FR2735935A1 - CCD for atmospheric lidar - Google Patents
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Abstract
Description
DISPOSITIF A COUPLAGE DE CHARGES ADAPTE A L'ACQUISITION
RAPIDE D'UN SIGNAL LUMINEUX, ET SON
APPLICATION DANS UN LIDAR
La présente invention concerne un dispositif à couplage de charges pour analyser temporellement un signal lumineux, ainsi qu'un lidar incorporant un tel dispositif.LOAD COUPLING DEVICE SUITABLE FOR ACQUISITION
FAST OF A LIGHT SIGNAL, AND ITS
APPLICATION IN A LIDAR
The present invention relates to a charge coupled device for temporally analyzing a light signal, as well as a lidar incorporating such a device.
Un dispositif à couplage de charges (CCD) selon l'invention trouve des applications dans tout système de mesure de distance par réflexion d'impulsions lumineuses (lidar) de résolution spatiale moyenne (typiquement d'au moins d'une centaine de mètres). En particulier, les lidars spatiaux mesurant des impulsions lumineuses réfléchies sur des particules atmosphériques avec une résolution de l'ordre du kilomètre peuvent incorporer un CCD selon l'invention. A charge coupled device (CCD) according to the invention finds applications in any distance measurement system by reflection of light pulses (lidar) of average spatial resolution (typically at least a hundred meters). In particular, space lidars measuring light pulses reflected on atmospheric particles with a resolution of the order of a kilometer can incorporate a CCD according to the invention.
Un premier type de lidar, dit lidar atmosphérique, permet de déterminer la position des nuages à partir de mesures de temps de vol des impulsions émises et rétroréfléchies par la surface des nuages. Un tel lidar a habituellement pour détecteur une photodiode à avalanche associée à un dispositif de multiplication électronique. A first type of lidar, called atmospheric lidar, makes it possible to determine the position of the clouds from time-of-flight measurements of the pulses emitted and retroreflected by the surface of the clouds. Such a lidar usually has an avalanche photodiode associated with an electronic multiplication device as its detector.
Les lidars vents sont un deuxième type de lidars spatiaux qui, en plus de la mesure de distance, effectuent pour chaque altitude une mesure locale de vent en tenant compte de l'effet Doppler (prise en compte de la vitesse du satellite qui est connue et de la vitesse de la masse d'air que l'on cherche à évaluer). Pour cela un lidar vent doit donc résoudre le spectre de longueur d'onde du signal réfléchi. Du fait de l'étalement du spectre sur plusieurs canaux de longueur d'onde, le nombre de photons captés peut être extrêmement faible. La précision de mesure nécessitant un rapport signal à bruit suffisant, il faudra que le bruit de rnesuré so ciüasiment nul et la détectivité maximale. Wind lidars are a second type of space lidars which, in addition to distance measurement, carry out for each altitude a local wind measurement taking into account the Doppler effect (taking into account the speed of the satellite which is known and the speed of the air mass we are trying to assess). For this, a wind lidar must therefore resolve the wavelength spectrum of the reflected signal. Due to the spread of the spectrum over several wavelength channels, the number of photons captured can be extremely small. Since the measurement accuracy requires a sufficient signal-to-noise ratio, the measurement noise must be almost zero and maximum detectivity.
Le besoin de détection multi-canaux condamne lemploi de photodiodes à avalanche. Les détecteurs utilisés devront être des détecteurs multi-éléments éventuellement associés à un dispositif d'amplification électronique de type "galettes de micro-canaux (MCP, "Multi-Channel Plates"). Des
MCP associés à des anodes multiples existent, mais ils ont pour inconvénient majeur de présenter des zones mortes entre les anodes, ce qui réduit la sensibilité, et de nécessiter autant de chaines de traitement de signal qu'il y a d'anodes, ce qui rend le système lourd et complexe.The need for multi-channel detection condemns the use of avalanche photodiodes. The detectors used must be multi-element detectors possibly associated with an electronic amplification device of the “micro-channel pancakes” type (MCP, “Multi-Channel Plates”).
MCP associated with multiple anodes exist, but they have the major drawback of having dead zones between the anodes, which reduces the sensitivity, and of requiring as many signal processing chains as there are anodes, which makes the system heavy and complex.
On connaît des applications où des CCD sont utilisés à bord de véhicules spatiaux pour réaliser des mesures de distances par rétroréflexion d'impulsions lumineuses. On connaît notamment des systèmes de mesure de position permettant de réaliser un rendez-vous dans l'espace entre un véhicule chasseur muni du laser et du détecteur et un véhicule cible muni de rétroréflecteurs (voir FR-A-2 602 057). Mais le contexte est assez différent de celui des mesures atmosphériques. Premièrement la résolution spatiale recherchée est beaucoup plus fine (de l'ordre de 100 fois). Applications are known where CCDs are used on board space vehicles to perform distance measurements by retroreflection of light pulses. Particularly known are position measurement systems allowing an appointment in space between a hunting vehicle provided with the laser and the detector and a target vehicle provided with retroreflectors (see FR-A-2 602 057). But the context is quite different from that of atmospheric measurements. First, the spatial resolution sought is much finer (of the order of 100 times).
Deuxièmement, le flux lumineux réfléchi est beaucoup plus important et moins diffus, car la cible est coopératrice contrairement aux particules atmosphériques.Second, the reflected light flux is much greater and less diffuse, since the target is cooperative, unlike atmospheric particles.
Un but de la présente invention est de tirer parti des avantages des détecteurs CCD dans les applications, telles que dans les lidars spatiaux, où pour une résolution moyenne en distance, on recherche une grande sensibilité au flux lumineux incident. An object of the present invention is to take advantage of the advantages of CCD detectors in applications, such as in space lidars, where for an average resolution in distance, a high sensitivity to the incident light flux is sought.
L'invention propose ainsi un dispositif à couplage de charges pour analyser temporellement un signal lumineux, comprenant une zone image constituée par une matrice de P lignes et N colonnes de sites photosensibles vers laquelle est dirigé le signal lumineux, une zone mémoire constituée par une matrice de M lignes et N colonnes de sites non photosensibles recevant les charges apparues dans la zone image pendant une période d'observation, et un registre de lecture de N sites recevant successivement les charges stockées dans les lignes de la zone mémoire. A la frontière entre la zone image et la zone mémoire, le dispositif présente une zone d'intégration comportant une ligne de N sites.Pendant la période d'observation, les charges apparues dans chaque colonne de la zone image sont transférées le long de cette colonne vers un site respectif de la zone d'intégration à une première fréquence de transfert, et accumulées dans ledit site sur une durée d'acquisition sensiblement supérieure à P fois l'inverse de la première fréquence de transfert. Pendant la période d'observation, les charges accumulées dans chaque site de la zone d'intégration sont transférées le long d'une colonne respective de la zone mémoire en direction du registre de lecture à une seconde fréquence de transfert de l'ordre de l'inverse de la durée d'acquisition. The invention thus proposes a charge coupled device for temporally analyzing a light signal, comprising an image area constituted by a matrix of P rows and N columns of photosensitive sites to which the light signal is directed, a memory area constituted by a matrix M lines and N columns of non-photosensitive sites receiving the charges which appeared in the image zone during an observation period, and a reading register of N sites successively receiving the charges stored in the lines of the memory zone. At the border between the image area and the memory area, the device presents an integration area comprising a line of N sites. During the observation period, the charges appearing in each column of the image area are transferred along this column to a respective site of the integration zone at a first transfer frequency, and accumulated in said site over an acquisition period substantially greater than P times the inverse of the first transfer frequency. During the observation period, the charges accumulated in each site of the integration zone are transferred along a respective column of the memory zone in the direction of the reading register at a second transfer frequency of the order of l 'inverse of the acquisition period.
Le CCD réalise ainsi toutes les fonctions temps réel d'acquisition, d'intégration et de mémorisation qui, dans les applications traditionnelles de comptage de photons, auraient été réalisées par un ensemble de chaînes de détection rapides et complexes. Le CCD permet donc de simplifier considérablement le système de détection, et présente en outre les avantages suivants
- efficacité quantique très élevée de l'ultraviolet au proche infrarouge, surtout pour les CCD amincis
- taux de remplissage de la surface sensible égal à 100%
- possibilité de transfert des charges à haute fréquence sur des détecteurs de surface moyenne
- possibilité d'intégration et de stockage de l'information dans la structure CCD sans dégradation en maintenant le courant de génération de charges internes à des valeurs ne dégradant pas les performances (par refroidissement et/ou en utilisant la technologie MPP (Multi
Pinned Phase))
- bruit de lecture inférieur à quelques électrons pour des fréquences moyennes de lecture des pixels (20 à 100 kHz), voire réduction de ce bruit à des valeurs inférieures à 1 électron par des méthodes non destructives de lecture multiple ("skipping") ;
- suppression du dispositif d'amplification électronique en amont du capteur.The CCD thus performs all the real-time acquisition, integration and storage functions which, in traditional photon counting applications, would have been performed by a set of fast and complex detection chains. CCD therefore considerably simplifies the detection system, and also has the following advantages
- very high quantum efficiency of the ultraviolet at near infrared, especially for thinned CCDs
- filling rate of the sensitive surface equal to 100%
- possibility of high frequency charge transfer to medium surface detectors
- possibility of integrating and storing information in the CCD structure without degradation by maintaining the current for generating internal charges at values that do not degrade performance (by cooling and / or using MPP technology (Multi
Pinned Phase))
- reading noise less than a few electrons for average pixel reading frequencies (20 to 100 kHz), or even reduction of this noise to values less than 1 electron by non-destructive methods of multiple reading ("skipping");
- removal of the electronic amplification device upstream of the sensor.
La résolution spatiale du détecteur est proportionnelle à la durée d'acquisition. Si le nombre M de lignes de la zone mémoire est au moins égal au rapport entre la durée de la période d'observation et la durée d'acquisition, la totalité des mesures relatives à une période d'observation peut être stockée dans le CCD, puis traitée ultérieurement par un système n'ayant pas les mêmes contraintes de rapidité. The spatial resolution of the detector is proportional to the duration of acquisition. If the number M of lines in the memory area is at least equal to the ratio between the duration of the observation period and the acquisition duration, all of the measurements relating to an observation period can be stored in the CCD, then processed subsequently by a system that does not have the same speed constraints.
Un lidar selon l'invention comprend une source lumineuse impulsionnelle telle qu'un laser, et un système de détection, comportant un dispositif à couplage de charges tel que défini ci-dessus, disposé pour recevoir des échos réfléchis des impulsions lumineuses émises par la source. A lidar according to the invention comprises a pulse light source such as a laser, and a detection system, comprising a charge coupled device as defined above, arranged to receive reflected echoes of the light pulses emitted by the source. .
S'il s'agit d'un lidar vent, le système de détection comporte en outre un filtre optique agencé pour diriger vers différentes colonnes de la zone image du CCD des composantes spectrales de longueur d'onde différentes des échos des impulsions lumineuses. On peut alors traiter jusqu'à N canaux de longueur d'onde différents.In the case of a wind lidar, the detection system further comprises an optical filter arranged to direct spectral components of different wavelengths of the echoes of the light pulses to different columns of the CCD image area. We can then process up to N different wavelength channels.
D'autres particularités et avantages de la présente invention apparaîtront dans la description ci-après d'un exemple de réalisation préféré mais non limitatif, en référence aux dessins annexés, dans lesquels
- la figure 1 est un schéma synoptique d'un lidar conforme à la présente invention
- la figure 2 est une vue en plan schématique d'un
CCD selon l'invention
- la figure 3 montre un exemple de chronogramme des signaux de commande appliqués à différents sites du CCD de la figure 2
- les figures 4 et 5 sont des schémas illustrant le transfert des charges dans le CCD de la figure 2 ; et
- la figure 6 montre schématiquement un satellite en orbite équipé d'un lidar selon l'invention.Other features and advantages of the present invention will appear in the description below of a preferred but nonlimiting embodiment, with reference to the accompanying drawings, in which
- Figure 1 is a block diagram of a lidar according to the present invention
- Figure 2 is a schematic plan view of a
CCD according to the invention
- Figure 3 shows an example timing diagram of the control signals applied to different CCD sites in Figure 2
- Figures 4 and 5 are diagrams illustrating the transfer of charges in the CCD of Figure 2; and
- Figure 6 schematically shows an orbiting satellite equipped with a lidar according to the invention.
Le lidar représenté sur la figure 1 comprend une source 10 d'impulsions lumineuses et un système de détection comprenant une optique de plan focal 12 et un capteur CCD 14. The lidar shown in FIG. 1 comprises a source 10 of light pulses and a detection system comprising a focal plane optics 12 and a CCD sensor 14.
La source 10 est par exemple constituée par un laser de type
Nd-YAG émettant des impulsions de durée très courte (typiquement 20 à 30 ns). La longueur d'onde d'émission est par exemple de 355 ou 532 nm. Les impulsions ont par exemple une énergie d'un joule et une cadence de répétition de 10 Hz.The source 10 is for example constituted by a laser of the type
Nd-YAG emitting pulses of very short duration (typically 20 to 30 ns). The emission wavelength is for example 355 or 532 nm. The pulses have for example an energy of one joule and a repetition rate of 10 Hz.
L'optique 12 reçoit les impulsions lumineuses émises par la source 10 et rétroréfléchies sur un milieu distant, et les dirige vers la zone image du CCD 14. Une optique relais 18 focalise le signal lumineux reçu sur la zone image du cCD 14, et un filtre interférentiel 16 distribue les composantes spectrales de longueurs d'onde différentes du signal reçu vers différentes colonnes de la zone image du CCD 14. Le filtre 16 peut être de type Fabry-Pérot ou de type Fizeau.The optics 12 receives the light pulses emitted by the source 10 and retroreflected on a distant medium, and directs them towards the image area of the CCD 14. A relay optics 18 focuses the light signal received on the image area of the cCD 14, and a interference filter 16 distributes the spectral components of different wavelengths of the received signal to different columns of the image area of the CCD 14. The filter 16 can be of the Fabry-Perot type or of the Fizeau type.
Le CCD 14 a la structure représentée schématiquement sur la figure 2. Sa zone image 20 se présente comme une matrice de P lignes et N colonnes de sites photosensibles sur laquelle le signal lumineux reçu est focalisé (P=N=16 dans l'exemple représenté). Dans le sens du transfert des charges (du haut vers le bas sur la figure 2), la zone image 20 est suivie par une zone d'intégration 22 constituée par une ligne de N sites, par une zone mémoire 24 constituée par une matrice de M lignes et N colonnes de sites non photosensibles (M=32 dans l'exemple représenté), et par un registre de lecture 26 constitué par une ligne de N sites.Les transferts de charges dans la zone image 20, dans la zone d'intégration 22, dans la zone mémoire 24 et dans le registre de lecture 26 sont commandés par des signaux respectifs + ", délivrés par un générateur 28 de signaux d'horloge. Le générateur 28 est cadencé par un séquenceur 30 synchronisé sur les instants d'émission des impulsions par la source 10. The CCD 14 has the structure shown schematically in FIG. 2. Its image area 20 is presented as a matrix of P lines and N columns of photosensitive sites on which the received light signal is focused (P = N = 16 in the example shown ). In the direction of charge transfer (from top to bottom in Figure 2), the image area 20 is followed by an integration area 22 formed by a line of N sites, by a memory area 24 formed by a matrix of M rows and N columns of non-photosensitive sites (M = 32 in the example shown), and by a reading register 26 constituted by a row of N sites. Charge transfers in the image area 20, in the area of integration 22, in the memory area 24 and in the read register 26 are controlled by respective signals + ", delivered by a generator 28 of clock signals. The generator 28 is clocked by a sequencer 30 synchronized on the instants of emission of pulses by the source 10.
Les charges délivrées en série depuis le registre de lecture 26 sont fournies à un étage 32 de lecture et d'amplification qui met en forme les mesures pour un système numérique 34 d'interprétation et de traitement des mesures.The charges delivered in series from the reading register 26 are supplied to a reading and amplification stage 32 which formats the measurements for a digital system 34 for interpreting and processing the measurements.
Le séquenceur 30 définit après chaque émission d'une impulsion dans la source 10 une période d'observation correspondant à une fenêtre temporelle pendant laquelle les échos réfléchis sont susceptibles de parvenir au système de détection. Au cours de cette période d'observation, le CCD 14 est commandé pour mesurer et stocker le signal optique reçu. Après la fin de la période d'observation, et avant le début de la période d'observation relative à la prochaine impulsion laser, le séquenceur 30 a le temps de commander la lecture du contenu du registre 26. The sequencer 30 defines after each emission of a pulse in the source 10 an observation period corresponding to a time window during which the reflected echoes are likely to reach the detection system. During this observation period, the CCD 14 is controlled to measure and store the received optical signal. After the end of the observation period, and before the start of the observation period relating to the next laser pulse, the sequencer 30 has the time to command the reading of the content of the register 26.
La résolution spatiale du CCD est donnée par une durée d'acquisition T correspondant à l'inverse de la fréquence F de transfert de charges dans la zone mémoire 24. The spatial resolution of the CCD is given by an acquisition duration T corresponding to the inverse of the frequency F of charge transfer in the memory area 24.
Dans la zone image 20, les charges sont transférées le long des colonnes à une fréquence plus élevée f. La zone d'intégration 22 sert à accumuler colonne par colonne les charges qui sont apparues pendant chaque durée d'acquisition
T dans la zone image 20. Les charges sont donc transférées de la zone image 20 vers la zone d'intégration 22 à la fréquence f, et de la zone image 22 vers la zone mémoire 24 à la fréquence F.In the image area 20, the charges are transferred along the columns at a higher frequency f. The integration zone 22 is used to accumulate column by column the charges which have appeared during each acquisition period
T in the image area 20. The charges are therefore transferred from the image area 20 to the integration area 22 at the frequency f, and from the image area 22 to the memory area 24 at the frequency F.
La figure 3 montre les signaux de commande , ', " qui peuvent être adressés aux zones 20, 22, 24 pour réaliser ces différentes fréquences de transfert, dans un exemple à quatre phases par site, indexées A, B, C, D dans le sens du transfert des charges (c'est-à-dire du haut vers le bas sur la figure 2 ou de la gauche vers la droite sur les figures 4 et 5). La figure 3 montre les signaux de commande sur une durée d'acquisition T. Un signal de commande de niveau haut sur la figure 3 correspond à la présence d'un puits de potentiel sous la portion correspondante du site, comme l'illustrent les figures 4 et 5. FIG. 3 shows the control signals, ', "which can be sent to zones 20, 22, 24 to achieve these different transfer frequencies, in an example with four phases per site, indexed A, B, C, D in the direction of load transfer (ie from top to bottom in Figure 2 or from left to right in Figures 4 and 5) Figure 3 shows the control signals over a period of acquisition T. A high level control signal in FIG. 3 corresponds to the presence of a potential well under the corresponding portion of the site, as illustrated in FIGS. 4 and 5.
Sur les figures 4 et 5, la référence 36 désigne le masque métallique déposé sur le CCD 14 pour masquer les sites de la zone d'intégration 22, de la zone image 24 et du registre de lecture 26 vis-à-vis de la lumière. On notera toutefois que la zone d'intégration 22 pourrait être partiellement ou totalement exposée à la lumière. Dans le cas représenté sur les figures 4 et 5, la zone d'intégration peut ainsi être vue comme une première ligne de la zone mémoire mais, si elle était complètement exposée à la lumière, on pourrait la considérer comme la dernière ligne de la zone image ou, si elle était partiellement exposée à la lumière, comme une zone intermédiaire à cheval sur la zone image et la zone mémoire. In FIGS. 4 and 5, the reference 36 designates the metal mask deposited on the CCD 14 to mask the sites of the integration zone 22, of the image zone 24 and of the reading register 26 from light. . Note however that the integration zone 22 could be partially or totally exposed to light. In the case represented in FIGS. 4 and 5, the integration zone can thus be seen as a first line of the memory zone but, if it were completely exposed to light, it could be considered as the last line of the zone image or, if it was partially exposed to light, as an intermediate zone straddling the image zone and the memory zone.
Une durée d'acquisition T commence, entre les instants repérés par t0' à t4' sur la figure 3 et correspondant respectivement aux cinq lignes de la figure 4, par un cycle de transfert le long des colonnes de la zone mémoire 24. Au cours de ce même cycle, les charges présentes dans les puits de potentiel 38 de la zone d'intégration 22 sont transférées vers la première ligne de la zone mémoire 24. Pendant la majeure partie de la durée d'acquisition, entre les instants repérés par t0, et t0 sur la figure 3, les charges ne sont pas transférées dans la zone image 20 vers la zone d'intégration 22, les phases vAS 4 > E' 4 > C' B CE D et A restant constantes. Pendant ce temps, les photons incidents sur la zone image génèrent des électrons qui se piègent dans les puits de potentiel de la zone image. A la fin de la durée d'acquisition, le séquenceur 30 commande P cycles de transfert dans la zone image vers la zone d'intégration. Le premier de ces cycles, entre les instants t0 et t4, est détaillé sur le schéma de la figure 5. A la fin des P cycles de transfert, toutes les charges 42 apparues dans une colonne de la zone image 20 ont été transférées dans le puits de potentiel correspondant 38 de la zone d'intégration 22. Au début de la durée d'acquisition suivante, ces charges seront transférées vers la première ligne de la zone mémoire 24. An acquisition duration T begins, between the instants marked by t0 'to t4' in FIG. 3 and corresponding respectively to the five lines of FIG. 4, by a transfer cycle along the columns of the memory area 24. During of this same cycle, the charges present in the potential wells 38 of the integration zone 22 are transferred to the first line of the memory zone 24. During the major part of the acquisition time, between the instants marked by t0 , and t0 in FIG. 3, the charges are not transferred in the image area 20 to the integration area 22, the phases vAS 4> E '4> C' B CE D and A remaining constant. During this time, the photons incident on the image zone generate electrons which trap in the potential wells of the image zone. At the end of the acquisition time, the sequencer 30 controls P transfer cycles in the image area to the integration area. The first of these cycles, between instants t0 and t4, is detailed in the diagram in FIG. 5. At the end of the P transfer cycles, all the charges 42 which appeared in a column of the image area 20 were transferred to the corresponding potential well 38 of the integration zone 22. At the start of the next acquisition period, these charges will be transferred to the first line of the memory zone 24.
On observe que, pendant les P cycles de transfert à la fin de la durée d'acquisition, certaines charges peuvent continuer à apparaître dans la zone image sans atteindre la zone d'intégration 22. Ces charges seront affectées à la durée d'acquisition suivante. Pour que ceci ne perturbe pas les mesures, on prévoit que la fréquence de transfert f dans la zone image soit sensiblement (au moins deux fois) supérieure à P fois l'inverse de la durée d'acquisition T. It is observed that, during the P transfer cycles at the end of the acquisition period, certain charges can continue to appear in the image zone without reaching the integration zone 22. These charges will be assigned to the following acquisition duration . So that this does not disturb the measurements, it is expected that the transfer frequency f in the image area is substantially (at least twice) greater than P times the inverse of the acquisition time T.
On comprendra que diverses structures de CCD et divers modes de commande permettent d'obtenir les fréquences de transfert différentes de part et d'autre de la zone d'intégration 22. Par exemple, en conservant une structure à quatre phases, on pourrait commander des transferts dans la zone image vers la zone d'intégration sans interruption pendant toute la durée d'acquisition, les charges étant alors transférées au fur et à mesure de leur apparition, au lieu d'attendre la fin de la durée d'acquisition. It will be understood that various CCD structures and various control modes make it possible to obtain different transfer frequencies on either side of the integration zone 22. For example, by retaining a four-phase structure, it would be possible to control transfers in the image area to the integration area without interruption during the entire acquisition period, the charges being then transferred as they appear, instead of waiting for the end of the acquisition period.
Les valeurs numériques du dimensionnement et du séquencement du CCD 14 dépendent de l'application considérée. The numerical values of the dimensioning and sequencing of the CCD 14 depend on the application considered.
La figure 6 montre un satellite 50 en orbite terrestre équipé d'un lidar selon la figure 1, pointé selon un angle a par rapport au nadir. Le domaine d'altitude dans lequel on souhaite effectuer la mesure a une hauteur h, et le satellite 50 est lui-même situé à une hauteur H au-dessus de ce domaine. Ainsi, la période d'observation suivant l'émission d'une impulsion laser doit au moins inclure une fenêtre temporelle commençant 2H/(c.cosa) après l'émission de l'impulsion et de durée 2h/(c.cosa). Pour des angles de pointage a inférieurs à 600 environ et une dynamique en altitude typique h-40 km, la période d'observation peut donc avoir une durée limitée à environ 500 Es. FIG. 6 shows a satellite 50 in Earth orbit equipped with a lidar according to FIG. 1, pointed at an angle a relative to the nadir. The altitude domain in which it is desired to measure has a height h, and the satellite 50 is itself located at a height H above this domain. Thus, the observation period following the emission of a laser pulse must at least include a time window starting 2H / (c.cosa) after the emission of the pulse and of duration 2h / (c.cosa). For aiming angles a less than approximately 600 and a dynamic altitude typical of h-40 km, the observation period may therefore have a duration limited to approximately 500 Es.
La durée d'acquisition T est choisie en fonction de la résolution en altitude recherchée (tu10 Rs dans l'application décrite ici). Pour une résolution en altitude de 1 km, la durée d'acquisition T est de l'ordre de 6 Rs. The acquisition time T is chosen as a function of the altitude resolution sought (tu10 Rs in the application described here). For an altitude resolution of 1 km, the acquisition time T is of the order of 6 Rs.
Pour assurer une mobilité suffisante des électrons dans le matériau semiconducteur du CCD, les sites de la zone image 20 ont de préférence des dimensions inférieures à 30 Rm parallèlement à la surface du CCD. Dans le cas où P=N=16, si on considère un pixel typique de 23x23 pin, on peut ainsi réaliser soit un détecteur équivalent de 368x368 pin, soit 16 canaux de détection de 23x368 pin. Compte-tenu de la faible quantité de charges à transférer, les sites de la zone mémoire 24 ont de préférence, le long de la direction des colonnes, une dimension plus petite que ceux de la zone image. Ceci permet de réduire la quantité de charges générées en obscurité pendant le transit dans la zone mémoire.Si les sites ont une hauteur de 11,5 pin et une largeur de 23 pin dans la zone mémoire, celle-ci ne requiert qu'une surface de 368x368 pxn pour M=32 et N=16. To ensure sufficient mobility of the electrons in the CCD semiconductor material, the sites of the image area 20 preferably have dimensions less than 30 Rm parallel to the surface of the CCD. In the case where P = N = 16, if we consider a typical pixel of 23x23 pin, we can thus produce either an equivalent detector of 368x368 pin, or 16 detection channels of 23x368 pin. Given the small quantity of charges to be transferred, the sites of the memory area 24 preferably have, along the direction of the columns, a smaller dimension than those of the image area. This reduces the amount of charges generated in darkness during transit in the memory area. If the sites have a height of 11.5 pine and a width of 23 pine in the memory area, it only requires a surface 368x368 pxn for M = 32 and N = 16.
La fréquence f de transfert des charges dans la zone image 20 est par exemple de 12 MHz. Dans ce cas, si on considère que la fréquence f doit être au moins égale à 2P fois la fréquence F correspondant à l'inverse de la durée d'acquisition, cette fréquence F serait d'au plus 375 kHz (T=2,66 rus), ce qui correspond à une résolution minimale en altitude d'environ 400 mètres en pointage nadir. The frequency f of charge transfer in the image area 20 is for example 12 MHz. In this case, if we consider that the frequency f must be at least equal to 2P times the frequency F corresponding to the inverse of the acquisition time, this frequency F would be at most 375 kHz (T = 2.66 rus), which corresponds to a minimum resolution at altitude of around 400 meters in pointing nadir.
Le nombre M de lignes dans la zone mémoire 24 est pris au moins égal au rapport entre la durée de la période d'observation et la durée d'acquisition T. M doit donc au moins être égal au rapport entre la dynamique en altitude h et la résolution en altitude du système. Pour 30 km de dynamique en altitude et pour une gamme de résolution allant de 450 m à 1000 m, on peut estimer qu'on a besoin au minimum de M=32 et au maximum de M=100. The number M of lines in the memory area 24 is taken at least equal to the ratio between the duration of the observation period and the duration of acquisition T. M must therefore at least be equal to the ratio between the dynamics at altitude h and the altitude resolution of the system. For 30 km of altitude dynamics and for a resolution range from 450 m to 1000 m, we can estimate that we need at least M = 32 and at most M = 100.
Pour une fréquence de lecture de 50 kpixel/s, permettant avec des CCD courants des bruits de lecture de 2 à 3 électrons en moyenne, la totalité du registre 26 peut être lue en 10 ms si M=32, N=16, et en 32 ms si M=100, N=16. For a reading frequency of 50 kpixel / s, allowing with current CCDs reading noises of 2 to 3 electrons on average, the whole of register 26 can be read in 10 ms if M = 32, N = 16, and in 32 ms if M = 100, N = 16.
Le registre 26 peut donc être entièrement lu entre deux périodes d'observation successives dès lors que la source 10 opère à des cadences de répétition plus petites que 30 à 100
Hz.The register 26 can therefore be entirely read between two successive observation periods as soon as the source 10 operates at repetition rates smaller than 30 to 100
Hz.
Le CCD comporte N canaux de détection, un par colonne, qui procurent une résolution spatiale perpendiculairement à la direction des colonnes. Comme le filtre interférentiel 16 distribue le flux lumineux incident sur les colonnes en fonction de la longueur d'onde, le CCD permet une résolution en longueur d'onde des échos des impulsions. La source 10 étant monochromatique, le CCD peut être utilisé pour des mesures Doppler dans un système de lidar vent. The CCD has N detection channels, one per column, which provide spatial resolution perpendicular to the direction of the columns. As the interference filter 16 distributes the incident light flux on the columns as a function of the wavelength, the CCD allows a wavelength resolution of the pulse echoes. Since the source 10 is monochromatic, the CCD can be used for Doppler measurements in a wind lidar system.
Pour optimiser l'efficacité quantique, le CCD peut être aminci et éclairé par l'arrière. Compte-tenu de la petite dimension du CCD, et donc des faibles capacités parasites résultantes, le générateur des signaux d'horloge 28 peut être implanté sur la même puce, ce qui permet de limiter le nombre de signaux de commande externes. Si le CCD est polarisé par la technique MPP (multi-pinned phase), le courant d'obscurité est inférieur à 20 pAmp/cm2 pour une température de 250C, soit 330 électrons par seconde à 250C en zone mémoire. Dans certaines applications, il peut être nécessaire de refroidir le CCD pour réduire encore les charges dues au courant d'obscurité, lorsqu'on recherche une très grande sensibilité pour un temps total de lecture relativement important. To optimize quantum efficiency, the CCD can be thinned and backlit. Given the small size of the CCD, and therefore the resulting low parasitic capacitances, the generator of the clock signals 28 can be installed on the same chip, which makes it possible to limit the number of external control signals. If the CCD is polarized by the MPP (multi-pinned phase) technique, the dark current is less than 20 pAmp / cm2 for a temperature of 250C, or 330 electrons per second at 250C in the memory area. In certain applications, it may be necessary to cool the CCD to further reduce the charges due to the dark current, when a very high sensitivity is sought for a relatively long total reading time.
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