CONCEPTION ET RÉALISATION D'UNE ÉLECTRONIQUE DE CONTRÔLE D'UN FOG À TRÈS PETITEBOBINE

DESIGN AND IMPLEMENTATION OF A CONTROL ELECTRONICS FOR A VERY SMALL FIBER OPTICGYROSCOPE (FOG) COIL

• Auteur / Autrice : Mounia Medjahed
• Direction : Khalil Hachicha, Sylvain Feruglio
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Sciences et technologies de l'information et de la communication
• Date : Inscription en doctorat le 01/04/2025
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Informatique, télécommunications et électronique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LIP6

Mots clés

Mots clés libres

Capteur rotation; FOG

Modulation; Démodulation

Fpga; dsp

Rotation senso; FOG

Modulation; Demodulation

Fpga; dsp

Résumé

Le FOG (Fiber Optic Gyro) est un capteur de rotation très précis. Son utilisation s'est maintenant fortement répandue pour répondre à de nombreuses applications, par exemple inertielles ou de pointage, dans tous types d'environnements, terrestre, maritime ou spatial. Le FOG utilise l'effet « Sagnac » dans lequel un faisceau lumineux se propageant dans une bobine de fibre optique en sens horaire et antihoraire subit une différence de phase, entre les deux sens de propagation, proportionnelle à la vitesse angulaire projetée sur l'axe de la bobine. Le montage interférométrique de Sagnac permet de détecter ce déphasage par une mesure de la puissance optique sortant du dispositif. La sensibilité du capteur de rotation est relative au terme LD qui est la multiplication de la longueur de la bobine et du diamètre de celle-ci. Exail a poursuivi durant des années une réflexion active pour pousser cette sensibilité avec des bobines de grande dimension permettant d'atteindre des performances exceptionnelles en raffinant la qualité de l'électronique et de l'optique. Cette sensibilité extrême n'est pas toujours requise et a un coût (et un encombrement) élevé. La recherche d'une réduction des coûts et de l'encombrement a ainsi conduit plus récemment à basculer une partie des efforts dans l'autre direction pour utiliser des plus petites bobines. Dans tous les cas, l'architecture de l'électronique est restée sur le même schéma numérique et électronique de modulation-démodulation malgré le changement de la fréquence de modulation de 20kHz à près de 300kHz. Pour les très petites bobines, pour lesquelles les fréquences de modulation-démodulation peuvent monter beaucoup plus haut, ce cadre de fonctionnement devient très mal adapté. L'objectif de la thèse est de reconsidérer entièrement la configuration électronique du FOG qui a été pensée pour des bobines de tailles importantes, avec un contrôle très numérisé autour d'un FPGA, tout en conservant le schéma optique très achevé qui permet à Exail d'obtenir une excellence reconnue sur ses FOG. Dans le cadre de cette thèse on s'intéressera ainsi à la remise à plat de l'architecture pour reconsidérer les différentes fonctions constituant le socle de fonctionnement du FOG et définir les possibilités permettant d'utiliser des bobines de très petite taille en réduisant dans le même temps la complexité de l'électronique. Du schéma tout analogique auto asservi en fréquence au schéma actuel avec composants rapides, du DSP au FPGA, le but sera de revoir l'architecture électronique du FOG en panachant les différentes possibilités et en utilisant toute l'expérience acquise par Exail. L'ambition finale est de réaliser le démonstrateur d'un FOG fonctionnant avec une très petite bobine. Cette thèse s'inscrit dans le cadre d'une convention CIFRE en collaboration avec la société EXAIL.

The FOG (Fiber Optic Gyroscope) is a highly accurate rotation sensor. Its use has now become widespread to meet the needs of numerous applications, for example inertial or pointing systems, across all types of environments—land, maritime, or space. The FOG utilizes the Sagnac effect, in which a light beam propagating in a fiber optic coil in both clockwise and counterclockwise directions experiences a phase difference between the two directions of propagation. This phase difference is proportional to the angular velocity projected onto the coil's axis. The Sagnac interferometric setup allows the detection of this phase shift by measuring the optical power output from the device. The sensor's sensitivity to rotation is related to the LD factor, which is the product of the coil's length and its diameter. Exail has carried out many years of active research to push this sensitivity further, using large-dimension coils to achieve exceptional performance by refining the quality of both the electronics and optics. However, such extreme sensitivity is not always required and comes with a high cost and large footprint. Therefore, efforts have recently shifted in the opposite direction, aiming to reduce costs and size by using smaller coils. In all cases, the electronic architecture has remained based on the same digital and modulation-demodulation scheme, despite a change in modulation frequency from 20 kHz to nearly 300 kHz. For very small coils, where modulation-demodulation frequencies can be much higher, this existing framework becomes highly unsuitable. The goal of this PhD thesis is to completely reconsider the electronic configuration of the FOG, which was originally designed for large coils, with highly digitized control using an FPGA, while retaining the highly refined optical setup that allows Exail to maintain its recognized excellence in FOG technology. As part of this thesis, we will rethink the architecture by revisiting the various functions that constitute the operational foundation of the FOG and defining new possibilities for using very small coils, while at the same time reducing the complexity of the electronics. From a fully analog, frequency self-locked design to the current scheme using high-speed components, from DSP to FPGA, the aim will be to review the FOG's electronic architecture by mixing and matching different approaches and leveraging all the experience Exail has acquired over the years. The final ambition is to build a demonstrator of a FOG operating with a very small coil. This PhD is part of a CIFRE industrial research agreement in collaboration with the company EXAIL.