FR2514959A1 - HETERODYNE DETECTION TRANSMITTER-RECEIVER LASER DEVICE - Google Patents
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Abstract
CE DISPOSITIF COMPORTE UN LASER 1 EMETTANT A TRAVERS UN MIROIR 4 DE SA CAVITE UN PREMIER FAISCEAU 25 TRAVERSANT UN SYSTEME DE DECALAGE DE FREQUENCE 7, 8, 9 POUR ILLUMINER UNE CIBLE, CE LASER EMETTANT A TRAVERS L'AUTRE MIROIR 3 DE SA CAVITE UN DEUXIEME FAISCEAU 26 CONCENTRE SUR UN DETECTEUR 20 QUI RECOIT AUSSI APRES TRAVERSEE D'UN SYSTEME OPTIQUE 17, 18 LE RAYONNEMENT LASER 30 RENVOYE PAR LA CIBLE. APPLICATION A LA MESURE DE LA VITESSE D'UNE CIBLE.THIS DEVICE INCLUDES A LASER 1 EMITTING THROUGH A MIRROR 4 OF ITS CAVITY A FIRST BEAM 25 THROUGH A FREQUENCY OFFSET SYSTEM 7, 8, 9 TO ILLUMINATE A TARGET, THIS LASER EMITTING THROUGH THE OTHER MIRROR 3 OF ITS CAVITY A SECOND BEAM 26 CONCENTRATED ON A DETECTOR 20 WHICH ALSO RECEIVES AFTER CROSSING AN OPTICAL SYSTEM 17, 18 THE LASER RADIATION 30 RETURNED BY THE TARGET. APPLICATION TO THE MEASUREMENT OF THE SPEED OF A TARGET.
Description
1495 Dispositif laser émetteur-récepteur à détection hétérodyne1495 Heterodyne detection transceiver laser device
La présente invention concerne un dispositif laser émetteur-récep- The present invention relates to a transmitter-receiver laser device
teur à détection hétérodyne.heterodyne detector.
On sait qu'il est possible de mesurer la distance d'une cible en envoyant vers elle une impulsion délivrée par un émetteur laser et en It is known that it is possible to measure the distance of a target by sending to it a pulse delivered by a laser transmitter and by
mesurant l'intervalle de temps qui s'écoule entre le départ de l'impul- measuring the time interval between the departure of the impulse
sion et le retour d'un écho de cette impulsion renvoyé par la cible. sion and the return of an echo of this pulse returned by the target.
Dans les appareils à détection hétérodyne, la fréquence d'émission de l'émetteur laser est légèrement décalée par rapport à celle d'un oscillateur local, et l'écho renvoyé par la cible est dirigé vers un récepteur photoélectrique qui reçoit aussi le rayonnement délivré par l'oscillateur local Le récepteur délivre alors des signaux modulés à une fréquence égale à la différence entre la fréquence de l'émetteur et celle de l'oscillateur local Il en résulte une augmentation importante In heterodyne-detecting devices, the transmission frequency of the laser transmitter is slightly offset from that of a local oscillator, and the echo returned by the target is directed to a photoelectric receiver which also receives the delivered radiation. by the local oscillator The receiver then delivers modulated signals at a frequency equal to the difference between the frequency of the transmitter and that of the local oscillator. This results in a significant increase
du rapport signal sur bruit à la réception. the signal-to-noise ratio at the reception.
Pour éviter des difficultés de synchronisation, on utilise souvent To avoid synchronization difficulties, we often use
un seul laser pour réaliser les fonctions de l'émetteur et de l'oscilla- a single laser to perform the functions of the transmitter and oscillator-
teur local.local authority.
Pour cela, l'énergie du faisceau délivré par le laser unique est divisé en deux parties à l'aide d'une lame optique disposée à 45 degrés sur le trajet du faisceau Une première partie passe à travers un système optique qui délivre une impulsion dont la fréquence est légèrement décalée par rapport à celle du laser, cette impulsion étant dirigée vers la cible La deuxième partie de l'énergie du faisceau, délivrée par le laser unique est dirigée vers le récepteur pour être mélangée à l'écho For this, the energy of the beam delivered by the single laser is divided into two parts by means of an optical plate arranged at 45 degrees in the path of the beam. A first portion passes through an optical system which delivers a pulse of which the frequency is slightly offset from that of the laser, this pulse being directed towards the target The second part of the energy of the beam, delivered by the single laser is directed towards the receiver to be mixed with the echo
renvoyé par la cible.returned by the target.
Mais le dispositif décrit ci-dessus présente un inconvénient En But the device described above has a drawback In
effet le système optique provoque des réflexions parasites du rayon- effect the optical system causes parasitic reflections from the
nement à fréquence décalée Ces réflexions se propagent en sens inverse du faisceau d'émission vers le laser et sont réfléchies par la lame optique sur le récepteur Il en résulte un brouillage à fort niveau qui These reflections propagate in the opposite direction of the beam of emission towards the laser and are reflected by the optical plate on the receiver. This results in a high level of jamming which
perturbe les mesures de façon importante. disrupts the measures significantly.
La présente invention a pour but de pallier cet inconvénient. The present invention aims to overcome this disadvantage.
Elle a pour objet un dispositif laser émetteur-récepteur à détec- It relates to a laser transmitter-receiver device for detecting
tion hétérodyne, comportant -2 -heterodyne, having -2 -
un émetteur laser continu capable de délivrer un rayonnement de fré- a continuous laser transmitter capable of delivering a radiation of frequency
quence 1, un système optique disposé à la sortie de l'émetteur pour recevoir une première partie de l'énergie du rayonnement de fréquence fi et délivrer en réponse une impulsion de rayonnement de fréquence décalée par rapport à f 1 cette impulsion étant transmise suivant un faisceau orienté vers une cible, le système optique comportant au moins une surface dioptrique 1, an optical system disposed at the output of the transmitter for receiving a first portion of the energy of the radiation of frequency f 1 and delivering in response a radiation pulse of offset frequency with respect to f 1, this pulse being transmitted in accordance with a beam oriented towards a target, the optical system comprising at least one dioptric surface
capable de renvoyer vers l'émetteur des réflexions parasites de l'éner- able to send back to the transmitter reflections from the energy
gie du rayonnement de fréquence décalée, un détecteur photoélectrique disposé à proximité de l'émetteur pour recevoir un écho, de fréquence f 2, de l'écho renvoyé par la cible, des moyens pour diriger vers le détecteur une deuxième partie de l'énergie du rayonnement de fréquence f 1 afin de réaliser une détection hétérodyne, le détecteur étant apte à délivrer, en réponse audit écho de fréquence f 2 et à ladite deuxième partie du rayonnement de fréquence flp un signal électrique modulé à la fréquence f 1-f 2 et un circuit de traitement du signal électrique modulé délivré par le détecteur, caractérisé en ce que l'émetteur laser comporte une cavité optique résonnante comprenant deux miroirs opposés, partiellement transparents, la première partie du rayonnement de l'émetteur sortant d'un premier de ces miroirs, la deuxième partie du rayonnement de l'émetteur sortant du a photodetector disposed in the vicinity of the transmitter for receiving an echo, of frequency f 2, of the echo returned by the target, means for directing a second part of the energy towards the detector; frequency radiation f 1 in order to perform a heterodyne detection, the detector being able to deliver, in response to said frequency echo f 2 and to said second portion of the frequency radiation flp, an electrical signal modulated at the frequency f 1 -f 2 and a circuit for processing the modulated electrical signal delivered by the detector, characterized in that the laser transmitter comprises a resonant optical cavity comprising two opposite, partially transparent mirrors, the first part of the radiation of the emitter emerging from a first one of these mirrors, the second part of the radiation of the transmitter coming out of
deuxième miroir, la fréquence décalée étant égale à une valeur prédéter- second mirror, the shifted frequency being equal to a predetermined value
minée différente de kc 2 L L étant la distance entre les premier et deuxième miroirs, c étant la vitesse de la lumière et k étant un nombre pouvant prendre toutes les valeurs entières, l'amplitude desdites réflexions parasites étant diminuée après traversée de la cavité, du premier miroir au deuxième miroir, Une forme particulière d'exécution de l'objet de la présente invention est décrite ci-dessous, à titre d'exemple, en référence au dessin annexé dans lequel la figure représente schématiquement un mode minus different from kc 2 LL being the distance between the first and second mirrors, c being the speed of light and k being a number that can take all the integer values, the amplitude of said parasitic reflections being decreased after crossing the cavity, the first mirror in the second mirror, A particular embodiment of the object of the present invention is described below, by way of example, with reference to the appended drawing in which the figure schematically represents a mode
de réalisation du dispositif selon l'invention. embodiment of the device according to the invention.
251 4959251 4959
-3- Sur cette figure, un émetteur laser 1 de type continu comporte un tube laser 2 dont les faces extrêmes sont obturées respectivement par deux miroirs opposés 3 et 4 centrés sur un axe 6 et formant une cavité optique résonnante Selon une disposition de l'invention, les deux miroirs 3 et 4 sont partiellement transparents Le tube 2 contient un gaz actif laser qui peut être excité par des moyens connus représentés In this figure, a laser transmitter 1 of continuous type comprises a laser tube 2 whose end faces are respectively closed by two opposite mirrors 3 and 4 centered on an axis 6 and forming a resonant optical cavity According to a provision of the invention, the two mirrors 3 and 4 are partially transparent The tube 2 contains a laser active gas which can be excited by known means represented
schématiquement en 5.schematically in 5.
La face d'entrée d'un cristal cylindrique 7 de germanium est dis- The input face of a cylindrical crystal 7 of germanium is dis-
posé sur l'axe 6, de façon à recevoir le rayonnement laser sortant de la cavité par le miroir 4 Le cristal 7 est muni de deux transducteurs placed on the axis 6, so as to receive the laser radiation leaving the cavity by the mirror 4 The crystal 7 is provided with two transducers
électro-acoustiques 8 et 9 reliés à un circuit électrique d'alimen- electro-acoustics 8 and 9 connected to an electrical power supply circuit.
tation 10 Un diaphragme 11 est disposé de façon à laisser passer par son ouverture 12 le rayonnement sortant de l'autre face du cristal 7 Ce rayonnement traverse ensuite un système optique afocal d'émission, composé d'une lentille divergente 13 et d'une lentille convergente 14 A diaphragm 11 is arranged so as to let through its opening 12 the radiation emerging from the other side of the crystal 7. This radiation then passes through an optical afocal emission system composed of a diverging lens 13 and a convergent lens 14
centrées sur un axe 15 parallèle à l'axe 6. centered on an axis 15 parallel to the axis 6.
Un système optique afocal de réception est disposé suivant un axe 16 parallèle à l'axe 15 à proximité du système optique afocal An afocal reception optical system is disposed along an axis 16 parallel to the axis 15 near the afocal optical system.
d'émission Le système de réception comporte aussi une lentille diver- The receiving system also has a different lens.
gente 17 est une lentille convergente 18. Gente 17 is a convergent lens 18.
Une lame optique 19 est inclinée à 450 sur l'axe 16 de façon à An optical blade 19 is inclined at 450 on the axis 16 so as to
renvoyer le rayonnement de réception vers un détecteur photoélec- send the reception radiation back to a photo detector
trique 20, à travers une lentille de concentration 21. 20, through a concentration lens 21.
Un miroir de renvoi 22 est incliné à 450 sur l'axe 6 de façon à A deflection mirror 22 is inclined at 450 on the axis 6 so as to
renvoyer vers la lentille 21 et le détecteur 20, à travers la lame opti- return to the lens 21 and the detector 20, through the optical blade.
que 19, le rayonnement laser sortant de la cavité par le miroir 3. than 19, the laser radiation coming out of the cavity through the mirror 3.
La sortie électrique du détecteur 20 est reliée à un circuit de The electrical output of the detector 20 is connected to a circuit of
traitement 23 à travers un filtre 24. treatment 23 through a filter 24.
Le dispositif décrit ci-dessus et illustré par la figure fonc- The device described above and illustrated by the functional figure
tionne de la manière suivante.as follows.
Le rayonnement laser continu la fréquence f 1 émis par l'émetteur 1 comporte deux faisceaux 25 et 26 sortant respectivement à travers les deux miroirs partiellement transparents 4 et 3 de la cavité optique résonnante. The continuous laser radiation frequency f 1 emitted by the emitter 1 comprises two beams 25 and 26 exiting respectively through the two partially transparent mirrors 4 and 3 of the resonant optical cavity.
Le circuit 10 envoie une suite d'impulsions électriques succes- Circuit 10 sends a succession of successive electrical pulses
-4- sives à l'entrée des deux tranducteurs 8 et 9 de façon à créer une onde acoustique qui se propage dans le cristal 7 Lorsque les transducteurs 8 4- sives at the input of the two transducers 8 and 9 so as to create an acoustic wave that propagates in the crystal 7 When the transducers 8
et 9 sont alimentés, l'interaction de l'onde acoustique et du fais- and 9 are powered, the interaction of the acoustic wave and the
ceau 25 pénétrant par la face d'entrée du cristal inclinée sur l'axe 6 crée un décalage de la fréquence du faisceau Les transducteurs 8 et 9 sont disposés de façon que le faisceau 27 sortant du cristal 7 soit penetrating beam through the input face of the crystal inclined on the axis 6 creates an offset of the beam frequency The transducers 8 and 9 are arranged so that the beam 27 leaving the crystal 7 is
constamment parallèle au faisceau 25 Le faisceau 27 traverse l'ouver- constantly in parallel with the beam 25 The beam 27 passes through the opening
ture 12 du diaphragme 1.12 of the diaphragm 1.
Lorsque les transducteurs 8 et 9 ne sont pas alimentés, c'est-à- When the transducers 8 and 9 are not powered, that is,
dire dans les intervalles de temps séparant les impulsions délivrées par le circuit 10, le faisceau 25 traverse le cristal 7 suivant un trajet illustré en trait mixte sur la figure, pour être absorbé par la partie pleine du diaphragme 11 Le faisceau 27 est donc constitué par une suite d'impulsions successives de rayonnement laser de fréquence f D décalée in the time intervals separating the pulses delivered by the circuit 10, the beam 25 passes through the crystal 7 along a path illustrated in phantom in the figure, to be absorbed by the solid portion of the diaphragm 11. The beam 27 is therefore constituted by a series of successive pulses of laser radiation of frequency f D offset
par rapport à fi Le faisceau 27 traverse ensuite le système afocal 13- with respect to fi The beam 27 then passes through the afocal system 13-
14 qui délivre un faisceau 29 moins divergent et de plus grande section. 14 which delivers a beam 29 less divergent and larger section.
Le faisceau 29 est ensuite orienté vers une cible par des moyens connus The beam 29 is then oriented towards a target by known means
non représentés.not shown.
La cible renvoie une partie de l'énergie des impulsions laser sous forme d'un faisceau 30 reçu sur la lentille 18 du système afocal de réception Le faisceau 31, de fréquence f 2 sortant de la lentille 17 est réfléchi par la lame optique 19 puis est concentré par la lentille 21 sur The target returns a portion of the energy of the laser pulses in the form of a beam 30 received on the lens 18 of the receiving afocal system. The beam 31, of frequency f 2 coming out of the lens 17, is reflected by the optical strip 19 and then is focused by the lens 21 on
la surface sensible du détecteur 20. the sensitive surface of the detector 20.
Le faisceau 26 de fréquence f 1 sortant du miroir 3 de la cavité laser est renvoyé par le miroir 22 suivant un faisceau 32 qui traverse la lame optique 19 pour être également concentré par la lentille 21 sur la surface sensible du détecteur photoélectrique 20 Ce détecteur, qui est du type quadratique, délivre à sa sortie un signal électrique modulé à la fréquence f 2-f 1 Le filtre 24 est du type passe-bande et permet The beam 26 of frequency f 1 leaving the mirror 3 of the laser cavity is returned by the mirror 22 in a beam 32 which passes through the optical plate 19 to be also concentrated by the lens 21 on the sensitive surface of the photoelectric detector 20. which is of the quadratic type, delivers at its output an electrical signal modulated at the frequency f 2 -f 1 The filter 24 is of the bandpass type and allows
d'extraire la modulation.to extract the modulation.
Le dispositif représenté sur la figure est destiné à mesurer la The device shown in the figure is intended to measure the
vitesse radiale d'une cible Dans ce cas, le circuit 23 permet de déter- radial velocity of a target In this case, the circuit 23 makes it possible to determine
miner cette vitesse en fonction des variations de la fréquence f 2-f 1 détectée, ces variations résultant directement de celles de la this speed as a function of the variations of the detected frequency f 2-f 1, these variations resulting directly from those of the
fréquence f 2 par effet Doppler.frequency f 2 by Doppler effect.
-5--5-
Il est difficile d'éviter que des réflexions parasites ne se pro- It is difficult to avoid parasitic reflections
duisent, soit sur la face de sortie 33 du cristal 7 soit sur une surface dioptrique de système afocal d'émission 13,14 Ces réflexions ont pour effet de renvoyer une fraction de l'énergie du rayonnement de fréquence décalée, en sens inverse de celui de l'émission, c'est-à-dire vers either on the output face 33 of the crystal 7 or on a dioptric surface of the afocal emission system 13, 14. These reflections have the effect of returning a fraction of the energy of the offset frequency radiation, in the opposite direction to that of emission, that is to say towards
l'émetteur 1, sur la face de sortie 34 du miroir 4. the transmitter 1, on the exit face 34 of the mirror 4.
Pour éviter que ces réflexions ne traversent la cavité 3-4 pour aller se mélanger au faisceau 26 et impressionner la surface sensible du détecteur 20, le décalage de fréquence est déterminé de façon que le faisceau de fréquence décalée f D puisse être atténué par la cavité laser. Il suffit pour cela que f D soit différent de k c To prevent these reflections from passing through the cavity 3-4 in order to mix with the beam 26 and to impress the sensitive surface of the detector 20, the frequency offset is determined so that the shifted frequency beam f D can be attenuated by the cavity laser. All that is required is that f D be different from k c
2 L2 L
c étant la vitesse de la lumière, L étant la distance entre les miroirs where c is the speed of light, where L is the distance between the mirrors
et k étant un nombre pouvant prendre toutes les valeurs entières. and k being a number that can take all the integer values.
De préférence, le décalage de fréquence est choisi de façon que f D soit sensiblement égal à ( 2 k + 1) c 4 L Preferably, the frequency offset is chosen such that f D is substantially equal to (2 k + 1) c 4 L
Dans ces conditions, les impulsions parasites sont fortement atté- Under these conditions, the parasitic impulses are strongly attenuated.
nuées et leur niveau après traversée de la cavité est suffisamment faible clouds and their level after crossing the cavity is sufficiently weak
pour ne pas perturber les mesures.to not disturb the measurements.
La présente invention peut être utilisée à la réalisation d'un appareil de mesure de vitesse d'une cible; cet appareil peut également comporter des moyens supplémentaires connus pour mesurer la distance de The present invention can be used in the realization of a speed measuring apparatus of a target; this apparatus may also comprise additional means known for measuring the distance of
la cible.target.
6 -6 -
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