Brevet FR2264292A1 — publié le 19751010

La présente invention concerne un détecteur à distance de la présence dtun corps, plus particuliement destiné, à titre dtexemple, à la détection de mélanges gazeux. Elle concerne aussi une station automatique utilisant un tel détecteur pour la détec- tion de masses gazeuses polluantes dans l'atmosphère. On connatt de nombreux systèmes optiques de localisation de mélanges gazeux utilisant le phénomène de chargement de fréquence connu sous le nom dteffet Raman. On sait que si l'on envoie sur un corps, et en particulier sur une masse gazeuse,un faisceau laser de fréquence déterminée, la masse gazeuse réemet un rayonnement dans lequel on retrouve la fréquence de faisceau d'excitation, mais aussi, à des niveaux d'énergie plus faibles, des fréquences secondaires caractéristiques de la nature des corps contenus dans la masse gazeuse. Une analyse spectrale du signal de retour permet dtobtenir le *spectre Ramant du corps; l'écart de fréquence entre les raies Raman et la fréquence excitatrice permet d'identifier la nature du ou des corps contenus dans la masse. Une application connue de ce phénomène consiste à coupler une émission laser pulsée ou déclenchée avec un télescope dirigé dans la même direction et recueillant le signal de réponse. Le fais cesu recueilli, focalisé et filtré, est analysé par un spectromètre. La position de la masse gazeuse est alors définie en direction par la direction du laser et du télescope, et en distance par une mesure du type radar, en mesurant le temps écoulé entre une émission du laser et l'apparition de la réponse. Sous cette forme cependant, un tel détecteur se prote mal à la réalisation d'un appareil de contrtle industriel, c'est à dire pouvant fonctionner sans surveillance, avec des frais d'entretien réduits; on ne demandera pas non plus à un ap pareil industriel une précision excessive des mesures. et on accep= cors tera aisément qu'il ne permette la détection que de certains/bien déterminés à l'avance. Dans les appareils actuellement connus les mesures de distance du type radar exigent un laser pulsé ou déclenché - et un équipement électronique complexe. En outre les spectromètres utilisés habituellement pour 11 étude des spectres Raman sont très complexes car ils sont prévus pour détenteur le plus grand nombre possible d'éléments identifiables dans le corps étudie. Les faibles énergies mises en jeu dans les faisceaux de réponse, et le fait que certaines fréquences de réponse sont très proches de la fréquence excitatrice conduisent à des spectromètres à plusieurs étages de dispersion utilisant plusieurs réseaux. la présente invention remédie à ces inconvénients et permet la réalisation d'un détecteur simplifié, utilisant toujours l'effet Raman mais se priant mieux à des réalisations industrielles et adaptables à des stations automatiques de détections Ltinvention s'applique à un détecteur utilisant l'effet Raman et comportant un laser émetteur vers le corps à détecter et un récepteur de signal de réponse, renvoyant le signal après filtrage éventuel, vers un dispositif d1analyse. Selon I'irrrrention, le détecteur comporte pour l'analyse du signal de réponse, un réseau holographique unique, concave, le réseau étant choisi à taux de lumière parasite infé rieur à ltintensité des signaux à détecter, le spectre obtenu étant reçu par un ensemble optico-éleetroniquee Selon une forme préférentielle de l'invention, le détecteur comporte des fibres optiques de transport du spectre formé sur la surface focale du réseau holographique vers le récepteur opticoélectronique, en adaptant la surface focale du réseau à la surface dtentrée du récepteur optico-électrônique. Selon 11 invention, dans une station de détection utilisant le détecteur ci-dessus, le laser émetteur, le récepteur du signal de réponse et le dispositif d'analyse du signal sont portés par une plateforme mobile par rotation au moins en site ou en azimut et munie de capteurs caractérisant la direction du récepteur, le faisceau laser formant avec la direction du récepteur un angle caractéristique de la distance du corps détecté; la station comporte des moyens de trandmission des signaux de détection et des références angulaires. Selon une forme particulière de ltinvention, l'angle du faisceau laser avec la direction du récepteur est lux-mOme variable et défini par un capteur dtangle dont le signal caractéristique de la distance du corps détecté est également transmis aveo les autres références angulaires. 11 invention va maintenant Outre décrite avec plus de détails en se référant à de modes de réalisation particuliers donnés à titre d'exemples et représentés par les dessins annexés. La figure 1 donne un exemple des écarts de fréquence observés, sur un spectre Raman, entre la fréquence excitatrice et la fréquence des raies caractéristiques de différents gaz usuels. La figure 2 est un schéma fonctionnel d'une station de détection réalisée selon l'invention et destinée à détecter unique ment un nombre restreint de corps déterminés. La figure 3 est un schéma fonctionnel dune station de détection permettant de recueillir la totalité des informations spectrales contenues dans le signal de réponse et de les traiter ensuite selon les besoins spécifiques. La figure 1 donne, sur un spectre Raman, la position -relative des raies caractéristiques des principaux gaz usuels par rapport à la fréquence du faisceau laser dtexcitation. Cette fréquence dtexcitation est ici prise comme zéro et l'on voit par exemple que la présence de méthane (CE4) dans le corps étudié se traduit par l'apparition dans le spectre d'une raie au voisinRge dtune fréquence supérieure de 30000 cm-1 à la fréquence d'exci- station.On notera aussi que certains gaz sont caractérisés par la présence de plusieurs raies au lieu donne, On se référera maintenant à la figure 2 pour la description fonctionnelle dtune station automatique de détection dans l'atmosphère d'une masse 1 de gaz polluants. la station comporte une plateforme mobile 3 qui est orientable dans toutes les directions par rotation en site et en azimut autour des axes horizontaux et verticaux 4 et 5. Ces rotations-sont commandées par des moteurs tout-à-fait usuels, et qui pour cela ntont pas été représentés sur le dessin simplifié de la figure 2. Des capteurs 7 et 8, également usuels, traduisent la position angulaire en site et en azimut de la plateforme 3. la plateforme orientable 3 sert de support à un émetteur laser 10 dont le faisceau est réfléchi par le miroir plan 11. le miroir 11~est commandé en rotation autour d1un axe. parallèle à son plan, et ici perpendiculaire au plan de la plateforme 3. Un capteur 13 traduit la position angulaire du miroir, et par conséquent la direction du rayon 14; ici cette direction est définie par I'angle a du rayon t4 par rapport à sa direction limite i. lorsque le rayon laser 14 rencontre la masse gazeuse 1, celle-ci réemet un rayon nen-ent, et une partie en est captée par le télescope 16 dont l'axe est parallèle à la direction I. le télescope 16 est constitué de façon usuelle par un jeu de miroirs qui focalisent l'ensemble des rayons émis par la masse 1 dans la direction X, et renvoient ce rayonnement, après filtrage en 17, sur un spectromètre d' analyse. Ici le faisceau est envoyé sur un réseau holographique concave 20, et le faisceau est dispersé pour former suer la surface focale 21 du réseau holographique une image qui constitue le spectre Raman du rayonnement réemis par la masse gazeuse l. Dans l'application décrite ici la station de détection a pour objectif de rechercher la présence d'un nombre limité de gaz bien définis, par exemple le gaz carbonique, lto ygène et l'oxyde de carbone, dont les raies caractéristiques se forment respectivement en 23, 24 et 25 sur la surface focale 21 du réseau holographique. Â chaque emplacement de la raie caractéristique dtun gaz recherché, est associée une fibre optique, respectivement 26, 27 et 28 qui transporte sur un meme plan les raies lumineuses formées sur la surface focale non plane du réseau.L'autre extré mitéJde sortie, des trois fibres optiques aboutit dans un même plan devant un disque 30 percé, en face de chaque fibre optique, d'une succession de trous, si bien que chaque rayonnement optiqué de fréquence propre transporté par les fibres optiques. se trouve en outre, par la rotation du disque 30, modulé à une fréquence ellemême propre å chacune des fibres. les trois signaux optiques, caractérisés chacun par une fréquence propre et par une fréquence de modulation sont envoyés sur un photomultiplicateur 32 qui transforme l'ensemble des signaux optiques en un signal électrique regroupant l'ensemble des fréquences. le signal électrique est transmis par la connexion 33 à un filtre 34 après amplification en 35. Dans le filtre 34, par filtrage à partir des fréquences de modulation, on reconstitue trois signaux électriques analogiques, caractéristiques de l'intensité des trois raies formées en 23, 24 et 25 du spectre Raman, c'est à dire-caractéristiques de la quantité respective de gaz carbonique, d'oxygène et dtoyde de carbone conte nue dans la masse gazeuse 1. Les signaux analogiques 35, 36 et 37 sont transformés par les convertisseurs analogiques-digitaux 39, 40 et 41 en si gnous numériques introduits dans un émetteur 43. Par ailleurs les signaux angulaires en provenance des capteurs 7, 8 et 13 sont également transformés en signaux numériques par les convertisseurs analogiques-digitaux 45, 46, 47, et introduits eus-aussi dans un émetteur 48. On voit que la rotation ainsi réalisée peut constituer une station automatique de surveillance de la présence de gaz polluants dans une zone déterminée de lsespace, puisqu'il suffit de programmer les moteurs de commande de rotation en site et en azimut de la plateforme pour que la direction X du télescope 16 et de l'émetteur laser balayent une zone déterminée de l'espace. En mEme temps, par la mise en mouvement du miroir il on donne au faisceau laser 14 un mouvement de balayage faisant varier ltangle a de zéro à une valeur déterminée.* Lorsque le faisceau laser rencontre une masse gazeuse contenant ltun des gaz que l'on cherche à détecter, il y a apparition d'une raie Roman caractéristique sur la surface 21, et la présence de cette raie est traduite par un signal transmis par l'émetteur 43. Les références angulaires transmises par l'émetteur 48 au moment où l'on observe le signal caractéristique du gaz recherché donnent à la fois la direction de la masse gazeuse contenant le gaz polluant par les références angulaires de site et atazi mut, et la distance de cette masse au détecteur, par la référence angulaire a et la connaissance de la distance entre l axe du télescope et l'axe X du rayon laser qui lui est parallèle. Dans la description qui viens d'être donnée, l'émission de tous les renseignements est continue, mais bien entendu, on peut aussi ne faire déclencher l'émission qu'à partir d'un senil de pollution supérieur à une référence prédéterminée. Dans ce cas, chaque signal issu du convertisseur 39,40 ou 41 est envoyé sur un comparateur 50, 51 ou 52 réglé pour une concentration admissible du gaz détecté. Une teneur en gaz supérieur à la la-nale7wr de référence se traduira par l'émission par le compa- - d'un signal rateur, / symbolisé ici par les lignes Interrompues, et qui aeclenone l'émission par les émetteur 43 et 48. Dans ce cas, seule la présence en quantité anormale de ltun des gaz surveillés conduira à la transmission simultanée des données angulaires caractérisant la position de la masse dangereuse. On peut encore, par des moyens usuels et bien connus des spécialistes > combiner les signaux relatifs à chacun des gaz de fa çon à faire déclencher l'émission non par l'intensité propre du signal relatif à un gaz, ctest à dire lorsque la quantité de gaz atteint un seuil prédéterminé, mais par les proportions relatives de deux gaz, en faisant déclencher l'émission par itexistance d'un rapport entre les signaux de deux ga supérieur à une valeur prédéterminée. C'est ainsi que le caractère polluant d'une masse gazeuse sté- value plus souvent par le rapport entre les quantités qutil renferme de gaz carbonique et d' oxygène, pluttt que par la valeur absolue de gaz toxiques contenus dans la masse gazeuse On se référera maintenant à la figure 3 pour une variante de réalisation dans laquelle on ne sélectionne pas, a priori, les signaux relatifs à un ou plusieurs gaz déterminés mais dans laquelle on garde la possibilité d'explorer et d'utiliser ia totalité du spectre Raman obtenu par diffusion du faisceau reçu par le téles copte. Toute la partie conernant le montage mobile de la plateforme, lsémission laser et la réception par le télescope, ainsi que la formation du spectre par le réseau holographique sont ici identiques à ce qui a été décrit à propos de la figure 1. La solution varie seulement par rapport au dispositif précédent en aval de la surface focale 21 du réseau holographique, par l'utilisation du spectre formé sur cette surface focale. Ici ctest la totalité du spectre Raman qui est transportée par un bloc compact 60 constitué par un très grand nombre de fibres optiques jusqu'à une surface plane 61. La surface plane 61 constitue la face frontale d'un tube type télévision 63, à balayage, et dont le balayage se fait parallèlement aux lignes spectrales.Pour éviter toute déformation d'image, le tube 63 est lui-mtme équipé à sa partie frontale d'une galette de fibres optiques 64o Ltensemble des galettes de fibres optiques 60 et 64 permet ici un couplage rigoureux entre la surface focale 17 du réseau holographique et la surface interne balayée dans le tube 63. On voit qu'ici c'est la totalité du spectre Raman qui est transformée dans le tube 63 en un signal vidéo, amplifié de façon classique-par l'amplificateur 65. On pourra augmenter l'efficacité de la détection en utilisant pour le tube 63 un tube intégrateur (par exemple du type SEC) qui conduira à une amplification des signaux dans le tube lui-mtme. Le signal vidéo issu de l'amplificateur 65, et représentant la totalité des fréquences du spectre, sera appliqué à l'entrée d'un dispositif usuel dit "demande de fréquence" 66. L'appareil demande de fréquence" permet de sélectionner dans la totalité des fréquences entrées, des bandes plus ou moins larges ou des combinaisons de bandes constituant le signal de sortie quij après transformation analogique-digitale en 67, est introduit dans émetteur 43. On voit que la disposition qui vient d'dire décrite constitue un détecteur polyvalent, le choix des éléments retenus dans le spectre Raman établissant seulement, en fonction des besoins du moment, par sélection dans l'appareil de demande de fréquence 66. Bien entendu, dans cette disposition aussi on peut obtenir l'émission continue du signal sélectionné, ou bien ne déclencher l'émission, à la fois du signal et des références angulaires de direction et de distance que lorsque le signal s'écarte de sa valeur de référence d'une quantité supérieure à une valeur prédéterminée. Bien entendu, l'invention n1 est pas strictement limitée aux modes de réalisatlon qui ont été décrits à titre d'exemples, mais elle couvre également ceux qui n1 en différeraient que par des variantes d'exécution ou par l'utilisation de moyens équivalents. On notera en particulier que les dispositifs électroniques de transformation des signaux n1 ont pas été décrits en détail car leur détermination est une simple question de technologie à la portée de tous les spécialistes. Le point commun et fondamental des dispositifs qui ont été décrits réside dans ltutilisation d'un réseau holographique unique pour l'analyse spectrale du rayonnement Raman et ltaaaptation de la surface focale du réseau à la surface d'entré dtun récepteur optico-électronique dont le signal de sortie est ensuite traité et étudié par des moyens électroniques usu els. On notera encore quton ne s'écartera pas de l'invention par une station dont le champ de détection serait plus limité. On pourrait ainsi bloquer ltangle de site ou dtazimut, ou encore la distance. A la limite on pourrait ainsi envisager une station fixe, visant en permanence un point particulier comme par exemple ltémis- sion des fumées sortant d'une seule cheminée industrielle de grande hauteur. Enfin les applications du détecteur ne sont pas limites à la surveillance de masses gazeuses polluantes, mais peut s'éten- dre à des polluants solides ou liquides pour la surveillance de zones maritimes. D'autres applications-peuvent titre facilement imaginées, et par exemple pour l'étude des écoulements gazeux sur des maquettes, ou pour la mesure de concentrations gazeuses dans des zones dangereuses (réacteur nucléaire) ou d'accès difficile (chambre stérile). REVENDICATIONS 1 / Détecteur à distance de la présence dtun corps, par utilisation de l'effet Raman, selon lequel un corps frappé par un rayon laser de fré-quence donnée réemet un signal de réponse dont les fréquences par rapport à la fréquence initiale sont caractéristiques de la nature du corps, comportant un laser émetteur vers le corps à détecter, et un récepteur du signal de réponse, renvoyant le signal après filtrage éventuel, vers un dispositif dta- nalyse, caractérisé par le fait qu'il comporte, pour l'analyse du signal de réponse un réseau holographique unique, conclave, le réseau étant choisi à taux de lumière parasite inférieur à l'intensité des signaux à détecter, le spectre obtenu étant reçu par un ensemble optico-électroniqueO 20/ Détecteur selon revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comporte des fibres optiques de transport du spectre formé sur la surface focale du réseau holographique vers le récepteur optico-électronique, en adaptant la surface focale du réseau à la surface dtentrée du récepteur optico-électronique. 30/ Détecteur selon revendication 2, destiné-à détecter un ou plusieurs corps déterminés, caractérisé par le fait que les fibres optiques sont disposées, sur la surface focale du réseau, seulement aux emplacements des raies caractéristiques du ou des corps à détecter. 40/ Détecteur selon revendication 3, caractérisé par le fait qutil comporte, entre la sortie des fibres optiques de transport et le récepteur optico-électronique, un modulateur modulant à une fréquence propre le signal optique transporté par chaque fibre, le signal du récepteur optico-électronique étant ensuite traité électroniquement, par des moyens usuels, pour séparer les signaux caractéristiques de chaque corps0 50/ Détecteur selon revendication 2, caractérisé par le fait que les fibres optiques couvrent la totalité du spectre formé sur la surface focale du réseau. 60/ Détecteur selon revendication 5, caractérisé par le fait que les fibres optiques aboutissent à un dispositif opticoélectronique à balayage, dont le signal de sortie est traité par des moyens électroniques usuels, 70/ Station de détection à distance de la présence d'un corps, utilisant un détecteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée par le fait que le laser émetteur le récepteur du signal de réponse et le dispositif atanalyse du signal sont portés par une plateforme mobile par rotation au moins en site et en azimut, et munis de capteurs caractéristiques de la direction du récepteur, le faisceau laser formant avec la direction du récepteur un angle caractéristique de la distance du corps détecté; et par le fait quelle comporte des moyens de transmission des signaux de détection et des références angulaires0 80/ Station de détection selon revendication 8, caractérisé par le fait que l'angle du faisceau laser avec la direction du récepteur est lui-eme variable et défini par un capteur dtangle dont le signal caractéristique de la distance du corps détecté est également transmis avec les autres références angulaires. 90/ Station de détection selon l'une quelconque des revendications 7 et 8, caractérisée par le fait qutelle comprend : - des moyens pour comparer la valeur des signaux caractérisant les corps å détecter avec une valeur de référence absolue ou relatives - des moyens pour déclencher la transmission des signaux lorsque ltécart des signaux avec les valeurs de référenc dépasse un rapport prédéterminé.