Résumé

Il y a un laser à l'intérieur de chaque gyroscope, qui est utilisé pour envoyer deux faisceaux de lumière séparés à travers la fibre optique. Les faisceaux voyagent dans des directions opposées à travers une boucle fermée autonome et retournent à un détecteur de lumière où leurs temps de trajet sont enregistrés. S'il n'y a pas eu de changement de rotation, les deux faisceaux de lumière reviendront en même temps. Toute rotation signifie que la distance parcourue par chaque faisceau changera et fera arriver les faisceaux à des moments différents. La rotation angulaire peut être mesurée en fonction du premier faisceau arrivé et de la durée de retard du deuxième faisceau.

Utilisation de la technologie du gyroscope

Depuis plus de 100 ans, la technologie des gyroscopes facilite la navigation dans une variété d'applications. Gyroscopes mécaniques ont été invoqués pendant environ 60 ans jusqu'à ce que le gyroscope laser annulaire a été inventé dans les années 1960. Cependant, ce n'est que dans les années 1970 que gyroscopes à fibre optique ont été développés, mis en œuvre et sont devenus populaires dans un large éventail d'applications allant des sous-marins jusqu'aux engins spatiaux..

Gyroscope mécanique (Source : Pinterest)

Le but de tout gyroscope est de mesurer la rotation angulaire sur n'importe quel axe. Ceci est essentiel pour déterminer les angles de tangage de roulis et de lacet dans un système qui nécessite des informations de navigation fiables pour fonctionner correctement. Imaginez un avion qui décolle, une fusée de la NASA à son retour sur Terre ou un missile qui se dirige vers sa cible. Les gyroscopes utilisés pour de telles applications mesurent le taux de rotation angulaire de chaque véhicule. Ces informations critiques sont envoyées en aval pour contrôler et stabiliser le véhicule. (Veljovic, 2010)

Chaque gyroscope fournit ces informations à des degrés divers de fiabilité et de précision, alors qu'est-ce qui différencie les gyroscopes à fibre optique des autres gyroscopes?

Technologie à fibre optique

Comme le nom l'indique, les gyroscopes à fibre optique utilisent la fibre optique pour effectuer leur travail. Constituée de verre, la fibre optique est utilisée dans de nombreuses applications pour envoyer de la lumière d'un point à un autre. Souvent utilisé dans les télécommunications telles que le téléphone et Internet, le câble à fibre optique est extrêmement rapide et fiable. (Circuit Digest, 2019)

Gros plan sur la fibre optique (Source : Fiverr Getty)

Dans les gyroscopes à fibre optique, cette méthode de transmission de la lumière n'est pas utilisée pour transmettre des informations ailleurs, mais plutôt pour se transmettre à l'intérieur d'un étroit enroulement dans une boucle fermée autonome à l'intérieur du gyroscope. Cela permet aux gyroscopes à fibre optique d'utiliser l' "effet Sagnac".

Effet Sagnac

Découvert par un physicien français Georges Sagnac, le phénomène est au cœur du fonctionnement de chaque gyroscope à fibre optique.

A l'intérieur du gyroscope, un laser est utilisé pour envoyer deux faisceaux de lumière séparés à travers la fibre optique. Les faisceaux voyagent chacun dans des directions opposées, parcourant toute la longueur de la fibre optique qui peut atteindre 5 km. Chaque faisceau retourne ensuite vers un détecteur de lumière où leur temps de parcours sont enregistrés.

Prenons par exemple un vol international à l'altitude de croisière. L'avion est stable, vole droit et à niveau, sans mouvement de rotation.

Avion volant à son altitude de croisière (Source : Pinterest)

Lorsque l'avion ne subit pas de mouvement de rotation, les faisceaux lumineux arrivent au détecteur en même temps. Dans ce cas, il n'y a pas de retard ou de "déphasage" entre chaque faisceau de lumière. L'avion est vu comme étant stable et ne subissant aucun mouvement de rotation sur chacun des axes principaux.

Cependant, lorsque l'avion est en virage, l'effet Sagnac se fait ressentir. Lorsque l'avion vire à droite, le gyroscope à fibre optique dédié à l'axe de roulis subira un retard à l'arrivée entre les deux faisceaux lumineux. Pendant qu'il tourne, la distance que chaque faisceau doit parcourir change.

Schéma interne d'un gyroscope à fibre optique (Source : PatentSwarm)

Votre La lumière qui se déplace dans le sens contraire de la rotation arrivera en premier alors que le détecteur s'est légèrement rapproché du faisceau progressif. Dans cet exemple, le faisceau de lumière se déplaçant vers la gauche arrivera en premier. De même, le faisceau de lumière voyageant vers la droite prendra plus de temps. Ce déphasage entre chaque faisceau de lumière est détecté comme un changement de rotation. Ces informations critiques peuvent ensuite être envoyées en aval dans l'avion, le vaisseau spatial, le sous-marin ou le missile pour le stabiliser. Cela se produit à un rythme de centaines de fois par seconde donnant des mesures très précises. (Pascoli, 2017)

Étalonnage du gyroscope

Comme pour tout gyroscope, les sources d' erreur, biais et le bruit doivent être soigneusement pris en compte et corrigés. Pendant la fabrication, les gyroscopes à fibre optique sont calibrés pour corriger plusieurs sources potentielles d' erreur qui peuvent être introduites par le gyroscope lui-même ou l'environnement. Une fois corrigées, les gyroscopes à fibre optique offrent un très haut niveau de performance.

Pourquoi utiliser des gyroscopes à fibre optique ?

Les gyroscopes à fibre optique sont devenus omniprésents dans de nombreuses applications à cause de plusieurs de leurs avantages. Ils sont fiables dans des environnements difficiles comportant des vibrations importantes, ils n'ont pas de pièces mobiles, offrent un bon équilibre entre prix et haute performance et le sont des plus durables en opération.

Sources

Veljović, 2010, disponible à: http://www.vti.mod.gov.rs/ntp/rad2010/34-10/12/12.pdf

Circuit Digest, 2019, disponible à: https://circuitdigest.com/article/how-optical-fiber-communication-works-and-why-it-is-used-in-high-speed-communication

Pascoli, 2017, Disponible à: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1631070517300907