FR2761162A1 - Optical Doppler effect speed detection system - Google Patents
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Abstract
Description
DISPOSITIF DE MESURE DE VITESSE A EFFET DOPPLER, NCnAMMENT POUR
ENGINS VOLANTS
L'invention est relative à un dispositif de mesure de vitesse à effet Doppler de type optique.DOPPLER EFFECT SPEED MEASURING DEVICE, NORMALLY FOR
FLYING MACHINES
The invention relates to a Doppler effect speed measuring device of the optical type.
Elle concerne plus particulièrement un tel dispositif dans lequel un faisceau de lumière, notamment un faisceau laser, est émis depuis un mobile vers un milieu de référence - c'est-àdire un milieu par rapport auquel on désire mesurer la vitesse du mobile - et le faisceau renvoyé, par rétro-diffusion, par ce milieu est utilisé pour mesurer la vitesse du mobile. On sait, en effet, que la fréquence du faisceau renvoyé diffère de la fréquence du faisceau émis d'une valeur qui est proportionnelle à la vitesse du mobile par rapport au milieu de référence. It relates more particularly to such a device in which a light beam, in particular a laser beam, is emitted from a mobile to a reference medium - that is to say a medium relative to which one wishes to measure the speed of the mobile - and the beam returned by backscattering by this medium is used to measure the speed of the mobile. It is known, in fact, that the frequency of the returned beam differs from the frequency of the emitted beam by a value which is proportional to the speed of the mobile with respect to the reference medium.
Des dispositifs de ce genre sont utilisés notamment dans les aéronefs pour mesurer la vitesse de l'engin par rapport à l'air environnant. Dans ce cas, le dispositif est appelé un "anémomètre". Devices of this type are used in particular in aircraft to measure the speed of the machine relative to the surrounding air. In this case, the device is called an "anemometer".
Dans cette application, un faisceau laser émis depuis l'aéronef, à travers un hublot, est focalisé à une distance d'environ 100 m ou plus de l'engin. Les aérosols dans l'atmosphère rétro-diffusent le faisceau. La fréquence Doppler - c'est-à-dire l'écart entre la fréquence du faisceau de retour et la fréquence du faisceau incident - est détectée grâce à un interféromètre qui effectue le battement entre le faisceau incident et le faisceau de retour. Par rapport & un dispositif classique de mesure à tube de Pitot, un tel anémomètre présente l'avantage de permettre une mesure exacte - qui n'a pas besoin d'être corrigée - de la vitesse de l'aéronef, car la référence, c'est-à-dire les aérosols sur lesquels est dirigé le faisceau laser, n'est pratiquement pas soumise à l'agitation provoquée par le déplacement de l'engin. In this application, a laser beam emitted from the aircraft, through a window, is focused at a distance of approximately 100 m or more from the craft. Aerosols in the atmosphere backscatter the beam. The Doppler frequency - that is to say the difference between the frequency of the return beam and the frequency of the incident beam - is detected by an interferometer which performs the beat between the incident beam and the return beam. Compared to a conventional Pitot tube measurement device, such an anemometer has the advantage of allowing an exact measurement - which does not need to be corrected - of the speed of the aircraft, since the reference, c that is to say the aerosols on which the laser beam is directed, is practically not subjected to the agitation caused by the movement of the machine.
En général, on prévoit un balayage du faisceau laser ou au moins trois faisceaux distincts de façon à permettre de connattre non seulement l'amplitude de la vitesse, mais également sa direction. In general, provision is made for scanning the laser beam or at least three separate beams so as to make it possible to know not only the amplitude of the speed, but also its direction.
Un tel anémomètre est décrit, par exemple, dans le brevet français 90 02946 au nom de Sextant Avionique. Such an anemometer is described, for example, in French patent 90 02946 in the name of Sextant Avionique.
Un anémomètre courant comprend un laser émettant un faisceau à polarisation rectiligne. Le faisceau traverse une lame demi-onde qui est orientée de façon telle qu'elle délivre un faisceau présentant une composante principale en polarisation parallèle et une composante auxiliaire en polarisation perpendiculaire, l'intensité de la composante auxiliaire étant faible par rapport à l'intensité de la composante principale. Ce faisceau est fourni à un premier cube séparateur de polarisation qui transmet la polarisation parallèle et réfléchit la polarisation perpendiculaire. La polarisation perpendiculaire, qui est réfléchie, est transmise vers une voie de référence. La polarisation parallèle est transmise vers un autre cube séparateur de polarisation et, de là, à travers une lame quart d'onde, vers un objectif de focalisation. Le deuxième cube séparateur transmet la polarisation parallèle tandis que la lame quart d'onde transforme cette polarisation parallèle en une polarisation circulaire. A common anemometer includes a laser emitting a beam with rectilinear polarization. The beam passes through a half-wave plate which is oriented in such a way that it delivers a beam having a principal component in parallel polarization and an auxiliary component in perpendicular polarization, the intensity of the auxiliary component being weak compared to the intensity of the main component. This beam is supplied to a first polarization splitter cube which transmits the parallel polarization and reflects the perpendicular polarization. The perpendicular polarization, which is reflected, is transmitted to a reference channel. The parallel polarization is transmitted to another polarization splitter cube and, from there, through a quarter-wave plate, to a focusing objective. The second separator cube transmits the parallel polarization while the quarter-wave plate transforms this parallel polarization into a circular polarization.
L'objectif sert à focaliser le faisceau sur des aérosols à distance. Le faisceau rétro-diffusé par les aérosols revient par le même objectif, mais la polarisation circulaire a changé de sens.The objective is used to focus the beam on aerosols at a distance. The beam backscattered by the aerosols returns by the same objective, but the circular polarization has changed direction.
Ce faisceau rétro-diffusé traverse, en sens inverse, la lame quart d'onde. Après cette dernière, sur le chemin de retour, la polarisation du faisceau est perpendiculaire. Ce faisceau est donc réfléchi par le deuxième cube séparateur de polarisation et ce faisceau réfléchi en polarisation perpendiculaire est mélangé au signal de référence constitué par ladite composante auxiliaire en polarisation perpendiculaire. En sortie du mélangeur homodyne ou hétérodyne, on obtient un signal à la fréquence Doppler.This back-scattered beam crosses, in the opposite direction, the quarter-wave plate. After the latter, on the return path, the beam polarization is perpendicular. This beam is therefore reflected by the second polarization splitter cube and this beam reflected in perpendicular polarization is mixed with the reference signal formed by said auxiliary component in perpendicular polarization. At the output of the homodyne or heterodyne mixer, a signal is obtained at the Doppler frequency.
La lame demi-onde, la lame quart d'onde et les cubes séparateurs sont des éléments onéreux. L'alignement n'est pas aisé à réaliser, et 1 'ensemble présente un encombrement qui n'est pas toujours optimum, surtout pour des applications aéronautiques. The half-wave plate, the quarter-wave plate and the separator cubes are expensive elements. Alignment is not easy to carry out, and the assembly has a space requirement which is not always optimum, especially for aeronautical applications.
L'invention remédie à ces inconvénients. Elle permet de réduire notablement les contraintes d'alignement mécanique du dispositif. The invention overcomes these drawbacks. It significantly reduces the mechanical alignment constraints of the device.
Le dispositif selon l'invention est plus compact et moins onéreux. The device according to the invention is more compact and less expensive.
Il est caractérisé en ce qu'entre le générateur optique, notamment un laser, et la sortie du dispositif, le faisceau est conduit dans une voie à fibre(s) optique(s) et, en ce qu'un moyen de séparation optique à fibre optique est disposé dans cette voie pour diriger vers la sortie le signal émis par le générateur et pour diriger le signal lumineux de retour vers un mélangeur ou coupleur. It is characterized in that between the optical generator, in particular a laser, and the output of the device, the beam is led in a path with optical fiber (s) and, in that an optical separation means to optical fiber is arranged in this channel to direct the signal emitted by the generator towards the output and to direct the light signal back to a mixer or coupler.
Le moyen de séparation est par exemple un circulateur optique ou un coupleur séparateur de polarisation. The separation means is for example an optical circulator or a polarization splitter coupler.
Un tel montage à fibre(s) optique(s) est d'une fabrication et d'une implémentation plus aisées qu'un montage à propagation libre. Il est donc moins onéreux et peut être logé dans un volume réduit. En outre, le poids peut être minimisé. Such an optical fiber assembly (s) is easier to manufacture and implement than a free propagation assembly. It is therefore less expensive and can be accommodated in a reduced volume. In addition, the weight can be minimized.
Dans un mode de réalisation particulièrement avantageux, le laser émet un faisceau à 1,5 m environ. De cette manière, on peut utiliser des fibres optiques et des composants associés du type de ceux qui sont couramment utilisés dans le domaine des télécommunications ; ainsi les coûts sont encore diminués. En outre, cette longueur d'onde ne pénétrant pas dans l'oeil humain, les précautions d'emploi sont beaucoup moins contraignantes en comparaison des précautions à prendre quand on utilise un laser émettant dans le visible. In a particularly advantageous embodiment, the laser emits a beam at approximately 1.5 m. In this way, it is possible to use optical fibers and associated components of the type which are commonly used in the field of telecommunications; thus the costs are further reduced. In addition, this wavelength does not penetrate the human eye, the precautions for use are much less restrictive in comparison with the precautions to be taken when using a laser emitting in the visible.
On notera ici que, contrairement à une utilisation habituelle de circulateur en télécommunication, le niveau du signal 1 l'entrée du circulateur est élevé, alors que le signal a la sortie est à un niveau sensiblement plus faible qu 'à 1 'entrée. It will be noted here that, unlike a usual use of a circulator in telecommunications, the level of the signal 1 at the input of the circulator is high, while the signal at the output is at a level substantially lower than at the input.
Dans le domaine des télécommunications, c'est en général le signal de sortie qui est à un niveau plus élevé que le signal d'entrée, un circulateur étant habituellement associé à un amplificateur optique.In the telecommunications field, it is generally the output signal which is at a higher level than the input signal, a circulator being usually associated with an optical amplifier.
En d'autres termes, dans l'invention, les fibres optiques et le moyen de séparation sont utilisés dans une voie de signaux forts, alors qu'habituellement ces composants sont utilisés dans des voies à signaux faibles. In other words, in the invention, the optical fibers and the separation means are used in a strong signal path, whereas usually these components are used in weak signal paths.
Si le moyen de séparation entre les faisceaux aller et retour est un circulateur optique, permettant de séparer les faisceaux sans qu'il soit nécessaire d'imposer une contrainte de polarisation sur ces derniers, on peut faire appel à des fibres optiques monomodes sans maintien de polarisation. Dans ce cas, le montage est particulièrement simplifié car il n'est pas néces saire de conférer une orientation angulaire particulière aux fibres optiques. If the means of separation between the outward and return beams is an optical circulator, making it possible to separate the beams without it being necessary to impose a polarization constraint on the latter, it is possible to use single-mode optical fibers without maintaining polarization. In this case, the assembly is particularly simplified because it is not necessary to impart a particular angular orientation to the optical fibers.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparartront avec la description de certains de ses modes de réalisation, celle-ci étant effectuée en se référant aux dessins ciannexés sur lesquels
la figure 1 est un schéma d'un mode de réalisation de l'invention,
la figure 2 est un schéma analogue à celui de la figure 1, mais pour une variante,
la figure 3 est une vue en coupe d'une fibre optique sans maintien de polarisation, et
la figure 4 est une vue en coupe d'un exemple de fibre optique à maintien de polarisation. Other characteristics and advantages of the invention will appear with the description of some of its embodiments, this being carried out with reference to the attached drawings in which
FIG. 1 is a diagram of an embodiment of the invention,
FIG. 2 is a diagram similar to that of FIG. 1, but for a variant,
FIG. 3 is a sectional view of an optical fiber without maintaining polarization, and
Figure 4 is a sectional view of an example of polarization maintaining optical fiber.
Les exemples que l'on va décrire en relation avec les figures se rapportent h I'anémométrie h faisceau laser, c ' est-à- dire à la mesure de la vitesse d'un aéronef, ou de vents, par émission d'un faisceau laser vers les aérosols en suspension dans l'atmosphère, le faisceau étant focalisé à distance de l'aéronef et la vitesse étant mesurée par la fréquence Doppler du faisceau rétro-diffusé par les aérosols. The examples which will be described in relation to the figures relate to laser beam anemometry, that is to say to the measurement of the speed of an aircraft, or of winds, by emission of a laser beam towards the aerosols suspended in the atmosphere, the beam being focused at a distance from the aircraft and the speed being measured by the Doppler frequency of the beam backscattered by the aerosols.
On sait que la fréquence Doppler fd a pour valeur fd = 2v/
dans cette formule, v est la projection sur l'axe de visée du laser de la vitesse de l'aéronef par rapport à l'atmosphère ambiante, c'est-à-dire la référence par rapport à laquelle on veut mesurer la vitesse de déplacement de l'aéronef, et x est la longueur d'onde du faisceau émis.We know that the Doppler frequency fd has the value fd = 2v /
in this formula, v is the projection onto the line of sight of the laser of the speed of the aircraft relative to the ambient atmosphere, that is to say the reference with respect to which we want to measure the speed of displacement of the aircraft, and x is the wavelength of the beam emitted.
Dans tous ces exemples, on fait appel, conformément à un aspect de l'invention, à des fibres optiques ou conducteurs optiques optimisés pour 1 500 nanomètres environ. In all these examples, use is made, in accordance with one aspect of the invention, of optical fibers or optical conductors optimized for approximately 1500 nanometers.
On se réfère tout d'abord à la figure 1. Dans cette réalisation, on prévoit un laser 10, par exemple à fibre, notamment à fibre dopée à 1 'erbium, émettant à une longueur d'onde de l'ordre de 1 550 nanomètres. Sa sortie de puissance 12 est connectée à un coupleur 13 par une fibre optique 11. Ce coupleur 13 présente une sortie de puissance 131 qui est reliée au port d'entrée 16 d'un circulateur 18 par l'intermédiaire d'une fibre optique 14. We first refer to Figure 1. In this embodiment, there is provided a laser 10, for example fiber, in particular fiber doped with erbium, emitting at a wavelength of about 1,550 nanometers. Its power output 12 is connected to a coupler 13 by an optical fiber 11. This coupler 13 has a power output 131 which is connected to the input port 16 of a circulator 18 via an optical fiber 14 .
Le coupleur 13 présente une sortie 132 de référence émettant un faisceau à la même longueur d'onde mais d'une puissance nettement inférieure, par exemple 1000 fois moins importante que celle du faisceau sur sa sortie de puissance 131. En variante (non montrée), le faisceau de référence est fourni par une sortie de référence du laser 10. The coupler 13 has a reference output 132 emitting a beam at the same wavelength but of a much lower power, for example 1000 times less than that of the beam on its power output 131. As a variant (not shown) , the reference beam is supplied by a reference output of the laser 10.
Le circulateur optique 18 comporte deux autres ports 22 et 24. Le port 22 constitue une entrée-sortie, tandis que le port 24 constitue une sortie simple. De façon en soi connue, le circulateur présente la propriété qu'un signal lumineux entrant par le port 22 ne peut se diriger que vers le port 24 et non vers le port d'entrée 16. The optical circulator 18 has two other ports 22 and 24. Port 22 constitutes an input-output, while port 24 constitutes a single output. In a manner known per se, the circulator has the property that a light signal entering through port 22 can only go towards port 24 and not towards input port 16.
Le port 22 d' entrée-sortie est également connecté à une fibre optique 26 dont le signal de sortie débouche sur un objectif 28. L'extrémité 27 de la fibre 26 est disposée en un emplacement tel que le point conjugué se trouve entre quelques dizaines de mètres et 100 mètres environ ou plus. De cette manière, le faisceau lumineux est focalisé sur des aérosols en suspension dans l'atmosphère en un emplacement où 1 'atmosphère n'est pratiquement pas perturbée par le déplacement de l'avion. The input-output port 22 is also connected to an optical fiber 26, the output signal of which leads to a lens 28. The end 27 of the fiber 26 is placed in a location such that the conjugate point is between a few tens of meters and about 100 meters or more. In this way, the light beam is focused on aerosols suspended in the atmosphere at a location where the atmosphere is practically not disturbed by the movement of the aircraft.
Ces aérosols (non montrés) diffusent le faisceau qui revient vers l'objectif 28 et retourne dans la fibre optique 26. Le faisceau rétro-diffusé se dirige du port 22 vers le port 24.These aerosols (not shown) scatter the beam which returns to the objective 28 and returns to the optical fiber 26. The back-scattered beam directs from port 22 towards port 24.
Le port 24 est connecté à la première entrée 30 d'un coupleur optique 32 par l'intermédiaire d'une autre fibre optique 34. Port 24 is connected to the first input 30 of an optical coupler 32 via another optical fiber 34.
La seconde entrée 36 du coupleur 32 est reliée à la seconde sortie 132, de référence, du coupleur 13 par une fibre optique 37. The second input 36 of the coupler 32 is connected to the second output 132, of reference, of the coupler 13 by an optical fiber 37.
La sortie 38 du coupleur 32 est reliée à une fibre optique 40 qui est elle-même connectée à un détecteur 42 par l'intermédiaire d'une autre fibre 41. The output 38 of the coupler 32 is connected to an optical fiber 40 which is itself connected to a detector 42 via another fiber 41.
Le coupleur 32 reçoit donc sur une entrée 36 un signal à la fréquence du laser (l'oscillateur local), tandis que sur son entrée 30, il reçoit le signal rétro-diffusé dont la fréquence est égale à la fréquence du laser augmentée de la fréquence
Doppler.The coupler 32 therefore receives on an input 36 a signal at the frequency of the laser (the local oscillator), while on its input 30, it receives the backscattered signal whose frequency is equal to the frequency of the laser increased by the frequency
Doppler.
Le coupleur 32 constitue un interféromètre à la sortie duquel on obtient un signal de battement à la fréquence Doppler sur le détecteur 42. The coupler 32 constitutes an interferometer at the output of which a beat signal at the Doppler frequency is obtained on the detector 42.
Les fibres optiques 11, 14, 26, 34, 37 et 40 sont du type monomode sans maintien de polarisation si la source laser est dépolarisée. La fibre 41 est d'un type quelconque, c'est-àdire multimode ou monomode avec ou sans maintien de polarisation. The optical fibers 11, 14, 26, 34, 37 and 40 are of the single-mode type without polarization maintenance if the laser source is depolarized. The fiber 41 is of any type, that is to say multimode or monomode with or without polarization maintenance.
Les fibres 11, 14, 26, 34, 37 et 40 sont du type à maintien de polarisation dans le cas où la source laser émet un signal polarisé. The fibers 11, 14, 26, 34, 37 and 40 are of the polarization maintaining type in the case where the laser source emits a polarized signal.
Une fibre sans maintien de polarisation (figure 3) présente un axe 70 de symétrie de révolution, le coeur 72 de cette fibre étant de section circulaire. Il n'est donc pas nécessaire de positionner angulairement une telle fibre, ce qui simplifie le montage. A fiber without polarization maintenance (Figure 3) has an axis 70 of symmetry of revolution, the core 72 of this fiber being of circular section. It is therefore not necessary to angularly position such a fiber, which simplifies assembly.
Dans l'exemple de la figure 1, la sortie 132 du coupleur 13 est reliée directement (par la fibre 37) à l'entrée 36 du coupleur 32. Cet exemple correspond à une détection homodyne. In the example of FIG. 1, the output 132 of the coupler 13 is connected directly (by the fiber 37) to the input 36 of the coupler 32. This example corresponds to a homodyne detection.
Dans le cas d'une détection hétérodyne, on prévoit un modulateur acousto-optique (non montré) entre la sortie 132 et le port 36.In the case of heterodyne detection, an acousto-optical modulator (not shown) is provided between the output 132 and the port 36.
En sortie de ce modulateur on obtient un signal à la fréquence fL i Af, fL étant la fréquence du laser et df ayant pour valeur 70 MHZ environ. Cette dernière valeur est choisie de manière à permettre de déterminer le signe de la vitesse. At the output of this modulator, a signal is obtained at the frequency fL i Af, fL being the frequency of the laser and df having a value of approximately 70 MHz. This last value is chosen so as to allow the speed sign to be determined.
Le dispositif décrit peut être utilisé non seulement pour mesurer la vitesse d'un engin, mais aussi pour mesurer la vitesse du vent dans la zone de l'engin. Dans ce cas, on dirige le faisceau en séquence à plusieurs distances de l'engin. A cet effet, l'objectif est ajustable de façon à déplacer le point de focalisation. En variante, l'objectif est un système afocal délivrant un faisceau parallèle ou focalisé à longue distance; les signaux de retour sont alors analysés à des instants différents, chaque instant de mesure correspondant à une distance de l'engin. The device described can be used not only to measure the speed of a machine, but also to measure the wind speed in the area of the machine. In this case, the beam is directed in sequence at several distances from the machine. For this purpose, the objective is adjustable so as to move the focal point. As a variant, the objective is an afocal system delivering a parallel or focused beam at long distance; the return signals are then analyzed at different times, each measurement instant corresponding to a distance from the machine.
On se réfère maintenant à la figure 2 qui est une variante de celle de la figure 1. Pour cette raison, les éléments analogues portent les mêmes chiffres de référence. Reference is now made to FIG. 2 which is a variant of that of FIG. 1. For this reason, the analogous elements bear the same reference numbers.
Le laser 10 émet, sur sa sortie 12, un faisceau principal à polarisation parallèle qui est transmis, selon l'axe lent de la fibre optique 1l' de type monomode à maintien de polarisation, au coupleur 13' ayant le même rôle que le coupleur 13 de la figure 1. La sortie de puissance 13'1 de ce coupleur est reliée par une fibre 14', également monomode à maintien de polarisation, au premier port d'entrée 16' d'un coupleur 50 séparateur de polarisation. Ce coupleur 16' présente un ou deux ports d'entrée-sortie 52, 54. Le port 52 délivre un rayonnement qui est transmis, selon l'axe lent d'une fibre optique 26' monomode à maintien de polarisation, à 1 'entrée d'un élément 56 quart d'onde de type bidirectionnel qui transforme une polarisation rectiligne en une polarisation circulaire. The laser 10 emits, at its output 12, a main beam with parallel polarization which is transmitted, along the slow axis of the optical fiber 11 'of the monomode type with polarization maintenance, to the coupler 13' having the same role as the coupler 13 of FIG. 1. The power output 13'1 of this coupler is connected by a fiber 14 ', also monomode with polarization maintenance, to the first input port 16' of a coupler 50 polarization splitter. This coupler 16 ′ has one or two input-output ports 52, 54. The port 52 delivers radiation which is transmitted, along the slow axis of a single-mode polarization maintaining optical fiber 26 ′, to the input of a bidirectional type quarter-wave element 56 which transforms a rectilinear polarization into a circular polarization.
La sortie 27' de l'élément quart d'onde 56, par exemple à fibre, est associée à l'objectif 28 de manière que le point conjugué se trouve entre quelques dizaines de mètres et une centaine de mètres ou plus. The output 27 ′ of the quarter-wave element 56, for example with fiber, is associated with the objective 28 so that the conjugate point is between a few tens of meters and a hundred meters or more.
Le faisceau diffusé par les aérosols revient donc vers le port 52 par l'objectif 28, l'élément 56 et la fibre 26'. The beam scattered by the aerosols therefore returns to port 52 through the objective 28, the element 56 and the fiber 26 '.
Le port de sortie 24' du coupleur 50 est relié, par une fibre optique 34' à maintien de polarisation, à l'entrée 30' d'un coupleur 32' dont la seconde entrée 36' est connectée à la sortie de référence 13'2 du laser 10 par l'intermédiaire d'une fibre optique 37' également à maintien de polarisation. La fibre 37' est en deux parties, l'une 37'1 sortant du coupleur 13' et l'autre 37'2 entrant dans le coupleur 32'. Ces parties sont reliées entre elles, par épissure, de manière telle qu'un signal émis par la partie 37'1, selon l'axe lent, soit reçu par la partie 37'2 selon l'axe rapide. The output port 24 'of the coupler 50 is connected, by an optical fiber 34' with polarization maintenance, to the input 30 'of a coupler 32' whose second input 36 'is connected to the reference output 13' 2 of the laser 10 via an optical fiber 37 ′ also with polarization maintenance. The fiber 37 'is in two parts, one 37'1 leaving the coupler 13' and the other 37'2 entering the coupler 32 '. These parts are interconnected by splicing, so that a signal emitted by the part 37'1, along the slow axis, is received by the part 37'2 along the fast axis.
Le coupleur 32' est relié à un détecteur 42 par l'intermédiaire d'une fibre optique 40 monomode à maintien de polarisation et 41 de type quelconque. The coupler 32 'is connected to a detector 42 via a single-mode polarization-maintaining optical fiber 40 and 41 of any type.
Le faisceau rétro-diffusé par les particules présente une polarisation circulaire de sens inverse de celle du faisceau incident. En conséquence, le faisceau de retour se propage selon l'axe rapide de la fibre 26' alors que le faisceau aller se propage selon l'axe lent. De même, le signal sur la sortie 24' du coupleur 50 se propage selon l'axe rapide de la fibre 34'. Comme indiqué ci-dessus le signal sur l'entrée 36' du coupleur 32' est selon l'axe rapide. The beam backscattered by the particles has a circular polarization in the opposite direction to that of the incident beam. Consequently, the return beam propagates along the fast axis of the fiber 26 'while the outgoing beam propagates along the slow axis. Similarly, the signal on the output 24 'of the coupler 50 propagates along the fast axis of the fiber 34'. As indicated above, the signal on the input 36 'of the coupler 32' is along the fast axis.
Une fibre à maintien de polarisation est représentée sur la figure 4. On voit qu'une telle fibre ne présente pas une symétrie de révolution autour de son axe. En effet, dans l'exemple de la figure 4, la partie interne, ou coeur, 72' présente une forme ovale ou elliptique. La fibre optique doit donc être orientée correctement autour de son axe 70' par rapport au faisceau polarisé. L'axe lent 80 correspond au grand axe de l'ellipse 72' et l'axe rapide 82 correspond au petit axe de cette ellipse. A polarization-maintaining fiber is shown in FIG. 4. It can be seen that such a fiber does not have a symmetry of revolution about its axis. In fact, in the example of FIG. 4, the internal part, or heart, 72 ′ has an oval or elliptical shape. The optical fiber must therefore be oriented correctly around its axis 70 'relative to the polarized beam. The slow axis 80 corresponds to the major axis of the ellipse 72 'and the fast axis 82 corresponds to the minor axis of this ellipse.
Le raccordement d'une fibre optique à un élément tel qu'un circulateur ou un coupleur s'effectue par l'intermédiaire d'un connecteur qui, en général, occasionne des pertes de l'ordre de 1 décibel si on utilise des fibres monomodes à maintien de polarisation et de l'ordre de 0,3 décibel, si on utilise des fibres optiques monomodes sans maintien de polarisation. The connection of an optical fiber to an element such as a circulator or a coupler is carried out via a connector which, in general, causes losses of the order of 1 decibel if single-mode fibers are used with polarization maintenance and of the order of 0.3 decibel, if single-mode optical fibers are used without polarization maintenance.
Pour éviter ces pertes, dans un mode de réalisation, certains des éléments sont épissurés ou fabriqués ensemble. Par exemple, dans le cas de la figure 1, on peut fabriquer ensemble le coupleur 13, le circulateur 18 et le coupleur 32. En effet, le coupleur et le circulateur étant composés de fibres optiques prolongées par des fibres d'entrée et de sortie, on peut fabriquer un ensemble d'éléments de façon telle que la fibre de sortie d'un élément constitue aussi la fibre d'entrée de l'élément suivant. On réalise ainsi un composant présentant une entrée destinée à recevoir le signal de sortie 12 du laser 10, une entrée-sortie constituée par l'extrémité 27 de la fibre 26, et une sortie 38 (celle du coupleur 32). Dans une variante, le laser 10 fait partie du composant. To avoid these losses, in one embodiment, some of the elements are spliced or fabricated together. For example, in the case of FIG. 1, the coupler 13, the circulator 18 and the coupler 32 can be manufactured together. Indeed, the coupler and the circulator being composed of optical fibers extended by input and output fibers , a set of elements can be manufactured in such a way that the output fiber of one element also constitutes the input fiber of the next element. A component is thus produced having an input intended to receive the output signal 12 from the laser 10, an input-output constituted by the end 27 of the fiber 26, and an output 38 (that of the coupler 32). Alternatively, the laser 10 is part of the component.
De même, dans le cas de la figure 2, on peut prévoir un composant unique comprenant le coupleur 13', le coupleur 50 séparateur de polarisation, le coupleur 32' et les fibres optiques 11', 14', 37', 40 et 26', ainsi que l'élément quart d'onde 56. De même, le laser 10 peut être incorporé dans ce composant unique. Similarly, in the case of FIG. 2, a single component can be provided comprising the coupler 13 ', the coupler 50 polarization splitter, the coupler 32' and the optical fibers 11 ', 14', 37 ', 40 and 26 ', as well as the quarter wave element 56. Likewise, the laser 10 can be incorporated into this single component.
On a décrit jusqu'à présent seulement l'application de l'invention à un anémomètre, c'est-à-dire à un dispositif de mesure de vitesse d'un aéronef par rapport à l'atmosphère ambiante ou de mesure de vitesse des vents. L'invention n'est pas limitée à cette application. Elle peut être également utilisée pour mesurer une vitesse par rapport au sol, notamment pour un engin volant à basse altitude, tel qu'un missile ou pour l'aide à l'atterrissage. L'invention s'applique aussi à la mesure de la vitesse de déplacement d'un engin terrestre par rapport au sol. We have so far described only the application of the invention to an anemometer, that is to say a device for measuring the speed of an aircraft relative to the ambient atmosphere or for measuring the speed of winds. The invention is not limited to this application. It can also be used to measure a speed relative to the ground, in particular for a low-flying craft, such as a missile or for landing assistance. The invention also applies to the measurement of the speed of movement of a land vehicle relative to the ground.
Le faisceau émis par le laser 10 est soit continu soit sous forme d'impulsions (pulsé). The beam emitted by the laser 10 is either continuous or in the form of pulses (pulsed).
Dans une variante qui s'applique, tant au mode de réalisation de la figure 1 qu'au mode de réalisation de la figure 2, on prévoit entre la sortie 132 du coupleur 13 et l'entrée 36 du coupleur 32 (figure 1) ou entre la sortie 13'2 du coupleur 13' et l'entrée 36' du coupleur 32' (figure 2), une longueur de fibre choisie de façon telle que le temps de parcours du signal dans la voie 37 ou 37' soit sensiblement égal au temps de parcours du faisceau de la sortie 131 ou 13'1 du coupleur 13 ou 13' vers l'extérieur puis de l'extérieur vers l'entrée 30 ou 30' du coupleur 32 ou 32'. In a variant which applies, both to the embodiment of FIG. 1 and to the embodiment of FIG. 2, provision is made between the output 132 of the coupler 13 and the input 36 of the coupler 32 (FIG. 1) or between the output 13'2 of the coupler 13 'and the input 36' of the coupler 32 '(Figure 2), a length of fiber chosen so that the signal journey time in channel 37 or 37' is substantially equal at the travel time of the beam from the output 131 or 13'1 of the coupler 13 or 13 'towards the outside then from the outside towards the input 30 or 30' of the coupler 32 or 32 '.
De cette manière on peut utiliser une source laser continue à faible longueur de cohérence, car les faisceaux se présentant aux entrées 30 et 36 (ou 30' et 36') correspondent à des faisceaux émis pratiquement aux mêmes instants par la source laser. L'utilisation d'une source laser continue à faible longueur de cohérence présente d'ailleurs l'avantage de permettre une bonne discrimination spatiale de la zone mesurée. En effet, les zones qui ne correspondent pas à des trajets optiques sensiblement égaux ne seront pas pris en compte par l'anénomètre. In this way, a continuous laser source with a low coherence length can be used, since the beams appearing at the inputs 30 and 36 (or 30 'and 36') correspond to beams emitted practically at the same times by the laser source. The use of a continuous laser source with a short coherence length has the advantage of allowing good spatial discrimination of the area measured. In fact, the zones which do not correspond to substantially equal optical paths will not be taken into account by the anemometer.
La simultanéité de l'apparition des signaux sur les entrées 30 et 36 (ou 30' et 36') est également utile quand on utilise une source pulsée. En effet, dans ce cas, si on ne prend pas de précautions dans le choix de la longueur de la fibre 37 ou 37' les signaux risquent de ne pas parvenir simultanément sur les entrées 30 et 36 (ou 30' et 36') et, dans une telle situation, l'anénomètre ne pourra pas fonctionner, c'est-à-dire qu'il n'apparaîtra aucun signal à la sortie du détecteur 42. The simultaneous appearance of signals on inputs 30 and 36 (or 30 'and 36') is also useful when using a pulsed source. Indeed, in this case, if we do not take precautions in the choice of the length of the fiber 37 or 37 'the signals may not arrive simultaneously on the inputs 30 and 36 (or 30' and 36 ') and , in such a situation, the anenometer will not be able to function, that is to say that no signal will appear at the output of the detector 42.
La précision de mesure des vitesses suivant l'axe de visée est de l'ordre de 0,3 m/s à 1 m/s et varie en fonction de la qualité spectrale de la source laser. The speed measurement accuracy along the line of sight is of the order of 0.3 m / s to 1 m / s and varies depending on the spectral quality of the laser source.
Bien qu'on ait décrit un dispositif de mesure de vitesse installé & bord d'un véhicule en mouvement, on comprend aisément que ce dispositif peut également être utilisé pour mesurer, å partir du sol ou d'un autre engin, la vitesse relative d'un engin par rapport au milieu de référence constitué par le sol ou ledit autre engin. Although a speed measuring device installed on board a moving vehicle has been described, it is easily understood that this device can also be used to measure, from the ground or from another vehicle, the relative speed d 'a device in relation to the reference medium constituted by the ground or said other device.
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