Brevet FR3122738A1 — publié le 20221111

Un système LIDAR (100) à impulsions possède une voie d’émission (10) qui est conçue pour former chaque impulsion (I) comme une superposition de plusieurs composantes spectrales d’impulsion qui sont émises simultanément. Un rapport signal-sur-bruit d’un signal de détection hétérodyne est amélioré de cette façon. Un tel système LIDAR peut être réalisé à base de fibres optiques, et est particulièrement approprié pour réaliser des mesures de vitesse anémométrique. Figure d’abrégé : Figure 3a SYSTEME LIDAR A IMPULSIONS La présente description concerne un système LIDAR à impulsions, en particulier un tel système LIDAR qui est adapté pour effectuer des mesures de vitesse anémométrique. Bien que LIDAR soit l’acronyme de «Light Detection And Ranging» en anglais, pour détection et mesure de distance avec de la lumière, les systèmes LIDAR sont très appropriés pour effectuer des mesures de vitesse à distance. Connaître la vitesse du vent à distance est utile dans de nombreux domaines, notamment la sécurité aérienne, par exemple pour détecter la présence de turbulences à proximité des pistes d’un aéroport, ou pour détecter des rafales de vent à bord d’un avion en vol afin de compenser des effets d’usure prématurée qui sont provoqués par les rafales sur les structures de l’avion. D’autres domaines où une telle connaissance est aussi utile sont le sondage et la gestion de sites éoliens, ou la mesure des courants atmosphériques depuis l’espace pour des prévisions météorologiques. De façon connue, un système LIDAR à impulsions permet de mesurer la composante de vitesse d’une cible qui est parallèle à la direction d’émission du système LIDAR, ainsi que la distance d’éloignement de la cible par rapport au système LIDAR. Notamment, un système LIDAR à impulsions qui est conçu pour des mesures anémométriques permet d’obtenir des estimations de la composante de vitesse du vent qui est parallèle à la direction d’émission du système LIDAR, en fonction de la distance d’éloignement mesurée selon cette direction d’émission. Or pour de telles mesures anémométriques, les signaux qui sont détectés par le système LIDAR et à partir desquels sont obtenus les résultats de mesure pour la vitesse du vent, sont produits par une rétrodiffusion des impulsions émises qui est provoquée par des particules présentes en suspension dans l’air. Ces signaux de détection ont des intensités très faibles, de sorte qu’il est important d’améliorer le rapport signal-sur-bruit qui leur est associé. De façon aussi connue, lorsque le système LIDAR à impulsions utilise une détection hétérodyne, c’est-à-dire lorsque le système est cohérent entre émission et détection, son rapport signal-sur-bruit est proportionnel à E·PRF 1/ 2 , où E est l’énergie de chaque impulsion rétrodiffusée puis détectée, et PRF est la fréquence de répétition des impulsions, ou «Pulse Repetition Frequency» en anglais. Des efforts sont donc effectués pour augmenter les valeurs de l’énergie E et de la fréquence PRF. Augmenter l’énergie E pourrait être réalisé en augmentant l’énergie de chaque impulsion telle qu’elle est émise par le système LIDAR. En effet, le rayonnement est produit initialement par une source laser, qui n’induit pas par elle-même une limitation pour la puissance du rayonnement qui est émis vers l’extérieur. Or la réalisation du système LIDAR en utilisant une technologie de connexions par fibres optiques présente des avantages considérables, notamment une robustesse du système qui est accrue et la suppression de mécanismes d’alignement des composants optiques du système les uns par rapport aux autres. Mais le phénomène connu de diffusion Brillouin stimulée, ou SBS pour «Stimulated Brillouin Scattering», qui se produit dans les fibres optiques limite la valeur de puissance-crête que peut avoir chaque impulsion émise. Par ailleurs, la fréquence PRF est limitée par la portée du système LIDAR. En effet, il est nécessaire qu’une impulsion de rayonnement qui a été émise en direction de la cible soit détectée en retour avant d’émettre l’impulsion suivante, afin de corréler chaque partie de rayonnement détectée avec l’instant correct d’émission d’impulsion, pour en déduire la valeur de distance d’éloignement de la cible. Autrement dit, la fréquence PRF est limitée par la portée L qui est prescrite pour le système LIDAR selon la formule : PRF Ainsi, ces limitations sur l’énergie des impulsions émises et la fréquence de répétition des impulsions, à cause des conséquences qui en résultent pour le rapport signal-sur-bruit des signaux de détection hétérodyne, empêchent d’améliorer la précision des résultats de mesure, notamment des résultats de mesures de vitesse anémométrique. Problème technique A partir de cette situation, un but de la présente invention est de proposer un nouveau système LIDAR à impulsions, pour lequel le rapport signal-sur-bruit des signaux de détection est amélioré. Un but complémentaire de l’invention est qu’un tel système LIDAR soit compatible avec l’utilisation de fibres optiques pour connecter entre eux les composants optiques à l’intérieur du système LIDAR. Un autre but complémentaire de l’invention est qu’un tel système LIDAR soit adapté pour des mesures de vitesse anémométrique. Pour atteindre l’un au moins de ces buts ou un autre, un aspect de l’invention propose un système LIDAR à impulsions, qui est adapté pour déterminer une valeur d’un décalage fréquentiel d’effet Doppler subi par une série d’impulsions de rayonnement émises successivement par le système en direction d’une cible, entre des parties des impulsions telles que reçues après rétro-réflexion ou rétrodiffusion sur la cible et les mêmes impulsions telles qu’émises par le système. Le système fournit ensuite, à partir de la valeur déterminée pour le décalage fréquentiel, une estimation d’une composante de vitesse de la cible qui est parallèle à une direction d’émission optique du système. Pour cela, le système comprend : - une voie d’émission, conçue pour produire la série d’impulsions, - une voie de détection, conçue pour détecter les parties des impulsions reçues après rétro-réflexion ou rétrodiffusion sur la cible, et pour produire des signaux de détection hétérodyne qui correspondent aux impulsions de la série, et - un module d’analyse spectrale, adapté pour effectuer une analyse spectrale des signaux de détection hétérodyne, de sorte que la valeur du décalage fréquentiel résulte de contributions de détection hétérodyne qui correspondent aux impulsions de la série. L’utilisation de plusieurs impulsions pour effectuer l’analyse spectrale procure une première amélioration du rapport signal-sur-bruit, et la précision des résultats de mesure qui sont fournis par le système LIDAR est améliorée en conséquence. Selon l’invention, le système LIDAR possède les caractéristiques supplémentaires suivantes : - la voie d’émission est conçue en outre pour former chacune des impulsions comme une superposition de plusieurs composantes spectrales d’impulsion qui sont émises simultanément, disjointes spectralement et associées une-à-une à des valeurs centrales différentes de longueur d’onde, et - le système est adapté pour que la valeur du décalage fréquentiel qui est déterminée par le module d’analyse spectrale résulte de plusieurs contributions de détection hétérodyne qui correspondent respectivement aux composantes spectrales des impulsions de la série. Dans le cadre de l’invention, on entend par composantes spectrales d’impulsion qui sont disjointes spectralement des composantes du spectre de chaque impulsion entre lesquelles une intensité spectrale de l’impulsion devient inférieure à 5%, de préférence inférieure à 1%, d’une valeur maximale d’intensité spectrale de chaque composante spectrale d’impulsion. Ainsi, chaque impulsion peut avoir une valeur de puissance-crête qui est supérieure à un seuil convenu de diffusion Brillouin stimulée, alors que chaque composante spectrale d’impulsion possède séparément une valeur individuelle de puissance-crête qui est inférieure au seuil de diffusion Brillouin stimulée. Autrement dit, la limitation sur la puissance-crête d’émission qui est causée par une réalisation à base de fibres optiques de la voie d’émission est satisfaite, tout en permettant que chaque impulsion ait une valeur d’énergie qui est augmentée. Pour cette raison, l’invention est particulièrement adaptée lorsque le système LIDAR utilise une technologie de fibres optiques pour sa voie d’émission. En outre, toutes les contributions de détection hétérodyne qui correspondent respectivement aux composantes spectrales des impulsions participent à l’obtention de la valeur du décalage fréquentiel, qui est attribué à l’effet Doppler produit par le mouvement de la cible. Ainsi, le système de l’invention possède un fonctionnement dans lequel la fréquence PRF qui est effective est multipliée par le nombre des composantes spectrales disjointes dans chaque impulsion, tout en conservant une portée L du système LIDAR qui est inchangée. L’invention procure ainsi une amélioration supplémentaire du rapport signal-sur-bruit qui est relatif au signal de détection hétérodyne. La précision sur la valeur qui est obtenue pour le décalage fréquentiel d’effet Doppler est augmentée en conséquence. Selon un autre point de vue, pour une valeur de la portée L qui est constante, et en conservant une précision identique des résultats de mesure, le système LIDAR de l’invention peut permettre de réduire le temps d’accumulation du signal de détection hétérodyne d’un facteur qui est égal au nombre des composantes spectrales d’impulsions qui sont disjointes spectralement et constituent chaque impulsion qui est émise. De façon générale pour l’invention, il n’est pas nécessaire que les impulsions qui sont émises successivement par le système LIDAR, chacune à plusieurs composantes spectrales qui sont disjointes spectralement, soient identiques. Ainsi, deux impulsions peuvent différer l’une de l’autre par les valeurs de longueur d’onde moyenne de certaines au moins de leurs composantes spectrales, notamment différer par l’écart qui existe entre les composantes spectrales, d’une impulsion à une autre. Ainsi, la composition des impulsions à plusieurs composantes spectrales peut varier au cours de la série des impulsions qui sont émises pour effectuer une séquence de mesure, soit périodiquement soit aléatoirement au cours de cette série. Grâce à une telle différenciation entre les impulsions qui sont émises successivement, il est possible d’augmenter la portée du système LIDAR tout en conservant une valeur constante de fréquence de répétition des impulsions, ou PRF pour «Pulse Repetition Frequency» en anglais. En effet, il est nécessaire qu’une impulsion de rayonnement qui a été émise en direction de la cible soit détectée en retour avant d’émettre l’impulsion suivante, si les deux impulsions sont identiques, afin de corréler chaque partie de rayonnement détectée avec l’instant correct d’émission d’impulsion, pour en déduire la valeur de distance d’éloignement de la cible. Autrement dit, lorsque les impulsions successives sont identiques, la fréquence PRF est limitée par la portée L qui est prescrite pour le système LIDAR selon la formule : PRF La voie d’émission du système LIDAR de l’invention peut comprendre : - une source d’émission laser, qui est adaptée pour produire un rayonnement laser initial, ce rayonnement laser initial étant de préférence monochromatique ou quasi-monochromatique ; - un modulateur de génération de peigne, qui est disposé pour modifier le rayonnement laser initial conformément à un signal de modulation appliqué à une entrée de commande de ce modulateur de génération de peigne ; et - un générateur de signaux de modulation, qui est connecté pour appliquer le signal de modulation à l’entrée de commande du modulateur de génération de peigne. Le signal de modulation est alors tel que le rayonnement laser initial soit transformé par le modulateur de génération de peigne en un ensemble des composantes spectrales qui sont destinées à former une-à-une les composantes spectrales d’impulsions. Autrement dit, le rayonnement optique qui sort du modulateur possède une structure spectrale en peigne. Dans des premiers modes de réalisation de l’invention, une entrée de référence de la voie de détection peut être connectée à une sortie secondaire de la voie d’émission pour recevoir un signal optique de référence qui comporte des composantes spectrales de référence correspondant une-à-une aux composantes spectrales des impulsions, avec un décalage spectral entre chaque composante spectrale d’impulsion et celle des composantes spectrales de référence qui lui correspond, qui est identique pour toutes les composantes spectrales d’impulsions. De cette façon, les contributions de détection hétérodyne qui sont associées aux composantes spectrales d’impulsions dans le signal de détection hétérodyne tel que produit par la voie de détection, sont toutes superposées spectralement. Autrement dit, le signal de détection hétérodyne est formé spectralement par un pic unique qui regroupe toutes les contributions produites par la pluralité des composantes spectrales d’impulsions. Pour de tels premiers modes de réalisation, la sortie secondaire de la voie d’émission, qui est connectée à l’entrée de référence de la voie de détection, peut être située dans la voie d’émission en aval du modulateur de génération de peigne, par rapport à un sens de propagation du rayonnement dans la voie d’émission. Dans des seconds modes de réalisation de l’invention, l’entrée de référence de la voie de détection peut être connectée à une sortie secondaire de la voie d’émission qui est située différemment, pour recevoir un signal optique de référence qui est monochromatique ou quasi-monochromatique. Alors, les contributions de détection hétérodyne qui sont associées aux composantes spectrales d’impulsions dans le signal de détection hétérodyne tel que produit par la voie de détection, sont décalées spectralement les unes par rapport aux autres conformément à une répartition des composantes spectrales d’impulsions. Dans ce cas, le module d’analyse spectrale est adapté pour déduire la valeur du décalage fréquentiel d’effet Doppler à partir de valeurs de fréquence centrale qui sont relatives respectivement à chacune des contributions de détection hétérodyne. Pour de tels seconds modes de réalisation, la sortie secondaire de la voie d’émission, qui est connectée à l’entrée de référence de la voie de détection, peut être située dans la voie d’émission en amont du modulateur de génération de peigne, par rapport au sens de propagation du rayonnement dans cette voie d’émission. Dans des modes préférés de réalisation de l’invention, l’une au moins des caractéristiques additionnelles suivantes peut être reproduite optionnellement, seule ou en combinaison de plusieurs d’entre elles : - le système LIDAR peut être adapté pour fournir une estimation d’une composante de vitesse aéraulique lorsque le système est dirigé pour émettre les impulsions de rayonnement vers une portion d’atmosphère qui contient des particules en suspension formant la cible, les particules étant rétro-diffusantes pour le rayonnement ; - la voie d’émission peut être conçue en outre pour que les composantes spectrales de chaque impulsion soient disjointes spectralement d’au moins 10 MHz, de préférence au moins 20 MHz, et d’au plus 2000 MHz ; - la voie d’émission peut être conçue en outre pour que des écarts spectraux qui existent entre deux quelconques des composantes spectrales d’impulsion qui sont voisines spectralement, soient constants entre des paires différentes de composantes spectrales d’impulsion voisines ; - la voie d’émission peut être conçue en outre pour qu’un nombre des composantes spectrales d’impulsion disjointes spectralement qui constituent chaque impulsion, soit compris entre 2 et 20, de préférence entre 4 et 12 ; - chaque composante spectrale d’impulsion peut être monochromatique ou quasi-monochromatique ; - le modulateur de génération de peigne, lorsqu’un tel modulateur est utilisé, peut être un modulateur électro-optique ; - le générateur de signaux de modulation, lorsqu’un tel générateur est utilisé, peut être un générateur électrique de formes d’ondes arbitraires ; et - la voie d’émission et/ou la voie de détection peut être réalisée par une technologie de fibres optiques, pour connecter entre eux des composants de cette voie d’émission et/ou voie de détection. 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 dispositif LIDAR à impulsions et détection hétérodyne tel que connu de l’art antérieur ; regroupe deux diagrammes spectraux relatifs à un fonctionnement du système LIDAR de ; est un diagramme temporel qui montre une composition spectrale d’impulsions possible pour un fonctionnement d’un système LIDAR conforme à l’invention ; correspond à pour un premier mode de réalisation de l’invention ; correspond à pour le système LIDAR du premier mode de réalisation de l’invention de ; correspond à pour un second mode de réalisation de l’invention ; correspond à pour le système LIDAR du second mode de réalisation de l’invention de ; et correspond à pour un autre mode de réalisation de l’invention. Système LIDAR (100) à impulsions, adapté pour déterminer une valeur d’un décalage fréquentiel d’effet Doppler (ν Doppler ) qui est subi par une série d’impulsions (I) de rayonnement émises successivement par le système en direction d’une cible (T), entre des parties des impulsions telles que reçues après rétro-réflexion ou rétrodiffusion sur la cible et lesdites impulsions telles qu’émises par le système, et pour fournir, à partir de la valeur déterminée pour le décalage fréquentiel, une estimation d’une composante de vitesse (V T ) de la cible qui est parallèle à une direction d’émission optique du système, le système (100) comprenant : - une voie d’émission (10), conçue pour produire la série d’impulsions (I), - une voie de détection (20), conçue pour détecter les parties des impulsions (RI) reçues après rétro-réflexion ou rétrodiffusion sur la cible (T), et pour produire des signaux de détection hétérodyne qui correspondent aux impulsions (I) de la série, et - un module d’analyse spectrale (30), adapté pour effectuer une analyse spectrale des signaux de détection hétérodyne, de sorte que la valeur du décalage fréquentiel (ν Doppler ) résulte de contributions de détection hétérodyne qui correspondent aux impulsions (I) de la série, le système (100) étant caractérisé en ce que : - la voie d’émission (10) est conçue en outre pour former chacune des impulsions (I) comme une superposition de plusieurs composantes spectrales d’impulsion qui sont émises simultanément, disjointes spectralement et associées une-à-une à des valeurs centrales différentes de longueur d’onde, et - le système (100) est adapté pour que la valeur du décalage fréquentiel (ν Doppler ) qui est déterminée par le module d’analyse spectrale (30) résulte de plusieurs contributions de détection hétérodyne qui correspondent respectivement aux composantes spectrales des impulsions (I) de la série. Système LIDAR (100) à impulsions selon la revendication 1, adapté pour fournir une estimation d’une composante de vitesse aéraulique lorsque le système est dirigé pour émettre les impulsions (I) de rayonnement vers une portion d’atmosphère qui contient des particules en suspension formant la cible (T), les particules étant rétro-diffusantes pour ledit rayonnement. Système LIDAR (100) à impulsions selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la voie d’émission (10) est conçue en outre pour que les composantes spectrales de chaque impulsion (I) soient disjointes spectralement d’au moins 10 MHz, de préférence au moins 20 MHz, et d’au plus 2000 MHz. Système LIDAR (100) à impulsions selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la voie d’émission (10) est conçue en outre pour que des écarts spectraux (Δν 1 ) qui existent entre deux quelconques des composantes spectrales d’impulsion qui sont voisines spectralement, soient constants entre des paires différentes de composantes spectrales d’impulsion voisines. Système LIDAR (100) à impulsions selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la voie d’émission (10) est conçue en outre pour qu’un nombre des composantes spectrales d’impulsion disjointes spectralement qui constituent chaque impulsion (I) soit compris entre 2 et 20, de préférence entre 4 et 12. Système LIDAR (100) à impulsions selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la voie d’émission (10) comprend : - une source d’émission laser (11), qui est adaptée pour produire un rayonnement laser initial (R 0 ) ; - un modulateur de génération de peigne (17), qui est disposé pour modifier le rayonnement laser initial (R 0 ) conformément à un signal de modulation appliqué à une entrée de commande dudit modulateur de génération de peigne ; et - un générateur de signaux de modulation (18), qui est connecté pour appliquer le signal de modulation à l’entrée de commande du modulateur de génération de peigne (17), ledit signal de modulation étant tel que le rayonnement laser initial (R 0 ) soit transformé par le modulateur de génération de peigne (17) en un ensemble de composantes spectrales qui sont destinées à former une-à-une les composantes spectrales d’impulsions. Système LIDAR (100) à impulsions selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel une entrée de référence de la voie de détection (20) est connectée à une sortie secondaire (16) de la voie d’émission (10) pour recevoir un signal optique de référence (RR) qui comporte des composantes spectrales de référence correspondant une-à-une aux composantes spectrales des impulsions (I), avec un décalage spectral (Δν 0 ) entre chaque composante spectrale d’impulsion et la composante spectrale de référence qui correspond à ladite composante spectrale d’impulsion, qui est identique pour toutes les composantes spectrales d’impulsions, de sorte que les contributions de détection hétérodyne qui sont associées aux composantes spectrales d’impulsions dans le signal de détection hétérodyne tel que produit par la voie de détection (20) soient toutes superposées spectralement. Système LIDAR (100) à impulsions selon les revendications 6 et 7, dans lequel la sortie secondaire (16) de la voie d’émission (10) est située dans ladite voie d’émission en aval du modulateur de génération de peigne (17), par rapport à un sens de propagation du rayonnement dans ladite voie d’émission. Système LIDAR (100) à impulsions selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel une entrée de référence de la voie de détection (20) est connectée à une sortie secondaire (16) de la voie d’émission (10) pour recevoir un signal optique de référence (RR) qui est monochromatique, de sorte que les contributions de détection hétérodyne qui sont associées aux composantes spectrales d’impulsions dans le signal de détection hétérodyne tel que produit par la voie de détection (20), soient décalées spectralement les unes par rapport aux autres conformément à une répartition des composantes spectrales d’impulsions, et dans lequel le module d’analyse spectrale (30) est adapté pour déduire la valeur du décalage fréquentiel d’effet Doppler (ν Doppler ) à partir de valeurs de fréquence centrale qui sont relatives respectivement à chacune des contributions de détection hétérodyne. Système LIDAR (100) à impulsions selon les revendications 6 et 9, dans lequel la sortie secondaire (16) de la voie d’émission (10) est située dans ladite voie d’émission en amont du modulateur de génération de peigne (17), par rapport à un sens de propagation du rayonnement dans ladite voie d’émission. Système LIDAR (100) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la voie d’émission (10) et/ou la voie de détection (20) est réalisée par une technologie de fibres optiques, pour connecter entre eux des composants de ladite voie d’émission et/ou voie de détection.