Brevet FR2523378A1 — publié le 19830916

_ 1- Dispositif laser émetteur-récepteur et application à un système de détection à distance La présente invention concerne un dispositif laser émetteur-récep- teur et l'application de ce dispositif à un système de détection à distance. On connatt un dispositif laser émetteur-récepteur, à détection hétérodyne, qui peut être utilisé par exemple pour la réalisation de systèmes de détection à distance Dans ce dispositif, la fréquence d'é- mission de l'émetteur laser est légèrement décalée par rapport à celle d'un oscillateur local et l'écho, renvoyé par une cible, est dirigé vers un détecteur photoélectrique qui reçoit aussi le rayonnement délivré par l'oscillateur local Le détecteur délivre alors des signaux modulés à une fréquence égale à la différence entre la fréquence d'émission et celle de l'oscillateur local Pour cela, l'émetteur laser délivre un faisceau continu qui est divisé en deux parties par une lame optique inclinée sur l'axe d'émission Une première partie du faisceau traverse d'abord une cellule de glissement de fréquence associée à un modulateur, de façon à obtenir des impulsions d'un rayonnement dont la fréquence est légèrement décalée par rapport à celle de l'émetteur laser Ces impul- sions traversent ensuite un système optique capable de les diriger vers la cible La deuxième partie du faisceau constitue le rayonnement d'os- cillateur local, ce rayonnement étant dirigé vers le détecteur pour être mélangé à celui de l'écho renvoyé par la cible. Le dispositif décrit ci-dessus présente un inconvénient Il est difficile d'éviter, en effet, la formation de réflexions parasites des impulsions du rayonnement à fréquence décalée sur les dioptres du sys- tème optique et sur la face de sortie de la cellule de glissement de fréquence Certaines de ces réflexions parasites traversent en sens in- verse la cellule sans subir de glissement de fréquence, et, après réflexion sur les miroirs de la cavité laser, sont renvoyées par la lame optique vers le détecteur Il en résulte un brouillage à fort niveau qui perturbe le fonctionnement du dispositif. La présente invention a pour but de pallier cet inconvénient. Elle a pour objet un dispositif laser émetteur-récepteur à détec- tion hétérodyne, comportant 2 - un émetteur laser d'un rayonnement continu principal, un séparateur optique disposé pour prélever une partie du rayonnement principal et transmettre l'autre partie, un modulateur à basse fréquence f 5 disposé pour recevoir la partie du rayonnement principal transmise par le séparateur, ce modulateur étant apte à délivrer, en réponse>des impulsions laser, un système optique disposé à la sortie du modulateur pour diriger les impulsions laser vers la cible, une partie de l'énergie de ces impulsions étant rétro-diffusée suivant un rayonnement de retour de fréquence fl, un oscillateur local capable d'émettre un rayonnement laser de réfé- rence, de fréquence f 2 différente de fly un récepteur électro-optique disposé pour recevoir le rayonnement de retour de fréquence f et le rayonnement de référence de fréquence f et capable de délivrer en réponse un signal électrique modulé à la fréquence intermédiaire f 2-f 1 et un circuit de traitement du signal électrique, caractérisé en ce que l'oscillateur local est constitué par un organe de glissement de fré- quence disposé entre le séparateur et le récepteur pour recevoir la partie du rayonnement principal prélevée par le séparateur, ce rayonne- ment étant de fréquence f 1, cet organe étant apte à délivrer en réponse le rayonnement de référence de fréquence f Dans ce dispositif, le circuit de traitement peut comporter, en série à la sortie du récepteur, successivement un amplificateur du si- gnal de fréquence intermédiaire, un détecteur d'enveloppe et un ampli- ficateur basse fréquence relié au modulateur pour réaliser une détection synchrone sur la basse fréquence f 5. La présente invention a aussi pour objet un système de détection à distance, ce système comportant un dispositif laser émetteur-récepteur défini ci-dessus, caractérisé en ce qu'il comporte en outre, un émetteur laser supplémentaire capable de délivrer un rayonnement principal continu de fréquence f 3 décalée par rapport à fly des moyens de prélèvement optique pour diriger une partie du rayonne- ment principal de fréquence f 3 à l'entrée de l'organe de glissement de fréquence, un modulateur supplémentaire à une basse fréquence f 6 différente de f 5 disposé pour recevoir l'autre partie du rayonnement principal de -3- fréquence f 3, un système optique supplémentaire pour diriger vers la cible le rayon- nement sortant du modulateur supplémentaire, un circuit de filtrage dont l'entrée est connectée à la sortie du détecteur d'enveloppe, ce circuit comportant deux sorties connectées respectivement à l'entrée de l'amplificateur basse fréquence et à l'en- trée d'un amplificateur basse fréquence supplémentaire relié au modula- teur supplémentaire, un circuit diviseur dont les deux entrées sont connectées respective- ment aux sorties de l'amplificateur basse fréquence et de l'amplifi- cateur basse fréquence supplémentaire et un système d'enregistrement connecté à la sortie du circuit divi- seur. Des formes particulières de l'objet de la présente invention sont décrites ci-dessous, à titre d'exemple, en référence aux dessins annexés dans lesquels la figure 1 représente schématiquement un mode de réalisation du dispo- sitif selon l'invention, les figures 2 A, 2 B, 2 C, 2 D, et 2 E sont des diagrammes d'amplitude d'impulsion en fonction du temps, illustrant le fonctionnement du dispo- sitif représenté sur la figure 1, la figure 3 représente schématiquement un autre mode de réalisation du dispositif selon l'invention et la figure 4 représente schématiquement un système de détection à distance comportant un dispositif laser émetteur-récepteur du type illustré par la figure 1. Sur la figure 1, est visible un émetteur laser continu 1 qui peut être par exemple du type guide d'onde, à gaz carbonique Ce laser compor- te, le long d'un axe 2, deux miroirs 3 et 4 formant une cavité optique résonnante Le miroir 3 est partiellement transparent et le miroir 4 est constitué par un réseau dont l'inclinaison sur l'axe 2 est réglable. Entre les miroirs 3 et 4 est disposé un tube laser 5 muni de fenêtres transparentes inclinées à l'incidence de Brewster A la sortie de l'émetteur 1, est disposée une lame optique séparatrice 6 partiellement réfléchissante et inclinée à 450 sur l'axe 2 Au delà de la lame 6 sont 4 disposées deux lentilles convergentes 9 et 10 centrées sur l'axe 2 et formant un système optique afocal Un modulateur à basse fréquence tel qu'un obturateur est placé au foyer commun des deux lentilles Cet obtu- rateur comporte un disque 11 muni d'ouvertures, entraÂné en rotation autour de son axe par un moteur 12. Sur l'axe de renvoi 13 de la lame 6 est disposé un cristal de germanium 14 muni d'un transducteur acoustooptique en contact avec le cristal et alimenté par un générateur électrique 15 Un détecteur pho- toélectrique 16 reçoit, suivant un axe 17, le rayonnement sortant du cristal 14 Un système optique afocal formé d'une lentille conver- gente 18 et d'une lentille divergente 19 est centré sur un axe 20 coupant l'axe 17 entre le cristal 14 et le détecteur 16 Au point d'intersection des axes 17 et 20, est disposée une lame optique de renvoi 21 partielle- ment réfléchissante et inclinée de façon à renvoyer vers le détecteur 16 le rayonnement ayant traversé le système optique afocal 18-19 A la sortie du détecteur 16, est disposé un circuit de traitement qui comporte successivement un amplificateur 22, un détecteur d'enveloppe 23 et un amplificateur 24 connectés en série. Un générateur lumineux 25 et un récepteur photoélectrique 26 pla- cés sur un support 27 et alignés suivant un axe parallèle à l'axe 2 et traversant les ouvertures du disque 11 forment un capteur de la basse fréquence de modulation La sortie électrique du récepteur 26 est connectée à l'amplificateur 24. Le dispositif représenté sur la figure 1 fonctionne de la manière suivante. Le moteur 12 étant mis en marche, le rayonnement continu 28, de fréquence f 1, émis par l'émetteur 1 est interrompu par le défilement des ouvertures du disque 11, à une basse fréquence f 5 de quelques kilohertz par exemple Il en résulte, à la sortie de la lentille 10, la formation d'un faisceau d'impulsions 29 dirigé vers une cible non représentée Une partie 30 de l'énergie de ces impulsions est renvoyée par la cible et, après traversée du système optique 18-19, est réfléchie par la lame 21 vers la surface sensible du détecteur 16. Sous l'action du transducteur acousto-optique associé au cris- tal 14, la partie 31 du rayonnement 28, réfléchie par la lame 6, est déviée par le cristal 14 et subit un glissement de fréquence f 2 -f 1 qui peut être de l'ordre de 100 M Hz Le faisceau 32, à la fréquence f 2, qui sort du cristal 14 joue le rôle d'un faisceau de référence émis par un oscillateur local et vient illuminer la surface sensible du détecteur 16 qui reçoit aussi le rayonnement de retour 30 à la fréquence fi Le détecteur 16 qui est du type quadratique affectue une détection hétérodyne et délivre à sa sortie un signal électrique modulé à la fréquence intermé- diaire f 2-f 1. Ce signal est amplifié par l'amplificateur 22 à fréquence intermé- diaire, puis traverse successivement le détecteur d'enveloppe 23 et l'amplificateur à basse fréquence 24 afin de subir une détection syn- chrone sur la basse fréquence f 5 de modulation créée par l'obturateur rotatif A cet effet, le rayonnement émis par le générateur 25 est pério- diquement interrompu par le défilement des ouvertures du disque 11 et l'amplificateur 24 reçoit les signaux électriques émis par le détec- teur 26, ces signaux étant représentatifs de la basse fréquence de modu- lation Ce type de circuit de traitement permet de diminuer de façon importante la bande passante de réception et donc d'augmenter le rapport signal sur bruit à la réception. Une rétroréflexion parasite des impulsions laser sur une des faces dioptriques de la lentille 10 traverse en sens inverse la lentille 9 et la lame 6 puis, après réflexion sur le miroir de sortie 3 du laser 1 par exemple, est renvoyée suivant l'axe 13 par la lame 6 Cette rétroré- flexion parasite traverse le cristal 14 o elle subit un glissement de fréquence f 2-f 1. On a donc, à la sortie du cristal 14, suivant l'axe 17, le faisceau de référence 32 à la fréquence f 2, auquel est superposée la rétroré- flexion constitué par un rayonnement de même fréquence f 2 mais modulé à la basse fréquence f 5 de l'obturateur rotatif. La figure 2 A montre les variations, en fonction du temps t, de l'amplitude A des impulsions résultantes de cette superposition, obser- vées à la sortie du cristal 14, dans le cas d'une rétroréflexion para- site. La figure 2 B montre la forme des impulsions de retour 30, Ce fré- quence fi, renvoyées par la cible Ces impulsions sont également modu- -6- lées à la même basse fréquence f, avec un retard qui correspond au chemin optique aller et retour vers la cible, ce retard étant en pratique négligeable. La figure 2 C montre la forme du signal électrique délivré par le récepteur 16, ce signal étant modulé à la fréquence intermédiaire f 2-f 1. L'amplificateur 22 amplifie le signal de fréquence intermédiaire et, en pratique, bloque la basse fréquence La figure 2 D montre la forme des signaux obtenus à la sortie de l'amplificateur 22. Après traversée du détecteur 23, seule l'enveloppe de ces signaux est conservée, comme le montre la figure 2 E L'amplificateur 24 permet d'effectuer une détection synchrone sur les signaux à basse fréquence provenant du détecteur 26. Il apparait ainsi qu'une rétroréflexion parasite sur le système optique d'émission ne brouille pas les signaux de réception Ce résultat provient essentiellement du fait qu'une telle réflexion parasite arrive à la fréquence f 2 sur le récepteur 16, après traversée du cristal 14. De plus, le faisceau de référence 32 sortant du cristal est continu et ne peut donner naissance à une rétroréflexion parasite sur la face de sortie du cristal 14. Le dispositif représenté sur la figure 3 est utilisé de préférence lorsque l'amplitude de la modulation basse fréquence introduite par l'obturateur rotatif est élevée: dans ce cas, il est très difficile de réaliser un amplificateur 22 effectuant sans saturation l'amplification des signaux à fréquence intermédiaire Le dispositif illustré par la figure 3 comporte les mêmes éléments que celui de la figure 1, ces élé- ments étant désignés par les mêmes références Il comporte en outre un polariseur 7 disposé sur l'axe 2 entre la lame 6 et la lentille 9, et une lame quart d'onde 8 disposée également sur l'axe 2 entre le polariseur 7 et la lentille 9. Le polariseur 7 crée une polarisation rectiligne, dans un premier plan, du rayonnement laser transmis par la lame 6 Cette polarisation rectiligne est transformée en une polarisation circulaire par la lame quart d'onde 8 S'il se produit alors une rétroréflexion parasite des impulsions laser sur une des faces dioptriques de la lentille 10, cette rétroréflexion traverse en sens inverse la lentille 9 et la lame quart 7 - d'onde 8 qui transforme alors la polarisation circulaire du rayonnement en une polarisation rectiligne dans un deuxième plan perpendiculaire au premier plan Toute réflexion parasite sur les faces de la lentille 10 est donc bloquée par le polariseur 7. Par ailleurs, comme dans le cas précédent, le faisceau de rayonne- ment laser renvoyé par la lame 6 et traversant le cristal 14 pour consti- tuer le faisceau de référence est continu et une rétroréflexion de ce rayonnement sur les faces du cristal ne risque pas de provoquer un signal parasite à la réception. Sur la figure 4 est représenté un système permettant de détecter à distance la présence d'un gaz tel que l'ozone dans l'atmosphère. Ce système comporte un dispositif laser émetteur-récepteur iden- tique à celui représenté sur la figure 1 Dans ce dispositif, l'émetteur laser 1 émet un rayonnement dont la fréquence correspond exactement à une raie d'absorption du gaz à détecter, cette fréquence pouvant être réglée par rotation du réseau 4 Le faisceau 29 sortant du système opti- que 10 subit une absorption partielle lorsqu'il traverse une couche du gaz recherché. Ce système comporte en outre un autre émetteur laser 33 analogue à l'émetteur laser 1 Le rayonnement 34 émis par l'émetteur 33 a une fré- quence f 3 voisine de la fréquence f 1 du rayonnement émis par le laser 1 mais cette fréquence f 3 ne correspond pas à une raie d'absorption du gaz à détecter Le rayonnement 34 se propage suivant un axe 35 parallèle à l'axe 2 et traverse successivement une lame optique séparatrice 36 par- tiellement réfléchissante et un système optique afocal comprenant deux lentilles convergentes 37 et 38 Au foyer commun des lentilles 37-et 38 est disposé un obturateur rotatif formé d'un disque 39 analogue au dis- que 11, ce disque étant entrainé en rotation autour de son axe par un moteur 40 Le disque 39 est muni d'ouvertures disposées de façon à pro- voquer, lorsque le moteur 40 tourne, une obturation périodique du rayon- nement laser à une fréquence f 6 différente de f 5 On obtient donc à la sortie de la lentille 38 une suite d'impulsions laser 41 dirigées dans la même direction que les impulsions laser 29 Le faisceau 41 rencontre également le gaz à détecter mais ne subit aucune absorption au contact de ce gaz Une partie de l'énergie du faisceau 41 est renvoyée partiellement 8- par la cible suivant un trajet coincidant avec celui du faisceau 30. Cette énergie de retour est reçue sur le récepteur 16 après traversée du système optique 18-19 et renvoi par la lame 21. La lame séparatrice 36 réfléchit à angle droit une partie de l'é- nergie du faisceau 34 suivant un faisceau 42 qui se superpose au faisceau 31 après renvoi par un miroir 43 et réflexion sur une lame optique 44 partiellement réfléchissante, disposée entre la lame 6 et le cristal 14 La partie de l'énergie du faisceau 34 renvoyée par la lame 6 traverse donc le cristal 14 et subit un glissement de fréquence f 4-f 3 égal à fr fi. Le récepteur 16 reçoit donc d'une part deux rayonnements de réfé- rence continus provenant du cristal 14, de fréquences f 2 et f 4, et d'au- tre part deux rayonnements formés par des impulsions de retour de fré- quences f 1 et f 3 renvoyées par la lame 21. Le récepteur 16 délivre donc à sa sortie deux types de signaux électriques: des impulsions d'un rayonnement de fréquence f 2-fl, modulé à la basse fréquence f 5 de l'obturateur rotatif 11-12 et des impulsions d'un rayonnement de fréquence f 4-f 3, modulé à la basse fréquence f 6 de l'obturateur rotatif 39-40. Il y a lieu de noter que la différence f 3-f 1 est suffisamment grande (en pratique de l'ordre de 1015 Hertz) pour que des signaux élec- triques de fréquence f 2-f 3 ou f 4-f 1 ne puissent être délivrés par le récepteur 16. Les impulsions électriques de fréquences f 2-f 1 et f 4-f 3 délivrées par le récepteur 16 traversent d'abord l'amplificateur 22 qui bloque les basses fréquences de modulation, puis le détecteur d'enveloppe 23, pour entrer dans un organe de filtrage 45 qui sépare et délivre sur une sortie 46 les signaux de fréquence f 5, et sur une sortie 47 les signaux de fréquence f 6. La sortie 46 de l'organe de filtrage 45 est reliée à l'entrée de l'amplificateur 24 qui effectue une détection synchrone sur les signaux à basse fréquence f 5 provenant du détecteur 26. La sortie 47 est reliée à l'entrée d'un autre amplificateur 48 qui effectue une détection synchrone sur la basse fréquence f 6 de l'obtura- -9- teur rotatif 39-40 Pour cela, cet obturateur comporte un capteur de fréquence, analogue a celui de 1 'obturateur 11-12, comprenant un généra- teur lumineux 49 délivrant un faisceau vers un détecteur 50, ce faisceau étant périodiquement interrompu par le défilement des ouvertures du dis- que rotatif 39 La sortie électrique du détecteur 50 est connectée à l'amplificateur 48. Les sorties des amplificateurs 24 et 48 sont reliées respective- ment aux deux entrées 51 et 52 d'un circuit diviseur 53 L'amplitude des signaux arrivant sur l'entrée 51 est plus faible que celle des signaux qui arrivent sur l'entrée 52, puisque le faisceau 29 a subi une absorp- tion dans la couche de gaz à détecter Le circuit diviseur 53 délivre *donc à l'entrée d'un enregistreur 54 un signal représentatif du produit de la concentration du gaz par la longueur de la couche traversée par le faisceau. - REVENDICATIONS 1/ Dispositif laser émetteur-récepteur à détection hétérodyne, compor- tant un émetteur laser d'un rayonnement continu principal, un séparateur optique disposé pour prélever une partie du rayonnement principal et transmettre l'autre partie, un modulateur à basse-fréquence f 5 disposé pour recevoir la partie du rayonnement principal transmise par le séparateur, ce modulateur étant apte à délivrer, en réponse, des impulsions laser, un système optique disposé à la sortie du modulateur pour diriger les impulsions laser vers la cible, une partie de l'énergie de ces impulsions étant rétro-diffusée suivant un rayonnement de retour de fréquence fi, un oscillateur local capable d'émettre un rayonnement laser de réfé- rence, de fréquence f différente de f 1, un récepteur électro-optique disposé pour recevoir le rayonnement de retour de fréquence f et le rayonnement de référence de fréquence f 2 ' et capable de délivrer en réponse un signal électrique modulé à la fréquence intermédiaire f 2-f 1 et un circuit de traitement du signal électrique, caractérisé en ce que l'oscillateur local est constitué par un organe ( 14) de glissement de fréquence disposé entre le séparateur ( 6) et le récepteur ( 16) pour recevoir la partie ( 31) du rayonnement principal ( 28) prélevée par le séparateur ( 6), ce rayonnement ( 28) étant de fréquence f 1, cet organe ( 14) étant apte à délivrer en réponse le rayonnement de référen- ce ( 32) de fréquence f 2. 2/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit de traitement comporte, en série à la sortie du récepteur ( 16), succes- sivçment un amplificateur ( 22) du signal de fréquence intermédiaire, un détecteur d'enveloppe ( 23) et un amplificateur ( 24) basse fréquence relié au modulateur ( 11-12) pour réaliser une détection synchrone sur la basse fréquence. 3/ Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'amplifi- cateur ( 22) du signal de fréquence intermédiaire est apte à bloquer la basse fréquence. 4/ Dispositif selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il comporte 11 - un polariseur ( 7),disposé entre le séparateur ( 6) et le modula- teur ( 11-12), de façon à créer une polarisation rectiligne de la partie du rayonnement principal transmise par le séparateur et une lame quart d'onde ( 8) disposée entre le polariseur ( 7) et le modulateur ( 11-12) pour transformer la polarisation rectiligne en une polarisation ciculaire. / Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'organe ( 14) de glissement de fréquence comporte un cristal traversé par la partie ( 31) du rayonnement principal ( 28) prélevée par le sépara- teur ( 6) et un transducteur acousto-optique en contact avec le cristal. 6/ Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce-que le modula- teur comporte un obturateur rotatif disposé au foyer commun d'un système afocal constitué par ledit système optique ( 10) et par un élément opti- que convergent ( 9) disposé entre l'obturateur ( 11-12) et le sépara- teur ( 6) 1 7/ Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que la liaison entre l'amplificateur basse fréquence ( 24) et le modulateur ( 11-12) comporte un capteur opto-électronique ( 25-26) associé à l'obturateur ro- tatif pour délivrer des signaux électriques à la basse fréquence f 5 de modulation, la sortie de ce capteur étant connectée à l'amplificateur basse fréquence ( 24). 8/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte une lame optique ( 21) disposée sur le trajet du rayonnement de réfé- rence ( 32) entre l'organe ( 14) de glissement de fréquence et le récep- teur ( 16), cette lame ( 21) étant orientée pour renvoyer vers le récep- teur ( 16) le rayonnement de retour ( 30) et étant apte à transmettre le rayonnement de référence ( 32). 9/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'émetteur laser ( 1)-est un laser à gaz carbonique du type guide d'onde. 10/ Système de détection à distance comportant un dispositif laser 'émet- teur récepteur selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un émetteur laser supplémentaire ( 33) capable de délivrer un rayonne- ment principal continu ( 34) de fréquence f 3 décalée par rapport à fly des moyens de prélèvement optique ( 36) pour diriger une partie ( 42) du rayonnement principal ( 34) de fréquence f 3 à l'entrée de l'organe de 12 - glissement de fréquence ( 14), un modulateur supplémentaire ( 39-40) à une basse fréquence f 6 diffé- rente de f 5, disposé pour recevoir l'autre partie du rayonnement princi- pal ( 34) de fréquence f 3, un système optique supplémentaire ( 38) pour diriger vers la cible le rayonnement sortant du modulateur supplémentaire ( 39-40), un circuit de filtrage ( 45) dont l'entrée est connectée à la sortie du détecteur d'enveloppe ( 23), ce circuit comportant deux sorties ( 46-47) connectées respectivement à l'entrée de l'amplificateur basse fréquen- ce ( 24) et à l'entrée d'un amplificateur basse fréquence supplémen- taire ( 48) relié au modulateur supplémentaire ( 39-40), un circuit diviseur ( 53) dont les deux entrées ( 51, 52) sont connec- tées respectivement aux sorties de l'amplificateur basse fréquence ( 24) et de l'amplificateur basse fréquence supplémentaire ( 48) et un système d'enregistrement ( 54) connecté à la sortie du circuit diviseur ( 53).