Brevet FR2677456A1 — publié le 19921211

SYSTEME LASER A DETECTION HETERODYNE AVEC REDUCTION DES EFFETS DE LA LUMIERE PARASITE La présente invention concerne des perfectionnements aux systèmes utilisant un (ou plusieurs) laser associé à un récepteur par détection hétérodyne L'utilisation est envisagée, en particulier, pour la télémétrie laser ou l'imagerie active dans le domaine militaire. Dans ces systèmes laser auxquels est destiné l'invention, on cherche à acquérir une information sur un objet, une cible ou un élément de paysage, en éclairant la scène au moyen d'un émetteur comportant un laser, et en détectant le flux rétrodiffusé par l'objet, la cible ou l'élément de paysage, au moyen d'un récepteur utilisant la détection hétérodyne. Dans ce type de réception, on fait interférer au moyen d'un dispositif de mélange, sur la surface photosensible d'un détecteur optique, à l'aide d'un oscillateur local, le flux focalisé ou non, rétrodiffusé par la cible avec un signal optique de référence Celui- ci peut être le faisceau issu d'un second laser, constituant le laser oscillateur local, ou bien une fraction du faisceau prélevé sur le laser émetteur Le détecteur optique du récepteur produit un signal électrique à une fréquence de battement, et l'analyse de ce signal permet de déterminer des caractéristiques liées à la scène illuminée par lémetteur Ces caractéristiques peuvent être par exemple, la distance d'un point, l'albédo d'une surface, ou le glissement en fréquence lié à la vitesse de déplacement de la cible (glissement du à effet Doppler). Un tel type de système est décrit dans la demande de brevet français publiée sous le N O 2 462 717, qui est relative plus particuliè- rement à la détection électromagnétique à compression d'impul- sions, et qui est destinée à réaliser un télémètre laser Ce type de système permet de mesurer à la fois la distance et la vitesse de déplacement de la cible. Il utilise un ensemble émetteur laser qui envoie vers la cible des impulsions périodiques, la durée de chaque impulsion étant de l'ordre de 20 microsecondes Un système optique de modulation indu dans l'émetteur permet de moduler le faisceau optique, par exemple en fréquence Il utilise également un ensemble récepteur captant l'onde rétrodiffusée qu'il fait interférer avec une onde locale, de manière à obtenir un phénomène de battement, pour mettre en évidence la composante caractéristique de la cible. Le résultat de ce battement est analysé par un détecteur optique qui fournit un signal électrique utile. Il apparaît un inconvénient à ce type de système utilisant un émetteur laser délivrant des impulsions de durée relativement longue Cet inconvénient réside dans le fait qu'une partie du flux laser diffusé par les éléments de la chaîne d'émission, par exemple le modulateur optique, ou des éléments optiques tels des lentilles ou des miroirs, tombe sur le détecteur optique du système de réception. Il apparaît alors un signal supplémentaire parasite, analogue à celui qui proviendrait d'une cible à distance quasiment nulle, et à vitesse relative nulle Ce signal peut être très génant, car il se superpose au signal utile, et est souvent beaucoup plus important que ce dernier qui provient d'un cible plus éloignée. Ce phénomène est particulièrement génant dans le cas ou on utilise un sous ensemble optique commun à la voie émission et à la voie réception, favorisant les réflexions parasites. Ce phénomène sera mieux compris à la lecture de la descrip- tion détaillée dans les pages suivantes. Le but de l'invention est de remédier à cet inconvénient On se propose d'ajouter à ce genre de système, des moyens permettant d'éliminer le signal parasite, en superposant, au niveau de la surface sensible du détecteur optique, un signal optique cohérent avec le signal parasite Un réglage de l'amplitude et de la phase de ce signal supplémentaire, permet, par interférence, de diminuer fortement, et même de supprimer l'effet néfaste du signal parasite. Un objet de l'invention est un système laser à détection hétérodyne comporant d'une part, des moyens d'émission pour envoyer vers une cible une onde d'émission modulée et comprenant un émetteur à laser et un modulateur, et d'autre part des moyens de réception pour recevoir londe réfléchie par ladite cible et compre- nant un premier mélangeur de l'onde issue d'un oscillateur local et de l'onde réfléchie pour produire une onde de battement, et un détecteur de battement fournissant un signal utile électrique carac- téristique de l'onde de battement et des ondes parasites dues aux éléments constituant la chaîne d'émission. Le système ce caractérise en ce qu'il comprend des moyens de prélèvement d'une partie de l'onde modulée issue de la chaîne d'émission, des moyens de modulation en phase et en amplitude de ladite onde modulée pour produire une onde de correction,un deu- xième mélangeur de l'onde de battement avec l'onde de correction, et un circuit de commande des moyens de modulation en phase et en amplitude recevant ledit signal utile, de manière à commander les circuits de modulation en phase et en amplitude pour éliminer la composante parasite s'ajoutant à londe de battement. L'invention et ses différentes caractéristiques seront mieux comprises à la lecture de la description qui suit, et qui est annexée des figures suivantes représentant: figures 1, 2 et 3, des formes de signaux permettant de mieux comprendre les inconvénients des dispositifs selon l'art antérieur; figure 4, un diagramme du système selon Pinvention; figure 5, le schéma d'une réalisation possible du dispositif selon l'invention; Le signal représenté sur la figure 1, symbolise l'onde émise OE par un dispositif selon l'art antérieur Celle-ci ce compose d'impul- sions successive de durée A I. Sur la figure 2 est représentée l'onde réfléchie OR de l'onde émettrice OE Cette onde se compose d'impulsions de plus petites intensités mais de même durée A I que celle de l'onde émisse De plus ces impulsions sont décalées d'un interval A T par rapport à l'onde émise, cet interval représentant le temps qu'il faut pour l'onde émise pour rencontrer la cible et revenir sur le dispositif. En supposant que la durée A I des impulsions émises par Pémetteur laser soit de 20 microsecondes, la vitesse de la lumière étant de 3 108 mètres par seconde, la cible recontrée étant située à 3 km, l'onde réfléchie reviendra au bout d'un temps de 20 micro- secondes On en déduit pour cet exemple, que pour toute cible située à moins de 3 km du dispositif, le récepteur recevra le début de l'impulsion de retour alors que l'émetteur émettra la fin de la même impulsion C'est cet exemple qui est représenté sur les figures 1 et 2. Sur la figure 3, on a représenté en très fort le signal électrique délivré par le détecteur optique du récepteur, relatif à l'onde parasite, et correspondant à une impulsion de l'onde émise On a représenté en très fin le signal électrique délivré par le détecteur optique et relatif aux impulsions de l'onde réfléchie Compte tenu que cette onde réfléchie est d'intensité nettement inférieure, en pratique 1000 fois inférieure, à l'onde émise, on comprend mieux, dans ce cas de figure, la nécessité d'éliminer les ondes parasites du à la chaîne d'émission. En effet, cette onde parasite peut être interprétée comme l'onde réfléchie d'une cible dont la vitesse et la distance sont nulle. En référence à la figure 4, le système selon l'invention utilise des éléments communs au système selon l'art antérieur. L'onde émettrice est produite par un générateur de laser 1 et modulée par un modulateur 2 d'après un signal de modulation SM L'onde modulée OM est appliquée à un émetteur Il délivrant Ponde émise OE en direction d'une cible potentielle Ces trois éléments constituent la chaîne d'émission du système. La chaîne de réception est constituée en premier lieu d'un récepteur 12 recevant l'onde réfléchie OR Pour pouvoir utiliser les informations, constituées par les impulsions de londe émise, et donc par l'onde réfléchie, celle-ci est orientée par le récepteur sur un premier mélangeur 4 qui reçoit également une onde locale OL fournit par un oscillateur local 3 L'onde locale OL est de même nature que l'onde émise OE avant sa modulation L'interférence de ses deux ondes dans le premier mélangeur 4 produit un battement qui ne représente uniquement que les impulsions apportées par l'onde réfléchie Toujours de manière connue, cette onde de battement OB est appliquée à un détecteur optique 9 qui délivre un signal utile SU. C'est ce signal utile qui est exploité à des fins de télémétrie et d'imagerie active. Comme exposé précédemment, l'onde parasite constitue la composante principale de l'onde réfléchie, les impulsions de Ponde émise OE n'étant dans la plupart des cas, plus dicernables. Selon l'invention on superpose à l'onde de battement OB, avant la détection en 9, une onde optique de correction OC cohérente avec Ponde de battement OB de manière à créer un deuxième battement. Cette onde de correction est l'onde de modulation OM modulée en phase et en amplitude de manière à réduire au minimum ce phénomène de battement, permettant ainsi au détecteur de ne recevoir qu'une partie infime ou nulle des ondes parasites. On utilise donc à cet effet, des moyens de prélèvements 6 d'une partie de l'onde modulée, de manière à en constituer une réplique exacte Ces moyens de prélèvements 6 sont placés à la sortie du modulateur 2 avant lémission en 11 On utilise ensuite en série un modulateur de phase 7 et un modulateur d'amplitude 8. L'ordre de ces modulateurs n'a pratiquement pas d'importance. Le modulateur de phase peut être réalisé en optique classique, en utilisant, soit l'effet électro-optique d'un miroir monté sur cale, soit Peffet piézo-électrique Le modulateur d'amplitude peut être réalisé par des modulateurs optiques utilisant, soit l'effet électro- optique, associé ou non à des polariseurs, soit Poptique guidée. L'onde ainsi modulée constitue l'onde de correction OC qui est ensuite mélangée, de façon optique dans un deuxième mélanguer 5 à Ponde de battement OB contenant Ponde parasite La sortie du deuxième mélangeur est appliquée au détecteur 9 qui délivre, comme dans l'art antérieur, le signal utile SU. Selon Pinvention, un circuit de commande 10 des moyens de modulation en phase 7 et en amplitude 8 reçoit le signal utile Il élabore en fonction de ce dernier des tensions de commande VP et VA appliquées respectivement au modulateur de phase et au modula- teur d'amplitude Ce circuit de commande comprend une mémoire dans laquelle est stocké un programme de variation de ces deux tensions de commande VP et VA, de manière à moduler Ponde de correction OC, pour que le mélange de cette dernière avec l'onde de battement OB contrecarre la composante parasite. Le temps de réponse de cette boucle d'asservissement doit être compatible avec les temps caractéristiques d'évolution de l'onde parasite optique au niveau de la surface sensible du détecteur optique 9 Cette évolution est liée aux variations du chemin optique suivi par l'onde parasite et qui sont dus aux déplacements internes des différents organes du système Ces déplacements, de type mécaniques peuvent être relativement lents, ce qui permet de suivre à l'aide de la boucle d'asservissement, l'évolution en phase et en amplitude de l'onde parasite au niveau de la surface sensible du détecteur. Une réalisation possible de ce système est décrite à la figure 5 En référence à cette figure, on retrouve lémetteur laser 1 suivi du modulateur 2, qui peut être un modulateur acousto-optique, produisant l'onde modulée OM Par la même représentation que dans la figure 4 on retrouve le modulateur de phase 7 suivi du modulateur de phase 8, le détecteur 9 et le circuit de commande 10 qui sera détaillé dans les paragraphes suivants. L'émetteur et le récepteur sont réalisés sous la forme de deux éléments communs 13 et 14 Le premier est un dispositif optique qui effectue à la fois l'émission et la réception, et comporte plus particulièrement un dispositif de balayage commun Un dispositif de séparation 14 de ronde d'émission OE et de ronde réfléchie OR oriente cette dernière sur le mélangeur 24 qui peut être réalisé par une lame semi-réfléchissante Cette lame semi-réfléchissante reçoit d'un autre côté l'onde locale OL issue de l'oscillateur local qui, ici, est constitué par une fraction de l'onde émis par l'émetteur laser 1. On utilise à cet effet une autre lame semi-réfléchissante 23 qui prélève une fraction de faisceau laser Les moyens de prélèvements d'une partie de l'onde modulée et les moyens de mélange de l'onde de correction OC et de l'onde de battement OB formé par la lame semi-réfléchissante 24, peuvent également être réalisés par d'autres lames semi-réfléchissantes, respectivement 26 et 15 Le signal utile SU issu du détecteur 9 est appliqué au circuit de commande 10 qui est décrit, ainsi que son fonctionnement, dans les paragraphes suivants. Le signal utile est tout d'abord traité dans un ensemble de circuit de traitement 25 Ce traitement peut être de la compression d'impulsion, de l'analyse spectrale, et éventuellement, des étages d'amplification A la sortie de ces circuits de traitement, le signal utile est alors apte pour la commande des modulateurs de phase et d'amplitude Dans ce but, il est appliqué à un processeur 27 qui commande, selon une procédure décrite par la suite, deux généra- teurs de rampe 28 et 29 qui génèrent chacun une tension variant de façon déterminée Les tensions issues de ces deux générateurs de rampe constituent, après amplification respective dans les amplifi- cateurs 31 et 32, les tensions de commande VP et VA des modula- teurs de phase et d'amplitude. La procédure de commande de modulation de l'onde de correc- tion OC est la suivante. Pour la modulation de phase, on cherche à avoir opposition de phase entre l'onde de correction OC et l'onde de battement A cet effet, la première phase consiste à faire varier, à l'aide du généra- teur de rampe 28, la phase d'une manière déterminée La deuxième phase consiste à déterminer la valeur minimale du signal utile après traitement, en fonction des variations de la valeur de commande en phase VP La valeur de commande de phase VPO correspondant au signal utile minimal est alors mémorisée et appliquée au modulateur de phase 7 pendant la modulation d'amplitude. Cette modulation d'amplitude commence par une première phase qui consiste à faire varier, au moyen du générateur de rampe 29, la valeur de commande d'amplitude VA La deuxième phase consiste à déterminer l'amplitude minimale du signal utile après traitement, et de noter la valeur de commande en amplitude correspondante VA O Le cycle continue ainsi en recommençant une modulation de phase en faisant varier la tension de commande en phase VP, la tension de commande en amplitude VA étant fixée à la valeur précédente VA O Le cycle continue indéfiniment la valeur du signal utile s'étant stabilisée au bout de quelques cycles A chaque cycle les valeurs particulières de commande VPO et VAO peuvent varier légèrement au fur et à mesure que les ondes parasites évoluent dans le temps. REVENDICATIONS 1 Système laser à détection hétérodyne comportant, d'une part: des moyens d'émission pour envoyer vers une cible une onde modulée d'émission (OE) comprenant un émetteur laser ( 1) et un modulateur ( 2), et d'autre part, des moyens de réception pour recevoir Ponde réfléchie (OR) par ladite cible comprenant un premier mélangeur ( 4) de l'onde locale (OL) issue d'un oscillateur local ( 3) et de l'onde réfléchie (OR) pour produire une onde de battement (OB), un détecteur ( 9) de l'onde battement fournissant un signal utile électrique (SU) caractéristique de l'onde battement et des ondes parasites dû aux éléments optiques du système, le système étant caractérisé en ce qu'il comprend: des moyens de prélèvement ( 6) d'une partie de l'onde modulée (OM) issue de la chaîne d'émission; des moyens de modulation en phase et en amplitude ( 7,8) de ladite onde modulée pour produire une onde de correction (OC); un deuxième mélangeur ( 5) de Ponde de battement (OB) avec l'onde optique de correction modulée (OC) en phase et en amplitude; un circuit de commande ( 10) des moyens de modulation en phase et en amplitude recevant ledit signal utile, de manière à commander les moyens de modulation en phase et en amplitude pour éliminer la composante parasite s'ajoutant à l'onde de battement. 2 Système laser selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de prélèvement ( 6) sont constitués d'une lame semi- réfléchissante ( 26). 3 Système laser selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le deuxième mélangeur ( 5) de l'onde battement (OB) avec l'onde de correction (OC) est constitué d'une lame semi-réfléchis- sante ( 15). 4 Système laser selon Pune quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le premier mélangeur de l'onde locale (OL) et de Ponde réfléchie (OR) est une lame semi-réfléchis- sante ( 24). 5 Système laser selon Pune quelconque des revendications précédente, caractérisé en ce que l'oscillateur local est constitué par une lame semi-réfléchissante ( 23) placée à la sortie de l'émet- teur laser ( 1). 6 Système laser selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens de modulation en phase et en amplitude sont constitués d'un modulateur de phase ( 7) commandé par une tension de commande en phase (VP) délivré par le circuit de commande ( 10), et d'un modulateur d'amplitude ( 8) com- mandé par une tension de commande en amplititude (VA) fournie par le circuit de commande ( 10), ces démodulateurs étant montés en série. 7 Système laser selon la revendication 6, caractérisé en ce que le circuit de commande ( 10) comprend deux générateurs de rampe ( 28 et 29) pour fournir respectivement des valeurs de commande en phase et en amplitude (VP et VA), et un processeur ( 27) qui commande alternativement les deux générateurs de rampe de sorte que, lorsque l'une des deux valeurs de commande est fixe l'autre varie de manière déterminée selon les caractéristiques du générateur de rampe qui la commande, ensuite à fixer cette première valeur de commande qui varie à une valeur constante (VP) pour laquelle le signal utile reçu est minimal, et à faire varier la valeur de commande qui est restée fixe, selon les caractéristiques du générateur de rampe qui la commande, à fixer cette deuxième valeur de commande (VA) qui varie à une valeur de commande déterminée pour laquelle le signal utile est minimal, et de recom- mencer ce cycle de commande des générateurs de rampe pendant le fonctionnement du système. 8 Système laser selon la revendication 7, caractérisé en ce que le processeur reçoit le signal utile (SU) issu du détecteur ( 9), après passage dans des circuits de traitement ( 26). 9 Système laser selon lune quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'émission et la réception se font au moyen d'un dispositif optique ( 13) commun à lémission et à la réception et comprenant un dispositif de balayage, et d'un système de séparation ( 14) des ondes d'émission et de réception recevant l'onde modulée (OM) issue des moyens de prélèvement ( 6, 26) et orientant l'onde réfléchie (OR) en direction du premier mélangeur ( 4, 24).