Interféromètre atomique en rotation pour l'accélérométrie quantique embarquée
Rotating atom interferometer for onboard quantum accelerometry
Résumé
Classical inertial navigation systems integrate inertial measurements from triads of accelerometers and gyroscopes to determine their position, but the computed trajectory is typically limited by the intrinsic time-varying bias of these inertial sensors. In addition, the exploitation of quantum physics led to the development of matter-wave interferometers, sensitive to inertial effects due to the mass of the atoms. While they are free-falling, these atoms constitute a perfect inertial frame of reference and allow for an absolute measurement with outstanding accuracy and stability. Substantial technical developments have allowed bringing quantum gravimeters to the market, enabling static, long-term measurements. Nevertheless, the use of cold-atom sensors for navigation and positioning still requires addressing many scientific and technological challenges to be compatible with onboard applications such as compactness, measurement continuity and operation in the presence of strong vibrations and rotations.The Joint Laboratory iXAtom brings together the expertise of the Laboratoire de Photonique, Numérique et Nanosciences (LP2N) in matter-wave interferometry and the French technology company Exail, specialized in high-performance inertial navigation systems and industrial quantum sensors, with the aim of building a new generation of high-end inertial sensors through the hybridization of classical accelerometers and gyroscopes with quantum sensors based on matter-wave interferometry.After successfully building a multi-axis cold-atom interferometer measuring the three components of the acceleration vector with a static apparatus, this quantum inertial sensor has been fully hybridized with a triad of classical accelerometers, increasing the bandwidth and dynamic range without the usual limitation due to the bias drift of the mechanical accelerometers. Moreover, this hybridization technique features a real-time correction of the laser phase which allows retrieving the acceleration information out of atomic fringes scrambled by parasitic vibrations. As regards the rotations of the instrument throughout an interferometer, their compensation remains the next major issue to tackle for strapdown applications as they induce a drastic reduction of the atomic fringes’ visibility coupled to a scrambling of the interferometric phase shift.This thesis work focuses on the mitigation of the rotation-induced performance deterioration of the hybrid accelerometer. Through a theoretical investigation, a model for both the angular velocity-dependent decay of the fringes contrast and the systematic phase shift arising from the complex trajectory of the atomic cloud in the rotating frame of the interrogation laser is established. A real-time rotation compensation system, employing the measurement of the rotation rate with high-end fiber-optic gyroscopes to drive a piezo-actuated tip-tilt platform, has been implemented to stabilize the orientation of the interrogation laser in the external frame in order to preserve the contrast of the atomic interference pattern and extend the measurement range of the rotating atom interferometer. A rectification of the theoretical model accounting for the rotation of the laser as well as the hybridization with the classical accelerometers enables reconstructing the atomic fringes and retrieving the inertial measurement, paving the way for strapdown onboard hybrid accelerometry.
Les systèmes de navigation inertielle intègrent les mesures de triades d’accéléromètres et gyromètres afin de déterminer leur position, mais la trajectoire déterminée est typiquement limitée par le biais variable dans le temps de ces capteurs inertiels. D’autre part, l’exploitation de la physique quantique a permis le développement d’interféromètres à ondes de matière, sensibles aux effets inertiels grâce à la masse des atomes. Lorsqu’ils sont en chute libre, ces atomes constituent un référentiel Galiléen idéal et délivrent une mesure absolue avec une exactitude et une stabilité remarquables. De considérables développements techniques ont permis le transfert technologique de gravimètres quantiques vers l’industrie, réalisant des mesures de longue durée en statique. Cependant, l’utilisation de capteurs à atomes froids pour la navigation et le positionnement nécessite de répondre à certains enjeux scientifiques et technologiques afin d’être compatible avec les applications embarquées tels que la compacité, la continuité de mesure et le fonctionnement dans des environnements difficiles.Le laboratoire commun iXAtom unit l’expertise du Laboratoire de Photonique, Numérique et Nanosciences (LP2N) en interférométrie à ondes de matière et celle de l’entreprise française Exail dans les systèmes de navigation inertielle et capteurs quantiques industriels afin de construire une nouvelle génération de capteurs inertiels de haute performance grâce à l’hybridation d’accéléromètres et de gyromètres classiques avec des capteurs quantiques basés sur l’interférométrie à ondes de matière.Après avoir réussi à construire un interféromètre multiaxe à atomes froids mesurant les trois composantes du vecteur accélération en statique, ce capteur inertiel quantique a été hybridé avec une triade d’accéléromètres classiques, augmentant la bande passante et la dynamique de mesure sans souffrir de la contrainte liée à la dérive du biais des accéléromètres classiques. Par ailleurs, cette hybridation inclut une correction de la phase laser en temps réel, permettant d’extraire la mesure d’accélération à partir de franges atomiques brouillées par les vibrations parasites. En ce qui concerne les rotations de l’instrument au cours d’un interféromètre, leur compensation demeure l’enjeu principal restant à aborder pour réaliser un capteur solidaire d’un véhicule puisqu’elles entraînent une réduction de la visibilité des franges atomiques couplée à un brouillage du déphasage interférométrique.Le travail de cette thèse porte sur la résolution de la dégradation des performances de l’accéléromètre hybride induite par les rotations. Une étude théorique a permis d’établir un modèle théorique de la chute de contraste entraînée par des vitesses angulaires ainsi que des déphasages parasites résultant de la trajectoire complexe du nuage atomique dans le référentiel tournant du faisceau laser. Finalement, un système de compensation des rotations en temps réel utilise la mesure de vitesses angulaires par des gyroscopes à fibre optique afin de piloter une plateforme rotative piézo-électrique et ainsi stabiliser l’orientation du faisceau laser dans le référentiel externe dans le but de préserver le contraste des franges interférométriques et d’accroître la plage de mesure de l’interféromètre atomique tournant. Une rectification du modèle théorique prenant en compte la rotation du laser et l’hybridation avec les accéléromètres classiques permet de reconstruire les franges atomiques et de recouvrer la mesure inertielle, ouvrant la voie à l’accélérométrie hybride embarquée non stabilisée.
Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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