WO2012038662A1 - Telemetric measurement using a heterodyne-detection lidar device - Google Patents

Telemetric measurement using a heterodyne-detection lidar device Download PDF

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WO2012038662A1
WO2012038662A1 PCT/FR2011/052181 FR2011052181W WO2012038662A1 WO 2012038662 A1 WO2012038662 A1 WO 2012038662A1 FR 2011052181 W FR2011052181 W FR 2011052181W WO 2012038662 A1 WO2012038662 A1 WO 2012038662A1
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WO
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signal
frequency
optical
optical wave
sse
Prior art date
Application number
PCT/FR2011/052181
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French (fr)
Inventor
Matthieu Valla
François Lemaitre
Jean-Pierre Cariou
Béatrice Augere
Claudine Besson
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ONERA (Office National d'Etudes et de Recherches Aérospatiales)
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Publication date
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01SRADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S17/00Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/02Systems using the reflection of electromagnetic waves other than radio waves
    • G01S17/50Systems of measurement based on relative movement of target
    • G01S17/58Velocity or trajectory determination systems; Sense-of-movement determination systems
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01SRADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
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    • G01S17/02Systems using the reflection of electromagnetic waves other than radio waves
    • G01S17/06Systems determining position data of a target
    • G01S17/08Systems determining position data of a target for measuring distance only
    • G01S17/32Systems determining position data of a target for measuring distance only using transmission of continuous waves, whether amplitude-, frequency-, or phase-modulated, or unmodulated
    • G01S17/34Systems determining position data of a target for measuring distance only using transmission of continuous waves, whether amplitude-, frequency-, or phase-modulated, or unmodulated using transmission of continuous, frequency-modulated waves while heterodyning the received signal, or a signal derived therefrom, with a locally-generated signal related to the contemporaneously transmitted signal

Definitions

  • the present invention relates to a telemetric measurement which is carried out using a LIDAR device with heterodyne detection, also called coherent LIDAR. It relates to a method and a device for performing such a measurement.
  • LIDAR devices for "Llght Detection And Ranging" in English, are widely used for many detection and measurement applications. These applications include measurement of airspeeds, the study of fluid flows, the study of vibration phenomena, the measurement of vehicle speeds, applications in the field of air transport, etc. Their operation consists in emitting a coherent optical wave towards a distant target to be studied, and in collecting a part of this wave which is backscattered by the target. In a coherent LIDAR device, the collected portion of the backscattered wave is subjected to heterodyne detection. The velocity measurement of the target is then deduced from a Doppler shift which is measured in a signal produced by the heterodyne detection.
  • telemetry is based on the detection of the propagation delay of the emitted and then backscattered wave, with respect to a frequency-modulated reference signal which is used for the heterodyne detection.
  • Af m0 d is a continuous function increasing or decreasing as a function of time t.
  • Afooppie r denotes the Doppler frequency shift that is produced by the displacement of the target
  • D is the distance between the optical transceiver head of the LIDAR device and the target
  • C is the propagation velocity of the optical wave.
  • the heterodyne detection produces a measure of the difference ⁇ between the frequencies ÎR e f and f R at the same time of reception, which is equal to:
  • Af 2 - [Af mod (t 2 - 2 D (t 2 ) / C) - Af mod (t 2 )] + Af D0 ppier (t 2 ) (2c ')
  • t 1 and t 2 denote two instants which respectively belong to the first and second time windows.
  • the relation (3a) makes it possible to obtain a measurement of the distance D away from the result of the subtraction ⁇ - ⁇ 2 between the two beat frequencies.
  • the modulation function Af m0 d (t) is a linear ramp
  • the difference ⁇ - ⁇ 2 is directly proportional to the distance of distance D.
  • a measurement of the distance D is obtained in performing a matched filtering of the signal that is produced by the heterodyne detection.
  • phase noise that alters the optical wave emitted and then backscattered in a manner that is different during the two successive time windows is particularly harmful.
  • phase noise can be produced during the amplification of the optical wave which is intended to be emitted, during its emission itself, and / or by turbulence of the propagation medium of the optical wave between the LIDAR device and the target.
  • atmospheric turbulence disrupts such measures telemetry and velocimetry which are performed for air traffic or long-range control applications.
  • the invention provides a range measurement method that uses a heterodyne-type LIDAR device, in which an optical wave emission signal is produced towards a target from an optical head of the device, and a backscattered signal which originates from the target is collected by this optical head and then detected by heterodyne detection so as to produce a heterodyne detection signal, the method comprising the following steps:
  • IM producing a frequency modulation of the optical wave in the transmit signal, said modulation comprising continuous growth segments and continuous decay segments of the frequency; Subtracting from each other two beat frequencies of the heterodyne detection signal which are obtained respectively for the growth segment and the decay segment; and
  • Step 121 is then performed by subtracting a first beat frequency that is obtained for the first optical wave component within the heterodyne detection signal, at a second beat frequency that is obtained for the second component of optical wave inside the same heterodyne detection signal, these first and second beat frequencies being relative to the same time of detection of the backscattered signal.
  • the invention consists in transmitting a LIDAR optical wave which is composite in the direction of the target, this emission wave simultaneously comprising the two optical wave components at certain times at least of the operation of the device.
  • the measurement of the distance away from the target is then deduced from a difference between the beat frequencies of the heterodyne detection which are obtained respectively for the two components of the emission wave, and for the same instant of program.
  • disturbances that may affect the LIDAR wave that is emitted, including its phase similarly alter the two optical wave components. This is particularly the case for a phase noise that would be produced during the amplification or emission of the LIDAR wave, or by atmospheric turbulence that would occur between the LIDAR device and the target.
  • the contributions of such disturbances are then mutually compensated between the two optical wave components during the subtraction operation of step 121. In this way, the result of the telemetric measurement which is obtained at the end of the step 131 is robust with respect to such disturbances.
  • the frequency variations in the continuous growth segments and in the continuous decay segments, respectively for the first and the second optical wave component of the emission signal may be opposite;
  • the continuous growth segments of the frequency and the continuous decay segments of the frequency, respectively for the first and the second optical wave component of the emission signal can be linear ramps of constant slopes;
  • the continuous growth segments of the frequency and the continuous decay segments of the frequency, respectively for the first and the second optical wave component of the transmission signal can be synchronous at each instant of the operation of the device;
  • the modulated frequency of the first optical wave component can be obtained at step IM by applying the continuous growth segments from a first initial optical frequency
  • the modulated frequency of the second optical wave component can be obtained by applying the continuous decay segments from a second initial optical frequency, with the first initial optical frequency being greater than the second initial optical frequency by a fixed deviation.
  • the invention also proposes a detection type LIDAR device heterodyne adapted for performing telemetry measurements, and comprising:
  • a laser oscillator which is adapted to produce an optical wave
  • an optical splitter which is arranged to divide the optical wave into an emission source signal and a reference signal
  • an optical amplifier which is adapted to produce a transmission signal from the transmission source signal
  • a mixing-detection unit which is adapted to transmit the transmission signal to the optical head, and to produce a heterodyne detection signal from the backscattered signal received by the optical head and the reference signal;
  • a modulator which is arranged to modulate in frequency at least the transmission source signal
  • the device of the invention is characterized in that the control unit is adapted to control an operation of the modulator to implement a method as described above.
  • the emission source signal is modulated to generate the two optical wave components in the transmission signal, with frequencies of these components which respectively vary according to segments of continuous growth or continuous decay.
  • the analysis means are adapted to provide a result of the subtraction of the first beat frequency obtained for the first optical wave component within the heterodyne detection signal, at the second beat frequency obtained for the second optical wave component within the same detection signal heterodyne, these first and second beat frequencies being relative to the same time of detection of the backscattered signal. They are further adapted to derive the value of the distance away from the target from the result of the subtraction of the two beat frequencies.
  • the analysis means can be adapted to combine a first part of the heterodyne detection signal which has the first beat frequency and which corresponds to the first optical wave component of the emission signal, with a second part the same heterodyne detection signal which has the second beat frequency and which corresponds to the second optical wave component of the transmission signal.
  • the same analysis means can then measure a difference between the first and second beat frequencies as the frequency of a signal resulting from the combination.
  • the first and second beat frequencies can be determined separately, and the subtraction operation between them can be performed numerically.
  • the analysis means may also be adapted to add the first beat frequency which is obtained for the first optical wave component inside the heterodyne detection signal. at the second beat frequency which is obtained for the second optical wave component within the same heterodyne detection signal, these first and second beat frequencies being relative to the same detection time of the backscattered signal, and to perform a Doppler effect analysis for deriving a value for the target moving speed from the result of adding the first and second beat frequencies.
  • the device can then simultaneously provide measurements of the distance of distance and the speed of the target, which are relative to the same moment during a displacement of the target.
  • FIGS. 1a and 1b show two architectures of LIDAR devices with heterodyne detection, with which the invention can be implemented;
  • FIGS. 2a and 2b illustrate two possible compositions for a suitable LIDAR transmission signal according to the invention.
  • FIGS. 3a and 3b illustrate two embodiments of a frequency modulator that can be used alternately in each architecture of FIGS. 1a and 1b.
  • a laser oscillator which is adapted to produce an optical wave OL
  • an optical splitter which is arranged to divide the optical wave OL into a transmission source signal SSE and a reference signal SR e f
  • 3 an optical amplifier, which is adapted to produce an emission signal SE from the source signal SSE;
  • Mixing and detection unit a mixing-detection unit ("mixing and detection unit");
  • an optical head which is adapted to transmit the transmission signal SE towards a target and to receive a backscattered signal R;
  • T designates the target whose distance of distance D with respect to the optical head 12 must be measured, as well as its radial velocity V, possibly.
  • the direction which connects the optical head 12 to the target T is the pointing direction of the device 100.
  • radial velocity V the target T the component of the speed of this target which is parallel to the pointing direction.
  • the laser oscillator 1, the optical separator 2 and the amplifier 3 may belong to a transmission laser unit 10, which produces the transmission signal SE.
  • each of these components can be made from at least one optical fiber which conducts the optical wave OL or the signals SSE, SR e f or SE.
  • the optical wave OL and the signals SSE, SR e f and SE belong to the infrared electromagnetic radiation band, for which the wavelength is between 1.535 ⁇ and 1.565 ⁇ (micrometer). .
  • the mixing-detecting unit 11 is adapted to transmit the transmission signal SE to the optical head 12, and to produce a heterodyne detection signal SRF from the backscattered signal R which is received by the optical head 12 and the reference signal SRef.
  • the analysis means 20 are adapted to analyze the heterodyne detection signal SRF. In a manner that is commonly used, these analysis means 20 perform a combination of filtering operations, signal composition, spectral analysis, as well as a Doppler effect analysis, from the detection signal. heterodyne SRF.
  • a device 100 comprises:
  • a frequency modulator 4 for modulating at least the SSE emission source signal
  • control unit 40 for controlling an operation of the frequency modulator 4.
  • the modulator 4 is arranged to receive as input the SSE emission source signal which is produced by the optical separator 2, and for outputting the modulated emission source signal to the optical amplifier 3.
  • the modulator 4 is located between the separator 2 and the amplifier 3.
  • only the signal SSE emission source comprises the frequency modulation that is produced by the modulator 4.
  • the modulator 4 is arranged to receive as input the optical wave OL which is produced by the laser oscillator 1, and to output this modulated optical wave to the optical separator 2. Otherwise said, the modulator 4 is located between the laser oscillator 1 and the separator 2. In this second case, the emission source signal SSE and the reference signal SR ef are modulated in an identical manner.
  • the two devices 100 of FIGS. 1a and 1b are equivalent to the invention, so that all the implementations of the invention which are described below can use either one or the other of these devices.
  • the modulator 4 produces the temporal modulation of the SSE emission source signal which is illustrated in FIG. 2a.
  • This modulation generates two components inside the SSE signal, which are called optical wave components and noted respectively SSE1 and SSE 2 .
  • Each of these components is itself modulated in frequency within successive time periods.
  • the abscissa axis identifies the time t, and the ordinate axis locates the instantaneous frequency f of each component.
  • the frequency of the first SSEI component increases continuously within each time period Wi
  • the frequency of the second SSE component 2 decreases continuously within each time period W 2 .
  • changes in the frequency of each SSEI or SSE component 2 may be any in each period, provided that the frequency is increased for the first SSEI and decreasing component to the second component 2 SSE.
  • Variations of the frequency of the SSEI component within each Wi period are then called continuous growth segments and denoted Af m0C M, and those of the SSE component 2 within each period W 2 continuous decay segments and denoted Af m0C Due to these different directions of variation, the variations in the frequency of the SSEI component are always different from those of the frequency of the SSE component 2 , between two instants which belong to both the same period Wi and the same period W 2 .
  • Figure 2b corresponds to Figure 2a for a preferred embodiment of the invention.
  • the two components SSE1 and SSE 2 have respective frequency variations which are opposite, synchronous and linear within common time periods W.
  • the frequency of the SSE1 component varies according to rectilinear, or linear, increasing ramps with a positive slope which is denoted by K m0C i
  • the frequency of the SSE component 2 simultaneously varies according to linear decreasing ramps of slope -K m0C i.
  • the period W may be of the order of a few milliseconds when the modulator 4 is of the electro-optical type.
  • the optical frequency difference Af 0 may be of the order of 1 GHz (gigahertz).
  • the frequency modulator 4 can be achieved using an intensity modulator or a phase modulator.
  • FIG. 3a illustrates an embodiment of the frequency modulator 4 from an electro-optical intensity modulator.
  • intensity modulator may comprise two Pockels cells 41 and 42 which are connected optically in parallel, so as to receive each approximately half of the intensity of the SSE emission source signal in the case of a device 100 which is in accordance with FIG. 1a, or about half of the intensity of the optical wave OL in the case of a device 100 which is in accordance with Figure 1b.
  • a Pockels cell produces a variable electric field inside an active material which is adapted to modify the phase of an optical wave as a function of the electric field.
  • the Pockels cells 41 and 42 may be based on lithium niobate and are preferably identical.
  • the modulator 4 further comprises an electrical modulation signal generator 43, which is connected to respective control inputs of the two Pockels cells 41 and 42.
  • the two cells 41 and 42 are oriented so that the same signal modulation produced by the generator 43 generates optical phase shifts which are opposed between the two cells, at each instant of an operation of the device 100.
  • an additional DC voltage generator 44 can be inserted between the output of the generator 43 and one of the two Pockels cells, for example the cell 42.
  • the generator 43 is controlled by the unit 40 to produce a sinusoidal modulation voltage V m0C i whose phase varies quadratically with time according to the relation:
  • V mod ⁇ ⁇ Vi rad "COS (TT K t 2 ) (4) starting from 0 at the beginning of the period W.
  • is the ratio between the amplitude of the modulation voltage and the voltage Vi ra d which is necessary for a Pockels cell to change the phase of the optical wave portion passing through it by 1 radian
  • the generator 44 produces a constant additional phase shift a, between the waves which respectively pass through the two cells 41 and 42.
  • the second of these pairs of values for a and ⁇ is preferred because the modulation of the wave
  • the optical gain obtained is then less sensitive to modulator parameter fluctuations.
  • the inventors report, however, that it is preferable that the difference between the respective frequencies of the two components SSE 1 and SSE 2 be greater than the inverse of a reaction time of the amplifier 3. In this way, the amplification of the transmission source signal does not generate distortion of the transmission signal SE.
  • FIG. 3b illustrates an embodiment of the frequency modulator 4 from an electro-optical phase modulator.
  • a phase modulator is adapted to produce a frequency modulation of an optical wave according to a control signal which is periodic two-state. It may comprise a Pockels cell 45 which is connected to receive as input the SSE emission source signal (FIG. 1a) or the OL optical waveform (FIG. 1b).
  • the modulator 4 then comprises a modulation signal electrical generator 46 which is connected to a control input of the cell 45.
  • the heterodyne detection signal SRF which is transmitted by the detection unit 11 to the analysis means 20, comprises superimposition terms of each component backscattered with the reference signal SR ef used. These terms have a beat frequency that is equal to the difference between the frequencies of the optical waves that are superimposed.
  • f 1 fo + Af m od 1 (t - 2 ⁇ D / C) + Afooppier (5a)
  • f 2 fo + ⁇ mod 2 (t - 2 ⁇ D / C) + Af Doppler (5b)
  • Afmod 1 and Af m0 d 2 are the two continuous modulation functions, increasing and decreasing in segments respectively for the optical wave components SSE1 and SSE 2 .
  • the first beat frequency measured for the SSEI component is then:
  • the values of the distance of distance D of the target T and the Doppler shift Af Do ppier are strictly the same in the two relations (6a) and (6b), since these values relate to detection signals that are simultaneous.
  • the signal components which respectively have the frequency Afi-Af 2 and the frequency Afi + Af 2 can easily be separated by frequency filtering, thanks to the presence of the term Af 0 in the relation (7a).
  • the temporally reversed replica has an instantaneous frequency which is equal to [Af m0 d 1 - Af m0 d 2] (- t).
  • This type of filtering reshapes the spectral components of the signal at the input of the filter, so that the temporal response of the signal at the filter output is compressed until reaching the Fourier limit.
  • the target T appears in the filtered signal as if the LIDAR transmission signal had been produced by a pulse-operated laser whose pulse duration is equal to the inverse of the frequency shift of the function.
  • the temporal response thus compressed makes it possible, by measuring the propagation delay, to obtain a value for the distance D away from the target T.
  • the reference wave SR e f itself comprises the two components SSE 1 and SSE 2 .
  • the first beat frequency results from the superposition of the SSE1 component as emitted with the same component SSE1 backscattered by the target T and then received by the optical head 12.
  • the second beat frequency results from the superposition of the SSE component 2 as emitted with the same SSE component 2 backscattered by the target T then received by the optical head 12:
  • Af 2 Af m od 2 (t-2-D / C) - Af m od 2 (t) + Afooppler (6b ')
  • the values of the distance of distance D and the Doppler shift Af Do ppier which intervene in the relation (6a ') are strictly equal to those which intervene in the relation (6b'), since these values relate to detection times which are identical for the two optical wave components SSE1 and SSE 2 , thanks to the invention.
  • ⁇ - ⁇ 2 [Af mod 1 - Af mod 2 ] (t - 2 - D / C) - [Af mod 1 - Af mod 2 ] (t) (7a ')
  • the result of the operation of adding the beat frequencies according to the relation (7b) or (7b ') provides a measurement of the frequency shift by Doppler effect Af Do ppier-
  • the result of the operation of adding the beat frequencies according to the relation (7b) or (7b ') is directly equal to twice the frequency shift by Doppler effect Af do ppier- an analysis of this shift, performed one of the ways known to the skilled person then provides a measure of the removal speed V of the target T.
  • the optical wave modulator of the electro-optical type can be replaced by an acousto-optical type modulator.
  • an acousto-optic modulator may consist of a refractive index grating whose characteristics are varied using a piezoelectric element control.

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Abstract

The invention relates to a method for telemetric measurement using a heterodyne-detection LIDAR device, said method using a LIDAR transmission signal consisting of two optical wave components (SSE1, SSE2) that are produced simultaneously. Performing a subtraction between the beat frequencies which are produced by heterodyne detection and which correspond to the two components (SSE1, SSE2), respectively, makes it possible to obtain a measurement of the distance to a target at which the device is aimed. Such a measurement is exact, even when the target is in motion, and can withstand phase distortions that can negatively affect the two components of the LIDAR transmission signal.

Description

MESURE TELEMETRIQUE UTILISANT UN DISPOSITIF DE TYPE LIDAR A TELEMETRIC MEASUREMENT USING A LIDAR A DEVICE
DETECTION HETERODYNE HETERODYNE DETECTION
La présente invention concerne une mesure télémétrique qui est réalisée en utilisant un dispositif de type LIDAR à détection hétérodyne, aussi appelé LIDAR cohérent. Elle concerne un procédé ainsi qu'un dispositif pour effectuer une telle mesure. The present invention relates to a telemetric measurement which is carried out using a LIDAR device with heterodyne detection, also called coherent LIDAR. It relates to a method and a device for performing such a measurement.
Les dispositifs de type LIDAR, pour «Llght Détection And Ranging» en anglais, sont très utilisés pour de nombreuses applications de détection et de mesure. Parmi ces applications, on peut citer la mesure de vitesses anémométriques, l'étude d'écoulements fluides, l'étude de phénomènes vibratoires, la mesure de vitesses de véhicules, des applications du domaine du transport aérien, etc. Leur fonctionnement consiste à émettre une onde optique cohérente en direction d'une cible distante à étudier, et à recueillir une partie de cette onde qui est rétrodiffusée par la cible. Dans un dispositif LIDAR cohérent, la partie recueillie de l'onde rétrodiffusée est soumise à une détection hétérodyne. La mesure de vitesse de la cible est alors déduite d'un décalage Doppler qui est mesuré dans un signal produit par la détection hétérodyne.  LIDAR devices, for "Llght Detection And Ranging" in English, are widely used for many detection and measurement applications. These applications include measurement of airspeeds, the study of fluid flows, the study of vibration phenomena, the measurement of vehicle speeds, applications in the field of air transport, etc. Their operation consists in emitting a coherent optical wave towards a distant target to be studied, and in collecting a part of this wave which is backscattered by the target. In a coherent LIDAR device, the collected portion of the backscattered wave is subjected to heterodyne detection. The velocity measurement of the target is then deduced from a Doppler shift which is measured in a signal produced by the heterodyne detection.
Il est aussi connu d'utiliser ces mêmes dispositifs pour obtenir une mesure de la distance d'éloignement de la cible. Une telle mesure, dite de télémétrie, est basée sur la détection du retard de propagation de l'onde émise puis rétrodiffusée, par rapport à un signal de référence modulé en fréquence qui est utilisé pour la détection hétérodyne. Dans ce cas, la fréquence ÎRef de l'onde optique qui est émise en direction de la cible est : fRef = f0 + Afmod(t) (1 a) où fo est une fréquence optique de base qui est constante, Afm0d(t) représente la modulation temporelle de la fréquence d'émission, et t désigne l'instant d'émission. Pour obtenir une mesure de la distance D, Afm0d est une fonction continue croissante ou décroissante en fonction du temps t. L'onde qui est rétrodiffusée par la cible possède alors la fréquence ÎR suivante : fR = fRef(t " 2-D/C) + M Doppler = f 0 + Afmod(t - 2 D/C) + Afpoppl 1,er (1 b) où Afooppier désigne le décalage fréquentiel par effet Doppler qui est produit par le déplacement de la cible, D est la distance entre la tête optique d'émission- réception du dispositif LIDAR et la cible, et C est la vitesse de propagation de l'onde optique. La détection hétérodyne produit une mesure de l'écart Δί entre les fréquences ÎRef et fR à un même instant de réception, qui est égal à : It is also known to use these same devices to obtain a measurement of the distance away from the target. Such a measurement, called telemetry, is based on the detection of the propagation delay of the emitted and then backscattered wave, with respect to a frequency-modulated reference signal which is used for the heterodyne detection. In this case, the frequency ÎR e f of the optical wave that is emitted towards the target is: f Ref = f 0 + Af m od (t) (1 a) where fo is a basic optical frequency which is constant, Af m0 d (t) represents the temporal modulation of the transmission frequency, and t denotes the time of emission. To obtain a measure of the distance D, Af m0 d is a continuous function increasing or decreasing as a function of time t. The wave that is backscattered by the target then has the following frequency IR: f R = f R ef (t "2-D / C) + M Doppler = f 0 + Af mod (t - 2 D / C) + Afpoppl 1, er (1 b) where Afooppie r denotes the Doppler frequency shift that is produced by the displacement of the target, D is the distance between the optical transceiver head of the LIDAR device and the target, and C is the propagation velocity of the optical wave. The heterodyne detection produces a measure of the difference Δί between the frequencies ÎR e f and f R at the same time of reception, which is equal to:
Δί = f R - f Ref = Afmod(t - 2 D/C) - Afmod(t) + Δί Doppler ( 1 C)Δί = f R - f Ref = Af mod (t - 2 D / C) - Af mod (t) + Δί Doppler (1 C)
Cet écart Δί correspond à une fréquence de battement du signal qui est produit par la détection hétérodyne. Or, les contributions respectives de l'éloignement et de la vitesse de la cible sont mélangées dans cette fréquence de battement Δ1 This difference Δί corresponds to a signal beat frequency that is produced by the heterodyne detection. Now, the respective contributions of the distance and the speed of the target are mixed in this beat frequency Δ1
Pour séparer ces deux contributions et obtenir des mesures à la fois pour la distance d'éloignement et la vitesse de déplacement de la cible, il est connu de moduler la fréquence de l'onde optique qui est émise de façon opposée pendant des fenêtres de temps successives. Ainsi, pendant une première fenêtre de temps qui est repérée par l'indice 1 , la fréquence ÎRef de l'onde optique qui est émise et la fréquence de battement de la détection hétérodyne sont respectivement : fRef i = f0 + AfmOd(ti) (2a) In order to separate these two contributions and to obtain measurements for both the distance of distance and the speed of movement of the target, it is known to modulate the frequency of the optical wave which is emitted in an opposite manner during windows of time. successive. Thus, during a first time window which is indicated by the index 1, the frequency R e f of the optical wave that is emitted and the beat frequency of the heterodyne detection are respectively: f Ref i = f 0 + Af mO d (ti) (2a)
Δίι = Afmod(ti - 2-D(ti)/C) - Afmod(ti) +AfDoppier(ti) (2c) puis pendant une seconde fenêtre de temps ultérieure qui est repérée par l'indice 2 et pendant laquelle la modulation de l'onde optique émise est - Afmod(t) : Δίι = Af mod (ti - 2 - D (ti) / C) - Af mod (ti) + Af Do ppier (ti) (2c) then for a second second window of time which is marked by the index 2 and during which the modulation of the transmitted optical wave is - Af m od (t):
fRef 2 = fo - Afmod(t2) (2a')fRef 2 = fo - Af mo d (t 2 ) (2a ')
Af2 = - [Afmod(t2 - 2 D(t2)/C) - Afmod(t2)] +AfD0ppier(t2) (2c') Dans ces relations (2a), (2c) et (2a'), (2c'), ti et t2 désignent deux instants qui appartiennent respectivement à la première et à la seconde fenêtre de temps. Af 2 = - [Af mod (t 2 - 2 D (t 2 ) / C) - Af mod (t 2 )] + Af D0 ppier (t 2 ) (2c ') In these relations (2a), (2c) and (2a '), (2c'), t 1 and t 2 denote two instants which respectively belong to the first and second time windows.
On effectue alors la différence puis la somme des deux fréquences de battement Δίι et Δί2 qui sont mesurées respectivement pour les deux fenêtres de temps successives. Si la distance d'éloignement de la cible et sa vitesse sont les mêmes pendant les deux fenêtres de temps, ces différence et somme se réduisent à : The difference is then made and then the sum of the two beat frequencies Δίι and Δί 2 which are respectively measured for the two successive time windows. If the distance to the target and its speed are the same during both windows of time, these differences and sum are reduced to:
Δίι - Δί2 = 2 χ [Afmod(t - 2-D/C) - Afmod(t)] (3a)Δίι - Δί 2 = 2 χ [Af mod (t - 2 - D / C) - Af mod (t)] (3a)
Δίι + Δί2 = 2 x Afooppier (3b)Δίι + Δί 2 = 2 x Afooppier (3b)
Connaissant la fonction Afm0d(t), la relation (3a) permet d'obtenir une mesure de la distance d'éloignement D à partir du résultat de la soustraction Δίι - Δί2 entre les deux fréquences de battement. Par exemple, lorsque la fonction de modulation Afm0d(t) est une rampe linéaire, la différence Δίι - Δί2 est directement proportionnelle à la distance d'éloignement D. De façon plus générale, une mesure de la distance D est obtenue en réalisant un filtrage adapté du signal qui est produit par la détection hétérodyne. Simultanément, la somme Δίι + Δί2 des deux fréquences de battement selon la relation (3b) est égale à 4-V/A, où V est la vitesse de déplacement de la cible et λ est la longueur d'onde optique utilisée : λ = C/fo. Knowing the function Af m0 d (t), the relation (3a) makes it possible to obtain a measurement of the distance D away from the result of the subtraction Δίι - Δί 2 between the two beat frequencies. For example, when the modulation function Af m0 d (t) is a linear ramp, the difference Δίι - Δί 2 is directly proportional to the distance of distance D. More generally, a measurement of the distance D is obtained in performing a matched filtering of the signal that is produced by the heterodyne detection. Simultaneously, the sum Δίι + Δί 2 of the two beat frequencies according to the equation (3b) is equal to 4-V / A, where V is the displacement velocity of the target and λ is the optical wavelength used: λ = C / fo.
Mais les relations (3a) et (3b) ci-dessus sont inexactes lorsque la cible se déplace de sorte que la distance d'éloignement D et la vitesse V varient entre les deux fenêtres de temps successives : D(ti)≠ D(t2) et AfDoppier (ti)≠ ΔίοορρΐβΓ (t2). En particulier, l'opération de soustraction entre les deux fréquences de battement Δίι et Δί2 de la relation (3a) ne permet plus de supprimer la contribution de la vitesse de déplacement pour obtenir une grandeur mesurée qui ne dépende plus que de la distance d'éloignement D. En appliquant néanmoins les relations (3a) et (3b) à une telle cible en mouvement, les valeurs qui sont obtenues pour la distance D et la vitesse V ne sont qu'approximatives, voire sont inexactes. But the relations (3a) and (3b) above are inaccurate when the target moves so that the distance of distance D and the velocity V vary between the two successive time windows: D (ti) ≠ D (t 2 ) and Af Do ppier (ti) ≠ Δίοορρΐβ Γ (t 2 ). In particular, the operation of subtraction between the two beat frequencies Δίι and Δί 2 of the relation (3a) no longer makes it possible to suppress the contribution of the speed of displacement to obtain a measured quantity which depends only on the distance d However, by applying the relations (3a) and (3b) to such a moving target, the values obtained for the distance D and the velocity V are only approximate or even inaccurate.
D'autres phénomènes peuvent aussi modifier les résultats de telles mesures par rapport aux valeurs réelles de la distance d'éloignement D et de la vitesse V de la cible. Notamment, un bruit de phase qui altère l'onde optique émise puis rétrodiffusée d'une façon qui est différente pendant les deux fenêtres de temps successives est particulièrement néfaste. Or un tel bruit de phase peut être produit lors de l'amplification de l'onde optique qui est destinée à être émise, lors de son émission elle-même, et/ou par des turbulences du milieu de propagation de l'onde optique entre le dispositif LIDAR et la cible. En particulier, des turbulences atmosphériques perturbent de telles mesures télémétriques et vélocimétriques qui sont réalisées pour des applications de trafic aérien ou de contrôle à longue distance. Other phenomena can also modify the results of such measurements with respect to the real values of the distance of distance D and the speed V of the target. In particular, a phase noise that alters the optical wave emitted and then backscattered in a manner that is different during the two successive time windows is particularly harmful. However, such a phase noise can be produced during the amplification of the optical wave which is intended to be emitted, during its emission itself, and / or by turbulence of the propagation medium of the optical wave between the LIDAR device and the target. In particular, atmospheric turbulence disrupts such measures telemetry and velocimetry which are performed for air traffic or long-range control applications.
Dans ces conditions, un but de l'invention consiste à fournir des mesures télémétriques dont l'exactitude est améliorée, notamment pour une cible mobile.  Under these conditions, an object of the invention is to provide telemetry measurements whose accuracy is improved, especially for a moving target.
Un autre but de l'invention est de fournir de telles mesures télémétriques, qui utilisent encore un dispositif LIDAR à détection hétérodyne, mais qui soient robustes par rapport à des phénomènes parasites qui peuvent altérer l'onde optique qui est mise en œuvre.  Another object of the invention is to provide such telemetry measurements, which still use a LIDAR device with heterodyne detection, but which are robust with respect to parasitic phenomena which can alter the optical wave which is implemented.
Pour atteindre ces buts et d'autres, l'invention propose un procédé de mesure télémétrique qui utilise un dispositif de type LIDAR à détection hétérodyne, dans lequel un signal d'émission d'onde optique est produit en direction d'une cible à partir d'une tête optique du dispositif, et un signal rétrodiffusé qui provient de la cible est recueilli par cette tête optique, puis détecté par détection hétérodyne de façon à produire un signal de détection hétérodyne, le procédé comprenant les étapes suivantes :  To achieve these and other objects, the invention provides a range measurement method that uses a heterodyne-type LIDAR device, in which an optical wave emission signal is produced towards a target from an optical head of the device, and a backscattered signal which originates from the target is collected by this optical head and then detected by heterodyne detection so as to produce a heterodyne detection signal, the method comprising the following steps:
IM produire une modulation de fréquence de l'onde optique dans le signal d'émission, cette modulation comprenant des segments de croissance continue et des segments de décroissance continue de la fréquence ; 121 soustraire l'une à l'autre deux fréquences de battement du signal de détection hétérodyne qui sont obtenues respectivement pour le segment de croissance et le segment de décroissance ; et  IM producing a frequency modulation of the optical wave in the transmit signal, said modulation comprising continuous growth segments and continuous decay segments of the frequency; Subtracting from each other two beat frequencies of the heterodyne detection signal which are obtained respectively for the growth segment and the decay segment; and
13/ déduire une valeur d'une distance d'éloignement de la cible, à partir d'un résultat de la soustraction des fréquences de battement.  13 / deduce a value of a distance away from the target, from a result of the subtraction of beat frequencies.
Le procédé de l'invention est caractérisé en ce que l'étape IM est exécutée de sorte que le signal d'émission possède simultanément deux composantes d'onde optique, avec une première de ces composantes d'onde optique qui est modulée en fréquence selon les segments de croissance continue pour la fréquence de cette première composante, en même temps qu'une seconde de ces composantes d'onde optique est modulée en fréquence selon les segments de décroissance continue pour la fréquence de cette seconde composante. The method of the invention is characterized in that step IM is executed so that the transmission signal simultaneously has two optical wave components, with a first of these optical wave components being frequency modulated according to the continuous growth segments for the frequency of this first component, at the same time as a second of these optical wave components is frequency modulated according to the segments of continuous decay for the frequency of this second component.
L'étape 121 est alors exécutée en soustrayant une première fréquence de battement qui est obtenue pour la première composante d'onde optique à l'intérieur du signal de détection hétérodyne, à une seconde fréquence de battement qui est obtenue pour la seconde composante d'onde optique à l'intérieur du même signal de détection hétérodyne, ces première et seconde fréquences de battement étant relatives à un même instant de détection du signal rétrodiffusé. Ainsi, l'invention consiste à émettre une onde optique LIDAR qui est composite en direction de la cible, cette onde d'émission comprenant simultanément les deux composantes d'onde optique à certains instants au moins du fonctionnement du dispositif. La mesure de la distance d'éloignement de la cible est alors déduite d'une différence entre les fréquences de battement de la détection hétérodyne qui sont obtenues respectivement pour les deux composantes de l'onde d'émission, et pour un même instant d'émission. Step 121 is then performed by subtracting a first beat frequency that is obtained for the first optical wave component within the heterodyne detection signal, at a second beat frequency that is obtained for the second component of optical wave inside the same heterodyne detection signal, these first and second beat frequencies being relative to the same time of detection of the backscattered signal. Thus, the invention consists in transmitting a LIDAR optical wave which is composite in the direction of the target, this emission wave simultaneously comprising the two optical wave components at certain times at least of the operation of the device. The measurement of the distance away from the target is then deduced from a difference between the beat frequencies of the heterodyne detection which are obtained respectively for the two components of the emission wave, and for the same instant of program.
Les contributions respectives de la distance d'éloignement et de la vitesse de la cible aux fréquences de battement, sont identiques pour les deux composantes de l'onde optique qui sont mises en œuvre, puisque ces fréquences de battement sont produites pour un même instant de détection hétérodyne. Ainsi, les valeurs de la distance d'éloignement et de la vitesse de la cible sont univoques pour chaque mesure. L'opération de soustraction de l'étape 121, entre les deux fréquences de battement qui sont produites par la détection hétérodyne, permet donc de supprimer avec exactitude la contribution de la vitesse de déplacement de la cible. Autrement dit, la relation (3a) qui est donnée ci-dessus reste exacte même lorsque la cible est mobile, et la valeur qui est ainsi obtenue pour la distance d'éloignement de la cible, à partir du résultat de cette soustraction, correspond exactement à la distance réelle à l'instant de la mesure. En outre, des perturbations qui peuvent affecter l'onde LIDAR qui est émise, notamment sa phase, altèrent de la même façon les deux composantes d'onde optique. Tel est le cas notamment, pour un bruit de phase qui serait produit lors de l'amplification ou de l'émission de l'onde LIDAR, ou encore par des turbulences atmosphériques qui se produiraient entre le dispositif LIDAR et la cible. Les contributions de telles perturbations se compensent alors mutuellement entre les deux composantes d'onde optique lors de l'opération de soustraction de l'étape 121. De cette façon, le résultat de la mesure télémétrique qui est obtenu à l'issue de l'étape 131 est robuste par rapport à de telles perturbations. The respective contributions of the distance of distance and the velocity of the target at the beat frequencies are identical for the two components of the optical wave which are implemented, since these beat frequencies are produced for the same instant of time. heterodyne detection. Thus, the values of the distance of distance and the speed of the target are unambiguous for each measurement. The subtraction operation of step 121, between the two beat frequencies that are produced by the heterodyne detection, therefore makes it possible to accurately suppress the contribution of the target displacement speed. In other words, the relation (3a) which is given above remains exact even when the target is mobile, and the value which is thus obtained for the distance from the target, from the result of this subtraction, corresponds exactly at the actual distance at the moment of measurement. In addition, disturbances that may affect the LIDAR wave that is emitted, including its phase, similarly alter the two optical wave components. This is particularly the case for a phase noise that would be produced during the amplification or emission of the LIDAR wave, or by atmospheric turbulence that would occur between the LIDAR device and the target. The contributions of such disturbances are then mutually compensated between the two optical wave components during the subtraction operation of step 121. In this way, the result of the telemetric measurement which is obtained at the end of the step 131 is robust with respect to such disturbances.
Dans des mises en œuvre de l'invention qui sont préférées, notamment pour leur simplicité, les perfectionnements suivants peuvent être utilisés, chacun isolément ou par combinaison de plusieurs d'entre eux : In implementations of the invention which are preferred, in particular for their simplicity, the following improvements may be used, each in isolation or by a combination of several of them:
- les variations de fréquence dans les segments de croissance continue et dans les segments de décroissance continue, respectivement pour la première et la seconde composante d'onde optique du signal d'émission, peuvent être opposées ; - les segments de croissance continue de la fréquence et les segments de décroissance continue de la fréquence, respectivement pour la première et la seconde composante d'onde optique du signal d'émission, peuvent être des rampes linéaires de pentes constantes ; the frequency variations in the continuous growth segments and in the continuous decay segments, respectively for the first and the second optical wave component of the emission signal, may be opposite; the continuous growth segments of the frequency and the continuous decay segments of the frequency, respectively for the first and the second optical wave component of the emission signal, can be linear ramps of constant slopes;
- les segments de croissance continue de la fréquence et les segments de décroissance continue de la fréquence, respectivement pour la première et la seconde composante d'onde optique du signal d'émission, peuvent être synchrones à chaque instant du fonctionnement du dispositif ; et the continuous growth segments of the frequency and the continuous decay segments of the frequency, respectively for the first and the second optical wave component of the transmission signal, can be synchronous at each instant of the operation of the device; and
- la fréquence modulée de la première composante d'onde optique peut être obtenue à l'étape IM en appliquant les segments de croissance continue à partir d'une première fréquence optique initiale, et la fréquence modulée de la seconde composante d'onde optique peut être obtenue en appliquant les segments de décroissance continue à partir d'une seconde fréquence optique initiale, avec la première fréquence optique initiale qui est supérieure à la seconde fréquence optique initiale d'un écart fixé. the modulated frequency of the first optical wave component can be obtained at step IM by applying the continuous growth segments from a first initial optical frequency, and the modulated frequency of the second optical wave component can be obtained by applying the continuous decay segments from a second initial optical frequency, with the first initial optical frequency being greater than the second initial optical frequency by a fixed deviation.
L'invention propose aussi un dispositif de type LIDAR à détection hétérodyne adapté pour effectuer des mesures télémétriques, et comprenant :The invention also proposes a detection type LIDAR device heterodyne adapted for performing telemetry measurements, and comprising:
- un oscillateur laser, qui est adapté pour produire une onde optique ;a laser oscillator, which is adapted to produce an optical wave;
- un séparateur optique, qui est disposé pour diviser l'onde optique en un signal de source d'émission et un signal de référence ; an optical splitter, which is arranged to divide the optical wave into an emission source signal and a reference signal;
- un amplificateur optique, qui est adapté pour produire un signal d'émission à partir du signal de source d'émission ;  an optical amplifier, which is adapted to produce a transmission signal from the transmission source signal;
- une tête optique, qui est adaptée pour transmettre le signal d'émission en direction d'une cible et pour recevoir un signal rétrodiffusé provenant de la cible ; an optical head, which is adapted to transmit the transmission signal to a target and to receive a backscattered signal from the target;
- une unité de mélange-détection, qui est adaptée pour transmettre le signal d'émission à la tête optique, et pour produire un signal de détection hétérodyne à partir du signal rétrodiffusé reçu par la tête optique et du signal de référence ;  a mixing-detection unit, which is adapted to transmit the transmission signal to the optical head, and to produce a heterodyne detection signal from the backscattered signal received by the optical head and the reference signal;
- des moyens d'analyse du signal de détection hétérodyne, qui sont adaptés pour réaliser un traitement spectral du signal de détection hétérodyne ;  means for analyzing the heterodyne detection signal, which are adapted to perform a spectral processing of the heterodyne detection signal;
- un modulateur, qui est disposé pour moduler en fréquence au moins le signal de source d'émission ; et  a modulator, which is arranged to modulate in frequency at least the transmission source signal; and
- une unité de commande qui est reliée à une entrée de commande du modulateur.  a control unit which is connected to a control input of the modulator.
Le dispositif de l'invention est caractérisé en ce l'unité de commande est adaptée pour commander un fonctionnement du modulateur pour mettre en œuvre un procédé tel que décrit précédemment. Pour cela, le signal de source d'émission est modulé pour générer les deux composantes d'onde optique dans le signal d'émission, avec des fréquences de ces composantes qui varient respectivement selon des segments de croissance continue ou de décroissance continue. De plus, les moyens d'analyse sont adaptés pour fournir un résultat de la soustraction de la première fréquence de battement obtenue pour la première composante d'onde optique à l'intérieur du signal de détection hétérodyne, à la seconde fréquence de battement obtenue pour la seconde composante d'onde optique à l'intérieur du même signal de détection hétérodyne, ces première et seconde fréquences de battement étant relatives à un même instant de détection du signal rétrodiffusé. Ils sont adaptés en outre pour déduire la valeur de la distance d'éloignement de la cible à partir du résultat de la soustraction des deux fréquences de battement. The device of the invention is characterized in that the control unit is adapted to control an operation of the modulator to implement a method as described above. For this, the emission source signal is modulated to generate the two optical wave components in the transmission signal, with frequencies of these components which respectively vary according to segments of continuous growth or continuous decay. In addition, the analysis means are adapted to provide a result of the subtraction of the first beat frequency obtained for the first optical wave component within the heterodyne detection signal, at the second beat frequency obtained for the second optical wave component within the same detection signal heterodyne, these first and second beat frequencies being relative to the same time of detection of the backscattered signal. They are further adapted to derive the value of the distance away from the target from the result of the subtraction of the two beat frequencies.
Selon une possibilité, les moyens d'analyse peuvent être adaptés pour combiner une première partie du signal de détection hétérodyne qui possède la première fréquence de battement et qui correspond à la première composante d'onde optique du signal d'émission, avec une seconde partie du même signal de détection hétérodyne qui possède la seconde fréquence de battement et qui correspond à la seconde composante d'onde optique du signal d'émission. Les mêmes moyens d'analyse peuvent alors mesurer une différence entre les première et seconde fréquences de battement en tant que fréquence d'un signal résultant de la combinaison.  According to one possibility, the analysis means can be adapted to combine a first part of the heterodyne detection signal which has the first beat frequency and which corresponds to the first optical wave component of the emission signal, with a second part the same heterodyne detection signal which has the second beat frequency and which corresponds to the second optical wave component of the transmission signal. The same analysis means can then measure a difference between the first and second beat frequencies as the frequency of a signal resulting from the combination.
Selon une autre possibilité, les première et seconde fréquences de battement peuvent être déterminées séparément, et l'opération de soustraction entre elles peut être effectuée numériquement.  Alternatively, the first and second beat frequencies can be determined separately, and the subtraction operation between them can be performed numerically.
Dans un perfectionnement d'un dispositif selon l'invention, les moyens d'analyse peuvent en outre être adaptés pour additionner la première fréquence de battement qui est obtenue pour la première composante d'onde optique à l'intérieur du signal de détection hétérodyne, à la seconde fréquence de battement qui est obtenue pour la seconde composante d'onde optique à l'intérieur du même signal de détection hétérodyne, ces première et seconde fréquences de battement étant relatives à un même instant de détection du signal rétrodiffusé, et pour effectuer une analyse d'effet Doppler de façon à déduire une valeur pour la vitesse de déplacement de la cible à partir du résultat de l'addition des première et seconde fréquences de battement. Le dispositif peut alors fournir simultanément des mesures de la distance d'éloignement et de la vitesse de la cible, qui sont relatives à un même instant au cours d'un déplacement de la cible.  In an improvement of a device according to the invention, the analysis means may also be adapted to add the first beat frequency which is obtained for the first optical wave component inside the heterodyne detection signal. at the second beat frequency which is obtained for the second optical wave component within the same heterodyne detection signal, these first and second beat frequencies being relative to the same detection time of the backscattered signal, and to perform a Doppler effect analysis for deriving a value for the target moving speed from the result of adding the first and second beat frequencies. The device can then simultaneously provide measurements of the distance of distance and the speed of the target, which are relative to the same moment during a displacement of the target.
D'autres particularités et avantages de la présente invention apparaîtront dans la description ci-après d'exemples de mise en œuvre non limitatifs, en référence aux dessins annexés, dans lesquels : - les figures 1 a et 1 b montrent deux architectures de dispositifs LIDAR à détection hétérodyne, avec lesquelles l'invention peut être mise en œuvre ; Other features and advantages of the present invention will emerge in the following description of nonlimiting exemplary embodiments, with reference to the appended drawings, in which: FIGS. 1a and 1b show two architectures of LIDAR devices with heterodyne detection, with which the invention can be implemented;
- les figures 2a et 2b illustrent deux compositions possibles pour un signal d'émission LIDAR adapté selon l'invention ; et  FIGS. 2a and 2b illustrate two possible compositions for a suitable LIDAR transmission signal according to the invention; and
- les figures 3a et 3b illustrent deux modes de réalisation d'un modulateur de fréquence pouvant être utilisé alternativement dans chaque architecture des figures 1 a et 1 b.  FIGS. 3a and 3b illustrate two embodiments of a frequency modulator that can be used alternately in each architecture of FIGS. 1a and 1b.
Dans les figures 1 a et 1 b, des éléments qui sont désignés par des références identiques sont eux-mêmes identiques ou ont des fonctions qui sont identiques. En outre, les références suivantes désignent les composants qui sont indiqués ci-après, et qui sont utilisés de la même façon que dans un dispositif LIDAR à détection hétérodyne, de type monostatique, tel que connu avant la présente invention : 100 : le dispositif LIDAR à détection hétérodyne dans son ensemble ; In Figures 1a and 1b, elements that are designated by identical references are themselves identical or have functions that are identical. In addition, the following references denote the components which are indicated below, and which are used in the same way as in a heterodyne detection LIDAR device, of the monostatic type, as known before the present invention: 100: the LIDAR device with heterodyne detection as a whole;
1 : un oscillateur laser, qui est adapté pour produire une onde optique OL ; 1: a laser oscillator, which is adapted to produce an optical wave OL;
2 : un séparateur optique, qui est disposé pour diviser l'onde optique OL en un signal de source d'émission SSE et un signal de référence SRef ; 3 : un amplificateur optique, qui est adapté pour produire un signal d'émission SE à partir du signal de source d'émission SSE ; 2: an optical splitter, which is arranged to divide the optical wave OL into a transmission source signal SSE and a reference signal SR e f; 3: an optical amplifier, which is adapted to produce an emission signal SE from the source signal SSE;
1 1 : une unité de mélange-détection («mixing and détection unit») ;  1 1: a mixing-detection unit ("mixing and detection unit");
12 : une tête optique, qui est adaptée pour transmettre le signal d'émission SE en direction d'une cible et pour recevoir un signal rétrodiffusé R ; et  12: an optical head, which is adapted to transmit the transmission signal SE towards a target and to receive a backscattered signal R; and
20 : des moyens d'analyse.  20: analysis means.
En outre, T désigne la cible dont la distance d'éloignement D par rapport à la tête optique 12 doit être mesurée, ainsi que sa vitesse radiale V, éventuellement. La direction qui relie la tête optique 12 à la cible T est la direction de pointage du dispositif 100. On entend alors par vitesse radiale V de la cible T la composante de la vitesse de cette cible qui est parallèle à la direction de pointage. In addition, T designates the target whose distance of distance D with respect to the optical head 12 must be measured, as well as its radial velocity V, possibly. The direction which connects the optical head 12 to the target T is the pointing direction of the device 100. By radial velocity V the target T the component of the speed of this target which is parallel to the pointing direction.
L'oscillateur laser 1 , le séparateur optique 2 et l'amplificateur 3 peuvent appartenir à une unité laser d'émission 10, qui produit le signal d'émission SE. De façon connue et particulièrement avantageuse, chacun de ces composants peut être réalisé à partir d'au moins une fibre optique qui conduit l'onde optique OL ou les signaux SSE, SRef ou SE. De façon courante, l'onde optique OL et les signaux SSE, SRef et SE appartiennent à la bande de rayonnement électromagnétique infrarouge, pour laquelle la longueur d'onde est comprise entre 1 ,535 μιτι et 1 ,565 μιτι (micromètre). The laser oscillator 1, the optical separator 2 and the amplifier 3 may belong to a transmission laser unit 10, which produces the transmission signal SE. In a known and particularly advantageous manner, each of these components can be made from at least one optical fiber which conducts the optical wave OL or the signals SSE, SR e f or SE. Currently, the optical wave OL and the signals SSE, SR e f and SE belong to the infrared electromagnetic radiation band, for which the wavelength is between 1.535 μιτι and 1.565 μιτι (micrometer). .
L'unité de mélange-détection 1 1 est adaptée pour transmettre le signal d'émission SE à la tête optique 12, et pour produire un signal de détection hétérodyne SRF à partir du signal rétrodiffusé R qui est reçu par la tête optique 12 et du signal de référence SRef.  The mixing-detecting unit 11 is adapted to transmit the transmission signal SE to the optical head 12, and to produce a heterodyne detection signal SRF from the backscattered signal R which is received by the optical head 12 and the reference signal SRef.
Les moyens d'analyse 20 sont adaptés pour analyser le signal de détection hétérodyne SRF. D'une façon qui est couramment utilisée, ces moyens d'analyse 20 réalisent une combinaison d'opérations de filtrage, de composition de signaux, d'analyse spectrale, ainsi qu'une analyse d'effet Doppler, à partir du signal de détection hétérodyne SRF.  The analysis means 20 are adapted to analyze the heterodyne detection signal SRF. In a manner that is commonly used, these analysis means 20 perform a combination of filtering operations, signal composition, spectral analysis, as well as a Doppler effect analysis, from the detection signal. heterodyne SRF.
Le dispositif 100 peut comprendre aussi d'autres composants, d'une façon qui est usuelle pour des dispositifs LIDAR à détection hétérodyne. De tels composants ne sont pas repris dans la présente description, dans la mesure où ils n'ont pas de liaison directe avec l'objet de l'invention.  The device 100 may also include other components, in a manner that is customary for heterodyne detection LIDAR devices. Such components are not included in the present description, insofar as they have no direct connection with the object of the invention.
En plus des composants précédents, un dispositif 100 selon l'invention comprend : In addition to the foregoing components, a device 100 according to the invention comprises:
- un modulateur de fréquence 4, pour moduler au moins le signal de source d'émission SSE ; et  a frequency modulator 4 for modulating at least the SSE emission source signal; and
- une unité de commande 40, pour commander un fonctionnement du modulateur de fréquence 4.  a control unit 40 for controlling an operation of the frequency modulator 4.
Dans le dispositif 100 de la figure 1 a, le modulateur 4 est disposé pour recevoir en entrée le signal de source d'émission SSE qui est produit par le séparateur optique 2, et pour transmettre en sortie le signal de source d'émission modulé à l'amplificateur optique 3. Autrement dit, le modulateur 4 est situé entre le séparateur 2 et l'amplificateur 3. Dans ce premier cas, seul le signal de source d'émission SSE comporte la modulation de fréquence qui est produite par le modulateur 4. In the device 100 of FIG. 1a, the modulator 4 is arranged to receive as input the SSE emission source signal which is produced by the optical separator 2, and for outputting the modulated emission source signal to the optical amplifier 3. In other words, the modulator 4 is located between the separator 2 and the amplifier 3. In this first case, only the signal SSE emission source comprises the frequency modulation that is produced by the modulator 4.
Dans le dispositif alternatif 100 de la figure 1 b, le modulateur 4 est disposé pour recevoir en entrée l'onde optique OL qui est produite par l'oscillateur laser 1 , et pour transmettre en sortie cette onde optique modulée au séparateur optique 2. Autrement dit, le modulateur 4 est situé entre le l'oscillateur laser 1 et le séparateur 2. Dans ce second cas, le signal de source d'émission SSE et le signal de référence SRef sont modulés d'une façon identique. In the alternative device 100 of FIG. 1b, the modulator 4 is arranged to receive as input the optical wave OL which is produced by the laser oscillator 1, and to output this modulated optical wave to the optical separator 2. Otherwise said, the modulator 4 is located between the laser oscillator 1 and the separator 2. In this second case, the emission source signal SSE and the reference signal SR ef are modulated in an identical manner.
Les deux dispositifs 100 des figures 1 a et 1 b sont équivalents vis-à-vis de l'invention, si bien que toutes les mises en œuvre de l'invention qui sont décrites dans la suite peuvent utiliser indifféremment l'un ou l'autre de ces dispositifs.  The two devices 100 of FIGS. 1a and 1b are equivalent to the invention, so that all the implementations of the invention which are described below can use either one or the other of these devices.
Le modulateur 4 produit la modulation temporelle du signal de source d'émission SSE qui est illustrée par la figure 2a. Cette modulation génère deux composantes à l'intérieur du signal SSE, qui sont appelées composantes d'onde optique et notées respectivement SSEï et SSE2. Chacune de ces composantes est elle-même modulée en fréquence à l'intérieur de périodes temporelles successives. Dans le diagramme de la figure 2a, l'axe des abscisses repère le temps t, et l'axe des ordonnées repère la fréquence instantanée f de chaque composante. La fréquence de la première composante SSEï croît continûment à l'intérieur de chaque période temporelle Wi, et la fréquence de la seconde composante SSE2 décroît continûment à l'intérieur de chaque période temporelle W2. De façon générale pour l'invention, il n'est pas nécessaire que les périodes Wi et W2 aient des durées qui soient identiques ou soient synchrones. De même, les variations de la fréquence de chaque composante SSEï ou SSE2 peuvent être quelconques dans chaque période, à condition que la fréquence soit croissante pour la première composante SSEï et décroissante pour la seconde composante SSE2. Les variations de la fréquence de la composante SSEï à l'intérieur de chaque période Wi sont alors appelées segments de croissance continue et notés Afm0CM , et celles de la composante SSE2 à l'intérieur de chaque période W2 segments de décroissance continue et notés Afm0Ci 2- Du fait de ces sens de variations différents, les variations de la fréquence de la composante SSEï sont toujours différentes de celles de la fréquence de la composante SSE2, entre deux instants qui appartiennent à la fois à une même période Wi et à une même période W2. The modulator 4 produces the temporal modulation of the SSE emission source signal which is illustrated in FIG. 2a. This modulation generates two components inside the SSE signal, which are called optical wave components and noted respectively SSE1 and SSE 2 . Each of these components is itself modulated in frequency within successive time periods. In the diagram of Figure 2a, the abscissa axis identifies the time t, and the ordinate axis locates the instantaneous frequency f of each component. The frequency of the first SSEI component increases continuously within each time period Wi, and the frequency of the second SSE component 2 decreases continuously within each time period W 2 . In general, for the invention, it is not necessary for the periods Wi and W 2 to have durations that are identical or synchronous. Similarly, changes in the frequency of each SSEI or SSE component 2 may be any in each period, provided that the frequency is increased for the first SSEI and decreasing component to the second component 2 SSE. Variations of the frequency of the SSEI component within each Wi period are then called continuous growth segments and denoted Af m0C M, and those of the SSE component 2 within each period W 2 continuous decay segments and denoted Af m0C Due to these different directions of variation, the variations in the frequency of the SSEI component are always different from those of the frequency of the SSE component 2 , between two instants which belong to both the same period Wi and the same period W 2 .
Pour une raison qui sera expliquée plus loin, les variations de fréquence de la composante SSEï peuvent avantageusement démarrer à partir d'une première fréquence foi au début de chaque période Wi, et celles de la composante SSE2 à partir d'une seconde fréquence fo2 au début de chaque période W2, f0i étant supérieure à fo2 d'un écart fixé Δί0 : foi - ½ = Δί0. For a reason which will be explained below, the SBS ï frequency component variations can advantageously start from a first frequency faith at the beginning of each period Wi, and those of the SBS component 2 from a second frequency fo 2 at the beginning of each period W 2 , f 0 i being greater than fo 2 by a fixed distance Δί 0 : faith - ½ = Δί 0 .
La figure 2b correspond à la figure 2a pour un mode préféré de mise en œuvre de l'invention. Dans ce mode de mise en œuvre, les deux composantes SSEï et SSE2 ont des variations de fréquence respectives qui sont opposées, synchrones et linéaires à l'intérieur de périodes de temps communes W. Autrement dit, la fréquence de la composante SSEï varie selon des rampes croissantes rectilignes, ou linéaires, avec une pente positive qui est notée Km0Ci, et la fréquence de la composante SSE2 varie simultanément selon des rampes décroissantes rectilignes de pente -Km0Ci. A titre d'exemple, la période W peut être de l'ordre de quelques millisecondes lorsque le modulateur 4 est de type électro-optique. L'écart de fréquence optique Af0 peut être de l'ordre de 1 GHz (gigahertz). Figure 2b corresponds to Figure 2a for a preferred embodiment of the invention. In this embodiment, the two components SSE1 and SSE 2 have respective frequency variations which are opposite, synchronous and linear within common time periods W. In other words, the frequency of the SSE1 component varies according to rectilinear, or linear, increasing ramps with a positive slope which is denoted by K m0C i, and the frequency of the SSE component 2 simultaneously varies according to linear decreasing ramps of slope -K m0C i. By way of example, the period W may be of the order of a few milliseconds when the modulator 4 is of the electro-optical type. The optical frequency difference Af 0 may be of the order of 1 GHz (gigahertz).
Pour réaliser de telles modulations du signal de source d'émission To realize such modulations of the emission source signal
SSE, qui soient conformes à la figure 2a ou 2b, le modulateur de fréquence 4 peut être réalisé en utilisant un modulateur d'intensité ou un modulateur de phase. SSE, which are in accordance with Figure 2a or 2b, the frequency modulator 4 can be achieved using an intensity modulator or a phase modulator.
La figure 3a illustre une réalisation du modulateur de fréquence 4 à partir d'un modulateur d'intensité électro-optique. Un tel modulateur d'intensité peut comprendre deux cellules de Pockels 41 et 42 qui sont connectées optiquement en parallèle, de façon à recevoir chacune environ la moitié de l'intensité du signal de source d'émission SSE dans le cas d'un dispositif 100 qui est conforme à la figure 1 a, ou la moitié environ de l'intensité de l'onde optique OL dans le cas d'un dispositif 100 qui est conforme à la figure 1 b. De façon connue, une cellule de Pockels produit un champ électrique variable à l'intérieur d'un matériau actif qui est adapté pour modifier la phase d'une onde optique en fonction du champ électrique. Les cellules de Pockels 41 et 42 peuvent être à base de niobate de lithium et sont de préférence identiques. Le modulateur 4 comprend en outre un générateur électrique de signal de modulation 43, qui est connecté à des entrées de commande respectives des deux cellules de Pockels 41 et 42. En outre, les deux cellules 41 et 42 sont orientées de façon que le même signal de modulation qui est produit par le générateur 43 génère des déphasages optiques qui sont opposés entre les deux cellules, à chaque instant d'un fonctionnement du dispositif 100. Par ailleurs, un générateur additionnel de tension continue 44 peut être inséré entre la sortie du générateur 43 et l'une des deux cellules de Pockels, par exemple la cellule 42. Le générateur 43 est commandé par l'unité 40 pour produire une tension sinusoïdale de modulation Vm0Ci dont la phase varie quadratiquement en fonction du temps selon la relation : FIG. 3a illustrates an embodiment of the frequency modulator 4 from an electro-optical intensity modulator. Such intensity modulator may comprise two Pockels cells 41 and 42 which are connected optically in parallel, so as to receive each approximately half of the intensity of the SSE emission source signal in the case of a device 100 which is in accordance with FIG. 1a, or about half of the intensity of the optical wave OL in the case of a device 100 which is in accordance with Figure 1b. In a known manner, a Pockels cell produces a variable electric field inside an active material which is adapted to modify the phase of an optical wave as a function of the electric field. The Pockels cells 41 and 42 may be based on lithium niobate and are preferably identical. The modulator 4 further comprises an electrical modulation signal generator 43, which is connected to respective control inputs of the two Pockels cells 41 and 42. In addition, the two cells 41 and 42 are oriented so that the same signal modulation produced by the generator 43 generates optical phase shifts which are opposed between the two cells, at each instant of an operation of the device 100. Furthermore, an additional DC voltage generator 44 can be inserted between the output of the generator 43 and one of the two Pockels cells, for example the cell 42. The generator 43 is controlled by the unit 40 to produce a sinusoidal modulation voltage V m0C i whose phase varies quadratically with time according to the relation:
Vmod = β Vi rad " COS(TT K t2) (4) en repartant de 0 à chaque début de période W. β est le rapport entre l'amplitude de la tension de modulation et la tension électrique Vi rad qui est nécessaire pour qu'une cellule de Pockels change de 1 radian la phase de la partie d'onde optique qui la traverse. D'une façon superposée au déphasage variable d'onde optique qui est produit par le générateur 43, le générateur 44 produit un déphasage supplémentaire constant a, entre les ondes qui traversent respectivement les deux cellules 41 et 42. De façon connue, le développement en série de Bessel du champ total de l'onde optique à la sortie S du modulateur 4, après la superposition des parties d'onde qui ont traversé respectivement les cellules 41 et 42, montre que l'onde optique résultante possède la forme à deux composantes de la figure 2b, pour le couple de valeurs a = 0 et β = 2,4048 avec la pente Km0d = 2 x K, ou pour le couple de valeurs α = π et β = 1 ,8412 avec la pente Km0d = K. Dans la pratique, le second de ces couples de valeurs pour a et β est préféré, car la modulation de l'onde optique qui est obtenue est alors moins sensible à des fluctuations de paramètres du modulateur. V mod = β Vi rad "COS (TT K t 2 ) (4) starting from 0 at the beginning of the period W. β is the ratio between the amplitude of the modulation voltage and the voltage Vi ra d which is necessary for a Pockels cell to change the phase of the optical wave portion passing through it by 1 radian In a manner superimposed on the variable optical wave phase shift that is produced by the generator 43, the generator 44 produces a constant additional phase shift a, between the waves which respectively pass through the two cells 41 and 42. In known manner, the Bessel series development of the total field of the optical wave at the output S of the modulator 4, after the superposition of the parts of the wave which have passed through the cells 41 and 42 respectively, shows that the resulting optical wave has the two-component form of FIG. 2b, for the pair of values a = 0 and β = 2.4048 with the slope K m0 d = 2 x K, or for the pair of values α = π and β = 1, 8 412 with the slope K m0 d = K. In practice, the second of these pairs of values for a and β is preferred because the modulation of the wave The optical gain obtained is then less sensitive to modulator parameter fluctuations.
L'Homme du métier sait en outre comment modifier la relation (4) de la tension de modulation pour introduire l'écart Δί0 entre les valeurs de départ des rampes respectives de modulation de fréquence des deux composantes SSEï et SSE2. Those skilled in the art also know how to modify the relation (4) of the modulation voltage to introduce the difference Δί 0 between the starting values of the respective frequency modulation ramps of the two components SSE1 and SSE 2 .
Les inventeurs signalent toutefois qu'il est préférable que l'écart entre les fréquences respectives des deux composantes SSEï et SSE2 soit supérieur à l'inverse d'un temps de réaction de l'amplificateur 3. De cette façon, l'amplification du signal de source d'émission ne génère pas de distorsion du signal d'émission SE. The inventors report, however, that it is preferable that the difference between the respective frequencies of the two components SSE 1 and SSE 2 be greater than the inverse of a reaction time of the amplifier 3. In this way, the amplification of the transmission source signal does not generate distortion of the transmission signal SE.
La figure 3b illustre une réalisation du modulateur de fréquence 4 à partir d'un modulateur de phase électro-optique. Un tel modulateur de phase est adapté pour produire une modulation de fréquence d'une onde optique conformément à un signal de commande qui est périodique à deux états. Il peut comprendre une cellule de Pockels 45 qui est connectée pour recevoir en entrée le signal de source d'émission SSE (figure 1 a) ou l'onde optique OL (figure 1 b). Le modulateur 4 comprend alors un générateur électrique de signal de modulation 46 qui est connecté à une entrée de commande de la cellule 45. Lorsque le générateur 46 est commandé par l'unité 40 pour produire le signal de commande périodique à deux états, correspondant respectivement aux valeurs de tension électrique Vn 2 et V-TT/2, et avec une fréquence de commutation qui varie elle-même linéairement en fonction du temps, l'onde optique modulée possède encore la forme à deux composantes de la figure 2b. Dans ce signal de commande, les valeurs Vn 2 et V-TT 2 sont sélectionnées pour que la cellule de Pockels 45 produise des variations égales à ττ/2 et -π/2, respectivement, de la phase de l'onde optique qui la traverse. FIG. 3b illustrates an embodiment of the frequency modulator 4 from an electro-optical phase modulator. Such a phase modulator is adapted to produce a frequency modulation of an optical wave according to a control signal which is periodic two-state. It may comprise a Pockels cell 45 which is connected to receive as input the SSE emission source signal (FIG. 1a) or the OL optical waveform (FIG. 1b). The modulator 4 then comprises a modulation signal electrical generator 46 which is connected to a control input of the cell 45. When the generator 46 is controlled by the unit 40 to produce the two-state periodic control signal corresponding respectively to at the voltage values V n 2 and V- TT / 2 , and with a switching frequency that itself varies linearly with time, the modulated optical wave still has the two-component form of Figure 2b. In this control signal, the values V n 2 and V -TT 2 are selected so that the Pockels cell 45 produces variations equal to ττ / 2 and -π / 2, respectively, of the phase of the optical wave which the crossing.
Lorsque le signal de source d'émission SSE est constitué des deux composantes SSEï et SSE2, le signal de détection hétérodyne SRF, qui est transmis par l'unité de détection 1 1 aux moyens d'analyse 20, comprend des termes de superposition de chaque composante rétrodiffusée avec le signal de référence SRef utilisé. Ces termes présentent une fréquence de battement qui est égale à la différence entre les fréquences des ondes optiques qui sont superposées. Ainsi, pour un dispositif 100 qui est conforme à la figure 1 a, c'est- à-dire lorsque l'onde de référence SRef n'est pas elle-même modulée, la fréquence de celle-ci est f0, et les fréquences des deux composantes d'onde optique SSEï et SSE2 rétrodiff usées par la cible T sont : f 1 = fo + Afmod 1 (t - 2 D/C) + Afooppier (5a) f 2 = fo + Δί mod 2(t - 2 D/C) + Af Doppler (5b) où Afmod 1 et Afm0d 2 sont les deux fonctions de modulation continues, croissante et décroissante par segments respectivement pour les composantes d'onde optique SSEï et SSE2. La première fréquence de battement mesurée pour la composante SSEï est alors : When the emission source signal SSE consists of the two components SSE 1 and SSE 2 , the heterodyne detection signal SRF, which is transmitted by the detection unit 11 to the analysis means 20, comprises superimposition terms of each component backscattered with the reference signal SR ef used. These terms have a beat frequency that is equal to the difference between the frequencies of the optical waves that are superimposed. Thus, for a device 100 which is in accordance with FIG. 1a, that is to say when the reference wave SR e f is not itself modulated, the frequency thereof is f 0 , and the frequencies of the two optical wave components SSE1 and SSE 2 retrodiff used by the target T are: f 1 = fo + Af m od 1 (t - 2 D / C) + Afooppier (5a) f 2 = fo + Δί mod 2 (t - 2 D / C) + Af Doppler (5b) where Afmod 1 and Af m0 d 2 are the two continuous modulation functions, increasing and decreasing in segments respectively for the optical wave components SSE1 and SSE 2 . The first beat frequency measured for the SSEI component is then:
Afi = f 1 - f o = foi - fo + Afmod i(t - 2 D/C) + AfDoppier (6a) et la seconde fréquence de battement, qui est mesurée pour la composante SSE2, est : Af2 = f2 - f0 = ½ " fo + Afmod 2(t - 2" D/C) + Af Doppler (6b)Afi = f 1 - fo = faith - fo + Af m od i (t - 2 D / C) + Af Do ppier (6a) and the second beat frequency, which is measured for SSE component 2 , is: Af 2 = f 2 - f 0 = ½ "fo + Afmod 2 (t - 2" D / C) + Af Doppler (6b)
Grâce au procédé de l'invention, les valeurs de la distance d'éloignement D de la cible T et du décalage Doppler AfDoppier sont rigoureusement les mêmes dans les deux relations (6a) et (6b), puisque ces valeurs se rapportent à des signaux de détection qui sont simultanés. Thanks to the method of the invention, the values of the distance of distance D of the target T and the Doppler shift Af Do ppier are strictly the same in the two relations (6a) and (6b), since these values relate to detection signals that are simultaneous.
Lors d'une combinaison par les moyens d'analyse 20 des deux battements de détection hétérodyne qui ont les fréquences données par les relations (6a) et (6b), les fréquences suivantes apparaissent par soustraction et par addition, en supposant que fo est égale à la moyenne de foi et f02 : During a combination by the analysis means 20 of the two heterodyne detection beats which have the frequencies given by the relations (6a) and (6b), the following frequencies appear by subtraction and by addition, assuming that fo is equal to the average faith and f 02 :
Afi - Af2 = Af0 + [Afmod 1 - Afmod 2](t - 2-D/C) (7a) Afi + Af2 = [Afmod 1 + Afmod 2](t - 2" D/C) + 2 "Af Doppler (7b)Afi - Af 2 = Af 0 + [Af mod 1 - Af mod 2 ] (t - 2 - D / C) (7a) Afi + Af 2 = [Afmod 1 + Afmod 2 ] (t - 2 "D / C) + 2 "Af Doppler (7b)
Les composantes de signal qui ont respectivement la fréquence Afi - Af2 et la fréquence Afi + Af2 peuvent facilement être séparées par filtrage fréquentiel, grâce à la présence du terme Af0 dans la relation (7a). The signal components which respectively have the frequency Afi-Af 2 and the frequency Afi + Af 2 can easily be separated by frequency filtering, thanks to the presence of the term Af 0 in the relation (7a).
Dans ce cas de la figure 1 a, avec la fonction composite [Afmod 1 - Afmod 2] qui n'est pas nécessairement linéaire mais qui est néanmoins connue, l'Homme du métier sait déduire de la relation (7a) une mesure de la distance d'éloignement D. En effet, il est possible notamment de comprimer temporellement la composante du signal de combinaison qui correspond à la soustraction des fréquences de battement Δίι et Δί2, en utilisant la technique bien connue de la compression d'impulsions. Une telle compression d'impulsions est réalisée usuellement en utilisant un filtre adapté, c'est-à-dire en filtrant la composante du signal qui correspond à la fréquence Δίι - Δί2 avec une réplique renversée temporellement de cette même composante. La réplique renversée temporellement possède une fréquence instantanée qui est égale à [Afm0d 1 - Afm0d 2](-t). Ce type de filtrage remet en phase les composantes spectrales du signal en entrée de filtre, si bien que la réponse temporelle du signal en sortie de filtre est comprimée jusqu'à atteindre la limite de Fourrier. Ainsi, la cible T apparaît alors dans le signal filtré comme si le signal d'émission LIDAR avait été produit par un laser à fonctionnement par impulsions, dont la durée des impulsions est égale à l'inverse de l'excursion en fréquence de la fonction composite [Afm0d i - Afm0d 2] - La réponse temporelle ainsi comprimée permet, en mesurant le retard de propagation, d'obtenir une valeur pour la distance d'éloignement D de la cible T. In this case of Figure 1a, with the composite function [Afmod 1 - Afmod 2] which is not necessarily linear but which is nevertheless Known, the skilled person can deduce from the relation (7a) a measure of the distance of distance D. Indeed, it is possible in particular to compress temporally the component of the combination signal which corresponds to the subtraction of beat frequencies Δίι and Δί 2 , using the well-known technique of pulse compression. Such pulse compression is usually carried out using a matched filter, that is to say by filtering the component of the signal corresponding to the frequency Δίι - Δί 2 with a replica reversed temporally of this same component. The temporally reversed replica has an instantaneous frequency which is equal to [Af m0 d 1 - Af m0 d 2] (- t). This type of filtering reshapes the spectral components of the signal at the input of the filter, so that the temporal response of the signal at the filter output is compressed until reaching the Fourier limit. Thus, the target T appears in the filtered signal as if the LIDAR transmission signal had been produced by a pulse-operated laser whose pulse duration is equal to the inverse of the frequency shift of the function. composite [Af m0 di - Af m0 d 2] - The temporal response thus compressed makes it possible, by measuring the propagation delay, to obtain a value for the distance D away from the target T.
Pour un dispositif 100 qui est conforme à la figure 1 b, l'onde de référence SRef comporte elle-même les deux composantes SSEï et SSE2. Dans ce cas, la première fréquence de battement résulte de la superposition de la composante SSEï telle qu'émise avec la même composante SSEï rétrodiffusée par la cible T puis reçue par la tête optique 12. Cette première fréquence de battement est alors : Afi = Afmod i(t - 2-D/C) - Afmod i(t) + Afooppier (6a')For a device 100 which corresponds to FIG. 1 b, the reference wave SR e f itself comprises the two components SSE 1 and SSE 2 . In this case, the first beat frequency results from the superposition of the SSE1 component as emitted with the same component SSE1 backscattered by the target T and then received by the optical head 12. This first beat frequency is then: Afi = Af m od i (t - 2 - D / C) - Af m od i (t) + Afooppier (6a ')
De même, la seconde fréquence de battement résulte de la superposition de la composante SSE2 telle qu'émise avec la même composante SSE2 rétrodiffusée par la cible T puis reçue par la tête optique 12 : Similarly, the second beat frequency results from the superposition of the SSE component 2 as emitted with the same SSE component 2 backscattered by the target T then received by the optical head 12:
Af2 = Afmod 2(t - 2-D/C) - Afmod 2(t) + Afooppler (6b') Comme précédemment, les valeurs de la distance d'éloignement D et du décalage Doppler AfDoppier qui interviennent dans la relation (6a') sont rigoureusement égales à celles qui interviennent dans la relation (6b'), puisque ces valeurs se rapportent à des instants de détection qui sont identiques pour les deux composantes d'onde optique SSEï et SSE2, grâce à l'invention. Af 2 = Af m od 2 (t-2-D / C) - Af m od 2 (t) + Afooppler (6b ') As previously, the values of the distance of distance D and the Doppler shift Af Do ppier which intervene in the relation (6a ') are strictly equal to those which intervene in the relation (6b'), since these values relate to detection times which are identical for the two optical wave components SSE1 and SSE 2 , thanks to the invention.
Des termes additionnels apparaissent en outre dans le signal de détection hétérodyne SRF pour ce second cas conforme à la figure 1 b, qui correspondent à la superposition de la composante SSEï telle qu'émise par la tête optique 12 avec la composante SSE2 telle que rétrodiffusée puis reçue, ainsi qu'à la superposition de la composante SSE2 telle qu'émise par la tête optique 12 avec la composante SSEï telle que rétrodiffusée puis reçue. Mais ces termes ont une fréquence de battement qui est proche de Δί0, et sont éliminés par filtrage fréquentiel. Additional terms appear further in the heterodyne detection signal SRF for this second case according to Figure 1b, which correspond to the superposition of the SSE1 component as emitted by the optical head 12 with the SSE component 2 as backscattered then received, and the superposition of the SSE component 2 as emitted by the optical head 12 with the component SSE1 as backscattered and then received. But these terms have a beat frequency that is close to Δί 0 , and are eliminated by frequency filtering.
Les relations (7a) et (7b) deviennent alors dans le cas de la figure 1 b : Relations (7a) and (7b) then become in the case of Figure 1b:
Δίι - Δί2 = [Afmod 1 - Afmod 2](t - 2-D/C) - [Afmod 1 - Afmod 2](t) (7a')Δίι - Δί 2 = [Af mod 1 - Af mod 2 ] (t - 2 - D / C) - [Af mod 1 - Af mod 2 ] (t) (7a ')
Δίι + Δί2 = [Afmod 1 + Afmod 2](t - 2-D/C) - [Afmod 1 + Afmod 2](t) + 2-AfDoppier (7b')Δίι + Δί 2 = [Af mod 1 + Af mod 2 ] (t-2-D / C) - [Af mod 1 + Af mod 2 ] (t) + 2-Af Do pp (7b ')
Lorsque les deux fonctions de modulation Afmod i et Afmod 2 sont linéaires, le résultat de l'opération de soustraction des fréquences de battement selon la relation (7a') est une fonction linéaire de la distance d'éloignement D. Il fournit donc directement une mesure de la distance D. When the two modulation functions Af mod i and Af mod 2 are linear, the result of the operation of subtraction of the beat frequencies according to the relation (7a ') is a linear function of the distance of distance D. It thus provides directly a measure of the distance D.
De façon générale, étant donné que les fonctions de modulation Afmod 1 et Afmod 2 sont respectivement croissante et décroissante, leur différence dans les relations (7a) et (7a') n'est jamais constamment nulle. In general, since the modulation functions Af mod 1 and Af mod 2 are respectively increasing and decreasing, their difference in the relations (7a) and (7a ') is never constantly zero.
Selon un perfectionnement de l'invention, le résultat de l'opération d'addition des fréquences de battement selon la relation (7b) ou (7b') fournit une mesure du décalage fréquentiel par effet Doppler AfDoppier- Par exemple, lorsque les deux fonctions de modulation Afmod i et Afmod 2 sont opposées, le résultat de l'opération d'addition des fréquences de battement selon la relation (7b) ou (7b') est directement égal au double du décalage fréquentiel par effet Doppler AfDoppier- Une analyse de ce décalage, effectuée d'une des façons connues de l'Homme du métier, fournit alors une mesure de la vitesse d'éloignement V de la cible T. According to an improvement of the invention, the result of the operation of adding the beat frequencies according to the relation (7b) or (7b ') provides a measurement of the frequency shift by Doppler effect Af Do ppier- For example, when the two modulation functions Af mod i and Af mod 2 are opposite, the result of the operation of adding the beat frequencies according to the relation (7b) or (7b ') is directly equal to twice the frequency shift by Doppler effect Af do ppier- an analysis of this shift, performed one of the ways known to the skilled person then provides a measure of the removal speed V of the target T.
II est entendu que l'invention peut être reproduite en modifiant des aspects de mise en œuvre par rapport à la description détaillée donnée ci- dessus, tout en conservant certains au moins des avantages qui ont été mentionnés. En particulier, le modulateur d'onde optique de type électrooptique peut être remplacé par un modulateur de type acousto-optique. De façon connue, un tel modulateur acousto-optique peut être constitué d'un réseau d'indice de réfraction dont les caractéristiques sont variées en utilisant une commande d'élément piézoélectrique. It is understood that the invention may be reproduced by modifying aspects of implementation in relation to the detailed description given below. above, while retaining some of the benefits that have been mentioned. In particular, the optical wave modulator of the electro-optical type can be replaced by an acousto-optical type modulator. In known manner, such an acousto-optic modulator may consist of a refractive index grating whose characteristics are varied using a piezoelectric element control.

Claims

R E V E N D I C A T I O N S
1 . Procédé de mesure télémétrique utilisant un dispositif de type1. Telemetric measurement method using a device of the type
LIDAR à détection hétérodyne (100), dans lequel un signal d'émission d'onde optique (SE) est produit en direction d'une cible (T) à partir d'une tête optique (12) dudit dispositif, et un signal rétrodiffusé (R) provenant de la cible est recueilli par ladite tête optique, puis détecté par détection hétérodyne de façon à produire un signal de détection hétérodyne (SRF), Heterodyne detection LIDAR (100), wherein an optical wave emission signal (SE) is produced towards a target (T) from an optical head (12) of said device, and a backscattered signal (R) from the target is collected by said optical head and then detected by heterodyne detection to produce a heterodyne detection signal (SRF),
ledit procédé comprenant les étapes suivantes : said method comprising the following steps:
IM produire une modulation de fréquence de l'onde optique dans le signal d'émission (SE), ladite modulation comprenant des segments de croissance continue et des segments de décroissance continue de la fréquence ;  IM producing a frequency modulation of the optical wave in the transmit signal (SE), said modulation comprising continuous growth segments and continuous decay segments of the frequency;
121 soustraire l'une à l'autre deux fréquences de battement du signal de détection hétérodyne (SRF) obtenues respectivement pour ledit segment de croissance et ledit segment de décroissance ; et  Subtracting from each other two beat frequencies of the heterodyne detection signal (SRF) respectively obtained for said growth segment and said decay segment; and
13/ déduire une valeur d'une distance d'éloignement (D) de la cible, à partir d'un résultat de la soustraction des fréquences de battement, le procédé étant caractérisé en ce que l'étape IM est exécutée de sorte que le signal d'émission (SE) possède simultanément deux composantes d'onde optique, une première des dites composantes d'onde optique (SSEï) étant modulée en fréquence selon les segments de croissance continue en même temps qu'une seconde desdites composantes d'onde optique (SSE2) est modulée en fréquence selon les segments de décroissance continue, et l'étape 121 est exécutée en soustrayant une première fréquence de battement obtenue pour la première composante d'onde optique (SSEï) à l'intérieur du signal de détection hétérodyne (SRF), à une seconde fréquence de battement obtenue pour la seconde composante d'onde optique (SSE2) à l'intérieur dudit signal de détection hétérodyne (SRF), lesdites première et seconde fréquences de battement étant relatives à un même instant de détection du signal rétrodiffusé (R). 13 / deriving a value of a distance (D) away from the target, from a result of the subtraction of the beat frequencies, the method being characterized in that the step IM is executed so that the emission signal (SE) simultaneously has two optical wave components, a first of said optical wave components (SSE1) being frequency-modulated according to the continuous growth segments together with a second of said wave components optical (SSE 2 ) is frequency modulated according to the continuous decay segments, and step 121 is performed by subtracting a first beat frequency obtained for the first optical wave component (SSE1) within the detection signal heterodyne (SRF), at a second beat frequency obtained for the second optical wave component (SSE 2 ) within said heterodyne detection signal (SRF), said first and second frequencies of e beat being relative to the same time of detection of the backscattered signal (R).
2. Procédé selon la revendication 1 , suivant lequel les variations de fréquence dans les segments de croissance continue pour la première composante d'onde optique (SSEï) du signal d'émission (SE) sont opposées aux variations de fréquence dans les segments de décroissance continue pour la seconde composante d'onde optique (SSE2) dudit signal d'émission. The method according to claim 1, wherein the frequency variations in the continuous growth segments for the first optical wave component (SSE1) of the transmission signal (SE) are opposite to the frequency variations in the decay segments. continuous for the second optical wave component (SSE 2 ) of said transmission signal.
3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, suivant lequel les segments de croissance continue de la fréquence et les segments de décroissance continue de la fréquence, respectivement pour la première (SSEï) et la seconde (SSE2) composante d'onde optique du signal d'émission (SE), sont des rampes linéaires de pentes constantes. 3. The method of claim 1 or 2, wherein the continuous growth segments of the frequency and the continuous decay segments of the frequency, respectively for the first (SSE1) and second (SSE 2 ) optical wave component of the emission signal (SE), are linear ramps of constant slopes.
4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, suivant lequel les segments de croissance continue de la fréquence et les segments de décroissance continue de la fréquence, respectivement pour la première (SSEï) et la seconde (SSE2) composante d'onde optique du signal d'émission (SE), sont synchrones à chaque instant d'un fonctionnement du dispositif. 4. Method according to any one of claims 1 to 3, wherein the continuous growth segments of the frequency and the continuous decay segments of the frequency, respectively for the first (SSEI) and the second (SSE 2 ) component d optical wave of the transmission signal (SE), are synchronous at each moment of operation of the device.
5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, suivant lequel la fréquence modulée de la première composante d'onde optique (SSEï) est obtenue à l'étape IM en appliquant les segments de croissance continue à partir d'une première fréquence optique initiale (foi), et la fréquence modulée de la seconde composante d'onde optique (SSE2) est obtenue en appliquant les segments de décroissance continue à partir d'une seconde fréquence optique initiale (fo2), ladite première fréquence optique initiale étant supérieure à ladite seconde fréquence optique initiale avec un écart fixé (Δί0). The method according to any one of claims 1 to 4, wherein the modulated frequency of the first optical wave component (SSE1) is obtained at step IM by applying the continuous growth segments from a first initial optical frequency (faith), and the modulated frequency of the second optical wave component (SSE 2 ) is obtained by applying the continuous decay segments from a second initial optical frequency (fo 2 ), said first optical frequency initial value being greater than said second initial optical frequency with a fixed difference (Δί 0 ).
6. Dispositif de type LIDAR à détection hétérodyne (100) adapté pour effectuer des mesures télémétriques, et comprenant : 6. LIDAR device with heterodyne detection (100) adapted to perform telemetric measurements, and comprising:
- un oscillateur laser (1 ), adapté pour produire une onde optique (OL) ; a laser oscillator (1) adapted to produce an optical wave (OL);
- un séparateur optique (2), disposé pour diviser l'onde optique en un signal de source d'émission (SSE) et un signal de référence (SRef) ;an optical splitter (2) arranged to divide the optical wave into a transmission source signal (SSE) and a reference signal (SR e f);
- un amplificateur optique (3), adapté pour produire un signal d'émission (SE) à partir du signal de source d'émission ; - une tête optique (12), adaptée pour transmettre le signal d'émission en direction d'une cible (T) et pour recevoir un signal rétrodiffusé (R) provenant de la cible ; an optical amplifier (3) adapted to produce a transmission signal (SE) from the transmission source signal; an optical head (12) adapted to transmit the transmission signal towards a target (T) and to receive a backscattered signal (R) from the target;
- une unité de mélange-détection (1 1 ), adaptée pour transmettre le signal d'émission à la tête optique, et pour produire un signal de détection hétérodyne (SRF) à partir du signal rétrodiffusé reçu par ladite tête optique et du signal de référence ; et  a mixing-detection unit (1 1), adapted to transmit the transmission signal to the optical head, and to produce a heterodyne detection signal (SRF) from the backscattered signal received by said optical head and the signal of reference; and
- des moyens d'analyse (20) du signal de détection hétérodyne, adaptés pour réaliser un traitement spectral dudit signal de détection hétérodyne,  means for analyzing (20) the heterodyne detection signal, adapted to perform a spectral processing of said heterodyne detection signal,
le dispositif étant caractérisé en ce qu'il comprend en outre : the device being characterized in that it further comprises:
- un modulateur (4) disposé pour moduler en fréquence au moins le signal de source d'émission (SSE) ; et  - a modulator (4) arranged to frequency modulate at least the transmission source signal (SSE); and
- une unité de commande (40), reliée à une entrée de commande du modulateur, et adaptée pour commander un fonctionnement dudit modulateur pour mettre en œuvre un procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes ; et  a control unit (40), connected to a control input of the modulator, and adapted to control an operation of said modulator to implement a method according to any one of the preceding claims; and
les moyens d'analyse (20) étant adaptés pour fournir un résultat de la soustraction de la première fréquence de battement obtenue pour la première composante d'onde optique (SSEï) à l'intérieur du signal de détection hétérodyne (SRF), à la seconde fréquence de battement obtenue pour la seconde composante d'onde optique (SSE2) à l'intérieur dudit signal de détection hétérodyne (SRF), lesdites première et seconde fréquences de battement étant relatives à un même instant de détection du signal rétrodiffusé (R), et pour déduire la valeur de la distance d'éloignement (D) de la cible (T) à partir du résultat de la soustraction des deux fréquences de battement. the analysis means (20) being adapted to provide a result of subtracting the first beat frequency obtained for the first optical wave component (SSE1) within the heterodyne detection signal (SRF), at the second beat frequency obtained for the second optical wave component (SSE 2 ) within said heterodyne detection signal (SRF), said first and second beat frequencies being relative to the same detection time of the backscattered signal (R ), and to deduce the value of the distance (D) away from the target (T) from the result of the subtraction of the two beat frequencies.
7. Dispositif selon la revendication 6, dans lequel les moyens d'analyse7. Device according to claim 6, wherein the analysis means
(20) sont adaptés pour combiner une première partie du signal de détection hétérodyne (SRF) ayant la première fréquence de battement et correspondant à la première composante d'onde optique (SSEï) du signal d'émission (SE), avec une seconde partie dudit signal de détection hétérodyne (SRF) ayant la seconde fréquence de battement et correspondant à la seconde composante d'onde optique (SSE2) dudit signal d'émission (SE), et pour mesurer une différence entre les première et seconde fréquences de battement en tant que fréquence d'un signal résultant de la combinaison. (20) are adapted to combine a first portion of the heterodyne detection signal (SRF) having the first beat frequency and corresponding to the first optical wave component (SSE1) of the transmit signal (SE), with a second portion said heterodyne detection signal (SRF) having the second beat frequency and corresponding to the second optical wave component (SSE 2 ) of said transmission signal (SE), and for measuring a difference between the first and second beat frequencies as a frequency of a signal resulting from the combination.
8. Dispositif selon la revendication 6 ou 7, dans lequel le modulateur8. Device according to claim 6 or 7, wherein the modulator
(4) est un modulateur d'intensité électro-optique. (4) is an electro-optical intensity modulator.
9. Dispositif selon la revendication 8, dans lequel le modulateur d'intensité électro-optique comprend deux cellules de Pockels (41 , 42) connectées optiquement en parallèle, et un générateur électrique de signal de modulation (43) connecté à des entrées de commande respectives des deux cellules de Pockels, et adapté pour produire une tension sinusoïdale de modulation (Vm0d) dont une phase varie quadratiquement en fonction du temps, les dites deux cellules de Pockels étant orientées de façon que le même signal de modulation génère des déphasages optiques qui sont opposés entre les deux cellules, à chaque instant d'un fonctionnement du dispositif (100). The device of claim 8, wherein the electro-optical intensity modulator comprises two Pockels cells (41, 42) optically connected in parallel, and an electrical modulating signal generator (43) connected to control inputs. respective of the two Pockels cells, and adapted to produce a sinusoidal modulation voltage (V m0d ) whose phase varies quadratically with time, said two Pockels cells being oriented so that the same modulation signal generates optical phase shifts which are opposed between the two cells, at each moment of operation of the device (100).
10. Dispositif selon la revendication 6 ou 7, dans lequel le modulateur (4) est un modulateur de phase électro-optique, adapté pour produire une modulation de fréquence d'une onde optique conformément à un signal de commande périodique à deux états. The apparatus of claim 6 or 7, wherein the modulator (4) is an electro-optic phase modulator adapted to produce frequency modulation of an optical wave in accordance with a two-state periodic control signal.
1 1 . Dispositif selon la revendication 10, dans lequel le modulateur de phase électro-optique comprend une cellule de Pockels (45) et un générateur électrique de signal de modulation (46), ledit générateur électrique de signal de modulation étant connecté à une entrée de commande de la cellule de Pockels et adapté pour produire le signal de commande périodique à deux états avec une fréquence de commutation qui varie elle-même linéairement en fonction du temps. 1 1. An apparatus according to claim 10, wherein the electro-optical phase modulator comprises a Pockels cell (45) and an electrical modulation signal generator (46), said modulation signal electrical generator being connected to a control input of the Pockels cell and adapted to produce the two-state periodic control signal with a switching frequency which itself varies linearly with time.
12. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 6 à 1 1 , dans lequel le modulateur (4) est disposé pour recevoir en entrée le signal de source d'émission (SSE) produit par le séparateur optique (2), et pour transmettre en sortie ledit signal de source d'émission modulé à l'amplificateur optique (3). 12. Device according to any one of claims 6 to 11, wherein the modulator (4) is arranged to receive as input the transmission source signal (SSE) produced by the optical separator (2), and to transmit outputting said modulated emission source signal to the optical amplifier (3).
13. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 6 à 1 1 , dans lequel le modulateur (4) est disposé pour recevoir en entrée l'onde optique (OL) produite par l'oscillateur laser (1 ), et pour transmettre en sortie ladite onde optique modulée au séparateur optique (2), de sorte que le signal de source d'émission (SSE) et le signal de référence (SRef) sont modulés d'une façon identique. 13. Device according to any one of claims 6 to 1 1, wherein the modulator (4) is arranged to receive the input optical wave (OL) produced by the laser oscillator (1), and to output said optical wave modulated to the optical separator (2), so that the transmission source signal (SSE) and the reference signal (SR ef ) are modulated in an identical manner.
14. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 6 à 13, dans lequel les moyens d'analyse (20) sont en outre adaptés pour additionner la première fréquence de battement obtenue pour la première composante d'onde optique (SSEï) à l'intérieur du signal de détection hétérodyne (SRF), à la seconde fréquence de battement obtenue pour la seconde composante d'onde optique (SSE2) à l'intérieur dudit signal de détection hétérodyne (SRF), lesdites première et seconde fréquences de battement étant relatives à un même instant de détection du signal rétrodiffusé (R), et pour effectuer une analyse d'effet Doppler de façon à déduire une valeur d'une vitesse de déplacement (V) de la cible (T), à partir d'un résultat de l'addition des première et seconde fréquences de battement. Apparatus according to any one of claims 6 to 13, wherein the analyzing means (20) is further adapted to add the first beat frequency obtained for the first optical wave component (SSE1) to the inside the heterodyne detection signal (SRF), at the second beat frequency obtained for the second optical wave component (SSE 2 ) within said heterodyne detection signal (SRF), said first and second beat frequencies being relating to the same detection time of the backscattered signal (R), and to perform a Doppler effect analysis so as to deduce a value of a displacement speed (V) from the target (T), from a result of the addition of the first and second beat frequencies.
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