FR2800471A1

FR2800471A1 - Imageur laser dynamique

Info

Publication number: FR2800471A1
Application number: FR9913611A
Authority: FR
Inventors: Sebastien Breugnot; Arnaud Brignon
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1999-10-29
Filing date: 1999-10-29
Publication date: 2001-05-04
Anticipated expiration: 2019-10-29
Also published as: FR2800471B1

Abstract

Dispositif d'imagerie dynamique laser permettant de représenter sur un imageur les objets en mouvement avec des symboles et/ ou des couleurs dépendant de la vitesse du mobile, l'utilisation du mélange à deux ou à quatre ondes dans un matériau non linéaire adapté à la dynamique de la scène permettant d'obtenir un angle de vue et un rapport signal à bruits suffisants sans recours à un balayage de la scène ou à un traitement du signal complexe.

Description

IMAGEUR LASER DYNAMIQUE La présente invention concerne la mesure de vitesse par sources laser.

La mesure du décalage en fréquence d'une onde électromagnétique réfléchie par un objet mobile (effet Doppler) est utilisee depuis longtemps pour en déduire la vitesse dudit mobile et représenter celle ' sur un imageur. L'utilisation des ondes du domaine radar est la plus ancienne et la plus courante. L'utilisation des ondes lumineuses émises laser (Lidar ou Ladar) est plus récente mais tend à se développer pour les applications où l'objet dont on veut mesurer la vitesse ne réfléchit pas les ondes radar (masse de gaz en mouvement par exemple) ou est susceptible de detecter et contrer facilement la mesure (applications militaires et de sécurité civile).

Trois techniques principales sont utilisées pour mesurer le décalage Doppler sur une onde lumineuse émise par une source laser et en déduire la vitesse de la cible. La détection directe est proche des techniques les plus utilisées en détection radar, elle compare la modulation de l'onde rétrodiffusée par la cible à la modulation émise. La détection cohérente compare l'onde rétrodiffusée par la cible à une onde de référence de fréquence égale à celle de fréquence d'émission (détection homodyne) ou décalee en fréquence (détection hétérodyne). La détection à technique de bord (c < edge detection en anglais) mesure la transmission en sortie d'un filtre passe-bande , notamment du type Fabry-Pérot, pour en déduire le décalage en fréquence de l'onde rétrodiffusée.

Ces trois modes de détection ne permettent d'analyser qu'un angle de vue très limité (quelques microradians pour les deux derniers). Pour réaliser un imageur et analyser et représenter une scène, il est donc nécessaire d'utiliser des matrices multi-détecteurs commandées par un système de balayage. Ces techniques sont donc complexes et coûteuses à mettre en aeuvre.

La présente invention se rattache au mode de détection à technique de bord mais elle surmonte les limitations de l'art antérieur en permettant la réalisation d'une imagerie à angle de vue large sans balayage en utilisant les propriétés des mélanges d'ondes lumineuses dans des matériaux non linéaires.

A ces fins l'invention propose un dispositif permettant de reproduire une scène du type comprenant au moins une source laser qui produit un faisceau lumineux incident éclairant la scène à reproduire, un mélangeur combinant en temps réel sous forme d'hologrammes une partie des faisceaux lumineux extraits des sources laser et une partie des faisceaux lumineux réfléchis par la scène, un premier photodétecteur captant la lumière en sortie du mélangeur, un deuxième photodetecteur captant une partie l'onde lumineuse réfléchie par la scène avant qu'elle n'atteigne le mélangeur, un circuit de traitement des sorties des deux photodétecteurs pour fournir un signal d'image à un imageur pour representer le signal en sortie circuit électrique, caractérisé en ce que le mélangeur d'ondes lumineuses est constitué par un matériau mettant en oeuvre des effets optiques non linéaires, ledit matériau étant choisi pour fournir une fonction gain/fréquence compatible avec les caractéristiques respectives des sources laser et d'une plage vitesse des objets à représenter, et en ce que le circuit de traitement est agencé pour réaliser une combinaison linéaire soustractive des sorties des deux photodétecteurs, prises dans un rapport égal à une valeur référence de ladite fonction gain/fréquence, telle sorte que les objets mobiles seront représentés par l'imageur d'une manière variable en fonction de leur vitesse réelle dans ladite scène.

L'invention sera mieux comprise, ses différentes caractéristiques et avantages ressortiront de la description qui suit d'un exemple de réalisation, et de ses figures annexées, dont: - la figure 1 montre un schéma de principe de l'invention dans ses deux modes de réalisation préférés ; - la figure 2 illustre la combinaison des faisceaux lumineux dans deux modes de réalisation préférés de l'invention.

- la figure 3 montre les courbes représentatives des paramètres physiques caractéristiques de l'invention dans ses deux modes de réalisation préférés.

Le dispositif selon l'invention de la figure 1.1 met en ceuvre le mélange à deux ondes. Une source laser (LAS) émet un faisceau (FI). Une partie (Fla) du faisceau (FI) éclaire la scène à imager (SCE) après avoir traversé une première lame séparatrice (LS1). L'autre partie (Flb) du faisceau lumineux issue de la lame séparatrice (LS1) est dirigée vers un mélangeur (MIEL) où elle se combine avec une partie (FRa) faisceau réfléchi (FR) par la scène (SCE) au travers d'un dispositif de focalisation (L), ladite partie ayant été prélevée par une deuxième lame séparatrice (LS2) intercalée entre le dispositif de focalisation (L) et le mélangeur (MIEL). Le faisceau lumineux issu du mélangeur (MIEL) est dirigé vers premier photodétecteur matriciel (PH01), qui peut par exemple être du type CCD (Charge Coupled Device). La partie du faisceau réfléchi prélevée la lame séparatrice (LS2) est dirigée sans passer par le mélangeur (MIEL) vers un deuxième photodétecteur matriciel (PH02) qui peut également etre du type CCD. Les signaux électriques issus des deux photodétecteurs (PH01 et PH02) sont combinés par un circuit de traitement du signal (TTS) puis présentés à un imageur (IMA).

Le mélangeur optique (MIEL) est un amplificateur optique à gain variable constitué par une interaction à deux ondes dans un matériau non linéaire dont le gain (y) varie en fonction de la différence de fréquence entre les deux faisceaux qui l'éclairent.

mélange des deux ondes, l'onde incidente (Flb) prélevée par la lame séparatrice (LS1) et l'onde réfléchie (FRa) présentée au mélangeur (MIEL) à travers le dispositif de focalisation (L) et la lame séparatrice (LS2), génère un reseau d'interférence qui écrit en temps réel un hologramme (H,) dans le matériau non linéaire. La diffraction du faisceau pompe (Flb) sur cet hologramme va amplifier l'onde (FRa) par un gain (y) qui est fonction monotone décroissante du décalage en fréquence entre l'onde incidente et l'onde réfléchie. Ce mécanisme est illustré par la figure 2.1. cette figure, le faisceau pompe (Flb) est à la fréquence (f) du laser, le faisceau (FRa) porte le signal et est décalé par l'effet doppler (f + af), le faisceau (FY-) résultant de la relecture de l'hologramme est à la fréquence du signal + Af). (FRa) et (FY-) sont colinéaires et de même sens.

Deux opérations simples, réalisées par le circuit (TTS), permettent alors de calculer le champ électrique de l'onde lumineuse représentative des parties de la scène (SCE) en mouvement : le champ électrique de l'onde réfléchie mesuré par le photodétecteur (PH02) est multiplié par le gain (y), le résultat étant soustrait au champ électrique de l'onde d'interférence (FY-) mesuré par le photodétecteur (PH01). Le signal électrique en sortie du circuit (TTS) est donc nul pour les parties immobiles de la scène et d'intensité variable pour les parties mobiles. Celles-ci peuvent alors être représentées directement sur l'imageur (IMA) par des symboles et/ou une colorimétrie représentatifs de leur vitesse de déplacement.

Les matériaux photoréfractifs et leurs applications sont en particulier décrits par Huignard et Günter (Photorefractive materials and their applications, Springer-Verlag, vol. 61, 1987). Dans la configuration de mélange à deux ondes on utilisera en principe un cristal photoréfractif.

L'effet non linéaire correspondant (photoréfractivité) est utilisé dans des dispositifs de détection optique décrits notamment dans les brevets américains 4 442 455 , 5 282 067, 5 335 548 et 5 827 071. Les dispositifs réalisés permettent en particulier la détection de vibration, la mesure de distance ou la correction d'aberrations. Pour la mise en ceuvre dispositif selon l'invention, on choisit le cristal photoréfractif pour constituer le mélangeur (MIEL) en fonction des conditions d'emploi du dispositif, en particulier de la dynamique de la scène à représenter.

Le tableau ci-dessous indique, pour les principaux matériaux connus présentant des propriétés de photoréfractivité, la longueur d'onde typique d'utilisation (#.), le coefficient de gain (y.) et le temps de réponse (T). (yo) est le gain maximum entre l'intensité de l'onde lumineuse (FI) en sortie du mélangeur (MIEL) et l'intensité de l'onde lumineuse qui porte le signal (FRa). II obtenu lorsque l'onde lumineuse qui porte le signal a la même fréquence que l'onde lumineuse incidente, c'est-à-dire lorsque la scène ne comporte pas d'objet mobile. (-T) est le délai de mise en ceuvre de l'effet photoréfractif dans le cristal.

Matériaux <SEP> Longueur <SEP> d'onde <SEP> Coefficient <SEP> de <SEP> gain <SEP> Temps <SEP> réponse
<tb> Typique <SEP> d'utilisation <SEP> m <SEP> cm <SEP> -' <SEP> T( <SEP> s
<tb> GaAs <SEP> 1,06 <SEP> 0,4 <SEP> 80x10'
<tb> GaAs <SEP> :Cr <SEP> 1,06 <SEP> 0,6 <SEP> 53x10'
<tb> BaTi0 <SEP> 0,532 <SEP> 30 <SEP> 1
<tb> BaTi0 <SEP> :Rh <SEP> 1,06 <SEP> 11 <SEP> 30
<tb> BSO <SEP> 0,532 <SEP> 10 <SEP> 15x103
<tb> GaP <SEP> 0,633 <SEP> 0,3 <SEP> 3x10'
<tb> SBN <SEP> :Ce <SEP> 0,532 <SEP> 12 <SEP> 3 Le matériau photoréfractif est choisi de manière à optimiser le coefficient de gain du mélange à deux ondes (y), dont on démontre qu'il dépend de (yo), (T) et décalage en fréquence généré par l'effet Doppler, par la formule:

La figure 3. illustre les variations de la grandeur (y) en fonction de la grandeur (Ç2T) pour deux valeurs de la grandeur (y. L) caractéristiques de cristal photoréfractif. L est la longueur du cristal dans la direction de propagation des ondes mélangées.

Dans un exemple de réalisation, le laser (LAS) sera un laser Nd Yag doublé de longueur d'onde 532 nm et de puissance 10 W. La lame séparatrice (LS1) sera choisie et réglée de telle sorte que l'intensité du faisceau (Fla) représente 99 % de l'intensité du faisceau incident. De même la lame séparatrice (LS2) sera choisie et réglée de telle sorte que l'intensité du faisceau (Fra) représente 50 % de l'intensité du faisceau réfléchi (FR). Le mélangeur (MIEL) sera un cristal photoréfractif en Ba Ti 03 dont le temps de réponse est -r = 1 seconde et le coefficient de gain à vitesse nulle est 3000 m-'. Dans cette configuration, il est possible de repérer des micro- déplacements comme le montre le calcul de la vitesse (V,) associée à la fréquence (fj de coupure Doppler (fréquence pour laquelle le gain est égal à un).

fc est tel que

Soit pouryo 3000, T = 1 et 1 = 532 nm, fr = 8,72 Hz et V. = 23 nmls Lorsque la dynamique de la scène à représenter ne permet pas de choisir un cristal photoréfractif dont les paramètres permettent d'optimiser le gain du mélange à deux ondes, on choisira de mettre en ceuvre le dispositif selon l'invention en ayant recours au mélange à quatre ondes.

Pour générer un mélange à quatre ondes, une partie (Fld) faisceau incident est prélevée et conduite vers le mélangeur (MIEL) par jeu de miroirs (M,, M2, M3, M4) pour y être présentée de manière à être de même direction et de sens opposé au faisceau (FIJ ayant traversé M,.

J, (Fle) et (FRa) dans le matériau manière dont se combinent les faisceaux (FI, non linéaire est illustrée par la figure 2.2.

Sur cette figure, le premier faisceau pompe {FIJ est à fréquence (f) du laser, le faisceau (FRa) porte le signal et est décalé par ,) interfèrent pour créer un hologramme l'effet doppler (f + of). (FRa) et (FIr (H2) qui est relu par le deuxième faisceau pompe (FI.). La relecture l'hologramme génère un quatrième faisceau (FE) qui est de même fréquence + Of) et direction que (FRa) mais de sens opposé. De même (FRa) peut interférer avec (Fi,, ) pour créer un deuxième hologramme qui sera relu (FIJ pour générer (FE). Les deux mécanismes peuvent dans certains avoir lieu simultanément. (FE) est appelé le complexe conjugué de (FRa). L'onde (FE), dont l'intensité est amplifiée d'un coefficient (R), appelé coefficient de réflectivité, par rapport à l'intensité du faisceau (FRa), se refléchit sur la lame séparatrice (LS2) est alors analysée par photodétecteur (PH01), disposé en conséquence. L'analyse des signaux électriques générés par (PH01) et (PH02) s'effectue ensuite de la même manière que dans le dispositif à mélange à deux ondes, le coefficient gain de phoréfractivité (y) étant remplacé par le coefficient de réflectivité Le choix des matériaux non linéaires pour constituer le mélangeur à quatre ondes est plus large que dans le cas du mélangeur à deux ondes.

D'autres effets non linéaires que la photoréfractivité peuvent en effet etre utilisés, tels que la génération de porteurs libres, l'effet thermique, l'effet de reorientation moléculaire, l'effet de saturation de l'absorption, l'effet de saturation du gain et l'effet Brillouin. Il en résulte une plus large faculté d'adaptation aux caractéristiques de la scène à représenter et la possibilité mettre en ceuvre le dispositif dans de larges plages d'angles entre les faisceaux incidents et réfléchis. Dans le cas de mise en jeu l'effet photoréfractif, le coefficient de photoréfractivité (R) se déduit du coefficient de gain photoréfractif (y) par la formule suivante, où (q) est le rapport de l'intensité du faisceau (Fle) à l'intensité du faisceau (FIJ

La figure 3.2 illustre les variations normalisées de (R) en fonction de S2 -c, ces deux grandeurs ayant les mêmes définitions que dans le cas du mélange à deux ondes.

Claims

REVENDICATIONS

1. Dispositif permettant de reproduire une scène (SCE) du type comprenant au moins une source laser (LAS) qui produit un faisceau lumineux incident (FI) éclairant la scène à reproduire, un mélangeur (MEL) combinant en temps réel sous forme d'hologrammes une partie des faisceaux lumineux extraits des sources laser et une partie des faisceaux lumineux réfléchis par la scène, un premier photodétecteur (PH01 captant la lumière en sortie du mélangeur (FE), un deuxième photodétecteur (PH02) captant une partie de l'onde lumineuse réfléchie par la scène (Fra) avant qu'elle n'atteigne le mélangeur, un circuit de traitement des sorties deux photodétecteurs pour fournir un signal d'image à un imageur (IMA) pour représenter le signal en sortie du circuit électrique, caractérisé en ce que le mélangeur d'ondes lumineuses est constitué par un matériau mettant en oeuvre effets optiques non linéaires, ledit matériau étant choisi pour fournir une fonction gain/fréquence compatible avec les caractéristiques respectives des sources laser et d'une plage de vitesse des objets à représenter, et en ce que le circuit de traitement est agencé pour réaliser une combinaison linéaire soustractive des sorties des deux photodétecteurs, prises dans un rapport égal à une valeur de référence de ladite fonction gain/fréquence, de telle sorte que les objets mobiles seront représèntés par l'imageur d'une manière variable en fonction de leur vitesse réelle dans ladite scène. Dispositif selon la revendication 1 comprenant une seule source laser, caractérisé en ce que ledit mélangeur combine une seule partie (Flb) du faisceau lumineux incident et une partie (FRa) du faisceau lumineux réfléchi par la scène pour produire (FY-). 3. Dispositif selon la revendication 1 comprenant en outre un jeu de miroirs (M,, M2, M3, M4), caractérisé en ce que le jeu de miroirs produit deux faisceaux lumineux extraits du faisceau incident (FI) de même direction et de sens opposé et que ledit mélangeur combine ces deux faisceaux (Fi.) et (Fle) et la partie (FRa) des faisceaux réfléchis par la scène pour produire (FY,). Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le faisceau lumineux incident est partagé en deux parties (Fla) et (Flb) par une lame séparatrice (LS1). Dispositif selon l'une des revendications précedentes, caractérisé en ce que le faisceau (FR) réfléchi par la scène est concentré sur une lame séparatrice (LS2) par un dispositif de focalisation (L). 6. Dispositif selon l'une des revendications précedentes, caractérisé en ce que le faisceau réfléchi (FR) est partagé en deux parties (FRa) et (FRb) après avoir traversé le dispositif de focalisation (L) et afin que la partie (FRa) soit présentée au mélangeur (MIEL). 7. Dispositif selon l'une des revendications 1 , 2, 4, 5 ou 6 caractérisé en ce que ledit circuit électrique (TTS) réalise la multiplication du signal électrique en sortie du photodétecteur (PH02) par un coefficient de gain (y) puis la soustraction du signal résultant au signal électrique en sortie du photodétecteur (PH01). 8. Dispositif selon l'une des revendications 1 , 3, 4, 5 ou 6 caractérisé en ce que ladite valeur de référence de la fonction gain/fréquence est prise à vitesse nulle.