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WO2012038662A1 - Mesure telemetrique utilisant un dispositif de type lidar a detection heterodyne - Google Patents

Mesure telemetrique utilisant un dispositif de type lidar a detection heterodyne Download PDF

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WO2012038662A1
WO2012038662A1 PCT/FR2011/052181 FR2011052181W WO2012038662A1 WO 2012038662 A1 WO2012038662 A1 WO 2012038662A1 FR 2011052181 W FR2011052181 W FR 2011052181W WO 2012038662 A1 WO2012038662 A1 WO 2012038662A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
signal
frequency
optical
optical wave
sse
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/FR2011/052181
Other languages
English (en)
Inventor
Matthieu Valla
François Lemaitre
Jean-Pierre Cariou
Béatrice Augere
Claudine Besson
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Office National dEtudes et de Recherches Aerospatiales ONERA
Original Assignee
Office National dEtudes et de Recherches Aerospatiales ONERA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Office National dEtudes et de Recherches Aerospatiales ONERA filed Critical Office National dEtudes et de Recherches Aerospatiales ONERA
Publication of WO2012038662A1 publication Critical patent/WO2012038662A1/fr
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/02—Systems using the reflection of electromagnetic waves other than radio waves
    • G01S17/50—Systems of measurement based on relative movement of target
    • G01S17/58—Velocity or trajectory determination systems; Sense-of-movement determination systems
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/02—Systems using the reflection of electromagnetic waves other than radio waves
    • G01S17/06—Systems determining position data of a target
    • G01S17/08—Systems determining position data of a target for measuring distance only
    • G01S17/32—Systems determining position data of a target for measuring distance only using transmission of continuous waves, whether amplitude-, frequency-, or phase-modulated, or unmodulated
    • G01S17/34—Systems determining position data of a target for measuring distance only using transmission of continuous waves, whether amplitude-, frequency-, or phase-modulated, or unmodulated using transmission of continuous, frequency-modulated waves while heterodyning the received signal, or a signal derived therefrom, with a locally-generated signal related to the contemporaneously transmitted signal

Definitions

  • the present invention relates to a telemetric measurement which is carried out using a LIDAR device with heterodyne detection, also called coherent LIDAR. It relates to a method and a device for performing such a measurement.
  • LIDAR devices for "Llght Detection And Ranging" in English, are widely used for many detection and measurement applications. These applications include measurement of airspeeds, the study of fluid flows, the study of vibration phenomena, the measurement of vehicle speeds, applications in the field of air transport, etc. Their operation consists in emitting a coherent optical wave towards a distant target to be studied, and in collecting a part of this wave which is backscattered by the target. In a coherent LIDAR device, the collected portion of the backscattered wave is subjected to heterodyne detection. The velocity measurement of the target is then deduced from a Doppler shift which is measured in a signal produced by the heterodyne detection.
  • telemetry is based on the detection of the propagation delay of the emitted and then backscattered wave, with respect to a frequency-modulated reference signal which is used for the heterodyne detection.
  • Af m0 d is a continuous function increasing or decreasing as a function of time t.
  • Afooppie r denotes the Doppler frequency shift that is produced by the displacement of the target
  • D is the distance between the optical transceiver head of the LIDAR device and the target
  • C is the propagation velocity of the optical wave.
  • the heterodyne detection produces a measure of the difference ⁇ between the frequencies ÎR e f and f R at the same time of reception, which is equal to:
  • Af 2 - [Af mod (t 2 - 2 D (t 2 ) / C) - Af mod (t 2 )] + Af D0 ppier (t 2 ) (2c ')
  • t 1 and t 2 denote two instants which respectively belong to the first and second time windows.
  • the relation (3a) makes it possible to obtain a measurement of the distance D away from the result of the subtraction ⁇ - ⁇ 2 between the two beat frequencies.
  • the modulation function Af m0 d (t) is a linear ramp
  • the difference ⁇ - ⁇ 2 is directly proportional to the distance of distance D.
  • a measurement of the distance D is obtained in performing a matched filtering of the signal that is produced by the heterodyne detection.
  • phase noise that alters the optical wave emitted and then backscattered in a manner that is different during the two successive time windows is particularly harmful.
  • phase noise can be produced during the amplification of the optical wave which is intended to be emitted, during its emission itself, and / or by turbulence of the propagation medium of the optical wave between the LIDAR device and the target.
  • atmospheric turbulence disrupts such measures telemetry and velocimetry which are performed for air traffic or long-range control applications.
  • the invention provides a range measurement method that uses a heterodyne-type LIDAR device, in which an optical wave emission signal is produced towards a target from an optical head of the device, and a backscattered signal which originates from the target is collected by this optical head and then detected by heterodyne detection so as to produce a heterodyne detection signal, the method comprising the following steps:
  • IM producing a frequency modulation of the optical wave in the transmit signal, said modulation comprising continuous growth segments and continuous decay segments of the frequency; Subtracting from each other two beat frequencies of the heterodyne detection signal which are obtained respectively for the growth segment and the decay segment; and
  • Step 121 is then performed by subtracting a first beat frequency that is obtained for the first optical wave component within the heterodyne detection signal, at a second beat frequency that is obtained for the second component of optical wave inside the same heterodyne detection signal, these first and second beat frequencies being relative to the same time of detection of the backscattered signal.
  • the invention consists in transmitting a LIDAR optical wave which is composite in the direction of the target, this emission wave simultaneously comprising the two optical wave components at certain times at least of the operation of the device.
  • the measurement of the distance away from the target is then deduced from a difference between the beat frequencies of the heterodyne detection which are obtained respectively for the two components of the emission wave, and for the same instant of program.
  • disturbances that may affect the LIDAR wave that is emitted, including its phase similarly alter the two optical wave components. This is particularly the case for a phase noise that would be produced during the amplification or emission of the LIDAR wave, or by atmospheric turbulence that would occur between the LIDAR device and the target.
  • the contributions of such disturbances are then mutually compensated between the two optical wave components during the subtraction operation of step 121. In this way, the result of the telemetric measurement which is obtained at the end of the step 131 is robust with respect to such disturbances.
  • the frequency variations in the continuous growth segments and in the continuous decay segments, respectively for the first and the second optical wave component of the emission signal may be opposite;
  • the continuous growth segments of the frequency and the continuous decay segments of the frequency, respectively for the first and the second optical wave component of the emission signal can be linear ramps of constant slopes;
  • the continuous growth segments of the frequency and the continuous decay segments of the frequency, respectively for the first and the second optical wave component of the transmission signal can be synchronous at each instant of the operation of the device;
  • the modulated frequency of the first optical wave component can be obtained at step IM by applying the continuous growth segments from a first initial optical frequency
  • the modulated frequency of the second optical wave component can be obtained by applying the continuous decay segments from a second initial optical frequency, with the first initial optical frequency being greater than the second initial optical frequency by a fixed deviation.
  • the invention also proposes a detection type LIDAR device heterodyne adapted for performing telemetry measurements, and comprising:
  • a laser oscillator which is adapted to produce an optical wave
  • an optical splitter which is arranged to divide the optical wave into an emission source signal and a reference signal
  • an optical amplifier which is adapted to produce a transmission signal from the transmission source signal
  • a mixing-detection unit which is adapted to transmit the transmission signal to the optical head, and to produce a heterodyne detection signal from the backscattered signal received by the optical head and the reference signal;
  • a modulator which is arranged to modulate in frequency at least the transmission source signal
  • the device of the invention is characterized in that the control unit is adapted to control an operation of the modulator to implement a method as described above.
  • the emission source signal is modulated to generate the two optical wave components in the transmission signal, with frequencies of these components which respectively vary according to segments of continuous growth or continuous decay.
  • the analysis means are adapted to provide a result of the subtraction of the first beat frequency obtained for the first optical wave component within the heterodyne detection signal, at the second beat frequency obtained for the second optical wave component within the same detection signal heterodyne, these first and second beat frequencies being relative to the same time of detection of the backscattered signal. They are further adapted to derive the value of the distance away from the target from the result of the subtraction of the two beat frequencies.
  • the analysis means can be adapted to combine a first part of the heterodyne detection signal which has the first beat frequency and which corresponds to the first optical wave component of the emission signal, with a second part the same heterodyne detection signal which has the second beat frequency and which corresponds to the second optical wave component of the transmission signal.
  • the same analysis means can then measure a difference between the first and second beat frequencies as the frequency of a signal resulting from the combination.
  • the first and second beat frequencies can be determined separately, and the subtraction operation between them can be performed numerically.
  • the analysis means may also be adapted to add the first beat frequency which is obtained for the first optical wave component inside the heterodyne detection signal. at the second beat frequency which is obtained for the second optical wave component within the same heterodyne detection signal, these first and second beat frequencies being relative to the same detection time of the backscattered signal, and to perform a Doppler effect analysis for deriving a value for the target moving speed from the result of adding the first and second beat frequencies.
  • the device can then simultaneously provide measurements of the distance of distance and the speed of the target, which are relative to the same moment during a displacement of the target.
  • FIGS. 1a and 1b show two architectures of LIDAR devices with heterodyne detection, with which the invention can be implemented;
  • FIGS. 2a and 2b illustrate two possible compositions for a suitable LIDAR transmission signal according to the invention.
  • FIGS. 3a and 3b illustrate two embodiments of a frequency modulator that can be used alternately in each architecture of FIGS. 1a and 1b.
  • a laser oscillator which is adapted to produce an optical wave OL
  • an optical splitter which is arranged to divide the optical wave OL into a transmission source signal SSE and a reference signal SR e f
  • 3 an optical amplifier, which is adapted to produce an emission signal SE from the source signal SSE;
  • Mixing and detection unit a mixing-detection unit ("mixing and detection unit");
  • an optical head which is adapted to transmit the transmission signal SE towards a target and to receive a backscattered signal R;
  • T designates the target whose distance of distance D with respect to the optical head 12 must be measured, as well as its radial velocity V, possibly.
  • the direction which connects the optical head 12 to the target T is the pointing direction of the device 100.
  • radial velocity V the target T the component of the speed of this target which is parallel to the pointing direction.
  • the laser oscillator 1, the optical separator 2 and the amplifier 3 may belong to a transmission laser unit 10, which produces the transmission signal SE.
  • each of these components can be made from at least one optical fiber which conducts the optical wave OL or the signals SSE, SR e f or SE.
  • the optical wave OL and the signals SSE, SR e f and SE belong to the infrared electromagnetic radiation band, for which the wavelength is between 1.535 ⁇ and 1.565 ⁇ (micrometer). .
  • the mixing-detecting unit 11 is adapted to transmit the transmission signal SE to the optical head 12, and to produce a heterodyne detection signal SRF from the backscattered signal R which is received by the optical head 12 and the reference signal SRef.
  • the analysis means 20 are adapted to analyze the heterodyne detection signal SRF. In a manner that is commonly used, these analysis means 20 perform a combination of filtering operations, signal composition, spectral analysis, as well as a Doppler effect analysis, from the detection signal. heterodyne SRF.
  • a device 100 comprises:
  • a frequency modulator 4 for modulating at least the SSE emission source signal
  • control unit 40 for controlling an operation of the frequency modulator 4.
  • the modulator 4 is arranged to receive as input the SSE emission source signal which is produced by the optical separator 2, and for outputting the modulated emission source signal to the optical amplifier 3.
  • the modulator 4 is located between the separator 2 and the amplifier 3.
  • only the signal SSE emission source comprises the frequency modulation that is produced by the modulator 4.
  • the modulator 4 is arranged to receive as input the optical wave OL which is produced by the laser oscillator 1, and to output this modulated optical wave to the optical separator 2. Otherwise said, the modulator 4 is located between the laser oscillator 1 and the separator 2. In this second case, the emission source signal SSE and the reference signal SR ef are modulated in an identical manner.
  • the two devices 100 of FIGS. 1a and 1b are equivalent to the invention, so that all the implementations of the invention which are described below can use either one or the other of these devices.
  • the modulator 4 produces the temporal modulation of the SSE emission source signal which is illustrated in FIG. 2a.
  • This modulation generates two components inside the SSE signal, which are called optical wave components and noted respectively SSE1 and SSE 2 .
  • Each of these components is itself modulated in frequency within successive time periods.
  • the abscissa axis identifies the time t, and the ordinate axis locates the instantaneous frequency f of each component.
  • the frequency of the first SSEI component increases continuously within each time period Wi
  • the frequency of the second SSE component 2 decreases continuously within each time period W 2 .
  • changes in the frequency of each SSEI or SSE component 2 may be any in each period, provided that the frequency is increased for the first SSEI and decreasing component to the second component 2 SSE.
  • Variations of the frequency of the SSEI component within each Wi period are then called continuous growth segments and denoted Af m0C M, and those of the SSE component 2 within each period W 2 continuous decay segments and denoted Af m0C Due to these different directions of variation, the variations in the frequency of the SSEI component are always different from those of the frequency of the SSE component 2 , between two instants which belong to both the same period Wi and the same period W 2 .
  • Figure 2b corresponds to Figure 2a for a preferred embodiment of the invention.
  • the two components SSE1 and SSE 2 have respective frequency variations which are opposite, synchronous and linear within common time periods W.
  • the frequency of the SSE1 component varies according to rectilinear, or linear, increasing ramps with a positive slope which is denoted by K m0C i
  • the frequency of the SSE component 2 simultaneously varies according to linear decreasing ramps of slope -K m0C i.
  • the period W may be of the order of a few milliseconds when the modulator 4 is of the electro-optical type.
  • the optical frequency difference Af 0 may be of the order of 1 GHz (gigahertz).
  • the frequency modulator 4 can be achieved using an intensity modulator or a phase modulator.
  • FIG. 3a illustrates an embodiment of the frequency modulator 4 from an electro-optical intensity modulator.
  • intensity modulator may comprise two Pockels cells 41 and 42 which are connected optically in parallel, so as to receive each approximately half of the intensity of the SSE emission source signal in the case of a device 100 which is in accordance with FIG. 1a, or about half of the intensity of the optical wave OL in the case of a device 100 which is in accordance with Figure 1b.
  • a Pockels cell produces a variable electric field inside an active material which is adapted to modify the phase of an optical wave as a function of the electric field.
  • the Pockels cells 41 and 42 may be based on lithium niobate and are preferably identical.
  • the modulator 4 further comprises an electrical modulation signal generator 43, which is connected to respective control inputs of the two Pockels cells 41 and 42.
  • the two cells 41 and 42 are oriented so that the same signal modulation produced by the generator 43 generates optical phase shifts which are opposed between the two cells, at each instant of an operation of the device 100.
  • an additional DC voltage generator 44 can be inserted between the output of the generator 43 and one of the two Pockels cells, for example the cell 42.
  • the generator 43 is controlled by the unit 40 to produce a sinusoidal modulation voltage V m0C i whose phase varies quadratically with time according to the relation:
  • V mod ⁇ ⁇ Vi rad "COS (TT K t 2 ) (4) starting from 0 at the beginning of the period W.
  • ⁇ is the ratio between the amplitude of the modulation voltage and the voltage Vi ra d which is necessary for a Pockels cell to change the phase of the optical wave portion passing through it by 1 radian
  • the generator 44 produces a constant additional phase shift a, between the waves which respectively pass through the two cells 41 and 42.
  • the second of these pairs of values for a and ⁇ is preferred because the modulation of the wave
  • the optical gain obtained is then less sensitive to modulator parameter fluctuations.
  • the inventors report, however, that it is preferable that the difference between the respective frequencies of the two components SSE 1 and SSE 2 be greater than the inverse of a reaction time of the amplifier 3. In this way, the amplification of the transmission source signal does not generate distortion of the transmission signal SE.
  • FIG. 3b illustrates an embodiment of the frequency modulator 4 from an electro-optical phase modulator.
  • a phase modulator is adapted to produce a frequency modulation of an optical wave according to a control signal which is periodic two-state. It may comprise a Pockels cell 45 which is connected to receive as input the SSE emission source signal (FIG. 1a) or the OL optical waveform (FIG. 1b).
  • the modulator 4 then comprises a modulation signal electrical generator 46 which is connected to a control input of the cell 45.
  • the heterodyne detection signal SRF which is transmitted by the detection unit 11 to the analysis means 20, comprises superimposition terms of each component backscattered with the reference signal SR ef used. These terms have a beat frequency that is equal to the difference between the frequencies of the optical waves that are superimposed.
  • f 1 fo + Af m od 1 (t - 2 ⁇ D / C) + Afooppier (5a)
  • f 2 fo + ⁇ mod 2 (t - 2 ⁇ D / C) + Af Doppler (5b)
  • Afmod 1 and Af m0 d 2 are the two continuous modulation functions, increasing and decreasing in segments respectively for the optical wave components SSE1 and SSE 2 .
  • the first beat frequency measured for the SSEI component is then:
  • the values of the distance of distance D of the target T and the Doppler shift Af Do ppier are strictly the same in the two relations (6a) and (6b), since these values relate to detection signals that are simultaneous.
  • the signal components which respectively have the frequency Afi-Af 2 and the frequency Afi + Af 2 can easily be separated by frequency filtering, thanks to the presence of the term Af 0 in the relation (7a).
  • the temporally reversed replica has an instantaneous frequency which is equal to [Af m0 d 1 - Af m0 d 2] (- t).
  • This type of filtering reshapes the spectral components of the signal at the input of the filter, so that the temporal response of the signal at the filter output is compressed until reaching the Fourier limit.
  • the target T appears in the filtered signal as if the LIDAR transmission signal had been produced by a pulse-operated laser whose pulse duration is equal to the inverse of the frequency shift of the function.
  • the temporal response thus compressed makes it possible, by measuring the propagation delay, to obtain a value for the distance D away from the target T.
  • the reference wave SR e f itself comprises the two components SSE 1 and SSE 2 .
  • the first beat frequency results from the superposition of the SSE1 component as emitted with the same component SSE1 backscattered by the target T and then received by the optical head 12.
  • the second beat frequency results from the superposition of the SSE component 2 as emitted with the same SSE component 2 backscattered by the target T then received by the optical head 12:
  • Af 2 Af m od 2 (t-2-D / C) - Af m od 2 (t) + Afooppler (6b ')
  • the values of the distance of distance D and the Doppler shift Af Do ppier which intervene in the relation (6a ') are strictly equal to those which intervene in the relation (6b'), since these values relate to detection times which are identical for the two optical wave components SSE1 and SSE 2 , thanks to the invention.
  • ⁇ - ⁇ 2 [Af mod 1 - Af mod 2 ] (t - 2 - D / C) - [Af mod 1 - Af mod 2 ] (t) (7a ')
  • the result of the operation of adding the beat frequencies according to the relation (7b) or (7b ') provides a measurement of the frequency shift by Doppler effect Af Do ppier-
  • the result of the operation of adding the beat frequencies according to the relation (7b) or (7b ') is directly equal to twice the frequency shift by Doppler effect Af do ppier- an analysis of this shift, performed one of the ways known to the skilled person then provides a measure of the removal speed V of the target T.
  • the optical wave modulator of the electro-optical type can be replaced by an acousto-optical type modulator.
  • an acousto-optic modulator may consist of a refractive index grating whose characteristics are varied using a piezoelectric element control.

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Abstract

Un procédé de mesure télémétrique utilisant un dispositif LIDAR à détection hétérodyne met en œuvre un signal d'émission LIDAR qui est constitué de deux composantes d'onde optique (SSE1, SSE2) produites simultanément. Une soustraction entre des fréquences de battement qui sont produites par la détection hétérodyne, et qui correspondent respectivement aux deux composantes (SSE1, SSE2), permet d'obtenir une mesure d'une distance d'éloignement d'une cible visée avec le dispositif. Une telle mesure est exacte même lorsque la cible est en mouvement, et est robuste par rapport à des distorsions de phase qui peuvent altérer les deux composantes du signal d'émission LIDAR.

Description

MESURE TELEMETRIQUE UTILISANT UN DISPOSITIF DE TYPE LIDAR A
DETECTION HETERODYNE
La présente invention concerne une mesure télémétrique qui est réalisée en utilisant un dispositif de type LIDAR à détection hétérodyne, aussi appelé LIDAR cohérent. Elle concerne un procédé ainsi qu'un dispositif pour effectuer une telle mesure.
Les dispositifs de type LIDAR, pour «Llght Détection And Ranging» en anglais, sont très utilisés pour de nombreuses applications de détection et de mesure. Parmi ces applications, on peut citer la mesure de vitesses anémométriques, l'étude d'écoulements fluides, l'étude de phénomènes vibratoires, la mesure de vitesses de véhicules, des applications du domaine du transport aérien, etc. Leur fonctionnement consiste à émettre une onde optique cohérente en direction d'une cible distante à étudier, et à recueillir une partie de cette onde qui est rétrodiffusée par la cible. Dans un dispositif LIDAR cohérent, la partie recueillie de l'onde rétrodiffusée est soumise à une détection hétérodyne. La mesure de vitesse de la cible est alors déduite d'un décalage Doppler qui est mesuré dans un signal produit par la détection hétérodyne.
Il est aussi connu d'utiliser ces mêmes dispositifs pour obtenir une mesure de la distance d'éloignement de la cible. Une telle mesure, dite de télémétrie, est basée sur la détection du retard de propagation de l'onde émise puis rétrodiffusée, par rapport à un signal de référence modulé en fréquence qui est utilisé pour la détection hétérodyne. Dans ce cas, la fréquence ÎRef de l'onde optique qui est émise en direction de la cible est : fRef = f0 + Afmod(t) (1 a) où fo est une fréquence optique de base qui est constante, Afm0d(t) représente la modulation temporelle de la fréquence d'émission, et t désigne l'instant d'émission. Pour obtenir une mesure de la distance D, Afm0d est une fonction continue croissante ou décroissante en fonction du temps t. L'onde qui est rétrodiffusée par la cible possède alors la fréquence ÎR suivante : fR = fRef(t " 2-D/C) + M Doppler = f 0 + Afmod(t - 2 D/C) + Afpoppl 1,er (1 b) où Afooppier désigne le décalage fréquentiel par effet Doppler qui est produit par le déplacement de la cible, D est la distance entre la tête optique d'émission- réception du dispositif LIDAR et la cible, et C est la vitesse de propagation de l'onde optique. La détection hétérodyne produit une mesure de l'écart Δί entre les fréquences ÎRef et fR à un même instant de réception, qui est égal à :
Δί = f R - f Ref = Afmod(t - 2■ D/C) - Afmod(t) + Δί Doppler ( 1 C)
Cet écart Δί correspond à une fréquence de battement du signal qui est produit par la détection hétérodyne. Or, les contributions respectives de l'éloignement et de la vitesse de la cible sont mélangées dans cette fréquence de battement Δ1
Pour séparer ces deux contributions et obtenir des mesures à la fois pour la distance d'éloignement et la vitesse de déplacement de la cible, il est connu de moduler la fréquence de l'onde optique qui est émise de façon opposée pendant des fenêtres de temps successives. Ainsi, pendant une première fenêtre de temps qui est repérée par l'indice 1 , la fréquence ÎRef de l'onde optique qui est émise et la fréquence de battement de la détection hétérodyne sont respectivement : fRef i = f0 + AfmOd(ti) (2a)
Δίι = Afmod(ti - 2-D(ti)/C) - Afmod(ti) +AfDoppier(ti) (2c) puis pendant une seconde fenêtre de temps ultérieure qui est repérée par l'indice 2 et pendant laquelle la modulation de l'onde optique émise est - Afmod(t) :
fRef 2 = fo - Afmod(t2) (2a')
Af2 = - [Afmod(t2 - 2 D(t2)/C) - Afmod(t2)] +AfD0ppier(t2) (2c') Dans ces relations (2a), (2c) et (2a'), (2c'), ti et t2 désignent deux instants qui appartiennent respectivement à la première et à la seconde fenêtre de temps.
On effectue alors la différence puis la somme des deux fréquences de battement Δίι et Δί2 qui sont mesurées respectivement pour les deux fenêtres de temps successives. Si la distance d'éloignement de la cible et sa vitesse sont les mêmes pendant les deux fenêtres de temps, ces différence et somme se réduisent à :
Δίι - Δί2 = 2 χ [Afmod(t - 2-D/C) - Afmod(t)] (3a)
Δίι + Δί2 = 2 x Afooppier (3b)
Connaissant la fonction Afm0d(t), la relation (3a) permet d'obtenir une mesure de la distance d'éloignement D à partir du résultat de la soustraction Δίι - Δί2 entre les deux fréquences de battement. Par exemple, lorsque la fonction de modulation Afm0d(t) est une rampe linéaire, la différence Δίι - Δί2 est directement proportionnelle à la distance d'éloignement D. De façon plus générale, une mesure de la distance D est obtenue en réalisant un filtrage adapté du signal qui est produit par la détection hétérodyne. Simultanément, la somme Δίι + Δί2 des deux fréquences de battement selon la relation (3b) est égale à 4-V/A, où V est la vitesse de déplacement de la cible et λ est la longueur d'onde optique utilisée : λ = C/fo.
Mais les relations (3a) et (3b) ci-dessus sont inexactes lorsque la cible se déplace de sorte que la distance d'éloignement D et la vitesse V varient entre les deux fenêtres de temps successives : D(ti)≠ D(t2) et AfDoppier (ti)≠ ΔίοορρΐβΓ (t2). En particulier, l'opération de soustraction entre les deux fréquences de battement Δίι et Δί2 de la relation (3a) ne permet plus de supprimer la contribution de la vitesse de déplacement pour obtenir une grandeur mesurée qui ne dépende plus que de la distance d'éloignement D. En appliquant néanmoins les relations (3a) et (3b) à une telle cible en mouvement, les valeurs qui sont obtenues pour la distance D et la vitesse V ne sont qu'approximatives, voire sont inexactes.
D'autres phénomènes peuvent aussi modifier les résultats de telles mesures par rapport aux valeurs réelles de la distance d'éloignement D et de la vitesse V de la cible. Notamment, un bruit de phase qui altère l'onde optique émise puis rétrodiffusée d'une façon qui est différente pendant les deux fenêtres de temps successives est particulièrement néfaste. Or un tel bruit de phase peut être produit lors de l'amplification de l'onde optique qui est destinée à être émise, lors de son émission elle-même, et/ou par des turbulences du milieu de propagation de l'onde optique entre le dispositif LIDAR et la cible. En particulier, des turbulences atmosphériques perturbent de telles mesures télémétriques et vélocimétriques qui sont réalisées pour des applications de trafic aérien ou de contrôle à longue distance.
Dans ces conditions, un but de l'invention consiste à fournir des mesures télémétriques dont l'exactitude est améliorée, notamment pour une cible mobile.
Un autre but de l'invention est de fournir de telles mesures télémétriques, qui utilisent encore un dispositif LIDAR à détection hétérodyne, mais qui soient robustes par rapport à des phénomènes parasites qui peuvent altérer l'onde optique qui est mise en œuvre.
Pour atteindre ces buts et d'autres, l'invention propose un procédé de mesure télémétrique qui utilise un dispositif de type LIDAR à détection hétérodyne, dans lequel un signal d'émission d'onde optique est produit en direction d'une cible à partir d'une tête optique du dispositif, et un signal rétrodiffusé qui provient de la cible est recueilli par cette tête optique, puis détecté par détection hétérodyne de façon à produire un signal de détection hétérodyne, le procédé comprenant les étapes suivantes :
IM produire une modulation de fréquence de l'onde optique dans le signal d'émission, cette modulation comprenant des segments de croissance continue et des segments de décroissance continue de la fréquence ; 121 soustraire l'une à l'autre deux fréquences de battement du signal de détection hétérodyne qui sont obtenues respectivement pour le segment de croissance et le segment de décroissance ; et
13/ déduire une valeur d'une distance d'éloignement de la cible, à partir d'un résultat de la soustraction des fréquences de battement.
Le procédé de l'invention est caractérisé en ce que l'étape IM est exécutée de sorte que le signal d'émission possède simultanément deux composantes d'onde optique, avec une première de ces composantes d'onde optique qui est modulée en fréquence selon les segments de croissance continue pour la fréquence de cette première composante, en même temps qu'une seconde de ces composantes d'onde optique est modulée en fréquence selon les segments de décroissance continue pour la fréquence de cette seconde composante.
L'étape 121 est alors exécutée en soustrayant une première fréquence de battement qui est obtenue pour la première composante d'onde optique à l'intérieur du signal de détection hétérodyne, à une seconde fréquence de battement qui est obtenue pour la seconde composante d'onde optique à l'intérieur du même signal de détection hétérodyne, ces première et seconde fréquences de battement étant relatives à un même instant de détection du signal rétrodiffusé. Ainsi, l'invention consiste à émettre une onde optique LIDAR qui est composite en direction de la cible, cette onde d'émission comprenant simultanément les deux composantes d'onde optique à certains instants au moins du fonctionnement du dispositif. La mesure de la distance d'éloignement de la cible est alors déduite d'une différence entre les fréquences de battement de la détection hétérodyne qui sont obtenues respectivement pour les deux composantes de l'onde d'émission, et pour un même instant d'émission.
Les contributions respectives de la distance d'éloignement et de la vitesse de la cible aux fréquences de battement, sont identiques pour les deux composantes de l'onde optique qui sont mises en œuvre, puisque ces fréquences de battement sont produites pour un même instant de détection hétérodyne. Ainsi, les valeurs de la distance d'éloignement et de la vitesse de la cible sont univoques pour chaque mesure. L'opération de soustraction de l'étape 121, entre les deux fréquences de battement qui sont produites par la détection hétérodyne, permet donc de supprimer avec exactitude la contribution de la vitesse de déplacement de la cible. Autrement dit, la relation (3a) qui est donnée ci-dessus reste exacte même lorsque la cible est mobile, et la valeur qui est ainsi obtenue pour la distance d'éloignement de la cible, à partir du résultat de cette soustraction, correspond exactement à la distance réelle à l'instant de la mesure. En outre, des perturbations qui peuvent affecter l'onde LIDAR qui est émise, notamment sa phase, altèrent de la même façon les deux composantes d'onde optique. Tel est le cas notamment, pour un bruit de phase qui serait produit lors de l'amplification ou de l'émission de l'onde LIDAR, ou encore par des turbulences atmosphériques qui se produiraient entre le dispositif LIDAR et la cible. Les contributions de telles perturbations se compensent alors mutuellement entre les deux composantes d'onde optique lors de l'opération de soustraction de l'étape 121. De cette façon, le résultat de la mesure télémétrique qui est obtenu à l'issue de l'étape 131 est robuste par rapport à de telles perturbations.
Dans des mises en œuvre de l'invention qui sont préférées, notamment pour leur simplicité, les perfectionnements suivants peuvent être utilisés, chacun isolément ou par combinaison de plusieurs d'entre eux :
- les variations de fréquence dans les segments de croissance continue et dans les segments de décroissance continue, respectivement pour la première et la seconde composante d'onde optique du signal d'émission, peuvent être opposées ; - les segments de croissance continue de la fréquence et les segments de décroissance continue de la fréquence, respectivement pour la première et la seconde composante d'onde optique du signal d'émission, peuvent être des rampes linéaires de pentes constantes ;
- les segments de croissance continue de la fréquence et les segments de décroissance continue de la fréquence, respectivement pour la première et la seconde composante d'onde optique du signal d'émission, peuvent être synchrones à chaque instant du fonctionnement du dispositif ; et
- la fréquence modulée de la première composante d'onde optique peut être obtenue à l'étape IM en appliquant les segments de croissance continue à partir d'une première fréquence optique initiale, et la fréquence modulée de la seconde composante d'onde optique peut être obtenue en appliquant les segments de décroissance continue à partir d'une seconde fréquence optique initiale, avec la première fréquence optique initiale qui est supérieure à la seconde fréquence optique initiale d'un écart fixé.
L'invention propose aussi un dispositif de type LIDAR à détection hétérodyne adapté pour effectuer des mesures télémétriques, et comprenant :
- un oscillateur laser, qui est adapté pour produire une onde optique ;
- un séparateur optique, qui est disposé pour diviser l'onde optique en un signal de source d'émission et un signal de référence ;
- un amplificateur optique, qui est adapté pour produire un signal d'émission à partir du signal de source d'émission ;
- une tête optique, qui est adaptée pour transmettre le signal d'émission en direction d'une cible et pour recevoir un signal rétrodiffusé provenant de la cible ;
- une unité de mélange-détection, qui est adaptée pour transmettre le signal d'émission à la tête optique, et pour produire un signal de détection hétérodyne à partir du signal rétrodiffusé reçu par la tête optique et du signal de référence ;
- des moyens d'analyse du signal de détection hétérodyne, qui sont adaptés pour réaliser un traitement spectral du signal de détection hétérodyne ;
- un modulateur, qui est disposé pour moduler en fréquence au moins le signal de source d'émission ; et
- une unité de commande qui est reliée à une entrée de commande du modulateur.
Le dispositif de l'invention est caractérisé en ce l'unité de commande est adaptée pour commander un fonctionnement du modulateur pour mettre en œuvre un procédé tel que décrit précédemment. Pour cela, le signal de source d'émission est modulé pour générer les deux composantes d'onde optique dans le signal d'émission, avec des fréquences de ces composantes qui varient respectivement selon des segments de croissance continue ou de décroissance continue. De plus, les moyens d'analyse sont adaptés pour fournir un résultat de la soustraction de la première fréquence de battement obtenue pour la première composante d'onde optique à l'intérieur du signal de détection hétérodyne, à la seconde fréquence de battement obtenue pour la seconde composante d'onde optique à l'intérieur du même signal de détection hétérodyne, ces première et seconde fréquences de battement étant relatives à un même instant de détection du signal rétrodiffusé. Ils sont adaptés en outre pour déduire la valeur de la distance d'éloignement de la cible à partir du résultat de la soustraction des deux fréquences de battement.
Selon une possibilité, les moyens d'analyse peuvent être adaptés pour combiner une première partie du signal de détection hétérodyne qui possède la première fréquence de battement et qui correspond à la première composante d'onde optique du signal d'émission, avec une seconde partie du même signal de détection hétérodyne qui possède la seconde fréquence de battement et qui correspond à la seconde composante d'onde optique du signal d'émission. Les mêmes moyens d'analyse peuvent alors mesurer une différence entre les première et seconde fréquences de battement en tant que fréquence d'un signal résultant de la combinaison.
Selon une autre possibilité, les première et seconde fréquences de battement peuvent être déterminées séparément, et l'opération de soustraction entre elles peut être effectuée numériquement.
Dans un perfectionnement d'un dispositif selon l'invention, les moyens d'analyse peuvent en outre être adaptés pour additionner la première fréquence de battement qui est obtenue pour la première composante d'onde optique à l'intérieur du signal de détection hétérodyne, à la seconde fréquence de battement qui est obtenue pour la seconde composante d'onde optique à l'intérieur du même signal de détection hétérodyne, ces première et seconde fréquences de battement étant relatives à un même instant de détection du signal rétrodiffusé, et pour effectuer une analyse d'effet Doppler de façon à déduire une valeur pour la vitesse de déplacement de la cible à partir du résultat de l'addition des première et seconde fréquences de battement. Le dispositif peut alors fournir simultanément des mesures de la distance d'éloignement et de la vitesse de la cible, qui sont relatives à un même instant au cours d'un déplacement de la cible.
D'autres particularités et avantages de la présente invention apparaîtront dans la description ci-après d'exemples de mise en œuvre non limitatifs, en référence aux dessins annexés, dans lesquels : - les figures 1 a et 1 b montrent deux architectures de dispositifs LIDAR à détection hétérodyne, avec lesquelles l'invention peut être mise en œuvre ;
- les figures 2a et 2b illustrent deux compositions possibles pour un signal d'émission LIDAR adapté selon l'invention ; et
- les figures 3a et 3b illustrent deux modes de réalisation d'un modulateur de fréquence pouvant être utilisé alternativement dans chaque architecture des figures 1 a et 1 b.
Dans les figures 1 a et 1 b, des éléments qui sont désignés par des références identiques sont eux-mêmes identiques ou ont des fonctions qui sont identiques. En outre, les références suivantes désignent les composants qui sont indiqués ci-après, et qui sont utilisés de la même façon que dans un dispositif LIDAR à détection hétérodyne, de type monostatique, tel que connu avant la présente invention : 100 : le dispositif LIDAR à détection hétérodyne dans son ensemble ;
1 : un oscillateur laser, qui est adapté pour produire une onde optique OL ;
2 : un séparateur optique, qui est disposé pour diviser l'onde optique OL en un signal de source d'émission SSE et un signal de référence SRef ; 3 : un amplificateur optique, qui est adapté pour produire un signal d'émission SE à partir du signal de source d'émission SSE ;
1 1 : une unité de mélange-détection («mixing and détection unit») ;
12 : une tête optique, qui est adaptée pour transmettre le signal d'émission SE en direction d'une cible et pour recevoir un signal rétrodiffusé R ; et
20 : des moyens d'analyse.
En outre, T désigne la cible dont la distance d'éloignement D par rapport à la tête optique 12 doit être mesurée, ainsi que sa vitesse radiale V, éventuellement. La direction qui relie la tête optique 12 à la cible T est la direction de pointage du dispositif 100. On entend alors par vitesse radiale V de la cible T la composante de la vitesse de cette cible qui est parallèle à la direction de pointage.
L'oscillateur laser 1 , le séparateur optique 2 et l'amplificateur 3 peuvent appartenir à une unité laser d'émission 10, qui produit le signal d'émission SE. De façon connue et particulièrement avantageuse, chacun de ces composants peut être réalisé à partir d'au moins une fibre optique qui conduit l'onde optique OL ou les signaux SSE, SRef ou SE. De façon courante, l'onde optique OL et les signaux SSE, SRef et SE appartiennent à la bande de rayonnement électromagnétique infrarouge, pour laquelle la longueur d'onde est comprise entre 1 ,535 μιτι et 1 ,565 μιτι (micromètre).
L'unité de mélange-détection 1 1 est adaptée pour transmettre le signal d'émission SE à la tête optique 12, et pour produire un signal de détection hétérodyne SRF à partir du signal rétrodiffusé R qui est reçu par la tête optique 12 et du signal de référence SRef.
Les moyens d'analyse 20 sont adaptés pour analyser le signal de détection hétérodyne SRF. D'une façon qui est couramment utilisée, ces moyens d'analyse 20 réalisent une combinaison d'opérations de filtrage, de composition de signaux, d'analyse spectrale, ainsi qu'une analyse d'effet Doppler, à partir du signal de détection hétérodyne SRF.
Le dispositif 100 peut comprendre aussi d'autres composants, d'une façon qui est usuelle pour des dispositifs LIDAR à détection hétérodyne. De tels composants ne sont pas repris dans la présente description, dans la mesure où ils n'ont pas de liaison directe avec l'objet de l'invention.
En plus des composants précédents, un dispositif 100 selon l'invention comprend :
- un modulateur de fréquence 4, pour moduler au moins le signal de source d'émission SSE ; et
- une unité de commande 40, pour commander un fonctionnement du modulateur de fréquence 4.
Dans le dispositif 100 de la figure 1 a, le modulateur 4 est disposé pour recevoir en entrée le signal de source d'émission SSE qui est produit par le séparateur optique 2, et pour transmettre en sortie le signal de source d'émission modulé à l'amplificateur optique 3. Autrement dit, le modulateur 4 est situé entre le séparateur 2 et l'amplificateur 3. Dans ce premier cas, seul le signal de source d'émission SSE comporte la modulation de fréquence qui est produite par le modulateur 4.
Dans le dispositif alternatif 100 de la figure 1 b, le modulateur 4 est disposé pour recevoir en entrée l'onde optique OL qui est produite par l'oscillateur laser 1 , et pour transmettre en sortie cette onde optique modulée au séparateur optique 2. Autrement dit, le modulateur 4 est situé entre le l'oscillateur laser 1 et le séparateur 2. Dans ce second cas, le signal de source d'émission SSE et le signal de référence SRef sont modulés d'une façon identique.
Les deux dispositifs 100 des figures 1 a et 1 b sont équivalents vis-à-vis de l'invention, si bien que toutes les mises en œuvre de l'invention qui sont décrites dans la suite peuvent utiliser indifféremment l'un ou l'autre de ces dispositifs.
Le modulateur 4 produit la modulation temporelle du signal de source d'émission SSE qui est illustrée par la figure 2a. Cette modulation génère deux composantes à l'intérieur du signal SSE, qui sont appelées composantes d'onde optique et notées respectivement SSEï et SSE2. Chacune de ces composantes est elle-même modulée en fréquence à l'intérieur de périodes temporelles successives. Dans le diagramme de la figure 2a, l'axe des abscisses repère le temps t, et l'axe des ordonnées repère la fréquence instantanée f de chaque composante. La fréquence de la première composante SSEï croît continûment à l'intérieur de chaque période temporelle Wi, et la fréquence de la seconde composante SSE2 décroît continûment à l'intérieur de chaque période temporelle W2. De façon générale pour l'invention, il n'est pas nécessaire que les périodes Wi et W2 aient des durées qui soient identiques ou soient synchrones. De même, les variations de la fréquence de chaque composante SSEï ou SSE2 peuvent être quelconques dans chaque période, à condition que la fréquence soit croissante pour la première composante SSEï et décroissante pour la seconde composante SSE2. Les variations de la fréquence de la composante SSEï à l'intérieur de chaque période Wi sont alors appelées segments de croissance continue et notés Afm0CM , et celles de la composante SSE2 à l'intérieur de chaque période W2 segments de décroissance continue et notés Afm0Ci 2- Du fait de ces sens de variations différents, les variations de la fréquence de la composante SSEï sont toujours différentes de celles de la fréquence de la composante SSE2, entre deux instants qui appartiennent à la fois à une même période Wi et à une même période W2.
Pour une raison qui sera expliquée plus loin, les variations de fréquence de la composante SSEï peuvent avantageusement démarrer à partir d'une première fréquence foi au début de chaque période Wi, et celles de la composante SSE2 à partir d'une seconde fréquence fo2 au début de chaque période W2, f0i étant supérieure à fo2 d'un écart fixé Δί0 : foi - ½ = Δί0.
La figure 2b correspond à la figure 2a pour un mode préféré de mise en œuvre de l'invention. Dans ce mode de mise en œuvre, les deux composantes SSEï et SSE2 ont des variations de fréquence respectives qui sont opposées, synchrones et linéaires à l'intérieur de périodes de temps communes W. Autrement dit, la fréquence de la composante SSEï varie selon des rampes croissantes rectilignes, ou linéaires, avec une pente positive qui est notée Km0Ci, et la fréquence de la composante SSE2 varie simultanément selon des rampes décroissantes rectilignes de pente -Km0Ci. A titre d'exemple, la période W peut être de l'ordre de quelques millisecondes lorsque le modulateur 4 est de type électro-optique. L'écart de fréquence optique Af0 peut être de l'ordre de 1 GHz (gigahertz).
Pour réaliser de telles modulations du signal de source d'émission
SSE, qui soient conformes à la figure 2a ou 2b, le modulateur de fréquence 4 peut être réalisé en utilisant un modulateur d'intensité ou un modulateur de phase.
La figure 3a illustre une réalisation du modulateur de fréquence 4 à partir d'un modulateur d'intensité électro-optique. Un tel modulateur d'intensité peut comprendre deux cellules de Pockels 41 et 42 qui sont connectées optiquement en parallèle, de façon à recevoir chacune environ la moitié de l'intensité du signal de source d'émission SSE dans le cas d'un dispositif 100 qui est conforme à la figure 1 a, ou la moitié environ de l'intensité de l'onde optique OL dans le cas d'un dispositif 100 qui est conforme à la figure 1 b. De façon connue, une cellule de Pockels produit un champ électrique variable à l'intérieur d'un matériau actif qui est adapté pour modifier la phase d'une onde optique en fonction du champ électrique. Les cellules de Pockels 41 et 42 peuvent être à base de niobate de lithium et sont de préférence identiques. Le modulateur 4 comprend en outre un générateur électrique de signal de modulation 43, qui est connecté à des entrées de commande respectives des deux cellules de Pockels 41 et 42. En outre, les deux cellules 41 et 42 sont orientées de façon que le même signal de modulation qui est produit par le générateur 43 génère des déphasages optiques qui sont opposés entre les deux cellules, à chaque instant d'un fonctionnement du dispositif 100. Par ailleurs, un générateur additionnel de tension continue 44 peut être inséré entre la sortie du générateur 43 et l'une des deux cellules de Pockels, par exemple la cellule 42. Le générateur 43 est commandé par l'unité 40 pour produire une tension sinusoïdale de modulation Vm0Ci dont la phase varie quadratiquement en fonction du temps selon la relation :
Vmod = β■ Vi rad " COS(TT K t2) (4) en repartant de 0 à chaque début de période W. β est le rapport entre l'amplitude de la tension de modulation et la tension électrique Vi rad qui est nécessaire pour qu'une cellule de Pockels change de 1 radian la phase de la partie d'onde optique qui la traverse. D'une façon superposée au déphasage variable d'onde optique qui est produit par le générateur 43, le générateur 44 produit un déphasage supplémentaire constant a, entre les ondes qui traversent respectivement les deux cellules 41 et 42. De façon connue, le développement en série de Bessel du champ total de l'onde optique à la sortie S du modulateur 4, après la superposition des parties d'onde qui ont traversé respectivement les cellules 41 et 42, montre que l'onde optique résultante possède la forme à deux composantes de la figure 2b, pour le couple de valeurs a = 0 et β = 2,4048 avec la pente Km0d = 2 x K, ou pour le couple de valeurs α = π et β = 1 ,8412 avec la pente Km0d = K. Dans la pratique, le second de ces couples de valeurs pour a et β est préféré, car la modulation de l'onde optique qui est obtenue est alors moins sensible à des fluctuations de paramètres du modulateur.
L'Homme du métier sait en outre comment modifier la relation (4) de la tension de modulation pour introduire l'écart Δί0 entre les valeurs de départ des rampes respectives de modulation de fréquence des deux composantes SSEï et SSE2.
Les inventeurs signalent toutefois qu'il est préférable que l'écart entre les fréquences respectives des deux composantes SSEï et SSE2 soit supérieur à l'inverse d'un temps de réaction de l'amplificateur 3. De cette façon, l'amplification du signal de source d'émission ne génère pas de distorsion du signal d'émission SE.
La figure 3b illustre une réalisation du modulateur de fréquence 4 à partir d'un modulateur de phase électro-optique. Un tel modulateur de phase est adapté pour produire une modulation de fréquence d'une onde optique conformément à un signal de commande qui est périodique à deux états. Il peut comprendre une cellule de Pockels 45 qui est connectée pour recevoir en entrée le signal de source d'émission SSE (figure 1 a) ou l'onde optique OL (figure 1 b). Le modulateur 4 comprend alors un générateur électrique de signal de modulation 46 qui est connecté à une entrée de commande de la cellule 45. Lorsque le générateur 46 est commandé par l'unité 40 pour produire le signal de commande périodique à deux états, correspondant respectivement aux valeurs de tension électrique Vn 2 et V-TT/2, et avec une fréquence de commutation qui varie elle-même linéairement en fonction du temps, l'onde optique modulée possède encore la forme à deux composantes de la figure 2b. Dans ce signal de commande, les valeurs Vn 2 et V-TT 2 sont sélectionnées pour que la cellule de Pockels 45 produise des variations égales à ττ/2 et -π/2, respectivement, de la phase de l'onde optique qui la traverse.
Lorsque le signal de source d'émission SSE est constitué des deux composantes SSEï et SSE2, le signal de détection hétérodyne SRF, qui est transmis par l'unité de détection 1 1 aux moyens d'analyse 20, comprend des termes de superposition de chaque composante rétrodiffusée avec le signal de référence SRef utilisé. Ces termes présentent une fréquence de battement qui est égale à la différence entre les fréquences des ondes optiques qui sont superposées. Ainsi, pour un dispositif 100 qui est conforme à la figure 1 a, c'est- à-dire lorsque l'onde de référence SRef n'est pas elle-même modulée, la fréquence de celle-ci est f0, et les fréquences des deux composantes d'onde optique SSEï et SSE2 rétrodiff usées par la cible T sont : f 1 = fo + Afmod 1 (t - 2■ D/C) + Afooppier (5a) f 2 = fo + Δί mod 2(t - 2■ D/C) + Af Doppler (5b) où Afmod 1 et Afm0d 2 sont les deux fonctions de modulation continues, croissante et décroissante par segments respectivement pour les composantes d'onde optique SSEï et SSE2. La première fréquence de battement mesurée pour la composante SSEï est alors :
Afi = f 1 - f o = foi - fo + Afmod i(t - 2 D/C) + AfDoppier (6a) et la seconde fréquence de battement, qui est mesurée pour la composante SSE2, est : Af2 = f2 - f0 = ½ " fo + Afmod 2(t - 2" D/C) + Af Doppler (6b)
Grâce au procédé de l'invention, les valeurs de la distance d'éloignement D de la cible T et du décalage Doppler AfDoppier sont rigoureusement les mêmes dans les deux relations (6a) et (6b), puisque ces valeurs se rapportent à des signaux de détection qui sont simultanés.
Lors d'une combinaison par les moyens d'analyse 20 des deux battements de détection hétérodyne qui ont les fréquences données par les relations (6a) et (6b), les fréquences suivantes apparaissent par soustraction et par addition, en supposant que fo est égale à la moyenne de foi et f02 :
Afi - Af2 = Af0 + [Afmod 1 - Afmod 2](t - 2-D/C) (7a) Afi + Af2 = [Afmod 1 + Afmod 2](t - 2" D/C) + 2 "Af Doppler (7b)
Les composantes de signal qui ont respectivement la fréquence Afi - Af2 et la fréquence Afi + Af2 peuvent facilement être séparées par filtrage fréquentiel, grâce à la présence du terme Af0 dans la relation (7a).
Dans ce cas de la figure 1 a, avec la fonction composite [Afmod 1 - Afmod 2] qui n'est pas nécessairement linéaire mais qui est néanmoins connue, l'Homme du métier sait déduire de la relation (7a) une mesure de la distance d'éloignement D. En effet, il est possible notamment de comprimer temporellement la composante du signal de combinaison qui correspond à la soustraction des fréquences de battement Δίι et Δί2, en utilisant la technique bien connue de la compression d'impulsions. Une telle compression d'impulsions est réalisée usuellement en utilisant un filtre adapté, c'est-à-dire en filtrant la composante du signal qui correspond à la fréquence Δίι - Δί2 avec une réplique renversée temporellement de cette même composante. La réplique renversée temporellement possède une fréquence instantanée qui est égale à [Afm0d 1 - Afm0d 2](-t). Ce type de filtrage remet en phase les composantes spectrales du signal en entrée de filtre, si bien que la réponse temporelle du signal en sortie de filtre est comprimée jusqu'à atteindre la limite de Fourrier. Ainsi, la cible T apparaît alors dans le signal filtré comme si le signal d'émission LIDAR avait été produit par un laser à fonctionnement par impulsions, dont la durée des impulsions est égale à l'inverse de l'excursion en fréquence de la fonction composite [Afm0d i - Afm0d 2] - La réponse temporelle ainsi comprimée permet, en mesurant le retard de propagation, d'obtenir une valeur pour la distance d'éloignement D de la cible T.
Pour un dispositif 100 qui est conforme à la figure 1 b, l'onde de référence SRef comporte elle-même les deux composantes SSEï et SSE2. Dans ce cas, la première fréquence de battement résulte de la superposition de la composante SSEï telle qu'émise avec la même composante SSEï rétrodiffusée par la cible T puis reçue par la tête optique 12. Cette première fréquence de battement est alors : Afi = Afmod i(t - 2-D/C) - Afmod i(t) + Afooppier (6a')
De même, la seconde fréquence de battement résulte de la superposition de la composante SSE2 telle qu'émise avec la même composante SSE2 rétrodiffusée par la cible T puis reçue par la tête optique 12 :
Af2 = Afmod 2(t - 2-D/C) - Afmod 2(t) + Afooppler (6b') Comme précédemment, les valeurs de la distance d'éloignement D et du décalage Doppler AfDoppier qui interviennent dans la relation (6a') sont rigoureusement égales à celles qui interviennent dans la relation (6b'), puisque ces valeurs se rapportent à des instants de détection qui sont identiques pour les deux composantes d'onde optique SSEï et SSE2, grâce à l'invention.
Des termes additionnels apparaissent en outre dans le signal de détection hétérodyne SRF pour ce second cas conforme à la figure 1 b, qui correspondent à la superposition de la composante SSEï telle qu'émise par la tête optique 12 avec la composante SSE2 telle que rétrodiffusée puis reçue, ainsi qu'à la superposition de la composante SSE2 telle qu'émise par la tête optique 12 avec la composante SSEï telle que rétrodiffusée puis reçue. Mais ces termes ont une fréquence de battement qui est proche de Δί0, et sont éliminés par filtrage fréquentiel.
Les relations (7a) et (7b) deviennent alors dans le cas de la figure 1 b :
Δίι - Δί2 = [Afmod 1 - Afmod 2](t - 2-D/C) - [Afmod 1 - Afmod 2](t) (7a')
Δίι + Δί2 = [Afmod 1 + Afmod 2](t - 2-D/C) - [Afmod 1 + Afmod 2](t) + 2-AfDoppier (7b')
Lorsque les deux fonctions de modulation Afmod i et Afmod 2 sont linéaires, le résultat de l'opération de soustraction des fréquences de battement selon la relation (7a') est une fonction linéaire de la distance d'éloignement D. Il fournit donc directement une mesure de la distance D.
De façon générale, étant donné que les fonctions de modulation Afmod 1 et Afmod 2 sont respectivement croissante et décroissante, leur différence dans les relations (7a) et (7a') n'est jamais constamment nulle.
Selon un perfectionnement de l'invention, le résultat de l'opération d'addition des fréquences de battement selon la relation (7b) ou (7b') fournit une mesure du décalage fréquentiel par effet Doppler AfDoppier- Par exemple, lorsque les deux fonctions de modulation Afmod i et Afmod 2 sont opposées, le résultat de l'opération d'addition des fréquences de battement selon la relation (7b) ou (7b') est directement égal au double du décalage fréquentiel par effet Doppler AfDoppier- Une analyse de ce décalage, effectuée d'une des façons connues de l'Homme du métier, fournit alors une mesure de la vitesse d'éloignement V de la cible T.
II est entendu que l'invention peut être reproduite en modifiant des aspects de mise en œuvre par rapport à la description détaillée donnée ci- dessus, tout en conservant certains au moins des avantages qui ont été mentionnés. En particulier, le modulateur d'onde optique de type électrooptique peut être remplacé par un modulateur de type acousto-optique. De façon connue, un tel modulateur acousto-optique peut être constitué d'un réseau d'indice de réfraction dont les caractéristiques sont variées en utilisant une commande d'élément piézoélectrique.

Claims

R E V E N D I C A T I O N S
1 . Procédé de mesure télémétrique utilisant un dispositif de type
LIDAR à détection hétérodyne (100), dans lequel un signal d'émission d'onde optique (SE) est produit en direction d'une cible (T) à partir d'une tête optique (12) dudit dispositif, et un signal rétrodiffusé (R) provenant de la cible est recueilli par ladite tête optique, puis détecté par détection hétérodyne de façon à produire un signal de détection hétérodyne (SRF),
ledit procédé comprenant les étapes suivantes :
IM produire une modulation de fréquence de l'onde optique dans le signal d'émission (SE), ladite modulation comprenant des segments de croissance continue et des segments de décroissance continue de la fréquence ;
121 soustraire l'une à l'autre deux fréquences de battement du signal de détection hétérodyne (SRF) obtenues respectivement pour ledit segment de croissance et ledit segment de décroissance ; et
13/ déduire une valeur d'une distance d'éloignement (D) de la cible, à partir d'un résultat de la soustraction des fréquences de battement, le procédé étant caractérisé en ce que l'étape IM est exécutée de sorte que le signal d'émission (SE) possède simultanément deux composantes d'onde optique, une première des dites composantes d'onde optique (SSEï) étant modulée en fréquence selon les segments de croissance continue en même temps qu'une seconde desdites composantes d'onde optique (SSE2) est modulée en fréquence selon les segments de décroissance continue, et l'étape 121 est exécutée en soustrayant une première fréquence de battement obtenue pour la première composante d'onde optique (SSEï) à l'intérieur du signal de détection hétérodyne (SRF), à une seconde fréquence de battement obtenue pour la seconde composante d'onde optique (SSE2) à l'intérieur dudit signal de détection hétérodyne (SRF), lesdites première et seconde fréquences de battement étant relatives à un même instant de détection du signal rétrodiffusé (R).
2. Procédé selon la revendication 1 , suivant lequel les variations de fréquence dans les segments de croissance continue pour la première composante d'onde optique (SSEï) du signal d'émission (SE) sont opposées aux variations de fréquence dans les segments de décroissance continue pour la seconde composante d'onde optique (SSE2) dudit signal d'émission.
3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, suivant lequel les segments de croissance continue de la fréquence et les segments de décroissance continue de la fréquence, respectivement pour la première (SSEï) et la seconde (SSE2) composante d'onde optique du signal d'émission (SE), sont des rampes linéaires de pentes constantes.
4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, suivant lequel les segments de croissance continue de la fréquence et les segments de décroissance continue de la fréquence, respectivement pour la première (SSEï) et la seconde (SSE2) composante d'onde optique du signal d'émission (SE), sont synchrones à chaque instant d'un fonctionnement du dispositif.
5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, suivant lequel la fréquence modulée de la première composante d'onde optique (SSEï) est obtenue à l'étape IM en appliquant les segments de croissance continue à partir d'une première fréquence optique initiale (foi), et la fréquence modulée de la seconde composante d'onde optique (SSE2) est obtenue en appliquant les segments de décroissance continue à partir d'une seconde fréquence optique initiale (fo2), ladite première fréquence optique initiale étant supérieure à ladite seconde fréquence optique initiale avec un écart fixé (Δί0).
6. Dispositif de type LIDAR à détection hétérodyne (100) adapté pour effectuer des mesures télémétriques, et comprenant :
- un oscillateur laser (1 ), adapté pour produire une onde optique (OL) ;
- un séparateur optique (2), disposé pour diviser l'onde optique en un signal de source d'émission (SSE) et un signal de référence (SRef) ;
- un amplificateur optique (3), adapté pour produire un signal d'émission (SE) à partir du signal de source d'émission ; - une tête optique (12), adaptée pour transmettre le signal d'émission en direction d'une cible (T) et pour recevoir un signal rétrodiffusé (R) provenant de la cible ;
- une unité de mélange-détection (1 1 ), adaptée pour transmettre le signal d'émission à la tête optique, et pour produire un signal de détection hétérodyne (SRF) à partir du signal rétrodiffusé reçu par ladite tête optique et du signal de référence ; et
- des moyens d'analyse (20) du signal de détection hétérodyne, adaptés pour réaliser un traitement spectral dudit signal de détection hétérodyne,
le dispositif étant caractérisé en ce qu'il comprend en outre :
- un modulateur (4) disposé pour moduler en fréquence au moins le signal de source d'émission (SSE) ; et
- une unité de commande (40), reliée à une entrée de commande du modulateur, et adaptée pour commander un fonctionnement dudit modulateur pour mettre en œuvre un procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes ; et
les moyens d'analyse (20) étant adaptés pour fournir un résultat de la soustraction de la première fréquence de battement obtenue pour la première composante d'onde optique (SSEï) à l'intérieur du signal de détection hétérodyne (SRF), à la seconde fréquence de battement obtenue pour la seconde composante d'onde optique (SSE2) à l'intérieur dudit signal de détection hétérodyne (SRF), lesdites première et seconde fréquences de battement étant relatives à un même instant de détection du signal rétrodiffusé (R), et pour déduire la valeur de la distance d'éloignement (D) de la cible (T) à partir du résultat de la soustraction des deux fréquences de battement.
7. Dispositif selon la revendication 6, dans lequel les moyens d'analyse
(20) sont adaptés pour combiner une première partie du signal de détection hétérodyne (SRF) ayant la première fréquence de battement et correspondant à la première composante d'onde optique (SSEï) du signal d'émission (SE), avec une seconde partie dudit signal de détection hétérodyne (SRF) ayant la seconde fréquence de battement et correspondant à la seconde composante d'onde optique (SSE2) dudit signal d'émission (SE), et pour mesurer une différence entre les première et seconde fréquences de battement en tant que fréquence d'un signal résultant de la combinaison.
8. Dispositif selon la revendication 6 ou 7, dans lequel le modulateur
(4) est un modulateur d'intensité électro-optique.
9. Dispositif selon la revendication 8, dans lequel le modulateur d'intensité électro-optique comprend deux cellules de Pockels (41 , 42) connectées optiquement en parallèle, et un générateur électrique de signal de modulation (43) connecté à des entrées de commande respectives des deux cellules de Pockels, et adapté pour produire une tension sinusoïdale de modulation (Vm0d) dont une phase varie quadratiquement en fonction du temps, les dites deux cellules de Pockels étant orientées de façon que le même signal de modulation génère des déphasages optiques qui sont opposés entre les deux cellules, à chaque instant d'un fonctionnement du dispositif (100).
10. Dispositif selon la revendication 6 ou 7, dans lequel le modulateur (4) est un modulateur de phase électro-optique, adapté pour produire une modulation de fréquence d'une onde optique conformément à un signal de commande périodique à deux états.
1 1 . Dispositif selon la revendication 10, dans lequel le modulateur de phase électro-optique comprend une cellule de Pockels (45) et un générateur électrique de signal de modulation (46), ledit générateur électrique de signal de modulation étant connecté à une entrée de commande de la cellule de Pockels et adapté pour produire le signal de commande périodique à deux états avec une fréquence de commutation qui varie elle-même linéairement en fonction du temps.
12. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 6 à 1 1 , dans lequel le modulateur (4) est disposé pour recevoir en entrée le signal de source d'émission (SSE) produit par le séparateur optique (2), et pour transmettre en sortie ledit signal de source d'émission modulé à l'amplificateur optique (3).
13. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 6 à 1 1 , dans lequel le modulateur (4) est disposé pour recevoir en entrée l'onde optique (OL) produite par l'oscillateur laser (1 ), et pour transmettre en sortie ladite onde optique modulée au séparateur optique (2), de sorte que le signal de source d'émission (SSE) et le signal de référence (SRef) sont modulés d'une façon identique.
14. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 6 à 13, dans lequel les moyens d'analyse (20) sont en outre adaptés pour additionner la première fréquence de battement obtenue pour la première composante d'onde optique (SSEï) à l'intérieur du signal de détection hétérodyne (SRF), à la seconde fréquence de battement obtenue pour la seconde composante d'onde optique (SSE2) à l'intérieur dudit signal de détection hétérodyne (SRF), lesdites première et seconde fréquences de battement étant relatives à un même instant de détection du signal rétrodiffusé (R), et pour effectuer une analyse d'effet Doppler de façon à déduire une valeur d'une vitesse de déplacement (V) de la cible (T), à partir d'un résultat de l'addition des première et seconde fréquences de battement.
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