Brevet FR2742877A1 — publié le 19970627

SYSTEME OPTIQUE DE MESURE DE VITESSE ET/OU DE DISTANCE D'OBJET L'invention conceme un système de mesure de vitesse eVou de distance d'objet. On connaît des systèmes optiques capables de réaliser des observations sur des objets à l'aide d'un faisceau aux longueurs d'ondes optiques Ces systèmes sont désignés sous le terme de LIDAR et fonctionnent à l'image des radars. Ces systèmes présentent les inconvénients d'être sensibles aux turbulences atmosphériques et d'avoir des contraintes de fonctionnement. L'invention concerne donc un système optique qui améliore l'insensibilité aux perturbations atmosphériques qui permet une amplification du signal reçu et qui permet d'augmenter le champ angulaire (élimination des contraintes de la loi d'antenne). L'invention concerne donc un système optique de mesure de vitesse etlou de distance d'objet, caractérisé en ce qu'il comporte: - un générateur optique émettant un faisceau optique comprenant deux ondes de fréquences différentes; - un premier détecteur optique capable de recevoir le faisceau optique émis par la source optique et réfléchi par un objet et de fournir un signal électrique; - des circuits électroniques de traitement recevant le signal électrique et fournissant une valeur de vitesse etlou de distance de l'objet déduites de la différence de fréquences des ondes émises. Dans ce système, les circuits de traitement effectuent une analyse spectrale du signal électrique qu'ils reçoivent, détectent les fréquences contenues dans ce signal autres que celles résultant directement des deux ondes de fréquences modulées et calculent la vitesse de l'objet en appliquant la formule AQ= = c où AQ = la fréquence détectée Q = le décalage en fréquence des ondes émises par la source laser v = la vitesse de l'objet à calculer c = la vitesse des ondes optiques dans l'air. De plus, ce système peut comporter en outre: - un deuxième détecteur optique recevant le faisceau optique émis par la source laser et foumissant un signal électrique; - un circuit multiplicateur recevant les deux signaux électriques fournis par les deux détecteurs effectuant le produit de ces deux signaux, et fournissant un courant dont la fréquence est proportionnelle à la vitesse de l'objet, le décalage en fréquence des ondes émises par la source laser, et mouvement proportionnel à la vitesse de la lumière. Enfin, ce système peut comporter également: - un modulateur de fréquence des deux ondes émises par la source et fournissant deux ondes dont les fréquences varient toutes deux selon une même loi de façon à ce que l'écart de fréquences entre les deux ondes reste constant; - les circuits électroniques effectuent à deux instants différents une analyse spectrale du signal électrique foumi par le premier détecteur et réalisent: * une différence des fréquences détectées pour foumir une valeur de distance qui est proportionnelle à cette différence; t une somme des fréquences détectées pour foumir une valeur de vitesse qui est proportionnelle à cette somme. Les différents objets et caractéristiques de l'invention apparaîtront plus clairement dans la description qui va suivre et dans les figures annexées qui représentent: - la figure 1, un exemple de réalisation simplifié du système optique de mesure de vitesse selon l'invention; - la figure 2, un exemple de réalisation du système optique plus détaillé; - la figure 3, un exemple de réalisation de la source optique bifréquence; - la figure 4, un exemple de chaîne de détection permettant.. - la figure 5, une variante de réalisation du système de la figure 2; - la figure 6, un système de filtrage du bruit applicable au système de l'invention; - les figures 7a et 7b, un exemple de réalisation d'un système plus complet permettant une mesure de vitesse ainsi qu'une mesure de distance. Le système de mesure de vitesse selon l'invention tel que représenté en figure 1 comporte au minimum les éléments suivants: - une source optique bifréquence S émettant un faisceau contenant deux fréquences (oO et #1 (ol = oo + S2) décalées en fréquence d'une fréquence n. Cette source émet un faisceau F1 en direction d'un objet OB à détecter. Celuici réfléchit le faisceau FI sous la forme d'un faisceau F'1. Le faisceau F'1 contient une onde réfléchie à #o (1 + 2v/c) et une onde à (#o + Q) (i+ffiv), dans lesquelles l'expression 2v résulte de l'effet Doppler c dû à un déplacement de l'objet avec: v = vitesse de l'objet c = vitesse de la lumière - un détecteur optique D2 qui reçoit la lumière réfléchie par la cible. Une lentille de focalisation L2 permet de focaliser la lumière sur le détecteur D2. De plus comme représenté sur la figure 2, le système peut comporter un amplificateur tel qu'un milieu laser amplificateur, de préférence pompé par diodes, servant à l'amplification du faisceau réfléchi par l'objet OB. Le faisceau bifréquence F1 peut être obtenu selon le dispositif de la figure 3 par des moyens classiques: - cellule de Bragg pour Q = 0,1 à 3 GHz - rétrodiffusion Brillouin dans une fibre monomode pour # # 10 GHz. Si nécessaire, des décalages de fréquences plus importants sont réalisés par battement de deux modes lasers, ou de deux sources lasers parfaitement synchronisées. Dans ces conditions, le faisceau d'éclairage cible est constitué de deux faisceaux cohérents aux fréquences respectives oo, et et edo + n. Après traversée atmosphérique et rétrodiffusion par la cible qui se déplace à la vitesse v on obtient deux fronts d'ondes ayant subit les mêmes distorsions de phase et dont les fréquences respectives s'écrivent: o, +6Oo #1 + ##1 ## est le glissement de fréquence dû à l'effet Doppler.On a les relations suivantes: 2v aXo = #o X c 3 > 1=o > 1x 2cV L'intensité détectée ID dans le plan focal d'une lentille L2 (figures 1 et 2) résulte de l'interférence cohérente des deux champs optiques de la forme: #0 = #0 cos [(#0 + ##0)(t+2L)/c] #1 = #0 cos [(#1 + ##1)(t+2L/c)] L: distance du système par rapport à la cible. Le détecteur D2 transmet un signal aux circuits de traitement CT correspondant au photocourant détecté. La composante modulée du photocourant issu du détecteur D2 s'écrit: où G = exp y I est le gain dans l'amplificateur laser AL (I = longueur du barreau laser - y coefficient de gain) et i0 le photocourant obtenu sans amplification. Le circuit de traitement CT possède des moyens pour réaliser l'analyse spectrale de ce photocourant. Cette analyse spectrale permet d'accéder à la mesure de la vitesse v de la cible: le décalage de fréquence obtenu par rapport à la fréquence Q par effet Doppler est égal à ## = #x 2v/c (figure 4). La détection de cette fréquence ## permet donc d'obtenir la vitesse v de l'objet OB. Une autre manière de déterminer la vitesse de l'objet consiste à prévoir, dans le circuit d'émission du faisceau F1, un photodétecteur D1. Une lame séparatrice SP, par exemple, prélève une partie du faisceau Fl et la transmet au détecteur D1. La composante modulée issue du détecteur D1 à partir du laser S s'écrit: D1 = cosnt On réalise électroniquement le produit des composantes de photocourant iD2 x iD1. Dans ces conditions on obtient un photocourant de la forme: 's t+cpl La mesure de la fréquence f de ce signal 15 permet d'obtenir la vitesse de l'objet connaissant la translation de fréquence initiale Q entre les deux ondes d'éclairage. A titre d'exemple, un objet se déplaçant à une vitesse v = 10 ms-1 (36 kmh~1) donnera lieu, avec deux ondes du faisceau F1 décalées en fréquence de Q = 3 GHz, à une fréquence: f= 10x3x109x2 f=200Hz 3x108 Pour une vitesse v: 360 kmh~1 on aura f = 2 kHz L'amplification AL de l'onde rétrodiffusée par le milieu laser est de préférence obtenue par un matériau à gain identique à celui servant à l'émission. Ce matériau est pompé par flash ou diodes - par exemple Nd:YAG - Nd : YVO4 à x = 1,06 pm. Le milieu amplificateur du type barreau est utilisé selon la configuration optique montrée sur la figure 2.L'onde signal est collimatée par l'intermédiaire des deux lentilles LO et L1 pour obtenir un faisceau dont le diamètre est identique à celui du barreau de longueur I. Les deux ondes initialement décalées en fréquence de n voient le même gain dans la mesure où Q reste faible vis-à-vis de la largeur spectrale de la courbe de gain laser. Selon le schéma de la figure 2, une configuration à double passage permettrait d'obtenir une valeur de gain égale à G2. Par ailleurs, pour isoler le signal amplifié du bruit cohérent dû à l'émission spontanée, on interpose sur le faisceau une lentille L2 générant un plan focal intermédiaire avec filtrage spatial FS du signal. Après détection par une photodiode D2 et amplification électronique, le photocourant correspondant est donc, comme mentionné précédemment, de la forme: G: gain du préamplificateur laser g: gain de l'amplificateur électronique. L'analyse spectrale de ce signal permet de déduire la vitesse de l'objet. Le système proposé réalise donc l'équivalent d'une détection hétérodyne à grand champ angulaire: - les deux ondes S1 et S2 qui interfèrent sur le détecteur ont des profils quelconques mais rigoureusement identiques, en particulier ils sont perturbés par la propagation atmosphérique, et par les effets de lentille thermique dans le milieu amplificateur laser; - I'intensité relative des deux ondes qui interfèrent sur le détecteur est contrôlée à l'émission; - les deux ondes S1 et S2 sont décalées en fréquence de la quantité #(1+2v) c L'une des ondes, éventuellement plus intense joue le rôle d'un oscillateur local. A titre d'exemple, le dispositif proposé est réalisé à partir des éléments suivants: - un laser continu Nd-YAG; - une cellule acousto-optique fonctionnant à la fréquence de 3GHz pour réaliser la translation de fréquence; - un amplificateur laser Nd-YAG ou Nd-YVO4 pompé par diodes utilisées en double (ou multipassage) - gain typique G = 102. Des moyens optiques de mise en forme du faisceau sont également prévus pour la focalisation du faisceau amplifié sur le détecteur notamment. La figure 5 représente un exemple de réalisation compacte du système de mesure de l'invention. Le faisceau bifréquence issu du maître oscillateur est amplifié par l'amplificateur AL et sert à l'éclairage de l'objet OB Le faisceau bifréquence F'1 rétrodiffusé (de fréquences respectives Oo 2V) et ()o +Q) (1+)) est amplifié par l'amplificateur AL puis détecté par le détecteur D2. Pour cela, un séparateur SP2 permet de retransmettre le faisceau F'1 (ou une partie de ce faisceau) vers le détecteur D2. Un intérêt majeur de cette configuration est le contrôle de la stabilité de fréquence et la réduction de la largeur de raie permise par l'oscillateur de faible puissance. Selon une variante de réalisation du système de l'invention, on prévoit un déflecteur optique (déflecteur acousto-optique DO) sur le trajet du faisceau F1. Par exemple, sur la figure 5, ce déflecteur DO est situé entre la source S et l'amplificateur AL. Ce déflecteur assure ainsi une fonction de balayage du faisceau F1 émis par la source S. Le niveau de bruit spontané de l'amplificateur laser Nd:YAG, Nd YVO4 peut constituer une limite à la détection du faisceau amplifié et reçu par D2 : saturation de la photodiode D2 par le bruit - diminution du rapport signalibruit. Afin d'isoler le signal amplifié du bruit spontané, on prévoit selon le schéma de la figure 6, sur le parcours du faisceau F'1, devant le détecteur D2 - un filtrage spatial (filtre FS) au foyer de la lentille L2 - un filtrage spectral - filtre (FP) de largeur Av - un polariseur P parallèle à la polarisation du faisceau amplifié. Dans ces conditions, le rapport signal/bruit S/B est donné par la relation suivante: S/B= P x G hvAv G-l ce qui pour un gain G > > 1 conduit à: S/B = Pdhv Av Pour réduire l'influence du bruit on limitera le diamètre du filtre spatial FS à la dimension de la tache de diffraction au foyer de la lentille L2 (filtrage du mode) et la largeur spectrale du filtre FP Av sera de l'ordre de n (par exemple filtrage spectral par un réseau holographique épais - 1 à 10 mm enregistré dans un matériau photopolymère ou photoréfractif). Les figures 7a et 7b représentent un système dans lequel on prévoit une modulation des fréquences du faisceau F1 telle que l'écart de fréquence n reste constant. Cette modulation est de préférence une modulation linéaire. La fréquence de chaque onde à la sortie du modulateur MF s'écrit: #0(t) = #0+Kt #o(t) = #0 +Q+Kt Après réflexion sur l'objet OB à vitesse v, ces fréquences deviennent: #0(t) = #0 +K(t-2L/c)+##0 #1(t) = #0 + # + K(t-2L/c)+##1 Après détection hétérodyne des deux fronts d'onde sur la photodiode D:2 il résulte le signal de battement suivant: L'émission d'une double pente de modulation en fréquence +K permet de déterminer la distance L et la vitesse v. Pour cela, le signal de battement à un premier temps t1 de la courbe de la figure 7b a pour valeur: Le signal de battement en un temps t2 a pour valeur: La somme des fréquences de ces signaux permet d'obtenir la vitesse de l'objet: 4#v #1 + #2 = 2#v c La différence des fréquences de ces signaux permet d'obtenir la distance de l'objet: 4L #1-#2=K c Le dispositif selon l'invention permet de réaliser l'analyse de signature Doppler d'un objet. II présente les avantages suivants: - I'information vitesse est obtenue par détection hétérodyne à partir de l'éclairage de l'objet à détecter par une onde bifréquence; - le signal de détection hétérodyne est maintenu à sa valeur optimale même en présence des distorsions de phase dues à la propagation libre du faisceau. Origine des perturbations propagation atmosphérique, effets aérooptiques sur les hublots I'amplification du signal bifréquence diffusé par la cible par un amplificateur laser compact pompé par diodes (ou par flash) permet d'accroître la portée de l'équipement; - une structure laser unique du type oscillateur-amplificateur est compatible avec les fonctions émissions-réceptions du système hétérodyne; - la structure intègre une fonction de balayage 2D pour l'analyse de la sciène. REVENDICATIONS 1. Système optique de mesure de vitesse etlou de distance d'objet, caractérisé en ce qu'il comporte: - un générateur optique émettant un faisceau optique comprenant deux ondes de fréquences différentes (0 > o et xO + n > ; - un premier détecteur optique (D2) capable de recevoir le faisceau optique émis par la source optique et réfléchi par un objet et de foumir un signal électrique; - des circuits électroniques de traitement (CT) recevant le signal électrique et fournissant une valeur de vitesse eUou de distance de l'objet déduites de la différence de fréquences (n) des ondes émises. 2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que les circuits de traitement effectuent une analyse spectrale du signal électrique qu'ils reçoivent, détectent les fréquences (An) contenues dans ce signal autres que celles résultant directement des deux ondes de fréquences modulées et calculent la vitesse de l'objet en appliquant la formule An=n2v c où An = la fréquence détectée n = le décalage en fréquence des ondes émises par la source laser v = la vitesse de l'objet à calculer c = la vitesse des ondes optiques dans l'air. 3. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte: - un deuxième détecteur optique (D1) recevant le faisceau optique émis par la source laser (0 > o et eDo + Q) et fournissant un signal électrique; - un circuit multiplicateur recevant les deux signaux électriques fournis par les deux détecteurs (D1, D2) effectuant le produit de ces deux signaux, et fournissant un courant dont la fréquence est proportionnelle à la vitesse de l'objet (v), au décalage en fréquence des ondes émises par la source laser, et inversement proportionnel à la vitesse de la lumière. 4. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte: - un modulateur de fréquence des deux ondes émises par la source et fournissant deux ondes dont les fréquences varient toutes deux selon une même loi de façon à ce que l'écart de fréquences entre les deux ondes reste constant; - les circuits électroniques effectuent à deux instants différents, une analyse spectrale du signal électrique fourni par le premier détecteur (D2) et réalisent: * une différence des fréquences détectées pour fournir une valeur de distance qui est proportionnelle à cette différence; * une somme des fréquences détectées pour fournir une valeur de vitesse qui est proportionnelle à cette somme. 5. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que le générateur optique comporte une source laser fournissant une onde optique à une première fréquence (oxo), et un décaleur de fréquence recevant cette onde optique et fournissant deux ondes optiques colinéaires à des fréquences décalées en fréquence d'une valeur déterminée (n). 6. Système selon la revendication 5, caractérisé en ce que le décalage en fréquence est de l'ordre du GHz ou de plusieurs dizaines de GHz. 7. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un amplificateur (AL) optique recevant le faisceau (F'1) réfléchi par l'objet et transmettant le faisceau amplifié au premier détecteur (D2). 8. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier détecteur (D2) comporte une matrice de photodétecteurs. 9. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un filtre spatial (FS) placé sur le trajet du faisceau (F'1) réfléchi par l'objet (OB). 10. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un déflecteur optique (DO) placé sur le trajet du faisceau (F1) émis par le générateur optique de façon à réaliser un balayage angulaire du faisceau émis. 11. Système selon la revendication 4, caractérisé en ce que le modulateur de fréquences réalise une modulation linéaire.