FR2764745A1 - Detection heterodyne a champ elargi - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un système de détection hétérodyne à champ élargi, robuste aux perturbations de front d'onde, pouvant être utilisé dans les lidars.Ce système comporte : un dispositif laser (30) qui produit deux faisceaux (F1, F2), l'un (F1) illuminant une cible (40) laquelle réfléchit une onde signal et l'autre (F2) utilisé comme onde de référence; au moins un détecteur (37); des moyens (34, 35, 36) pour former une onde de référence (F2) telle qu'elle soit plane sur le détecteur (37) et pour focaliser une onde signal (F1) sur le détecteur (37), de manière à réaliser une figure d'interférence sur le détecteur (37), des moyens (38) pour extraire la fréquence Doppler (fD) contenue dans l'onde signal (F1).L'invention s'applique notamment aux lidars.

Description

l Le domaine de l'invention concerne les systèmes optiques de détection

hétérodyne qui est notamment utilisée dans les équipements optroniques dédiés à la mesure de la fréquence Doppler, par exemple dans les lidars cohérents. Ces systèmes requièrent l'utilisation d'une source laser monofréquence. La détection hétérodyne est comparable dans son principe à un interféromètre de Michelson dont l'un des miroirs serait mobile et

représenterait alors une cible mobile évoluant dans le champ d'observation.

L'efficacité d'hétérodynage est maximale lorsqu'après la lame séparatrice qui sépare un faisceau laser en deux, à savoir le signal et l'oscillateur local, les deux faisceaux obtenus sont colinéaires. Par contre, dès que l'écart angulaire entre les faisceaux devient non nul, I'efficacité d'hétérodynage chute rapidement. Cet écart angulaire reflète les différentes perturbations de

front d'onde auxquelles peut être soumis le signal.

Un autre concept de détection hétérodyne consiste à remplacer la lame séparatrice par une lame recombinatrice adaptative. Ce dispositif est décrit dans la thèse de S. Breugnot, " Détection hétérodyne grand champ ", Université Paris Xl, Orsay, Décembre 1995. Le dispositif obtenu ne permet en réalité que d'effectuer une détection homodyne. La détection effectuée est homodyne car la lame recombinatrice adaptative recopiant la fréquence Doppler contenue dans le signal, I'oscillateur local sera à la même fréquence que le signal. Pour pouvoir acquérir la fréquence Doppler, il devient nécessaire de modifier la fréquence de l'onde pompe (qui correspond à un

oscillateur local), ce qui complique le dispositif.

La problématique de l'invention est la suivante. Le champ angulaire de la détection est régi par la loi de l'antenne qui est une relation liant le champ angulaire de détection au diamètre de la pupille de réception pour une longueur d'onde donnée. La loi de l'antenne s'interprète comme une tolérance mécanique d'alignement qui va se traduire également en termes de robustesse aux perturbations de front d'onde. Pour une longueur d'onde donnée, plus on cherche une tolérance angulaire élevée, plus le diamètre de la pupille de réception du système doit être petit. Cependant, plus le diamètre de la pupille de réception est faible, plus la quantité de flux collecté par le

système est faible, ce qui diminue la portée du système.

Le but de l'invention est de réaliser un système de détection hétérodyne qui soit à champ élargi et qui soit robuste aux perturbations de front d'onde. Pour cela on utilise le fait qu'une onde focalisée présente une phase approximativement plane dans le plan focal et que les distorsions de phase de cette onde se traduisent par un élargissement spatial de la tache de focalisation de cette onde dans le plan focal. Le système de l'invention réalise donc une interférence entre une onde de référence plane (oscillateur local) et une onde signal focalisée (onde réfléchie par une cible en mouvement). Le système selon l'invention est un système optique de détection hétérodyne à champ élargi comportant: un dispositif laser qui produit deux faisceaux, I'un illuminant une cible laquelle réfléchit une onde signal et l'autre utilisé comme onde de référence; au moins un détecteur; des moyens pour réaliser une figure d'interférence entre l'onde de référence et l'onde signal, pour extraire la fréquence Doppler contenue dans l'onde signal; le système étant caractérisé en ce que lesdits moyens sont prévus pour former l'onde de référence telle qu'elle soit plane sur le détecteur et pour focaliser l'onde signal sur le détecteur, de manière à réaliser la figure

d'interférence sur ledit détecteur.

L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques et

avantages apparaîtront à l'aide de la description ci-après et des dessins

joints o: -la figure 1 schématise le principe utilisé dans certains

systèmes selon l'art antérieur.

-la figure 2 représente une réalisation d'un système selon l'invention. -la figure 3 montre la réalisation de la figure d'interférence

lorsque les ondes ont la même direction.

-la figure 4 représente les variations de l'efficacité

d'hétérodynage en fonction du diamètre du détecteur.

-la figure 5 montre la réalisation de la figure d'interférence

lorsque les ondes n'ont pas la même direction.

-la figure 6 représente les variations de l'efficacité d'hétérodynage en fonction du champ angulaire pour différents diamètres de détecteur. -la figure 7 compare les variations de l'efficacité d'hétérodynage en fonction de la distorsion de front d'onde pour les systèmes de l'invention

et de l'art antérieur.

Les systèmes de détection hétérodyne pour la mesure de la fréquence Doppler utilisent une source de lumière cohérente, plus particulièrement une source laser monofréquence. L'utilisation des domaines spectraux allant du visible au proche infrarouge plutôt que celle du domaine de l'infrarouge lointain, présente des avantages, en particulier d'une part les détecteurs utilisés sont non refroidis et peuvent présenter un gain, et d'autre part les albédos des cibles et les coefficients de rétrodiffusion des aérosols

sont plus importants.

Le.principe de la détection hétérodyne selon l'art antérieur peut s'expliquer à partir de la figure 1. La figure 1 correspond à un interféromètre de Michelson dont l'un des miroirs représentant une cible mobile dans le champ d'observation est mobile. La source lumineuse est une source laser , laquelle émet un faisceau laser passant dans un dispositif optique 11 de mise en forme du faisceau. A la sortie du dispositif optique 11, on obtient un faisceau F. Ce faisceau F passe au travers d'une lame séparatrice 12 qui est à 45 degrés et qui le divise en deux faisceaux F1 et F2, par exemple

d'intensité égale, F1 étant le faisceau émis et F2 servant d'oscillateur local.

Le faisceau F1 est réfléchi par le miroir mobile 13, c'est à dire par la cible dont on cherche à mesurer la vitesse radiale par l'intermédiaire de la fréquence Doppler, il revient alors vers la lame séparatrice 12 sur laquelle il est également réfléchi. Lors de la réflexion sur le miroir mobile 13 du faisceau F1, à la fréquence initiale du faisceau F1 s'est superposée la fréquence Doppler fD liée à la vitesse radiale v du miroir mobile 13. Ce faisceau F1 réfléchi contenant la fréquence Doppler fD recherchée représente le signal. Quant au faisceau F2, après avoir été réfléchi sur un miroir fixe 14, il traverse la lame séparatrice 12. A la sortie de la lame séparatrice 12, les faisceaux F1 et F2 sont colinéaires, ils traversent alors un dispositif optique 15 qui d'une part matérialise la pupille de réception du système et qui d'autre part focalise les deux faisceaux sur la surface d'un détecteur 16. La fréquence Doppler fD est ensuite extraite de manière

classique.

Ce principe de détection hétérodyne, qui fonctionne bien lorsque les deux faisceaux F1 et F2 sont colinéaires voit ses performances chuter

rapidement lorsqu'il existe un décalage angulaire entre ces deux faisceaux.

Dès que ce décalage dépasse une certaine valeur, la figure d'interférence devient complètement inexploitable. Les faisceaux F1 et F2 forment au niveau du dispositif optique 15 une figure d'interférence qui va être focalisée sur la surface du détecteur 16. La surface du détecteur 16 se trouve au niveau du plan focal du dispositif optique 15. Lorsque le miroir mobile 13 est fixe, l'état d'interférence reste constant au cours du temps. Lorsque le miroir mobile 13 se déplace de telle manière que les faisceaux F1 et F2 restent colinéaires entre la lame séparatrice 12 et le dispositif optique 15, I'état d'interférence reste identique en tout point de la pupille de réception du l0 dispositif optique 15. Au cours du temps, le détecteur 16 voit alors défiler alternativement des franges claires et des franges sombres avec une vitesse

de défilement qui dépend de la vitesse de déplacement du miroir mobile 13.

Les franges claires et les franges sombres correspondent respectivement à des figures d'interférence constructive et à des figures d'interférence destructive. Le détecteur 16 extrait alors de manière classique la fréquence Doppler fD, laquelle est reliée à la vitesse radiale V de la cible (ici le miroir mobile 13) par la formule suivante, k étant la longueur d'onde de la source 2V laser 10 fD= i; ce qui permet de constater que la sensibilité Doppler augmente lorsque la longueur d'onde diminue. Ceci est un avantage supplémentaire des domaines visible et infrarouge proche sur le domaine de

l'infrarouge lointain.

Cependant, si le miroir mobile 13 est incliné, le faisceau F1 réfléchi par ce miroir 13 revient sur la lame séparatrice 12 avec un angle d'incidence différent de 45 degrés. Entre la lame séparatrice 12 et le dispositif optique 15, les faisceaux F1 et F2 ne sont alors plus colinéaires. La conséquence au niveau du dispositif optique 15 est qu'à un instant donné, l'état d'interférence au lieu d'être identique sur tous les points du dispositif optique 15 est une figure d'interférence présentant une succession de franges claires et de franges sombres. Cet ensemble de franges claires et sombres est focalisée ensuite sur la surface du détecteur 16 qui intègre une valeur correspondant à l'intensité moyenne des franges. Plus le décalage angulaire des faisceaux F1 et F2 est important, plus le nombre de franges existant à un moment donné au niveau du dispositif optique 15 est grand et moins la " moyenne " effectuée au niveau de la surface du détecteur 16 varie au cours du temps, jusqu'à devenir constante. Cette perte de contraste diminue d'autant l'efficacité d'hétérodynage qui peut devenir nulle lorsque l'intensité mesurée par le détecteur 16 reste approximativement constante au cours du temps: la fréquence Doppler fD devient alors inaccessible et l'information concernant la

vitesse radiale V de la cible est perdue.

De manière plus précise, le champ angulaire de détection e0, est régi par la formule suivante: ûa, = À; avec D le diamètre de la pupille de réception du système de détection, ici située au niveau du dispositif optique 15. Cette formule est communément appelée la " loi de l'antenne ". 0, peut encore s'interpréter comme une tolérance mécanique d'alignement du système de détection. Cette loi de l'antenne peut s'interpréter soit au niveau de la pupille de réception du dispositif optique 15, soit au niveau de la

surface du détecteur 16.

On se place au niveau de la pupille de réception du dispositif optique 15. Lorsque les faisceaux F1 et F2 sont colinéaires, l'état d'interférence est identique en tout point de la pupille et l'efficacité d'hétérodynage est maximale. Lorsque les faisceaux F1 et F2 ne sont pas colinéaires, c'est à dire lorsqu'il existe un décalage angulaire entre eux, plusieurs franges apparaissent simultanément et défilent sur la surface de la pupille, et

l'efficacité d'hétérodynage chute.

On se place au niveau de la surface du détecteur 16. Les faisceaux F1 et F2 sont des ondes planes au niveau du dispositif optique 15. Ces faisceaux forment des taches d'Airy lorsqu'ils sont focalisés sur la surface du détecteur 16, phénomène bien connu de la diffraction due au diamètre fini de la pupille de réception. Lorsque les faisceaux F1 et F2 sont colinéaires, les deux taches d'Airy respectives se recouvrent parfaitement et l'efficacité d'hétérodynage est maximale. Lorsque les faisceaux F1 et F2 ne sont pas colinéaires, au niveau de la surface du détecteur 16 les deux taches d'Airy respectives sont décalées spatialement à cause du décalage angulaire entre les faisceaux avant leur focalisation sur le détecteur 16. Ce recouvrement seulement partiel des taches d'Airy respectives entraîne une chute de

l'efficacité d'hétérodynage.

De la loi de l'antenne se dégage immédiatement une conséquence: pour obtenir un système de détection ayant la meilleure tolérance angulaire, il faut soit augmenter la longueur d'onde X, ce qu'on veut justement éviter pour les raisons mentionnées plus haut, soit diminuer le diamètre À de la pupille de réception du système de détection. Or lorsque le système de détection fonctionne dans le domaine du visible ou du proche infrarouge, les tolérances angulaires devenant très faibles, il devient alors nécessaire de diminuer fortement le diamètre D de la pupille de réception. Cette diminution de (D se fait au détriment de la quantité de flux lumineux collecté par le système qui diminue également, ce qui a pour effet évident de faire chuter la

portée du système de détection.

De plus, cette faible tolérance angulaire se traduit également par une forte sensibilité aux distorsions de front d'onde introduites par les perturbations atmosphériques. Les perturbations atmosphériques sont quantifiées par le rayon de Fried ro. Ce rayon de Fried r0 limite la taille maximale du diamètre utile de la pupille de réception du système de détection. En effet, si le diamètre Q de la pupille de réception augmente au delà de la valeur du rayon de Fried ro, certes le système collecte plus de flux, mais le rapport signal à bruit ne s'améliore plus. Il est donc inutile

d'augmenter le diamètre D au-delà de ro.

Ce-problème de robustesse aux perturbations de front d'onde est d'autant plus important que la source laser 10 du système opère à des longueurs d'onde X petites. Le tableau ci-dessous donne des valeurs de tolérance mécanique d'alignement 0,,, en fonction des longueurs d'onde X émises par la source laser 10 et en fonction des diamètres Q de la pupille de réception. 8 X=: 10,6 pm X =1,54 gm x = 0,532 m = 100 mm 0,1 mrad 15 grad 5 prad 4) = 50 mm 0,2 mrad 30 itrad 10 prad = 10 mm 1 mrad 0,15 mrad 50 prad = 5 mm 2 mrad 0,3 mrad 0,1 mrad 0,x varie de 2 mrad pour un système ayant une petite pupille de réception et fonctionnant dans l'infrarouge lointain, à 5 prad pour un système ayant une grande pupille de réception et fonctionnant dans le visible. Si une tolérance angulaire 0,6 de quelques mrad est acceptable, une tolérance angulaire 0,,x de quelques prad rend le système beaucoup trop sensible car n'importe quel petit décalage angulaire est susceptible de perturber le fonctionnement du système en dégradant notablement ses performances. De plus, les perturbations sont plus importantes lorsque les longueurs d'onde sont petites, ce qui rend un système opérant dans le visible ou le proche

infrarouge encore plus fragile.

La détection hétérodyne classique révèle un problème double, à savoir une faible tolérance angulaire doublée d'une faible robustesse aux perturbations atmosphériques. C'est pourquoi l'invention propose un système de détection hétérodyne à champ angulaire élargi et robuste aux

perturbations atmosphériques.

La figure 2 représente la réalisation d'un système selon l'invention.

Ce système de détection hétérodyne comprend une source lumineuse 30 qui est une source laser. Cette source laser 30 est monofréquence et émet de préférence dans les domaines visible ou proche infrarouge. Le faisceau F émis est envoyée sur une lame séparatrice 31 qui le divise en deux faisceaux, F1 et F2. Le faisceau F1 par réflexion sur une cible 40 va donner o0 l'onde signal, le faisceau F2 servira d'oscillateur local et fournira l'onde de référence. Comme, par réflexion sur la cible 40, le faisceau F1 perd une grande partie de son énergie, la majeure partie de l'énergie lumineuse contenue dans le faisceau F va se retrouver de préférence dans le faisceau Fl afin d'obtenir au niveau de l'onde signal une intensité qui rende cette onde signal exploitable par le système. En conséquence, la lame séparatrice 31 ne divise pas le faisceau F en deux parties égales, mais ne réfléchit préférentiellement qu'une faible partie de l'énergie qui devient le faisceau F2 et laisse passer le reste qui va constituer le faisceau Fl. Dans un mode particulier de réalisation de l'invention, la puissance du faisceau F émis par la source laser 30 est de 200 mW, celle du faisceau F1 approximativement de 180 mW, celle du faisceau F2 approximativement de 20 mW, en négligeant l'absorption de la lame séparatrice 31. Dans ce cas la lame séparatrice est une lame 90/10 pour la longueur d'onde utilisée. Le faisceau F1 traverse ensuite un dispositif de collimation 32 classique. Le faisceau F1 une fois collimaté va passer dans un dispositif de déflexion 33 qui classiquement va le diriger vers la cible 40 qui va le réfléchir. La cible 40 étant animée d'une vitesse radiale V, à la fréquence initiale fo du faisceau F1 va se superposer la fréquence. Doppler fo. C'est cette fréquence Doppler fo, contenue dans l'onde signal, c'est à dire dans le faisceau F1 réfléchi, que le système va extraire afin de remonter à l'information de vitesse radiale V de la cible 40. Le faisceau F1, après réflexion, arrive sur un dispositif optique 34 qui peut être par exemple une simple lentille convergente. La cible étant considérée comme se trouvant suffisamment loin, le faisceau F1 arrive sur le dispositif optique 34 sous la forme d'une onde signal qui est plane. Le dispositif optique 34 va focaliser cette onde plane. De préférence, ce dispositif optique matérialise également la pupille de réception du système de détection. Le faisceau F1 traverse une lame recombinatrice 35 qui est de préférence une lame séparatrice 50/50, c'est à dire une lame qui réfléchit la

moitié d'un faisceau reçu en terme d'énergie et laisse passer l'autre moitié.

Le faisceau F2 après avoir été réfléchi par la lame séparatrice 31, est à nouveau réfléchi par la lame recombinatrice 35. La lame recombinatrice 35 est disposée de manière à ce qu'à sa sortie, les faisceaux F1 et F2 soient à nouveau sensiblement dans la même direction. Le faisceau F2 est alors sous la forme d'une onde plane. Les angles que font les deux lames, séparatrice 31 et recombinatrice 35, avec les directions des faisceaux peuvent être choisis de manière à adapter au diamètre du détecteur 37 la taille du

faisceau F2 qui arrive sur le détecteur 37.

Un des points essentiels du système de détection selon l'invention est de réaliser l'interférence entre une onde de référence plane et une onde signal focalisée, I'onde de référence étant le faisceau F2 et l'onde signal étant le faisceau Fl. Pour que la figure d'interférence ainsi réalisée soit observable sur la surface d'un détecteur, il faut que les faisceaux F1 et F2 soient sensiblement dans la même direction à la sortie de la lame recombinatrice 35. Pour que cette figure d'interférence soit réalisée et observée conformément à ce point essentiel, il faut que la surface du

détecteur 37 soit située au voisinage du point de focalisation du faisceau Fl.

Ceci impliquerait de placer la lame recombinatrice 35 en amont du point de focalisation du faisceau Fl. Une autre option consisterait à placer la lame recombinatrice 35 en aval du point de focalisation du faisceau FI, auquel cas il faudrait rajouter un élément optique supplémentaire pour focaliser à nouveau le faisceau F1, mais cette fois-ci en aval de la lame recombinatrice 35. Dans un mode préférentiel de réalisation de l'invention représenté sur la figure 3, la lame recombinatrice 35 est placée au voisinage, voire même au niveau du point de focalisation du faisceau Fl. L'ensemble du faisceau F1 traverse alors sur une surface peu étendue la lame recombinatrice 35, ce qui permet d'utiliser une lame recombinatrice 35 qui soit petite, donc peu

coûteuse tout en présentant moins de risque d'inhomogénéité ou de défaut.

A la sortie de la lame recombinatrice 35, les faisceaux F1 et F2 passent à travers un afocal 36 composé par exemple de deux lentilles convergentes identiques. Dans un mode de réalisation préférentiel de l'invention, les deux lentilles de l'afocal 36 sont identiques à la lentille qui constitue le dispositif optique 34. Le faisceau F2, onde de référence plane à l'entrée de l'afocal 36, est également sous la forme d'une onde plane à la sortie de l'afocal 36. Pour qu'à la sortie de l'afocal 36, le faisceau F1 soit focalisé sur la surface du détecteur 37, il est préférable d'une part que le point de focalisation du faisceau F1 à la sortie du dispositif optique 34 soit à la distance focale de la première lentille de l'afocal 36, et d'autre part que la surface du détecteur 37 soit dans le plan focal de la deuxième lentille de l'afocal 36. Une fois la figure d'interférence entre les faisceaux F1 et F2 réalisée sur la surface du détecteur 37, celui-ci délivre un signal électrique à un analyseur de spectre (38) classique lequel permet d'accéder à la fréquence Doppler f0. En effet, ce signal électrique a une composante variable à la fréquence Doppler fo, qui est le signal hétérodyne provenant de l'interférence entre le faisceau F2 à la fréquence f0 et le faisceau F1 à la

fréquence fo + f0.

Plus précisément, le détecteur 37 est de préférence un détecteur quadratique. L'intensité I que le détecteur reçoit est égale à I= 1OLL+ I, + 24IÈJ cos(27fDt) avec t le temps; IOL et Is les intensités qui seraient respectivement reçues par le détecteur 37 s'il n'y avait que l'oscillateur local ou s'il n'y avait que le signal. Seul le troisième terme du membre de droite de l'égalité précédente est intéressant. En effet c'est le seul contenant une information sur la fréquence Doppler fD: le gain de ce terme est proportionnel à]OÈLs, or Is est généralement faible (les cibles à détecter se trouvant habituellement à des distances élevées) donc IOL doit être relativement élevé si l'on veut que l'information ne soit pas noyée dans le bruit. Dans un mode de réalisation préférentiel de l'invention, I'intensité du faisceau F2 à la surface du détecteur 37 est encore de l'ordre d'une dizaine de mW, alors que celle du faisceau F1 n'est que de l'ordre de la fraction de IpW pour une portée ordinairement supérieure au kilomètre. De préférence, le niveau de l'énergie de l'oscillateur local est choisi juste sous la saturation du

détecteur utilisé, de manière à avoir une sensibilité maximale.

Dans un mode de réalisation préférentiel de l'invention qui sera utilisé par la suite pour les courbes et les applications numériques, les différents éléments sont particularisés comme suit. La source laser 30 émet un faisceau F à la longueur d'onde X = 1,54 pm et de puissance égale à 200 mW. La lame séparatrice divise ce faisceau F en deux faisceaux, un faisceau F1 de puissance égale à 180 mW et un faisceau F2 de puissance égale à 20 mW. Le dispositif optique 34 est une lentille convergente de focale f = 200 mm et de diamètre ( = 50 mm et deux lentilles convergentes similaires à celle-ci forment l'afocal 36. La lame recombinatrice 35 est une lame 50/50, c'est à dire qui réfléchit la moitié de la puissance du faisceau

incident et laisse passer l'autre moitié.

Le système de détection selon l'invention utilise le fait qu'une onde focalisée, ici l'onde signal correspondant au faisceau F1, a une phase plane ou, plus rigoureusement, approximativement plane dans son plan focal. Les distorsions de phase du signal, c'est à dire les distorsions de front d'onde de I'onde signal, se traduisent principalement par un élargissement spatial dans le plan focal de la tache de focalisation de l'onde signal. Par contre, la focalisation peut être considérée comme ayant un pouvoir de " redressement des distorsions de phase ". La robustesse aux perturbations de front d'onde apparaît alors comme une conséquence de la tolérance angulaire 0,' du système de détection puisqu'un front d'onde distordu peut s'interpréter

comme la somme d'une multitude d'ondes planes de direction différente.

La figure 3 schématise le principe de réalisation de la figure d'interférence au niveau de la surface d'un détecteur. Le modèle utilisé est à une dimension pour des raisons de clarté et de simplicité uniquement, la généralisation étant immédiate. La surface d'un détecteur 41 se trouve dans le plan focal d'une optique 42, c'est à dire au niveau de l'axe x. Le détecteur 41 a un diamètre d. L'optique 42 a un diamètre ( et une distance focale f, elle est placée au niveau de l'axe X. Une onde de référence plane de diamètre D tel que D>d, I'oscillateur local F2, arrive sur la surface du détecteur 41. Un front d'onde, perturbé ou non, d'amplitude A(x) et de direction moyenne parallèle à l'axe de l'optique 42, c'est à dire à l'axe z, représente le signal F1 et est focalisé par l'optique 42 sur la surface du détecteur.41; I'onde signal focalisée a une amplitude B(X) qui est proportionnelle à: X2 xX B(X) o: exp(jr) A(x)exp(-j2r-r -)dc tfg 2f Lorsque le front d'onde d'amplitude A(x) est une onde plane, la tache de focalisation sur le détecteur 41 de l'onde signal focalisée B(X) est une tache d'Airy. L'onde signal focalisée B(X) est alors proportionnelle à: X2 XcI, B(X) c: exp(jpr -) sinc(Z --) f 2f La phase de l'onde signal focalisée B(X) peut ensuite être considérée en première approximation comme une onde plane au voisinage du centre du détecteur 41. En effet, dans le voisinage du centre du détecteur 41, I'onde signal focalisée B(X) est peu différente de: B(X) sinc( x-)pourX < f 2f L'intensité I(X) de cette onde signal focalisée B(X) est donnée par: I(X) = sinc2 (r X)

Cette intensité I(X) représente l'énergie véhiculée par l'onde signal.

On constate alors que pratiquement toute cette énergie, c'est à dire environ 83%, est contenue dans le premier anneau de la tache de focalisation dont le rayon est défini par: X = -f Pour collecter l'essentiel de l'énergie contenue dans l'onde signal, il faut que la surface du détecteur 41 soit suffisamment grande pour recevoir au moins ce premier anneau. Par conséquent, le diamètre d du détecteur 41 doit être choisi tel que: d > 2X,,.,

Ce choix résulte d'un compromis qui s'explique à partir de la figure 4.

On définit d'abord l'efficacité d'hétérodynage ihet, comme un paramètre classique permettant de quantifier la robustesse d'un système de détection hétérodyne aux perturbations de front d'onde ainsi qu'aux variations de direction angulaire de l'onde signal. Soit OL(X) I'amplitude de l'oscillateur local qui est l'onde de référence. Cette onde de référence étant plane au niveau de la surface du détecteur 41, son amplitude OL(X) est indépendante du point de l'axe X considéré, elle est donc notée OL qui est une valeur constante sur l'ensemble de la surface du détecteur 41. L'efficacité d'hétérodynage est alors définie par:

( B(X)OL(X)YX (

JB(X)2dX5OL(X)2dX (1 d d Le terme du numérateur représente l'intensité totale de la figure d'interférence réalisée entre l'onde signal focalisée B(X) et l'onde de référence OL(X). Les deux termes du dénominateur représentent respectivement les intensités totales de l'onde signal focalisée B(X) et de

l'onde de référence OL(X).

La figure 4 montre les variations de l'efficacité d'hétérodynage Ylht en fonction du diamètre d du détecteur 41. Le rayon X.,,,,U de la tache de focalisation de l'onde signal focalisée B(X) vaut 6 pm compte tenu des valeurs de paramètres utilisées dans le mode de réalisation préférentiel de l'invention défini plus haut. Le diamètre d englobant le premier anneau de la

tache d'Airy vaut 12 pm.

Tant que le diamètre d reste faible, c'est à dire inférieur à 12 pm, l'efficacité d'hétérodynage Thw reste proche de sa valeur maximale, le

détecteur 41 ne collectant que le centre de la tache de focalisation. Cependant l'intérêt de choisir un diamètre d très faible est limité car

l'énergie collectée est faible également et la portée du dispositif est par conséquent peu importante; on a donc tout intérêt à choisir un diamètre d au moins égal

au premier anneau de la tache de focalisation.

Lorsque le diamètre d augmente au-delà du premier anneau de la tache de focalisation, le numérateur ainsi que le premier terme du dénominateur de la formule (1) varient peu car presque toute l'énergie de I'onde signal focalisée B(X) et donc également celle de la figure d'interférence sont contenues dans ce premier anneau; par contre le deuxième terme du dénominateur de la formule (1) augmente notablement et par conséquent le rapport qui représente l'efficacité d'hétérodynage rihet diminue. De même que la figure 3 a étudié le cas d'une onde plane arrivant sous incidence normale, la figure 5 va étudier le cas d'une onde plane arrivant sous un certain angle d'incidence 0 et étant focalisée sur un détecteur 41 par une optique 42. Le centre de la tache de focalisation ne se trouve plus au centre du détecteur 41. L'optique géométrique montre que la variation angulaire 0 de l'onde signal se traduit par une variation spatiale de la position de la tache de focalisation dont le centre est décalé d'une quantité f tge. Pour que l'efficacité d'hétérodynage he,,t reste acceptable, il faut que le centre de la tache de focalisation arrive sur la surface du détecteur, ce qui revient à délimiter le champ angulaire de détection à partir du diamètre d du d détecteur 41: ÀmX,, =Arctg t. C'est la taille du diamètre d du détecteur qui f fixe le champ angulaire de détection du système, comme le montre la figure 6. L'amplitude de l'onde signal focalisée B(X,O) arrivant sous un angle d'incidence e devient alors proportionnelle à: X2 xX 0 B(X, 0) oc exp(jr. - )f A(x) exp(iftg6) exp(-j2]r-)dx Comme l'onde signal incidente est une onde plane au voisinage du centre du détecteur 41, son amplitude B(X,E) devient proportionnelle à: À X (X-fiO) B(X, 0) oc exp(jr--) sinc(7r "(X f'g) La figure 6 représente les variations de l'efficacité d'hétérodynage qhm en fonction de l'angle d'incidence 0 de l'onde signal. Les trois courbes représentées correspondent à trois valeurs différentes de diamètre d du détecteur 41. Les variations de ces courbes sont similaires. Tant que l'angle i5 d'incidence 0 demeure inférieur au champ angulaire de détection Ona, dépendant du diamètre d, I'efficacité d'hétérodynage Tlhet reste au-dessus d'un certain seuil. Puis lorsque l'angle d'incidence 0 augmente au-delà de la valeur du champ angulaire de détection 0,,x, I'efficacité d'hétérodynage Tlhet chute rapidement jusqu'à devenir proche de zéro. La courbe d'un système de détection selon l'art antérieur, quelque soit le diamètre d du détecteur, serait proche de 100% pour les angles d'incidence tout petits, c'est à dire pour 0 valant quelques prad, et chuterait rapidement jusqu'à zéro pour les angles d'incidence plus grands. Le système de l'invention permet d'agrandir le champ angulaire 0,,, mais au détriment de l'efficacité d'hétérodynage rhet; il réalise un compromis entre champ angulaire de détection et efficacité d'hétérodynage: plus le diamètre d du détecteur est grand, plus l'efficacité d'hétérodynage est faible pour les petits angles d'incidence, mais plus cette efficacité d'hétérodynage obtenue reste stable lorsque l'angle d'incidence augmente. L'augmentation du diamètre du détecteur dans un système de détection selon l'invention, diminue les performances du système dans des

conditions idéales mais est plus robuste à la dégradation de ces conditions.

Le diamètre d du détecteur étant choisi égal à 100 pm, la figure 7 compare les variations respectives de l'efficacité d'hétérodynage Bht d'un système selon l'art antérieur de configuration classique et d'un système selon l'invention, en fonction de la distorsion de front d'onde mesurée en unités arbitraires (u.a). Comme expliqué ci-dessus, un front d'onde perturbé pouvant s'interpréter comme une somme de multiples ondes planes de direction différente, le champ angulaire élargi du système de détection selon l'invention contribue à le rendre plus robuste aux perturbations de front

d'onde dues aux perturbations atmosphériques par exemple.

Les perturbations atmosphériques étant quantifiées par le rayon de Fried ro qui est un paramètre classique de la statistique et (p étant une phase aléatoire, l'amplitude de l'onde signal focalisée B(X,ro) est proportionnelle à: x2 x B(X, ro) oc exp(j A) exp(jxp(j(ro"))exp(-j2 A)dx (2) Af CD 2 On obtient alors les courbes de la figure 7 o l'unité arbitraire (u.a) est proportionnelle au rapport l/ro. Les performances de la configuration classique se dégradent rapidement, alors que celles du système de détection selon l'invention se maintiennent à un niveau à peu près constant: les fluctuations sont dues en partie au faible nombre de points de mesure

symbolisés par des petites croix.

Le phénomène de tavelure, " speckle " en langue anglaise, peut être décrit par un formalisme analogue à celui qui décrit les perturbations atmosphériques, aboutissant à une formule analogue à la relation (2). Le système de détection selon l'invention est par conséquent également moins

sensible à la tavelure.

D'une manière générale, les applications d'un système de détection hétérodyne selon l'invention peuvent concerner les domaines de la mesure de la fréquence Doppler, de la communication en espace libre, de l'analyse non destructive. Par ailleurs, I'invention ne se réduit pas au mode de réalisation préférentiel décrivant un détecteur unique 37. A la place de ce détecteur 37, on peut utiliser une matrice de détecteurs élémentaires permettant de faire de l'imagerie Doppler, sans balayage au niveau de la réception du système, c'est à dire au niveau du dispositif optique 34. La taille de chaque pixel de la matrice est alors adaptée à la tache de focalisation des faisceaux réfléchis par les différents points du champ

observé. L'imagerie Doppler rend possible la désignation multicibles.

Claims (8)

REVENDICATIONS

1. Système optique de détection hétérodyne à champ élargi comportant: un dispositif laser (30) qui produit deux faisceaux (F1, F2), l'un (F1) illuminant une cible (40) laquelle réfléchit une onde signal et l'autre (F2) utilisé comme onde de référence; au moins un détecteur (37); des moyens (34, 35, 36, 38) pour réaliser une figure d'interférence entre l'onde de référence (F2) et l'onde signal (F1), pour extraire la fréquence Doppler (fD) contenue dans l'onde signal (F1); le système étant caractérisé en ce que lesdits moyens (34, 35, 36, 38) sont prévus pour former l'onde de référence (F2) telle qu'elle soit plane sur le détecteur (37) et pour focaliser l'onde signal (F1) sur le détecteur (37),

de manière à réaliser la figure d'interférence sur ledit détecteur (37).

2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens (34, 35, 36, 38) comportent: un premier dispositif optique (34) qui focalise l'onde signal (F1); un deuxième dispositif optique (35, 36) comportant au moins une lame recombinatrice (35) qui renvoie l'onde de référence (F2) et l'onde signal

(F1) dans une même direction.

3. Système selon la revendication 2, caractérisé en ce que le deuxième dispositif optique (35, 36) comporte aussi un afocal (36) situé entre la lame recombinatrice (35) et le détecteur (37), pour reformer la tache de

focalisation de l'onde signal (F1) sur le détecteur (37).

4. Système selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'au voisinage de la lame recombinatrice (35), d'une part arrive l'onde de référence (F2) plane et d'autre part est focalisée l'onde signal (F1) par le

premier dispositif optique (34).

5. Système selon la revendication 4, caractérisé en ce que le premier dispositif optique (34) est une optique qui matérialise la pupille de réception

de l'onde signal (F1).

6. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 5,

caractérisé en ce que le détecteur (37) a un diamètre au moins égal à celui du premier anneau de la tache d'Airy de l'onde signal (F1) sur le détecteur (37).

7. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 6,

caractérisé en ce que le détecteur (37) est une matrice de détecteurs

élémentaires permettant de faire de l'imagerie Doppler.

8. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 7,

caractérisé en ce que le dispositif laser (30) a une longueur d'onde laser qui

appartient au domaine du visible ou au domaine du proche infrarouge.