Mécathermique des bobines de fibres optiques pour les gyroscopes

par Jérémie Pillon

Projet de thèse en Mécanique des solides

Sous la direction de François Louf et de Pierre-Alain Boucard.

Thèses en préparation à Paris Saclay , dans le cadre de École doctorale Sciences Mécaniques et Energétiques, Matériaux et Géosciences (Cachan, Val-de-Marne ; 2015-....) , en partenariat avec LMT - Laboratoire de mécanique et de technologie (laboratoire) , Secteur Structures et Systèmes (equipe de recherche) et de École normale supérieure Paris-Saclay (Cachan, Val-de-Marne) (établissement de préparation de la thèse) depuis le 01-09-2018 .


  • Résumé

    De très nombreuses applications industrielles requièrent de connaître la position d'un mobile dans son environnement. Malgré les progrès spectaculaires des systèmes de positionnement par satellites (GPS), ceux-ci peuvent rester insuffisants dans le cas d'applications sensibles pour lesquelles on ne peut tolérer un signal perdu (obstacles, tunnels, évolution sous-marine) ou brouillé (contexte de guerre par exemple), ou une information trop peu précise. Pour pallier ces difficultés, une centrale inertielle, qui ne nécessite aucune information extérieure au mobile, peut être utilisée pour estimer les position, vitesse et attitude (cap, roulis, tangage) de celui-ci. Pour réaliser ces prédictions, le calculateur intégré se base sur les données de trois gyromètres et trois accéléromètres. Les gyroscopes à fibre optique (FOG pour Fiber Optic Gyroscope) sont basés sur l'effet Sagnac, qui est équivalent à l'effet Coriolis relativiste pour les photons. Deux ondes contrapropagatives sont envoyées dans un enroulement de fibre optique mis en rotation autour de son axe. Le déphasage observé en sortie entre les deux ondes est proportionnel à la vitesse angulaire imposée. Ce type de technologie permet d'atteindre une précision de quelques degrés par heure à quelques dix-millièmes de degrés par heure seulement, ce qui explique l'usage de ce type de gyroscope dans les applications sensibles évoquées précédemment. Parmi les concepteurs actuels de ce type de composant, iXblue est un acteur historique et incontournable ; ses fondateurs ont inventé et mis au point de larges pans de la technologie. L'amélioration continue des performances des gyroscopes d'iXblue est basée sur la compréhension fine des phénomènes physiques ou des imperfections matérielles pouvant altérer le principe de fonctionnement des FOG. La bobine de fibre optique, élément clef de l'interféromètre optique, doit être l'objet d'attentions particulières. La fibre optique, dont la longueur est de l'ordre de quelques centaines de mètres ou du kilomètre et dont le diamètre est d'environ cent microns (quelques dizaines de microns de plus si l'on tient compte de la gaîne), est enroulée sur un support puis imprégnée, formant un anneau. La section de la bobine est de l'ordre du centimètre carré. La bobine en elle-même constitue un matériau composite complexe (fibre en verre, double gaine, colle), difficile à modéliser en raison de sa structure microscopique. Plusieurs phénomènes physiques peuvent perturber la qualité de la mesure de vitesse angulaire. La vitesse de propagation des ondes est mesurée par l'indice de réfraction, qui doit être le plus stable possible. L'indice de réfraction de la fibre est tout d'abord dépendant de la température. Si le champ de température est non-homogène mais constant, le déphasage entre les deux ondes, image de la vitesse de rotation, ne sera pas perturbé. Dans le cas où le champ de température évolue au cours du temps, les deux ondes, au même point, ne vont pas voir le même indice de réfraction à deux instants différents. De ce fait le déphasage Sagnac obtenu sera perturbé par l'évolution temporelle du champ de température (effet Shupe « thermique »). Des stratégies adaptées de bobinage peuvent être utilisée pour limiter cet effet : il s'agit de faire en sorte que deux points situés à une même distance des deux extrémités soient proches au sein du bobinage. Les déformations de la structure pouvant provenir de vibrations mécaniques, ou de dilatations thermiques, sont sources de perturbations supplémentaires (effet Shupe « mécanique ») car elles allongent ou raccourcissent le parcours.

  • Titre traduit

    Mechanics and thermics of optical fiber coils for gyroscopes


  • Résumé

    A large number of industrial applications require knowledge of the position of a mobile in its environment. Despite spectacular progress in satellite positioning systems (GPS), they may still be insufficient for sensitive applications where a lost signal (obstacles, tunnels, underwater evolution) or scrambled signal (e.g. war context), or inaccurate information, cannot be tolerated. To overcome these difficulties, an inertial unit, which does not require any information external to the mobile, can be used to estimate the position, speed and attitude (heading, roll, pitch) of the mobile. To make these predictions, the integrated computer is based on data from three gyrometers and three accelerometers. Fiber Optic Gyroscope (FOG) gyroscopes are based on the Sagnac effect, which is equivalent to the relativistic Coriolis effect for photons. Two contrapropagative waves are sent in an optical fibre winding rotating around its axis. The phase shift observed at the output between the two waves is proportional to the imposed angular velocity. This type of technology allows an accuracy of only a few degrees per hour to a few ten thousandths of a degree per hour, which explains the use of this type of gyroscope in the sensitive applications mentioned above. Among the current designers of this type of component, iXblue is a historical and essential player; its founders invented and developed large parts of the technology. The continuous improvement of the performance of iXblue gyroscopes is based on a detailed understanding of physical phenomena or material imperfections that can alter the operating principle of FOG. The optical fibre coil, a key element of the optical interferometer, must be the subject of particular attention. The optical fibre, whose length is in the order of a few hundred metres or a kilometre and whose diameter is about one hundred microns (a few tens of microns more if one takes into account the gaîne), is wound on a support then impregnated, forming a ring. The coil cross-section is in the order of one square centimetre. The coil itself is a complex composite material (glass fibre, double sheath, glue), difficult to model due to its microscopic structure. Several physical phenomena can disturb the quality of angular velocity measurement. The speed of wave propagation is measured by the refractive index, which must be as stable as possible. The refractive index of the fibre is primarily temperature dependent. If the temperature field is non-homogeneous but constant, the phase shift between the two waves, image of the rotational speed, will not be disturbed. In the case where the temperature field evolves over time, the two waves, at the same point, will not see the same refractive index at two different times. As a result, the resulting Sagnac phase shift will be disrupted by the temporal evolution of the temperature field ("thermal" Shupe effect). Adapted winding strategies can be used to limit this effect: it is a matter of ensuring that two points located at the same distance from both ends are close together within the winding. Deformations of the structure that can result from mechanical vibrations, or thermal expansion, are sources of additional disturbances ("mechanical" Shupe effect) because they lengthen or shorten the path.