FR2862764A1 - Dispositif de mesure de vitesses a effet doppler a faible bruit d'intensite - Google Patents
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Abstract
L'invention est relative à un dispositif de mesure de vitesse à effet Doppler comprenant une source de rayonnement lumineux (16, 50), de préférence un laser, un coupleur optique (18, 52) comportant une entrée (56, 74) et deux sorties optiques (57, 58), (76, 77) Le coupleur fournit à partir d'un faisceau lumineux issu de la source de rayonnement lumineux, un faisceau lumineux de signal destiné à éclairer un milieu de référence, et un faisceau lumineux de référence destinée à la détection de l'effet Doppler, la vitesse étant déterminée par l'écart de fréquence entre le faisceau émis dans le milieu de référence et le faisceau renvoyé par le milieu de référence,Le faisceau issu de la source de rayonnement lumineux est pré-amplifié par un amplificateur optique Pamp (52) pour attaquer le coupleur optique, l'entrée de l'amplificateur recevant le signal lumineux issu de la source de rayonnement lumineux, le signal lumineux en sortie de l'amplificateur optique attaquant l'entrée du coupleur optique (56, 74).Applications : anémomètre laser
Description
produisant un décalage de sa fréquence à l'émission. La fréquence Doppler
c'est-à-dire l'écart entre la fréquence des faisceaux de retro-diffusion et le faisceau incident est détecté par un interféromètre pour déduire la vitesse de l'aéronef. On sait que la fréquence Doppler Fd a pour valeur:
Fd=2v.X v étant la projection sur l'axe de visée du laser de la vitesse de l'aéronef par rapport au milieu ambiant (atmosphère) c'est-à-dire la référence par rapport à laquelle on souhaite mesurer la vitesse de déplacement de l'aéronef, k étant la longueur d'onde du faisceau émis.
La figure 1 montre un synoptique d'un anémomètre de l'état de l'art.
L'anémomètre de la figure 1 comporte notamment une unité laser 10, une unité de mélange et détection 12 et une tête optiquel4, ces éléments 10, 12, 14 correspondant aux principales fonctions de l'anémomètre.
L'unité laser 10 comporte un laser, ou injecteur (INJ)16 et un coupleur à maintien de polarisation (CMP) 18 fournissant un premier signal optique pour attaquer une voie de signal 20 et un second signal optique pour attaquer une voie de référence 22.
La voie de signal attaquée par le premier signal optique comporte un modulateur acousto-optique fibré (MAO) 24 produisant un décalage de fréquence du signal optique de 40MHz. Le signal en sortie du MAO est préamplifié puis amplifiée respectivement par un préamplificateur (Pamp) 26 et un amplificateur optique (Amp) 28 fournissant un signal optique de puissance pour être émis dans le milieu de référence.
Le signal de puissance en sortie de la voie de signal 20 attaque, à travers un coupleur de séparation de polarisation (CSP) 32 et une liaison optique bidirectionnelle 34 de l'unité de mélange-détection 12, la tête optique 14 rayonnant un faisceau laser Fem dans le milieu de référence.
La tête optique 14 assure, d'une part, la focalisation du rayon laser 30 émis Fem dans le milieu de référence et, d'autre part, capte les rayons rétro-diffusés Frd par le milieu dans une direction déterminée.
Les rayons retro-diffusés Frd captés par la tête optique, comportant éventuellement un décalage Doppler, sont envoyés par la liaison optique bidirectionnelle 34 vers le coupleur à séparation de polarisation 32 qui fourni, du fait de la rotation de polarisation du signal rétro-diffusé par rapport au signal émis, à une sortie de retour de signal Sr un signal optique de retro-diffusion Pr.
L'unité de mélange détection 12 comporte en outre un coupleur à maintien de polarisation (CMP) 40 recevant, à une de ses entrées, le signal de référence Pol en sortie de la voie de référence de l'unité laser 10 et, à une autre entrée, le signal retro-diffusé Pr. Le coupleur CMP 40 effectue le mélange des deux signaux optique décalés en fréquence appliqués à ses deux entrées générant des interférences appliquées à un détecteur 42.
Un traitement de signal appliqué au détecteur permet alors o l'extraction du décalage Doppler, la mesure de la vitesse v de déplacement ainsi que le sens du déplacement.
La détection de l'effet Doppler, dans cette structure de la figure 1, est cohérente, de type hétérodyne (décalage en fréquence par le MAO) Dans ce type de structure de la figure 1, l'utilisation d'une source laser comportant une sortie à fibre optique (ou laser fibré) et des fibres optiques pour effectuer les liaisons optiques entre les différents éléments de l'anémomètre, comporte l'inconvénient de générer des bruits d'intensité liés par exemple à des relaxations.
La structure de l'anémomètre de la figure 1 comporte un interféromètre cohérent. En effet on mélange un signal de retro-diffusion portant éventuellement un décalage lié au Doppler par des aérosols portés par le vent avec un oscillateur local provenant de la voie de référence. Le bruit d'intensité (donc les raies de relaxation) génère un spectre de fréquence de bruit masquant le signal porteur de l'information du Doppler.
Dans l'anémomètre de la figure 1, la voie de référence 22 est directement couplée à la source de rayonnement lumineux par le coupleur CMP 18. Il en résulte que le signal Pol utilisé comme oscillateur local dans l'unité de mélange-détection 12 sera porteur d'un fort bruit d'intensité dans le cas d'une source de rayonnement lumineux à laser fibré.
L'invention est basée sur l'obtention d'une compression du bruit d'intensité dans les amplificateurs optiques notamment lorsqu'ils fonctionnent dans un régime saturé. A cet effet, l'invention propose un dispositif de mesure de vitesse à effet Doppler comprenant une source de rayonnement lumineux, de préférence un laser, un coupleur optique comportant une entrée et deux sorties optiques, le coupleur fournissant à partir d'un faisceau lumineux issu de la source de rayonnement lumineux, à une première sortie du coupleur attaquant une voie de signal, un faisceau lumineux de signal destiné à éclairer un milieu de référence et, à une seconde sortie attaquant une voie de référence, un faisceau lumineux de référence destiné à la détection de l'effet Doppler, la vitesse étant déterminée par l'écart de fréquence entre le faisceau lumineux éclairant le milieu de référence et le faisceau lumineux renvoyé par le milieu de référence, caractérisé en ce que le faisceau issu de la source de rayonnement lumineux est pré-amplifié par un amplificateur optique pour attaquer le coupleur optique, l'entrée de l'amplificateur recevant le signal lumineux issu de la source de rayonnement lumineux, le signal lumineux en sortie de l'amplificateur optique attaquant l'entrée du coupleur optique.
Dans une première réalisation préférentielle de l'anémomètre selon l'invention, la source de rayonnement lumineux est un laser comportant une sortie à fibre optique (ou laser fibré) Dans des réalisations de l'anémomètre selon l'invention, l'amplificateur optique du faisceau issu de la source de rayonnement fonctionne en régime saturé, ce qui produit une compression du bruit d'intensité du signal optique dans l'amplificateur.
Dans une deuxième réalisation basée sur la technique de détection cohérente hétérodyne, l'anémomètre comporte un module effectuant un décalage de fréquence du faisceau lumineux dans une des deux voies de l'anémomètre. Le module effectuant le décalage en fréquence peut être, notamment, un modulateur acousto-optique (MAO).
Dans une première variante de cette deuxième réalisation, le modulateur acousto-optique (MAO) produit le décalage de fréquence du faisceau lumineux de la voie de signal.
Dans une autre variante de cette deuxième réalisation, le modulateur acousto-optique (MAO) produit le décalage de fréquence du 3o faisceau lumineux de la voie de référence.
Dans d'autres réalisation le coupleur peut être, soit un coupleur optique à maintien de polarisation (CMP), soit un coupleur optique sans mantien de polarisation.
L'invention sera mieux comprise à l'aide d'exemples de réalisation de dispositifs de mesure de vitesse par effet Doppler en référence aux figures ci-annexé dans lesquelles: - la figure 1, déjà décrite, représente un synoptique d'un 5 anémomètre de l'état de l'art; - la figure 2 représente un premier exemple de réalisation d'un anémomètre laser selon l'invention; - la figure 3 représente un autre exemple de réalisation d'un anémomètre laser selon l'invention; o La figure 2 représente une première architecture d'un anémomètre selon l'invention avec détection hétérodyne. L'anémomètre de la figure 2 comporte une unité laser 48, l'unité de mélange et détection 12 et la tête optique 14. L'unité laser 48 fournit les deux voies de signal et de référence nécessaire au fonctionnement de l'anémomètre laser.
Dans cette première réalisation, l'unité laser 48 comporte une source laser (injecteur INJ) 50, un préamplificateur optique (Pamp) 52 et un coupleur à maintien de polarisation (CMP) 54 comportant une entrée 56 et deux sorties optiques 57, 58 formant respectivement une voie de signal 60 et une voie de référence 61. La sortie optique 57 du coupleur 54 formant la voie de signal 60 est connectée, à travers un modulateur acoustooptique (MAO) 64, à un amplificateur optique 66 de puissance fournissant à sa sortie 68 le faisceau lumineux de puissance destiné à être émis dans le milieu de référence par la tête optique 14.
L'unité laser 48 fourni un signal lumineux qui est amplifié par le préamplificateur optique 52. Le faisceau lumineux amplifié en sortie du préamplificateur optique 52 attaque l'entrée 56 du coupleur optique à maintien de polarisation (CMP) 54 qui fournit, à sa sortie optique 56, formant la voie de signal 60, un faisceau lumineux décalé en fréquence par le modulateur acousto-optique MAO puis amplifié en puissance pour être diffusé dans le milieu de référence par la tête optique 14, et à sa sortie optique 58, formant la voie de référence 61, un faisceau lumineux de référence pour la démodulation du décalage Doppler dans l'unité de mélange et détection 12 telle que décrite auparavant.
Dans cette première réalisation, le décalage en fréquence AF 35 réalisé par le modulateur acousto-optique est de, par exemple, 40MHz.
Dans la structure selon l'invention, la position du coupleur (CMP) le plus tard possible dans la chaîne des éléments de l'anémomètre, après une première amplification (Pamp) limitant le bruit d'amplitude de la source laser fibré, permet en outre de s'affranchir de la perte de cohérence liée au trajet optique qui se produit dans le préamplificateur de l'anémomètre de l'état de l'art, dans la voie de signal 20, (voir figure 1) après le coupleur (CMP). Cet avantage améliorant la cohérence dans les trajets optiques est utile quel que soit le type de source de rayonnement lumineux, que ce soit à laser fibré ou à diode.
o Le positionnement du préamplificateur (Pamp) avant la séparation des voies par le coupleur optique évite, par rapport à la structure de l'état de l'art, l'utilisation d'une ligne à retard pour compenser la différence de marche entre les voies de signal et de référence.
La figure 3 représente une autre architecture d'un anémomètre selon l'invention avec détection hétérodyne. L'anémomètre de la figure 3 comporte une unité laser 70, l'unité de mélange et détection 12 et la tête optique 14.
Dans cette autre réalisation de l'anémomètre selon l'invention, l'unité laser 70 comporte la source laser (injecteur INJ) 50, le préamplificateur optique (Pamp) 52 et une cellule de Bragg 72 assurant la fonction du coupleur à maintien de polarisation (CMP) et la modulation acoustooptique (MAO) pour le décalage en fréquence du faisceau lumineux dans la voie de signal.
La cellule de Bragg 72 comporte une entrée 74 attaquée par le faisceau lumineux en sortie du préamplificateur optique 52 et deux sorties 76, 77 formant respectivement une voie de signal 80 et une voie de référence 81. La sortie optique 76 de la cellule de Bragg 72 formant la voie de signal 60 attaque directement un amplificateur de puissance Amp 82 fournissant à sa sortie 84 le faisceau lumineux de puissance destiné à être émis dans le milieu de référence par la tête optique 14.
Comme dans la première réalisation, le signal optique dans la voie de signal est décalé en fréquence de 40 MHz par rapport à la fréquence du signal optique dans la voie de référence, le faisceau lumineux en sortie de la voie de référence étant utilisé pour la démodulation du décalage Doppler dans l'unité de mélange et détection 12 telle que décrite auparavant.
L'anémolaser selon l'invention présente d'autres avantages par rapport aux anémolaser de l'état de l'art. En effet, tout élément optique placé avant le coupleur optique produit des bruits cohérents sur les deux voies, de signal et de référence.
Le parasite Narcisse soit, l'écho à la vitesse nulle du à des réflexions parasites ne sera fin que si le signal de référence est parfaitement cohérent avec le signal émis. En anémolaser, pour hélicoptère, les vibrations mécaniques sont fortes. Or un amplificateur optique est constitué d'une longueur relativement importante de fibre dopée qui, lorsqu'elle sera excitée mécaniquement, dégradera la finesse spectrale de la raie laser. II est donc important que ces dégradations interviennent en mode commun c'est-à-dire avant la séparation du signal dans les deux voies de signal et de référence.
Un autre avantage de l'anémomètre selon l'invention, réside dans la possibilité, du fait d'un faible bruit d'amplitude des faisceaux de lumière dans les voies, de pouvoir utiliser une unité de détection du décalage Doppler plus simple et mois coûteuse. En effet dans les anémomètres de l'état de l'art du fait du bruit d'amplitude important généré par le laser fibré, il est nécessaire d'utiliser au moins deux diodes de détection fonctionnant en différentiel, alors que dans l'anémomètre selon l'invention une seule diode suffit pour des performances sensiblement identiques.
Claims (13)
1. Dispositif de mesure de vitesse à effet Doppler comprenant une source de rayonnement lumineux (16, 50), de préférence un laser, un coupleur optique (18, 52) comportant une entrée (56, 74) et deux sorties optiques (57, 58), (76, 77) le coupleur fournissant à partir d'un faisceau lumineux issu de la source de rayonnement lumineux, à une première sortie du coupleur (57, 76) attaquant une voie de signal (20, 64, 80), un faisceau lumineux de signal destiné à éclairer un milieu de référence et, à une seconde sortie (58, 77) attaquant une voie de référence (22, 61, 81) , un faisceau lumineux de référence destinée à la détection de l'effet Doppler, la vitesse étant déterminée par l'écart de fréquence entre le faisceau lumineux éclairant le milieu de référence (Fem) et le faisceau lumineux renvoyé par le milieu de référence (Frd), caractérisé en ce que faisceau issu de la source de rayonnement lumineux est pré-amplifié par un amplificateur optique Pamp (52) pour attaquer le coupleur optique, l'entrée de l'amplificateur recevant le signal lumineux issu de la source de rayonnement lumineux, le signal lumineux en sortie de l'amplificateur optique attaquant l'entrée du coupleur optique (56, 74).
2. Dispositif de mesure de vitesse à effet Doppler selon la revendication 1, caractérisé en ce que la source de rayonnement lumineux est un laser comportant une sortie à fibre optique (ou laser fibré)
3. Dispositif de mesure de vitesse à effet Doppler selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'amplificateur optique Pamp (52) fonctionne en régime saturé.
4. Dispositif de mesure de vitesse à effet Doppler selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comporte un module effectuant un décalage de fréquence du faisceau lumineux dans une des deux voies de l'anémomètre.
5. Dispositif de mesure de vitesse à effet Doppler selon la revendications 4, caractérisé en ce que le module effectuant le décalage en fréquence (24, 64) peut être notammment un modulateur acousto-optique (MAO).
6. Dispositif de mesure de vitesse à effet Doppler selon la revendication 5, caractérisé en ce que le modulateur acousto-optique (MAO) (24, 64) produit le décalage de fréquence du faisceau lumineux de la voie de signal (20, 60, 80).
7. Dispositif de mesure de vitesse à effet Doppler selon la revendication 5, caractérisé en ce que le modulateur acousto-optique (MAO) produit le décalage de fréquence du faisceau lumineux de la voie de référence (22, 61, 81).
8. Dispositif de mesure de vitesse à effet Doppler selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le coupleur optique (18, 54) est à maintien de polarisation (CMP).
9. Dispositif de mesure de vitesse à effet Doppler selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le coupleur optique (18, 54) est sans maintien de polarisation.
10. Dispositif de mesure de vitesse à effet Doppler selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comporte une unité laser (48) ayant la source laser (injecteur INJ) (50), le préamplificateur optique (Pamp) (52) et un coupleur à maintien de polarisation (CMP) (54) comportant une entrée (56) et deux sorties optiques (57, 58) formant respectivement la voie de signal (60) et la voie de référence (61), la sortie optique (57) du coupleur (54) formant la voie de signal (60) étant connectée, à travers un modulateur acousto-optique (MAO) (64), à un amplificateur optique (66) de puissance fournissant à sa sortie (68) le faisceau lumineux de puissance destiné à être émis dans le milieu de référence.
11. Dispositif de mesure de vitesse à effet Doppler selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il comporte une unité laser (70) ayant la source laser (injecteur INJ) (50), le préamplificateur optique (Pamp) (52) et une cellule de Bragg (72) assurant la fonction du coupleur à maintien de polarisation (CMP) et la modulation acoustooptique (MAO) pour le décalage en fréquence du faisceau lumineux dans la voie de signal,
12. Dispositif de mesure de vitesse à effet Doppler selon la revendication 11, caractérisé en ce que la cellule de Bragg (72) comporte une entrée (74) attaquée par le faisceau lumineux en sortie du préamplificateur optique (52) et deux sorties (76, 77) formant respectivement une voie de signal (80) et une voie de référence (81), la sortie optique (76) de la cellule de Bragg (72) formant la voie de signal (60) attaquant directement un amplificateur de puissance Amp (82) fournissant à sa sortie (84) le faisceau lumineux de puissance destiné à être émis dans le milieu de référence.
13. Dispositif de mesure de vitesse à effet Doppler selon l'une des revendications 4 à 12, caractérisé en ce que le signal optique dans la voie de signal (60, 80) est décalé en fréquence de, par exemple, 40MHz par rapport à la fréquence du signal optique dans la voie de référence (61, 81)
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- 2003-11-21 FR FR0313663A patent/FR2862764A1/fr active Pending
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