ED Sciences Physiques et de l'Ingénieur
Accéléromètre quantique hybride pour les applications embarquées
par Cyrille DES COGNETS (Laboratoire Photonique, Numérique & Nanosciences)
Cette soutenance a lieu à 14h00 - Amphitheatre A.Ducasse Institut d'Optique d'aquitaine, 1 rue françois mitterrand, 33400 Talence
devant le jury composé de
- Baptiste BATTELIER - Ingénieur de recherche - Université de Bordeaux - Directeur de these
- Tim FREEGARDE - Professor - university of Southampton - Rapporteur
- Yannick BIDEL - Directeur de recherche - ONERA - Rapporteur
- Christophe COLLETTE - Professeur - Université de liège - Examinateur
- Baptiste ALLARD - Maître de conférences - LCAR - Examinateur
- Olivier GAUTHIER LAFAYE - Directeur de recherche - LAAS - Examinateur
Cette thèse porte sur la correction des effets de rotation et de vibration qui affectent la mesure d'accélération des interféromètres atomiques à atomes froids. Ces instruments peuvent notamment être employés pour améliorer la stabilité à long terme des centrales inertielles, utilisées pour estimer la position d'un véhicule, mais restent encombrants et sensibles à différentes perturbations, ce qui limite leur utilisation embarquée. Ce manuscrit présente d'abord les principes de notre accéléromètre quantique hybride tri-axe : transitions Raman, interféromètre Mach-Zehnder atomique et hybridation avec des accéléromètres classiques. L'hybridation fusionne les mesures des deux technologies et inclut une correction en temps réel de la phase et de la fréquence laser pour compenser l'effet Doppler et reconstruire les franges brouillées par les vibrations. Deux modes d'opération sont décrits : le mode « gravimètre », fournissant une mesure discrète de la gravité, et le mode « accéléromètre strapdown », offrant une mesure continue, large dynamique et stable à long terme de l'accélération. Dans ce mode, il est possible de réaliser des mesures quelle que soit l'orientation de l'instrument. Les aspects expérimentaux sont ensuite détaillés. Pour rendre l'expérience compatible avec une utilisation embarquée strapdown, plusieurs choix technologiques ont été réalisés : un système laser fibré compact reposant sur une technique de modulation avancée pour générer les fréquences utiles et une hybridation avec des gyroscopes pour compenser les rotations et changement d'orientation. Le mode strapdown présente par ailleurs des contraintes liées à l'inclinaison du capteur, notamment sur la détection et la géométrie des faisceaux laser. Après une validation en conditions statiques du capteur, les travaux de cette thèse portent sur son fonctionnement en environnement dynamique. En particulier, les rotations dégradent la mesure de l'accéléromètre atomique en réduisant le contraste de l'interféromètre et en créant des déphasages importants. Pour corriger ces effets, deux approches ont été envisagées : un mode rigide, limité aux faibles rotations (<4.6°/s) par perte de contraste et un mode « pointage inertiel » dans lequel le miroir de référence est stabilisé grâce à une plateforme tip-tilt pilotée par un système temps-réel utilisant les mesures de gyroscopes à fibres. Cette compensation supprime la perte de contraste et permet de travailler en présence de fortes rotations. Un modèle théorique a été développé pour décrire la perte de contraste (mode rigide) et les déphasages induits par les rotations. Ces solutions ont été validées expérimentalement grâce à une plateforme de rotation manuelle, menant à la première démonstration d'un accéléromètre atomique fonctionnant jusqu'à 14 °/s avec un temps d'interrogation de 10 ms et une sensibilité de 35 µg/coup. Nous avons ensuite utilisé un hexapode permettant de générer des mouvements contrôlées pour tester le capteur en conditions dynamiques réalistes. En mouvement, les franges atomiques se brouillent en raison de fortes vibrations transmises au miroir de référence, et la correction échoue faute de corrélation suffisante avec l'accéléromètre classique. Pour limiter ce problème, des amortisseurs ont été ajoutés et différentes pistes d'amélioration de la correction temps réel ont été explorées via l'évaluation des performances d'accéléromètres classiques. Malgré des progrès, des améliorations sont encore nécessaires pour atteindre de bonnes performances dynamiques. Enfin, je présente les mesures de gravité réalisées avec l'accéléromètre sur l'hexapode. Avec un temps d'interrogation de 29 ms, le capteur atteint une sensibilité statique de 1,33 µg/√τ et une stabilité à 3000 s de 31 ng, permettant de détecter les marées. Les mesures dynamiques montrent une forte dégradation et révèlent les limites de notre méthode de suivi de la gravité, ainsi que les défis techniques à réaliser pour la gravimétrie mobile.