FR3027116A1 - REMOTE SPECTROSCOPY DEVICE OF LIDAR TYPE - Google Patents

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Abstract

La présente invention concerne un dispositif (10) de spectroscopie comprenant une source laser (20) apte à former un peigne principal, un générateur (22) d'impulsions, un télescope (26) d'émission apte à émettre un signal d'émission vers une matière ciblée, un télescope (40) de réception apte à recevoir un signal de réponse correspondant au signal d'émission réfléchi par la matière, un détecteur (44) apte à détecter un signal final dépendant du signal de réponse, et une unité (16) de calcul apte à analyser le signal final. Le générateur d'impulsions (22) est apte à générer une deuxième pluralité de raies de référence pour former un peigne de référence distinct du peigne principal. Le signal final dépend en outre du peigne de référence et comprend une combinaison de raies issues du peigne principal et du peigne de référence.The present invention relates to a spectroscopy device (10) comprising a laser source (20) capable of forming a main comb, a pulse generator (22), a transmission telescope (26) able to emit an emission signal to a target material, a receiving telescope (40) adapted to receive a response signal corresponding to the emission signal reflected by the material, a detector (44) adapted to detect a final signal dependent on the response signal, and a unit (16) for analyzing the final signal. The pulse generator (22) is adapted to generate a second plurality of reference lines to form a reference comb separate from the main comb. The final signal also depends on the reference comb and comprises a combination of lines from the main comb and the reference comb.

Description

1 Dispositif de spectroscopie à distance de type LIDAR La présente invention concerne un dispositif de spectroscopie à distance de type LIDAR, comprenant une voie optique d'émission comportant une source laser apte à émettre une raie laser à une fréquence génératrice ; un générateur d'impulsions apte à générer, à partir de la raie laser émise, une première pluralité de raies latérales autour de la fréquence génératrice pour former un peigne principal de raies ; un télescope d'émission apte à émettre un signal d'émission vers une matière ciblée par la spectroscopie, le signal d'émission comprenant le peigne principal ; une voie optique de réception comportant un télescope de réception apte à recevoir un signal de réponse correspondant au signal d'émission réfléchi par la matière ciblée ; un détecteur apte à détecter un signal final dépendant du signal de réponse et à le transformer en un signal numérisé ; et une unité de calcul reliée au détecteur et apte à analyser numériquement le signal final numérisé.The present invention relates to a remote spectroscopy device of the LIDAR type, comprising an optical transmission path comprising a laser source capable of emitting a laser line at a generating frequency; a pulse generator adapted to generate, from the emitted laser line, a first plurality of side lines around the generating frequency to form a main strip comb; a transmission telescope capable of transmitting a transmission signal to a targeted material by spectroscopy, the transmission signal comprising the main comb; an optical reception channel comprising a reception telescope able to receive a response signal corresponding to the transmission signal reflected by the targeted material; a detector adapted to detect a final signal dependent on the response signal and transform it into a digitized signal; and a computing unit connected to the detector and capable of digitally analyzing the digitized final signal.

Un tel dispositif de spectroscopie ou plus généralement un outil de télédétection ou de mesure optique, est connu dans l'état de la technique sous le terme « LIDAR » qui vient de l'expression anglaise « light detection and ranging » signifiant « détection et mesure par lumière ». Le LIDAR est utilisé dans nombreux domaines parmi lesquels on peut citer l'archéologie, la géographie, la géologie, l'altimétrie ou encore d'autres domaines relatifs aux sciences de la Terre. Un domaine particulier d'application du LIDAR est la spectroscopie à distance permettant d'étudier une matière ciblée située à distance du LIDAR. Une telle matière est par exemple un gaz localisé dans un endroit déterminé de l'atmosphère terrestre et ciblé à partir d'un LIDAR embarqué dans un satellite, un aéronef, ou à poste sur un site industriel. Plus particulièrement, cette application radiométrique du LIDAR consiste à émettre une onde lumineuse d'une fréquence déterminée avec une onde de référence vers le gaz ciblé. Puis, en connaissant le coefficient d'absorption du gaz de l'onde de cette fréquence, il est possible de déterminer par exemple la concentration du gaz en comparant une onde traversant le gaz, réfléchie et reçue par le LIDAR, avec une onde de référence qui n'est pas absorbée à cause par exemple de sa fréquence différente. Pour un gaz complexe présentant un mélange de plusieurs gaz élémentaires ou un gradient de concentration, il est connu une application du LIDAR permettant d'envoyer plusieurs ondes lumineuses de fréquences différentes pour cibler les différents gaz 3027116 2 élémentaires ou son profil de concentration. Cette technique permet en particulier de déterminer les proportions volumiques des gaz élémentaires dans un tel gaz complexe. Ainsi, pour cette application, le LIDAR doit permettre d'émettre plusieurs ondes lumineuses, par exemple trois ou quatre, de fréquences différentes.Such a spectroscopy device or more generally a remote sensing or optical measurement tool, is known in the prior art under the term "LIDAR" which comes from the English expression "light detection and ranging" meaning "detection and measurement by light ". LIDAR is used in many fields, including archeology, geography, geology, altimetry and other areas related to earth sciences. A particular area of application of LIDAR is remote spectroscopy to study a targeted material located at a distance from LIDAR. Such a material is for example a gas located in a specific location of the Earth's atmosphere and targeted from a LIDAR embedded in a satellite, an aircraft, or station on an industrial site. More particularly, this radiometric application of the LIDAR consists in emitting a light wave of a determined frequency with a reference wave towards the targeted gas. Then, by knowing the absorption coefficient of the gas of the wave of this frequency, it is possible to determine for example the concentration of the gas by comparing a wave crossing the gas, reflected and received by the LIDAR, with a reference wave. which is not absorbed because, for example, of its different frequency. For a complex gas having a mixture of several elemental gases or a concentration gradient, it is known a LIDAR application to send several light waves of different frequencies to target the different elemental gases or its concentration profile. This technique makes it possible in particular to determine the volume proportions of the elementary gases in such a complex gas. Thus, for this application, the LIDAR must make it possible to emit several light waves, for example three or four, of different frequencies.

5 Pour ceci, une solution consiste à munir ce LIDAR d'une source laser permettant d'émettre des ondes lumineuses à des fréquences différentes. Cependant, cette solution présente un coût considérable qui est dû principalement à des coûts élevés de composants optiques d'une source laser ultrastable à plusieurs fréquences. De plus, cette solution présente des difficultés de mis en place dans un environnement instable.For this, one solution is to provide this LIDAR with a laser source for emitting light waves at different frequencies. However, this solution has a considerable cost which is mainly due to high costs of optical components of an ultrastable laser source at several frequencies. Moreover, this solution presents difficulties of setting up in an unstable environment.

10 Une autre solution, mentionnée notamment dans le document WO 2013/165945, consiste à émettre un peigne de raies de fréquences différentes et générées avec un modulateur à partir d'une source laser principale. Une première source laser est utilisée en interne au système d'émission pour générer un signal de référence permettant de stabiliser le peigne de raies avant son émission.Another solution, mentioned in particular in document WO 2013/165945, consists in emitting a comb of lines of different frequencies and generated with a modulator from a main laser source. A first laser source is used internally in the transmission system to generate a reference signal for stabilizing the line comb before it is transmitted.

15 L'émission d'un signal comportant ce peigne, permet alors d'étudier plusieurs gaz élémentaires associés avec un système de dispersion spectrale pour la détection. Cependant, cette solution est relativement complexe et onéreuse de réalisation Le but de la présente est de proposer un dispositif de spectroscopie à distance remédiant à cet inconvénient.The emission of a signal comprising this comb makes it possible to study several elementary gases associated with a spectral dispersion system for detection. However, this solution is relatively complex and expensive to achieve The object of the present is to provide a remote spectroscopy device overcomes this disadvantage.

20 À cet effet, l'invention a pour objet un dispositif de spectroscopie à distance du type précité, dans lequel le générateur d'impulsions est apte à générer en outre, à partir de la raie laser émise, une deuxième pluralité de raies latérales de référence autour de la fréquence génératrice pour former un peigne de référence distinct du peigne principal, chaque raie de référence du peigne de référence étant associée à une raie du peigne 25 principal, et dans lequel le signal final dépend en outre du peigne de référence et comprend une combinaison de raies latérales issues du peigne principal et du peigne de référence. Suivant d'autres aspects avantageux de l'invention, le dispositif de spectroscopie à distance comprend une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prise(s) isolément ou 30 suivant toutes les combinaisons techniquement possibles : - le nombre de raies de chacun du peigne principal et du peigne de référence est limité entre cinq et quinze, et avantageusement égal à dix ; - les raies du peigne principal sont espacées régulièrement et de façon stable avec un premier pas correspondant à une valeur de fréquence comprise dans la gamme 35 de fréquences de 500 MHz à 2000 MHz et avantageusement égale à 1000 MHz ; 3027116 3 - les raies du peigne de référence sont espacées régulièrement et de façon stable avec un deuxième pas correspondant à une valeur de fréquence comprise dans la gamme de fréquences de 500 MHz à 2000 MHz et sensiblement égale à 1000 MHz ; - le deuxième pas est supérieur au premier pas ; 5 - la différence entre le deuxième pas et le premier pas correspond à une valeur courante de décalage prédéterminée, la valeur courante de décalage étant inférieure ou égale à 1 MHz ; - la différence entre le deuxième pas et le premier pas est stable dans le temps ; - les raies du peigne principal sont ordonnées selon un ordre croissant des valeurs 10 de fréquence correspondant à ces raies ; - chaque raie du peigne de référence est décalée de la raie correspondante du peigne principal d'une valeur de fréquence égale au produit du nombre ordinal de cette raie du peigne principal décrémenté d'un et de la valeur courante de décalage ; - la voie optique de réception comporte en outre un module de couplage apte à 15 intégrer le peigne de référence dans le signal de réponse pour obtenir le signal final ; - il comprend en outre une voie optique d'interconnexion reliant le générateur d'impulsions et le module de couplage, et permettant de délivrer le peigne de référence au module de couplage ; - le générateur d'impulsions est apte à générer les deux peignes de manière 20 séquentielle ; - la voie d'interconnexion comporte des moyens de retardement permettant de retarder la délivrance du peigne de référence au module de couplage ; - le générateur d'impulsions est apte à générer le peigne de référence après la génération du peigne principal avec un délai temporel sensiblement égal à la différence 25 du moment temporel de réception du signal de réponse par le télescope de réception et du moment temporel d'émission du signal d'émission par le télescope d'émission ; - la voie optique d'émission comporte en outre un module de couplage apte à faire interagir le peigne principal avec le peigne de référence pour obtenir le signal d'émission ; et 30 - le générateur d'impulsions est apte à générer les deux peignes en parallèle. Ces caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés, sur lesquels : - la figure 1 est une vue schématique d'un dispositif de spectroscopie à distance 35 selon un premier mode de réalisation de l'invention ; 3027116 4 - la figure 2 est une vue schématique d'évolution de différents signaux lumineux lors d'une spectroscopie mise en oeuvre par le dispositif de la figure 1 ; - la figure 3 est une vue schématique d'un dispositif de spectroscopie à distance selon un deuxième mode de réalisation de l'invention ; et 5 - la figure 4 est une vue schématique d'évolution de différents signaux lumineux lors d'une spectroscopie mise en oeuvre par le dispositif de la figure 3. Dans la suite de la description, l'expression « sensiblement égal à » s'entend comme une relation d'égalité à plus ou moins 10 %. Sur la figure 1, le dispositif 10 de spectroscopie à distance comprend une voie 10 optique 12 d'émission permettant d'émettre un signal lumineux vers une matière ciblée, une voie optique 14 de réception permettant de recevoir un signal réfléchi par cette matière et de le transformer en un signal numérisé, et une unité 16 de calcul permettant d'analyser numériquement ce signal numérisé. Le dispositif de spectroscopie 10 comprend en outre une unité 18 de pilotage des 15 différents composants du dispositif 10. Le dispositif de spectroscopie 10 est embarqué dans un satellite ou tout autre véhicule situé sur une orbite terrestre et effectuant des observations de la Terre, ou d'une autre planète, et notamment de son atmosphère, ou d'une tranche d'atmosphère distante. La matière ciblée est par exemple un gaz composé de plusieurs gaz élémentaires comme 20 par exemple 002, H20 ou CH4. Chaque gaz élémentaire est apte à absorber une onde lumineuse d'une fréquence déterminée avec un coefficient d'absorption connu a priori. Ainsi, le dispositif de spectroscopie 10 permet par exemple de déterminer les masses volumiques des gaz élémentaires contenus dans le gaz ciblé en émettant un 25 signal lumineux vers le gaz ciblé et en analysant un signal réfléchi par ce gaz, ou absorbé par lui et réfléchi par une surface en fond. Pour ceci, la voie d'émission 12 comporte une source laser 20, un générateur d'impulsions 22, un amplificateur 24, un télescope d'émission 26 et une liaison 28 d'émission en fibre optique reliant ces composants de la voie 12.To this end, the subject of the invention is a remote spectroscopy device of the aforementioned type, in which the pulse generator is able to generate, from the emitted laser line, a second plurality of side lines of reference around the generating frequency to form a reference comb separate from the main comb, each reference line of the reference comb being associated with a line of the main comb, and wherein the final signal further depends on the reference comb and comprises a combination of lateral stripes from the main comb and the reference comb. According to other advantageous aspects of the invention, the remote spectroscopy device comprises one or more of the following characteristics, taken alone or in any technically possible combination: the number of lines of each of the main comb and the reference comb is limited between five and fifteen, and advantageously equal to ten; the lines of the main comb are spaced regularly and stably with a first step corresponding to a frequency value in the frequency range 500 MHz to 2000 MHz and advantageously equal to 1000 MHz; - the lines of the reference comb are spaced regularly and stably with a second pitch corresponding to a frequency value in the frequency range 500 MHz to 2000 MHz and substantially equal to 1000 MHz; - the second step is superior to the first step; The difference between the second step and the first step corresponds to a predetermined current offset value, the current offset value being less than or equal to 1 MHz; the difference between the second step and the first step is stable in time; the lines of the main comb are ordered according to an increasing order of the frequency values corresponding to these lines; each line of the reference comb is shifted from the corresponding line of the main comb by a value of frequency equal to the product of the ordinal number of this line of the main comb decremented by one and the current offset value; the reception optical channel further comprises a coupling module adapted to integrate the reference comb in the response signal in order to obtain the final signal; - It further comprises an optical interconnection channel connecting the pulse generator and the coupling module, and for delivering the reference comb to the coupling module; the pulse generator is able to generate the two combs in a sequential manner; the interconnection channel comprises delaying means making it possible to delay the delivery of the reference comb to the coupling module; the pulse generator is able to generate the reference comb after the generation of the main comb with a time delay substantially equal to the difference in the time of reception of the response signal by the reception telescope and the time of arrival of the transmission of the transmission signal by the transmission telescope; the optical transmission channel further comprises a coupling module able to make the main comb interact with the reference comb in order to obtain the transmission signal; and the pulse generator is able to generate the two combs in parallel. These features and advantages of the invention will appear on reading the description which follows, given solely by way of nonlimiting example, and with reference to the appended drawings, in which: FIG. 1 is a diagrammatic view of a remote spectroscopy device 35 according to a first embodiment of the invention; FIG. 2 is a schematic view of the evolution of different light signals during spectroscopy implemented by the device of FIG. 1; FIG. 3 is a schematic view of a remote spectroscopy device according to a second embodiment of the invention; and FIG. 4 is a schematic view of the evolution of different light signals during a spectroscopy implemented by the device of FIG. 3. In the remainder of the description, the expression "substantially equal to" is means as a relationship of equality to plus or minus 10%. In FIG. 1, the remote spectroscopy device 10 comprises an optical transmission channel 12 making it possible to emit a light signal towards a targeted material, an optical reception channel 14 making it possible to receive a signal reflected by this material, and transform it into a digitized signal, and a computing unit 16 for digitally analyzing this digitized signal. The spectroscopy device 10 further comprises a unit 18 for controlling the various components of the device 10. The spectroscopy device 10 is embedded in a satellite or any other vehicle situated in a terrestrial orbit and making observations of the Earth, or another planet, and especially its atmosphere, or a slice of distant atmosphere. The targeted material is, for example, a gas composed of several elemental gases such as, for example, 002, H20 or CH4. Each elemental gas is able to absorb a light wave of a determined frequency with a known absorption coefficient a priori. Thus, the spectroscopy device 10 makes it possible, for example, to determine the densities of the elementary gases contained in the targeted gas by emitting a light signal towards the targeted gas and by analyzing a signal reflected by this gas, or absorbed by it and reflected by a surface in the background. For this, the transmission path 12 comprises a laser source 20, a pulse generator 22, an amplifier 24, a transmission telescope 26 and an optical fiber transmission link 28 connecting these components of the channel 12.

30 La source laser 20 est apte à émettre une raie laser à une fréquence génératrice FG qui est sensiblement égale par exemple à 200 THz. Le générateur d'impulsions 22 est apte à recevoir la raie laser émise par la source 20 via la liaison 28 et à générer simultanément, à partir de cette raie, une pluralité de raies latérales autour de la fréquence génératrice FG pour former un peigne P de raies 35 comme ceci est décrit ci-dessous.The laser source 20 is able to emit a laser line at a generating frequency FG which is substantially equal to, for example, 200 THz. The pulse generator 22 is able to receive the laser line emitted by the source 20 via the link 28 and to simultaneously generate, from this line, a plurality of lateral lines around the generating frequency FG to form a comb P of lines as described below.

3027116 5 Ainsi, pour former le peigne P, le générateur 22 est apte à dupliquer ou à moduler la raie laser autant de fois que le nombre Nr de raies dans le peigne P. Ce nombre Nr de raies est compris par exemple entre cinq et quinze, et avantageusement égal à dix.Thus, to form the comb P, the generator 22 is able to duplicate or modulate the laser line as many times as the number Nr of lines in the comb P. This number Nr of lines is for example between five and fifteen. and advantageously equal to ten.

5 Plus particulièrement, le générateur 22 comporte un premier modulateur 31 apte à générer un peigne élémentaire PE de raies régulièrement espacées avec un pas correspondant à une valeur de fréquence FmEo+df, où df est une variable courante de décalage égale soit à 0, soit à une valeur courante de décalage df,, le choix entre ces deux valeurs étant effectué par l'unité de pilotage 18 comme ceci sera expliqué par la 10 suite. Les raies du peigne élémentaire PE sont espacées de façon stable, c'est-à-dire le pas d'espacement est sensiblement inchangeable dans le temps. On comprend par « sensiblement inchangeable » toute modification relative du pas d'espacement inférieure à 1%, avantageusement inférieure à 0,1%, et de préférence inférieure à 0,001%.More particularly, the generator 22 comprises a first modulator 31 able to generate an elementary PE comb of regularly spaced lines with a pitch corresponding to a frequency value FmEo + df, where df is a current offset variable equal to either 0 or at a current offset value df ,, the choice between these two values being made by the control unit 18 as will be explained later. The lines of the PE elementary comb are stably spaced apart, i.e. the spacing pitch is substantially unchangeable over time. By "substantially unchangeable" is meant any relative change in spacing pitch less than 1%, preferably less than 0.1%, and preferably less than 0.001%.

15 Cette valeur FmEo+df est comprise par exemple dans la gamme de fréquences de 500 MHz à 2000 MHz et avantageusement égale à 1000 MHz. Les raies du peigne élémentaire PE sont ordonnées selon un ordre croissant des valeurs de fréquence correspondant à ces raies. Le générateur 22 comporte en outre un deuxième modulateur 32 apte à décaler 20 chaque raie du peigne élémentaire PE généré par le premier modulateur 31 d'une valeur de fréquence égale à FmA0 + Elf pour obtenir le peigne P à la sortie du générateur 22, où FMAO est une valeur de fréquence avantageusement égale à 110 MHz ; et Elf est une variable initiale de décalage égale soit à 0, soit à une valeur initiale de décalage Mi égale à df,*(Nr-1)/2, le choix entre ces deux valeurs étant 25 effectué par l'unité de pilotage 18 comme ceci sera expliqué par la suite. Le deuxième modulateur 32 est avantageusement un modulateur acousto-optique. La valeur de fréquence F, de la raie du peigne P correspondant au nombre ordinal n, est ainsi déterminée par la formule suivante : F,= FG+ FmA0+15f +(n-1-(Nr-1)/2)(FmEo+df), 30 où n est un nombre ordinal de la raie correspondante supérieur ou égal à un. Le nombre ordinal n correspond ainsi au numéro d'échantillon spectral du signal optique émis vers la matière ciblée. La valeur courante de décalage df, est sensiblement égale à 1 MHz de sorte que l'expression suivante soit respectée : 35 Nr*dfl<FmE0/2.This value FmEo + df is for example in the frequency range 500 MHz to 2000 MHz and advantageously equal to 1000 MHz. The lines of the elementary comb PE are ordered in order of increasing frequency values corresponding to these lines. The generator 22 further comprises a second modulator 32 able to shift each line of the elementary comb PE generated by the first modulator 31 by a frequency value equal to FmA0 + Elf to obtain the comb P at the output of the generator 22, where FMAO is a frequency value advantageously equal to 110 MHz; and Elf is an initial offset variable equal to either 0 or an initial offset value Mi equal to df, * (Nr-1) / 2, the choice between these two values being made by the control unit 18 as will be explained later. The second modulator 32 is advantageously an acousto-optic modulator. The value of frequency F, of the line of the comb P corresponding to the ordinal number n, is thus determined by the following formula: F, = FG + FmA0 + 15f + (n-1- (Nr-1) / 2) (FmEo + df), where n is an ordinal number of the corresponding line greater than or equal to one. The ordinal number n thus corresponds to the spectral sample number of the optical signal sent to the targeted material. The current offset value df, is substantially equal to 1 MHz so that the following expression is respected: Nr * dfl <FmE0 / 2.

3027116 6 Ainsi, à chaque émission d'une raie laser par la source laser 20, l'unité de pilotage 18 est apte à déterminer les valeurs des variables Elf et df. La variable courante de décalage df permet de déterminer le type du peigne P à la sortie du générateur 22.Thus, at each emission of a laser line by the laser source 20, the control unit 18 is able to determine the values of the variables Elf and df. The current offset variable df makes it possible to determine the type of the comb P at the output of the generator 22.

5 Si la variable courante de décalage df est égale à 0, le peigne P à la sortie du générateur 22 est un peigne d'un premier type qui sera désigné par la suite par le terme « peigne principal P1 ». Si la variable courante de décalage df est égale à la valeur de décalage df,, le peigne P à la sortie du générateur 22 est un peigne d'un deuxième type qui sera désigné 10 par la suite par le terme « peigne de référence P2 ». La variable initiale de décalage Elf permet de déplacer chaque raie du peigne de référence P2 d'une valeur constante de sorte que la première raie (n=1) du peigne de référence P2 coïncide avec la première raie (n=1) du peigne principal Pl. Ainsi, la variable initiale de décalage Elf est égale à 0 pour le peigne principal P1 et est égale à la valeur 15 initiale de décalage Mi pour le peigne de référence P2. Ceci permet alors d'éviter l'effet de dilatation bidirectionnelle du peigne de référence P2 par rapport au peigne principal Pl. Sous la commande de l'unité 18, selon le premier mode de réalisation, le générateur 22 est apte à générer le peigne principal P1 et le peigne de référence P2 d'une manière séquentielle.If the current offset variable df is equal to 0, the comb P at the output of the generator 22 is a comb of a first type which will be designated hereinafter by the term "main comb P1". If the current offset variable df is equal to the offset value df ,, the comb P at the output of the generator 22 is a comb of a second type which will be designated hereinafter by the term "reference comb P2". . The initial offset variable Elf makes it possible to move each line of the reference comb P2 by a constant value so that the first line (n = 1) of the reference comb P2 coincides with the first line (n = 1) of the main comb. Pl. Thus, the initial offset variable Elf is equal to 0 for the main comb P1 and is equal to the initial offset value Mi for the reference comb P2. This then makes it possible to avoid the bidirectional dilation effect of the reference comb P2 with respect to the main comb P1. Under the control of the unit 18, according to the first embodiment, the generator 22 is able to generate the main comb. P1 and the reference comb P2 in a sequential manner.

20 Chaque raie du peigne de référence P2 est ainsi associée à une raie du peigne principal P1. Cette raie du peigne de référence P2 est légèrement décalée de la raie du peigne principal P1 correspondante en fonction de son nombre ordinal n. L'amplificateur 24 est apte à recevoir le peigne principal P1 issu du générateur 22 via la liaison 28 et à amplifier sa puissance afin d'obtenir un signal d'émission SE.Each line of the reference comb P2 is thus associated with a line of the main comb P1. This line of the reference comb P2 is slightly offset from the line of the main comb P1 corresponding to its ordinal number n. The amplifier 24 is adapted to receive the main comb P1 from the generator 22 via the link 28 and to amplify its power in order to obtain an emission signal SE.

25 La bande passante de l'amplificateur 24 est adaptée pour couvrir tout le peigne Pl. L'amplificateur 24 est un amplificateur fibré de type EDFA (de l'anglais « Erbium Doped Fiber Amplifier ») ou de type YDFA (Ytterbium), à double gaine, connus en soi dans l'état de la technique. Le télescope d'émission 26, connu également dans l'état de la technique, est apte 30 à recevoir le signal d'émission SE amplifié via la liaison 28 et de l'émettre vers la matière ciblée. La voie de réception 14 comporte un télescope de réception 40, un module de couplage 42, un détecteur 44 et une liaison 46 de réception en fibre optique reliant ces composants de la voie 14.The bandwidth of the amplifier 24 is adapted to cover all the comb P1. The amplifier 24 is a fiber amplifier of EDFA (of the "Erbium Doped Fiber Amplifier") type or of the YDFA (Ytterbium) type, to double sheath, known in itself in the state of the art. The transmission telescope 26, also known in the state of the art, is able to receive the amplified emission signal SE via the link 28 and to transmit it to the targeted material. The reception channel 14 comprises a reception telescope 40, a coupling module 42, a detector 44 and an optical fiber reception link 46 connecting these components of the channel 14.

3027116 7 Le télescope de réception 40 est apte à recevoir un signal de réponse SR correspondant au signal d'émission SE émis par le télescope d'émission 26 et réfléchi par la matière ciblée. En variante, les télescopes d'émission 26 et de réception 40 se présentent sous la 5 forme d'un composant unique. Le module de couplage 42 est relié au télescope de réception 40 via la liaison 46 et apte à recevoir le signal de réponse SR. Le module de couplage 42 est relié en outre au générateur d'impulsions 22 par une voie optique d'interconnexion 50 pour recevoir le peigne de référence P2 issu du 10 générateur 22. Le module de couplage 42 est apte ainsi à coupler le signal de réponse SR avec le peigne de référence P2 pour obtenir un signal final SF. Ce couplage présente une superposition des deux signaux, à savoir celui du peigne de référence P2 et du signal de réponse SR construit avec le peigne P1. Le signal 15 final SF comporte ainsi toutes les combinaisons de battement de chaque raie de l'un des signaux avec chaque raie de l'autre signal. Par « battement », on comprend la somme des deux signaux dans l'espace de Fourier, avantageusement résultant en une pulsation à la fréquence égale à la différence des fréquences de ces signaux. Dans une variante du dispositif de spectroscopie 10, la voie d'interconnexion 50 20 comporte en complément des moyens 52 de retardement permettant de retarder la délivrance du peigne de référence P2 au module de couplage. Ceci permet de synchroniser temporellement les signaux et, en particulier, leurs points initiaux. Le détecteur 44 est relié au module de couplage 42 par la liaison 46 et apte à détecter le signal de final SF afin de le transformer en un signal numérisé SN.The receiving telescope 40 is adapted to receive a response signal SR corresponding to the transmission signal SE emitted by the transmission telescope 26 and reflected by the targeted material. Alternatively, the transmit and receive telescopes 26 are in the form of a single component. The coupling module 42 is connected to the reception telescope 40 via the link 46 and able to receive the response signal SR. The coupling module 42 is furthermore connected to the pulse generator 22 via an interconnection optical channel 50 to receive the reference comb P2 coming from the generator 22. The coupling module 42 is thus able to couple the response signal. SR with the reference comb P2 to obtain a final signal SF. This coupling has a superposition of the two signals, namely that of the reference comb P2 and the response signal SR constructed with the comb P1. The final signal SF thus comprises all the beat combinations of each line of one of the signals with each line of the other signal. By "beat", one understands the sum of the two signals in the Fourier space, advantageously resulting in a pulsation at the frequency equal to the difference of the frequencies of these signals. In a variant of the spectroscopy device 10, the interconnection channel 50 additionally comprises delay means 52 for delaying the delivery of the reference comb P2 to the coupling module. This makes it possible to synchronize the signals temporally and, in particular, their initial points. The detector 44 is connected to the coupling module 42 via the link 46 and able to detect the final signal SF in order to transform it into a digitized signal SN.

25 Le détecteur 44 comporte par ailleurs un filtre passe-bas connu en soi dans l'état de la technique, permettant de choisir dans le signal SF les combinaisons des raies voisines issues des peignes différents. C'est-à-dire, le filtre choisit uniquement les raies espacées par les valeurs dfl, 2dfl, 3dfl, ... Nr*df1. Finalement, l'unité de calcul 16 est apte à recevoir le signal numérisé SN pour 30 l'analyser numériquement selon des méthodes de transformée de Fourier connues dans l'état de la technique. Ce traitement comprend plus particulièrement la détermination de l'amplitude de chaque raie, dans le signal final SF, issue du peigne principal P1 avec la raie du peigne de référence P2 lui correspondant.The detector 44 further comprises a low-pass filter known per se in the state of the art, making it possible to choose in the signal SF the combinations of the neighboring lines coming from the different combs. That is, the filter chooses only the lines spaced by the values dfl, 2dfl, 3dfl, ... Nr * df1. Finally, the computing unit 16 is able to receive the digitized signal SN to analyze it numerically according to Fourier transform methods known in the state of the art. This treatment comprises more particularly the determination of the amplitude of each line, in the final signal SF, from the main comb P1 with the line of the reference comb P2 corresponding thereto.

3027116 8 Le fonctionnement du dispositif de spectroscopie 10 selon le premier mode de réalisation de l'invention va désormais être expliqué en référence à la figure 2 sur laquelle l'évolution de différents signaux lors de la spectroscopie est illustrée. Initialement, l'unité 18 commande la source laser 20 d'émettre une raie laser à la 5 fréquence génératrice FG. Dans un premier temps, l'unité 18 met les variables courantes df et initiale Elf de décalage égales à 0 et le générateur 22 émet le peigne principal Pl. Ce peigne principal P1 est ensuite amplifié par l'amplificateur 22 pour obtenir le signal d'émission SE.The operation of the spectroscopy device 10 according to the first embodiment of the invention will now be explained with reference to FIG. 2 in which the evolution of different signals during the spectroscopy is illustrated. Initially, the unit 18 controls the laser source 20 to emit a laser line at the generating frequency FG. At first, the unit 18 sets the current variables df and initial offset Elf equal to 0 and the generator 22 emits the main comb P1. This main comb P1 is then amplified by the amplifier 22 to obtain the signal of SE emission.

10 Puis, le télescope d'émission 26 émet le signal d'émission SE qui voyage depuis l'émetteur vers la matière ciblée pendant un temps pouvant atteindre 2,7 ms dans le cas d'un satellite. Le signal d'émission SE est ensuite absorbé en partie par la matière ciblée, en fonction de la fréquence de chaque raie. Le signal de réponse SR réfléchie par la matière 15 ciblée, voyage vers le récepteur pendant le même temps et est reçu par le télescope de réception 40. Pendant le temps correspondant au temps d'aller-retour du signal d'émission SE, l'unité 18 met la variable courante de décalage df égale à la valeur courante de décalage df, et la variable initiale de décalage Elf à la valeur initiale de décalage Mi, le générateur 20 22 émet le peigne de référence P2 avec un pas légèrement augmenté comme décrit précédemment. Cette émission se fait après un délai égal au temps du trajet aller-retour pour coïncider avec l'arrivée du signal SR. Le peigne de référence P2 est envoyé au module de couplage 46 via la voie d'interconnexion 50 pour arriver au module de couplage 42 au même moment que le signal de réponse SR. Dans une variante le peigne 25 de référence P2 est retardé d'environ le temps de trajet aller-retour du peigne principal P1 par les moyens 52 de retardement optique. Après la réception de ce signal SR, il est superposé avec le peigne de référence P2 dans l'unité de couplage 42 pour obtenir le signal final SF. Finalement, le détecteur 44 transforme le signal final SF en un signal numérisé SN afin que ce dernier soit analysé 30 par l'unité de calcul 16. Le dispositif de spectroscopie 10 selon un deuxième mode de réalisation de l'invention est illustré sur la figure 3. À la différence du dispositif 10 selon le premier mode de réalisation, le module de couplage 42 du dispositif 10 de la figure 3 est intégré dans la voie optique d'émission 12 35 entre l'amplificateur 24 et le télescope d'émission 26..Then, the transmission telescope 26 transmits the transmission signal SE that travels from the transmitter to the targeted material for a time of up to 2.7 ms in the case of a satellite. The emission signal SE is then absorbed in part by the targeted material, depending on the frequency of each line. The response signal SR reflected by the targeted material travels to the receiver during the same time and is received by the receiving telescope 40. During the time corresponding to the round trip time of the transmission signal SE, the unit 18 sets the current offset variable df equal to the current offset value df, and the initial offset variable Elf to the initial shift value Mi, the generator 22 outputs the reference comb P2 with a slightly increased pitch as described previously. This transmission is made after a delay equal to the time of the round trip to coincide with the arrival of the signal SR. The reference comb P2 is sent to the coupling module 46 via the interconnection channel 50 to arrive at the coupling module 42 at the same time as the response signal SR. In a variant, the reference comb P2 is delayed by approximately the round-trip time of the main comb P1 by the optical delay means 52. After receiving this signal SR, it is superimposed with the reference comb P2 in the coupling unit 42 to obtain the final signal SF. Finally, the detector 44 transforms the final signal SF into a digitized signal SN so that the latter is analyzed by the calculation unit 16. The spectroscopy device 10 according to a second embodiment of the invention is illustrated in FIG. 3. Unlike the device 10 according to the first embodiment, the coupling module 42 of the device 10 of FIG. 3 is integrated in the optical transmission channel 12 between the amplifier 24 and the transmission telescope 26 ..

3027116 9 Le module de couplage 42 est ainsi apte à coupler le peigne principal P1 avec le peigne de référence P2 générée en parallèle avec le peigne principal P1 par le générateur 22., après leur amplification séparée par l'amplificateur 24. Pour ceci, comme illustré sur la figure 3, le générateur 22 comporte deux chaînes 5 parallèles de génération de peignes comprenant chacune un premier modulateur 31A, 31 B et un deuxième modulateur 32A, 32B. Chacun des deuxièmes modulateurs 32A, 32B est avantageusement un modulateur acousto-optique. Dans ce cas, l'amplificateur 24 se présente sous la forme de deux amplificateurs élémentaires 54A, 54B mis en parallèle. Chacun des amplificateurs élémentaires 54A, 10 54B est analogue à l'amplificateur 24 décrit dans le premier mode de réalisation. L'amplificateur élémentaire 54A est apte à amplifier le peigne principal P1 et l'amplificateur 54B est apte à amplifier le peigne de référence P2. Selon ce mode de réalisation, les voies optiques d'émission 12 et de réception 14 ne sont plus interconnectées au sein du dispositif 10.The coupling module 42 is thus able to couple the main comb P1 with the reference comb P2 generated in parallel with the main comb P1 by the generator 22, after their amplification separated by the amplifier 24. For this, as illustrated in FIG. 3, the generator 22 comprises two parallel comb generation chains 5 each comprising a first modulator 31A, 31B and a second modulator 32A, 32B. Each of the second modulators 32A, 32B is advantageously an acousto-optic modulator. In this case, the amplifier 24 is in the form of two elementary amplifiers 54A, 54B connected in parallel. Each of the elementary amplifiers 54A, 54B is analogous to the amplifier 24 described in the first embodiment. The elementary amplifier 54A is able to amplify the main comb P1 and the amplifier 54B is able to amplify the reference comb P2. According to this embodiment, the optical transmission channels 12 and reception 14 are no longer interconnected within the device 10.

15 Le fonctionnement du dispositif de spectroscopie 10 selon le deuxième mode de réalisation de l'invention va désormais être expliqué en référence à la figure 4 sur laquelle l'évolution de différents signaux lors de la spectroscopie est illustrée. Dans ce mode de réalisation, l'unité de pilotage 16 commande la génération des deux peignes P1 et P2 simultanément par le générateur 22 en mettant les variables 20 courante df et initiale Elf de décalage égales à 0 pour l'une des deux chaînes, et égales respectivement à la valeur courante df, et initiale Mi de décalage pour l'autre chaîne. Le générateur 22 transmet alors le peigne principal P1 et le peigne de référence P2 simultanément au module de couplage 42 pour obtenir le signal d'émission SE. Ce signal SE est ensuite transmis à l'amplificateur 24 et au télescope d'émission 26 pour être émis 25 comme décrit précédemment. À la différence du premier mode de réalisation, le signal de réponse SR reçu par le télescope de réception 40 est transmis directement au détecteur 44. Le signal final SF détecté par le détecteur 44 comprend donc le signal de réponse SR. On conçoit alors que le dispositif selon l'invention permet d'effectuer efficacement 30 une spectroscopie à distance d'une matière ciblée inhomogène comme par exemple un gaz complexe en générant un signal lumineux comprenant un peigne principal de raies et un peigne de référence à partir d'une source laser. Plus particulièrement, ceci permet d'éviter l'utilisation d'une source laser coûteuse à plusieurs fréquences d'émission ou d'une source supplémentaire pour générer un signal 35 de référence.The operation of the spectroscopy device 10 according to the second embodiment of the invention will now be explained with reference to FIG. 4 in which the evolution of different signals during the spectroscopy is illustrated. In this embodiment, the control unit 16 controls the generation of the two combs P1 and P2 simultaneously by the generator 22 by setting the current variables df and initial offset Elf equal to 0 for one of the two chains, and equal to the current value df and the initial offset Mi respectively for the other channel. The generator 22 then transmits the main comb P1 and the reference comb P2 simultaneously to the coupling module 42 to obtain the transmission signal SE. This signal SE is then transmitted to the amplifier 24 and the transmission telescope 26 to be transmitted as previously described. Unlike the first embodiment, the response signal SR received by the receiving telescope 40 is transmitted directly to the detector 44. The final signal SF detected by the detector 44 thus comprises the response signal SR. It is then conceivable that the device according to the invention makes it possible effectively to perform remote spectroscopy of an inhomogeneous target material such as a complex gas by generating a light signal comprising a main strip comb and a reference comb from a laser source. More particularly, this avoids the use of an expensive laser source with multiple transmit frequencies or additional source to generate a reference signal.

3027116 10 De plus, le dispositif selon l'invention permet d'effectuer une spectroscopie à partir d'un environnement particulièrement contraignant comme par exemple un satellite. Finalement, le dispositif selon l'invention comporte peu de composants coûteux, comme par exemple certains composants optiques, ce qui le rend moins onéreux et plus 5 simple de production par rapport aux dispositifs de l'état de la technique.In addition, the device according to the invention makes it possible to perform spectroscopy from a particularly restrictive environment such as for example a satellite. Finally, the device according to the invention comprises few expensive components, such as for example certain optical components, which makes it less expensive and more simple to produce compared to devices of the state of the art.

Claims (12)

REVENDICATIONS1.- Dispositif (10) de spectroscopie à distance de type LIDAR, comprenant : - une voie optique (12) d'émission comportant : + une source laser (20) apte à émettre une raie laser à une fréquence génératrice (FG) ; + un générateur (22) d'impulsions apte à générer, à partir de la raie laser émise, une première pluralité de raies latérales autour de la fréquence génératrice (FG) pour former un peigne principal (P1) de raies ; + un télescope (26) d'émission apte à émettre un signal d'émission (SE) vers une matière ciblée par la spectroscopie, le signal d'émission (SE) comprenant le peigne principal (P1) ; - une voie optique (14) de réception comportant : + un télescope (40) de réception apte à recevoir un signal de réponse (SR) correspondant au signal d'émission (SE) réfléchi par la matière ciblée ; + un détecteur (44) apte à détecter un signal final (SF) dépendant du signal de réponse (SR) et à le transformer en un signal numérisé (SN) ; - une unité (16) de calcul reliée au détecteur (44) et apte à analyser numériquement le signal final numérisé (SN) ; caractérisé : - en ce que le générateur d'impulsions (22) est apte à générer en outre, à partir de la raie laser émise, une deuxième pluralité de raies latérales de référence autour de la fréquence génératrice (FG) pour former un peigne de référence (P2) distinct du peigne principal (P1), chaque raie de référence du peigne de référence (P2) étant associée à une raie du peigne principal (P1) ; et - en ce que le signal final (SF) dépend en outre du peigne de référence (P2) et comprend une combinaison de raies latérales issues du peigne principal (P1) et du peigne de référence (P2).CLAIMS1.- LIDAR-type remote spectroscopy device (10), comprising: an optical transmission channel (12) comprising: a laser source (20) capable of emitting a laser line at a generating frequency (FG); + a pulse generator (22) able to generate, from the emitted laser line, a first plurality of side lines around the generating frequency (FG) to form a main line comb (P1); + a transmission telescope (26) capable of transmitting an emission signal (SE) to a material targeted by the spectroscopy, the emission signal (SE) comprising the main comb (P1); an optical reception channel (14) comprising: a reception telescope (40) adapted to receive a response signal (SR) corresponding to the transmission signal (SE) reflected by the targeted material; + a detector (44) capable of detecting a final signal (SF) dependent on the response signal (SR) and transforming it into a digitized signal (SN); - a computing unit (16) connected to the detector (44) and capable of digitally analyzing the digitized final signal (SN); characterized in that the pulse generator (22) is adapted to further generate, from the emitted laser line, a second plurality of reference side lines around the generating frequency (FG) to form a comb. reference (P2) distinct from the main comb (P1), each reference line of the reference comb (P2) being associated with a line of the main comb (P1); and in that the final signal (SF) also depends on the reference comb (P2) and comprises a combination of lateral lines coming from the main comb (P1) and the reference comb (P2). 2.- Dispositif (10) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le nombre de raies (Nr) de chacun du peigne principal (P1) et du peigne de référence (P2) est limité entre cinq et quinze, et avantageusement égal à dix.2.- Device (10) according to claim 1, characterized in that the number of lines (Nr) of each of the main comb (P1) and the reference comb (P2) is limited between five and fifteen, and preferably equal to ten. 3.- Dispositif (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les raies du peigne principal (P1) sont espacées régulièrement et de façon stable avec un premier pas correspondant à une valeur de fréquence (FMEO+ 0) 3027116 12 comprise dans la gamme de fréquences de 500 MHz à 2000 MHz et avantageusement égale à 1000 MHz.3.- Device (10) according to any one of the preceding claims, characterized in that the lines of the main comb (P1) are spaced regularly and stably with a first step corresponding to a frequency value (FMEO + 0) 3027116 12 in the frequency range 500 MHz to 2000 MHz and preferably equal to 1000 MHz. 4.- Dispositif (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, 5 caractérisé en ce que les raies du peigne de référence (P2) sont espacées régulièrement et de façon stable avec un deuxième pas correspondant à une valeur de fréquence (FmE0 + dfl) comprise dans la gamme de fréquences de 500 MHz à 2000 MHz et sensiblement égale à 1000 MHz. 104.- Device (10) according to any one of the preceding claims, characterized in that the lines of the reference comb (P2) are evenly and stably spaced with a second pitch corresponding to a frequency value (FmE0 + dfl) in the frequency range 500 MHz to 2000 MHz and substantially equal to 1000 MHz. 10 5.- Dispositif (10) selon les revendications 3 et 4, caractérisé : - en ce que le deuxième pas est supérieur au premier pas ; - en ce que la différence entre le deuxième pas et le premier pas correspond à une valeur courante (dfl) de décalage prédéterminée, la valeur courante de décalage (dfl) étant inférieure ou égale à 1 MHz ; et 15 - en ce que la différence entre le deuxième pas et le premier pas est stable dans le temps.5.- Device (10) according to claims 3 and 4, characterized in: - that the second step is greater than the first step; in that the difference between the second step and the first step corresponds to a current value (dfl) of predetermined offset, the current offset value (dfl) being less than or equal to 1 MHz; and in that the difference between the second step and the first step is stable over time. 6.- Dispositif (10) selon la revendication 5, caractérisé : - en ce que les raies du peigne principal (P1) sont ordonnées selon un ordre 20 croissant des valeurs de fréquence correspondant à ces raies ; et - en ce que chaque raie du peigne de référence (P2) est décalée de la raie correspondante du peigne principal (P1) d'une valeur de fréquence égale au produit du nombre ordinal (n) de cette raie du peigne principal (P1) décrémenté d'un et de la valeur courante de décalage (dfl). 256. Device (10) according to claim 5, characterized in that: - the lines of the main comb (P1) are ordered in an increasing order of the frequency values corresponding to these lines; and in that each line of the reference comb (P2) is shifted from the corresponding line of the main comb (P1) by a value of frequency equal to the product of the ordinal number (n) of this line of the main comb (P1) decremented by one and the current offset value (dfl). 25 7.- Dispositif (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé : - en ce que la voie optique de réception (14) comporte en outre un module de couplage (42) apte à intégrer le peigne de référence (P2) dans le signal de réponse (SR) 30 pour obtenir le signal final (SF) ; et - en ce qu'il comprend en outre une voie optique (50) d'interconnexion reliant le générateur d'impulsions (22) et le module de couplage (42), et permettant de délivrer le peigne de référence (P2) au module de couplage (42). 357.- Device (10) according to any one of the preceding claims, characterized in that: - the optical reception channel (14) further comprises a coupling module (42) adapted to integrate the reference comb (P2) in the response signal (SR) 30 to obtain the final signal (SF); and in that it further comprises an interconnecting optical channel (50) connecting the pulse generator (22) and the coupling module (42), and making it possible to deliver the reference comb (P2) to the module coupling (42). 35 8.- Dispositif (10) selon la revendication 7, caractérisé en ce que le générateur d'impulsions (42) est apte à générer les deux peignes (P1, P2) de manière séquentielle. 3027116 138.- Device (10) according to claim 7, characterized in that the pulse generator (42) is adapted to generate the two combs (P1, P2) sequentially. 3027116 13 9.- Dispositif (10) selon la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce que la voie d'interconnexion (50) comporte des moyens (52) de retardement permettant de retarder la délivrance du peigne de référence (P2) au module de couplage (42). 59.- Device (10) according to claim 7 or 8, characterized in that the interconnection channel (50) comprises delay means (52) for delaying the delivery of the reference comb (P2) to the coupling module (42). 5 10.- Dispositif (10) selon la revendication 8 ou 9, caractérisé en ce que le générateur d'impulsions (42) est apte à générer le peigne de référence (P2) après la génération du peigne principal (P1) avec un délai temporel sensiblement égal à la différence du moment temporel de réception du signal de réponse (SR) par le télescope 10 de réception (40) et du moment temporel d'émission du signal d'émission (SE) par le télescope d'émission (26).10.- Device (10) according to claim 8 or 9, characterized in that the pulse generator (42) is adapted to generate the reference comb (P2) after the generation of the main comb (P1) with a time delay substantially equal to the difference in the time of reception of the response signal (SR) by the receiving telescope (40) and the transmission time of the transmission signal (SE) by the transmission telescope (26) . 11.- Dispositif (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en la voie optique d'émission (12) comporte en outre un module de couplage (46) apte à faire 15 interagir le peigne principal (P1) avec le peigne de référence (P2) pour obtenir le signal d'émission (SE).11.- Device (10) according to any one of claims 1 to 6, characterized in the optical transmission path (12) further comprises a coupling module (46) adapted to interact with the main comb (P1). with the reference comb (P2) to obtain the transmission signal (SE). 12.- Dispositif (10) selon la revendication 11, caractérisé en ce que le générateur d'impulsions (22) est apte à générer les deux peignes (P1, P2) en parallèle.12.- Device (10) according to claim 11, characterized in that the pulse generator (22) is adapted to generate the two combs (P1, P2) in parallel.
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