Brevet FR2598815A1 — publié le 19871120

L'invention concerne les mesures atmosphériques et leur application à la météorologie et, plus particulièrement, a pour objet un dispositif de pilotage et de contrôle d'un laser continûment accordable et spectralement fin. Les mesures atmosphériques se sont grandement développées car leurs applications sont nombreuses en matière de météorologie et d'environnement par exemple. En particulier, lorsqu'on veut construire des modèles ,numériques permettant de décrire des systèmes aérologiques il est nécessaire de disposer, au préalable, de mesures fines qui représentent le comportement de 1 'at- mosphère. L'établissement de telles mesures fines a nécessité la conception et le développement de nouvelles techniques de mesures de paramètres météorologiques, tels que la température, l'humidité, la vitesse et la direction des vents, le déplacement des turbulences. Pour faire de telles mesures les techniques classiques n'étaient plus convenables et l'on s'est dirigé vers des méthodes optiques. En particulier, on utilise des radars optiques connus des techniciens sous l'appellation "lidar", acronyme de l'expression anglo-saxonne : Light Detection And Ranging. Les radars optiques ou lidars fonctionnent d'une manière tout-à-fait comparable à celle des radars radioélectriques dont l'émetteur serait remplacé par un laser. On émet des trains d'ondes ou d'impulsions et de la partie réfléchie que l'on capte en retour, on peut déduire la valeur d'un certain nombre de paramètres caractéristiques de la cible qui a produit l'écho. La différence entre les radars et les lidars tient à la bande à laquelle appartiennent les longueurs d'onde émises. Habituellement, les lidars utilisent les bandes de fréquences situées dans le proche ultra-violet ou le proche infrarouge. Grâce à cette technique il est possible de repérer, en étudiant la proportion de lumière rétrodiffusée par la cible en direction d'un récepteur, des particules qui se trouvent en suspension dans 1 'atmos- phère. L'analyse quantitative de l'écho permet aussi de déterminer la quantité d'éléments diffusants et donc de connaitre le contenu en particules de l'atmosphère. Le type de lidars servant à de telles mesures sont des lidars monofréquence qui permettent d'étudier soit la couche limite planétaire soit des panaches de poussières comme ceux issus des centrales électriques thermiques. Une autre manière d'utiliser l'écho est d'é- mettre des trains d'impulsions d'une longueur d'onde ou fréquence qui correspond aux énergies de transition d'un atome ou d'une molécule déterminés. Lorsqu'on utilise un laser qui émet une longueur d'onde qui correspond à certaines transitions des constituants atmosphériques il est possible de sélectionner le constituant étudié. On obtient ainsi une très grande sélectivité puisqu'une transition spécifique correspond à des niveaux d'énergie de l'atome ou de la molécule parfaitement définis. On peut donc ainsi grâce aux lasers que l'on fait fonctionner en lidars avoir une connaissance fine de la physique de l'atmosphère et il est possible de connaitre la répartition et la composition des constituants atmosphériques. L'écho reçu a donc une valeur qui dépend à la fois du nombre de particules et de leur nature mais avec des contributions d'importances différentes suivant la longueur d'onde utilisée. Si l'on choisit une longueur d'onde pour laquelle la diffusion est efficace, on évalue la densité en particules et si l'on choisit une longueur d'onde dont la diffusion est faible on évalue la densité atmosphérique. Pour des raisons faciles a comprendre, et aue l'on précisera par la suite, afin de s'affranchir autant que faire se peut de phénomènes parasites qui faussent les mesures, on fait en sorte que les deux longueurs d'onde choisies ne soient pas trop éloignées l'une de l'autre. On voit donc qu'en utilisant un lidar qui fonc t i on ne sur deux longueurs d 'ondes différentes on peut connaitre ia composition quantitative d'un constituant spécifique. Pour ce faire, il faut mouvoir disposer de deux longueurs d'onde d'émission, l'une centrée sur un maximum d'absorption du constituant à détecter et analyser et une autre dont l'absorption est relative ment négligeable dans les mêmes conditions. AInsi, pour chaque tranche d'altitude choisie, on peut mesurer les signaux rétrodiffusés pour les longueurs d'onde absorbée et non absorbée ce qui permet d'en déduire soit la concentration, soit le rapport de mélange du constituant désiré.On fait ainsi une analyse atmosphérique slon la technique de l'absorption différentieile laser conale sous le nom de l'acronyme angio saxon DIAL (Differe.-tial Absorption Laser). Si l'on veut que les résultats des mesures faites ainsi par DIAL soient de bonne qualité, il faut que les propriétés diffusantes du milieu at!nosphérique ne varient pas de trop lors du passage diune fréquence à une autre; c'est pourquoi il est nécessaire que lté- cart des deux longueurs d'ondes utilisées soit relativement faible. On voit donc qu'il est primordial de pouvoir utiliser des lasers accordable; aptes à couvrir par balayage une bande de fréquences relativement étendue dont l'émission est spectralement fine puisque la précision finale de la mesure dépend de la connaissance précise du coefficient d'absorption du constituant pour les deux longueurs d'onde d'émission retenues du laser.Les la- sers pilotés automatiquement par microprocesseur selon la technique antérieure ne permettent pas d'obtenir des raies fines car la largeur spectrale n'est pas inférieure à 2GHz. La technique DIAL permet, notamment, de doser des constituants atmosphériques tels que la vapeur d'eau, 1 'oxygène, le dioxyde de soufre. Chaque fois que l'on passe d'un constituant à doser à un autre, il faut adopter et une nouvelle longueur d'onde absorbee différente propre à ce constituant et une nouvelle longueur d'onde non-absorbée différente voisine. On voit donc que pour chaque détermination de concentration en particules et de taux de présence d'une particule déterminée parmi celles-ci, il faut pouvoir disposer d'un couple de fréquences ou longueurs d'onde"binomes" Ceci implique qu'à chaque fois on fasse balayer au laser toute la bande de fréquences qu'l est apte à émettre, qu'on séiectionne une raie particulière bien déterminée (absorbée ou non absorbée) et qu'on mesure la longueur d'onde de la raie sélectionnée pour s'assurer qu'elle correspond à celle choisie. Une telle succession d'opérations est à répéter à chaque permutation d'une fréquence à l'autre d'un couple binôme et à chaque changement de couple de fréquences binâmes. On voit donc tout l'intérêt qu'il y a à pou voir disposer d'un laser à émission continûment accor dable et spectralement fin que l'on puisse maitriser. C'est le but visé par l'invention qui a pour objet un dispositif de pilotage et de contrôle d'un tel laser notamment pour lidar. Selon l'invention, le dispositif pour le pilotage et le contrôle d'un laser continûment accordable et spectralement fin est remarquable en ce qu'il comprend, (a) placés dans la cavité résonnante , deux éléments dis persifs dont l'un est plus sélectif que l'autre pour isoler une raie d'une bande étroite du spectre du laser, (b) des organes menants associés chacun à l'un des éléments dispersifs et agissant séparément sur chacun d'eux pour en régler l'action, (c) des moyens de commande opérant chacun sur l'un des organes menants de manière à agir d'abord différentiellement sur l'élément le plus sélectif et ensuite concomitamment sur les deux éléments dispersifs, (d) un analyseur optique multicanal pour déterminer le nombre de raies observées et réagir sur celui des moyens de commande opérant sur l'organe menant associé à l'élément le plus dispersif afin qu'une seule raie soit émise et (e) un mesureur absolu de la longueur d'onde de la raie émise de manière à réagir sur les moyens de commande opérant sur les organes menants associés aux éléments dispersifs afin de les faire fonctionner en concordance jusqu'à la longueur d'onde choisie et les arrêter lorsqu'elle est atteinte. Suivant l'invention, le lidar produit deux longueurs d'ondes différentes voisines selon une émis s ion séquentielle de manière que la durée entre les émissions successives des deux fréquences voisines soit de l'ordre de 0,1 s et de manière que la fréquence de récurrence ou de répétition de l'émission de cette série de double impulsion soit de l'ordre de 0,1 Hz. On comprend donc que la sélection des longueurs d'onde choisies et leur contrôle doit pouvoir se faire pendant une durée inférieure à la durée de récurrence de manière que l'on puisse s' assurer de la permanence des caractéristiques des émissions de chaque rafale successive. C'est ce qu'assure le dispositif de pilotage et de con trôle d'un laser continûment accordable et spectralement fin selon l'invention. D'autres caractéristiques de l'invention apparaitront à la lecture de la description qui suit et à l'examen des figures du dessin, donné seulement à titre d'exemple où : - la Fig. 1 est une vue schématique d'une station météorologique à lidar - la Fig. 2 est un synoptique de l'architecture d'une chaine de mesure DIAL - la Fig. 3 est un diagramme illustrant la manière dont s'effectue le pilotage et le contrôle d'un laser continûment accordable et spectralement fin selon l'invention utilisé dans la station météorologique ; et - la Fig. 4 est un diagramme logique de la manière dont s'opère le fonctionnement du dispositif de pilotage et de contrôle du laser selon l'invention. L'invention sera décrite à propos d'un mode de réalisation destiné à une station météorologique à lidar fonctionnement en DIAL. Afin de pouvoir utiliser la station météorolo gique très facilement sur des sites variés, celle-ci est conçue pour être embarquée dans un véhicule de poids total en charge inférieur à 3,5 t. On comprendra que pour satisfaire à cette contrainte il a été nécessaire d'avoir recours à des constituants peu sensibles aux variations climatologiques (température, humidité , par exemple) et aussi peu susceptibles aux conditions de transport routier (vibrations, chocs, accélérations, ...). Il a fallu aussi recourir à la miniaturisation afin de pouvoir loger le tout dans un volume des plus réduit. Cette station météorologique se compose essentiellement de trois sous-ensembles distincts un sous-ensemble actif qui comprend le laser, avec son dispositif de pilotage et de contrôle selon l'inven tion, un sous-ensemble passif constitué par un téless- cope et des détecteurs et un sous-ensemble interactif qui comprend les systèmes électroniques et informati- ques d'acquisition, de gestion et de traitement des données. Comme on le voit schématiqlement sur la Fig 1, le sous-ensemble actif est constitué d 'un laser :UO qui émet dans un champ angulaire qui recoupe yjartiellennt et reste intérieur au champ angulaire embrassé rar un télescope 900. Les trains d'impulsions émisessont rêtrodiffu- s és par le milieu dont on veut connartre la position, la constitution et la composition. Une toute petite partie de l'énergie émise est rétrodiffusée vers le télescope dont l'axe optique est parallèle à celui du laser, comme dessiné pour faciliter la représentation. En fait dans la pratique on utilise une disposition judicieuse du laser et de l'optique qui lui est associée pour que les axes optiques du laser et du télescope ne soient pas parallèles mais confondus. Ceci est obtenu, comme indiqué ultérieurement, par des techniques classIques qui ne font pas partie de l'invention. Comme schématisé sur la Fig. 3, le laser 100 est constitué essentiellement d'un milieu actif 100a, un émetteur accordable, par exemple solide fait d'un cristal d'alexandrite. Un tel crista est capable d'émettre une énergie de 100 mJ sous forme d'impulsions de 100 ns à une fréquence de 10 Hz, et cela dans la bande du proche infrarouge comprise entre 0,72 et 0,78 pm. La commande du balayage du laser pour lui faire explorer toute la bande des fréquences qu'il est apte à émettre est assurée par un dispositif 100' classique du commerce (Fig.2). Dans la cavité resonnantedu laser délimitée par des miroirs 100b, 100b', se trouvent placés deux éléments dispersifs 101 et 102. L'élément dispersif 101 permet de choisir la plage dans la bande de fréquences d'émission et l'élément dispersif 102 plus sélectif permet de sélectionner la raie choisie. On reviendra plus en détail sur cette partie du sous-ensemble actif. Les éléments dispersifs sont par exemple des filtres interférentiels de Fabry-Pérot orientables. La liaison entre tous les éléments constitutifs optiques est assurée par des fihres optiques (lignes ondulées Fig.2) Le sous-ensemble passif comprend un télescope de type Cassegrain de 38 cm d'ouverture équipé d'un système optique de filtrage destiné à réduire le bruit de fond du ciel. Ce télescope commercial, vendu par la Société CELESTRON, est équipé d'un photomultiplicateurdétecteur du commerce dont les valeurs des résistances du pont ont été spécialement choisies pour obtenir une dynamique de quatre décades avec une linéarité meilleure que 1 %. Ce télescope est placé sur une tourelle orientable en site (entre O et 900) et en azimut (sur un tour complet) par des moteurs 900'. Comme on l'a indiqué précédemment, pour- faire en sorte que les axes du laser et du télescope soient coaxiaux, on dirige le faisceau du laser sur le miroir de sortie du télescope grace à une articulation optique faite de miroirs de renvoi non représentés dont deux sont placés sur les axes de rotation de la tourelle orientable de manière à s'affranchir des problèmes de calage du télescope en site et en azimut. Le sous-ensemble interactif comprend ,entre autres, une électronique qui permet de modifier le signal issu du photomultiplicateur grâce à un microprocesseur 910 qui en comprime la dynamique et qui permet de l'échantillonner et de le numériser grâce à un analyseur d'onde 920 (15 MHz; 10 bits; 1024 canaux), ce qui permet d'atteindre une résolution spatiale de 10m avec une portée théorique d'analyse de dix kilomètres. La prise d'informations du signal est déclenchée lors du départ de l'impulsion laser, une fibre optique assurant la liaison entre le laser 100 et l'analy- seur 920 comme il apparait sur le synoptique de la Fig. 2. Le déroulement complet des procédures d'acquisition de l'ensemble des données issues des divers instruments et appareils de la station météorologique et leur traitement est assuré par un calculateur en temps réel 210 (Hewlett Packard HP 1000 F); on utilise deux fois 1024 données pour le signal du lidar et pour la mesure de la longueur d'onde, de la largeur spectrale de l'impulsion, ainsi que pour des codeurs de site et d'azimut du télescope. Après acquisition de 1 'ensem- ble des données correspondant à une impulsion laser, le calculateur effectue un certain nombre de vérifications pour les valider avant de les stocker sur un disque mémoire 710 d'où elles peuvent être transférées dans une autre mémoire 720 par exemple à bande magnétique ou à disque magnétique ou optique.En même temps, un programme mis en oeuvre par un équipement de traitement rapide (220) des données précédemment acquises et validées fournit les profils de concentration que l'on peut examiner quasi instantanément sur un terminal couleur 810, par exemple, Tectronix 4107, dont on peut reproduire les informations grâce à une imprimante 820. Comme on l'a indiqué précédemment, pour s 'af- franchir des différences d'absorption résultant de l'utilisation de longueurs d'onde différentes, il est nécessaire de se servir de deux longueurs d'ondes aussi proches que possible. Etant donné qu'il est impossible dans l'état de la technologie présente d'émettre simultanément ces deux longueurs d'ondes différentes, on les émet séquentiellement avec une alternance de O,1Hz; une alternance de 0,1 Hz est suffisante pour éliminer correctement les fluctuations du contenu en particules de l'atmosphère pendant une séquence de mesures qui durent habituellement de l'ordre de dix minutes. Il faut aussi, pour que la précision des mesures soit bonne, que la largeur spectrale de la raie émise soit bien inférieure à la largeur de la raie d'absorption sélectionnée.En pratique on a adopté un rapport de l'ordre de 4, rapport qu'il est possible d'obtenir avec des filtres interférentiels de Fabry-éérot placés dans la cavité comme le diagramme de la Fig. 3 le montre. Comme on l'a déjà précisé, le coeur de l'invention réside dans le dispositif de pilotage et de contrôle du laser continûment accordable et spectralement fin. Comme on le voit sur le diagramme de la Fig.3, la cavité résonnante du laser est équipée d'éléments dispersifs 101, 102, dans ce mode de réalisation particulier des filtres interférentiels de Fabry-Pérot. Suivant l'invention on agit différentiellement d'abord sur celui 102 des éléments dispersifs qui est le plus sélectif pour faire en sorte qu'ils ne laissent plus passer qu'une seule raie et, cette sélection étant faite, on agit ensuite de manière synchrone et concomittante sur les deux éléments dispersifs 101 et 102 de manière à les asservir l'un à l'autre afin d'explorer toutes les fréquences et de s'arrêter sur celle qui a été choisie. Comme on l'a indiqué, un lidar fonctionnant en mode DIAL doit pouvoir émettre deux fréquences voisines dont l'une est propre à l'élément que l'on veut observer et l'autre permet de connaître la composition du milieu en s'affranchissant des différences de compor tement des milieux optiques, en faisant en sorte que ces deux fréquences soient les plus proches possibles l'une de l'autre. On voit donc que la sélection de la longueur d'onde non absorbée de référence et celle de la longueur d'onde absorbée sont fonction du choix du composant que l'on étudie. On comprend donc qu'il faille d'abord choisir cette fréquence absorbée pour ensuite adopter la fréquence non absorbée de référence voisine. Chaque fois que l'on change de fréquence d'absorption, il faut donc opter pour une nouvelle fréquence de référence. On utilise donc une collection de couples de fréquences "binômes" . On voit donc que le dispositif selon l'invention doit d'abord déterminer l'unicité de la raie et ensuite s'assurer de la mesure absolue de la longueur d'onde retenue et cela pour chacune des fréquences bi- nômes" d'un couple. A chacun des éléments dispersifs mobiles en rotation comme il est classique 101 et 502 est associe, respectivement, un organe menant 111 et 112, par exemple des moteurs pas à pas appropriés du commerce. Chaque moteur agit séparément sur le filtre interférentiel cor re s pondant qui lui est assolé. Chacun de cas moteurs est sous la dépendance de moyens de commande 121 et 122 qui en règlent le fonctionnement en agissant sur leur alimentation propre pour les mettre en marche, les faire tourner plus ou moins vite et les arrêter en fonction dc besoins.Ces moyens de commande sont, dans ce mode de réalisation, inclus dans le microprocesseur 210 qui mai trise l'intensité, la tension ou les impulsions, selon les moteurs adoptés, en fonction d'instructions et de valeurs de consigne, comme on le précise par la suite. L'unicité de la raie s'obtient à l'aide d'un analyseur optique multicanal 200 qui, dans ce mode de réalisation, comprend un interféromètre de Fizeau multi passage et une barrette de photocapteurs lus par le microprocesseur,et la valeur précise de la longueur d'onde sélectionnée se détermine à 1 'aIde d'un mesureur absolu 300 qui dans ce mode de réalisation est un interféromètre de Fizeau à simple passage du commerce. Grâce au dispositif selon l'invention, on calcule en temps réel à l'aide du microprocesseur 210 incorporé le nombre de raies observées et on ralentit celui des organes menants qui agit sur l'élément dispersif le plus sélectif de la cavité jusqu'à n'observer qu'une seule raie et quand une seule raie est observée l'organe menant qui agit sur l'autre élément dispersif qui permet de choisir la bande de fréquence tourne alors avec l'autre dans un rapport de vitesses déterminé expérimentalement jusqu'à se trouver calé sur la longueur d'onde désirée. Le contrôle de la longueur d'onde permet de commander l'arrêt des deux organes menants, sinon on continue le balayage. Les liaisons et l'asservissement sont schématisés sur la Fig. 3. En se reportant à la Fig. 4, on comprend aisément le diagramme logique de fonctionnement des constituants utilisés selon l'invention. On commence par piloter automatiquement la longueur d'onde émise par le laser en associant à chaque élément dispersif un organe menant tel qu'un moteur dont la vitesse est commandée par le microprocesseur. On fait en sorte que les vitesses communiquées aux deux organes menants restent dans un rapport constant. Le dispositif d'analyse optique multicanal 200 est géré par le microprocesseur qui détermine le nombre de raies observées et fait en sorte que l'on contrôle l'unicité de la raie émise par le laser. L'information relative au nombre de raies observées réagit sur les vitesses des moteurs par l'intermédiaire du microprocesseur. Ensuite, Selon l'invention, on contrôle la longueur d'onde remise grâce à un mesureur absolu 300.Lorsque la lonqueur d'onde émise correspond X celle choisie, le mesureur commande 1'arrêt des deux moteurs. Lorsou'on a choisi un couple de deux longueurs d'onde binômes correspondant au type de mesure choisie, il faut pouvoir passer automatiquement à un autre couple de longueurs d'onde binômes pour une autre d'où la nécessité de mesurer en valeur absolue la longueur d'onde. Les techniques de programmation et d'écriture des instructions pour calculateur sont bien connues des spécialistes et n'entrent pas dans le champ de l'inven- tion; c'est pourquoi on ne s > y étendra pas plus longuement. Il suffira de mentionner qu'un certain nombre de paramètres sont établis expérimentalement; c'est le cas par exemple des longueurs d'onde -absorbée et non-absorbée de chacun des couples binômes qui sont choisis et retenus et, à cet effet, mis en mémoire en tant que valeurs de consigne dans le microprocesseur; il en est de même des durées de basculement du dispositif pour commu ter d'une longueur d'onde AOà à une longueur d'onde O d'un couple binôme émises séquentiellement ou pour passer à une autre longueur d'onde d'un couple binôme différent, durées qui permettent d'optimiser le fonctionnement en déterminant le sens de rotation des moteurs, l'ajustement de leur vitesse relative et leur arrêt. Un terminal 600 permet d'envoyer au microprofesseur 210 les instructions et ordres de l'utilisateur. REVENDICATIONS 1. Dispositif (10) pour le pilotage et le con trôle d'un laser (100) continûment accordable et spectralement fin, caractérisé en ce qu'il comprend - placés dans la cavité résonante (100b, 100b') deux éléments dispersifs (101, 102) dont l'un (102) est plus sélectif que l'autre pour isoler une raie d'une bande étroite du spectre du laser - des organes menants (111, 112) associés chacun à l'un des éléments dispersifs et agissant séparément sur chacun d'eux pour en régler l'action - des moyens de commande (121, 122) opérant chacun sur l'un des organes menants de manière à agir d'abord différentiellement sur l'élément le plus sélectif et ensuite concomitamment sur les deux éléments dispersifs - un analyseur optique multicanal (200) pour déterminer le nombre de raies observées et réagir sur celui des moyens de commande opérant sur l'organe menant associé à l'élément le plus sélectif afin qu'une seule raie soit émise - un mesureur absolu (300) de la longueur d'onde de la raie émise de manière à réagir sur les moyens de commande opérant sur les organes menants associés aux éléments dispersifs afin de les faire fonctionner en concordance Jusqu'à la longueur d'onde choisie et à les arrêter lorsqu'elle est atteinte. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les éléments dispersifs (101, 102) sont des interféromètres de Fabry-Pérot. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que les organes menants (111, 112) sont des moteurs à vitesse variable réglable. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'analyseur optique multicanal (200) comprend un interféromètre de Fizeau multipassage et associé à lui une barrette de photocapteurs et un microprocesseur couplé à cette barrette pour lire les photocapteurs. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 3 et 4, caractérisé en ce que le moyen de commande (122) agissant sur le moteur (lia) associé à l'élément dispersif (102) le plus sélectif le ralentit d'abord par rapport à l'autre moteur (lit) et ensuite le fait opérer de concert avec l'autre moyen de commande (121) agissant sur l'autre moteur (111) pour les faire tourner avec un rapport de vitesse constant. 6. Dispositif selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce que les moyens de commande (121, 122) sont pilotés par le microprocesseur (210). 7. Dispositif selon l'une quelconque des re - vendications 1 à 6, caractérisé en ce que le mesureur absolu (300) comprend un interféromètre de Fizeau simple pas sage. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 où le laser est un laser à cristal d'alexandrite qui émet des impulsions de 100 ns environ à une fréquence de récurrence de l'ordre de 10 Hz. 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8 où les composants optiques sont reliés par des fibres optiques. 10. Application du dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 9 à un radar optique pour station météorologique mobile fonctionnant en mode DIAL.