Brevet FR3027116A1 — publié le 20160415

Dispositif de spectroscopie à distance de type LIDAR La présente invention concerne un dispositif de spectroscopie à distance de type LIDAR, comprenant une voie optique d'émission comportant une source laser apte à émettre une raie laser à une fréquence génératrice ; un générateur d'impulsions apte à générer, à partir de la raie laser émise, une première pluralité de raies latérales autour de la fréquence génératrice pour former un peigne principal de raies ; un télescope d'émission apte à émettre un signal d'émission vers une matière ciblée par la spectroscopie, le signal d'émission comprenant le peigne principal ; une voie optique de réception comportant un télescope de réception apte à recevoir un signal de réponse correspondant au signal d'émission réfléchi par la matière ciblée ; un détecteur apte à détecter un signal final dépendant du signal de réponse et à le transformer en un signal numérisé ; et une unité de calcul reliée au détecteur et apte à analyser numériquement le signal final numérisé. Un tel dispositif de spectroscopie ou plus généralement un outil de télédétection ou de mesure optique, est connu dans l'état de la technique sous le terme « LIDAR » qui vient de l'expression anglaise « light detection and ranging » signifiant « détection et mesure par lumière ». Le LIDAR est utilisé dans nombreux domaines parmi lesquels on peut citer l'archéologie, la géographie, la géologie, l'altimétrie ou encore d'autres domaines relatifs aux sciences de la Terre. Un domaine particulier d'application du LIDAR est la spectroscopie à distance permettant d'étudier une matière ciblée située à distance du LIDAR. Une telle matière est par exemple un gaz localisé dans un endroit déterminé de l'atmosphère terrestre et ciblé à partir d'un LIDAR embarqué dans un satellite, un aéronef, ou à poste sur un site industriel. Plus particulièrement, cette application radiométrique du LIDAR consiste à émettre une onde lumineuse d'une fréquence déterminée avec une onde de référence vers le gaz ciblé. Puis, en connaissant le coefficient d'absorption du gaz de l'onde de cette fréquence, il est possible de déterminer par exemple la concentration du gaz en comparant une onde traversant le gaz, réfléchie et reçue par le LIDAR, avec une onde de référence qui n'est pas absorbée à cause par exemple de sa fréquence différente. Pour un gaz complexe présentant un mélange de plusieurs gaz élémentaires ou un gradient de concentration, il est connu une application du LIDAR permettant d'envoyer plusieurs ondes lumineuses de fréquences différentes pour cibler les différents gaz 3027116 2 élémentaires ou son profil de concentration. Cette technique permet en particulier de déterminer les proportions volumiques des gaz élémentaires dans un tel gaz complexe. Ainsi, pour cette application, le LIDAR doit permettre d'émettre plusieurs ondes lumineuses, par exemple trois ou quatre, de fréquences différentes. 5 Pour ceci, une solution consiste à munir ce LIDAR d'une source laser permettant d'émettre des ondes lumineuses à des fréquences différentes. Cependant, cette solution présente un coût considérable qui est dû principalement à des coûts élevés de composants optiques d'une source laser ultrastable à plusieurs fréquences. De plus, cette solution présente des difficultés de mis en place dans un environnement instable. 10 Une autre solution, mentionnée notamment dans le document WO 2013/165945, consiste à émettre un peigne de raies de fréquences différentes et générées avec un modulateur à partir d'une source laser principale. Une première source laser est utilisée en interne au système d'émission pour générer un signal de référence permettant de stabiliser le peigne de raies avant son émission. 15 L'émission d'un signal comportant ce peigne, permet alors d'étudier plusieurs gaz élémentaires associés avec un système de dispersion spectrale pour la détection. Cependant, cette solution est relativement complexe et onéreuse de réalisation Le but de la présente est de proposer un dispositif de spectroscopie à distance remédiant à cet inconvénient. 20 À cet effet, l'invention a pour objet un dispositif de spectroscopie à distance du type précité, dans lequel le générateur d'impulsions est apte à générer en outre, à partir de la raie laser émise, une deuxième pluralité de raies latérales de référence autour de la fréquence génératrice pour former un peigne de référence distinct du peigne principal, chaque raie de référence du peigne de référence étant associée à une raie du peigne 25 principal, et dans lequel le signal final dépend en outre du peigne de référence et comprend une combinaison de raies latérales issues du peigne principal et du peigne de référence. Suivant d'autres aspects avantageux de l'invention, le dispositif de spectroscopie à distance comprend une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prise(s) isolément ou 30 suivant toutes les combinaisons techniquement possibles : - le nombre de raies de chacun du peigne principal et du peigne de référence est limité entre cinq et quinze, et avantageusement égal à dix ; - les raies du peigne principal sont espacées régulièrement et de façon stable avec un premier pas correspondant à une valeur de fréquence comprise dans la gamme 35 de fréquences de 500 MHz à 2000 MHz et avantageusement égale à 1000 MHz ; 3027116 3 - les raies du peigne de référence sont espacées régulièrement et de façon stable avec un deuxième pas correspondant à une valeur de fréquence comprise dans la gamme de fréquences de 500 MHz à 2000 MHz et sensiblement égale à 1000 MHz ; - le deuxième pas est supérieur au premier pas ; 5 - la différence entre le deuxième pas et le premier pas correspond à une valeur courante de décalage prédéterminée, la valeur courante de décalage étant inférieure ou égale à 1 MHz ; - la différence entre le deuxième pas et le premier pas est stable dans le temps ; - les raies du peigne principal sont ordonnées selon un ordre croissant des valeurs 10 de fréquence correspondant à ces raies ; - chaque raie du peigne de référence est décalée de la raie correspondante du peigne principal d'une valeur de fréquence égale au produit du nombre ordinal de cette raie du peigne principal décrémenté d'un et de la valeur courante de décalage ; - la voie optique de réception comporte en outre un module de couplage apte à 15 intégrer le peigne de référence dans le signal de réponse pour obtenir le signal final ; - il comprend en outre une voie optique d'interconnexion reliant le générateur d'impulsions et le module de couplage, et permettant de délivrer le peigne de référence au module de couplage ; - le générateur d'impulsions est apte à générer les deux peignes de manière 20 séquentielle ; - la voie d'interconnexion comporte des moyens de retardement permettant de retarder la délivrance du peigne de référence au module de couplage ; - le générateur d'impulsions est apte à générer le peigne de référence après la génération du peigne principal avec un délai temporel sensiblement égal à la différence 25 du moment temporel de réception du signal de réponse par le télescope de réception et du moment temporel d'émission du signal d'émission par le télescope d'émission ; - la voie optique d'émission comporte en outre un module de couplage apte à faire interagir le peigne principal avec le peigne de référence pour obtenir le signal d'émission ; et 30 - le générateur d'impulsions est apte à générer les deux peignes en parallèle. Ces caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés, sur lesquels : - la figure 1 est une vue schématique d'un dispositif de spectroscopie à distance 35 selon un premier mode de réalisation de l'invention ; 3027116 4 - la figure 2 est une vue schématique d'évolution de différents signaux lumineux lors d'une spectroscopie mise en oeuvre par le dispositif de la figure 1 ; - la figure 3 est une vue schématique d'un dispositif de spectroscopie à distance selon un deuxième mode de réalisation de l'invention ; et 5 - la figure 4 est une vue schématique d'évolution de différents signaux lumineux lors d'une spectroscopie mise en oeuvre par le dispositif de la figure 3. Dans la suite de la description, l'expression « sensiblement égal à » s'entend comme une relation d'égalité à plus ou moins 10 %. Sur la figure 1, le dispositif 10 de spectroscopie à distance comprend une voie 10 optique 12 d'émission permettant d'émettre un signal lumineux vers une matière ciblée, une voie optique 14 de réception permettant de recevoir un signal réfléchi par cette matière et de le transformer en un signal numérisé, et une unité 16 de calcul permettant d'analyser numériquement ce signal numérisé. Le dispositif de spectroscopie 10 comprend en outre une unité 18 de pilotage des 15 différents composants du dispositif 10. Le dispositif de spectroscopie 10 est embarqué dans un satellite ou tout autre véhicule situé sur une orbite terrestre et effectuant des observations de la Terre, ou d'une autre planète, et notamment de son atmosphère, ou d'une tranche d'atmosphère distante. La matière ciblée est par exemple un gaz composé de plusieurs gaz élémentaires comme 20 par exemple 002, H20 ou CH4. Chaque gaz élémentaire est apte à absorber une onde lumineuse d'une fréquence déterminée avec un coefficient d'absorption connu a priori. Ainsi, le dispositif de spectroscopie 10 permet par exemple de déterminer les masses volumiques des gaz élémentaires contenus dans le gaz ciblé en émettant un 25 signal lumineux vers le gaz ciblé et en analysant un signal réfléchi par ce gaz, ou absorbé par lui et réfléchi par une surface en fond. Pour ceci, la voie d'émission 12 comporte une source laser 20, un générateur d'impulsions 22, un amplificateur 24, un télescope d'émission 26 et une liaison 28 d'émission en fibre optique reliant ces composants de la voie 12. 30 La source laser 20 est apte à émettre une raie laser à une fréquence génératrice FG qui est sensiblement égale par exemple à 200 THz. Le générateur d'impulsions 22 est apte à recevoir la raie laser émise par la source 20 via la liaison 28 et à générer simultanément, à partir de cette raie, une pluralité de raies latérales autour de la fréquence génératrice FG pour former un peigne P de raies 35 comme ceci est décrit ci-dessous. 3027116 5 Ainsi, pour former le peigne P, le générateur 22 est apte à dupliquer ou à moduler la raie laser autant de fois que le nombre Nr de raies dans le peigne P. Ce nombre Nr de raies est compris par exemple entre cinq et quinze, et avantageusement égal à dix. 5 Plus particulièrement, le générateur 22 comporte un premier modulateur 31 apte à générer un peigne élémentaire PE de raies régulièrement espacées avec un pas correspondant à une valeur de fréquence FmEo+df, où df est une variable courante de décalage égale soit à 0, soit à une valeur courante de décalage df,, le choix entre ces deux valeurs étant effectué par l'unité de pilotage 18 comme ceci sera expliqué par la 10 suite. Les raies du peigne élémentaire PE sont espacées de façon stable, c'est-à-dire le pas d'espacement est sensiblement inchangeable dans le temps. On comprend par « sensiblement inchangeable » toute modification relative du pas d'espacement inférieure à 1%, avantageusement inférieure à 0,1%, et de préférence inférieure à 0,001%. 15 Cette valeur FmEo+df est comprise par exemple dans la gamme de fréquences de 500 MHz à 2000 MHz et avantageusement égale à 1000 MHz. Les raies du peigne élémentaire PE sont ordonnées selon un ordre croissant des valeurs de fréquence correspondant à ces raies. Le générateur 22 comporte en outre un deuxième modulateur 32 apte à décaler 20 chaque raie du peigne élémentaire PE généré par le premier modulateur 31 d'une valeur de fréquence égale à FmA0 + Elf pour obtenir le peigne P à la sortie du générateur 22, où FMAO est une valeur de fréquence avantageusement égale à 110 MHz ; et Elf est une variable initiale de décalage égale soit à 0, soit à une valeur initiale de décalage Mi égale à df,*(Nr-1)/2, le choix entre ces deux valeurs étant 25 effectué par l'unité de pilotage 18 comme ceci sera expliqué par la suite. Le deuxième modulateur 32 est avantageusement un modulateur acousto-optique. La valeur de fréquence F, de la raie du peigne P correspondant au nombre ordinal n, est ainsi déterminée par la formule suivante : F,= FG+ FmA0+15f +(n-1-(Nr-1)/2)(FmEo+df), 30 où n est un nombre ordinal de la raie correspondante supérieur ou égal à un. Le nombre ordinal n correspond ainsi au numéro d'échantillon spectral du signal optique émis vers la matière ciblée. La valeur courante de décalage df, est sensiblement égale à 1 MHz de sorte que l'expression suivante soit respectée : 35 Nr*dfl REVENDICATIONS1.- Dispositif (10) de spectroscopie à distance de type LIDAR, comprenant : - une voie optique (12) d'émission comportant : + une source laser (20) apte à émettre une raie laser à une fréquence génératrice (FG) ; + un générateur (22) d'impulsions apte à générer, à partir de la raie laser émise, une première pluralité de raies latérales autour de la fréquence génératrice (FG) pour former un peigne principal (P1) de raies ; + un télescope (26) d'émission apte à émettre un signal d'émission (SE) vers une matière ciblée par la spectroscopie, le signal d'émission (SE) comprenant le peigne principal (P1) ; - une voie optique (14) de réception comportant : + un télescope (40) de réception apte à recevoir un signal de réponse (SR) correspondant au signal d'émission (SE) réfléchi par la matière ciblée ; + un détecteur (44) apte à détecter un signal final (SF) dépendant du signal de réponse (SR) et à le transformer en un signal numérisé (SN) ; - une unité (16) de calcul reliée au détecteur (44) et apte à analyser numériquement le signal final numérisé (SN) ; caractérisé : - en ce que le générateur d'impulsions (22) est apte à générer en outre, à partir de la raie laser émise, une deuxième pluralité de raies latérales de référence autour de la fréquence génératrice (FG) pour former un peigne de référence (P2) distinct du peigne principal (P1), chaque raie de référence du peigne de référence (P2) étant associée à une raie du peigne principal (P1) ; et - en ce que le signal final (SF) dépend en outre du peigne de référence (P2) et comprend une combinaison de raies latérales issues du peigne principal (P1) et du peigne de référence (P2). 2.- Dispositif (10) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le nombre de raies (Nr) de chacun du peigne principal (P1) et du peigne de référence (P2) est limité entre cinq et quinze, et avantageusement égal à dix. 3.- Dispositif (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les raies du peigne principal (P1) sont espacées régulièrement et de façon stable avec un premier pas correspondant à une valeur de fréquence (FMEO+ 0) 3027116 12 comprise dans la gamme de fréquences de 500 MHz à 2000 MHz et avantageusement égale à 1000 MHz. 4.- Dispositif (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, 5 caractérisé en ce que les raies du peigne de référence (P2) sont espacées régulièrement et de façon stable avec un deuxième pas correspondant à une valeur de fréquence (FmE0 + dfl) comprise dans la gamme de fréquences de 500 MHz à 2000 MHz et sensiblement égale à 1000 MHz. 10 5.- Dispositif (10) selon les revendications 3 et 4, caractérisé : - en ce que le deuxième pas est supérieur au premier pas ; - en ce que la différence entre le deuxième pas et le premier pas correspond à une valeur courante (dfl) de décalage prédéterminée, la valeur courante de décalage (dfl) étant inférieure ou égale à 1 MHz ; et 15 - en ce que la différence entre le deuxième pas et le premier pas est stable dans le temps. 6.- Dispositif (10) selon la revendication 5, caractérisé : - en ce que les raies du peigne principal (P1) sont ordonnées selon un ordre 20 croissant des valeurs de fréquence correspondant à ces raies ; et - en ce que chaque raie du peigne de référence (P2) est décalée de la raie correspondante du peigne principal (P1) d'une valeur de fréquence égale au produit du nombre ordinal (n) de cette raie du peigne principal (P1) décrémenté d'un et de la valeur courante de décalage (dfl). 25 7.- Dispositif (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé : - en ce que la voie optique de réception (14) comporte en outre un module de couplage (42) apte à intégrer le peigne de référence (P2) dans le signal de réponse (SR) 30 pour obtenir le signal final (SF) ; et - en ce qu'il comprend en outre une voie optique (50) d'interconnexion reliant le générateur d'impulsions (22) et le module de couplage (42), et permettant de délivrer le peigne de référence (P2) au module de couplage (42). 35 8.- Dispositif (10) selon la revendication 7, caractérisé en ce que le générateur d'impulsions (42) est apte à générer les deux peignes (P1, P2) de manière séquentielle. 3027116 13 9.- Dispositif (10) selon la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce que la voie d'interconnexion (50) comporte des moyens (52) de retardement permettant de retarder la délivrance du peigne de référence (P2) au module de couplage (42). 5 10.- Dispositif (10) selon la revendication 8 ou 9, caractérisé en ce que le générateur d'impulsions (42) est apte à générer le peigne de référence (P2) après la génération du peigne principal (P1) avec un délai temporel sensiblement égal à la différence du moment temporel de réception du signal de réponse (SR) par le télescope 10 de réception (40) et du moment temporel d'émission du signal d'émission (SE) par le télescope d'émission (26). 11.- Dispositif (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en la voie optique d'émission (12) comporte en outre un module de couplage (46) apte à faire 15 interagir le peigne principal (P1) avec le peigne de référence (P2) pour obtenir le signal d'émission (SE). 12.- Dispositif (10) selon la revendication 11, caractérisé en ce que le générateur d'impulsions (22) est apte à générer les deux peignes (P1, P2) en parallèle.