FR2675913A1

FR2675913A1 - Infrared imager with heterodyne detection using an acoustooptic multiple-beam deflector

Info

Publication number: FR2675913A1
Application number: FR8109875A
Authority: FR
Inventors: Fontanella Jean-Claude
Original assignee: Office National dEtudes et de Recherches Aerospatiales ONERA
Current assignee: Office National dEtudes et de Recherches Aerospatiales ONERA
Priority date: 1981-05-18
Filing date: 1981-05-18
Publication date: 1992-10-30
Anticipated expiration: 2001-05-18
Also published as: FR2675913B1

Abstract

Imaging system comprising laser means (1) and (2) emitting a scanning beam and a local oscillator beam, means for scanning a target (16) with the said scanning beam and for gathering a return beam reflected or scattered by the said target, a photodetector (19) having a quadratic response receiving the return beam and the local oscillator beam and carrying out the heterodyne detection of these two beams. It is characterised in that it furthermore comprises means (14) for converting the scanning beam into a flat beam scanning the target in successive entire lines and, interposed on the local oscillator beam, an acoustooptic deflector (22) and means (23) for applying, to the acoustooptic deflector, a plurality of acoustic waves having separate frequencies.

Description

IMAGER INFRAROUGE A DETECTION HETERODYNE UTILISANT UN DEFwEC-
TEUR ACOUSTO-OPTIQUE A MULTI-FAISCEAUX
La présente invention concerne un imageur infrarouge à détection hétérodyne utilisant un déflecteur acousto-optique à multi-faisceaux.HETERODYNE DETECTION INFRARED IMAGING USING DEFwEC-
MULTI-BEAM ACOUSTO-OPTIC TEUR
The present invention relates to an infrared imager with heterodyne detection using an acousto-optical multi-beam deflector.

I1 est connu que si une onde acoustique de fréquence f se propage dans un cristal acousto-optique qui reçoit d'autre part un faisceau laser de fréquence , le cristal donne naissance à deux faisceaux optiques l'un direct et l'autre défléchi,
L'angles entre les deux=ondes optiques doit obéir à la condition dite de Bragg #= #f/vn où = = c/4 , longueur d'onde du faisceau optique c, vitesse de la lumière v, vitesse de l'onde acoustique dans le cristal n, indice du cristal pour la longueur d'onde #. It is known that if an acoustic wave of frequency f propagates in an acousto-optical crystal which receives on the other hand a laser beam of frequency, the crystal gives rise to two optical beams, one direct and the other deflected,
The angles between the two = optical waves must obey the so-called Bragg condition # = # f / vn where = = c / 4, wavelength of the optical beam c, speed of light v, speed of the wave acoustic in crystal n, crystal index for wavelength #.

La fréquence optique du faisceau défléchi devient + f. The optical frequency of the deflected beam becomes + f.

L'usage de lhétérodynage en tant entant que méthode de détection cohérente dans le domaine infrarouge est bien connu (cf. The use of heterodyning as a coherent detection method in the infrared domain is well known (cf.

"Infrared Heterodyne Detection" par M.C, TEICH, Proceedings of the I.E.E.E., Vol. 56, No. 1, Janvier 1968, page 37 et suivantes)."Infrared Heterodyne Detection" by M.C, TEICH, Proceedings of the I.E.E.E., Vol. 56, No. 1, January 1968, page 37 et seq.).

La détection hétérodyne dans l'infrarouge est basée sur la réponse quadratique des photodétecteurs infrarouges. Il résulte de cette réponse quadratique que si deux faisceaux d'ondes électro-magnétiquesinfrarouges ayant des directions de polarisation parallèles et des surfaces d'onde confondues tombent sur un tel photodétecteur, celui-ci produit un signal de sortie ayant une fréquence égale à la différence des fréquences des deux faisceaux incidents. Quand l'un des faisceaux est intense parce que, par exemple,il est produit localement la sensibilité du procédé de détection hétérodyne est considérablement augmentée par rapport au cas d'une détection simple non-hétérodyne à cause du gain de conversion élevé entre les puissances à la fréquence d'entrée et à la fréquence différente.Outre ce gain de conversion élevé, la détection hétérodyne présente à la fois une forte directivité et une forte sélectivité en fréquence.Heterodyne detection in the infrared is based on the quadratic response of the infrared photodetectors. It follows from this quadratic response that if two infrared electromagnetic wave beams having parallel polarization directions and merged wave surfaces fall on such a photodetector, the latter produces an output signal having a frequency equal to the difference frequencies of the two incident beams. When one of the beams is intense because, for example, it is produced locally the sensitivity of the heterodyne detection method is considerably increased compared to the case of a simple non-heterodyne detection because of the high conversion gain between the powers at the input frequency and at the different frequency. Besides this high conversion gain, heterodyne detection exhibits both strong directivity and high frequency selectivity.

D'une façon générale l'invention concerne un déflecteur acousto-optique à multi-faisceaux et un imageur à détection hétérodyne faisant application de ce déflecteur. In general, the invention relates to an acousto-optic multi-beam deflector and an imager with heterodyne detection applying this deflector.

Le déflecteur acousto-optique à multi-faisceaux est formé d'un déflecteur acousto-optique auquel sont simultanément appliquées une pluralité d'ondes acoustiques ayant des fréquences distinctes. The multi-beam acousto-optical deflector is formed by an acousto-optical deflector to which a plurality of acoustic waves having distinct frequencies are simultaneously applied.

L'imageur conforme à l'invention comprend des moyens laser émettant un faisceau de balayage et un faisceau oscillateur local, des moyens de balayer avec ledit faisceau de balayage une cible et de recueillir un faisceau de retour réflechi ou diffusé par ladite cible, un photodétecteur à réponse quadratique recevant le faisceau de retour et le faisceau oscillateur local et effectuant la détection hetéro- dyne de ces deux faisceaux1 et il est caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens de convertir le faisceau de balayage en un'faisceau plat balayant la cible par lignes entières suscessives,Ae faisceau plat de retour étànt formé d'une pluralité de faisceaux élémentaires de retour, et, interposé sur le faisceau d'oscillateur local, un déflecteur acousto-optique et des moyens d'appliquer audit déflecteur acousto-optique une pluralité d'ondes acoustiques ayant des fréquences dis-= tinctes d'où il résulte que le déflecteur acousto-optique émet une pluralité de faisceaux respectivement conjugués avec les faisceaux élémentaires composant le faisceau plat de retour. The imager according to the invention comprises laser means emitting a scanning beam and a local oscillating beam, means of scanning with said scanning beam a target and of collecting a return beam reflected or scattered by said target, a photodetector with quadratic response receiving the return beam and the local oscillating beam and carrying out the heterodyne detection of these two beams1 and it is characterized in that it further comprises means for converting the scanning beam into a flat sweeping beam the target by whole consecutive lines, Ae flat return beam being formed of a plurality of elementary return beams, and, interposed on the local oscillator beam, an acousto-optical deflector and means of applying to said acoustical deflector optical a plurality of acoustic waves having distinct frequencies from which it follows that the acousto-optical deflector emits a plurality beams conjugated respectively with the individual beams comprising the back flat beam.

Le déflecteur acoustique à multi-faisceaux et les imageurs infrarouges l'utilisant vont etre maintenant décrits en détail en relation avec les dessins annexés dans lesquels - la Fig. 1 représente sous la forme d'un diagramme de blocs le déflecteur acousto-optique à multi-faisceaux de l'invention; - la Fig. 2 représente sous la forme d'un diagramme de blocs l'imageur infrarouge utilisant le déflecteur acousto-optique à multi-faisceaux de la Fig. 1 ; et - la Fig. 3 est une variante du dispositif de reconstitution d'image différant de celui de la Fig. 2
En se référant d'abord à la Fig. 1, le numéro de référence 22 désigne un déflecteur acousto-optique, en germanium par exemple. I1 est traversé par un faisceau optique 12 et comporte une entrée à laquelle est appliqué un signal électrique qui par un jeu d'électrodes est transformé en une onde acoustique . Les D.A.O. sont bien connus dans la technique et sont par exemple décrits dans l'ouvrage "Acoustic Surface Wave and Acoustic Optic Devices" Edited by Thomas Kallard, Optosonic
Press, New-York, Septembre 1971.The multi-beam acoustic deflector and the infrared imagers using it will now be described in detail with reference to the accompanying drawings in which - FIG. 1 shows in the form of a block diagram the acousto-optic multi-beam deflector of the invention; - Fig. 2 shows in the form of a block diagram the infrared imager using the acousto-optic multi-beam deflector of FIG. 1; and - Fig. 3 is a variant of the image reconstruction device different from that of FIG. 2
Referring first to FIG. 1, the reference number 22 designates an acousto-optical deflector, in germanium for example. It is crossed by an optical beam 12 and has an input to which an electrical signal is applied which by a set of electrodes is transformed into an acoustic wave. DAOs are well known in the art and are for example described in the book "Acoustic Surface Wave and Acoustic Optic Devices" Edited by Thomas Kallard, Optosonic
Press, New-York, September 1971.

Pour l'activation du D.A.O., le signal de départ est un créneau périodique de-fréquence 500 kHz produit par le générateur de créneaux 231 ; sa composition spectrale est une suite de pics à 500 kHz, 1,5 NHz, 2,5 MHz, etc... dont l'amplitude varie comme l'inverse de la fréquence. Cette variation d'amplitude est compensée par un filtre 232 à gain croissant avec la fréquence qui égalise les intensités des harmoniques jusqu'à 5 MHz. Le signal ainsi produit est mélangé dans un mélangeur amplificateur 234 au signal produit par un oscillateur 233 à 40 MHz : les fréquences générées sont donc... For the activation of the D.A.O., the starting signal is a periodic slot of frequency 500 kHz produced by the generator of slots 231; its spectral composition is a series of peaks at 500 kHz, 1.5 NHz, 2.5 MHz, etc ... whose amplitude varies as the inverse of the frequency. This variation in amplitude is compensated by a filter 232 with increasing gain with the frequency which equalizes the intensities of the harmonics up to 5 MHz. The signal thus produced is mixed in an amplifier mixer 234 with the signal produced by an oscillator 233 at 40 MHz: the frequencies generated are therefore ...

38,5 MHz, 39,5 MHz, 40,5 MHz, 41,5 MHz...38.5 MHz, 39.5 MHz, 40.5 MHz, 41.5 MHz ...

Ce signal est ensuite amplifié et infecté dans le trans dupeur acousto-optique du D.A.O. This signal is then amplified and infected in the acousto-optical trans duper of the D.A.O.

Sur la Fig. 1, on a tracé au dessus et au dessous des blocs 231-234 le signal et le spectre dans chaque bloc. In Fig. 1, the signal and the spectrum in each block have been traced above and below the blocks 231-234.

En se référant maintenant à la Fig. 2, le numéro de référence 1 désigne un laser émetteur, continu ou pulsé, et le numéro de référence 2 désigne un laser oscillateur local continu. Ces deux lasers sont asservis en fréquence et émettent respectivement un faisceau de balayage 11 et un faisceau oscillateur local 12 ayant la meme fréquence
Le laser 1 peut être un laser à C02 d'une puissance d'environ 3 watts à 10,6 pu. Referring now to FIG. 2, the reference number 1 designates an emitting laser, continuous or pulsed, and the reference number 2 designates a continuous local oscillating laser. These two lasers are frequency controlled and respectively emit a scanning beam 11 and a local oscillating beam 12 having the same frequency
The laser 1 can be a CO 2 laser with a power of approximately 3 watts at 10.6 pu.

Le faisceau de balayage ll est renvoyé par un miroir 13 sur une lentille cylindrique 14 puis sur un miroiroscillant 15. The scanning beam 11 is returned by a mirror 13 to a cylindrical lens 14 and then to an oscillating mirror 15.

La lentille cylindrique 14 donne au faisceau une forme plate qui permet l'illumination de la cible 16 par lignes horizontales entières. Le miroir oscillant 15 assure le balayage vertical.The cylindrical lens 14 gives the beam a flat shape which allows the illumination of the target 16 by entire horizontal lines. The oscillating mirror 15 ensures vertical scanning.

Un séparateur de faisceau 17 renvoie une partie du faisceau de balayage Il de-retour de la cible sur un détecteur quadratique 19 à travers deux lentilles de focalisation 18 et 20.A beam splitter 17 returns part of the scanning beam II back from the target to a quadratic detector 19 through two focusing lenses 18 and 20.

Le faisceau oscillateur local 12 est renvoyé par un miroir 21 sur un déflecteur acousto-optique (D.A.O.) 22, un cristal de germanium par exemple. Ce déflecteur reçoit d'un générateur 23 une pluralité de signaux développant des ondes acoustiques de fréquence fi ; il émet donc une pluralité de faisceaux ... 25i l 25il 25i+1 ... de fréquences respectives U+ fi l j+ fi X+ fillt Ces faisceaux sont renvoyés sur le détecteur 19 à travers la lentille 24 et le séparateur de faisceaux 26. La lentille 20 permet de concentrer tous les faisceaux (de balayage et d'oscillateur local) sur le photodétecteur 19 qui est unique. The local oscillator beam 12 is returned by a mirror 21 to an acousto-optic deflector (D.A.O.) 22, a germanium crystal for example. This deflector receives from a generator 23 a plurality of signals developing acoustic waves of frequency fi; it therefore emits a plurality of beams ... 25i l 25il 25i + 1 ... of respective frequencies U + fi l j + fi X + fillt These beams are returned to the detector 19 through the lens 24 and the beam splitter 26. The lens 20 makes it possible to concentrate all the beams (scanning and local oscillator) on the photodetector 19 which is unique.

Chaque point d'une ligne de la cible correspond à un faisceau composant particulier de faisceau de balayage allant vers ce point et en revenant et donc à un faisceau particulier du faisceau local 10 de balayage allant vers le photodétecteur 19. Le faisceau interfère avec un faisceau particulier de la pluralité de faisceaux 25i, de fréquence)+ fi. f.. La détection heterodyne fait ainsi correspondre une fréquence f. à un point d'une ligne de l'image. Each point of a line of the target corresponds to a particular component beam of scanning beam going towards this point and returning and therefore to a particular beam of the local scanning beam 10 going towards the photodetector 19. The beam interferes with a beam particular of the plurality of beams 25i, of frequency) + fi. f .. Heterodyne detection thus corresponds to a frequency f. at a point on a line in the image.

Le D.A.O. 22 se trouve dans la voie de l'oscillateur local ; ceci a deux avantages - la puissance optique défléchie par le D.A.O. dans cette voie peut etre faible (quelques mW),en effet la puissance optique intervenant dans le bilan de liaison-est celle transitant par la voie du signal qui se chiffre en WYO Ceci permet de n'appliquer qu'une faible puissance acoustique au D.A.O. et de s'assurer des conditions de fonctionnement linéaires nécessaires pour que la somme des fréquences acoustiques produise effectivement plusieurs faisceaux.De plus des déformations des faisceaux optiques apparaissent généralement aux fortes puissances acoustiques, ce qui n'est pas le cas ici - le laser illuminateur peut etre différent du laser oscillateur local comme on l'a représenté sur la Fig. I,ce qui permet d'utiliser un laser pulsé comme illuminateur et un laser continu comme oscillateur local comme il est classique. Mais dans les systèmes classiques la cadence du laser pulsé est limitée à environ 50 kHz ; ces systèmes ont donc un débit de 50 000 points par seconde ; ici, si l'on produit 20 faisceaux la cadence devient 106 points par seconde ce qui permet d'augmenter le nombre d'images produites par seconde avec un laser pulsé. The D.A.O. 22 is in the local oscillator path; this has two advantages - the optical power deflected by the D.A.O. in this channel can be weak (a few mW), in fact the optical power intervening in the link budget-is that passing through the signal channel which is encrypted in WYO This allows to apply only a low acoustic power to the D.A.O. and to ensure the linear operating conditions necessary for the sum of the acoustic frequencies to effectively produce several beams. In addition, deformations of the optical beams generally appear at high acoustic powers, which is not the case here - the laser illuminator may be different from the local oscillator laser as shown in Fig. I, which makes it possible to use a pulsed laser as an illuminator and a continuous laser as a local oscillator as is conventional. But in conventional systems the rate of the pulsed laser is limited to around 50 kHz; these systems therefore have a throughput of 50,000 points per second; here, if 20 beams are produced, the rate becomes 106 points per second, which makes it possible to increase the number of images produced per second with a pulsed laser.

Le photodétecteur 19 produit un signal de sortie qui estle spectre d'uneligm del'imåge-. L'analyse spectrale du signal de sortie du photodétecteur peut etre faite par tout procédé connu d'analyse spectrale. La Fig. 2 représente un diagramme de blocs d'un tel système d'analyse spectrale utilisant un D.A.O. The photodetector 19 produces an output signal which is the spectrum of a single image. Spectral analysis of the photodetector output signal can be done by any known process of spectral analysis. Fig. 2 shows a block diagram of such a spectral analysis system using a D.A.O.

Ce système d'analyse spectrale comprend un laser au
He - Ne 30 illuminant un déflecteur acousto-optique 31. Ce D.A.O. reçoit une onde acoustique créée par le signal de sortie du photodétecteur 19, amplifié par l'amplificateur 31. This spectral analysis system includes a laser at
He - Ne 30 illuminating an acousto-optical deflector 31. This DAO receives an acoustic wave created by the output signal from the photodetector 19, amplified by the amplifier 31.

Le faisceau de sortie du D.A.O. est dévié le long d'une barrette de photodétecteurs33 qui sont chacun connectés à une cellule d'un registre de dispositifs à charges couplées 34. The D.A.O. is deflected along a strip of photodetectors33 which are each connected to a cell of a register of coupled load devices 34.

Ce registre 34 donne sous forme analogique les lignes successives de l'image. This register 34 gives in analog form the successive lines of the image.

Dans le Fig. 3, on a représenté de nouveau la lentille 18, le déflecteur acousto-optique 22 et le séparateur de faisceaux 26. Le photodétecteur 19 et la lentille 20 sont supprimées. Une barrette de photodétecteur 35 remplace le photodétecteur unique 19. In Fig. 3, the lens 18, the acousto-optical deflector 22 and the beam splitter 26 have been shown again. The photodetector 19 and the lens 20 are eliminated. A photodetector strip 35 replaces the single photodetector 19.

Chaque détecteur de la barrette est conjugué d'un point de la ligne éclairée par la lentille cylindrique 14 et reçoit un faisceau issu du déflecteur acousto-optique,
Le détecteur n i de la barrette produit donc un signal à une seule fréquence f. résultat du battement entre les faisceaux à la fréquence(fi+4) et , Les signaux de chacun des détecteurs sont ensuite amplifiés et filtrés séparément dans l'amplificateur et filtre 36. L'image est ensuite reconstituée en 37 comme dans les systèmes infrarouges classiques à balayage parallèle.Each detector of the strip is conjugated with a point of the line illuminated by the cylindrical lens 14 and receives a beam coming from the acousto-optical deflector,
The detector ni of the strip therefore produces a signal at a single frequency f. result of the beat between the beams at the frequency (fi + 4) and, The signals from each of the detectors are then amplified and filtered separately in the amplifier and filter 36. The image is then reconstructed at 37 as in conventional infrared systems parallel scanning.

Ce système présente les avantages suivants
ème - la coincidence du faisceau f. + avec le i - détecteur peut etre ajustée en jouant sur la fréquence f. This system has the following advantages
th - coincidence of the beam f. + with the i - detector can be adjusted by playing on the frequency f.

- les détecteurs travaillant à des fréquences différentes les intermodulations peuvent etre réduites par filtrage fréquent iel
L'invention permet notamment l'utilisation d'un laser guide d'onde et d'un D,A.O, utilisant des ondes de surface - detectors working at different frequencies, intermodulations can be reduced by frequent filtering
The invention allows in particular the use of a waveguide laser and a D, AO, using surface waves

Claims

1 - Imaging system comprising laser means emitting a scanning beam and a local oscillating beam, means of scanning with said scanning beam a target and of collecting a return beam reflected or scattered by said target, a response photodetector quadratic receiving the return beam and the local oscillating beam and carrying out the heterodyne detection of these two beams, characterized in that it further comprises means (14) for converting the scanning beam into a flat beam scanning the target (16 ) by whole lines, the flat return beam being formed of a plurality of elementary return beams, and, interposed on the local oscillator beam (12), an acousto-optic deflector (22) and means (23) applying to said acoustooptic deflector a plurality of acoustic waves having equidistributed frequencies from which it follows that the acoustooptic deflector emits a plurality of weak seals (25i) respectively conjugated with the elementary beams composing the flat return beam (read).

2 - Imaging system according to claim 1, characterized in that the photodetector (19) performing heterodyne detection is unique and that the system comprises means for spectral analysis of the output signal of said photodetector.

3 - Imaging system according to claim 2, characterized in that the means for spectral analysis of the output signal from the photodetector (19) comprises a laser (30), an acousto-optical deflector (31) receiving the product beam by said laser and the output signal of the photodetector from which it follows that the output beam of the acoustooptical deflector is deflected, a strip of photodetectors (33) scanned by said output beam and a strip of coupled load devices (34) the devices of which are respectively connected to the photodetectors of the strip (33).

4 - Imaging system according to claim 1, characterized in that the photodetector (35) performing heterodyne detection is composed of a plurality of elementary photodetectors each receiving the heterodyne signal at a particular frequency and that said elementary photodetectors are respectively connected to amplifiers and filters (36).

5 - Imaging system according to claim 1, characterized in that the laser means emitting a scanning beam and a local oscillating beam comprise: a scanning laser (1) with pulses and a local oscillating laser (2) operating continued.

6 - Acousto-optic deflector comprising an acousto-optic crystal (22) characterized in that it is actuated by a plurality of signals at distinct frequencies produced by a generator (23) developing in said acousto-optic crystal a plurality of waves acoustic.

7 - acousto-optic deflector according to claim 6, characterized in that the signals with distinct frequencies are signals with equally distributed frequencies.