Brevet FR2720515A1 — publié le 19951201

La présente invention concerne un perfectionne- ment à l'enseignement de base du brevet français 92-00590 déposé le 21 Janvier 1992 par la Demanderesse pour un véhicule spatial d'observation laser, notamment pour la mesure de vitesse de vents, et instrument d'observation adapté à en faire partie. Ce brevet antérieur avait pour objet de permet- tre, à partir d'une plate-forme en orbite, des mesures de vitesse en des points uniformément répartis d'une masse fluide à la surface d'une planète (typiquement des mesures de vents à la surface de la Terre) à l'aide de lidars DOPPLER, à détection cohérente ou non, dont les axes de visée effec- tuent dans des bandes de cette masse fluide un balayage au moins partiellement transversal à la trajectoire instantanée de la plate- forme, sans besoin d'accordabilité variable du laser d'émission ou de l'oscillateur local (cas d'une détection cohérente) ni du (ou des) filtre(s) de réception (cas de la détection directe) et sans pénalité importante ni en masse ni en encombrement par rapport aux solutions connues jusqu'alors. Ce brevet antérieur a proposé un véhicule spatial pour la caractérisation quantitative par effet DOPPLER de mouvements au sein d'une masse fluide portée par une planète telle que la Terre. Ce véhicule spatial comporte une plate- forme adaptée à suivre une orbite autour de cette planète et ayant un axe de roulis destiné à être parallèle à cette orbite et un axe de lacet destiné à être orienté vers le centre de la planète. Ce véhicule spatial comporte en outre un ensemble d'observation comportant un générateur laser, une unité de mesure de fréquence et deux télescopes munis chacun d'un élément de visée ayant un axe de visée destiné à être orienté vers la planète, adapté à envoyer à partir du générateur laser un rayon émis selon cet axe de visée et à capter selon cet axe un rayon réfléchi puis à l'appliquer à l'unité de mesure de fréquence. Les deux éléments de visée sont reliés à la plate-forme par des moteurs rotatifs d'axes parallèles à l'axe de roulis. Dans ce brevet, il est prévu que les deux axes de visée aient sur cet axe de roulis des projections de sens opposes. Les moteurs rotatifs sont avantageusement oscillants, de préférence en opposition de phase, avec une période d'oscillation préférentiellement comprise entre 1 et sec. Dans un premier mode de réalisation, les éléments de visée sont des optiques solidaires des télescopes, et ces télescopes sont reliés à la plate-forme par lesdits moteurs rotatifs. Dans un deuxième mode de réalisation, les éléments de visée sont des miroirs mobiles par rapport aux télescopes, lesquels sont fixes par rapport à la plate-forme. Les premier et second axes de visée ont avanta- geusement, par rapport à l'axe de roulis, une inclinaison comprise entre 20 et 80 , de préférence entre 400 et 500. Le fait de faire tourner les axes de visée, non pas autour d'un axe dirigé vers le nadir 'solution "classi- que") mais autour de l'axe donné par la vitesse du satellite sur son orbite, avait pour gros avantage de rendre constant, donc aisément compensable, l'effet DOPPLER parasite introduit par le déplacement du satellite par rapport à la planète considérée. La raison d'être des télescopes était d'obtenir des mesures suivant des axes de visée différents, de façon à obtenir les composantes de la vitesse du vent (2 composantes si l'on ne s'intéresse qu'au vent horizontal, mais 3 compo- santes pour le vector "total" du vent). L'invention a pour objet de réduire encore plus la masse et l'encombrement du système d'observation sans nuire pour autant aux performances et aux avantages que la solution précitée permet d'atteindre. L'invention propose à cet effet une solution à un seul télescope, en tirant profit de l'existence d'optiques diffractives, c'est-à-dire d'éléments optiques transmettant (ou réfléchissant) des rayons incidents selon une ou deux direction(s) prédéterminée(s), pouvant être à volonté différente(s) de la direction des rayons incidents. Un exemple d'optiques diffractives est donné dans: "Holographic Optical Elements as Conically Scanned Lidar Telescopes" de G.K. SCHWEMMER et Th. D. WILKERSON paru dans Technical Digest on Optical Remote Sensing of the Atmosphère, 1991, (Optical Society of America, Washington, D.C., 1991), Vol. 18, pp 310- 312. Plus précisément, l'invention propose un instru- ment spatial d'observation laser pour la caractérisation quantitative par effet DOPPLER de mouvements au sein d'une masse fluide portée par une planète, destiné à être déplacé par un véhicule porteur suivant une trajectoire au-dessus de cette masse fluide, ayant un axe de référence destiné à être parallèle localement à cette trajectoire et comportant une platine pour la fixation de cet instrument à ce véhicule porteur, un générateur laser, une unité de mesure de fréquence, de premier et second éléments de visée alignés sur l'axe de référence et ayant de premier et second axes de visée d'inclinaisons non nulles par rapport à l'axe de référence et destinés à être orientés vers la planète pour l'émission et la réception de rayons laser et ayant sur l'axe de référence des projections de sens de préférence opposés, un dispositif à télescope d'axe confondu avec l'axe de référence pour envoyer des rayons émis par le générateur laser vers les éléments de visée et pour appliquer des rayons laser reçus par les éléments de saisie vers l'unité de mesure, et des moyens rotatifs pour faire tourner les éléments de visée par rapport à la platine autour de l'axe de référence, cet instrument étant caractérisé en ce que le dispositif à télescope comporte un télescope unique, le premier élément de visée étant disposé entre ce télescope et le second élément de visée et étant adapté à transmettre vers le second élément de visée, selon l'axe de référence, au moins une partie des rayons laser envoyés par le télescope à une fréquence prédéterminée, et à transmettre vers ce télescope, selon l'axe de référence, des rayons laser reçus par le second élément de visée. Selon des enseignements préférés, éventuellement combinés: - le premier élément de visée est un élément optique diffrac- tif de transmission, coaxial au télescope et de diamètre égal, au moins approximativement, au diamètre optique du télescope et ayant deux axes de transmission respectivement confondus avec l'axe de référence et le premier axe de visée, et le second élément de visée est un élément optique de réflexion, - le second élément de visée est un miroir incliné par rapport à l'axe de référence, - le second élément de visée est un élément optique diffrac- tif de réflexion, coaxial au télescope, de diamètre égal, au moins approximativement, au diamètre optique du télescope, et ayant un axe de réflexion confondu avec ce second axe de visée, - le générateur laser a une fréquence d'émission unique pour laquelle l'élément optique diffractif de transmission transmet un rayon laser venant de ce générateur laser pour partie suivant l'axe de référence, pour partie suivant le premier axe de visée, les premier et second axes de visée ayant par rapport à l'axe de référence des inclinaisons différentes, - le générateur laser a une première fréquence d'émission pour laquelle l'élément optique diffractif de transmission transmet la totalité d'un rayon laser venant du générateur laser suivant l'axe de référence, et une seconde fréquence d'émission pour laquelle l'élément optique diffractif de transmission transmet la totalité d'un rayon laser venant du générateur laser suivant le premier axe de visée, - les premier et second axes de visée ont, par rapport à l'axe de référence, des inclinaisons égales mais de signes opposés, - les premier et second axes de visée ont, par rapport à l'axe de référence, des inclinaisons comprises entre 20 et , - ces inclinaisons sont comprises entre 40 et 50 . L'invention concerne également un véhicule spatial muni d'un tel instrument d'observation. Des objets, caractéristiques et avantages de l'invention ressortent de la description qui suit, donnée à titre d'exemple non limitatif, en regard des dessins annexés sur lesquels: - la figure 1A est une vue schématique en perspective d'un instrument d'observation conforme à l'inven- tion, représentant des rayons émis selon deux axes de visée, - la figure lB est une vue schématique similaire, représentant des rayons captés selon les deux axes de visée, - la figure 2 est une vue schématique de côté d'un autre instrument d'observation conforme à l'invention, - la figure 3 est une vue schématique de côté d'encore un autre instrument d'observation conforme à l'invention, et - la figure 4 est une vue schématique d'un véhicule spatial muni de l'instrument de la figure 1, sur une orbite d'altitude H, survolant une couche atmosphérique de hauteur h. Les figures 1A et lB représentent schématiquement un instrument spatial d'observation laser, repéré dans son ensemble sous la référence 10, destiné à la caractérisation quantitative par effet DOPPLER de mouvements au sein d'une masse fluide portée par une planète. Cet instrument 10 est destiné à être déplacé par un véhicule porteur suivant une trajectoire T (voir la figure 4) au-dessus de cette masse fluide. Ce véhicule porteur est en pratique une plate-forme PF représentée en traits mixtes à la figure 1A, et l'ensemble constitue un véhicule spatial ou satellite 5 représenté par un simple point à la figure 4. La trajectoire T est représentée par une ligne droite à la figure 4 mais ce n'est qu'une mesure de simplifi- cation puisque cette trajectoire est en principe une orbite. On désigne son altitude par H et la hauteur ou l'épaisseur moyenne de la masse fluide à caractériser par h. La plate-forme a un axe de roulis X destiné à être parallèle localement à la trajectoire et un axe de lacet Z destiné à être orienté vers le centre de la planète. Cet instrument spatial d'observation laser 10 a un axe de référence U-U destiné, lorsque cet instrument est fixé sur la plate-forme, à être parallèle à l'axe de roulis. Cet instrument comporte une platine schématisée en 11 pour sa fixation à la plate-forme par tout moyen connu approprié non représenté. A cette platine 11 sont fixés: - un générateur laser schématisé en 12, destiné à émettre des rayons laser, - une unité de mesure de fréquence schématisé en 13 et destinée à recevoir des rayons laser captés par l'instrument , - un télescope unique 14 d'axe confondu avec l'axe de référence, - de premier et second éléments de visée 15 et 16, alignés sur, et coaxiaux à, l'axe de référence U-U et ayant de premier et second axes de visée V-V et W-W destinés à être orientés vers la planète pour l'émission et la réception de rayon laser, - de premier et second moteurs rotatifs 15A et 16A pour faire tourner ces éléments de visée autour de l'axe de référence, de préférence en pivotement, et avantageusement en opposition de phase. Le télescope 14 est adapté à envoyer des rayons, émis par le générateur laser 12, vers les éléments de visée, et à appliquer des rayons laser reçus par les éléments de visée à l'unité de mesure 13. Les axes de visée V-V et W-W ont de préférence sur l'axe de référence des projections de sens opposés; ils ont vis à vis de celui-ci des inclinaisons typiquement comprises entre 20 et 70 , voire 800. En variante non représentée ces axes de visée ont sur l'axe de visée des projections de mêmes sens (avec des inclinaisons différen- tes). On désigne ici par un premier élément de visée celui qui est disposé entre le télescope et l'autre élément de visée. Ce premier élément de visée 15 est adapté à transmettre suivant l'axe de référence une partie des rayons qu'il reçoit du générateur laser au travers du télescope. Deux cas sont possibles: a - soit le générateur laser émet des rayons à une fréquence, laser unique Xo auquel cas le premier élément de visée 15 partage ces rayons en deux sous-rayons d'énergies avantageusement sensiblement égales dont l'un se propage vers le second élément de visée 16 suivant l'axe de référence, et l'autre se propage suivant le premier axe de visée, b - soit le générateur laser émet des rayons selon deux fréquences distinctes Xl et X2, auquel cas le premier élément de visée peut partager des rayons comme précédem- ment, ou en variante préférée (voir figure 3) faire se propager ces rayons en fonction de leur fréquence, soit suivant l'axe de référence, soit suivant le premier axe de visée V-V. Dans une version très simplifiée, correspondant à un partage des rayons, on peut choisir une lame semi- transparente; cette solution présente toutefois, notamment, l'inconvénient d'appliquer également un partage en deux des rayons captés par le second élément de visée et renvoyés vers le télescope, de sorte que le télescope ne reçoit qu'une partie de ces rayons captés. Une telle solution permet par contre que le premier axe de visée soit dans le sens de X. C'est pourquoi, de manière très préférée, le premier élément de saisie est un élément optique diffractif de transmission coaxial au télescope et de diamètre approxi- mativement égal au diamètre optique du télescope (voire supérieur à ce diamètre, mais il en découle un supplément de masse). Cet élément 15 a deux axes de transmission respecti- vement confondus avec l'axe de référence et le premier axe de visée. Cette solution a pour avantage qu'en réception (voir la figure lB) les rayons reçus aussi bien selon le premier axe de visée que selon le second axe de visée et renvoyés par le second élément de visée sont transmis en totalité vers le télescope; le fait que les axes de visée puissent se croiser ne pose par contre pas de problème. Le second élément de visée 16 est, aux figures lA et lB, également un élément optique diffractif, admettant toutefois, à la différence de l'élément 15, une direction de réflexion (confondue avec le second élément de visée). La figure 2 représente un autre instrument, repéré 10', dans lequel le second élément de visée, qui est repéré 16' pour le distinguer des figures 1A et lB, est un miroir incliné par rapport à l'axe de référence. L'avantage de l'élément 16 par rapport au miroir 16' est une moindre section puisqu'il est, comme l'élément 15, perpendiculaire à U-U) donc une moindre masse, et corrélativement un équilibrage dynamique plus simple puisque les deux éléments optiques diffractifs peuvent aussi avoir la même inertie, la plus faible possible. Comme on l'a vu précédemment, la figure 3 représente un autre instrument 10", dont le générateur 12" a deux fréquences de travail, l'élément optique diffractif 15" étant réalisé en sorte de transmettre, selon la fréquence de l'impulsion considérée, soit suivant U-U, soit suivant V-V. Cela a les avantages suivants: - à chaque tir laser, on récupère pratiquement toute l'éner- gie émise sur l'un des axes de visée (contre environ la moitié seulement dans les exemples des figures lA, lB et 2 avec une seule longueur d'onde), - si les deux longueurs d'onde sont bien choisies, on peut en même temps utiliser l'instrument (il constitue un lidar) en DIAL (acronyme approximatif de DIfférential Absorption Lidar), permettant la mesure de concentration en certains constituants de la masse fluide, en fonction de la longueur d'onde utilisée, - en outre les inclinaisons respectives a et P des premier et second axes de visée peuvent être égales, ce qui facilite la détection et l'analyse des signaux en retour. Il faut cependant noter que l'élément 15" doit être calibré pour ne laisser passer aucun rayon "parasite suivant V-V, soit suivant U-U selon la fréquence du tir laser considéré. Cet élément 15" doit donc être parfaitement ajusté à ces deux fréquences et toute dérive, même légère, de ces fréquences peut dégrader sévèrement les performances de l'instrument. Cette contrainte se traduit en principe par la nécessité d'utiliser une optique diffractive épaisse, donc lourde, et plus complexe à réaliser. Il est intéressant de veiller à ce que les deux longueurs d'onde soient suffisamment proches pour ne pas nécessiter d'accorder l'oscillateur local de l'instrument (non représenté) suivant l'une ou l'autre des longueurs d'onde; de toute façon, une mission DIAL (voir ci-dessus) requiert en pratique que ces longueurs d'onde soient proches. Par contre, lorsque le premier élément de visée partage les rayons émis, il est recommandé que les inclinai- sons a et a soient différentes de manière que les rayons captés suivant l'un ou l'autre des axes de visée soient reçus en des moments différents pour en faciliter la détection, la discrimination et l'analyse. L'homme de métier sait réaliser des éléments optiques diffractifs appropriés à ses besoins, en transmis- sion et en réflexion, et agissant comme filtres le cas échéant (cas de la figure 3). Cela ne sera pas détaillé ici. L'inclinaison a du premier élément de visée est typiquement comprise entre 20 et 70 , de préférence entre et 50 . L'inclinaison 3 du second élément de visée est typiquement comprise entre 30 et 60 , de préférence entre et 50 La différence entre les inclinaisons a et 0 fait que l'effet DOPPLER dû à la vitesse du satellite n'est pas le même pour les deux axes de visée. Dans le cas o cet effet DOPPLER doit être corrigé avant la détection (c'est-à-dire que l'unité de détection ou de mesure n'a pas une bande passante suffisante, ce qui peut se produire lorsque la longueur d'onde d'émission est inférieure à 5 gm), cela peut imposer d'avoir un oscillateur local accordable sur deux longueurs d'onde (pour une détection cohérente). Toutefois, il est apparu possible de trouver pour a et 0 des valeurs suffisamment différentes pour que les signaux de retour suivant a et P soient reçus à des moments différents, maus suffisamment proches pour que l'écart d'effet DOPPLER soit acceptable au niveau du détecteur. Une autre contrainte est que l'instrument comporte un dispositif (non représenté) de compensation de l'angle de traîne qui, à la différence des solutions connues, doit compenser l'angle de traîne du rayonnement émis/reçu suivant a, puis celui du rayonnement émis/reçu suivant P. Cette complication s'atténue toutefois si l'on admet de recevoir les signaux en retour suivant l'un des axes de visée, entièrement avant ou après le signal de retour suivant l'autre axe de visée. On peut montrer que la première contrainte est satisfaite si on a (en prenant a B est la bande passante du détecteur utilisé. La deuxième contrainte est satisfaite en écrivant que les trajets SA et SB respectent l'expression suivante (en prenant a 2. > 2. sina sing A titre d'exemple: a = 45 /3 = 50 À = 2 gm B = 2 GHz H = 400 km - h = 7000 m/s Vmax = 100 m/s On peut vérifier que les conditions précitées sont satisfaites: * le premier terme de la première expression donne 580 MHz qui est bien inférieur à 2 GHz, * quant à la deuxième expression, elle devient: 537 km > 522 km ce qui est correct. Il va de soi que la description qui précède n'a été proposée qu'à titre d'exemple non limitatif et que de nombreuses variantes peuvent être proposées par l'homme de l'art sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Instrument spatial d'observation laser pour la caractérisation quantitative par effet DOPPLER de mouvements au sein d'une masse fluide portée par une planète, destiné à être déplacé par un véhicule porteur (PF) suivant une trajec- toire au-dessus de cette masse fluide, ayant un axe de référence (U-U) destiné à être parallèle localement à cette trajectoire et comportant une platine (11) pour la fixation de cet instrument à ce véhicule porteur, un générateur laser (12, 12"), une unité de mesure de fréquence (13, 13"), de premier et second éléments de visée (15, 15", 16, 16', 16") alignés sur l'axe de référence et ayant de premier et second axes de visée (V-V, W-W) d'inclinaisons non nulles par rapport à l'axe de référence et destinés à être orientés vers la planète pour l'émission et la réception de rayons laser et ayant sur l'axe de référence des projections de sens de préférence opposés, un dispositif à télescope (14, 14") d'axe confondu avec l'axe de référence pour envoyer des rayons émis par le générateur laser vers les éléments de visée et pour appliquer des rayons laser reçus par les éléments de saisie vers l'unité de mesure, et des moyens rotatifs (15A, 16A) pour faire tourner les éléments de visée par rapport à la platine autour de l'axe de référence, cet instrument étant caractérisé en ce que le dispositif à télescope comporte un télescope unique (14, 14"), le premier élément de visée (15, ") étant disposé entre ce télescope et le second élément de visée (16, 16', 16") et étant adapté à transmettre vers le second élément de visée, selon l'axe de référence, au moins une partie des rayons laser envoyés par le télescope à une fréquence prédéterminée, et à transmettre vers ce télescope, selon l'axe de référence, des rayons laser reçus par le second élément de visée. 2. Instrument spatial selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier élément de visée (15, 15") est un élément optique diffractif de transmission, coaxial au télescope et de diamètre égal, au moins approximativement, au diamètre optique du télescope et ayant deux axes de transmis- sion respectivement confondus avec l'axe de référence et le premier axe de visée, et le second élément de visée (16, 16', 16") est un élément optique de réflexion. 3. Instrument spatial selon la revendication 2, caractérisé en ce que le second élément de visée est un miroir (16') incliné par rapport à l'axe de référence. 4. Instrument spatial selon la revendication 2, caractérisé en ce que le second élément de visée est un élément optique diffractif de réflexion (16, 16"), coaxial au télescope, de diamètre égal, au moins approximativement, au diamètre optique du télescope, et ayant un axe de réflexion confondu avec ce second axe de visée. 5. Instrument spatial selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que le générateur laser (12) a une fréquence d'émission unique pour laquelle l'élément optique diffractif de transmission transmet un rayon laser venant de ce générateur laser pour partie suivant l'axe de référence, pour partie suivant le premier axe de visée, les premier et second axes de visée ayant par rapport à l'axe de référence des inclinaisons différentes. 6. Instrument spatial selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que le générateur laser (12") a une première fréquence d'émission pour laquelle l'élément optique diffractif de transmission transmet la totalité d'un rayon laser venant du générateur laser suivant l'axe de référence, et une seconde fréquence d'émission pour laquelle l'élément optique diffractif de transmission transmet la totalité d'un rayon laser venant du générateur laser suivant le premier axe de visée. 7. Instrument spatial selon la revendication 6, caractérisé en ce que les premier et second axes de visée ont, par rapport à l'axe de référence, des inclinaisons égales. 8. Instrument spatial selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les premier et second axes de visée ont, par rapport à l'axe de référence, des inclinaisons comprises entre 20 et 800. 9. Instrument spatial selon la revendication 8, caractérisé en ce que ces inclinaisons sont comprises entre 40 et 500. 10. Véhicule spatial d'observation pour la caractérisation quantitative par effet DOPPLER de mouvements au sein d'une masse fluide portée par une planète, comportant une plate-forme (PF) adaptée à suivre une orbite autour de cette planète, ayant un axe de roulis destiné à être paral- lèle à cette orbite et un axe de lacet destiné à être orienté vers le centre de la planète, ce véhicule spatial comportant en outre un instrument spatial d'observation laser (10) conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 9, fixé à la plate-forme en sorte que l'axe de référence soit parallèle à l'axe de roulis.