Brevet FR2572806A1 — publié le 19860509

Procédé pour déterminer le signe et la valeur d'un décalage de fréquence. La présente invention se rapporte à un procédé pour déterminer le signe et la valeur d'un décalage de fréquence au moyen d'un récepteur hétérodyne. A l'aide d'une réception optique superhétérodyne, c'est-à- dire en mélangeant une onde de signal à une onde de fréquence porteuse (désignée ci-après par "onde d'oscillateur local"), il est possible, en mélangeant deux ondes lumineuses de haute fréquence, de mettre en évidence la fréquence diffé- rentielle et de la traiter électroniquement; une fréquence sommatrice se produisant alors également ne peut pas être enregistrée, étant donné que sa valeur est toujours considé- rablement plus grande que la largeur de bande du détecteur. La fréquence différentielle mesurée est toujours positive, c'est-à-dire qu'il n'est pas possible de distinguer si la fréquence de l'onde de signal est supérieure ou infé- rieure à la fréquence de l'onde d'oscillateur local. On qualifie ce procédé de "procédé homodyne". Pour obtenir une information relative au signe de la fréquence différentielle, le spectre de fréquence doit être décalé intégralement en direction de l'axe positif, ce qui est qualifié de "procédé hétérodyne". La fréquence intermédiaire apparaissant lors d'un tel décalage sera désignée ci-après par "fréquence décalée" fOF' La réception superhétérodyne optique est, par exemple, utilisée au cours de la mesure de vitesses en tirant parti de l'effet Doppler et en employant seulement un laser, c'est-à-dire lors de ce qu'on appelle une mesure de vitesses "laser-Doppler". Dans ce cas, une fréquence laser fo discrète et suffisamment stable est décalée par suite de l'effet Doppler sur un objet mobile (par exemple une particule), c'est-à-dire que l'objet déplacé provoque un décalage Doppler de cette fréquence laser f o. Ce décalage de fréquence A fD' qui est directement proportionnel à la vitesse v d'une particule, obéit à l'équation (1): AfD = (2fo/c).v (1), dans laquelle c désigne la vitesse de la lumière. Lorsque la fréquence (fo + a fD) à décalage Doppler de l'onde de signal ainsi engendrée est mélangée à la fréquence fLO = f de l'oscillateur local, le spectre obéit, comme illustré schématiquement sur la figure 1, aux équations (2) suivantes: (fo+tAfD) + fL0 = 2fo+ fD (fo+ fD) - fL0 = fD = fhom (2) o fhom désigne la fréquence résultant de la réception homodyne. Certes, la fréquence 2fo + A fD pourrait permettre d'obtenir un renseignement univoque concernant le signe de la vitesse; néanmoins, cela ne peut pas être démontré à cause de la grandeur de la fréquence, c'est-àdire à cause de sa hauteur. Par conséquent, la fréquence fhom ne donne aucune indication concernant la direction de la vitesse. Lorsque, en revanche, la fréquence (fo+ t fD) à décalage Doppler de l'onde de signal est mélangée à la fréquence (fLO+fOF) d'un oscillateur local à fréquence décalée, le spectre ainsi obtenu peut, comme représenté schématiquement sur la figure 2, être exprimé par les équations (3) suivantes: (fo+ - fD) fL0= fD= fhom (fLo+fOF) - fL0o fOF (3) (fo+ fD) fLO+fOF) = fOF + fD' ou bien,respectivement, la fréquence (f0F +AfD) renferme une information quant à la valeur de la vitesse du mouvement et quant à sa direction. Dans le cas d'une superposition insuffisante, par exemple par suite d'un ajustement défectueux, l'on obtient en plus le spectre suivant: (fo0 fD fOF) - fLO- fOF fD0 (4)' (f0 fD+fOF) - (fLO+fOF) = fD' Dans ce cas, à cause de la fréquence (fFt À fD), l'information relative au signe de la vitesse échappe à nouveau partiellement. Les fréquences(fOF+ a fD) et(fOF+ fD) renferment, chacune pour ce qui la concerne, l'information relative au signe de la vitesse tant que seulement l'une de ces deux fréquences possède une amplitude plus grande. Si les deux fréquences accusent la même amplitude,.le spectre renferme la même information que lors de la réception homodyne. En conséquence, lors de la réception hétérodyne, il est nécessaire de veiller à une bonne cohésion entre l'émet- teur et l'oscillateur local, ainsi qu'à un ajustement scru- puleux. Le caractère univoque du signe du vecteur de vitesse devant être mesuré peut être vérifié, par exemple en engen- drant un signal de référence à l'aide, par exemple, d'un disque tournant dans une direction connue. La fréquence décalée (fOF) peut, quant à elle, être engendrée de différentes façons. L'on établira fondamentale- ment ci-après la différence entre deux procédés selon que, pour engendrer et stabiliser la fréquence décalée (fOF), il est nécessaire de disposer de composants autres qu'optiques (comme par exemple dans un système hybride), ou inversement (comme par exemple dans un système intrinsèque). Dans le cas de systèmes hybrides, l'on connaît pour l'essentiel deux procédés. Dans le premier procédé, une seconde source lumineuse cohérente est couplée au moyen d'un circuit électronique discriminateur à la fréquence de la première onde lumineuse, à distance de la fréquence décalée fOF' ce qui est par exemple décrit dans "Appl. Opt." Vol. 20, 4, page 579 (1981) par R.L. Schwiesow et R.E.Cupp, et dans le brevet US-A-4 169 906. Cependant, pour obtenir par ce procédé un degré d'efficacité suffisant pour mettre en évidence des signaux très faibles, il faut prévoir une complexité électronique et optique non négligeable. En effet, le circuit électronique doit comporter une caractéristique de réaction adaptée aux propriétés optiques de la première source lumineuse (c'est-à-dire des temps de montée rapides, des organes de manoeuvre exempts de retard, etc.). Pour des raisons de cohésion (c'est-à-dire par exemple concernant la-divergence, la polarisation, la position de phase, etc.), il est nécessaire que les propriétés optiques des deux sources lumineuses soient en harmonie. Dans le second procédé connu, la fréquence d'une partie de la puissance lumineuse de la source est décalée à l'aide d'un modulateur optoacoustique, comme décrit par exemple dans "J. Phys." E 13, page 982 (1980) , par W.R.M. Pomeroy et al. Ce procédé exige d'une part une comple- xité de réglage considérable car, par exemple, les angles d'incidence et les angles d'émergence du modulateur doivent être respectés avec précision; et, d'autre part, la lon- gueur optique et le mauvais rendement de la partie active du circuit électronique provoquent une forte distorsion des fronts d'ondes de la source lumineuse. En outre, dans ce procédé, la valeur de la fréquence décalée fOF est fixée en fonction du type de réalisation. Pour obtenir d'autres valeurs éventuellement plus propices à l'application, la fréquence décalée fOF doit, par exemple, faire en plus l'objet de sous-combinaisons électroniques. Dans un troisième procédé, un décalage de fréquence est obtenu à l'aide de l'effet Doppler par l'intermédiaire d'un dispositif mécanique, par exemple d'une roue tournant rapidement. Cependant, les applications sont limitées pour l'essentiel par la grandeur de la fréquence décalée fOF ainsi rendue possible, et par suite des restrictions imposées à la réalisation mécanique, ce qui influence à son tour la qualité de la superposition. Dans ce contexte, l'on ne connaît pas encore jus- qu'à présent de systèmes intrinsèques, c'est-à-dire de procédés pouvant se dispenser d'une commande extérieure. Conformément à l'invention, les inconvénients des procédés et des dispositifs classiques doivent être surmontés le plus largement possible, et l'invention vise à fournir un procédé à l'aide duquel le signe et la valeur d'un déca- lage de fréquence peuvent être déterminés au moyen d'un agencement relativement simple et d'un réglage aisé se présentant sous la forme d'un récepteur hétérodyne. Conformément à l'invention, dans un procédé du genre précité, cet objet est atteint par le fait qu'un objet en mouvement est balayé par deux ondes lumineuses de fréquen- ces différentes; et par le fait que les ondes lumineuses dont la fréquence est décalée par effet Doppler sont mélan- gées à une partie de l'une des deux ondes lumineuses. Selon des perfectionnements avantageux de l'inven- tion: - les deux ondes lumineuses de fréquences différentes peuvent être engendrées, dans un seul et unique résonateur, en contraignant deux oscillations propres du résonateur (modes de résonance); - deux modes de résonance transversaux peuvent être contraints en occultant une ou plusieurs zones filiformes dans le résonateur, ces zones filiformes étant mutuellement perpendiculaires et perpendiculaires à l'axe du résonateur; - une ou plusieurs zones filiformes d'un miroir de réso- nateur partiellement transparent peuvent être réfléchies, ou bien les reflets d'une ou de plusieurs zones filiformes d'un miroir de résonateur peuvent être supprimés - deux modes de résonance transversaux peuvent être contraints en occultant une ou plusieurs zones annulaires dans le résonateur, ces zones annulaires étant mutuellement concentriques et leur axe de symétrie coincidant avec l'axe du résonateur; - une ou plusieurs zones annulaires d'un miroir de résonateur partiellement mélangées peuvent être réfléchies, ou bien les reflets d'une ou de plusieurs zones annulaires d'un miroir de résonateur peuvent être supprimés; - pour engendrer l'une des parties de l'une des deux ondes lumineuses, la seconde surface d'une plaquette quart- d'onde peut être partiellement métallisée; - pour engendrer l'une des parties de l'une des deux ondes lumineuses, une surface partiellement métallisée peut être disposée après la plaquette quart-d'onde; et - pour mêler à une partie de l'une des ondes initiales les ondes lumineuses à fréquence décalée par effet Doppler, les ondes lumineuses à fréquence décalée peuvent être réfléchies partiellement sur la seconde surface d'un miroir de sortie du résonateur, et retourner partiellement à ce résonateur. Dans un procédé conforme à l'invention on tire parti du fait que différentes oscillations discrètes propres peuvent se former dans un résonateur; seules étant toutefois possibles des oscillations propres dont la fréquence se situe à l'intérieur des limites de la largeur de bande du résonateur. Ces "modes de résonance" sont perturbateurs pour la plupart des applications et, de ce fait, ils sont supprimés dans différents procédés par des dispositifs correspondants, comme des étalons et des écrans. Dans le cas d'un résonateur à laser, seuls sont amplifiés les modes inclus dans la largeur de ligne de ce résonateur, laquelle est par exemple habituellement comprise entre 200 et 500 MHz pour un laser à CO2. L'écart de fréquen- ce 4 fax de deux modes de résonance axiaux est indiqué, ax dans une première approximation, par l'équation (5)suivante: Afax = c/2L (5) dans laquelle c représente la vitesse de la lumière dans le milieu et L indique la longueur du résonateur. L'écart de fréquence A ftr de deux modes transversaux est notable- ment plus modeste et se situe entre un mode TEMnm et le nm mode de base, en négligeant des pertes par diffraction XnmC 2 (6) =ftr () - 2fo I d.n o Xnm désigne le mième point zéro de la fonction de Bessel de nième ordre, n indique l'indice de réfraction du milieu d'amplification et d correspond au diamètre libre de l'optique du résonateur. - Ainsi, pour une largeur de ligne de 300 MHz par exemple, une fréquence décalée fOF de 1 à 250 MHz est possible par la superposition de deux modes différents, auquel cas la longueur du résonateur est de 1 m, le diamètre libre d de l'optique du résonateur mesure 2,54 cm, l'indice de réfraction n est égal à 1 et la longueur des ondes laser représente 10,6 pm. La grandeur de la fréquence décalée foF peut être influencée par une modification de la géométrie du résonateur, par exemple une variation de la longueur du résonateur, une variation du diamètre libre, etc., ou bien encore en faisant varier la pression d'un gaz d'emplissage, ce qui entraîne par exemple une variation de l'indice de réfraction du milieu. Dans le cas le plus simple, pour parvenir à cette fin, l'axe optique du résonateur est basculé par rapport à l'axe mécanique de ce dernier; il est ainsi possible d'obtenir, d'une manière très simple, une variation du volume modal. Les avantages de cette réalisation, par rapport aux deux premiers procédés décrits ci-avant, sont les suivants: du fait que seulement une source atomique est nécessaire pour former la fréquence décalée fOF' les proprié- tés optiques des deux modes, et par conséquent les caracté- ristiques de l'émetteur et de l'oscillateur local, coincident dans une large mesure (par exemple pour ce qui concerne leur polarisation, leur divergence, etc.) ou accusent une ferme cohésion (par exemple pour ce qui concerne leur position de phase). Par rapport au deuxième procédé décrit dans le préambule, la complexité requise par l'ajustement de tout le système est considérablement moindre et il se produit égale- ment, en général, une distorsion moins grande des fronts d'ondes; il en résulte un rendement hétérodyne globalement meilleur, et donc aussi un meilleur rapport signal/bruit. De surcroît, l'utilisation d'une seule source représente une économie d'argent considérable, et la suppression de composants mécaniques, électriques et optiques permet d'obtenir un besoin moins grand en puissance électri- que de l'ensemble du système. Par ailleurs, un tel agencement peut être globalement réalisé d'une manière notablement plus compacte. L'invention va à présent être décrite plus en détail à titre d'exemples nullement limitatifs, en regard des dessins annexés sur lesquels: la figure 1 montre un spectre de fréquence d'une réception homodyne tant en présence d'une composante positi- ve que d'une composante négative de la vitesse du mouvement; la figure 2 illustre un spectre de fréquence d'une réception hétérodyne pour une composante positive et une composante négative de la vitesse du mouvement; la figure 3 est une représentation schématique de la réalisation visant à une mise en oeuvre du procédé confor- mément à l'invention pour une réception hétérodyne; et la figure 4 est une représentation schématique d'une variante de réalisation destinée à la mise en oeuvre du procédé pour une réception hétérodyne. Pour vérifier et mettre en oeuvre le procédé con- forme à l'invention, un agencement homodyne, existant pour le procédé hétérodyne intrinsèque décrit ci-avant, a été légèrement modifié. La figure 3 illustre schématiquement la réalisation utilisée dans ce cas. Une source 1 est formée par un laser à CO2 à fréquence stabilisée qui, pour une longueur d'onde de 10, 59 pm (ligne P-20), délivre une puissance en régime continu (ou puissance CW) de 3 W. Une partie de la puissance cédée par le laser, de l'ordre d'environ 5 mW, est directement dirigée, par l'intermédiaire d'un miroir 2 partiellement réfléchissant, sur un détecteur 3 du type Pb-Sn-Te dans lequel elle est combinée à une onde de signal. Sur les figures 3 et 4, dans un but illustratif, la trajectoire de l'onde de l'oscillateur local est indiquée en tirets, tandis que la trajectoire de l'onde de signal est repérée par des traits mixtes. Dans ce cas, pour former l'onde de signal, la partie du rayonnement émanant du laser 1 et ayant pu passer à travers le miroir 2 est focalisée, par l'intermédiaire d'un télescope 4, sur un dispositif de dispersion 5 accom- plissant un mouvement, de préférence une rotation. La part dispersée par le dispositif 5 en direction du télescope 4 est à nouveau collectée par ce télescope 4, et traverse à présent dans la direction inverse le miroir 2 partiellement transpa- rent. L'onde de signal est ensuite en partie réfléchie en elle-même sur un miroir de sortie du laser 1 non représenté en détail, et en partie amplifiée paramétriquement dans le laser 1; pour finir, cette onde de signal suit la trajectoi- re de l'onde de l'oscillateur local, pour être superposée de manière cohérente à cette onde d'oscillateur local sur le détecteur 3. Bien que cela ne soit pas représenté plus en détail sur la figure 3, le signal du détecteur 3 est amplifié électroniquement,en suite de quoi le spectre de fréquence peut être analysé. Cet aqencement simple permet d'obtenir un bon degré de rendement hétérodyne. Du fait que la trajectoire de l'onde de l'oscillateur local et la trajectoire du signal coïncident et que, de la sorte, l'interféromètre sinon classique devient superflu, la complexité de l'ajustement est réduite à un minimum. Il demeure seulement nécessaire de reproduire sur le détecteur 3 le rayonnement de l'oscillateur local, par l'intermédiaire du miroir 2 partiellement transparent, ce qui, dans la pratique, ne soulève aucune sorte de difficultés pour le spécialiste. Cette réalisation particulière de la géométrie de superposition, appropriée pour des agencements homodynes, peut être désavantageuse pour une réception hétérodyne, du fait que l'angle entre l'onde de l'oscillateur local et l'onde de signal est nul en permanence et à tout endroit, et cela notamment lorsque, par exemple à cause de turbulences atmosphériques, le rapport de phases entre l'onde de f'oscillateur local et l'onde de signal est modifié. A l'encontre d'une opinion qui a été exprimée par O.E. DeLange dans "IEE spectrum", page 77 (1968), une super- position de deux modes différents demeure, là encore, toujours possible dans la pratique; dans ce cas toutefois, il convien- drait d'utiliser un dispositif à interféromètre comportant au moins deux degrés de liberté supplémentaires et représenté en détail sur la figure 4. Dans l'agencement de la figure 4, le rayonnement laser, polarisé en parallèle, franchit sans entrave; à partir de la source laser 1, ce qu'on appelle une fenêtre de Brewster 6, et tombe ensuite sur une plaquette 7 quart-d'onde pouvant être ajustée selon deux axes. Les reflets des deux surfaces de cette plaquette 7 quart-onde ont été supprimés, mais lesdites surfaces possèdent cependant un pouvoir de réflexion R d'environ 0,5 %. Tout comme dans l'agencement de la figure 3, la puissance laser transmise est focalisée par l'intermédiaire d'un télescope 4 sur un dispositif rotatif de dispersion 5. La part dispersée en direction du télescope 4 est collectée par ce dernier, et traverse une seconde fois la plaquette 7 quart-d'onde. De la sorte, l'onde de signal est il à présent polarisée perpendiculairement et elle est réfléchie à environ 80 % sur la lame 6 sous incidence brewstérienne. La part du rayonnement laser initial réfléchie sur la seconde surface de la plaquette 7 quart-d'onde est, elle aussi, polarisée perpendiculairement, elle est amenée de manière cohérente en superposition de l'onde de signal par un basculement de la plaquette 7, puis est reproduite avec cette onde de signal sur le détecteur 3. Grâce à une rotation de la plaquette 7 quart-d'onde autour de son axe optique et grâce à un basculement par rapport à l'axe de la trajectoire du signal, il est toujours possible de régler une condition dans laquelle la part de la puissance laser réfléchie sur la seconde surface de la plaquette 7 peut être superposée à l'onde de signal avec des phases correctes, en tant qu'oscillation locale. L'on élimine de la sorte la possibilité d'ambiguïté susmentionnée, affec- tant des signaux hétérodynes. Le procédé conforme à l'invention permet, grâce à un agencement hétérodyne pouvant être établi simplement, de déterminer sans équivoque la valeur et la direction d'une composante de vecteur et, par une détermination d'au moins trois composantes, d'établir à coup sûr le vecteur de vitesse d'un mouvement. En outre, lorsqu'on connaît ce vecteur, il est possible d'indiquer si la fréquence fLO de l'onde de l'oscillateur local est plus grande ou plus petite que la fréquence f de l'onde de l'émetteur. - o Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au procédé décrit et représenté, sans sortir du cadre de l'invention. ?2806 REVENDICATIONS 1. Procédé pour déterminer le signe et la valeur d'un décalage de fréquence au moyen d'un récepteur hétéro- dyne, procédé caractérisé par le fait qu'un objet en mouve- ment est balayé par deux ondes lumineuses de fréquences diffé- rentes; et par le fait que les ondes lumineuses dont la fréquence est décalée par effet Doppler sont mélangées à une partie de l'une des deux ondes lumineuses. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les deux ondes lumineuses de fréquences différentes sont engendrées, dans un seul et unique résona- teur, en contraignant deux oscillations propres du résonateur (modes de résonance). 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé par le fait que deux modes de résonance transversaux sont contraints en occultant une ou plusieurs zones filiformes dans le résonateur, ces zones filiformes étant mutuellement perpendiculaires et perpendiculaires à l'axe du résonateur. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé par le fait qu'une ou plusieurs zones filiformes d'un miroir de résonateur partiellement transparent sont réfléchies, ou bien que les reflets d'une ou de plusieurs zones filiformes d'un miroir de résonateur sont supprimes. 5. Procédé selon la revendication 2, caractérisé par le fait que deux modes de résonance transversaux sont contraints en occultant une ou plusieurs zones annulaires dans le résonateur, ces zones annulaires étant mutuellement concentriques et leur axe de symétrie coïncidant avec l'axe du résonateur. 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé par le fait qu'une ou plusieurs zones annulaires d'un miroir de résonateur partiellement transparent sont réfléchies, ou bien que les reflets d'une ou plusieurs zones annulaires d'un miroir de résonateur sont supprimés. 7. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que, pour engendrer l'une des parties de l'une des deux ondes lumineuses, la seconde surface d'une plaquette quart-d'onde est partiellement métallisée. 8. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que, pour engendrer l'une des parties de l'une des deux ondes lumineuses, une surface partiellement métallisée est disposée après la plaquette quart-d'onde. 9. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que, pour mêler à une partie de l'une des ondes initiales les ondes lumineuses à fréquence décalée par effet Doppler, les ondes lumineuses à fréquence décalée sont réfléchies partiellement sur la seconde surface d'un miroir de sortie du résonateur, et retournent partiellement à ce résonateur.