Brevet FR3090125A1 — publié le 20200619

Description Titre de l'invention : Système lidar compact [0001] L'invention porte sur un dispositif lidar anémométrique destiné au domaine de l'aéronautique. [0002] Le maintien d'un aéronef en vol nécessite de connaître un certain nombre de pa- ramètres fondamentaux comme son altitude relative, sa vitesse par rapport à la masse d'air ambiante et son angle d'incidence. [0003] Les dispositifs d'anémométrie lidar permettent de mesurer par exemple la vitesse relative de l'air en un point situé à faible distance de la peau d'avion sans nécessiter de protubérance matérielle. La mesure de vitesse par lidar anémométrique s'appuie sur la mesure du décalage de fréquence, par effet Doppler, entre un faisceau laser émis dans l'atmosphère et le faisceau rétrodiffusé par les aérosols naturellement présents dans [0004] La figure 1 représente un lidar anémométrique pour mesure aéronautique connu de l'art antérieur. Ce lidar comprend un système laser 10 pouvant émettre un faisceau laser 4 à une certaine longueur d'oncle et comprend un système optique de focalisation 5 adapté pour focaliser le faisceau laser 4. Le faisceau laser rétrodiffusé par des particules atmosphériques est dirigé vers une détection hétérodyne où le battement avec un rayonnement laser dit d'oscillateur local permet de générer un signal électrique dont la fréquence est égale au décalage de fréquence lié à l'effet Doppler. Le décalage Doppler étant proportionnel à la projection de la vitesse relative des aérosols sur l'axe du faisceau du lidar, Il est alors possible de calculer la vitesse radiale de la masse d'air. Dans la figure 1, le faisceau laser 4 est émis par le laser au travers d'une fenêtre optique 3 (ou hublot) qui est transparent à la longueur d'oncle du rayonnement laser. Afin d'assurer que la fenêtre optique 3 soit à niveau avec la peau de l'aéronef, celle-ci est montée sur une platine 2. [0005] Afin de mesurer des vitesses anémométriques pertinentes de l'aéronef, il est en général souhaitable d'orienter le système laser 10 de telle sorte que l'axe de propagation du faisceau laser 4 forme un angle non nul avec la normale à la peau de l'aéronef au point d'installation choisi du lidar I. Pour cela, la solution préférentielle est d'incliner l'axe optique du système de focalisation 5 du faisceau optique 4 par rapport à la normale au hublot d'interface 3 à l'intérieur de l'équipement lidar. [0006] Cependant, cela implique des difficultés d'intégration des éléments et réduit la (Cuti- lisabilité d'une conception d'un dispositif lidar. En effet, il n'est pas possible de modifier l'orientation du faisceau traversant le hublot sans concevoir un arrangement opto-mécanique différent. [0007] Modifier l'angle du faisceau hors du dispositif implique par ailleurs de concevoir à 2 nouveau des cartes électroniques dont la forme doit être adaptée à un nouvel encombrement interne du dispositif lidar 1. [0008] Enfin, l'inclinaison interne du système optique 5 au sein du dispositif 1 limite la compacité de l'équipement lidar en raison de la séparation - selon l'axe de propagation du faisceau - nécessaire entre le système optique et la fenêtre optique afin que le faisceau laser mis en forme par le système optique traverse la fenêtre optique. [0009] Tous ces paramètres augmentent considérablement le coût des systèmes lidars ané- mométriques. [0010] L'invention vise à résoudre une partie des problèmes précités de l'art antérieur, c'est-à-dire que l'invention a pour objet un système lidar anémométrique de forte compacité. RESUME [0011] Un objet de l'invention est un système lidar anémométrique compact aéroporté comprenant, un laser pouvant émettre un faisceau laser, un système optique adapté pour mettre en forme le faisceau laser émis par le laser, une fenêtre optique transparente au rayonnement laser émis par le laser, caractérisé en ce que le système lidar comprend au moins un prisme configuré pour dévier le faisceau laser mise en forme par le système optique de manière à ce qu'il traverse la fenêtre optique en formant, avec la normale1.2 à ladite fenêtre optique, un angle non nul, l'angle entre l'axe optique du système optique et la normale 11 étant inférieur à 10'. [0012] Selon des modes de réalisation particulier d'un tel système lidar - il comprend une platine sur laquelle est montée la fenêtre optique, la platine étant adaptée pour que ladite fenêtre optique soit à niveau avec la peau du porteur du système lidar ; - il comprend un premier et un second prisme, ledit premier prisme étant configuré pour dévier le faisceau laser mis en forme par le système optique 5, ledit second prisme étant monté sur un dispositif de rotation configuré pour réaliser une rotation autour l'axe de propagation du faisceau laser transmis par le premier prisme, ledit dispositif étant piloté par un circuit permettant d'orienter le second prisme de manière à sélectionner l'angle avec lequel le faisceau laser est dévié par le second prisme et traverse la fenêtre optique ; - ledit ou au moins un prisme est placé à une distance de la fenêtre optique inférieure à 20% du diamètre de la fenêtre optique ; - le ou les prismes sont orientés pour que le faisceau laser traversant le ou les prismes soit dévie avec un angle correspondant au minimum de déviation du ou des prismes ; - l'indice de réfraction du ou des prismes est supérieur à 2 ; - le ou les prismes sont réalisés en silicium ou en germanium ; - l'angle entre l'axe optique du système optique (5) et la normale ri est nul. 3 Brève description des dessins [0013] D'autres caractéristiques, détails et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description faite en référence aux dessins annexés donnés à titre d'exemple et qui représentent, respectivement : [0014] rfie.11, un système lidar anémométrique pour mesure aéronautique de l'art antérieur. [0015] [fie.21, un système lidar anémométrique compact pour mesure aéronautique selon un premier mode de réalisation de l'invention. [0016] [fie.31, un système lidar anémométrique compact pour mesure aéronautique selon un second mode de réalisation de l'invention. [0017] [fie.41, un système lidar anémométrique compact pour mesure aéronautique selon un second mode de réalisation de l'invention. [0018] Les références aux figures, quand elles sont identiques, correspondent aux mêmes éléments. [0019] Dans les figures, sauf contre-indication, lés éléments ne sont pas à l'échelle. Description des modes de réalisation [0020] La figure 2 illustre un système lidar 20 anémométrique compact pour mesure aéro- nautique selon un premier mode de réalisation de l'invention. Ce système lidar 20 est embarqué sur un aéronef et comprend un laser 10 pouvant émettre un faisceau laser 4. [0021] Le lidar 20 comprend un système optique 5 adapté pour mettre en forme le faisceau laser 4 émis par le laser et une fenêtre optique 3 transparente au rayonnement laser émis par le laser. Dans le mode de réalisation de la figure 2, le rayonnement émis par le laser 10 possède une longueur d'onde comprise entre 1,4itm et 1,7ism. Afin d'assurer la conformité de la fenêtre optique 3 avec la peau de l'aéronef, celle-ci est monté sur une platine 2. Par transparente, on entend ici une transmission supérieure à 90 %. La fenêtre optique 3 est montée sur une platine 2 afin de s'assurer que la fenêtre optique soit à niveau avec la peau de l'aéronef. 100221 Afin de déterminer des vitesses anémométriques pertinentes, le système lidar 20 comprend, de plus, au moins un prisme 6 configuré pour dévier le faisceau laser mis en forme par le système optique, de manière à ce qu'il traverse la fenêtre optique 3 en formant avec la normale 11 à ladite fenêtre optique un angle non nul. Le hublot 3 étant monté sur la platine 2 cela revient à dire que le prisme est configuré pour que l'axe de propagation x du faisceau laser 4 dévié par le prisme et traversant la fenêtre optique ne soit pas parallèle à la normale n de la peau du porteur à la zone ou point d'installation du système lidar. Dans le mode de réalisation de la figure 2, l'angle entre l'axe de propagation du faisceau laser et la normale n de la peau du porteur, appelé angle d'émergence, est inférieur à 45°. Il est préférable de garder cet angle inférieur à 45° car les traitements antirenets sous haute incidence sont plus difficiles à réaliser et plus coûteux. De plus, une incidence importante implique un fort décalage entre les points d'entrée et de sortie du faisceau sur le hublot conduisant à agrandir le hublot. On entend par prisme, un élément transmissif ayant deux faces opposées planes et non parallèles. Dans le mode de réalisation de la figure 2, le système lidar comporte un seul prisme, le prisme est configure pour que l'axe de propagation x du faisceau laser 4 dévié par le prisme et traversant la fenêtre optique ne soit pas parallèle à la normale n de la peau du porteur à la zone ou au point d'installation du système lidar. Le système optique est configure pour que l'angle formé par l'axe optique et la normale il à la fenêtre optique soit inférieur à 10' et préférentiellement nul. Cet angle est le plus faible possible pour que l'encombrement du système optique dans le système lidar soit le plus faible possible. [0023] L'utilisation d'un tel prisme permet de choisir l'orientation de l'axe du système optique 5 dans le système lidar 20 indépendamment de l'orientation du faisceau à l'extérieur de l'équipement. Ceci permet un gain de compacité du système lidar 20 en réduisant les pertes de volume utile. En effet, à l'inverse des dispositifs lidar de l'art antérieur, il n'est alors plus nécessaire d'incliner l'axe du système optique et/ou du système laser afin d'obtenir un angle non nul entre l'axe de propagation du faisceau laser 4 et la normale à la peau de l'aéronef au point d'installation choisi du système lidar. [0024] De plus, l'utilisation d'un prisme favorise la polyvalence de l'équipement en rendant possible une modification de l'orientation du faisceau à l'extérieur de l'aéronef simplement en changeant le prisme utilisé (par exemple, en le remplaçant par un prisme ayant un angle différent entre ses faces) sans avoir à ajuster l'architecture optique, mécanique et électronique interne du système lidar. Il est aussi possible de tourner le prisme 6 autour de l'axe optique du système optique 5 afin de modifier le plan formé par l'axe de propagation X du faisceau et la normale " à la fenêtre optique. [0025] Le prisme permet donc de maximiser les éléments communs entre les systèmes lidar positionnés en différents emplacements d'un même porteur ou même entre les systèmes lidar embarqués sur des porteurs différents. Ces avantages permettent une baisse considérable du coût du système lidar 20. [0026] Le prisme est réalisé dans un matériau transparent à rayonnement laser émis par le laser 10 et possédant un fort indice de réfraction (typiquement supérieur à 2) afin de limiter la dimension et l'angle du prisme nécessaire pour dévier le faisceau et minimiser les aberrations optiques sur le faisceau transmis. pour des longueurs d'onde de laser comprise entre 1,4 et 1,7 pm, le prisme pourra par exemple être réalisé en silicium (Si, n 3,5) ou en germanium (Ge n 4,3) [0027] De manière préférentielle le prisme est orienté de manière à être utilisé à son minimum de déviation afin de minimiser les aberrations provoquées sur le faisceau laser 4 par la traversée dudit prisme. [0028] Le prisme 6 est placé à une distance aussi faible que possible de la fenêtre optique afin de réduire le plus possible l'espace nécessaire entre l'axe du système optique et la zone utile de la fenêtre optique (zone où traverse le faisceau laser). Placer le prisme au plus proche du hublot permet donc de réduire le volume du système lidar. Il faudra cependant éviter le contact avec la fenêtre optique, dans tout le domaine d'environnement prévu du système, car ce contact pourrait conduire à la détérioration des surfaces. Dans le mode de réalisation de la figure 2, le prisme est placé à une distance de la fenêtre optique inférieure à 20% du diamètre de la fenêtre optique. [0029] Les figures 3 et 4 illustrent un système lidar 30 anémométrique compact pour mesure aéronautique selon un second mode de réalisation de l'invention. Dans ce mode de réalisation le système lidar comprend deux prismes, un premier prisme 6 configure pour dévier le faisceau laser mis en forme par le système optique 5 et un second prisme 7 monté sur un dispositif de rotation 8 configure pour réaliser une rotation autour de l'axe de propagation du faisceau laser transmis par le premier prisme 6. Le premier 6 et le second prisme 7 sont placés de manière à être utilisés à leur minimum de déviation afin de minimiser les aberrations provoquées sur le faisceau laser 4 par la traversée des deux prismes. Le dispositif de rotation est piloté par un circuit (non représenté dans la figure 3) permettant d'orienter le second prisme de manière à contrôler et de faire varier l'angle avec lequel le faisceau laser 4 traverse la fenêtre optique tout en minimisant les aberrations optiques de celui-ci. Dans le mode de réalisation de la figure 3, l'orientation du prisme 7 est choisie de manière à minimiser l'angle d'émergence sur la fenêtre optique. Dans le mode de réalisation de la figure 4 l'orientation du prisme est choisie de manière à maximiser l'angle d'émergence. 6 REVENDICATIONS[Revendication 1] Système lidar anémométrique compact (1) aéroporté comprenant, un laser (10) pouvant émettre un faisceau laser (4), un système optique (5) adapté pour mettre en forme le faisceau laser (4) émis par le laser, une fenêtre optique (3) transparente au rayonnement laser émis par le laser, caractérisé en ce que le système lidar comprend au moins un prisme configuré pour dévier le faisceau laser mise en forme par le système optique de manière à ce qu'il traverse la fenêtre optique (3) en formant, avec la normale Ti à ladite fenêtre optique, un angle non nul, l'angle entre l'axe optique du système optique (5) et la normale Ti étant inférieur à 100 . [Revendication 2] Système lidar anémométrique compact selon la revendication précédente, comprenant une platine (2) sur laquelle est montée la fenêtre optique, la platine étant adaptée pour que ladite fenêtre optique soit à niveau avec la peau du porteur du système lidar. [Revendication 3] Système lidar anémométrique compact selon la revendication précédente, comprenant un premier et un second prisme (7), ledit premier prisme étant configuré pour dévier le faisceau laser mis en forme par le système optique 5, ledit second piisme étant monté sur un dispositif de rotation (8) configuré pour réaliser une rotation autour l'axe de propagation du faisceau laser transmis par le premier prisme, ledit dispositif étant piloté par un circuit permettant d'orienter le second prisme de manière à sélectionner l'angle avec lequel le faisceau laser (4) est dévié par le second prisme (7) et traverse la fenêtre optique. [Revendication 4] Système lidar anémométrique compact selon l'une quelconque des re- vendications précédentes, dans lequel ledit ou au moins un prisme est placé à une distance de la fenêtre optique inférieure à 20% du diamètre de la fenêtre optique. [Revendication 5] Système lidar anémométrique compact selon l'une quelconque des re- vendications précédentes, dans lequel le ou les prismes sont orientés pour que le faisceau laser traversant le ou les prismes soit dévie avec un angle correspondant au minimum de déviation du ou des prismes. [Revendication 6] Système lidar anémométrique compact selon l'une quelconque des re- vendications précédentes, dans lequel l'indice de réfraction du ou des prismes est supérieur à 2. [Revendication?] Système lidar anémométrique compact selon l'une quelconque des re- vendications précédentes, dans lequel le ou les prismes sont réalisés en 7 silicium ou en germanium. [Revendication 8] Système lidar anémométrique compact selon l'une quelconque des re- vendications précédentes, dans lequel l'angle entre l'axe optique du système optique (5) et la normale n est nul.