FR2774767A3

FR2774767A3 - Device for precise determination of the transmission characteristics of a part of the terrestrial atmosphere

Info

Publication number: FR2774767A3
Application number: FR9801589A
Authority: FR
Inventors: Jean Michel Baluteau
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1998-02-11
Filing date: 1998-02-11
Publication date: 1999-08-13
Anticipated expiration: 2004-02-11
Also published as: FR2774767B3

Abstract

Device comprises an emitter (E) associated with two receivers (R1,R2). The emitter emits a modulated beam of cylindrical light, which is detected by receiver (R1) placed some 10s of meters away, in the direct path of the emitter. Receiver (R2) receives only dispersed light from the emitter. The device comprises a means of calibration based on the weak light values received by R2.

Description

La présente invention est relative à un dispositif destiné à la mesure précise de la transmission d'un milieu homogène et plus particulièrement d'une portion de l'atmosphère terrestre. Le procédé classiquement utilisé consiste à déterminer, pour une bande spectrale donnée, I'affaiblissement énergétique d'un faisceau lumineux traversant une épaisseur connue de cette partie d'atmosphère. Dans ce but on utilise, comme il est schématisé sur la figure 1, un émetteur E délivrant un faisceau sensiblement cylindrique de lumière modulée et un récepteur R, placé à quelques dizaines de mètres, captant ce faisceau affaibli par la traversée dans le milieu étudié. Pour exploiter l'information donnée par le récepteur il est indispensable d'étalonner l'appareil avec précision c'est à dire de bien connaître sa réponse pour une valeur connue de la transmission. Cependant cet étalonnage ne reste valide que si l'on prend soin, par des dispositifs appropriés, de nettoyer réguliérement les surfaces traversées par le faisceau lumineux et baignées par le milieu extérieur, surfaces susceptibles d'être polluées et de perturber ainsi les mesures. Ces précautions sont toutefois insuffisantes quand on recherche une grande précision, par exemple quand on veut évaluer la transmission avec une erreur inférieure à un pour cent. Diverses causes en effet affectent cette précision : le vieillissement de la source de lumière, les modifications de transparence, par oxydation ou condensation, des dioptres traversés par les rayons lumineux à l'intérieur de l'appareil et enfin les légères déformations des piliers, supports des éléments du système, qui décentrent le faisceau sur le récepteur. Aussi est-il nécessaire de refaire fréquemment l'étalonnage, le plus souvent, pour cette actualisation, les dispositifs connus introduisent de nouveaux éléments dans le cheminement du faisceau lumineux ou éliminent des organes existants. Les altérations de ces éléments supprimés ou ajoutés nc sont donc pas correctement pris en compte dans le nouvel étalonnage et par conséquent on ne peut espérer obtenir une mesure précise. Le but de la présente demande est de définir un dispositif qui permet, de façon simple et sûre, de renouveler l'étalonnage de l'appareil.The present invention relates to a device intended for the precise measurement of the transmission of a homogeneous medium and more particularly of a portion of the Earth's atmosphere. The method conventionally used consists in determining, for a given spectral band, the energy weakening of a light beam crossing a known thickness of this part of the atmosphere. For this purpose, as is shown diagrammatically in FIG. 1, an emitter E delivering a substantially cylindrical beam of modulated light is used and a receiver R, placed a few tens of meters away, picking up this beam weakened by the crossing in the environment studied. To use the information given by the receiver, it is essential to calibrate the device with precision, ie to know its response well for a known value of the transmission. However, this calibration remains valid only if care is taken, by appropriate devices, to regularly clean the surfaces crossed by the light beam and bathed by the external environment, surfaces liable to be polluted and thus disturb the measurements. However, these precautions are insufficient when looking for high precision, for example when you want to evaluate the transmission with an error of less than one percent. Various causes indeed affect this precision: the aging of the light source, the changes in transparency, by oxidation or condensation, the diopters crossed by the light rays inside the device and finally the slight deformations of the pillars, supports elements of the system, which center the beam on the receiver. Also it is necessary to redo the calibration frequently, most often, for this updating, the known devices introduce new elements in the path of the light beam or eliminate existing organs. The alterations of these elements removed or added nc are therefore not correctly taken into account in the new calibration and therefore one cannot hope to obtain an accurate measurement. The purpose of this application is to define a device which makes it possible, simply and safely, to renew the calibration of the device.

Un système conforme à l'invention est schématisé par la figure 2. Il comporte essentiellement trois éléments, un émetteur E délivrant un faisceau sensiblement cylindrique de lumière modulée et deux récepteurs RI et R2 caractérisés par les dispositions suivantes: a) le récepteur R1 est placé en face de l'émetteur E, à quelques dizaines de mètres, et
capte le flux direct cnvoyé par celui-ci, les axes principaux de E et de R1 étant à peu
près confondus; b) le récepteur R2 est placé dc façon à ne recevoir de la part de E aucune lumière directe
mais uniquement de la lumière diffusée par une partie du milieu éclairé par E.A system according to the invention is shown diagrammatically in FIG. 2. It essentially comprises three elements, an emitter E delivering a substantially cylindrical beam of modulated light and two receivers RI and R2 characterized by the following arrangements: a) the receiver R1 is placed in front of the transmitter E, a few tens of meters, and
captures the direct flow sent by it, the main axes of E and R1 being more or less
almost confused; b) the receiver R2 is placed so as to receive no direct light from E
but only light scattered by part of the medium illuminated by E.

Dans le paragraphe suivant, on décrit le fonctionnement de l'appareil.The following paragraph describes how the device works.

Le rôle de Ri est de mesurer de façon classique la transmission de l'espace étudié, tandis que celui de R2 est dc permettre un nouvel étalonnage de l'appareil. Quand un milieu n'est pas totalement transparent, une partie du flux qui le traverse est transmise directement, une seconde fraction est absorbée et une troisième enfin est diffusée , d'ailleurs si on connaît la nature des particules constituant le milieu et la longueur d'onde du flux incident, la théorie établit une relation entre la lumière transmise et la lumière diffusée, relation d'ailleurs très précise pour les transmissions élevées. Le récepteur R2 est suffisamment sensible pour mettre en évidence la très faible diffusion quand la transmission est élevée, voisine de 1. Il existe des récepteurs capables de mesurer la diffusion moléculaire d'une portion d'atmosphère en l'absence de toute brume ou de tout aérosol, c'est à dire quand la transmission est maximum. Le récepteur R2 appartient à cette classe d'instruments. Par conséquent si ce récepteur décèle une diffusion égale à la diffusion moléculaire on admet que la transmission est 1 et on procède à l'actualisation de l'étalonnage. Ce cas idéal est toutefois peu fréquent et le plus souvent R2 met en évidence des diffusions faibles mais sensiblement supérieures à la précédente. Alors la relation théorique évoquée ci-dessus permet de déduire le facteur de transmission et l'actualisation de l'étalonnage peut tout aussi bien etre réalisée.The role of Ri is to measure in a conventional way the transmission of the space studied, while that of R2 is to allow a new calibration of the device. When a medium is not completely transparent, part of the flux which crosses it is transmitted directly, a second fraction is absorbed and a third finally is diffused, moreover if we know the nature of the particles constituting the medium and the length d 'wave of the incident flux, the theory establishes a relation between the transmitted light and the diffused light, relation moreover very precise for the high transmissions. The R2 receptor is sensitive enough to highlight the very weak diffusion when the transmission is high, close to 1. There are receptors capable of measuring the molecular diffusion of a portion of atmosphere in the absence of any mist or any aerosol, ie when the transmission is maximum. The R2 receiver belongs to this class of instruments. Consequently, if this receptor detects a diffusion equal to the molecular diffusion, it is assumed that the transmission is 1 and the calibration is updated. This ideal case is, however, infrequent and most often R2 highlights weak diffusions but significantly greater than the previous one. Then the theoretical relation evoked above makes it possible to deduce the factor of transmission and the updating of the calibration can just as easily be carried out.

On peut donc, par temps passablement clair, refaire l'étalonnage. Au cours de cette opération, le système selon l'invention ne modifie pas la disposition des éléments sur le circuit principal E-Rl , et il en résulte que pratiquement la précision de mesure de la transmission est améliorée d'au moins un facteur 10 en comparaison avec les appareils connus. De préférence cette rectification de l'étalonnage est automatisée.It is therefore possible, in fairly clear weather, to recalibrate. During this operation, the system according to the invention does not modify the arrangement of the elements on the main circuit E-Rl, and it follows that practically the measurement accuracy of the transmission is improved by at least a factor of 10 in comparison with known devices. Preferably this rectification of the calibration is automated.

D'autre part, en s'appuyant sur les résultats théoriques, on peut aisément vérifier si les valeurs des flux de lumière transmise et de lumière diffusée, mesurés respectivement par
Ri et R2, sont cohérentes. Si l'on constate une quelconque incohérence, c'est qu'il y a probablement une anomalie dans le système et l'on peut alors déclencher les opérations de maintenance préventive ou curative.On the other hand, based on the theoretical results, it can easily be checked whether the values of the fluxes of transmitted light and scattered light, measured respectively by
Ri and R2 are consistent. If there is any inconsistency, it means that there is probably an anomaly in the system and we can then trigger preventive or curative maintenance operations.

Les émetteurs et les récepteurs associés à une bande spectrale particulière ainsi que leurs accessoires sont des ensembles connus de l'homme de l'art et ne font pas l'objet de la présente invention. De même l'état actuel des connaissances sort du cadre de la demande. The transmitters and receivers associated with a particular spectral band and their accessories are assemblies known to those skilled in the art and are not the subject of the present invention. Likewise, the current state of knowledge goes beyond the scope of the request.

Dans ce paragraphe on précise quelques configurations particulières et certaines précautions couramment appliquées dans ce genre d'appareils. Pour des raisons de mise en place, tout en restant dans le domaine de l'invention, on peut etre amené à couder le trajet E-Rl à l'aide de miroirs ou de systèmes équivalents. D'autre part on remarquera que le récepteur R2 peut être disposé en un lieu quelconque, en effet, grâce à l'emploi d'un ou plusieurs miroirs, il est toujours possible de dévier vers ce récepteur la lumière diffusée dans une certaine direction par une portion choisie du circuit. Bien que le flux émis par E soit modulé et que les récepteurs ne tiennent pas compte alors de la lumière parasite extérieure, il est déconseillé de placer dans le champ de ces récepteurs des plages lumineuses (soleil, ciel...) susceptibles de provoquer une saturation ou d'augmenter les bruits de fond. De plus, selon des dispositions connues, il faut éliminer dans le champ de
Ri et R2 toute surface réfléchissante (partie métallique, flaque d'eau etc...) ou diffusante, capable de renvoyer des pinceaux lumineux parasites qui proviennent soit de l'émetteur modulé E, soit d'une source extérieure brillante.In this paragraph we specify some particular configurations and certain precautions commonly applied in this kind of devices. For reasons of implementation, while remaining in the field of the invention, it may be necessary to bend the path E-Rl using mirrors or equivalent systems. On the other hand it will be noted that the receiver R2 can be placed in any place, indeed, thanks to the use of one or more mirrors, it is always possible to deflect towards this receiver the light scattered in a certain direction by a selected portion of the tour. Although the flux emitted by E is modulated and the receivers do not then take account of external stray light, it is not recommended to place in the field of these receivers bright areas (sun, sky ...) likely to cause a saturation or increase background noise. In addition, according to known arrangements, it is necessary to eliminate in the field of
Ri and R2 any reflecting (metallic part, puddle, etc.) or diffusing surface capable of returning parasitic light brushes which come either from the modulated emitter E, or from a bright external source.

La source de lumière placée dans l'émetteur E est généralement fine et intense. On peut utiliser par exemple un arc pulsé au xénon ou bien un laser.The light source placed in the emitter E is generally fine and intense. One can use for example a pulsed arc with xenon or a laser.

On donne ci-dessous un exemple de réalisation conforme à la demande et destinée à la mesure de l'opacité des brumes et brouillards sur les aéroports. La source émettrice E est un laser rayonnant dans le vert qui, associé à son "extendeur", possède une divergence de 6.10-5 radian , le faisceau cylindrique issu de E a un diamètre de 30 mm. Le récepteur Ri est placé à 30 mètres de E , il est composé essentiellement d'un objectif de focale 300 mm et de diamètre 50 mm, d'un filtre interférentiel centré sur la longueur d'onde du laser et d'un photorécepteur de type classique . dans le plan focal de l'objectif est disposé un diaphragme de champ de diamètre 1.5 mm et une lentille de champ projetant l'objectif sur la surface photosensible. Le récepteur R2 est identique à Ri , il est placé à 50 cm de E et son axe principal est incliné vers le bas à 6 degrés sur l'axe E-RI. Il reçoit ainsi la lumière retrodiffusée par une portion du faisceau laser située à 5 mètres de E. An exemplary embodiment is given below in accordance with demand and intended for measuring the opacity of mists and mists at airports. The emitting source E is a laser radiating in the green which, associated with its "extender", has a divergence of 6.10-5 radian, the cylindrical beam coming from E has a diameter of 30 mm. The receiver Ri is placed 30 meters from E, it is essentially composed of a lens with focal length 300 mm and diameter 50 mm, an interference filter centered on the wavelength of the laser and a photoreceptor of the type classic. in the focal plane of the objective is arranged a field diaphragm with a diameter of 1.5 mm and a field lens projecting the objective onto the photosensitive surface. The R2 receiver is identical to Ri, it is placed 50 cm from E and its main axis is inclined downward at 6 degrees on the E-RI axis. It thus receives the light backscattered by a portion of the laser beam located 5 meters from E.

Claims

Claims 1) Precise measurement device for the transmission of a homogeneous medium, applicable in particular to the determination of transparencies of the Earth's atmosphere, comprising an emitter E associated with two receivers R1 and R2, characterized by the following arrangements combination: a) the emitter E delivers a substantially cylindrical beam of modulated light b) the receiver Ri is placed a few tens of meters in front of the emitter E and captures the direct flux emitted by it, the main axes of E and R1 being almost confused,

c) the receiver R2 is placed so as to receive no light from E

direct or reflected but only the light scattered by a portion of the

medium lit by E

d) the device comprises the means of updating the calibration of the assembly for

the low values of light scattered towards R2.

2) Device according to claim I characterized in that it comprises the means of checking whether the flows received respectively by R1 and R2 are coherent.

3) Device according to claim I characterized in that it comprises one or more mirrors or equivalent optical systems for bending the beam emitted by E.

4) Device according to claim 1 characterized in that it comprises one or more mirrors or equivalent optical systems for deflecting towards the receiver R2 the light scattered in a certain direction by a portion of the medium illuminated by E.