant un déphasage entre les deux signaux lumineux qui annule le déphasage entre ces deux signaux lumineux qui a été provoqué par une vitesse de

rotation quelconque de la boucle ( 42).

6. Capteur de rotation suivant la revendication 5 caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens, répondant au signal de modulation, pour fournir un signal représentatif de la vitesse de rotation du capteur et des moyens d'affichage ( 66), répondant à ce signal de vitesse de rotation, pour fournir un affichage de la vitesse de rotation

du capteur.

7. Capteur de rotation suivant la revendication 5 caractérisé en ce que le signal de modulation est un signal bipolaire dont la polarité indique une vitesse de rotation du capteur optique à fibre dans une direction croissante ou décroissante.

8. Capteur de rotation suivant la revendication 7 caractérisé en ce que les moyens ( 60) fournissant un signal de modulation comprennent en outre des moyens, répondant au signal bipolaire, pour produire une paire de signaux, a savoir un premier signal de cette paire de signaux indiquant une direction croissante de la vitesse de rotation du capteur et un second signal de la paire de signaux indiquant une

direction décroissante de la vitesse de rotation du capteur.

9. Capteur de rotation suivant la revendication 8 caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens d'affichage ( 66) répondant à la paire de signaux afin de

fournir un affichage de la vitesse de rotation du capteur.

10 Capteur de rotation suivant la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens, répondant au signal de vitesse démodulé, pour fournir un

affichage de la vitesse de rotation du capteur.