Accéléromètre quantique 3-axes hybride pour la navigation inertielle

Three-axis Hybridized Quantum Accelerometer for Inertial Navigation

• Auteur / Autrice : Simon Templier
• Direction : Baptiste Battelier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Lasers, Matière et Nanosciences
• Date : Soutenance le 21/04/2021
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Photonique, Numérique et Nanosciences (Bordeaux)
• Jury : Président / Présidente : Daniel Comparat
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Baptiste Battelier, Daniel Comparat, Arnaud Landragin, Malo Cadoret, Philippe Bouyer, Marco Prevedelli, Henri Porte
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Arnaud Landragin, Malo Cadoret

Mots clés

Mots clés contrôlés

Systèmes de communication à laser

Navigation par inertie

Accéléromètres

Interférométrie atomique

Mots clés libres

Interferometrie atomique

Accéléromètre

Navigation inertielle

Source Laser

Atom interferometry

Accelerometer

Inertial navigation

Laser Source

Résumé

L’objectif du laboratoire commun iXatom, issu de la collaboration entre le laboratoire photonique numérique et nanoscience (LP2N) et l’entreprise iXblue, est de développer des solutions pour améliorer la navigation inertielle avec des capteurs quantiques. En effet les capteurs inertiels classiques délivrent un biais non constant sur la mesure qui fausse la trajectoire calculée par une centrale inertielle. Les interféromètres atomiques à ondes de matière offrent une mesure absolue avec une précision et une stabilité sans précédent. Ces capteurs présentent un intérêt important pour la navigation inertielle.Ces capteurs quantiques atteignent une maturité dans le monde académique qui justifie un transfert vers l’industrie. Ces instruments, comprenant une enceinte à ultra-vide, une architecture de contrôle poussée, un système laser agile, multi-fréquence et cohérent en phase, demeurent complexes et imposants. Ils nécessitent un effort d’intégration pour les applications industrielles et embarquées.Ce travail de thèse s’intéresse à l’amélioration des accéléromètres pour la navigation inertielle. L’hybridation entre des accéléromètres atomiques et classiques apporte une complémentarité des performances requises dans ce contexte. En effet les mesures de l’interféromètre atomique ont une dynamique restreinte et subissent des temps morts nécessaires à la préparation des atomes froids pour l’interrogation, ce qui réduit la bande-passante. Les accéléromètres classiques apportent une mesure continue avec une grande plage dynamique, nécessaire pour la navigation. L’accéléromètre hybride fournit une mesure avec une large bande-passante, une grande dynamique et pour laquelle le biais est amorti. Certains défis, dont la mesure multi-axe et selon une orientation quelconque du capteur atomique, sont adressés. Egalement une méthode pour la calibration de l’interféromètre atomique trois-axes est proposée et mise en œuvre, comprenant l’étude des effets systématiques et la correction des désalignements entre les axes de mesure.

The spirit of the shared laboratory iXatom, involving the collaboration between the laboratoire photonique numérique et nanoscience (LP2N) and the company iXblue, is to develop solutions and improvements for inertial navigation with quantum sensors. Indeed classical inertial sensors suffer from a time-varying bias which mislead the computed trajectory by inertial navigation systems. Atom interferometers based on matter-waves offer an absolute measurement with a dramatic precision and stability. Such sensors are considered as a serious candidate to help inertial navigation systems.Cold atoms sensors are reaching a certain level of maturity in the academic community which justify a technological transfer toward the industry. However such instruments, including an ultra-high vacuum chamber, a complex control system, an agile multi-frequency laser architecture with phase coherence and control, remain complex and massive. Efforts are necessary for their integration into industrial and on-board applications.This thesis work addresses the improvement of accelerometers dedicated to inertial navigation. The hybridization between classical and quantum accelerometers afford complementary performances. Actually the measurements of the atomic interferometer experience a reduced dynamic and dead-times during the preparation of the atomic cloud, leading to a limited bandwidth. Classical accelerometers present continuous measurements with a large dynamic range necessary for navigation. The hybrid accelerometer provides high-bandwidth measurements with a wide dynamic range and without biases. Other challenges, such as multi-axis measurements with a random orientation of the atomic sensor, are investigated. Furthermore a method to calibrate the 3-axis atom interferometer is proposed and realised, which involves a full study of the systematic effects and the correction of misalignments between measurement axes.