FR2668607A1 - Procede pour determiner un signal doppler dans un anemometre laser doppler et anemometre laser doppler pour la mise en oeuvre de ce procede. - Google Patents
Procede pour determiner un signal doppler dans un anemometre laser doppler et anemometre laser doppler pour la mise en oeuvre de ce procede. Download PDFInfo
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Abstract
On module la lumière laser de mesure à une haute fréquence porteuse, sensiblement plus grande que la fréquence Doppler. On amène la lumière laser ainsi modulée à une fréquence porteuse dans un volume de mesure (12) où elle est modulée en amplitude selon la fréquence Doppler, de sorte qu'il s'établit un spectre de signal ayant plusieurs bandes latérales. On amplifie la bande latérale positive et/ou négative par rapport à la fréquence porteuse dans un amplificateur à résonance (13) correspondant à ces bandes latérales et on traite ensuite la bande latérale positive et/ou négative dans un circuit d'évaluation pour extraire l'information Doppler. Ce procédé permet l'utilisation de photodiodes faciles à faire fonctionner et également la mise en œuvre d'amplificateurs à bas bruit de conception relativement simple.
Description
L'invention concerne un procédé pour déterminer un signal Doppler dans un
anémomètre laser Doppler, notamment pour mesurer des vitesses de particules, ainsi qu'un anémomètre laser Doppler pour la mise en oeuvre de ce procédé. Dans la demande de brevet allemand antérieure P 38 23 246 4, est décrit un anémomètre laser Doppler pouvant être installé notamment pour mesurer des vitesses de particules dans un milieu en écoulement Cet anémomètre laser Doppler comprend une source laser, un collimateur, un diviseur de faisceau pour produire au moins deux faisceaux laser partiels, et un moyen de focalisation pour focaliser les deux faisceaux laser partiels (au moins) dans un volume de mesure Cet anémomètre antérieur comprend en outre un dispositif de réception comportant un détecteur pour recueillir la lumière laser diffusée et réfléchie dans le volume de mesure, qu'on évalue pour en extraire l'information Doppler Cet anémomètre laser Doppler connu peut être réalisé de façon particulièrement compacte, peu encombrante et économique, car les éléments qui dévient les faisceaux sont disposés de façon que les faisceaux laser partiels soient déviés dans le plan défini par les
faisceaux laser partiels eux-mêmes.
Dans cet anémomètre laser Doppler antérieur, on doit toutefois utiliser un détecteur à bande passante relativement large pour évaluer la lumière diffusée dans le volume de mesure, c'est-à-dire que la fonction de transfert du détecteur et donc également du circuit récepteur commence dans la gamme à basse fréquence par rapport à la bande passante et se termine dans une gamme à relativement haute fréquence, par exemple autour de 100 M Hz. Dans d'autres dispositifs de mesure classiques détectant la lumière diffusée modulée, qui peuvent également être qualifiés d'instruments de mesure de vitesse fonctionnant suivant le principe optique Doppler (par exemple anémomètres laser Doppler), on utilise également pour l'exploitation un détecteur à bande passante large dans la bande de base, c'est-à-dire qu'ici aussi la fonction de transfert du détecteur ou du circuit récepteur commence dans la gamme à basse fréquence par
rapport à la bande passante.
La figure 1 représente l'agencement de principe d'un anémomètre laser Doppler à semi-conducteurs; la figure 2 représente la configuration de principe typique d'un circuit récepteur; et la figure 2 b représente la
fonction de transfert correspondant.
Avec cet agencement connu et cette configuration connue du circuit récepteur apparaissent quelques difficultés techniques pour la gamme de fréquence désirée, allant typiquement de 100 k Hz à M Hz, notamment à l'égard du choix d'amplificateurs à
faible bruit.
Pour réaliser une configuration de système miniaturisée, les photodiodes PIN seraient en particulier avantageuses à cause de leur fonctionnement simple (en comparaison avec les photodiodes à avalanche) A l'utilisation de ces photodiodes PIN s'oppose néanmoins le fait que les capacités parasites, dont la capacité du détecteur, ne permettent pas une impédance importante (correspondant à une résistance de charge importante à la figure 2 a) pour la conversion courant-tension nécessaire
sur une bande passante large.
Aux très basses fréquences de signal, on peut certes contourner le problème du bruit d'amplificateur en 1/f en réalisant de façon classique (voir "Journal of Lightwave Technology", volume 6, n O 4, avril 1988, pages 582 à 589) ce qu'on appelle un système LDA décalé en fréquence (LDA: "Laser Doppler Anemometer": anémomètre laser Doppler), en décalant légèrement l'une par rapport
à l'autre les longueurs d'onde des deux faisceaux laser.
Mais les cellules de Bragg nécessaires pour cela sont
difficiles à intégrer dans un système (laser à semi-
conducteurs) miniaturisé.
Le but de la présente invention est de proposer un procédé pour déterminer un signal Doppler dans un anémomètre laser Doppler ainsi qu'un anémomètre laser Doppler pour la mise en oeuvre du procédé, de façon à permettre d'une part une configuration compacte et particulièrement miniaturisée et d'autre part l'utilisation de composants faciles à faire fonctionner,
tels que des photodiodes PIN.
Suivant l'invention, le procédé est caractérisé en ce que a) on module la lumière laser de mesure à une haute fréquence porteuse, sensiblement plus grande que la fréquence Doppler; b) on amène la lumière laser ainsi modulée à une fréquence porteuse dans un volume de mesure d'anémomètre laser Doppler o elle est modulée en amplitude selon la fréquence Doppler de sorte qu'il s'établit un spectre de signal ayant plusieurs bandes latérales; (c) on amplifie dans un amplificateur à résonance la bande latérale positive et/ou négative relativement à la fréquence porteuse; et d) on traite ensuite la bande latérale positive
et/ou négative pour extraire l'information Doppler.
Suivant l'invention, les photodiodes PIN peuvent désormais avantageusement être utilisées, en vue d'une configuration miniaturisée du système Les capacités parasites, introduites par la mise en oeuvre de photodiodes PIN ou apparaissant à l'entrée d'un amplificateur à résonance, peuvent elles-mêmes être compensées grâce au concept de l'amplificateur à résonance, selon lequel on constitue, au moyen d'une inductance, un circuit oscillant qui permet alors une impédance élevée et en tous cas complexe Comme le circuit oscillant LC ainsi constitué a une bande passante étroite, le choix d'un amplificateur à faible bruit ne pose plus la moindre difficulté Dans la bande de base des fréquences Doppler précédemment mentionnée, il est techniquement difficile d'intégrer des bobines à cause de leurs valeurs d'impédance élevées La bande passante du filtre serait d'ailleurs beaucoup trop petite pour couvrir complètement la bande passante du signal Mais grâce à la transition dans une gamme à beaucoup plus haute fréquence, on modifie fondamentalement ces rapports Pour des fréquences de l'ordre de 1 G Hz (ou davantage) l'inductance de bobine se situe dans la gamme du n H (ou moins), même pour un circuit oscillant dans lequel les capacités parasites sont dans la gamme du p F. Ces bobines peuvent par conséquent être réalisées et fabriquées avec une très haute qualité et, à une telle fréquence de résonance élevée, on peut couvrir la bande passante du signal Doppler avec la bande passante qui est
donnée par le facteur de qualité du circuit oscillant.
La transformation de la bande de fréquence du signal Doppler en cette fréquence de résonance élevée résulte de la modulation de la lumière laser, qui par exemple est très facile à réaliser au moyen de diodes laser, de sorte que le procédé selon l'invention convient particulièrement pour des anémomètres laser Doppler à semi-conducteurs. Suivant l'invention, la lumière modulée à la fréquence porteuse est ensuite modulée dans le volume de mesure de LDA selon la fréquence Doppler, de sorte qu'il s'établit un spectre de signal comportant une bande
latérale positive et une bande latérale négative, c'est-
à-dire des parties de spectre situées au-dessous et au-
dessus de la fréquence porteuse.
En outre, l'absence de bruit de l'impédance imaginaire (et non plus réelle) contribue à l'avantage d'un choix d'amplificateur plus simple et, selon les cas, à plus faible bruit On peut ainsi également réaliser selon l'invention ce qu'on appelle un récepteur limité
par l'effet Schottky (shot-noise).
Enfin, on réalise de façon d'autant plus avantageuse le procédé selon l'invention ci-dessus que plus la bande passante du signal est basse, plus on peut choisir un facteur de qualité élevé pour le circuit oscillant Par conséquent, on peut également contourner le problème particulier du bruit d'amplificateur en 1/f,
notamment aux très basses fréquences.
Un anémomètre laser Doppler à fréquence porteuse pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention comprend un circuit modulateur pour moduler une lumière laser de mesure à une fréquence porteuse sensiblement plus grande que la fréquence porteuse sensiblement plus grande que la fréquence Doppler, puis un amplificateur à résonance qui reçoit la lumière modulée en amplitude selon la fréquence Doppler et qui amplifie la bande latérale positive ou négative relativement à la fréquence porteuse, et enfin un circuit d'évaluation qui traite ensuite la bande latérale
positive ou négative et en extrait l'information Doppler.
Dans une forme de réalisation avantageuse, on peut prévoir deux amplificateurs à résonance dont l'un est accordé sur la bande latérale négative et l'autre sur la bande latérale positive, le circuit d'évaluation étant agencé pour pouvoir traiter les bandes latérales négative et positive Dans cette dernière forme de réalisation, on peut traiter les deux bandes latérales de façon à
augmenter le rapport signal/bruit.
Dans une forme de réalisation alternative, l'amplificateur à résonance peut en outre être agencé pour réincorporer le signal à haute fréquence amplifié dans la bande de base, par l'intermédiaire de la
fréquence porteuse.
L'amplificateur à résonance peut être constitué aussi bien sous forme de circuit résonant en série que
sous forme de circuit résonant en parallèle.
On va maintenant expliquer plus en détail l'invention au moyen d'exemples de réalisation, en référence aux dessins annexés, dans lesquels: la figure 1 représente schématiquement la constitution d'un anémomètre laser Doppler classique pouvant comprendre comme dispositif supplémentaire un amplificateur à résonance comportant des particularités de l'invention; la figure 2 a représente schématiquement la constitution de l'entrée ou de l'étage amplificateur d'un anémomètre laser Doppler classique; la figure 2 b représente la fonction de transfert du détecteur ou du circuit récepteur de la figure 2 a; la figure 3 représente schématiquement la constitution en système d'un anémomètre laser Doppler comportant des particularités de l'invention; la figure 4 a représente un exemple de réalisation d'un amplificateur à résonance comportant des particularités de l'invention; et la figure 4 b, la fonction de transfert de
l'amplificateur à résonance de la figure 4 a.
La figure 1 représente schématiquement la constitution d'un anémomètre laser Doppler classique, dans lequel on peut en outre incorporer un amplificateur
à résonance comportant des particularités de l'invention.
Dans l'agencement représenté, on amène dans un milieu, par exemple un milieu en écoulement contenant des particules, des faisceaux laser partiels produits au moyen d'éléments déviateurs de faisceaux 5, le volume de mesure étant indiqué de façon générale par le repère M. Dans l'exemple de réalisation représenté, on dirige par l'intermédiaire d'une optique 2 une partie du rayonnement en retour 1, qui est modulé en amplitude selon la fréquence Doppler, et on le focalise sur un élément
récepteur de lumière d'un circuit récepteur.
Le circuit récepteur est indiqué de façon générale par la référence 3 et peut comporter des particularités de l'invention On recueille en 4 ensuite le signal amplifié à haute fréquence puis on l'évalue
dans un circuit d'évaluation.
Un exemple de réalisation d'un anémomètre laser Doppler à fréquence porteuse pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention est illustré schématiquement à la figure 3 D'après la figure 3, de la lumière laser issue d'une source de lumière laser 9 parvient à un circuit modulateur 10 dans lequel elle est modulée à une haute fréquence porteuse qui est beaucoup plus grande que la fréquence Doppler La lumière laser modulée sortant du modulateur 10 est alors transmise par l'intermédiaire d'un système optique, désigné de façon générale par la référence 11, et qui peut être constitué de différentes manières, comme par exemple celle décrite dans la demande de brevet allemand P 38 23 246 4 précitée La lumière laser de mesure ainsi conditionnée est ensuite introduite dans un volume de mesure d'anémomètre laser Doppler 12, et le traverse de façon que la lumière diffusée depuis le volume de mesure, qui est modulée en amplitude selon la fréquence Doppler, parvienne à l'entrée d'un amplificateur à résonance 13 dans lequel ces signaux sont amplifiés L'amplificateur à résonance 13 peut être constitué comme représenté schématiquement à la figure 4 a L'entrée de l'amplificateur à résonance comprend une inductance 13 a montée en série avec une photodiode 13 b, par exemple une photodiode PIN, qui présente une certaine capacité propre 14 Le circuit d'entrée de l'amplificateur à résonance est en outre affecté d'une capacité parasite 15 En fonction de la fréquence de résonance choisie, on peut toutefois également prévoir la capacité 15 sous forme de capacité supplémentaire La fréquence de résonance de l'amplificateur à résonance
représenté est de l'ordre d'environ 1 G Hz ou davantage.
L'inductance 13 a est alors de l'ordre de 1 n H ou moins, tandis que la capacité parasite est de l'ordre de 1 p F. De façon préférée, on peut réaliser l'inductance 13 a sous la forme d'une bobine, de sorte qu'on peut simplement réaliser un facteur de qualité élevé avec cette inductance de bobine relativement réduite Par conséquent, avec une telle fréquence de résonance élevée, on peut choisir la bande passante, qui est donnée par le facteur de qualité du circuit oscillant, de façon qu'elle
couvre la bande passante du signal Doppler.
Suivant l'invention, le signal à haute fréquence amplifié est ensuite traité dans un circuit d'évaluation en aval, non représenté à la figure 3 Ce circuit d'évaluation peut être réalisé de diverses manières, par exemple de façon que le signal à haute fréquence amplifié soit réincorporé par l'intermédiaire de la porteuse dans la bande de base, en vue du traitement ultérieur Mais le circuit d'évaluation peut également être conçu de façon qu'il soit adapté pour le traitement ultérieur des deux bandes latérales, pour en extraire le signal Doppler de manière plus précise et
moins bruitée.
L'homme du métier peut facilement imaginer une série de modifications aux exemples de réalisation
décrits, sans sortir du cadre de la présente invention.
Par exemple, il est possible de constituer le système optique 11 de façon à produire plusieurs faisceaux laser partiels amenés dans le volume de mesure 12 parallèlement les uns aux autres ou de manière qu'ils se croisent au
sein du volume de mesure.
En outre, on peut prévoir non seulement un détecteur mais plusieurs détecteurs et donc plusieurs amplificateurs à résonance, pour pouvoir effectuer simultanément une mesure de longueur d'onde et une mesure de puissance, au sens de la demande de brevet allemand N O P 38 39 537 1 Les dispositifs de détection de rayonnement utilisés peuvent également présenter des caractéristiques de sensibilité spectrale différentes les unes des autres à l'égard du même rayonnement à mesurer, pour produire ainsi un signal électrique dépendant de la puissance et un signal électrique dépendant de la
longueur d'onde.
De façon préférée, le procédé de la présente invention peut également être mis en oeuvre pour mesurer la vitesse de déplacement de particules transparentes à la lumière, comme par exemple des bulles de gaz présentes dans un liquide On peut alors moduler à une fréquence porteuse la lumière laser avec un signal dont la fréquence est supérieure à la fréquence de résonance des bulles de gaz à observer On amène alors par un dispositif émetteur la lumière laser ainsi modulée à une fréquence porteuse dans le fluide o sont présentes les bulles de gaz, et on capte le signal diffusé par la présence des bulles de gaz au moyen d'un dispositif récepteur Ce signal de réception contient des bandes latérales de modulation symétriques et également une bande latérale asymétrique qui inclut un signal de fréquence Doppler, résultant de la diffusion du signal émis On traite alors ce signal de réception -le cas échéant après une amplification appropriée de façon à éliminer les bandes latérales de modulation symétriques et les bandes latérales asymétriques non transitoires, mais à conserver et traiter les bandes latérales asymétriques transitoires Ce dernier procédé offre la possibilité d'extraire le signal Doppler avec une très haute précision Les particules transparentes à la lumière, dont on détermine ainsi la vitesse, peuvent par exemple entrer dans la composition d'un milieu en
écoulement tel qu'un liquide.
Claims (13)
1 Procédé pour déterminer un signal Doppler dans un anémomètre laser Doppler, notamment pour mesurer des vitesses de particules, caractérisé en ce que a) on module la lumière laser de mesure à une haute fréquence porteuse, sensiblement plus grande que la fréquence Doppler; b) on amène la lumière laser ainsi modulée à une fréquence porteuse dans un volume de mesure d'anémomètre laser Doppler o elle est modulée en amplitude selon la fréquence Doppler de sorte qu'il s'établit un spectre de signal ayant plusieurs bandes latérales (figure 4 b); (c) on amplifie dans un amplificateur à résonance la bande latérale positive et/ou négative relativement à la fréquence porteuse; et d) on traite ensuite la bande latérale positive
et/ou négative pour extraire l'information Doppler.
2 Procédé conforme à la revendication 1, caractérisé en ce qu'on incorpore la bande latérale positive et/ou négative dans la bande de base par l'intermédiaire de la fréquence porteuse en vue du
traitement ultérieur.
3 Procédé conforme à la revendication 1, caractérisé en ce qu'on convertit par multiplication de fréquence la bande latérale négative dans la bande latérale positive ou vice-versa, et en ce qu'on traite ensuite les bandes latérales positives ou négatives ainsi
obtenues pour en déduire un signal Doppler.
4 Procédé conforme à l'une des revendications
1 à 3, pour mesurer la vitesse de particules transparentes à la lumière dans un milieu en écoulement, caractérisé en ce qu'on module la lumière laser à une fréquence porteuse de sorte que la lumière laser quittant le volume de mesure contient des bandes latérales de modulation symétriques et une bande latérale asymétrique qui comporte un signal de fréquence Doppler, et en ce qu'on traite la lumière laser quittant le volume de mesure de façon à éliminer les bandes latérales symétriques et les bandes latérales asymétriques non transitoires et à conserver et traiter ultérieurement les
bandes latérales asymétriques transitoires.
Anémomètre laser Doppler à fréquence porteuse pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une
des revendications 1 à 3, caractérisé par:
a) un circuit modulateur ( 10), pour moduler un laser de mesure à une haute fréquence porteuse, sensiblement plus grande que la fréquence Doppler; b) un amplificateur à résonance ( 13) qui reçoit la lumière modulée en amplitude selon la fréquence Doppler et amplifie la bande latérale positive ou négative par rapport au signal porteur; et c) un circuit d'évaluation, qui traite ensuite la bande latérale positive ou négative, pour en extraire
l'information Doppler.
6 Anémomètre conforme à la revendication 5, caractérisé en ce que deux amplificateurs à résonance sont prévus, dont l'un est accordé sur la bande latérale négative et l'autre sur la bande latérale positive, et en ce que le circuit d'évaluation est agencé pour pouvoir traiter la bande latérale positive et la bande latérale négative. 7 Anémomètre conforme à la revendication 5, caractérisé en ce que l'amplificateur à résonance est adapté pour réincorporer le signal à haute fréquence amplifié dans la bande de base par l'intermédiaire de la
fréquence porteuse.
8 Anémomètre conforme à l'une des
revendications 5 à 7, caractérisé en ce que
l'amplificateur à résonance est constitué sous forme de
circuit résonant en série.
9 Anémomètre conforme à l'une des
revendications 5 à 7, caractérisé en ce que
l'amplificateur à résonance est constitué sous forme de
circuit résonant en parallèle.
10 Anémomètre conforme à la revendication 5, caractérisé en ce que le circuit modulateur ( 10) comporte une diode laser en tant qu'élément de modulation, pour transformer la bande de fréquence de signal Doppler par
modulation à une haute fréquence porteuse.
11 Anémomètre conforme à l'une des
revendications 5 à 10, caractérisé en ce que la haute
fréquence porteuse se situe dans la gamme de, par exemple, 1 G Hz ou plus, et correspond à la fréquence de
résonance du ou des amplificateur(s) à résonance.
12 Anémomètre conforme à l'une des
revendications 5 à 11, caractérisé en ce que le circuit
résonant du ou des amplificateur(s) à résonance comprend
au moins une photodiode PIN.
13 Anémomètre conforme à l'une des
revendications 5 à 12, caractérisé en ce que
l'amplificateur actif ( 16) du circuit amplificateur à résonance permet un récepteur limité par l'effet Schottky
(shot noise).
14 Anémomètre conforme à l'une des
revendications 5 à 13, caractérisé en ce qu'il est prévu
comme dispositif supplémentaire dans un anémomètre laser
Doppler à semi-conducteurs classique (figure 1).
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