Brevet FR2688592A1 — publié le 19930917

DISPOSITIF DE MESURE DE VITESSE AXIALE DE GAZ L'invention concerne un dispositif de mesure de vitesse axiale de gaz, ce dispositif étant du type comprenant une source lumineuse associée à une optique de collimation pour émettre un faisceau de rayons parallèles en direction d'une zone d'espace observée, et au moins un photodétecteur associé à une optique de focalisation pour recevoir un flux lumineux rétrodiffusé par le gaz et dé- livrer un signal correspondant à l'intensité du flux lu- mineux reçu. On a déjà utilisé des dispositifs de ce type pour déterminer la concentration d'un gaz présent dans une zone d'espace observée, à partir de l'absorption par le gaz du flux lumineux à certaines longueurs d'onde ca- ractéristiques du gaz. On a également proposé des systèmes du type "lidar" pour mesurer des paramètres météorologiques tels que l'altitude des nuages, la vitesse et la direction du vent, la température à des altitudes différentes, etc Il faut pour cela utiliser soit plusieurs générateurs laser, soit plusieurs récepteurs, ou bien modifier les longueurs d'onde d'émission des générateurs laser et/ou les lon- gueurs d'onde sur lesquelles sont accordés les récep- teurs, ce qui se révèle souvent long et délicat dans la pratique. L'invention a pour objet un dispositif simple, compact et précis qui permette de mesurer des vitesses axiales de gaz sans être soumis aux inconvénients préci- tés. L'invention propose, à cet effet, un disposi- tif de mesure de vitesse axiale de gaz, comprenant une source lumineuse associée à une optique de collimation pour émettre un faisceau de rayons parallèles dans une direction donnée, et au moins un photodétecteur associé à une optique de focalisation pour recevoir un flux lumi- neux rétrodiffusé par le gaz et délivrer un signal cor- respondant à l'intensité du flux lumineux reçu, ce dispo- sitif étant caractérisé en ce qu'un même système optique est utilisé pour l'émission du faisceau de rayons paral- lèles et la réception du flux lumineux rétrodiffusé, ce système optique comprenant successivement, dans la direc- tion d'émission, un interféromètre de Perot-Fabry trans- formant le spectre du faisceau émis en spectre à raies et des moyens optiques de déviation du faisceau lumineux émis et/ou du flux lumineux rétrodiffusé, ces moyens de déviation étant tels que le faisceau lumineux émis en sort parallèle à l'axe du système optique et que les angles d'incidence du faisceau lumineux émis et du flux rétrodiffusé, sur l'interféromètre ( 10) de Perot-Fabry, sont différents l'un de l'autre, le flux rétrodiffusé sortant de l'interféromètre de Perot- Fabry étant focalisé sur le photodétecteur ( 24) précité. Ce dispositif permet de mesurer le décalage spectral entre les faisceaux émis et rétrodiffusé, pro- voqué par la composante de vitesse du gaz le long de l'axe optique (effet Doppler), au moyen d'un seul in- terféromètre de Perot-Fabry et sans qu'il soit nécessaire de modifier les longueurs d'onde sur lesquelles cet in- terféromètre est accordé De plus, les mesures réalisées sont indépendantes des variations d'accord de l'interféromètre de Perot-Fabry qui sont dues aux varia- tions de température, du fait des trajets aller et retour de la lumière à travers cet interféromètre, qui permet- tent d'annuler les effets de ces variations. Un choix approprié des angles d'incidence du faisceau émis et du faisceau rétrodiffusé sur l'interféromètre de Perot-Fabry permet de mesurer une gamme étendue de vitesses, par exemple de O à 250 m/s en- viron, sans aucun réglage de l'interféromètre ou de ces angles d'incidence Il en résulte une grande commodité d'utilisation du dispositif selon l'invention. Typiquement, la différence entre les angles d'incidence précités est de l'ordre du milliradian. Selon une autre caractéristique particulière- ment avantageuse de l'invention, l'angle d'incidence du faisceau émis sur l'interféromètre de Perot-Fabry est non nul, et les moyens optiques de déviation comprennent trois zones de déviation différentes, dont l'une dirige le faisceau émis parallèlement à l'axe du système optique et dont les deux autres partagent le faisceau rétrodif- fusé en deux fractions déviées de façon différente pour avoir des angles d'incidence différents sur l'interféromètre de Perot- Fabry, l'un de ces angles étant supérieur et l'autre inférieur à l'angle d'incidence du faisceau émis, le dispositif comprenant deux photodétec- teurs sur lesquels sont focalisées ces fractions du fais- ceau rétrodiffusé en sortie de l'interféromètre de Perot- Fabry. Dans ces conditions, un décalage spectral entre le faisceau émis et le faisceau rétrodiffusé, dû à une composante de vitesse du gaz le long de l'axe op- tique, va se traduire par une augmentation du flux ré- trodiffusé reçu par l'un des photodétecteurs, et par une diminution du flux rétrodiffusé reçu par l'autre photodé- tecteur. La variation du rapport de ces deux flux est représentative de la variation de la vitesse mesurée. En faisant le rapport de la différence et de la somme des signaux fournis par les deux photodétec- teurs, on obtient un signal qui correspond à la vitesse axiale du gaz et qui est indépendant des variations glo- bales d'intensité des flux lumineux. Selon une autre caractéristique de l'invention, le système optique précité comprend égale- ment un filtre interférentiel, placé après les moyens op- tiques de déviation dans la direction d'émission. Ce filtre interférentiel permet de limiter la bande passante en longueurs d'onde et donc de réduire le bruit de fond. Les moyens optiques précités de déviation peu- vent être constitués soit d'un prisme, soit d'un miroir à facettes. La source de lumière utilisée est une diode laser continue ou pulsée, ou un générateur laser pulsé de faible puissance (quelques m W), ou une lampe, ou une lampe à éclair (flash) Typiquement, les impulsions émises ont une durée de quelques nanosecondes avec une fréquence de répétition qui peut être comprise entre 10 Hz et l Ok Hz. De préférence, le système optique comprend également un objectif afocal pour l'émission du flux lu- mineux et pour la réception du flux rétrodiffusé Quand le dispositif utilise une source de lumière pulsée, un seul objectif afocal est utilisé pour l'émission et la réception Quand le dispositif utilise une source de lu- mière continue, il comprend un objectif afocal pour l'émission et un autre objectif afocal pour la réception, avec un diaphragme permettant de limiter la profondeur de champ, ces deux objectifs étant disposés côte-à-côte. Avantageusement, le système optique comprenant l'interféromètre de PerotFabry, les moyens optiques de déviation et le filtre interférentiel est porté par un chassis comprenant des cloisons opaques isolant les uns des autres le faisceau lumineux émis et les flux rétro- diffusés. Les sorties des photodétecteurs sont reliées à un système de traitement de l'information qui est pro- grammé pour déduire la vitesse du gaz parallèlement à l'axe du système optique à partir des signaux fournis par ces photodétecteurs. De façon générale, l'invention permet, en uti- lisant une diode laser dont la puissance est de l'ordre du milli Watt, de mesurer des vitesses de vent à des dis- tances comprises entre 10 et 100 m environ, ces vitesses étant radiales par rapport au point d'observation. Elle est également applicable à la mesure de vitesses axiales d'un gaz quelconque tel par exemple que la vapeur d'eau ou un aérosol. L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques, détails et avantages de celle-ci appa- raitront plus clairement à la lecture de la description qui suit, faite à titre d'exemple en référence aux des- sins annexés dans lesquels: la figure 1 représente schématiquement un mode de réalisation préféré du dispositif selon l'invention; la figure 2 est un graphe représentant l'allure, en fonction de la longueur d'onde, du spectre du faisceau lumineux émis par le dispositif; la figure 3 est un graphe représentant l'allure, en fonction de la longueur d'onde, des spectres des flux lumineux transmis vers les photodétecteurs. Le dispositif selon l'invention représenté en figure 1, comprend essentiellement un système optique centré, constitué d'un interféromètre de Perot-Fabry dé- signé par la référence 10, d'un moyen optique 12 de dé- viation des faisceaux lumineux, formé par un prisme dans l'exemple représenté, d'un filtre interférentiel 14 et, de préférence, d'un objectif afocal 16, les axes de l'interféromètre 10, du filtre interférentiel 14 et de l'objectif afocal 16 étant confondus. Ces éléments sont portés et positionnés par un chassis comprenant des cloisons opaques 18 qui délimi- tent, dans le système optique, une voie centrale de transmission du faisceau lumineux émis par une source de lumière 20 associée à une optique de collimation 22, et deux voies latérales de transmission du flux rétrodiffusé vers des photodétecteurs 24 associés à des optiques de focalisation 26. Le faisceau lumineux émis par la source 20 et sortant de l'optique 22 est un faisceau de rayons paral- lèles, attaquant l'interféromètre 10 de Perot-Fabry avec un angle d'incidence faible par rapport à l'axe du sys- tème optique Ce faisceau lumineux 28 est, en sortie de l'interféromètre 10, transformé en un faisceau à spectre à raies dont l'axe est redressé par le prisme 12 pour être parallèle à l'axe du système optique et traverser le filtre interférentiel 14 avec une incidence nulle. Le faisceau lumineux sortant du filtre inter- férentiel 14 et de l'objectif afocal 16 est rétrodiffusé par des particules en suspension dans l'air (diffusion Mie) ou par des molécules de gaz (diffusion Rayleigh) dans la zone d'espace visée, et une partie du flux rétro- diffusé est captée par l'objectif afocal 16 et transmise par le filtre interférentiel 14, le prisme 12 et l'interféromètre 10 de Perot-Fabry aux photodétecteurs 24, sur lesquels elle est focalisée par les optiques 26. Comme on l'a représenté de façon exagérée en figure 1, le prisme 12 comprend trois zones de déviation différentes, dont une zone centrale qui est traversée par le faisceau émis 28 et qui dirige ce faisceau parallèle- ment à l'axe du système optique, et deux zones latérales, dont l'une transmet sans le dévier le flux rétrodiffusé et dont l'autre transmet le flux rétrodiffusé en le dé- viant de façon plus importante que le faisceau émis. En d'autres termes, l'angle d'incidence du faisceau lumineux émis 28 sur l'interféromètre 10 de Perot-Fabry est plus important que l'angle d'incidence sur cet interféromètre du flux rétrodiffusé en direction du photodétecteur 24 de gauche, et est plus faible que l'angle d'incidence sur cet interféromètre du flux rétro- diffusé en direction du photodétecteur 24 de droite. Il en résulte qu'un décalage spectral entre le faisceau émis et le flux rétrodiffusé (ce décalage spec- tral étant dû à une vitesse des particules ou molécules rétrodiffusantes dans l'axe du système optique) va se traduire par une variation des intensités des flux lumi- neux reçus par les deux détecteurs 24, le flux reçu par l'un des photodétecteurs augmentant, tandis que le flux reçu par l'autre photodétecteur diminue. Cette notion va être expliquée plus en détail en référence aux figures 2 et 3. La figure 2 représente schématiquement, en fonction de la longueur d'onde B, le spectre du faisceau lumineux émis par le dispositif selon l'invention en di- rection d'une zone d'espace observée. Ce spectre émis est un spectre à raies 30, ré- sultant de la transformation, par l'interféromètre 10 de Perot-Fabrv, du spectre continu émis par la source de lu- mière 20 Ce spectre à raies est limité, en intensité et en longueur d'onde, par le filtre interférentiel 14, comme indiqué en 32 en figure 2. La largeur en longueur d'onde du spectre à raies 30 est de l'ordre de quelques nanomètres, la source de lumière 20 étant par exemple une diode laser ou un gé- nérateur laser de faible puissance pompé par diode. La figure 3 représente, en fonction de la lon- gueur d'onde, les spectres de transmission par l'interféromètre 10 de Perot-Fabry vers les photodétec- teurs, la référence 34 désignant par exemple le spectre de transmission vers le photodétecteur 24 de gauche, et la référence 36 désignant le spectre de transmission vers le photodétecteur de droite Les raies de ces deux spectres 34 et 36 sont décalées à gauche et à droite res- pectivement des raies du spectre d'émission 30, et par exemple de façon sensiblement symétrique, en raison des angles d'incidence progressivement croissants, sur l'interféromètre de Perot-Fabry, du flux rétrodiffusé reçu par le photodétecteur de gauche, du flux émis par la source lumineuse 20 et son optique de collimation, et du flux rétrodiffusé reçu par le photodétecteur de droite, respectivement. Lorsque les particules ou molécules rétrodif- fusantes n'ont pas de composante de vitesse relative le long de l'axe du système optique, par rapport au disposi- tif selon l'invention, il n'y a pas de décalage spectral en longueur d'onde entre le spectre lumineux émis et le spectre lumineux rétrodiffusé Les flux lumineux rétro- diffusés transmis par l'interféromètre de Perot-Fabry aux photodétecteurs 24 ont alors certaines valeurs d'intensité. Quand les particules ou molécules rétrodiffu- santes ont une composante de vitesse relative le long de l'axe du système optique par rapport au dispositif selon l'invention, il se produit un décalage spectral entre les raies du spectre émis et celles du spectre rétrodiffusé (effet Doppler) Ce décalage a lieu dans un sens ou dans l'autre en fonction du sens de cette composante de vi- tesse relative Le spectre du flux rétrodiffusé est ainsi décalé, par rapport au spectre du faisceau émis, soit du côté du spectre 34, soit du côté du spectre 36 Cela a pour effet d'augmenter le flux rétrodiffusé transmis par l'interféromètre 10 vers l'un des photodétecteurs, et de diminuer le flux rétrodiffusé transmis par l'interféromètre vers l'autre photodétecteur. La variation du rapport des signaux fournis par les photodétecteurs est représentative de la valeur de la composante axiale de vitesse relative des parti- cules ou molécules rétrodiffusantes et du sens de cette composante. On peut également utiliser le rapport de la différence et de la somne de ces signaux. Les sorties des photodétecteurs sont en pra- tique reliées aux entrées d'un système 38 de traitement de l'information (figure 1) qui est programmé pour trai- ter les signaux de sortie des photodétecteurs et égale- ment pour commander le fonctionnement de la source de lu- mière 20. Dans le cas d'une source de lumière pulsée, celle-ci émet typiquement des impulsions d'une durée de quelques nanosecondes, sur une longueur d'onde comprise entre 650 et 900 mm, avec une fréquence de répétition qui peut varier entre 10 Hz et 10 k Hz. De façon classique, la distance entre le dis- positif selon l'invention et la zone o se trouvent les particules ou molécules rétrodiffusantes dont on mesure la vitesse, est déterminée à partir du temps de trajet aller et retour de la lumière. Pour s'affranchir totalement du bruit ambiant, on mesure les signaux de sortie des photodétecteurs pen- dant les périodes o la source de lumière 20 n'émet pas, et on soustrait ensuite ce bruit mesuré des signaux de sortie des photodétecteurs correspondant à la rétrodiffu- sion des impulsions lumineuses émises par la source Le système de traitement de l'information 38 est par ail- leurs programmé pour réaliser un moyennage temporel des mesures effectuées, pour accroître la précision de ces mesures. Dans le cas d'une source de lumière continue, celle-ci émet avec une puissance de quelques dizaines de m W dans le spectre UV ou visible De façon classique, la distance entre le dispositif et la zone de mesure est déterminée par la profondeur de champ de l'objectif afo- cal de réception. Le dispositif selon l'invention forme un bloc très compact, ce qui permet de le faire pivoter sans dif- ficultés pour le balayage d'une zone d'espace relative- ment importante. Par ailleurs, cette compacité permet également de le monter à bord d'un engin mobile (tel qu'un véhicule, un bateau, avion ou hélicoptère par exemple). L'invention prévoit également d'utiliser un nombre de photodétecteurs supérieur à deux, par exemple égal à trois lorsqu'on désire déterminer la température de l'atmosphère à une altitude donnée, les variations de température se traduisant par des variations de largeur des raies du spectre rétrodiffusé qui se traduisent elles-mêmes par des variations des intensités des signaux de sortie des photodétecteurs. Le dispositif selon l'invention peut ne com- prendre qu'un photodétecteur de réception du flux rétro- diffusé Dans ce cas, seul le faisceau émis ou le fais- ceau rétrodiffusé est dévié par les moyens 12 et a un angle d'incidence non nul sur l'interféromètre de Perot-10 Fabry La mesure porte alors sur les fluctuations du si- gnal rétrodifusé et permet, avec un traitement de signal approprié, de déterminer le niveau de turbulence de l'air ou la présence d'aérosols. ll REVENDICATIONS 1 Dispositif de mesure de vitesse axiale de gaz, comprenant une source lumineuse ( 20) associée à une optique de collimation ( 22) pour émettre un faisceau ( 28) de rayons parallèles dans une direction donnée, et au moins un photodétecteur ( 24) associé à une optique de fo- calisation ( 26) pour recevoir un flux lumineux rétrodif- fusé par le gaz et délivrer un signal correspondant à l'intensité du flux lumineux reçu, caractérisé en ce10 qu'un même système optique ( 10, 12, 14) est utilisé pour l'émission du faisceau ( 28) de rayons parallèles et la réception du flux lumineux rétrodiffusé, ce système op- tique comprenant successivement, dans la direction d'émission, un interféromètre ( 10) de Perot-Fabry trans- formant le spectre du faisceau émis en spectre à raies, et des moyens optiques ( 12) de déviation du faisceau lu- mineux émis et/ou du flux lumineux rétrodiffusé, ces moyens de déviation étant tels que le faisceau lumineux émis en sort parallèle à l'axe du système optique et que les angles d'incidence du faisceau lumineux émis et du flux rétrodiffusé, sur l'interféromètre ( 10) de Perot-Fa- bry, sont différents l'un de l'autre, le flux rétrodif- fusé sortant de l'interféromètre de Perot-Fabry étant fo- calisé sur le photodétecteur ( 24) précité. 2 Dispositif selon la revendication 1, carac- térisé en ce que la différence des angles d'incidence précités est de l'ordre du milliradian. 3 Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'angle d'incidence du faisceau émis ( 28) sur l'interféromètre ( 10) de Perot-Fabry est non nul et en ce que les moyens optiques ( 12) de dévia- tion comprennent trois zones de déviation différentes, dont l'une dirige le faisceau émis parallèlement à l'axe du système optique et dont les deux autres partagent le flux rétrodiffusé en deux fractions déviées de façon dif- férente pour avoir des angles d'incidence différents sur l'interféromètre de Perot-Fabry, l'un des ces angles étant supérieur et l'autre inférieur à l'angle d'incidence du faisceau émis, le dispositif comprenant deux photodétecteurs sur lesquels sont focalisées ces fractions du flux rétrodiffusé en sortie de l'interféromètre de Perot-Fabry. 4 Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le système optique comprend également un filtre interférentiel ( 14) placé après les moyens optiques ( 12) de déviation dans la di- rection d'émission. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le système optique comprend également au moins un objectif afocal ( 16) d'émission et de réception. 6 Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens optiques ( 12) de déviation sont constitués d'un prisme ou d'un mi- roir à facettes. 7 Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le système optique ( 10, 12, 14) est porté par un chassis comprenant des cloisons opaques ( 18) isolant les uns des autres le fais- ceau lumineux émis et les flux rétrodiffusés. 8 Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la source de lumière ( 20) est une diode laser continue ou pulsée ou un généra- teur laser pulsé de faible puissance. 9 Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la source de lumière pulsée ( 20) émet des impulsions ayant une durée de quelques nanosecondes avec une fréquence de répétition de l'ordre de 10 Hz à 10 k Hz. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les sorties des photo- détecteurs ( 24) sont reliées à un système ( 38) de traite- 13 ment de l'information, programmé pour déduire la vitesse de gaz parallèlement à l'axe du système optique à partir des signaux fournis par les photodétecteurs ( 24). 11 Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de mesure des variations de largeur des raies du flux ré- trodiffusé, ces moyens comprenant un troisième photodé- tecteur recevant une troisième fraction du flux rétrodif- fusé. 12 Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il forme un ensemble compact orientable pour le balayage d'une zone d'espace.