FR2731079A1 - Lidar homodyne - Google Patents

Abstract

Le lidar comporte un laser (1) pour émettre un faisceau vers des moyens d'émission-réception (3) et des moyens d'aiguillage (2) pour aiguiller une partie du faisceau d'émission vers des moyens détecteurs (4) et pour aiguiller le faisceau de réception rétrodiffusé par une cible vers les moyens détecteurs (4), laser (1) étant agencé pour fournir des impulsions présentant une décroissance temporelle limitée. - Application en télémétrie.

Description

Lidar homodyne.

Un lidar, sigle des termes anglais Light Detection And Ranging signifiant "détection et télémétrie optique", est donc l'équivalent, dans le domaine optique, d'un radar. Un lidar utilise une source optique, en général un laser, et comporte un bloc télescope d'émission-réception et un capteur recevant le rayonnement optique renvoyé, ou rétrodiffusé, par une cible.

Les lidars sont utilisés notamment en télémétrie, anémométrie, spectroscopie.

Pour effectuer une mesure, dans le cas de lidars cohérents, le rayonnement optique reçu en retour est mélangé à celui issu d'un oscillateur local, à fréquence pure et stable, pour, par battement, éliminer la fréquence porteuse et ne conserver qu'une onde à faible fréquence, plus facilement détectable. La variation de fréquence de cette onde indique par exemple, par effet Doppler, la vitesse radiale de la cible.

La précision et la stabilité des deux rayonnements mélangés déterminent la précision des mesures.

On connaît deux types principaux de lidar cohérents.

Dans le premier type, à détection hétérodyne, un laser continu sert d'oscillateur local pour foumir en permanence un rayonnement de référence, tandis qu'un laser transverse électrique ou du type "Q-switch" émet des impulsions de forte puissance crête vers la cible.

On rappellera qu'un laser Q-switch est un laser continu dont on peut moduler les pertes optiques pour lui faire émettre des impulsions.

Les lidars de ce premier type présentent l'inconvénient de nécessiter deux lasers, dont il faut stabiliser la fréquence. Leurs coût et complexité sont élevés et les servitudes sont nombreuses asservissement en fréquence, refroidissement, isolation optique. Dans le cas des lasers Q-Switch, la faible durée d'émission limite la résolution spectrale, tandis que la faible puissance crête limite la portée.

C'est sur les lidars du second type, à détection homodyne, que porte l'invention. Ces lidars comportent un unique laser, dont une partie du rayonnement est émise et dont l'autre partie sert de rayonnement d'oscillateur local. Le laser peut être à fonctionnement continu. Dans ce cas il doit être refroidi, et sa faible puissance induit une portée limitée. Le laser peut aussi être à fonctionnement impulsionnel, comme le laser Q-switch du lidar du second type de la demande de brevet EP-432 887.

Le laser Q-switch de cet art antérieur émet des impulsions débutant par un pic d'énergie optique très important, suivi d'une traîne à très bas niveau. Un modulateur optique temporel commute l'émission du laser vers le télescope sur un mélangeur alimentant le récepteur dès la fin du pic, afin que la traîne serve d'oscillateur local. Un tel lidar a une portée limitée par la longueur de la traîne et par la puissance optique des impulsions et il nécessite un asservissement de fréquence et un refroidissement. Sa résolution spectrale est limitée par la durée relativement courte des impulsions et, en outre, il est susceptible de subir une altération de fréquence pendant l'impulsion, due au procédé de déclenchement.

L'invention vise à pallier les inconvénients, mentionnés ci-dessus, que présentent les lidars homodynes à laser impulsionnel.

A cet effet, I'invention concerne un lidar comportant un laser pour émettre un faisceau vers des moyens d'émission-réception et des moyens d'aiguillage pour aiguiller une partie du faisceau d'émission vers des moyens détecteurs et pour aiguiller le faisceau de réception rétrodiffusé par une cible vers les moyens détecteurs, caractérisé par le fait que le laser est un laser agencé pour fournir des impulsions présentant une décroissance temporelle limitée.

Ainsi, on peut disposer d'impulsions relativement longues, foumissant une bonne résolution fréquentielle de la mesure.

Comme l'impulsion d'un tel laser ne présente pas de pic initial très important, aucun commutateur temporel n'est requis. De plus, comme l'excitation du laser est impulsionnelle, aucun refroidissement n'est nécessaire.

L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description suivante de la forme de réalisation préférée du lidar de l'invention et de deux variantes, en référence au dessin annexé, sur lequel: - la figure 1 est une représentation schématique de la forme de réalisation préférée du lidar, - la figure 2 est une représentation schématique de la première variante, - la figure 3 est une représentation schématique de la seconde variante et - les figures 4 et 5 représentent respectivement, en fonction du temps t,
I'intensité des faisceaux émis et reçu en retour.

Le lidar de la figure 1 comporte un laser 1, ici transverse électrique (TE), pour émettre un faisceau vers un télescope 3 d'émission-réception, et un circuit d'aiguillage 2 pour aiguiller, vers un récepteur 4, une partie du faisceau d'émission ainsi qu'un faisceau de réception rétrodiffusé par une cible atteinte par le faisceau d'émission.

Le circuit d'aiguillage 2 comporte un modulateur acousto-optique 11 recevant le faisceau d'émission issu du laser TE 1 et foumissant deux faisceaux dans des ordres de diffraction différents, ici voisins et d'ordres respectifs 0 et 1, c'est-à-dire sortant selon des directions différentes l'une de l'autre. On a ici choisi une détection hétérodyne, si bien que le décalage de fréquence entre les faisceaux d'ordre 0 et 1 est voulu et n'est pas compensé.

Dans cet exemple, le faisceau d'ordre 0 traverse un séparateur de polarisation 12, une lame quart d'onde 13 et le télescope ,3, comportant, en entrée, un sous-ensemble optique équivalent à une lentille divergente 17 dilatant le faisceau émis et, en sortie, un sous-ensemble optique équivalent à une lentille convergente 18 supprimant la divergence du faisceau.

Le faisceau d'ordre 1 est, ici, réorienté par un miroir 14 avant d'atteindre une lame séparatrice 15, qui le renvoie sur le détecteur 4 à travers une lentille de focalisation 16.

La lame séparatrice 15 est disposée de façon à mélanger le faisceau rétrodiffusé par la cible, qui traverse le télescope 3, la lame 13 et qui est défléchi par le séparateur de polarisation 12 du fait de la rotation ou gyration de polarisation engendrée par la lame quart d'onde 13, au faisceau d'ordre 1 utilisé comme oscillateur local.

Le fonctionnement du lidar va maintenant être expliqué en référence aux figures 4 et 5.

Le laser 1 est déclenché à un instant TO et émet une impulsion le, représentée très schématiquement, de durée T, suivie d'une traine ne présentant pas d'intérêt pour l'invention. On a ici choisi un laser TE à longue durée d'impulsion, c'est-à-dire d'au moins 5 microsecondes.

Les faisceaux d'ordre 0 et d'ordre 1 ont la forme temporelle de l'impulsion le, le faisceau d'ordre 0 ayant une énergie nettement plus élevée que celle du faisceau d'ordre 1, qui sert d'oscillateur local.

Le faisceau Ir rétrodiffusé par la cible ne peut, de par la présence du séparateur 3, perturber le laser 1. Le faisceau Ir présente aussi la forme du faisceau le, avec un retard T1-TO proportionnel à la distance de la cible, et se termine à l'instant T3. La durée T2-T1 du recouvrement temporel des impulsions le et Ir est relativement longue, ce qui permet de déterminer avec précision la fréquence du signal de battement créé, avant détection électronique, par le récepteur 4 à partir des deux faisceaux qu'il reçoit.

Comme le faisceau émis et le faisceau d'oscillateur local proviennent du même laser, la dérive en fréquence de celui d'une impulsion à une suivante, n'intervient pas, ce qui évite tout besoin de le stabiliser en fréquence.

L'échauffement du laser 1 étant limité, il peut fonctionner à l'ambiante.

On remarquera que l'on peut choisir d'autres configurations pour ce qui est du choix des ordres de diffraction. Par exemple, on peut envoyer directement, sans utiliser le miroir 14, le faisceau d'ordre 0 sur la lame séparatrice 15 et envoyer une faisceau dévié, d'ordre 1 par exemple, vers le télescope 3.

D'une façon générale, le faisceau issu du laser 1 et les deux faisceaux foumis par le modulateur 11 peuvent tous les trois avoir une fréquence spécifique.

La première variante de réalisation correspond encore à une détection hétérodyne et les éléments de la figure 2 homologues de ceux de la figure 1 portent la même référence que ceux-ci et ne seront donc pas décrits à nouveau.

Dans cette variante, le sous-ensemble télescope émission-réception est séparé en deux télescopes 23, 24 distincts, I'un servant à l'émission du faisceau du lidar vers la cible, I'autre servant à la réception du signal rétrodiffusé par la cible.

Dans cette variante, on peut envoyer directement le faisceau d'ordre 0 sur le premier télescope 23 sans utiliser le séparateur de polarisation 12 et la lame 13. Le faisceau d'ordre 1, quand à lui, est aiguillé par l'intermédiaire du miroir 14 vers le détecteur 4 après avoir traversé la lame séparatrice 15 qui aiguille également vers le détecteur 4 le faisceau rétrodiffusé par la cible et collecté par le second télescope 24.

Le fonctionnement du lidar de cette variante est le même que celui exposé cidessus, à la différence près que les trajets optiques des faisceaux le et Ir sont optiquements séparés.

Afin d'effectuer une détection homodyne, le modulateur 22 peut être omis et remplacé par une lame séparatrice qui n'induit aucun décalage de fréquence entre le faisceau émis vers la cible et le faisceau servant d'oscillateur local.

Dans la seconde variante, le circuit d'aiguillage 25 de la figure 3 ne comporte pas de trajet spécifique pour le faisceau servant d'oscillateur local, si bien que les éléments 11, 14 et 15 sont omis. Le faisceau d'oscillateur local est engendré par réflexion d'une partie du faisceau d'émission, après traversée du séparateur 12 et de la lame quart d'onde 13. Ici, c'est la lentille 17 qui est légèrement réfléchissante et qui constitue, pour le faisceau d'émission et avant son émission par le télescope 3, un obstacle, qui renvoie, dès le début de l'impulsion, une partie de ce faisceau vers le récepteur 4. Il peut être prévu, sur la lentille 17, une couche d'adaptation d'indice pour régler le taux de réflexion.

De même, on aurait pu prévoir de métalliser une zone restreinte de la lentille 17, servant de miroir, afin de régler très simplement le taux de réflexion.

La lentille 17 est ainsi fonctionnellement partagée entre le circuit d'aiguillage 25 et le télescope 3. Il aurait pu être prévu que ce soit la face de sortie de la lame quart d'onde 13, située en regard de la lentille 17, qui assure la réflexion partielle ci-dessus.

En l'absence de moyens de décalage de fréquence entre le faisceau d'émission et le faisceau d'oscillateur local, on peut cependant laisser se développer et même favoriser la dérive croissante de fréquence du laser I pendant l'impulsion, souvent désignée par le mot anglais chirp (gazouillis). On peut ainsi effectuer une détection hétérodyne puisque le faisceau rétrodiffusé par la cible a été engendré avant celui servant d'oscillateur local et présente ainsi, à chaque instant, une dérive de fréquence moindre que celle du faisceau oscillateur local.

D'une façon générale, on peut utiliser tout laser foumissant des impulsions suffisamment longues pour obtenir un temps de recouvrement suffisant entre l'impulsion émise et celle reçue en retour. L'amplitude instantanée de chaque impulsion doit évoluer de façon limitée, c'est-à-dire ne pas présenter de pic initial très important par rapport à une traîne à très bas niveau, c'est-à-dire que l'impulsion doit présenter une décroissance temporelle limitée, permettant de l'exploiter sur une durée relativement longue. On peut, en particulier, songer à un laser à l'état solide, des diodes laser et un laser YAG.

Claims (11)

REVENDICATIONS

1. Lidar comportant un laser (1) pour émettre un faisceau vers des moyens d'émission-réception (3) et des moyens d'aiguillage (2; 20; 25) pour aiguiller une partie du faisceau d'émission vers des moyens détecteurs (4) et pour aiguiller le faisceau de réception rétrodiffusé par une cible vers les moyens détecteurs (4), caractérisé par le fait que le laser (1) est un laser agencé pour foumir des impulsions présentant une décroissance temporelle limitée.

2. Lidar selon la revendication 1, dans lequel les moyens d'aiguillage (2; 20; 25) comportent des moyens séparateurs de polarisation (12) associés à des moyens gyrateurs de polarisation (13).

3. Lidar selon l'une des revendications 1 et 2, dans lequel les moyens d'aiguillage (2) comportent un modulateur acousto-optique (11) agencé pour recevoir le faisceau d'émission.

4. Lidar selon la revendication 3, dans lequel le modulateur (11) est agencé pour séparer le faisceau d'émission en deux faisceaux de fréquences décalées.

5. Lidar selon la revendication 4, dans lequel le modulateur acousto-optique (11) est agencé pour fournir les deux faisceaux dans des directions de diffraction d'ordres voisins.

6. Lidar selon la revendication 1, dans lequel les moyens d'aiguillage (25) comprennent des moyens (13, 17) agencés pour retoumer une partie du faisceau d'émission avant d'être aiguillée vers les moyens détecteurs (4).

7. Lidar selon la revendication 6, dans lequel les moyens d'émission-réception (3) sont agencés (17) pour rétrodiffuser ladite partie du faisceau d'émission.

8. Lidar selon la revendication 9, dans lequel les moyens d'émission-réception (3) comportent une lentille de rétrodiffusion (17).

9. Lidar selon l'une des revendications 1 à 8, dans lequel le laser est un laser traverse électrique.

10. Lidar selon l'une des revendications 1 à 8, dans lequel le laser est un laser

YAG.

11. Lidar selon l'une des revendications 1 à 8, dans lequel le laser est un laser à l'état solide.