Brevet FR3101160A1 — publié le 20210326

Un système LIDAR est adapté pour effectuer des mesures anémométriques relatives à une zone de focalisation (ZF) d’un faisceau laser (F) qui est émis par le système. Le système comprend un dispositif (40) de contrôle temporel du faisceau laser qui est adapté pour mettre ledit faisceau laser sous forme d’impulsions laser successives, de sorte que chaque impulsion laser ait une durée individuelle qui est supérieure ou égale au double de la longueur de Rayleigh (l R ) divisée par la vitesse de propagation des impulsions laser dans l’atmosphère, et inférieure à 20 µs. Avantageusement, la durée individuelle de chaque impulsion laser est comprise entre 0,2 et 5 fois une durée de cohérence de l’atmosphère qui est effective dans la zone de focalisation. Un tel système LIDAR procure des valeurs pour un rapport CNR spectral qui sont supérieures à celles de systèmes de l’art antérieur, à résolution spatiale équivalente. Figure d’abrégé : Figure 1 SYSTEME LIDAR POUR MESURES ANEMOMETRIQUES La présente description concerne un système LIDAR qui est adapté pour effectuer des mesures anémométriques, ainsi qu’un procédé de mesure qui utilise un tel système. Les systèmes LIDAR, pour «Light Detection and Ranging» en anglais, sont très connus et utilisés pour de nombreuses applications, notamment pour effectuer des mesures anémométriques. Pour une mesure de vitesse anémométrique, le faisceau laser est rétrodiffusé par des particules qui sont en suspension dans l’air, telles que des aérosols ou des grains solides, et qui sont entrainées par les courants aériens. Alors, la composante de la vitesse du vent qui est parallèle au faisceau laser est déduite du décalage fréquentiel dû à l’effet Doppler. Toutefois, plusieurs raisons limitent la performance des systèmes LIDAR existants qui sont utilisés pour des mesures de vitesse anémométrique. Parmi ces raisons, l’une des plus contraignantes est la faible valeur du rapport CNR spectral, pour «carrier-to-noise spectral ratio» en anglais, qui est noté CNR_sp, et qui est le rapport du maximum d’amplitude du spectre du signal rétrodiffusé par le bruit spectral, ce dernier étant évalué comme l’écart-type de l’amplitude spectrale en dehors du signal rétrodiffusé. Ce rapport CNR_sp est de préférence supérieur à 3, pour permettre une détermination fiable du décalage Doppler, et par suite de la vitesse anémométrique. Cette contrainte sur la valeur du rapport CNR_sp est particulièrement sévère pour des mesures qui sont effectuées en altitude dans l’atmosphère, notamment pour des mesures réalisées à partir d’un avion, et tout particulièrement à plus de 2 ou 3 km (kilomètre) d’altitude, à cause des faibles concentrations de particules rétrodiffusantes qui existent à de tels niveaux d’altitude. Un premier type de systèmes LIDAR qui sont utilisés pour des mesures anémométriques est à base de sources laser continues, telles que des diodes laser. Dans ce cas, la portion d’atmosphère qui est concernée par la mesure est sélectionnée en conférant au faisceau laser qui est émis une forme de faisceau convergent. Le faisceau laser converge donc jusqu’à une zone de focalisation, puis diverge, en pouvant être décrit par une structure de faisceau gaussien. La zone de focalisation possède une longueur mesurée parallèlement à la direction centrale de propagation du faisceau laser, qui est égale au double de la longueur de Rayleigh, c’est-à-dire égale à , et un rayon minimal, appelé «waist» en anglais, qui est égal à , où λ est la longueur d’onde du faisceau laser et θ est le demi-angle de divergence, exprimé en radians, du faisceau laser au-delà de la zone de focalisation, du côté opposé à la source d’émission laser. Typiquement, le demi-angle de divergence θ est la demi-ouverture angulaire du faisceau laser telle qu’existant à 2 km au-delà de la zone de focalisation. Dans ces conditions, la partie du faisceau laser qui est rétrodiffusée provient essentiellement de la zone de focalisation, si bien que le résultat de la mesure LIDAR concerne la vitesse du vent telle qu’elle existe dans la zone de focalisation. Mais le principe de sélection de la zone de focalisation par la divergence du faisceau laser établit une corrélation entre la taille de cette zone de focalisation et la distance d’éloignement qui existe entre cette zone de focalisation et le système LIDAR. Dans la pratique, lorsque la pupille de sortie du système LIDAR possède un rayon de 0,10 m (mètre), cette distance d’éloignement de la zone de focalisation par rapport au système LIDAR peut être de plusieurs centaines de mètres, par exemple 300 m pour une longueur de la zone de focalisation qui est alors de 50 m environ. En outre, et aussi de façon connue, le traitement du signal de détection pour un tel système LIDAR à émission continue procède par découpage du signal de détection selon des fenêtres temporelles successives et séparées, par exemple avec une durée de chaque fenêtre temporelle qui peut être égale à 1 µs (microseconde). Pour améliorer la valeur du rapport CNR_sp qui est obtenu pour chaque fenêtre de découpage temporel, des valeurs d’amplitude spectrale qui résultent séparément de N fenêtres temporelles successives, N étant un nombre entier positif, sont combinées en une valeur moyenne qui constitue le résultat de mesure. Mais étant donné que les valeurs de détection qui sont ainsi additionnées pour obtenir le résultat de mesure sont issues de signaux de détection incohérents entre eux, le rapport CNR_sp qui est relatif au résultat de mesure est augmenté d’un facteur N 1/2 par rapport à la valeur du rapport CNR_sp qui est relative à chaque valeur de détection. Par exemple, pour 100 valeurs de détection qui sont ainsi combinées, le gain sur le rapport CNR_sp est d’un facteur 10. Cependant, un tel gain peut être insuffisant pour des conditions de mesure anémométrique où le rapport CNR_sp d’une valeur de détection est particulièrement bas, par exemple à plus de 2 ou 3 km d’altitude où le coefficient de rétrodiffusion du faisceau laser par les particules qui sont en suspension dans l’air peut être très faible. Alternativement, utiliser une valeur très grande pour le nombre N impose une durée effective de mesure qui est longue, et qui peut être incompatible avec certaines applications, telles que des mesures anémométriques à effectuer en temps réel à partir d’un avion, par exemple. Dans des systèmes LIDAR d’un second type, la source d’émission laser est une source impulsionnelle, et le rayonnement qui est émis par impulsions dans l’atmosphère possède une structure de faisceau collimaté. La durée de chaque impulsion d’émission laser peut être par exemple entre 0,15 µs et 1 µs. Alors, la portion d’atmosphère qui est concernée par chaque mesure est un cylindre dont le diamètre est celui du faisceau laser collimaté, et dont la longueur selon la direction de propagation des impulsions laser correspond à la durée d’une fenêtre temporelle de détection qui est associée à chaque impulsion de rayonnement rétrodiffusé, multipliér par C/2, où C est la vitesse de propagation du rayonnement dans l’atmosphère. Simultanément, la distance entre la portion d’atmosphère qui est concernée par la mesure et le système LIDAR est déterminée par un retard qui est contrôlé, entre l’émission d’une impulsion et la fenêtre temporelle de détection correspondante. Si la durée de chaque impulsion laser est courte, par exemple de l’ordre de 0,15 µs, la résolution spatiale est fine, mais la valeur du rapport CNR_sp est alors faible et provoque, par élargissement spectral, une incertitude sur le résultat de mesure de la composante de la vitesse anémométrique qui est parallèle à la direction de propagation des impulsions laser. D’autre part, si chaque impulsion du rayonnement laser est trop longue, par exemple de l’ordre de 1 µs, le rapport CNR_sp est augmenté, l’élargissement spectral est réduit, mais la résolution spatiale est dégradée. Il en résulte donc un compromis contraignant entre résolution spatiale, valeur du rapport CNR_sp et précision sur la valeur de vitesse anémométrique qui est mesurée. Pour les systèmes LIDAR du second type, le rapport CNR_sp peut aussi être augmenté en moyennant N mesures élémentaires séparées, chaque mesure élémentaire résultant d’une impulsion laser distincte et de la détection du rayonnement rétrodiffusé qui correspond cette impulsion laser. Mais les mesures élémentaires qui sont combinées ainsi étant issues de signaux indépendants entre eux, le rapport CNR_sp du résultat de moyenne n’est de nouveau augmenté que d’un facteur N 1/2 . D’autres limitations de la performance des systèmes LIDAR pour des mesures anémométriques peuvent être, selon la nature du système LIDAR qui est utilisé : la durée d’une mesure, le poids et l’encombrement du système, la sensibilité pour des faibles valeurs de vitesse anémométrique, etc. Problème technique A partir de cette situation, un but de la présente invention est de permettre d’effectuer des mesures anémométriques qui présentent des valeurs de rapport CNR_sp supérieures à celles des systèmes antérieurs, tout en conservant une bonne résolution spatiale. Un but annexe de l’invention est de permettre de telles mesures qui présentent en outre une bonne précision sur les valeurs de vitesse anémométrique qui constituent les résultats de mesures. Un autre but annexe de l’invention est de permettre d’effectuer des mesures avec une durée de mesure qui ne soit pas trop longue. Enfin, d’autres buts annexes de l’invention sont de nécessiter un système LIDAR qui soit peu lourd et peu encombrant, de préférence peu onéreux, et qui présente une bonne sensibilité pour des faibles valeurs de vitesse anémométrique. Brève description des figures Les caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement dans la description détaillée ci-après d’exemples de réalisation non-limitatifs, en référence aux figures annexées parmi lesquelles : est un schéma synoptique d’un système LIDAR conforme à l’invention ; montre différents paramètres géométriques d’un faisceau laser tel que produit par le système LIDAR de [Fig. 1] ; est un diagramme temporel qui compare une émission laser possible pour le système LIDAR de [Fig. 1], à des émissions laser de systèmes LIDAR connus de l’art antérieur ; illustre une application possible du système LIDAR de [Fig. 1] ; et illustre un perfectionnement de l’invention, pour effectuer des mesures anémométriques tridimensionnelles. Système LIDAR adapté pour effectuer des mesures anémométriques, comprenant : - une source d’émission laser (10), capable de produire un faisceau laser (F) vers une portion d’atmosphère extérieure au système LIDAR, de sorte que ledit faisceau laser soit convergent au niveau d’une pupille de sortie de la source d’émission laser, et présente une section transversale de faisceau qui est minimale à mi-longueur d’une zone de focalisation (ZF) dudit faisceau laser, ladite zone de focalisation ayant une longueur égale à , mesurée parallèlement à une direction centrale de propagation (A-A) du faisceau laser, où λ est une longueur d’onde du faisceau laser et θ est un demi-angle de divergence dudit faisceau laser au-delà de la zone de focalisation d’un côté opposé à la source d’émission laser, exprimé en radians, étant appelée longueur de Rayleigh (l R ) ; - un ensemble de détection hétérodyne (20), agencé pour recevoir une partie du faisceau laser (F) qui est rétrodiffusée par des particules contenues dans la zone de focalisation (ZF) ; et - un module de calcul Doppler (30), adapté pour déduire une valeur de vitesse des particules à partir d’un signal de battement qui est produit par l’ensemble de détection hétérodyne (20), caractérisé en ce que le système LIDAR comprend en outre : - un dispositif (40) de contrôle temporel du faisceau laser, qui est adapté pour mettre ledit faisceau laser sous forme d’impulsions laser successives, et qui est associé à la source d’émission laser (10) de sorte que les impulsions laser traversent la zone de focalisation (ZF), avec une partie de chaque impulsion laser qui est rétrodiffusée par les particules, le dispositif de contrôle temporel étant adapté en outre pour que chaque impulsion laser ait une durée individuelle qui est supérieure ou égale au double de la longueur de Rayleigh (l R ) divisée par une vitesse de propagation des impulsions laser dans l’atmosphère, et inférieure à 20 µs. Système LIDAR selon la revendication 1, dans lequel le dispositif (40) de contrôle temporel est adapté pour que chaque impulsion laser ait une durée individuelle qui est égale au triple de la longueur de Rayleigh (l R ) divisée par la vitesse de propagation des impulsions laser dans l’atmosphère. Système LIDAR selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le dispositif (40) de contrôle temporel du faisceau laser est adapté pour que la durée individuelle de chaque impulsion laser soit comprise entre 0,2 µs et 5 µs, de préférence entre 0,5 µs et 1,2 µs. Système LIDAR selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le dispositif (40) de contrôle temporel du faisceau laser comprend au moins un composant sélectionné parmi un modulateur acousto-optique, un modulateur électro-optique, un amplificateur optique à semi-conducteur, un système d’allumage et d’extinction de la source d’émission laser, et un système de sélection d’un mode propre d’une cavité d’amplification laser. Système LIDAR selon l’une quelconque des revendications précédentes, adapté en outre pour appliquer un décalage fréquentiel entre chaque impulsion laser et un signal laser de référence qui est utilisé par l’ensemble de détection hétérodyne (20), de sorte qu’une vitesse nulle des particules qui sont contenues dans la zone de focalisation (ZF), par rapport au système LIDAR, corresponde à une fréquence qui est non-nulle pour le signal de battement produit par ledit ensemble de détection hétérodyne. Système LIDAR selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la source d’émission laser (10) est du type à fibre optique, et est adaptée de sorte que chaque impulsion laser ait une puissance moyenne comprise entre 100 W et 5·10 5 W, de préférence entre 200 W et 2000 W. Système LIDAR selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le dispositif (40) de contrôle temporel du faisceau laser est adapté pour que deux impulsions laser successives soient séparées par une durée qui est comprise entre 3 µs et 500 µs, de préférence inférieure à 100 µs. Système LIDAR selon l’une quelconque des revendications précédentes, agencé pour émettre simultanément des impulsions laser selon plusieurs directions de mesure (A1-A6) qui sont réparties autour d’une direction centrale, avec un angle (α) de chaque direction de mesure par rapport à la direction centrale qui est inférieur à 30°, de façon à obtenir des valeurs respectives de trois coordonnées de la vitesse des particules. Système LIDAR selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la source d’émission laser (10) comprend un dispositif variable de focalisation, adapté pour varier une distance de mesure qui existe entre la pupille de sortie de ladite source d’émission laser et un point central (O) de la zone de focalisation (ZF), par exemple entre 200 m et 1000 m. Aéronef (100), équipé d’un système LIDAR qui est conforme à l’une quelconque des revendications précédentes, ledit système LIDAR étant embarqué à bord de l’aéronef pour effectuer des mesures anémométriques pendant un vol dudit aéronef. Procédé de mesure anémométrique, comprenant les étapes suivantes : - disposer un système LIDAR qui est conforme à l’une quelconque des revendications précédentes, de sorte que la zone de focalisation (ZF) soit contenue dans une portion d’atmosphère où une vitesse anémométrique est à mesurer ; - adopter une durée individuelle d’impulsion laser qui est supérieure ou égale au double de la longueur de Rayleigh (l R ) divisée par la vitesse de propagation des impulsions laser dans l’atmosphère, et inférieure à 20 µs ; et - activer le système LIDAR pour obtenir une valeur de vitesse des particules qui sont contenues dans la zone de focalisation (ZF). Procédé de mesure anémométrique selon la revendication 11, suivant lequel le dispositif (40) de contrôle temporel du faisceau laser est ajusté pour que la durée individuelle de chaque impulsion laser soit comprise entre 0,2 et 5 fois, de préférence entre 0,5 et 1,2 fois, une durée de cohérence de l’atmosphère qui est effective dans la zone de focalisation (ZF).