Brevet FR2780163A1 — publié le 19991224

SYSTEME DE TELESCOPIE LASER DOPPLER INCOHERENTE La présente invention a pour objet un système de télescopie laser Doppler incohérente de type LIDAR. Un tel dispositif comporte de manière connue un laser d'émission et un dispositif de réception comportant un dispositif de filtrage à front raide (" edge filter ") ainsi qu'un dispositif de traitement à partir de la puissance PT transmise par le dispositif de filtrage. On en connaît en particulier une utilisation en10 tant que Lidar Doppler incohérent pour la détection du vent (dénommé en anglais " incoherent Doppler wind Lidar" ou " IDWL "). Les systèmes de type Lidar incohérent présentent des problèmes techniques qui sont liés à: - la faible puissance reçue qui est due notamment à la taille du télescope de réception, dont la limite supérieure est fixée par des considérations de masse et de coût, et corrolairement, l'utilisation efficace de la puissance reçue - les contraintes d'alignement de nombreux composants massifs que nécessitent les systèmes classiques - les contraintes de stabilité mécaniques de ces équipements, en particulier lorsqu'ils sont embarqués à bord d'un satellite. Dans le cas particulier des Lidar de type " IDWL ", deux problèmes supplémentaires sont susceptibles d'intervenir: - l'effet de dispersion (" speckle ") dans l'atmosphère du signal de retour - les caractéristiques spectrales différentes de la rétro- diffusion par les arérosols et par les molécules. Les systèmes de Lidar de type " IDWL " mesurent le déplacement de fréquence subi par un rayonnement laser rétro-diffusé par l'atmosphère, à l'aide d'un dispositif sélectif relativement à la fréquence, qui traite le signal optique rétro-diffusé, avant sa détection. Les différences entre les différents Lidar de type " IDWL " résident essentiellement dans la nature des dispositifs sélectifs quant à la fréquence. Il est connu d'utiliser un discriminateur de fréquence associant un étalon de Fabry-Pérot (" FPE ") et un filtre à front raide. Un tel système est décrit en particulier dans l'article de C.L.KORB, B.M.GENTRY et C.Y.WENG intitulé " Edge technique: Theory and Application to the Lidar Measurement of Atmospheric Wind " publié dans Applied Optics n 31, 1992, p. 4202- 4213, dans le Brevet US 5,216,477 (KORB) ainsi que dans l'article de B.M. GENTRY et C.L.KORB, intitulé " Edge technique for high-accuracy Doppler velocimetry " publié dans Applied Optics n 33, 1994, p. 5770-5777. Selon cette technique de filtrage à front raide (" edge technique "), un déplacement de fréquence du rayonnement laser rétro-diffusé est converti en une variation d'amplitude de la lumière transmise à travers l'interféromètre de Fabry-Pérot. Cette technique présente l'inconvénient de n'utiliser qu'une partie de la puissance rétro-diffusée qui est reçue, et en outre, une partie de cette puissance reçue est utilisée pour normer le signal. Or, comme indiqué ci-dessus, cette puissance reçue est limitée par la taille du télescope de réception. Il a été suggéré d'augmenter cette puissance en remplaçant un télescope unique qui est lourd et coûteux par une pluralité de télescopes plus petits, plus légers et moins coûteux. On se reportera en particulier, à l'article de S.ISHII et Collaborateurs intitulé " Optical fiber coupled multitelescope lidar system: Application for a Rayleigh Lidar " paru dans " Revue of Scientific Instruments " n 67, 1996, p. 3270-3273. Cependant, la puissance reçue reste relativement faible 3 et le problème de l'optimisation de l'utilisation de la puissance reçue subsiste sans avoir trouvé de solution. Dans les systèmes connus qui incorporent un filtre à front raide, on notera que les dispositifs de photodétection mettent en oeuvre des diodes PIN, des photodiodes à avalanche (" APD ") ou bien encore des tubes photomultiplicateurs. La présente invention a pour objet un système télescope laser incohérent de type Lidar qui permet de faire une meilleure utilisation de la puissance reçue. L'invention concerne ainsi un système de télescopie laser Doppler incohérente de type Lidar comportant un laser d'émission et un dispositif de réception comportant au moins un télescope, un dispositif de filtrage à front raide et un dispositif de traitement à partir de la puissance PT transmise par le dispositif de filtrage caractérisé en ce que le dispositif de traitement présente des entrées de données relatives à la puissance PT et à la puissance PR et présente une sortie qui génère un signal normalisé APN, avec PT-PR APN = PT+ PR PR désignant la puissance réfléchie par le filtre. Le système peut être caractérisé en ce que le dispositif de traitement comporte un premier moyen de détection pour générer un courant iT correspondant à la puissance PT et un deuxième moyen de détection pour générer un courant iR correspondant à la puissance PR et en ce que iT-iR APN = AiN = - iT+iR Il est particulièrement avantageux que le dispositif de réception comporte un réseau de N télescopes élémentaires. Le dispositif de réception peut alors comporter N branches dont chacune comporte une fibre optique dont chacune est couplée à la sortie d'un desdits N télescopes élémentaires.5 Selon une première variante, le système est caractérisé en ce que les fibres optiques sont monomodes et en ce que chaque branche comporte un circulateur optique dont une première sortie attaque un filtre à front raide ayant une sortie de transmission, et dont une10 deuxième sortie constitue une sortie de réflexion. Le système peut être alors caractérisé en ce que la sortie de transmission de chacun des filtres à front raide est couplée à l'une de N entrées d'un premier photo-détecteur qui produit en sortie un courant iT proportionnel à la15 puissance transmise PT et en ce que la deuxième sortie de chacun des circulateurs optiques attaque l'une de N entrées d'un deuxième photo-détecteur qui produit en sortie un courant iR proportionnel à la puissance réfléchie PR. Chaque branche peut comporter un pré-filtre pour filtrer au moins la composante moléculaire de rétro- diffusion, disposé en amont du circulateur optique correspondant. Il est préférable que chacun des premier et deuxième photo-détecteurs comporte un tel pré-filtre, ce qui permet de ne mettre en oeuvre que 2 filtres, au lieu de N. Selon un mode de réalisation préféré de cette variante, le système est caractérisé en ce que la sortie de transmission de chacun des filtres à front raide est couplée à l'une de N entrées d'un dispositif de balayage optique qui présente N' sorties attaquant N' entrées d'un dispositif à couplage de charges générant en sortie un courant iT proportionnel à la puissance transmise PT' et en ce que la deuxième sortie de chacun des circulateurs est couplée à l'une de N entrées d'un dispositif de balayage optique qui présente N' sorties attaquant N' entrées d'un dispositif à couplage de charges générant en sortie au moins un courant iR proportionnel à la puissance refléchie PR Selon une variante préférée, le système est caractérisé en ce que lesdites fibres, monomode ou multimodes, sont couplées à l'entrée d'une fibre optique multimodes. Le système peut être alors caractérisé en ce que la sortie de la fibre optique multimodes est couplée à un circulateur optique commun dont d'une part une première sortie attaque un filtre à front raide commun ayant une sortie de transmission et dont d'autre part une deuxième sortie constitue une sortie de réflexion. Selon un premier mode de réalisation, le système est caractérisé en ce que ladite sortie de transmission est couplée à l'une de N entrées d'un troisième photo- détecteur qui produit en sortie un courant iT proportionnel à la puissance transmise PT et en ce que ladite deuxième sortie du circulateur optique attaque l'une de N entrées d'un quatrième photo-détecteur qui produit en sortie un courant iR proportionnel à la puissance réfléchie PR. Chacun des troisième et quatrième photo- détecteurs peut comporter un pré-filtre de filtrage de la composante moléculaire de rétro-diffusion. Selon un deuxième mode de réalisation, le système est caractérisé en ce que la sortie de transmission du filtre à front raide est couplée à un dispositif de balayage optique qui présente N' sorties attaquant N' entrées d'un dispositif à couplage de charges générant en sortie un courant iT proportionnel à la puissance transmise PT et la deuxième sortie dudit circulateur est couplée à un dispositif de balayage optique qui présente N' sorties attaquant N' entrées d'un dispositif à couplage de charges générant en sortie au moins un courant iR proportionnel à la puissance réfléchie PR D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront mieux à la lecture de la 6 description qui va suivre, donnée à titre d'exemple non limitatif, en liaison avec les dessins ci-annexés, dans lesquels: - la figure la représente un système de télescopie laser selon l'invention, dont la figure lb illustre le principe de base - la figure 2 représente un premier mode de réalisation de l'invention, mettant en oeuvre des fibres optiques monomode - la figure 3 représente un deuxième mode de réalisation préféré de l'invention mettant en oeuvre une fibre multimodes - et la figure 4 illustre une variante de réalisation de l'invention, qui met en oeuvre des dispositifs à couplage de charges. Selon la figure la, un faisceau laser, émis par un laser L à travers un télescope To de surface donnée, est rétro-diffusé par l'atmosphère ATM. Le signal de retour est reçu par un télescope unique T ou une pluralité de télescopes élémentaires correspondant à une ouverture de réception donnée. Le signal optique reçu est appliqué à un filtre à front raide EF, qui peut être du type à interféromètre de Fabry-Perot, ou d'un autre type. Une fraction de chaque impulsion laser émise est éventuellement renvoyée à l'entrée du filtre EF par un système optique à miroir partiellement réfléchissant M. La puissance PT transmise par le filtre EF, et la puissance PR réfléchie par le filtre sont détectées par les détecteurs DT et DR et il en résulte des courants iT et iR. Un processeur de signal SPD en déduit la valeur AiN selon la formule AiN = ( iT-R) / ( iT-iR), de manière à générer le courant différentiel normalisé AiN,RX pour le signal rétro-diffusé, et étant donné que la même opération peut être effectuée sur une petite fraction de l'impulsion laser émise, le courant 7 différentiel normalisé AiN,TX pour le signal transmis. Le courant différentiel normalisé est en moyenne égal à la puissance différentielle normalisée, soit: AiN = APN = (PT-PR)/(PT+ PR) Les avantages de la mise en oeuvre de ce calcul seront maintenant explicités en relation avec la figure lb. Si le faisceau laser L, centré sur la fréquence f est décalé par effet Doppler d'un écart fréquentiel Af, la puissance T(f) transmise par le filtre10 à front raide EF baisse de AT, alors que la puissance R(f) réfléchie par le filtre EF augmente de AT, ceci en supposant que le filtre est sans pertes, soit T(f) + R(f) = 1. L'opération de soustraction effectuée au nominateur permet alors de doubler la valeur du résultat obtenu (APN = 2AT), par rapport à la technique classique o seule la puissance transmise est prise en compte. En outre, et contrairement à la technique décrite dans l'article précité de C.L. KORB, B.M. GENTRY et C.Y. WENG, il n'est pas besoin de séparer le signal d'entrée pour normer le signal, ce qui fait que la totalité de la puissance reçue est mise à profit pour être convertie directement en un signal AiN qui porte de l'information. Le premier mode de réalisation de l'invention, décrit ci-après en référence à la figure 2, met en oeuvre des fibres monomode. Il met en oeuvre N télescopes élémentaires ST1...STN dont les sorties sont couplées à autant de fibres monomodes SMF1...SMFN. En aval, le dispositif est à base de fibres optiques et comporte des pré-filtres optiques Fy... FN destinés à supprimer le bruit de fond dû aux rayonnements et à atténuer les composantes moléculaires rétrodiffusées qui sont indésirables. Pour la description d'un tel filtre, on se reportera à l'article de K.W.FISCHER intitulé " Visible wavelength Doppler Lidar for measurement of wind and aerosol profiles during day and night " paru dans Optical Engineering n 34, 1995 p.499-511. Il peut également être prévu de disposer des coupleurs C1...CN pour permettre d'introduire dans le dispositif une partie de la puissance PTX émise directement par le laser L. Ceci n'est nécessaire à la mesure de référence qu'au cas o le filtre à front raide ne pourrait pas être verrouillé sur la fréquence du laser. N circulateurs CIR1...CIRN attaquent N filtres à front raide EF1...EFN qui réalisent la discrimination de fréquence recherchée. La somme des puissances des rayonnements transmis par les filtres EF1.. .EFN de chacune des N branches est détectée par une photodiode PHDr qui génère le courant T, alors que la somme des puissances réfléchies par les filtres EF....EFN, et que l'on retrouve à l'autre sortie des circulateurs CIR1...CIRN, est détectée par une photo-diode PHDR qui génère le courant iR. Un module de calcul MOD calcule AiN = APN = (iT iR) / (iT+iR). Les photo-diodes PHDT et PHDR peuvent être du type à avalanche. Elles peuvent être également du type PIN, en combinaison avec des amplificateurs à fibre optique G1...GN pour chacune des N branches. On notera que les pré-filtres F peuvent être disposés à des endroits différents de ceux représentés, à condition qu'ils ne soient pas disposés entre les circulateurs CIR et les filtres à front raide EF, étant donné que ceci serait de nature à générer des atténuations imprévisibles pour la lumière réfléchie et transmise dans les N branches, au cas o les pré-filtres F présenteraient des dérives de fréquence aléatoires, ce qui conférerait un caractère aléatoire à la fonction de normalisation. Les pré-filtres F peuvent être au nombre de deux dont chacun est disposé en amont des détecteurs PHDT et PHDR. Si on désigne par Pi la puissance optique couplée à l'entrée de la i"me des N branches, on a: IN E Pi[Ti(f) - Ri(f)] N'' = 2T(f)- 1, i' [Ti(f) + Ri(f)] 9 en supposant que Ti(f) = Tj(f) = T(f), quels que soient i et j. Si on prend en compte les puissances stochastiques Hi tenant compte des phénomènes de dispersion (" speckle ")5 entrainant des variations statistiques de la puissance, on peut montrer que l'influence de ces phénomènes n'entre en ligne de compte que dans la mesure o Ti(f) X Tj(f), ce qui fait que la relation: AiN = 2T(f)-I reste satisfaite, ou autrement dit que les variations statistiques sont entièrement compensées, ce qui constitue un avantage important de ce concept à base d'une pluralité de télescopes élémentaires. Une architecture comprenant un couplage entre des fibres monomode ou multimodes OF1...OFN couplées à la sortie des télescopes élémentaires STl, ST2...STN et une fibre multimodes MMF est représentée à la figure 3. Le filtre multimodes MMF réalise une fonction de mélange des modes, pour laquelle on se reportera à l'enseignement de l'article de Z.LIU et T.KOBAYASHI, intitulé " Incoherent Doppler Lidar System Using Differential Discrimination Technique for Tropospheric Wind Measurement " publié dans " Advances in Atmospheric Remote Sensing with Lidar " A. Ansmannn (ed.) Springer 1996. Les pré-filtres F1... FN, non représentés à la figure 3, sont également mis en oeuvre, en vue de supprimer le bruit de fond de rayonnement et/ou d'atténuer le bruit de fond moléculaire. Il peuvent être disposés au niveau des fibres monomodes OF1. OFN, ou bien juste en amont des détecteurs D'T et D'R. Le circuit de la figure 3 met en oeuvre un seul filtre à front raide EF' et un seul circulateur CIRC pour alimenter les détecteurs D'T et D'R qui génèrent les courants iT et iR, appliqués au module MOD. La radiation transmise par le filtre EF' est détectée par la photodiode D'T alors que la puissance réfléchie est transmise à la photodiode D'R à travers le circulateur CIRC. Il est également possible de coupler une partie de la lumière émise par le laser L en vue de fournir une mesure de référence en n'importe quel point situé en amont du circulateur CIRC, au cas o il n'est pas possible de caler la fréquence du filtre à front raide EF' sur celle du laser L. Le filtre EF' permet de..DTD: réaliser la discrimination de fréquence. Le traitement des signaux est effectué de la même façon que dans le cas de la figure 2, et les propriétés de compensation des variations statistiques ("speckle") sont également conservées. La figure 4 représente une variante de l'invention, mettant en oeuvre des dispositifs à couplage de charges, alimentés par balayage. Le balayage est réalisé par des dispositifs optiques de balayage OST et OSR affectés respectivement aux signaux transmis et aux signaux réfléchis par les filtres à front raide. Dans le cas de la figure 2 (fibres monomodes), le dispositif OST reçoit à ses N entrées les signaux transmis par les filtres EF1...EFN, et le dispositif OSR reçoit à ses N entrées les signaux réfléchis par les filtres EF1...EFN, à travers les circulateurs CIR1...CIRN. Dans le cas de la figure 3, le circuit OST reçoit à son entrée le signal transmis par le filtre EF' et le circuit OSR reçoit à son entrée le signal réfléchi par le filtre EF', à travers le circulateur CIRC. La sortie du circuit OST est couplée successivement aux N' entrées d'un dispositif à couplage de charges CCDT. La sortie du circuit OSR est couplée successivement aux N' entrées d'un dispositif à couplage de charges CCDR. Le balayage peut être réalisé de manière mécanique, électro-optique, acousto-optique, etc... De la sorte, chacun des N' éléments de mémoire des dispositifs CCDT et CCDR mémorise une information relative à un intervalle de temps donné correspondant à une couche atmosphérique. ll La lecture séquentielle des dispositifs CCDT et CCDR permet par sommation de récupérer les courants iT et iR et d'en déduire le courant AiN à l'aide du module MOD. Ce système permet d'obtenir à la fois l'avantage5 d'un faible bruit en raison d'une détection effectuée à l'aide d'un capteur à couplage de charges et la possibilité d'opérer séquentiellement point par point de manière efficace, pour traiter la puissance rétro- diffusée par certaines couches de l'atmosphère. Les échos réfléchis des impulsions émises par le laser sont porteurs de l'information (vitesse du vent) relative aux différentes altitudes. Chaque impulsion présente une durée qui est typiquement de l'ordre de quelques dizaines de microsecondes, chaque microseconde du signal d'écho correspondant à une couche atmosphérique d'environ 150 m. Pour mesurer le profil atmosphérique du vent, l'écho reçu doit être échantillonné dans le temps. Grâce aux dispositifs de balayage (OST,OSR) disposés en amont des réseaux de détecteurs CCDT et CCDR qui stockent l'information dans un dispositif à couplage de charges, en fonction du retard, la distribution spatiale des charges électriques stockées correspond aux signaux rétro- diffusés par les différentes couches de l'atmosphère, l'épaisseur de chacune des N' couches échantillonnées étant fonction de la cadence du balayage des dispositifs OST et OSR. Les courants iT et iR sont calculés pour chacune des N' positions homologues des capteurs à couplage de charge, de manière à récupérer les informations pour chaque couche atmosphérique et en déduire la valeur de AiN correspondante. Une sommation globale comme représenté à la figure 4 donne les courants iT et iR correspondant au cas des figures 1 à 3, sans sélection en fonction des couches atmosphériques. Il est possible d'accumuler dans les capteurs à CCD des signaux d'écho provenant d'un nombre désiré d'impulsions, avant d'effectuer la lecture du signal de charges accumulé. En effectuant une accumulation dans les détecteurs avant d'effectuer une lecture, le bruit de fond de l'électronique n'apporte qu'une seule contribution à l'erreur de lecture, en comparaison avec un système à détecteur unique échantillonné au cours du temps qui apporte à chaque fois sa contribution au bruit de fond. REVENDICATIONS 1. Système de télescopie laser Doppler incohérente de type Lidar comprenant un laser d'émission et un dispositif de réception comportant au moins un télescope (T), un dispositif de filtrage à front raide (EF) et un dispositif de traitement (DT, DR, SPD) à partir de la puissance PT transmise par le dispositif de filtrage caractérisé en ce que le dispositif de traitement (DT, DR, SPD) présente des entrées de données relatives à la puissance PT et à la puissance PR et présente une sortie qui génère un signal normalisé APN, avec PT-PR APN =- PT+PR PR désignant la puissance réfléchie par le dispositif de filtrage à front raide (EF). 2. Système selon la revendication 1 caractérisé en ce que le dispositif de traitement comporte un premier moyen (DT) de détection pour générer un courant iT correspondant à la puissance PT et un deuxième moyen de détection (DR) pour générer un courant iR correspondant à la puissance PR et en ce que iT-iR APN = AiN = iT+iR 3. Télescope selon une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le dispositif de réception comporte un réseau de N télescopes élémentaires (ST1..ST2...STN) - 4. Télescope selon la revendication 3, caractérisé en ce que le dispositif de réception comporte N branches dont chacune comporte une fibre optique (SM1, SM2...SMN, OFl, OF2...OFN) dont chacune est couplée à la sortie d'un desdits N télescopes élémentaires (ST1...ST2...STN)- 5. Télescope selon la revendication 4, caractérisé en ce que les fibres optiques (SMF1...SMF2...SMFN) sont monomode et en ce que chaque branche comporte un circulateur optique (CIR1, CIR2...CIRN) dont une première sortie attaque un filtre à front raide (EF1,EF2..--.EFN) ayant une sortie de transmission, et dont une deuxième sortie constitue une sortie de réflexion. 6. Télescope selon la revendication 5, caractérisé en ce que la sortie de transmission de chacun des filtres à front raide (EF1, EF2.. .EFN) est couplée à l'une de N entrées d'un premier photo-détecteur (PHDT) qui produit en sortie un courant iT proportionnel à la puissance transmise PT et en ce que la deuxième sortie de chacun des circulateurs optique (CIR1, CIR2...CIRN) attaque l'une de N entrées d'un deuxième photo-détecteur (PHDR) qui produit en sortie un courant iR proportionnel à la puissance réfléchie PR- 7. Télescope selon une des revendications 5 ou 6, caractérisé en ce que chaque branche comporte un pré- filtre (F1,F2... FN) de filtrage au moins de la composante moléculaire de rétro-diffusion, disposé en amont dudit circulateur optique (CIR1, CIR2...CIRN). 8. Télescope selon la revendication 6, caractérisé en ce que chacun des premier (PHDT) et deuxième (PHDR) photo-détecteurs comporte un pré-filtre du filtrage de la composante moléculaire de rétro-diffusion. 9. Télescope selon la revendication 4, caractérisé en ce que lesdites fibres optiques (OFl, OF2...OFN), monomode ou multimodes, sont couplées à l'entrée d'une fibre optique multimodes (MMF). 10. Télescope selon la revendication 9, caractérisé en ce que la sortie de la fibre optique multimodes (MMF) est couplée à un circulateur optique commun (CIRC) dont d'une part une première sortie attaque un filtre à front raide commun (EF') ayant une sortie de transmission, et dont d'autre part une deuxième sortie constitue une sortie de réflexion. 11. Télescope selon la revendication 10, caractérisé en ce que ladite sortie de transmission est couplée à l'une des N entrées d'un troisième photo- détecteurs (D'T) qui produit en sortie un courant iT proportionnel à la puissance transmise PT et en ce que ladite deuxième sortie du circulateur optique attaque l'une de N entrées d'un quatrième photo-détecteur (D'R) qui produit en sortie un courant iR proportionnel à la puissance réfléchie PR- 12. Télescope selon la revendication 11, caractérisé en ce que chacun des troisième (D'T) et quatrième (D'R) photo-détecteurs comporte un pré-filtre de filtrage qui filtre au moins la composante moléculaire de rétro-diffusion. 13. Télescope selon la revendication 10, caractérisé en ce que la sortie de transmission du filtre à front raide (EF') est couplée à un premier dispositif de balayage optique (OST) qui présente N' sorties attaquant N' entrées d'un premier dispositif à couplage de charges (CCDT) générant en sortie un courant iT proportionnel à la puissance transmise PT et en ce que la deuxième sortie dudit circulateur (CIRC) est couplée à un deuxième dispositif de balayage optique (OSR) qui présente N' sorties attaquant N' entrées d'un deuxième dispositif à couplage de charges (CCDR) générant en sortie au moins un courant iR proportionnel à la puissance réfléchie PR 14. Télescope selon la revendication 5, caractérisé en ce que la sortie de transmission de chacun des filtres à front raide (EF1, EF2...EFN) est couplée à l'une de N entrées d'un troisième dispositif de balayage optique (OST) qui présente N' sorties attaquant N' entrées d'un troisième dispositif à couplage de charges générant en sortie un courant iT proportionnel à la puissance transmise PT' et en ce que la deuxième sortie de chacun des circulateurs est couplée à l'une de N entrées d'un quatrième dispositif de balayage optique (OST) qui présente N' sorties attaquant N' entrées d'un quatrième dispositif à couplage de charges générant en sortie au moins un courant iR proportionnel à la puissance réfléchie PR