gra-vité. Nous avons donc expliqué comment mesurer une grandeur inertielle avec un nuage d’atomes froids. Le capteur multi-axe qu’on veut développer va utiliser ces interféromètres atomiques. En plus, il va contenir aussi des accéléromètres et des gyromètres classiques, pour obtenir un capteur multi-axe hybride. Nous allons maintenant présenter l’intérêt d’hybrider un capteur classique avec un capteur atomique, puis le fonctionnement du capteur multi-axe hybride dans la suite de ce chapitre. f p (t)norm alisé fv (t)norm alisé fa (t)norm alisé 0,5 -1 1 -1 1 Temps Temps Temps 0 T 2T 3T 4T
I
II
III
Impulsion Impulsion Impulsion Impulsion
/2 /2
1
Figure I.10 – Fonctions de réponse de l’interféromètre double-boucle symétrique en position (I), en vitesse (II) et en accélération (III).
I.4 Intérêts de l’hybridation avec un capteur inertiel classique
Les mesures de grandeurs inertielles effectuées par des capteurs à atomes froids présentent plusieurs limitations : l’indétermination de franges, les temps morts, la combinaison linéaire d’une rotation et d’une accélération, et la mesure d’une seule grandeur inertielle à chaque cycle expérimental.
I.4.1 Franges sinusoïdales
La première limitation vient du fait que le signal de l’interféromètre atomique dépend sinu-soïdalement des grandeurs inertielles. Ainsi, si les variations d’accélération coup à coup sont plus importantes que la zone de fonctionnement représentée sur la figure I.11, alors une valeur don-née du signal de l’interféromètre atomique Pmes correspond à plusieurs valeurs de l’accélération possibles an(équation I.60). Dans ce cas, le signal de l’accéléromètre atomique est inexploitable.
P = Pm−C 2 cos kef faT2⇒ an= ± 1 kef fT2 arccos2P − Pm C + 2πn kef fT2 (I.60)
où n est un entier.
En laboratoire, il est possible de limiter les variations d’accélération verticale en isolant le capteur des vibrations à l’aide d’une plateforme d’isolation des vibrations. Ainsi, le capteur reste dans sa zone de fonctionnement et il n’y a pas d’indétermination de frange. Cela permet de résoudre le problème d’indétermination de franges pour les grandeurs inertielles.
Néanmoins, notre capteur a pour objectif d’être embarquable, de pouvoir être utilisé hors des environnements de laboratoire. Dans des environnements très bruités, les plateformes d’isolation de vibrations ne peuvent pas compenser les vibrations et les variations d’accélération de trop grandes amplitudes.
L’hybridation est une solution pour ces environnements. En comparant la mesure du capteur classique et le signal de l’interféromètre atomique, il est possible de déterminer le signe et l’entier n de l’équation I.60. 25,142bbbbbbbbbbbbbbbbbbb25,14225bbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbb25,1425bbbbbbbbbbbbbbbbbbb25,14275bbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbb25,143 Rampebradiofréquenceb(MHz/s) Prob abilitébde btransition 1 0,5 0 Pmes a*n-1 an-1 a*n an an-2 a*n+1 an+1
Figure I.11 – Franges d’interférence en sortie d’un interféromètre atomique. Pmesest la proba-bilité mesurée en sortie d’interféromètre, qui correspond à plusieurs valeurs d’accélération an, n étant un entier. Dans la zone de fonctionnement en vert, Pmes correspond à une seule valeur d’accélération.
I.4.2 Temps morts
La deuxième limitation vient du fait que les mesures de grandeurs inertielles sont discrètes avec la technologie des atomes froids, il y a des temps morts entre les mesures. En effet, la mesure
I.4. INTÉRÊTS DE L’HYBRIDATION AVEC UN CAPTEUR INERTIEL CLASSIQUE de grandeur inertielle n’est effectuée que pendant le temps d’interférométrie du capteur. Le temps de préparation des atomes froids et de détection ne participent pas à la mesure. Ainsi, on ne mesure rien pendant ces temps-là : c’est ce qu’on appelle des temps morts. On peut les observer sur la figure I.12 qui montre la fonction de réponse d’un accéléromètre atomique vertical. Les mesures sont donc entachées du phénomène d’aliasing où les vibrations à une fréquence voisine de la fréquence de répétition se retrouvent à basse fréquence et limitent la sensibilité du capteur atomique.
Au niveau de l’état de l’art, il existe deux possibilités pour s’affranchir du problème des temps morts. Il est possible d’hybrider la mesure atomique avec un capteur classique [72]. Le capteur classique effectue des mesures continues, ce qui nous permet d’éliminer les temps morts. Il est aussi possible d’entrelacer les séquences préparation-interférométrie-détection, en utilisant une ou plusieurs espèces atomiques [92, 6]. En effectuant la séquence de préparation d’un deuxième nuage atomique pendant l’étape d’interféromètre du premier nuage atomique, il est possible de réduire ou d’éliminer les temps morts de la mesure.
Fonction de réponse Temps t=0 PMO + Mélasse Interférométrie Mach-Zehnder Réponse en accélération Interférométrie Mach-Zehnder Réponse en accélération Temps morts PMO + Mélasse Temps morts
Figure I.12 – Fonction de réponse à une accélération verticale d’un interféromètre de type Mach-Zehnder. Les temps morts correspondent aux étapes de préparation et de détection des atomes.
Notre choix s’est porté sur l’hybridation pour plusieurs raisons :
- La méthode d’entrelacement des séquences en utilisant une seule espèce atomique est dif-ficilement compacte :
Cette technique est réalisable quand les faisceaux Raman et les faisceaux de refroidis-sement ne coïncident pas. Cela entraîne un nombre de faisceaux lasers nécessaires plus grand et donc une architecture de capteur plus compliquée.
De plus, il est nécessaire d’avoir une tour d’interférométrie suffisamment grande pour ne pas que la fluorescence du nuage d’atome au niveau du PMO ne parasite la séquence d’in-terférométrie atomique et la détection. Cela nécessite donc un capteur plus grand (1 m pour le SYRTE). En comparaison, notre enceinte à vide permet une distance de chute maximale de 20 cm.
- La méthode d’entrelacement des séquences en utilisant plusieurs espèces atomiques, qui n’a pas les inconvénients précédents, nécessite plus de faisceaux lasers et est donc aussi plus complexe. En effet, il faut les faisceaux lasers de refroidissement, d’interférométrie et de détection pour chaque espèce.
L’hybridation de notre capteur atomique avec un capteur classique permet d’annuler les temps morts car il est possible de faire des mesures continues avec un capteur classique. Le capteur classique a donc pour rôle de mesurer la grandeur inertielle pendant les temps morts du
capteur atomique et donc d’éviter le problème d’aliasing, c’est à dire le recouvrement de spectre dû aux mesures non continues.
I.4.3 Combinaison linéaire d’une rotation et d’une accélération
Comme démontré dans la partie précédente, le déphasage en sortie d’interféromètre atomique (de type Mach-Zehnder et de type double-boucle) est une combinaison linéaire de plusieurs grandeurs inertielles. Si on veut mesurer une seule composante inertielle, il faut donc trouver une méthode pour distinguer les différents termes provenant des différentes composantes inertielles. L’hybridation du capteur atomique avec un capteur classique permet de faire cela. En effet, les capteurs classiques permettent de mesurer distinctement les composantes inertielles, ce qui va rendre possible une identification des différents termes du déphasage en sortie de l’interféromètre atomique.
Par exemple, le déphasage en sortie d’interféromètre atomique de type Mach-Zehnder ver-tical est une combinaison linéaire de l’accélération verver-ticale et de la rotation. En mesurant simultanément l’accélération verticale avec un accéléromètre classique, ou la rotation avec un gyromètre classique, on peut ainsi identifier le terme d’accélération et le terme de rotation dans le déphasage de l’interféromètre atomique.
I.4.4 Une seule mesure inertielle mesurée par cycle
Le capteur classique peut mesurer une seule grandeur inertielle par cycle. Si on prend un temps de cycle typique de 100 ms, et que l’on considère une centrale inertielle à atomes froids complète mesurant l’accélération et la rotation selon les trois axes de la base orthonormée (x, y, z), chaque grandeur inertielle est mesurée toute les 600 ms. Des temps morts supplémen-taires s’ajoutent ainsi à ceux internes au cycle de mesure. L’hybridation de la centrale inertielle avec des capteurs classiques permet de dépasser cette limitation car les capteurs classiques ef-fectuent des mesures continues des composantes inertielles.