WO2019068650A1 - Radar laser pour la detection des debris spatiaux - Google Patents

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WO2019068650A1
WO2019068650A1 PCT/EP2018/076665 EP2018076665W WO2019068650A1 WO 2019068650 A1 WO2019068650 A1 WO 2019068650A1 EP 2018076665 W EP2018076665 W EP 2018076665W WO 2019068650 A1 WO2019068650 A1 WO 2019068650A1
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Gérard MOUROU
Christophe Bonnal
Toshiki Tajima
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Ecole Polytechnique
Centre National D'etudes Spatiales
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    • H01S3/2383—Parallel arrangements

Definitions

  • the present invention relates to laser radars suitable for the detection of space debris and the determination of their orbits.
  • US Pat. No. 8,923,561 describes a method for simulating virtual space debris trajectories and image processing using a motion vector constructed from the simulations.
  • CN application 101929859 discloses a method of detecting space debris using full scan mode cameras.
  • CN application 101916439 discloses a spatial debris detection method based on an image processing method using the Hilbert-Huang transformation.
  • EP 2 894 842 discloses a detection method which relies on image processing with pixel offset correction.
  • A. Braun et al discloses a radar system in which a temporally stretched pulse is sent to a reflective object having two reflective surfaces spatially offset and in which the corresponding echoes are compressed and then directed to a autocorrelation device for knowing the delay between the two echoes. Such a device is not intended to measure the speed of a moving object such as a space debris.
  • the article "Demonstration designs for the remediation of space debris from the International Space Station” (Acta Astronautica 112 (2015) 102-113) describes a system for de-orbiting space debris.
  • the system includes an EUSO (Extreme Universe Space Observatory) telescope with a photon-sensitive detector reflected by debris and a CAN (Coherent Amplification Network) laser system with a single-mode fiber amplifier network.
  • EUSO Extreme Universe Space Observatory
  • CAN Coherent Amplification Network
  • an emission channel for generating a burst of pulses comprising an ultra-short pulse laser driven by an HF oscillator and a device for temporally stretching the pulses and amplifying them,
  • a return channel for receiving the echo of the burst of pulses, comprising an optical compressor for reducing the temporal duration of the pulses and a scanning camera synchronized on the HF oscillator.
  • the invention provides a particularly precise means for knowing the velocity vector of a distant object and thus makes it possible to determine with much greater precision than the methods that have been proposed up to now the orbits of the debris and thus to estimate more precisely the potential danger that these represent vis-à-vis a satellite or any other spacecraft moving in orbit.
  • the invention thus makes it possible to estimate the collision potential of small debris, in particular from 1 mm to 10 cm. These estimates were so far unreliable because of uncertainty about their speeds.
  • the radar includes a telescope on the light return path.
  • This may be for example an EUSO telescope as described in the article "Demonstration designs for the remediation of space debris from the International Space Station" cited above.
  • Ultra-fast pulses are produced by the oscillator.
  • the ultra-short pulse duration of the laser is less than or equal to 1 ⁇ s, more preferably 100 ⁇ s. This makes it possible to increase the detection accuracy, for example to less than 1 mm, over a long distance.
  • the spectrum of the pulses remains constant after the oscillator, all along the temporal stretching, the energy amplification and the temporal compression.
  • the burst of pulses comprises a series of pulses (also called “pulses”) emitted at a frequency greater than or equal to 100 Hz, better at 500 Hz, better still at 1 kHz, for example between 500 Hz and 10 KHz .
  • a repetition rate makes it possible to measure the debris velocity vector with good accuracy.
  • Each pulse preferably comprises an energy level greater than or equal to 0.5 J, better than 1 J.
  • the burst of pulses can be obtained thanks to the technique of ultrashort pulse amplification known as CPA (Chirped pulsing amplification).
  • CPA Chipped pulsing amplification
  • This technique is for example described in the article "Compression of Amplified Chirped Optical Pulses” (Common Opt., 56, 219-221, December 1985).
  • the transmission path preferably comprises a fiber-enhanced amplifying medium, for example a monomode fiber network known as such, encountered especially in CAN lasers, for example such as that described in the article "The future is fiber accelerators" (Nat.Photonics 7 (2013) 258-261, 2013).
  • a fiber-enhanced amplifying medium for example a monomode fiber network known as such, encountered especially in CAN lasers, for example such as that described in the article "The future is fiber accelerators” (Nat.Photonics 7 (2013) 258-261, 2013).
  • the fiber amplifier medium may be configured to allow at least partial ionization of a space debris on which the laser is focused.
  • the frequency of the oscillations of the laser is preferably stabilized by an optical clock. This technique makes it possible to synchronize the camera with the burst ofarries with a precision lower than the ps.
  • the radar may comprise a calculator for calculating, on the basis of a series of echoes received from an orbital object, its orbit and / or shape.
  • the invention also relates to a method for determining the orbit of an object, in particular a space debris, orbiting the earth, comprising the steps of:
  • the method may comprise calculating, from the echo received, the shape of the object.
  • the method may include sending to the object a pulse having a power sufficient to surface ionize the object with the formation of a plasma and analyzing the spectrum of the radiation emitted by the plasma to determine the composition of the the object.
  • a laser having a suitable power is for example described in the article "A spaceborne, pulsed UV laser system for re-entering or nudging LEO debris, and reorbiting GEO debris” (Acta Astronautica 118 (2016) 224-236).
  • the method may include calculating, from the orbit of the previously determined object, a probability of collision with another listed satellite object.
  • the method may include the implementation of an avoidance strategy in case of collision risk higher than a predefined threshold.
  • FIG. schematic and partial an example of radar according to the invention.
  • the laser radar 1 represented in FIG. 1, comprises a transmission channel 10 and a reception channel 20 for processing the echo of the light emitted on a space debris D, so the largest dimension can be less than or equal to 5 mm, or even 1 mm.
  • the invention is not limited to a particular object size, and also covers the determination of the speed of objects having for example a dimension of the order of 10 cm.
  • the laser radar 1 is arranged to generate a burst of light pulses 11, which are sent on the debris D through a telescope 30 which makes it possible to reduce the divergence of the beam.
  • the debris is for example located at a distance of the laser between 100 and 1000 km.
  • the light echoes reflected on the debris D are picked up by the telescope 30 and directed towards the reception channel 20.
  • the laser comprises a laser cavity 13, for example of the mode-locking type, making it possible to generate ultra-short light pulses 14, for example of the order of the ps, in particular of duration between 0.03 and 100 ps, at a rate for example between 1 and 1000 MHz, for example between 10 and 200 MHz, in particular of the order of 100 MHz.
  • These pulses 14 are synchronized with an oscillator which produces a reference signal 15, preferably sinusoidal as illustrated.
  • the energy of each ultrashort pulse 14 before amplification by CPA is for example between the pJ. and the ⁇
  • the pulses 14 are filtered by a device 17 which comprises an electronically controlled shutter, in order to reduce the frequency of the pulses by allowing only one pulse to pass every n pulses, with n being chosen to obtain, for example, a burst 18 where the frequency pulse repetition is of the order of 10 kHz, against 100 MHz upstream of the device 17.
  • a device 17 which comprises an electronically controlled shutter, in order to reduce the frequency of the pulses by allowing only one pulse to pass every n pulses, with n being chosen to obtain, for example, a burst 18 where the frequency pulse repetition is of the order of 10 kHz, against 100 MHz upstream of the device 17.
  • the ultra-short pulses of the burst 18 are temporally stretched with a view to their amplification in a manner known by the CPA technique ("Chirped pulsed amplification"), using a device 16 ("stretcher"), for example a pair of diffraction grating, to obtain a burst 28 of pulses.
  • This burst 28 is amplified in an amplifier 19 to produce the pulses 11 which are directed through the telescope 30 to the debris D which one seeks to know the speed and shape.
  • the temporal stretching of the ultra-short pulses makes it possible to reduce the nonlinear effects during the amplification.
  • the stretching factor is for example between 1000 and 100000.
  • the duration of a pulse is extended from the order of the ps to the order of ns.
  • the gain in amplification will preferably be between 1000 and 10 10 .
  • the amplifier 19 is preferably a fiber amplifier so as to facilitate the cooling of the amplifying medium.
  • Such an amplifier for example used in a CAN laser as described in the article "The future is fiber accelerators" cited above, may comprise a monomode fiber network, for example a number between 1000 and 10000.
  • L amplifier receives as input a signal "seed", for example having a level of energy of the order of ⁇ After amplification in the fiber the signal becomes the order of the mJ. The same operation is performed on all the fibers.
  • the signal is amplified by each fiber of the network and are combined in phase and at the output.
  • the amplifier makes it possible to produce at the output a signal having an energy level of the order of 1 J, while having a relatively high radiation efficiency ("wall-plug efficiency"), for example of the order of 30%.
  • the signal amplified by this phase grating has other useful properties.
  • the amplifier since the amplifier is formed by a network of amplifying fibers, the amplified pulses, all coming from a single pulse, have between them a phase imposed by electro-optical or acousto-optical elements of the network.
  • the wavefront can be modified very rapidly, for example in 1ms or else the temporal shape of the pulse can be changed at will. For example, if the phase difference is zero between the fibers, a pulse with a plane wavefront will be emitted by the network. This wavefront can be modified at will by changing the phase difference between the fibers. This may make the partial vaporisation / ionization of the debris necessary for their elemental analysis more efficient.
  • the telescope can focus the amplified laser beam on the debris until ionization occurs with the formation of a plasma.
  • the spectrum of the radiation emitted by the plasma is characteristic of the elements that constitute the debris.
  • LIBS Laser Induced Breakdown Spectroscopy
  • the radiation emitted by the plasma can be collected by means of an optical fiber connected to a spectrometer coupled to a detector.
  • the telescope 30 comprises an optical fiber adapted to the collection of emitted radiation.
  • the scanning camera 22 of the invention can be used as a detector.
  • another camera eg intensified charge transfer (ICCD) may be used.
  • ICCD intensified charge transfer
  • the laser oscillation in the cavity 13 is controlled by an optical clock according to a known method which consists in separating, by means of a spectral comb, different modes of oscillations of the cavity and in extracting one of the modes using a frequency doubler to generate a harmonic. The two modes are combined to produce a signal, which is used to control all modes of the laser pulse.
  • the principle of an optical clock is for example described in the article "Absolute optical frequency measurement of cesium Dl line with a mode-locked laser "(Phys.Rev.Lett 82, 3568 (1999)).
  • the df / f stability of the laser oscillation frequency is extreme and may be better than 10 -18 .
  • the reception channel 20 comprises a spectral compressor 21, for example a pair of diffraction gratings, which is in phase conjugation with the stretching device 16 to compress each pulse reflected on the space debris D, which reduces the duration of the transmission. pulse and increases its power.
  • the receiving channel 20 provides at the output of the compressor 21 a pulse train 22 where each pulse has a shorter duration, for example of the same order as ultrashort pulses 14, and a larger power.
  • the compressor 21 can be relatively inexpensive because the power of the pulses to be compressed is low, being a light echo.
  • the pulses 22 are sent to the slot of a synchronized scanning camera 40.
  • This slot cuts a thin section of the return signal.
  • the longitudinal direction of the slot is perpendicular to the direction in which the scanning takes place.
  • a camera typically comprises an input optic 41, a photoelectric conversion element 42, for example a photocathode, which converts the incident photons into electrons that can be accelerated in an accelerating cavity 43 by passing between scanning electrodes 44, subjected to a scanning potential which is synchronized with the reference signal provided by the oscillator of the laser 13.
  • the slot is thus illuminated by an optical signal, which varies along it, as is the case for an echo that arrives from a non-uniform relief surface with peaks and valleys of a few mm.
  • the slot scan provides the temporal profile of the spatial variations of the target's surface. This property can be used for identifying debris, as described below.
  • An electronic circuit 45 makes it possible to generate the high voltage scanning voltage applied to the scanning electrodes 44 from the reference signal 15. Thus, the electrons generated by the photons received echoing on the space debris D are deflected in a certain manner. which is dependent on the time lag existing between the moment when the nozzle has been emitted by the laser cavity 13 and the one where the electrons pass between the scanning electrodes 44.
  • the camera can allow an accuracy better than the ps, with an efficiency of more of the order of 10% with respect to the incoming luminous flux.
  • a detector 46 makes it possible to detect the incident electrons and to materialize the angle of deflection of these electrons, which is a function of the phase of the signal applied to the scanning electrodes 44. It is thus possible to know with great precision the time spent by the light to reach the debris and reach after reflection on it the detector 46.
  • the repetition frequency of the echo pulses of the order of kHz for example as indicated above, allows to know accurately the speed vector , easily.
  • these photons can be scattered with a temporal phase shift that is related to the shape of the object.
  • This temporal phase shift produces on the detector 46 a signal representative of the shape of the surface on which the light emitted by the laser has been reflected.
  • the signal supplied by the detector 46 can then be processed so as to calculate the speed of the debris relative to the laser as well as its shape and kinematic characteristics, for example its speed of rotation on itself. Submillimetric precision can be obtained.
  • the laser may not include an optical clock locking its frequency.
  • a conventional oscillator with a stability of 10 "9 provides an accuracy of about 1mm at a distance of 1000km.
  • Detection of the speed can also be associated with detection of its chemical composition by sending laser pulses of sufficient power to cause local ablation at the surface of the space debris, and to analyze the light emitted by means of a spectrometer to recognize depending on the latter, the presence of certain chemical elements.

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Abstract

Radar (1) comportant: - une voie d'émission (10) pour générer une rafale de pulses, la voie d'émission comportant un laser à impulsions ultra-courtes piloté par un oscillateur HF et un dispositif pour étirer temporellement les impulsions et les amplifier, - une voie de retour (20) pour recevoir l'écho de la rafale de pulses, comportant un compresseur optique (21) pour réduire la durée temporelle des pulses et une caméra (22) à balayage synchronisé sur l'oscillateur HF.

Description

RADAR LASER POUR LA DETECTION DES DEBRIS SPATIAUX
La présente invention concerne les radars lasers convenant à la détection des débris spatiaux et à la détermination de leurs orbites.
L'encombrement de l'espace par des débris spatiaux constitue une préoccupation croissante car ces débris représentent un risque pour les satellites et les personnes envoyées dans l'espace. Ces débris sont actuellement détectés à l'aide de radars opérant dans les bandes centimétriques depuis la Terre, ce qui ne permet pas de détecter les débris les plus petits. Or, on admet qu'un débris est dangereux à partir d'une taille de l'ordre du millimètre, compte-tenu de sa vitesse. L'incertitude qui règne sur la connaissance des orbites des débris spatiaux oblige à faire effectuer aux satellites et autres engins spatiaux des manœuvres d'évitement par anticipation, dont la plupart seraient inutiles si l'on pouvait connaître avec une précision plus grande l'orbite des débris.
Diverses solutions ont déjà été proposées pour détecter des débris spatiaux, reposant principalement sur des procédés de traitement d'image plutôt complexes.
Ainsi, le brevet US 8 923 561 décrit une méthode de simulation des trajectoires de débris spatiaux virtuels et de traitement d'images en se servant d'un vecteur de mouvement construit à partir des simulations.
La demande CN 101929859 divulgue un procédé de détection de débris spatiaux en utilisant des caméras en mode scan plein format.
La demande CN 101916439 divulgue un procédé de détection de débris spatiaux reposant sur un procédé de traitement d'image utilisant la transformation Hilbert- Huang.
La demande EP 2 894 842 divulgue un procédé de détection qui repose sur un traitement d'images avec correction de décalage des pixels.
L'article « Long range, high resolution laser radar » (Optics Communications
105 (1994) -63-66) de A. Braun et al, décrit un système radar dans lequel une impulsion étirée temporellement est envoyée sur un objet réfléchissant présentant deux surfaces réfléchissantes décalées spatialement et dans lequel les échos correspondants sont comprimés puis dirigés vers un dispositif d'autocorrélation permettant de connaître le retard entre les deux échos. Un tel dispositif n'est pas prévu pour mesurer la vitesse d'un objet en mouvement tel qu'un débris spatial. L'article « Démonstration designs for the remediation of space débris from the International Space Station » (Acta Astronautica 112 (2015) 102-113) décrit un système pour désorbiter des débris spatiaux. Le système comporte un télescope EUSO ( Extrême Universe Space Observatory) muni d'un détecteur sensible aux photons réfléchis par les débris et un système de laser CAN {Cohérent Amplification Network) comportant un réseau amplificateur à fibres monomodes. Un tel système permet de localiser les débris mais n'est pas adapté à fournir avec une grande précision la vitesse de ceux-ci.
Il existe par conséquent un besoin pour pouvoir détecter les débris spatiaux et déterminer avec précision leurs orbites, avec une sensibilité convenant aux débris de petite dimension, et l'invention répond à ce besoin grâce à un radar comportant :
- une voie d'émission pour générer une rafale de puises, la voie d'émission comportant un laser à impulsions ultra-courtes piloté par un oscillateur HF et un dispositif pour étirer temporellement les impulsions et les amplifier,
- une voie de retour pour recevoir l'écho de la rafale de puises, comportant un compresseur optique pour réduire la durée temporelle des puises et une caméra à balayage synchronisé sur l'oscillateur HF.
L'invention offre un moyen particulièrement précis pour connaître le vecteur vitesse d'un objet éloigné et permet ainsi de déterminer avec une précision beaucoup plus grande que les méthodes qui ont pu être proposées jusqu'à présent les orbites des débris et ainsi d'estimer plus précisément le danger potentiel que représentent ceux-ci vis-à-vis d'un satellite ou tout autre vaisseau spatial évoluant en orbite.
L'invention permet ainsi d'estimer le potentiel de collision des débris de petite taille, notamment de 1 mm à 10 cm. Ces estimations étaient jusqu'à présent peu fiables à cause de l'incertitude sur leurs vitesses.
L'utilisation d'une caméra à balayage synchronisé avec l'oscillateur du laser permet de déterminer rapidement et avec précision le déplacement de l'objet ainsi que, le cas échéant, sa forme et ses composantes cinématiques propres telles que rotation sur lui- même de l'objet. Il est ainsi possible non seulement de déterminer l'orbite du débris spatial mais également de l'identifier.
L'envoi des impulsions temporellement étirées au lieu d'impulsions comprimées permet de réduire les effets autofocalisants et d'automodulation de phase. Ainsi il est possible d'obtenir un radar laser de longue portée et haute résolution. De préférence, le radar comporte un télescope sur le trajet d'aller-retour de la lumière. Ceci peut être par exemple un télescope EUSO tel que décrit dans l'article « Démonstration designs for the remediation of space débris from the international Space Station » cité plus haut.
Les impulsions ultra-acourtes sont produites par l'oscillateur. De préférence, la durée d'impulsions ultra-courtes du laser est inférieure ou égale à 1 ps, mieux à 100 fs. Cela permet d'accroître la précision de détection, par exemple à inférieure à 1 mm, sur une longue distance. De préférence, le spectre des impulsions reste constant après l'oscillateur, tout le long de Pétirement temporel, l'amplification en énergie et la compression temporelle.
De préférence, la rafale de puises comporte une série d'impulsions (encore appelées « puises ») émise à une fréquence supérieure ou égale à 100 Hz, mieux à 500 Hz, encore mieux à 1 kHz, par exemple entre 500 Hz et 10 KHz. Un tel taux de répétition permet la mesure du vecteur vitesse des débris avec une bonne précision.
Chaque impulsion comporte de préférence un niveau d'énergie supérieure ou égale à 0,5 J, mieux à 1 J.
En particulier, la rafale de puises peut être obtenue grâce à la technique d'amplification de puise ultracourte connue sous le nom CPA (Chirped puise amplification). Cette technique est par exemple décrite dans l'article « Compression of Amplified Chirped Optical Puises » (Opt. Commun, 56, 219-221, Décembre 1985).
La voie d'émission comporte de préférence un milieu amplificateur fibré, par exemple un réseau de fibres monomodes connu en tant que tel, rencontré notamment dans les lasers CAN, par exemple tel que celui décrit dans l'article « The future is fibre accelerators » (Nat.Photonics 7 (2013) 258-261, 2013).
Le milieu amplificateur fibré peut être configuré pour permettre une ionisation au moins partielle d'un débris spatial sur lequel est le laser est focalisé.
La fréquence des oscillations du laser est de préférence stabilisée par une horloge optique. Cette technique permet de synchroniser la caméra à la rafale de puises avec une précision inférieure à la ps.
Le radar peut comporter un calculateur pour calculer, sur la base d'une série d'échos reçus d'un objet satellisé, son orbite et/ou sa forme. L'invention a aussi pour objet un procédé pour déterminer l'orbite d'un objet, notamment un débris spatial, en orbite autour de la terre, comportant les étapes consistant à:
- envoyer en direction de l'objet une rafale de puises émis par un radar selon l'invention tel que défini ci-dessus, placé en orbite,
- calculer à partir de l'écho reçu la vitesse de l'objet et son orbite.
Le procédé peut comporter le calcul, à partir de l'écho reçu, de la forme de l'objet.
Le procédé peut comporter l'envoi sur l'objet d'une impulsion ayant une puissance suffisante pour ioniser en surface l'objet avec la formation d'un plasma et l'analyse du spectre du rayonnement émis par le plasma pour déterminer la composition de l'objet.
Un laser ayant une puissance adaptée est par exemple décrit dans l'article « A spaceborne, pulsed UV laser system for re-entering or nudging LEO débris, and re- orbiting GEO débris » (Acta Astronautica 118 (2016) 224-236).
Le procédé peut comporter le calcul, à partir de l'orbite de l'objet précédemment déterminée, une probabilité de collision avec un autre objet satellisé répertorié.
Le procédé peut comporter la mise en œuvre d'une stratégie d'évitement en cas de risque de collision supérieur à un seuil prédéfini.
L'invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui va suivre, d'un exemple de mise en œuvre non limitatif de celle-ci, et à l'examen du dessin annexé, sur lequel la figure 1 représente de façon schématique et partielle un exemple de radar selon l'invention.
Le radar laser 1 selon l'invention, représenté à la figure 1, comporte une voie d'émission 10 et une voie de réception 20 pour traiter l'écho de la lumière émise sur un débris spatial D, donc la plus grande dimension peut être inférieure ou égale à 5 mm, voire à 1mm. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée à une taille particulière d'objet, et couvre également la détermination de la vitesse d'objets ayant par exemple une dimension de l'ordre de 10 cm.
Le radar laser 1 est agencé pour générer une rafale d'impulsions lumineuses 11, lesquelles sont envoyées sur le débris D à travers un télescope 30 qui permet de réduire la divergence du faisceau. Le débris est par exemple situé à une distance du laser comprise entre 100 et 1000 km.
Les échos lumineux qui se réfléchissent sur le débris D sont captés par le télescope 30 et dirigés vers la voie de réception 20.
Le laser comprend une cavité laser 13, par exemple de type à blocage de mode, permettant de générer des impulsions lumineuses ultra-courtes 14, par exemple de l'ordre de la ps, notamment de durée comprise entre 0,03 et 100 ps, à une cadence par exemple comprise entre 1 et 1000 MHz, par exemple entre 10 et 200 MHz, notamment de l'ordre de 100 MHz. Ces impulsions 14 sont synchronisées avec un oscillateur qui produit un signal de référence 15, de préférence sinusoïdal comme illustré. L'énergie de chaque impulsion ultracourte 14 avant amplification par CPA est par exemple comprise entre le pJ. et le μΧ
Les impulsions 14 sont filtrées par un dispositif 17 qui comporte un obturateur commandé électroniquement, afin de réduire la fréquence des impulsions en ne laissant passer qu'une impulsion toutes les n impulsions, avec n entier choisi pour obtenir par exemple une rafale 18 où la fréquence de répétition des impulsions est de l'ordre de 10 kHz, contre 100 MHz en amont du dispositif 17.
Les impulsions ultra-courtes de la rafale 18 sont étirées temporellement en vue de leur amplification de façon connue par la technique CPA (« Chirped pulsed Amplification »), à l'aide d'un dispositif 16 (« stretcher »), par exemple une paire de réseau de diffraction, pour obtenir une rafale 28 de puises. Cette rafale 28 est amplifiée dans un amplificateur 19 pour produire les impulsions 11 qui sont dirigées à travers le télescope 30 vers le débris D dont on cherche à connaître la vitesse et la forme. L'étirement temporel des impulsions ultra-courtes permet de réduire les effets non linéaires lors de l'amplification. Le facteur d'étirement temporel est par exemple compris entre 1000 et 100000. Par exemple, après étirement, la durée d'une impulsion est étendue de l'ordre du ps à l'ordre du ns. Le gain en amplification sera de préférence entre 1000 et 1010.
L'amplificateur 19 est de préférence un amplificateur fibré de façon à faciliter le refroidissement du milieu amplificateur. Un tel amplificateur, par exemple utilisé dans un laser CAN tel que décrit dans l'article « The future is fibre accelerators » cité plus haut, peut comporter un réseau de fibres monomode, par exemple d'un nombre compris entre 1000 et 10000. L'amplificateur reçoit en entrée un signal « seed », par exemple ayant un niveau d'énergie de l'ordre du μΧ Après amplification dans la fibre le signal devient de l'ordre du mJ. La même opération est réalisée sur toutes les fibres. Le signal est amplifié par chaque fibre du réseau et sont combinés en phase et à la sortie. Ainsi, l'amplificateur permet de produire à la sortie un signal ayant un niveau d'énergie de l'ordre de 1 J, tout en présentant une efficacité de rayonnement (« wall-plug efficiency ») relativement élevée, par exemple de l'ordre de 30%. Le signal amplifié par ce réseau de phase a d'autres propriétés utiles. En particulier, comme l'amplificateur est formé par un réseau de fibres amplificatrices, les impulsions amplifiées, provenant toutes d'une seule et même impulsion, ont entre elles une phase imposée par des éléments électro-optiques ou acousto- optiques du réseau. Ainsi, le front d'onde peut être modifié très rapidement par exemple en 1ms ou encore la forme temporelle de l'impulsion peut être changée à volonté. Par exemple, si la différence de phase est de zéro entre les fibres, une impulsion avec un front d'onde plan sera émise par le réseau. Ce front d'onde peut être modifié à volonté en changeant la différence de phase entre les fibres. Ceci qui peut rendre plus efficace la vaporisation/ionisation partielle des débris nécessaire à leur analyse élémentaire.
Afin de déterminer la composition d'un débris, le télescope 30 peut focaliser le faisceau de laser amplifié sur le débris jusqu'à ce qu'une ionisation se produise avec la formation d'un plasma. Le spectre du rayonnement émis par le plasma est caractéristique des éléments qui constituent le débris. Cette méthode d'analyse de la composition chimique élémentaire d'un échantillon est connue sous le nom LIBS ("Laser Induced Breakdown Spectroscopy").
Le rayonnement émis par le plasma peut être collecté grâce à une fibre optique reliée à un spectromètre couplé à un détecteur. Par exemple, le télescope 30 comporte une fibre optique adaptée à la collection du rayonnement émis. La caméra 22 à balayage de l'invention peut être utilisée comme détecteur. En variante, une autre caméra, par exemple à transfert de charge intensifié (ICCD) peut être utilisée.
De préférence, l'oscillation laser dans la cavité 13 est contrôlée par une horloge optique selon un procédé connu qui consiste à séparer à l'aide d'un peigne spectral différents modes d'oscillations de la cavité et à extraire l'un des modes à l'aide d'un doubleur de fréquence pour générer une harmonique. Les deux modes sont combinés de façon à produire un signal, qui est utilisé pour contrôler l'ensemble des modes de l'impulsion laser. Le principe d'une horloge optique est par exemple décrit dans l'article « Absolute optical frequency measurement ofi the césium Dl line with a mode-locked laser » (Phys.Rev.Lett. 82,3568 (1999)). La stabilité df/f de la fréquence d'oscillation du laser est extrême et peut être meilleure que 10"18.
La voie de réception 20 comporte un compresseur spectral 21, par exemple une paire de réseaux de diffraction, qui est en conjugaison de phase avec le dispositif d'étirement 16 pour comprimer chaque impulsion réfléchie sur le débris spatial D, ce qui réduit la durée d' impulsion et augmente sa puissance. La voie de réception 20 fournit à la sortie du compresseur 21 un train d'impulsions 22 où chaque impulsion présente une durée plus faible, par exemple de même ordre que les impulsions ultracourtes 14, et une puissance plus grande. Le compresseur 21 peut être relativement peu coûteux, car la puissance des impulsions à comprimer est faible, s'agissant d'un écho de lumière.
Les impulsions 22 sont envoyées sur la fente d'une caméra à balayage synchronisé 40. Cette fente découpe une fine section du signal retour. La direction longitudinale de la fente est perpendiculaire à la direction selon laquelle s'effectue le balayage. Une telle caméra comporte typiquement une optique d'entrée 41, un élément de conversion photoélectrique 42, par exemple une photocathode, qui transforme les photons incidents en des électrons qui peuvent être accélérés dans une cavité accélératrice 43 en passant entre des électrodes 44 de balayage, soumises à un potentiel de balayage qui est synchronisé avec le signal de référence 15 fourni par l'oscillateur du laser 13. La fente est donc illuminée par un signal optique, qui varie le long de celle-ci, comme c'est le cas pour un écho qui parvient d'une surface de relief non uniforme avec des pics et des vallées de quelques mm. Le balayage de la fente fourni le profile temporel des variations spatiales de la surface de la cible. Cette propriété peut être utilisée l'identification des débris, comme décrit ci-dessous. Un circuit électronique 45 permet de générer la tension de balayage à haute tension appliquée aux électrodes de balayage 44 à partir du signal de référence 15. Ainsi, les électrons générés par les photons reçus en écho sur le débris spatial D sont déviés d'une façon qui est dépendante du décalage temporel existant entre le moment où le puise a été émis par la cavité laser 13 et celui où les électrons passent entre les électrodes de balayage 44. La caméra peut permettre une précision meilleure que la ps, avec une efficacité de plus de l'ordre de 10% par rapport au flux lumineux entrant.
Un détecteur 46 permet de détecter les électrons incidents et de matérialiser l'angle de déviation de ces électrons, qui est fonction de la phase du signal appliqué aux électrodes de balayage 44. On peut ainsi connaître avec une grande précision le temps mis par la lumière pour atteindre le débris et atteindre après réflexion sur celui-ci le détecteur 46. La fréquence de répétition des impulsions reçues en écho, de l'ordre du kHz par exemple comme indiqué plus haut, permet de connaître avec précision le vecteur vitesse, de façon aisée.
Comme décrit précédemment, lorsqu'un front de photons est émis dans un même plan, ces photons peuvent être diffusés avec un déphasage temporel qui est lié à la forme de l'objet. Ce déphasage temporel produit sur le détecteur 46 un signal représentatif de la forme de la surface sur laquelle s'est réfléchie la lumière émise par le laser. Le signal fourni par le détecteur 46 peut alors être traité de façon à calculer la vitesse du débris relativement au laser ainsi que sa forme et ses caractéristiques cinématiques propres, par exemple sa vitesse de rotation sur lui-même. On peut obtenir une précision submillimétrique .
La connaissance de la vitesse du débris spatial permet de calculer précisément son orbite et ainsi de mettre en place des stratégies d'évitement.
Bien entendu, l'invention n'est pas limitée à l'exemple qui vient d'être décrit.
Lorsque la précision recherchée est moindre, le laser peut ne pas comporter d'horloge optique de verrouillage de sa fréquence. Un oscillateur conventionnel avec une stabilité de 10"9 fournit une précision de l'ordre de 1mm à une distance de 1000km.
On peut associer à la détection de la vitesse une détection également de sa composition chimique en envoyant des impulsions laser suffisamment puissantes pour provoquer une ablation locale à la surface du débris spatial, et analyser la lumière émise à l'aide d'un spectromètre pour reconnaître en fonction de celle-ci la présence de certains éléments chimiques.

Claims

REVENDICATIONS
1. Radar (1) comportant :
- une voie d'émission (10) pour générer une rafale de puises, la voie d'émission comportant un laser à impulsions ultra-courtes piloté par un oscillateur HF et un dispositif pour étirer temporellement les impulsions et les amplifier,
- une voie de retour (20) pour recevoir l'écho de la rafale de puises, comportant un compresseur optique (21) pour réduire la durée temporelle des puises et une caméra (22) à balayage synchronisé sur l'oscillateur HF.
2. Radar selon la revendication 1, comportant un télescope (30) sur le trajet d'aller-retour de la lumière.
3. Radar selon l'une des revendications 1 et 2, la durée des impulsions ultracourtes (18) du laser étant inférieure ou égale à 1 ps.
4. Radar selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, les impulsions ultra-courtes (18) comportant une série de puises à une fréquence supérieure ou égale à 100 Hz, mieux à 500 Hz, encore mieux à 1 kHz.
5. Radar selon l'une quelconque des revendications précédentes, la voie d'émission (10) comportant un milieu amplificateur fïbré (19).
6. Radar selon la revendication 5, le milieu amplificateur fïbré (19) comportant un réseau de fibres monomodes.
7. Radar selon la revendication 5 ou 6, le milieu amplificateur fïbré (19) étant configuré pour permettre une ionisation au moins partielle d'un débris spatial sur lequel est le laser est focalisé.
8. Radar selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, la fréquence des oscillations du laser étant stabilisée par une horloge optique.
9. Radar selon l'une quelconque des revendications précédentes, comportant un calculateur pour calculer, sur la base d'une série d'échos reçus d'un objet satellisé, son orbite.
10. Radar selon l'une quelconque des revendications précédentes, comportant un calculateur pour calculer, sur la base d'une série d'échos reçus d'un objet satellisé, sa forme.
11. Procédé pour déterminer l'orbite d'un objet, notamment un débris spatial, en orbite autour de la terre, comportant les étapes consistant à :
- envoyer en direction de l'objet (D) une rafale de puises émis par un radar (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, placé en orbite,
- calculer à partir de l'écho reçu la vitesse de l'objet et son orbite.
12. Procédé selon la revendication 11, dans lequel on calcule à partir de l'écho reçu la forme de l'objet.
13. Procédé selon l'une des revendications 11 et 12, dans lequel on envoie sur l'objet une impulsion ayant une puissance suffisante pour ioniser en surface l'objet avec la formation d'un plasma et l'on analyse le spectre du rayonnement émis par le plasma pour déterminer la composition de l'objet.
14. Procédé selon l'une quelconque des revendications 11 à 13, dans lequel on calcule à partir de l'orbite de l'objet ainsi déterminée une probabilité de collision avec un autre objet satellisé répertorié.
15. Procédé selon la revendication 14, dans lequel on met en œuvre une stratégie d'évitement en cas de risque de collision supérieur à un seuil prédéfini.
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