Brevet FR2228225A1 — publié le 19741129

La présente invention concerne un dispositif permettant d'accroître la sensibilité d'appareils de mesure météorologiques et océanographiques du type opto-électronique à impulsions et destiné en particulier à améliorer la portée des instruments de mesure opto-électroniques à impulsions pour la mesure de l'altitude des nuages et fonctionnant suivant le principe de mesure tri-gonométrique.Dans ces appareils un projecteur alimenté en général avec de la lumière produite par éclats ou avec de la lumière laser dépourvue de nocivité pour les yeux projette de la lumière par impulsions en direction des nuages et un récepteur explore trigonométriquement l'angle compris entre 0 et gOb ou un intervalle angulaire limité cependant qu'un dispositif enregistreur suit le mouvement en synchronisme et enregistre les angles sous lesquels des impulsions lumineuses sont reçues par suite de la rétrodiffusion des nuages. Cela permet, contrairement au procédé fondé sur la vitesse de propagation de signaux, d'enregistrer la profondeur de pénétration des signaux lumineux dans les nuages et d'obtenir ainsi une indication sur la transparence de nuages et/ou la visibilité à travers ces derniers. Un problème analogue se pose lorsqu'il s'agit d'effectuer des mesures de visibilité au moyen d'impulsions lumineuses renvoyées par rétrodiffusion. Cette technique consiste à envoyer dans l'atmosphère des impulsions lumineuses avec une fréquence de quelques hertz et l'intensité des impulsions lumineuses renvoyées par rétrodiffusion est mesurée en vue de déterminer la visibilité. Le temps utile pour la mesure n'est que de 1 à 2 microsecondes car c 'est seulement pendant ce court laps de temps que la lumière renvoyée par rétrodiffusion et devant tre mesurée parvient au récepteur.Pendant tout le laps de temps s'écoulant jusqu a l'impulsion suivante et qui peut entre par exemple de 200.000 microsecondes = 0,2 s dans le cas d'une suite d'impulsions se succédant avec une fréquence de 5 hertz, le récepteur est inutilement ouvert et reçoit le cas échéant des signaux de bruit parasites qui sont produits par la lumière claire du jour ou par un rayonnement solaire frappant la photodiode. Exactement le même problème se pose pour des appareils de ce type qui, dans l'eau à une faible distance audessous de la surface de celle-ci, mesurent par des méthodes optiques utilisant des impulsions, la turbidité de l'eau en exploi tant la rétrodiffusion d'impulsions lumineuses ou bien certains effets de fluorescence. Dans ce cas aussi, en présence d'un fort rayonnement solaire, le bruissement produit entre les impulsions de.mesure reçues est genant et réduit très fortement la sensibilité susceptible d'trie mise à profit. La présente invention consiste essentiellement à dériver de l'impulsion de l'émetteur, un signal qui, pendant un court laps de temps, bien déterminé, ouvre un circuit à porte dans l'amplificateur du récepteur. La mise en application du principe de l'invention est particulièrement compliquée dans le cas d'appareils opto-électroniques à impulsions destinés à mesurer la hauteur de nuages et fonctionnant suivant le principe de mesure trigonométrique. C'est pourquoi le principe de l'invention sera expliqué plus en détail pour un tel appareil. Un appareil de mesure du type opto-électronique à impulsions fonctionnant selon les principes décrits ci-dessus et destiné à déterminer la hauteur de nuages utilise en général de 1 à 5 impulsions par seconde qui ont chacune une durée d'environ 0,5 à 1 microseconde. La hauteur de nuages à mesurer pour les besoins de la sécurité de l'aviation est en général limitée à 1 500 m au maximum. Par conséquent, pour le trajet aller et retour il faut à la lumière 10 microsecondes, durée pendant laquelle le récepteur doit être en état derecevoir les signaux. Le temps restant s'écoulant jusqu'à l'émission de l'impulsion lumineuse suivant, à savoir 200.000 microsecondes à 1 seconde, est inutile. C'est pourquoi suivant la présente invention on utilise le principe dit de circuit à porte de telle manière que le système amplificateur prévu du côté du récepteur est ouvert, par une porte électronique, seulement pendant une durée de 10 micrô- secondes par exemple. Cependant, cette disposition ne permet pas à elle seule d'obtenir le résultat souhaité. Entre ltémetteur et le récepteur se trouve une distance de par exemple 50 m, appelée base de mesure, dont la longueur correspondant, en fonction de la hauteur des nuages, à la tangente de l'angle de réception est imprimée sur le papier d'enregistrement de l'appareil enregistreur.Or, étant donné que la vitesse d'une impulsion électrique le long d'un cabale est inférieure à la vitesse de propagation dans l'air, si l'impulsion auxiliaire était prélevée lors de l'émission de l'impulsion lumineuse du côté de l'émetteur et était transmise au récepteur, il serait trop tard pour ouvrir à présent le récepteur car, entre-temps, de la lumière pourrait déjà avoir été reçue de nuages situés à une plus faible altitude, par exemple de 30 m, sans que le récepteur soit déjà ouvert.En conséquence, la présente invention n'offre d'intérêt utile qu'en combinaison avec une deuxième disposition qui consiste en ce que soit a) le signal lumineux reçu au niveau du récepteur est ralenti par l'intermédiaire d'une ligne de retard de façon que la porte de conduction du courant s'ouvre dans l'intervalle concerné, soit bt le récepteur est équipé d'un étage d'intégration qui permet à l'impulsion lumineuse reçue chaque fois d'être intégrée pour toute sa durée en tant que quantité lumineuse ou, en aval de la photodiode, en tant que valeur coulombmétrique et qui retient l'intégrale dans condensateur de mise en mémoire.Lorsque la porte électronique s'est entre-temps ouverte et ensuite, au bout de 10 microsecondes, à nouveau fermée, il nty a, à chaque fois qu'une interrogation sur le fait de savoir si au cours du temps concerné une impulsion lumineuse s'est produite ou non. Les deux mesures a) et b) conduisent au même résultat. Dans le cas cité sous (a) on utilise avantageusement pour la réception la pointe d'intensité du signal lumineux reçu alors que dans le cas cité sous (b) l'ensemble de l'impulsion est pris en compte, ce qui peut tre avantageux en présence de nuages très diffus car le signal s'étire alors très considérablement, c'està-dire qu'il est-étendu dans le temps de manière à perdre la crête à pente raide de l'impulsion de la lumière émise de sorte que l'intégration de l'ensemble du signal donne une sensibilité accrue. Or, à titre auxiliaire, il faute pour déclencher l'étage porte dans l'amplificateur du récepteur, une impulsion électrique provenant du côté de l'émetteur et qui doit être délivrée au moment même où l'impulsion lumineuse quitte ltémet- teur. Dans le cas le plus simple on pourrait à cet égard envisager d'utiliser une photodiode qui "voit" une partie énergétiquement faible de l'impulsion lumineuse et délivre par l'intermédiaire d'un câble de liaison coaxial une impulsion analogique au récepteur qui est installé à une certaine distance sur la base de mesure. Des photodiodes sont cependant plus coûteuses que de simples bobines de Rogowski.C'est pourquoi, suivant la présente invention, l'impulsion est obtenue en entourant l'une des lignes de décharge qui relient le condensateur à la lampe produisant des éclats par impulsions d'une bobine de Rogowski qui alimente un câble de liaison usuel, par exemple un cAable de secteur à deux âmes ou un câble coaxial. Au moment où l'accroissement de l'ln- tensité du courant dans la lampe à décharge de l'émetteur présente sa pente la plus raide, ce qui est en général le cas peu avant le début de la percée de l'éclat, il se produit une pointe de tension. Cela a encore pour avantage additionnel que le circuit à impulsions est complètement séparé du point de vue galvanique des autres circuits.Lorsqu'on opère non pas avec de la lumière à éclats mais avec un émetteur d'impulsions laser produisant périodiquement des éclairs, la bobine de Rogowski peut être placée autour de la ligne d'alimentation du générateur d'impulsions pour le commutateur du facteur de surtension ou de la qualité optique (commutateur Q) de telle sorte qu'en cas d'actionnement de la cellule de Kerr ou de la cellule de Pockels, qui est normalement utilisée en tant que commutateur Q, l'accroissement à pente raide de l'intensité du courant au moment où la capacité de la cellule se charge produit l'impulsion de tension dans la bobine de Rogowski. I1 est évidemment aussi possible d'utiliser dans ce cas également une photodiode. en tant que récepteur, si cela est justifiée du point de vue du coût. La description qui va suivre en regard du dessin annexé, donné à titre d'exemple non limitatif, fera bien comprendre comment l'invention peut tre réalisée. Comme représenté à la figure unique, la lampe 1 produisant des éclats par impulsions lumineuses et comportant les électrodes 2 et l'éclateur 3 est alimentée à partir de la décharge du condensateur 4 qui est connecté à la lampe 2-3 par la ligne 5. La ligne de décharge est entourée par la bobine de Rogowski 14 qui délivre son impulsion par l'intermédiaire du câble de liaison 15 au récepteur. Habituellement, le condensateur muni de l'enveloppe 6 est chargé par l'intermédiaire de résistances de charge 7 à partir d'un deuxième condensateur 8 chargé à son tour par l'intermédiaire d 'un redresseur 9 par un transformateur haute tension 10 qui est alimenté par le secteur 11.Du côté du récepteur, l'impulsion de la bobine de Rogowski, transmise par l'intermédiaire du câble 15, est envoyée sur un deuxième transformateur 16 qui ouvre, éventuellement par l'intermédiaire d'un redresseur 17, pleine-onde, la porte électronique 18 de l'amplificateur. Le cas échéant un basculeur mono-stable 39, peut store raccordé par son entrée de commande à la sortie du redresseur 17 > et par sa sortie à l'entrée de commande. A la porte ET > 18 qui est fermée lorsque le basculeur 39 est en position stable. En tant que câble on peut utiliser un câble de secteur habituel à basse tension. les signaux lumineux sont, du côté de l'émetteur, dirigés, dans la direction des flèches 12a, par l'intermédiaire du miroir concave 13 à peu près parallèlement vers le haut en direction du nuage. Les impulsions réfléchies par ce dernier dans la direction représentée par les flèches 12b sont localisées par un dispositif optique 21 sur la photodiode ou photo-cellule électrique 24 qui, habituellement à laide d'une source de courant 23 et d'une résistance de travail 24, transforme les impulsions lumineuses en impulsions électroniques, lesquelles arrivent, par exemple, par l'intermédiaire de condensateurs 25, dans le préamplificateur 19. Celui-ci peut également être un amplificateur de charge comportant un intégrateur, comme indiqué plus haut.De même, peut on monter à la suite de la porte électronique (gate) 18 un amplificateur additionnel 26 qui à partir des faibles impulsions de tension fournit des impulsions d'enregistrement de forte puissance pour actionner le relais ou le style du dispositif enregistreur comportant le papier d'enregistrement 27 qui se déplace dans-la direction indiquée par la flèche 27a. L'aiguille 29 effectue un mouvement de va-et-vient de manière habituelle en synchronisme avec le mouvement de rotation (suivant la double flèche 20) du récepteur 21, 22, des impulsions de synchronisation pour la coordination des deux mouvements étant éventuellement transmises de manière connue par l'intermédiaire de la ligne 30. Si l'on désire > comme mentionné plus haut, opérer avec un rayonnement à impulsions laser, il convient d'adopter le schéma de montage de la figure 2.Le barreau laser 31 placé entre les réflecteurs à contre-réaction 33a et 33b est soumis à un pompage par la lampe éclair 32. Le commutateur modifiant la qualité optique, qui est constitué par une cellule de Kerr ou de Pockels 34 est alimenté par l'éclateur 35 au moyen de l'électrode de commande 36, un condensateur auxiliaire 37 se déchargeant chaque rois spontanément dans la cellule 34. Cette impulsion à pente raide est à nouveau prélevée par la bobine de Rogowski 14 et amenée par l'intermédiaire de la ligne de liaison 15 au récepteur. La haute tension pour la cellule de Kerr ou de Pockels est obtenue à partir d'une source38. Grâce à l'agencement décrit ci-dessus, le récep tir ost à. flaque fois ouvert seulement pendant le laps de temps utile pour la mesure d'altitude requise pour les nuages les plus hauts c'est-à-dire pour une hauteur de 1500 m pendant 10 microsecondes. La fixation de ce temps peut être incorporée dans le bloc 18 par voie électronique usuelle. Lorsqu'il s'agit d'utiliser à la place d'un amplificateur d'intégration un amplificateur sensible à l'ampli- tude, comme mentionné plus haut, on prévoit entre 19 et 18 l'élément de retard 19a représenté en tirets. La figure la représente à titre auxiliaire que l'élément de retard 19a peut être réalisé de manière courante par des bobines de retard 19b et des condensateurs l9c, sous la forme d'une ligne à retard, ce schéma de substitution étant également applicable à des câbles à vitesse de propagation déterminée du commerce qui présentent une certaine longueur d'inductance et capacité constantes par unité de longueur.Etant donné que la différence de temps de propagation entre l'impulsion lumineuse la plus courte reçue à travers l'atmosphère et le temps de parcours de l'impulsion le long d'un câble souterrain est le plus souvent inférieure à 1 microseconde, le signal ne subit qu'un amortissement négligeable dans le câble 19a Dans le cas d'appareils pour mesurer l'altitude des nuages, la mise en application de la présente invention a permis sous les tropiques et en pleine lumière claire du jour, de porter la hauteur de mesure susceptible d'être atteinte de 600 à plus de 1 500 mètres. Sans sortir du cadre de la présente invention, le même principe peut également être appliqué à d'autres appareils de Lesure opto-électroniques à impulsions utilisés en métél-ro- logie ou pour déterminer des paramètres du milieu environnant, par exemple afin de réduire le bruissement des turbidimètres utilisés dans l'eau, en particulier lorsque la surface est soumise à un vif rayonnement solaire, où il s'agit de mesurer au moyen d'impulsions lumineuses la turbidité ou la fluorescence de la rhodamine ou de la chlorophylle. Ici aussi on explore à partir de l'émetteur pendant à peu près 10 microsecondes-- le récepteur de sorte que celui-ci n'est chaque fois en état de recevoir des signaux que pendant cette très courte durée qu'entre les impulsions, au cours du temps inutile, le bruissement dû à la lumière du Jour est bloqué. REVENDICATIONS 1.- Dispositif destiné à accroftre la sensibilité et/ou augmenter la portée d'appareils de mesure océanographiques ou météorologiques du type opto-électronique à impulsions, en particulier d'appareils pour mesurer l'altitude de nuages, caractérisé en ce qu'il est prévu dans le circuit amplificateur du récepteur un circuit de porte, électronique, qui s'ouvre pour la durée de l'impulsion et du temps de propagation de la lumière maximal suivant, l'impulsion d'ouverture pour cette porte de conduction du courant étant produite par l'émetteur d'impulsions lumineuses et étant amenée par un cible de liaison au circuit du récepteur. 2.- Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit de porte est muni d'un circuit de retard pour le signal, lequel circuit de retard présente un temps de retard supérieur au temps de propagation du signal dans le cible de liaison entre l'émetteur d'impulsions et le récepteur. 3.- Dispositif suivant les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le dispositif de retard est constitué par un intégrateur qui met l'impulsion reçue en mémoire sous la forme d'une somme d'intensité de courant, de telle sorte que l'ouverture de la porte de courant ne s'effectue qu'après achèvement de ce processus d'intégration. 4.- Dispositif suivant les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le dispositif de retard est constitué par une chaîne à retard, à titre auxiliaire, par un câble de retard, de telle sorte que l'impulsion retardée passe par la porte de courant après que celle-ci soit déjà-ouverte. 5.- Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que, pour produire du czoté de l'émetteur l'impulsion de tension auxiliaire qui est alimentée par le cible de liaison au récepteur, on utilise une bobine de Rogowski entourant l'une des lignes de décharge du condensateur à impulsions prévu du côté de l'émetteur et qui alimente 1'éclateur d'impulsions. 6.- Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'en cas d'utilisation d'une source lumineuse laser comprenant un commutateur de qualité optique l'impulsion de tension auxiliaire provenant du coté de l'émetteur est produite par le fait qu'une bobine de Rogowski entoure l'une des lignes d'alimentation de la cellule de Kerr ou de Pockels. 7. - Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1 á 4, caractérisé en ce que l'impulsion de tension auxiliaire du c8té de l'émetteur est produite au moyen d'une photodiode à laquelle est amenée une partie de la lumière de l'émetteur.