Gyromètre à fibre optique

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Un gyromètre à fibre optique (également appelé par son nom anglais : Fibre optic Gyroscope ou encore FOG) est un capteur de vitesse angulaire (gyromètre) utilisant un rayon lumineux dans une fibre optique. À la différence du gyromètre laser les rayons ont une cohérence réduite pour éviter les interférences parasites. La lumière faiblement cohérente parcourt un circuit optique dans les deux sens, et l’interférence ne va concerner que les rayons qui ont quasiment le même chemin optique, sur quelques franges seulement, et va dépendre de la vitesse de rotation de l’ensemble.

Fonctionnement[modifier | modifier le code]

Article connexe : Effet Sagnac.
Schéma de principe

Dans une explication simple, deux rayons de lumière incohérente parcourent la fibre dans des directions opposées. À cause de l’effet Sagnac, le parcours du rayon allant dans le sens inverse de la rotation est plus court que celui de l’autre rayon. On a ainsi un déphasage à l’intersection des rayons et l’intensité de la lumière résultante dépend de la rotation de l’ensemble.

En réalité l’explication de ce phénomène doit faire intervenir la relativité. Même si celle-ci ne s’applique pas entre deux référentiels en rotation, la relativité est le cadre correct pour vérifier que l’effet Sagnac est purement géométrique. On pourra par exemple faire le calcul par analogie entre la force de Coriolis et la force magnétique[1], ou bien se placer dans le référentiel tangent de chacun des trois miroirs pour appliquer les lois de réflexion de Descartes, passant de l’un à l'autre par effet Doppler[2].

Le développement des fibres optiques monomode à faibles pertes au début des années 1970 pour l’industrie des télécommunications a permis aux gyromètre à fibre optique de se développer. Ils utilisent une diode électroluminescente ou une fibre erbium fonctionnant comme des lasers frustrés (il manque un miroir pour laser) avec un miroir semi-réfléchissant qui va diriger la lumière dans les deux sens dans une fibre optique enroulée dans plusieurs tours. Le premier gyromètre à fibre optique fut présenté aux États-Unis par Vali et Shorthill en 1976[3]. Le développement de ces gyromètres se poursuit dans un certain nombre d’entreprises ou d’organismes autour du monde. Le gyromètre à fibre optique est en général asservi à la frange principale par un modulateur de phase agissant en système de rétroaction, la mesure étant donnée par la phase que doit ajouter le modulateur pour compenser l’effet Sagnac. C'est un « gyromètre à fibre optique en boucle fermée ».

Utilisation[modifier | modifier le code]

Ces gyromètres sont généralement utilisés en avionique[4], dans le spatial, dans la stabilisation de plates formes[5] et dans les applications de robotique sous-marines AUV et ROV[6],[7] .

Intérêt, avantages[modifier | modifier le code]

  • Le gyroscope à fibre optique adresse la gamme de performance de quelques degré par heure à quelque millième de degrés par heures. Les performances plus importantes nécessitent la mise en œuvre de bobines de fibre de plus grand diamètre et de plus grande longueur le fibre (jusqu'à plusieurs kilomètres).
  • Les gyrolasers ont un bien meilleur facteur d’échelle mais sont moins performants autour de zéro (ce qui est habituellement résolu en introduisant des perturbations mécaniques ou magnétiques). Ils ont surtout un bruit (Marche Aléatoire Angulaire) supérieur à cause de la granularité des photons.
  • Absence de toute pièce mobile contrairement au gyroscope classique (mise en œuvre de l'effet Sagnac comme dans le gyrolaser).
  • Résolution plus élevée, avec une précision allant de quelques degrés par heure au millième de degré par heure, comme par exemple pour équiper les satellites Pléiades[8] (à titre de comparaison la rotation de la Terre est de l’ordre de 15°/h).
  • Moins énergivore que les gyroscopes classiques
  • Acoustiquement silencieux, alors que le gyrolaser émet un léger bruit qui peut interférer avec d'éventuels capteurs de sons..

Inconvénients[modifier | modifier le code]

  • Sensibilité aux conditions environnementales (vibrations, chocs thermiques) d'autant plus importante que la performance recherchée est importante (bobine de grandes dimensions).
  • Facteur d'échelle sensiblement moins bon que celui du gyrolaser.
  • Dimension importante de la bobine requise pour la haute performance.
  • Difficulté à maintenir la performance sur le long terme.

Fabricants[modifier | modifier le code]

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. J.J. Sakurai, Phys. Rev. D 21 (1980) 2993
  2. M. Dresden and C.N. Yang, Phys. Rev. D 20 (1979) 1846
  3. De l’effet Sagnac au gyromètre à fibre optique, conférence d’Hervé Lefèvre (voir en ligne)
  4. « SkyNaute, l’innovation dans le monde de la navigation aéronautique », Safran Electronics & Defense,‎ (lire en ligne)
  5. Description des gyromètres à fibre sur le site de Bullier automation (distributeur)
  6. Toal, D.; Omerdic, E.; Dooly, G. (2011) Precision navigation sensors facilitate full auto pilot control of smart ROV for ocean energy applications. In Proceedings of the 2011 IEEE Sensors, Limerick, Ireland, 28–31 October ; pp. 1897–1900
  7. Marsh, L.; Copley, J.T.; Huvenne, V.A.I.; Tyler, P.A. (2013, The Isis ROV Facility Getting the bigger picture: Using precision Remotely Operated Vehicle (ROV) videography to acquire high-definition mosaic images of newly discovered hydrothermal vents in the Southern Ocean. Deep Sea Res. Part II Top. Stud. Oceanogr. 92, 124–135
  8. Berthon, J., & Bret-Dibat, T. (2014). Le système d’observation de la Terre Pléiades. Photoniques, (73), 30-33 (résumé).
  9. (en) « LN-260 Advanced Embedded INS/GPS (EGI) », sur Northrop Grumman (consulté le 12 septembre 2017)
  10. « Safran Electronics & Defense Germany GmbH », Safran Electronics & Defense,‎ (lire en ligne)
  11. (en) Principle of Operation, Principes techniques sur le site de Fizoptika Co
  12. (en) site iXBlue
  13. (fr) iXSea devient iXBlue Industries
  14. (en) Description sur le site d’Ixsea
  15. (en) Pages sur les gyromètres sur le site de KVH

Voir aussi[modifier | modifier le code]

Articles connexes[modifier | modifier le code]

Bibliographie[modifier | modifier le code]