Brevet FR2727766A1 — publié le 19960607

RaDAR OPTIOVE A BALAYAGE La présente invention a pour objet un radar optique (ou lidar) à balayage. Un radar optique met en général en oeuvre une source de lumière laser, qui émet un rayon laser polarisé linéairement et qui est dirigé vers un milieu à caractériser, lequel renvoit un faisceau rétrodiffusé présentant une certaine dépolarisation, cette dépolarisation étant caractéristique de certaines propriétés du milieu à caractériser. C'est ainsi que la technique du radar optique ou lidar a été mise en oeuvre en météorologie pour l'étude des nuages, la dépolarisation de la lumière laser rétrodiffusée par un nuage représentant, dans une certaine mesure, le rapport entre la quantité de glace et la quantité d'eau qu'il contient. Une telle application du radar optique a été en particulier décrite dans la publication de KENNETH SASSEN intitulé "The Polarization Lidar Technique for Cloud Research A Review and Current Assessment paru dans le volume 72 n 12 de Décembre 1991 du Bulletin de l'American Meteorological Society. Cet article montre en particulier que les éléments diffusants optiquement homogènes et à symétrie sphérique, tels que les gouttelettes d'eau contenues dans un nuage, n'induisent pas de dépolarisation de la lumière incidente dans la direction de rétrodiffusion, alors que des éléments diffusants qui présentent la géométrie arbitraire des particules de glace introduisent quant à eux une dépolarisation qui peut être importante. Le coefficient de dépolarisation 6 est ainsi compris en général entre 0,2 et 0,8 et le plus souvent entre 0,4 et 0,5 pour les nuages chargés en glace ou pour les nuages susceptibles de générer des chutes de neige. Une technique souvent employée est de diriger le rayon laser du radar optique dans la direction verticale (pointage au zénith) et de mesurer la dépolarisation du faisceau rétrodiffusé. Cependant, comme le montre l'article précité, il se trouve que les nuages chargés en glace présentent un nombre important de couches diffusantes orientées horizontalement, ce qui induit des valeurs de dépolarisation 6 pratiquement nulles lorsque le radar optique est pointé au zénith ou à un angle très voisin. Pour éviter ce genre d'aberration, il est connu d'effectuer un balayage du faisceau du radar optique avec une amplitude de quelques degrés d'angle par rapport à la verticale. D'autre part, et d'une manière générale, la technologie s'oriente vers la mise en oeuvre de radars optique à balayage permettant d'observer des nuages qui ne sont pas situés à la verticale du point d'observation. La mise en oeuvre d'un radar optique à balayage impose l'emploi d'un dispositif de renvoi optique à un ou plusieurs miroirs, lequel introduit une erreur dans la mesure de la dépolarisation qui est due essentiellement au coefficient de retard de phase A ou "retardance" du ou des miroirs de renvoi. Etant donné que la dépolarisation induite par un nuage peut être relativement faible, il est évident que toute erreur de mesure induite par le coefficient A du ou des miroirs des dispositifs de renvoi optique est préjudiciable à la qualité de la mesure. La présente invention a pour objet un radar optique permettant de s'affranchir, au moins dans une large mesure, des inconvénients dûs au coefficient A du ou des miroirs du dispositif de renvoi optique. L'invention concerne dans ce but un radar optique comportant une source de lumière collimatée monochromatique ou quasi-monochromatique, par exemple une source de lumière laser, émettant un rayon polarisé linéairement et cheminant selon un premier axe optique, un dispositif de renvoi optique, et un dispositif de mesure de dépolarisation caractérisé en ce que le dispositif de renvoi optique comporte au moins l'un de deux dispositifs élémentaires de renvoi optique - un premier dispositif élémentaire disposé selon le premier axe optique et renvoyant, à l'aide d'un premier miroir de renvoi, ledit rayon laser depuis le premier axe optique vers un deuxième axe optique formant avec le premier axe optique un angle 2a1, le deuxième axe optique formant un angle O avec un premier plan de référence contenant le premier axe optique et perpendiculaire à ladite direction de polarisation donnée, et comportant également une première lame retardatrice demi-onde disposée selon le premier axe en amont du premier miroir dans le sens de propagation des rayons lumineux, et dont une direction principale forme avec le premier plan de référence un angle égal à 0/2. - et / ou un deuxième dispositif élémentaire disposé selon un axe optique de mesure et renvoyant, à laide d'un deuxième miroir de renvoi substantiellement identique, par ses propriétés optiques, au premier miroir de renvoi, un rayon laser rétrodiffusé cheminant selon un troisième axe optique, vers ledit axe optique de mesure, lequel forme avec le troisième axe optique un angle 2 a2 (avec a2= Le deuxième et le troisième axes optiques sont avantageusement parallèles, l'axe optique de renvoi étant alors parallèle au premier axe optique, ou aligné avec celui-ci. Le dispositif de renvoi optique comporte alors, selon une variante préférée, un premier miroir déviant le rayon laser selon un deuxième axe optique perpendiculaire au premier axe optique, un deuxième miroir recevant selon un troisième axe parallèle au deuxième axe, un faisceau rétrodiffusé par un milieu à caractériser, et le renvoyant selon un quatrième axe optique parallèle au premier axe optique ou aligné avec celui-ci, en ce qu'il comporte un moyen pour entraîner simultanément en rotation le premier et le deuxième miroir de telle sorte qu'un plan de balayage contenant le premier, le deuxième et le troisième axe optique forme un angle de balayage donné O avec le premier plan de référence en ce qu'il comporte en premier une première et une deuxième lames demi-onde retardatrices disposées respectivement sur le premier axe optique avant le premier miroir et sur le quatrième axe optique après le deuxième miroir et en ce qu'il comporte un moyen pour positionner un axe principal de la première et de la deuxième lame demi-onde, de telle sorte qu'il forme avec le premier plan de référence un angle 0/2 égal à la moitié de l'angle de balayage. Selon un mode de réalisation préféré, le radar optique est caractérisé en ce que qu'il comporte un moyen pour entraîner simultanément en rotation le premier et le deuxième miroirs de telle sorte qu'un plan de balayage contenant les premier, deuxième et troisième axes optiques forme un angle de balayage donné O avec le premier plan de référence, en ce qu'il comporte la première et la deuxième lame demi-onde retardatrice qui sont disposées respectivement sur le premier axe optique avant le premier miroir et sur le quatrième axe optique après le deuxième miroir et en ce qu'il comporte un moyen pour positionner un axe principal de la première et de la deuxième lame demi-onde de telle sorte qu'il forme avec le plan de référence un angle égal à 0/2. La direction de polarisation linéaire est de préférence soit horizontale, soit verticale. L'invention concerne également un dispositif de renvoi optique, à l'aide d'un miroir de renvoi, d'un rayon lumineux polarisé linéairement selon une direction de polarisation donnée depuis un axe optique incident vers un axe optique de renvoi formant avec l'axe optique incident un angle 2a1, à l'aide d'un miroir de renvoi, a1 étant de préférence égal à 45 , dans lequel le miroir de renvoi est incliné sur l'axe optique de renvoi pour que l'axe optique de renvoi forme un angle O avec un plan de référence contenant l'axe optique incident et perpendiculaire à la direction de polarisation, et en ce qu'il comporte, en amont du miroir de renvoi dans le sens de propagation des rayons lumineux, une lame retardatrice demi-onde disposée selon l'axe optique incident et dont une direction principale forme avec le plan de référence un angle égal à 0/2. L'invention concerne enfin un dispositif élémentaire de renvoi d'un rayon lumineux polarisé et ayant une direction nominale de polarisation linéaire, depuis un axe optique incident vers un axe optique de renvoi formant avec l'axe optique incident un angle 2a2, a2 étant de préférence égal à 45 , l'axe optique incident forme un angle O avec un plan de référence contenant l'axe optique de renvoi et perpendiculaire audit axe donné, et en ce qu'il comporte, en aval du miroir de renvoi dans le sens de propagation des rayons lumineux, une lame retardatrice demi-onde disposée selon l'axe optique de renvoi et dont une direction principale forme avec le plan de référence un angle égal à 0/2. La direction nominale de polarisation linéaire est, selon une première variante, perpendiculaire au plan contenant 1 'axe optique incident et 1 'axe optique de renvoi, ou bien, selon une deuxième variante, elle forme avec ledit plan un angle 0. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaitront mieux à la lecture de la description qui va suivre donnée à titre d'exemple non limitatif en liaison avec la figure 1 qui représente un schéma d'un radar optique selon un mode de réalisation préféré de l'invention, et avec les figures 2a et 2d qui sont des détails de la figure 1, respectivement la première lame demi-onde, le premier miroir, le deuxième miroir, et la deuxième lame demi-onde, vus le long des axes 1 et 4 pour les lames, et latéralement pour les miroirs. Le radar optique présenté à la figure 1 comporte un laser 10 émettant un faisceau laser selon l'axe optique 1, ce faisceau laser 11 étant polarisé horizontalement dans le sens de la flèche F. On appelle P1 le plan horizontal passant par l'axe optique 1 et contenant la flèche F. On désigne par P2 le plan vertical passant par l'axe optique 1, ce plan P2 constituant un plan de référence perpendiculaire à la flèche F. Un miroir M1 dont le plan est incliné d'un angle ai , de préférence égal à 45 par rapport à l'axe optique 1 (voir figure 2b) est susceptible d'être entraîné en rotation autour de l'axe optique 1 de manière à renvoyer le faisceau laser 11 selon un axe optique 2 formant avec l'axe optique 1 un angle 2al dans le plan P3 et qui est donc perpendiculaire à l'axe optique 1 lorsque a1=45. L'axe optique 2 est situé dans un plan P3 qui contient l'axe optique 1 et qui forme avec le plan P2 un angle 0. Cet angle O est par exemple susceptible de varier entre 0 et 25-. Cette inclinaison variable O permet par balayage d'explorer une certaine région, par exemple comme représenté, d'explorer un nuage 30. Ce nuage 30 restitue par rétrodiffusion un rayon lumineux selon un axe optique 3 situé dans le plan P3 et parallèle à l'axe optique 2. Ce rayon lumineux présentant une polarisation qui peut être quelconque, à savoir une combinaison entre une polarisation elliptique dûe aux cristaux de glace ordonnés et une polarisation aléatoire dûe entre autres à la diffusion multiple, est renvoyé par un deuxième miroir M2 selon un axe optique 4 aligné avec l'axe optique 1 ou parallèle à celui-ci: dans le cas où le nuage 30 n'induit pas de dépolarisation, le rayon lumineux présente une direction nominale de polarisation 7 qui est perpendiculaire au plan P3. Le plan du miroir M2 est incliné d'un angle a2 de préférence égal à 45 par rapport à l'axe optique 4 (voir figure 2c).En amont du premier miroir M1 dans le sens de propagation des rayons lumineux, est disposée une lame retardatrice 12 demi-onde (k/2), k désignant la longueur d'onde du rayonnement laser 11. On rappellera qu'une lame retardatrice demi-onde transforme la polarisation d'un faisceau entrant en une polarisation symétrique par rapport à ses directions principales. Selon l'invention, une des directions principales 16 de la lame 12 est inclinée d'un angle 8/2, de sorte qu'elle se trouve toujours située dans le plan bissecteur P4 des plans P2 et P3. Cette direction principale fait ainsi un angle 0/2 avec le plan P2 (voir figure 2a). En aval de la lame 12, la direction de polarisation 6 fait un angle O avec la flèche F, et elle est par conséquent perpendiculaire au plan P3. En aval du miroir M2, dans le sens de propagation des rayons lumineux, est disposée une lame retardatrice demi-onde 14 dont une direction principale 18 forme également le même angle 8/2 par rapport au plan P2, c'est-à-dire que la direction principale 18 est parallèle à la direction principale 16 (voir figure 2d). En aval de la lame 14, la direction nominale de polarisation F, c'est-à-dire la direction de polarisation correspondant à un nuage 30 n'induisant pas de dépolarisation, est parallèle à F. Les miroirs M1 et M2 ont préférentiellement des propriétés sensiblement identiques vis-à-vis de la polarisation, c'est-à-dire qu'il présentent le même retard de phase nominal A et la même diatténuation a. Ceci peut être réalisé en pratique en déposant la couche réfléchissante des miroirs M1 et M2 dans la même cloche de dépôt et en même temps. Les raisons pour lesquelles l'invention permet de s'affranchir des inconvénients produits par le coefficient de retard A des miroirs vont maintenant être explicitées, en utilisant le formalisme de MUELLER STOKES. Soit R(O) la matrice de Mueller correspondant à un angle 0, HWP (o/2) la matrice de Mueller correspondant à une rotation d'angle 0/2 d'une lame demionde, M la matrice de Mueller correspondant à un miroir M1 ou M21 et F la matrice de Mueller du nuage 30 à caractériser. La matrice de STORES du rayon incident 11 polarisé linéairement dans une direction horizontale est représentée par la matrice de Stokes Bi alors que le faisceau en sortie de la lame retardatrice 14 est représenté par la matrice de Stokes Be. Les matrices correspondantes sont données en annexe soit I pour R(#), II pour HWP de #/2 III pour M (a représentant la diatténuation des miroirs), IV pour F, V pour Bi et VI pour Be. Be peut s'exprimer par le produit matriciel suivant. B e = R(#) .HWP(#/2) . M. F. M. R(o). HWP(o/2) .Bi L'expression de B e donnée en VI montre que, d'une part, Be est indépendant de l'angle 0, et que, d'autre part, le coefficient de dépolarisation linéaire 61, qui dépend des deux premières lignes de la matrice Beî est indépendant du coefficient A. L'invention concerne également un dispositif de renvoi optique associant à un miroir de renvoi une lentille retardatrice, l'axe optique de renvoi formant un angle O avec un plan de référence contenant l'axe optique incident et perpendiculaire à la direction de polarisation. La lame retardatrice demi-onde présente une direction principale formant avec le plan de référence un angle égal à 0/2. Le dispositif de renvoi élémentaire permet de réaliser un renvoi optique d'un rayon lumineux à l'émission, auquel cas la lame retardatrice est placée de préférence en amont du miroir, ou à la réception, auquel cas la lame retardatrice est placée de préférence en aval du miroir.Dans le cas d'une émission ou d'une réception, le rayon lumineux polarisé linéairement est renvoyé sans que les deux premiers termes de Be soient affectés par le coefficient A du miroir, comme le montre l'expression VI. Le troisième et le quatrième termes de la matrice Be sont seuls affectés par le coefficient A. Les intensités propres du faisceau réfléchi sur un miroir, caractérisées par les polarisations s et p, dépendent seulement de la diatténuation a qu'il est facile de connaître et sont indépendants du coefficient A. il s'ensuit que, pour un angle d'incidence donné, et quel que soit l'angle de balayage 0, le coefficient de dépolarisation linéaire qui est mesuré est indépendant du coefficient A. On a 6 mesuré = S a 6 réel l+a On comprendra que l'ordre dans lequel sont disposés un miroir et la lame retardatrice qui lui est associée peut être inversé, à condition de conserver une rotation O de la polarisation le long de l'axe de propagation du rayon laser, le mode de réalisation préféré représenté à la figure 1 permettant que seuls les miroirs M1 et M2 se déplacent. D'autre part, sil est possible de pointer le laser selon l'axe 2, il n'est pas besoin du miroir M1 et de la lame 12 ; s'il est possible de pointer le détecteur 20 dans la direction 3, il n'est pas besoin du miroir M2 et de la lame 14. ANNEXE 1 0 0 0 # 0 cos(2.#) sin(2.#) 0 # R(#) = (I) 0 -sin(2.#) cos(2.#) 0 O O O 1, i 0 0 0 0 cos(2.#) sin(2.#) 0 (II) HWP(#/2) = # # 0 sin(2.#) -cos(2.#) 0 #0 0 0 -1 a1 b b3 b5 c1 a2 b4 b6 # c3 c4 a3 b2 # c5 c6 c2 a4 REVESDICATIONS 1. Radar optique comportant une source de lumière collimatée monochromatique ou quasimonochromatique émettant un rayon polarisé linéairement selon une direction de polarisation donnée et cheminant selon un premier axe optique, un dispositif de renvoi optique et un dispositif de mesure d'une dépolarisation induite par un milieu à caractériser, caractérisé en ce que le dispositif de renvoi optique comporte au moins l'un de deux dispositifs élémentaires de renvoi optique - un premier dispositif élémentaire (12, M1) disposé selon le premier axe optique et renvoyant, à l'aide d'un premier miroir de renvoi, ledit rayon depuis le premier axe optique (1) vers un deuxième axe optique (2) formant avec le premier axe optique un angle 2a11 le deuxième axe optique (2) formant un angle O avec un premier plan de référence (P2) contenant le premier axe optique (1) et perpendiculaire à ladite direction de polarisation donnée (F), et comportant également une première lame retardatrice demi-onde (12) disposée selon le premier axe (1) en amont du premier miroir (M1) dans le sens de propagation des rayons lumineux, et dont une direction principale (16) forme avec le premier plan de référence un angle égal à 0/2. - et / ou un deuxième dispositif élémentaire disposé (14, M2) selon un axe optique de mesure (4) et renvoyant, à l'aide d'un deuxième miroir de renvoi (M2), un rayon rétrodiffusé cheminant selon un troisième axe optique (3), vers ledit axe optique de mesure (4), lequel forme avec le troisième axe optique (3) un angle 2 al, le troisième axe optique (3) faisant un angle O avec un deuxième plan de référence contenant l'axe optique de mesure (4), et comportant également une deuxième lame retardatrice demi-onde (14) disposée selon l'axe optique de mesure (4) en aval du deuxième miroir de renvoi (M2) dans le sens de propagation du rayon lumineux, et dont une direction principale (18) forme avec le deuxième plan de référence (P2) un angle égal à 0/2. 2. Radar optique selon la revendication 1 caractérisé en ce que le deuxième (2) et le troisième (3) axe optique sont parallèles et en ce que l'axe optique de renvoi (4) est parallèle au premier axe optique (1) ou est aligné avec celui-ci. 3. Radar optique selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte un moyen pour entraîner simultanément en rotation le premier (M1) et le deuxième (M2) miroirs de telle sorte qu'un plan de balayage (P3) contenant les premier (1), deuxième (2) et troisième (3) axes optiques forme un angle de balayage donné O avec le premier plan de référence (P2), en ce qu'il comporte la première (12) et la deuxième (14) lames demi-onde retardatrices qui sont disposées respectivement sur le premier axe optique (1) avant le premier miroir (M1) et sur le quatrième axe optique (4) après le deuxième miroir (M2) et en ce qu'il comporte un moyen pour positionner un axe principal (16, 18) de la première (12) et de la deuxième (14) lames demi-onde de telle sorte qu'il forme avec le premier plan de référence (P2) un angle égal à 0/2. 4. Radar selon l'une des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que la direction de polarisation donnée (F) est horizontale ou verticale. 5. Radar selon une des revendications précédentes caractérisé en ce que le premier (1) et le deuxième (2) axes optiques sont perpendiculaires, soit a1 = 45'. 6. Radar selon une des revendications précédentes caractérisé en ce que le troisième axe (3) optique et l'axe optique de mesure (4) sont perpendiculaires, soit a1 = 45'. 7. Radar selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le milieu à caractériser est un nuage (30). 8. Radar optique selon une des revendications précédentes caractérisé en ce que le premier (M1) et le deuxième (M2) miroir ont des propriétés sensiblement identiques vis-à-vis de la polarisation.