WO2019096878A1 - Dispositif et procede d'etalonnage d'un lidar - Google Patents

Dispositif et procede d'etalonnage d'un lidar Download PDF

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WO2019096878A1
WO2019096878A1 PCT/EP2018/081318 EP2018081318W WO2019096878A1 WO 2019096878 A1 WO2019096878 A1 WO 2019096878A1 EP 2018081318 W EP2018081318 W EP 2018081318W WO 2019096878 A1 WO2019096878 A1 WO 2019096878A1
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optical fiber
lidar
calibration
optical
emitted
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PCT/EP2018/081318
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Jean-Pierre Cariou
Vincent PUREUR
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Leosphere
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Publication date
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    • Y02A—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
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Definitions

  • the present invention relates to the field of lidar systems, commonly called lidars, and in particular lidars, so-called atmospheric, used to probe the atmosphere.
  • lidars commonly called lidars, and in particular lidars, so-called atmospheric, used to probe the atmosphere.
  • Atmospheric lidars are used to remotely determine atmospheric parameters such as the concentration of gases or aerosols, wind speed, temperature.
  • the present invention relates to an atmospheric lidar calibration device for calibrating distance, velocity, and lidar efficiency measurements.
  • LIDAR is an acronym derived from the English term "LIght Detection And Ranging”, describing an optical technique for measuring physical parameters of a distant target. This technique is based on the analysis of the variations of the optical properties of a beam emitted from a transmission channel of a device and then returned by the target to be analyzed to an analysis channel of said device.
  • the lidar In the case of atmospheric lidars, the lidar emits an optical beam towards a part of the atmosphere and analyzes the beams returned by the gases and / or aerosols of the atmosphere.
  • the metrological accuracy of atmospheric lidar measurements is closely related to the calibration of devices arranged to implement said measurements. The devices in question, commonly referred to as lidar, therefore need to be calibrated rigorously and regularly.
  • lidar calibration is generally performed outdoors, on a natural or artificial remote target whose specific characteristics, such as, in addition, the distance, the speed and the reflectivity are known precisely. Outdoor calibration requires an external site with a distance equivalent to the measurement conditions when operating the lidar and a target. In addition, outdoor calibration involves taking into account the characteristics of the propagation medium and that these characteristics are constant during calibration. This type of calibration requires usually the presence of a reference lidar to know the characteristics of the atmosphere in real time. The reference lidar must also be calibrated, which is a source of uncertainty.
  • An object of the invention is in particular to overcome all or part of the disadvantages associated with external calibration processes.
  • an object of the invention is to provide a device and a reduced size calibration process that can operate without a real atmosphere.
  • Another aim is to propose a calibration device and method that can be integrated directly into a lidar.
  • Another aim is to propose a device and a calibration method for performing regular calibration of the lidar without changing its configuration.
  • Another object of the invention is to provide a device and a calibration method for giving greater accuracy to distance calibration, speed and the measurement of lidar efficiency.
  • Another object of the invention is to provide a self-diagnostic tool integrable lidar.
  • an atmospheric lidar calibration device comprising:
  • an optical fiber arranged to propagate at least a portion of a beam emitted by the lidar
  • the optical fiber comprises diffusers distributed along the optical fiber and backscattering fractions of the at least part of the beam propagating in the optical fiber, and in that it comprises:
  • a coupling device arranged to couple:
  • the lidar At least a part of said fractions backscattered by the diffusers, and at least a part of a beam reflected by the reflector element.
  • the optical fiber can be single mode.
  • the optical fiber is a multimode optical fiber.
  • the optical fiber has a core whose diameter may be less than 200 ⁇ m, preferably less than 100 ⁇ m.
  • the reflective element may be any semi-reflective technical means known to those skilled in the art, such as, in particular, a diopter located at the fiber end or an external optical surface of controlled reflectivity.
  • the at least a portion of the beam emitted by the lidar and coupled to the optical fiber can be defined as the incident beam.
  • the set of backscattered fractions, by the diffusers, of the at least part of the beam propagating in the optical fiber can be defined as a backscattered part of the at least part of the beam propagating in the optical fiber.
  • the reflector element may be located at an output of the optical fiber.
  • the coupling device may be located between the lidar and an input of the optical fiber.
  • At least a portion of the diffusers may be defects in the homogeneity of the optical fiber.
  • the diffusers are atoms constituting the optical fiber.
  • a portion of the signal backscattered by the optical fiber comes from the backscattering of the constituent atoms of the optical fiber.
  • the backscattering of the constituent atoms of the optical fiber may be a Rayleigh backscatter.
  • the defects of homogeneity of the optical fiber may be intrinsic defects of the optical fiber.
  • Intrinsic defects may be inherent in the method of manufacturing the optical fiber.
  • the defects of homogeneity of the optical fiber may be defects voluntarily provided to the optical fiber.
  • the defects of homogeneity can be generated by all the treatments known to those skilled in the art, such as, in particular:
  • Faults can be generated over the entire length of the optical fiber.
  • Faults can be generated in localized areas of the optical fiber.
  • the optical fiber may comprise diffusers distributed over the entire length of the optical fiber and arranged to reproduce backscattering and / or extinguishing effects generated by an inhomogeneous atmosphere on a beam emitted by a lidar.
  • the defects can be distributed uniformly over the entire length of the optical fiber.
  • the defects can be randomly distributed over the entire length of the optical fiber.
  • the backscattering of the fractions of the at least part of the beam propagating in the optical fiber by the diffusers distributed along the optical fiber can also be defined as a volume backscattering generated by the diffusers.
  • the volume backscattering generated by the diffusers can also be likened to a linear diffusion distributed over the length of the optical fiber.
  • homogeneous atmosphere a slice of atmosphere in which the interactions of a given optical beam with said homogeneous atmosphere are substantially equivalent over the entire thickness of said atmosphere slice.
  • the optical fiber may comprise diffusers located in one or more defined zones of the optical fiber, called diffusing zones, said diffusers being arranged in such a way that said diffusing zone or zones have adjustable backscattering and extinction coefficients so as to to reproduce backscattering and / or extinguishing effects caused by one or more types of atmospheric aerosols on a beam emitted by a lidar.
  • the extinction coefficient can be defined as the sum of the absorption coefficient and the diffusion coefficient.
  • a diffusing zone may comprise several diffusers located within said zone.
  • Backscattering and extinguishing effects of diffusers located within scattering zones may be different from backscattering and extinguishing effects of diffusers distributed over the length of the optical fiber.
  • At least a portion of the localized diffusers and / or at least a portion of the diffusers distributed over the entire length of the optical fiber may be intrinsic defects of the optical fiber.
  • At least a portion of the localized diffusers and / or at least a portion of the diffusers distributed over the entire length of the optical fiber may be defects voluntarily provided to the optical fiber.
  • At least one of the diffusers may have an optical backscattering coefficient and / or an optical extinction coefficient different from an optical backscattering coefficient and / or an optical extinction coefficient of at least one other of the diffusers.
  • the diffusers may have an optical extinction coefficient and / or an identical optical backscattering coefficient.
  • a diffuser may have an optical extinction coefficient and / or an optical backscattering coefficient different from an optical extinction coefficient and / or an optical backscattering coefficient of one or more other diffusers.
  • Each diffuser may have an optical extinction coefficient and / or a different optical backscattering coefficient.
  • At least one of the diffusers distributed along the optical fiber may have an optical extinction coefficient and / or an optical backscattering coefficient different from the optical backscattering coefficient and / or the optical extinction coefficient of at least one of the diffusers. located.
  • the diffusers distributed along the optical fiber may have an optical extinction coefficient and / or an optical backscattering coefficient different from the optical backscattering coefficient and / or the optical extinction coefficient of all the localized diffusers.
  • Diffusers distributed along the optical fiber may have an optical extinction coefficient and / or an identical optical backscattering coefficient.
  • Diffusers located within the same scattering zone may have an optical extinction coefficient and / or an identical optical backscattering coefficient.
  • Diffusers located within a scattering zone may have an optical extinction coefficient and / or an optical backscattering coefficient different from diffusers located within another diffusing zone.
  • a scattering zone may have an optical extinction coefficient and / or an optical backscattering coefficient different from an optical extinction coefficient and / or an optical backscattering coefficient from another scattering zone.
  • the processing unit can modulate the extinction coefficient (s) of one or more diffusing zones.
  • the optical fiber may consist of a set of optical fibers having different characteristics.
  • the characteristics of an optical fiber can be, among other things: the diameter of the heart,
  • the coupling device may comprise an optical attenuator arranged to attenuate a power of an incident beam, said incident beam being defined as said at least part of the beam emitted by the lidar and coupled with the optical fiber.
  • the optical attenuator may be any type of attenuator known to those skilled in the art, such as, in particular, a fixed attenuator.
  • the optical attenuator may be any type of attenuator known to those skilled in the art, such as, in particular, a variable attenuator.
  • the optical attenuator may be a device that defocuses or offsets the beam portions coupled in the fiber.
  • the attenuator can also be defined as a neutral density optical filter, namely a filter which equally absorbs radiation in a given spectral range.
  • the coupling system can be composed of an optical attenuator and an optical objective.
  • the optical objective may be any type of objective known to those skilled in the art such as, in particular, a convergent mirror or a convergent lens.
  • the device can comprise:
  • a detector located downstream of the reflector element with respect to the direction of propagation of the incident beam, arranged to measure a power of a part of the incident beam not reflected by the reflector element, said device being characterized in that 'He understands : a processing unit configured to calculate the power of the incident beam.
  • the power of the incident beam can be calculated from the power of the part of the beam not reflected by the reflector element.
  • the power of the incident beam can be calculated from a transmission coefficient and / or a reflection coefficient of the reflective element.
  • the power of the incident beam can be calculated from the power of the part of the beam not reflected by the reflector element and from a transmission coefficient and / or a reflection coefficient of the reflector element.
  • the processing unit can be any type of technical calculation means known to those skilled in the art.
  • the processing unit can be connected to the attenuator and / or the lidar, and configured to modulate a beam power emitted by the lidar and / or the power of the incident beam, by means of the attenuator, so that that beam characteristics backscattered by defects in homogeneity of the optical fiber, and characteristics of the at least one reflected beam are in the range of parameters of a lidar detection chain used in the case of outdoor atmospheric measurements .
  • a backscattered beam can be defined as an optical signal returning to the lidar after reflection by inhomogeneities.
  • the attenuator may preferably be a variable attenuator whose optical density is adjustable.
  • the optical attenuator may comprise several attenuators, such as, in particular, a fixed attenuator and a variable attenuator.
  • the processing unit can modulate the power of the beam emitted by the lidar, in particular, by means of a modulation of the power emitted by a LASER included in a transmission chain of the lidar.
  • the device according to the invention may comprise a phase scrambling device arranged to generate variations of paths. in the optical fiber greater than a wavelength of the beam emitted by the lidar.
  • the phase scrambling device may be arranged to modulate, in particular, the signal phase of at least one backscattered beam so as to average the coherence effects between the signals of the fractions of the at least part of the propagating signal. in the optical fiber and obtain a measurement equivalent to a signal backscattered by a dynamic atmosphere.
  • the phase scrambling device can include:
  • a mechanical system arranged to generate vibrations on all or part of the optical fiber, and / or
  • thermal device for heating and / or cooling, non-homogeneous, of at least a part of the optical fiber, and / or
  • a modulation of a frequency of the laser source of the lidar preferably between 1 kHz and 10 GHz.
  • the modulation of the laser source frequency of the lidar can be between 1 kHz and 10 GHz, preferably between 10 kHz and 1 GHz, it can be defined by those skilled in the art as a fine modulation.
  • the mechanical system may be, in particular, a vibrating device connected to the optical fiber and arranged to generate phase interference on all or part of the optical fiber.
  • the scrambling device may comprise several mechanical systems and / or several thermal heating and / or cooling devices.
  • the translational movement can be generated by the mechanical system in a random direction.
  • the reflective element may consist of an output plane of the optical fiber, said output plane forming an angle with a plane perpendicular to an axis of revolution of the core of the optical fiber.
  • the output plane of the optical fiber can be defined as the diopter located on the output side of the optical fiber.
  • the angle can be generated by any suitable technique, such as, in particular, cleavage, polishing, etching, abrasion, filing.
  • the optical fiber may have a length L such that the maximum distance measurable by the lidar is greater than L / n, where n is an effective index of the transverse mode of propagation of the optical fiber.
  • the angle formed between the plane of exit of the optical fiber and a plane perpendicular to the axis of revolution of the core of the optical fiber may be between 0 and 80 °, preferably between 0 and 40 °, more preferably between 0 and 20 °.
  • an atmospheric lidar in which is integrated a calibration device according to the first aspect of the invention, said calibration device being arranged to control, when the lidar is in operation, lidar calibration:
  • the device can preferably be integrated into the lidar structure.
  • the processing unit can be configured to alert a user if the parameters of the signal received by the lidar are drifting.
  • a third aspect of the invention it is proposed a use of the calibration device according to the first aspect of the invention, for the implementation of a calibration method of an atmospheric lidar.
  • the calibration method may be any method of calibration of a lidar known to those skilled in the art.
  • a method of calibrating an atmospheric lidar characterized in that it comprises a calculation of calibration parameters of the lidar from, in addition, data from:
  • the scattered fractions, by diffusers distributed over the entire length of the optical fiber, of the at least one beam propagating in the optical fiber may be backscattered fractions.
  • the end of the optical fiber downstream from which the reflector element is located, with respect to the direction of the incident beam, can be defined as an output of the optical fiber.
  • the other end of the optical fiber to which the beam, or part of the beam, emitted by the lidar is coupled with the optical fiber can be defined as an input of the optical fiber.
  • the coupling step of the beam, or part of the beam, emitted by the lidar can be performed by a coupling device.
  • the coupling step of a portion of the backscattered and attenuated fractions of the at least one beam propagating in the optical fiber with the lidar can be performed by the coupling device.
  • the backscattering of the fractions of the at least part of the beam propagating in the optical fiber by the diffusers distributed along the Optical fiber can also be defined as a volume backscattering generated by the broadcasters.
  • Diffusers distributed over the entire length of the optical fiber may comprise defects distributed randomly along the entire length of the optical fiber.
  • the method of calibrating a lidar according to the invention can comprise:
  • a parameter input of the lidar detection chain in technical means, equivalent to the parameters used for an external atmospheric measurement, and / or
  • a parameter input of the lidar transmission chain in technical means, equivalent to the parameters used for an atmospheric measurement.
  • the calibration parameters may be calculated from data from one or more signals of one or more fractions of the at least one beam propagating in the optical fiber diffused by one or more localized scattering zones comprising broadcasters; said at least one localized scattering zone has adjustable backscatter and extinction coefficients so as to reproduce backscattering and / or quenching effects caused by inhomogeneous atmospheric aerosols on a beam emitted by a lidar.
  • the backscattering and / or quenching effects produced by the localized diffusers may be different from the backscattering and / or quenching effects produced by diffusers distributed over the entire length of the optical fiber.
  • the data from the at least one signal of the at least one beam propagating in the optical fiber diffused can be associated, during the step of calculating the calibration parameters, with the data coming from the signal of the reflected by a reflective element in an optical fiber, the at least one beam propagating in said optical fiber and the data from the signals of the backscattered fractions, by diffusers distributed over the entire length of the optical fiber, the at least one beam propagating in the optical fiber.
  • the calibration method according to the invention may comprise:
  • the beams scattered by the defects of homogeneity of the optical fiber may be backscattered beams.
  • the incident beam may be the only beam propagating along a direction connecting the input and the output of the optical fiber.
  • Multiple beams may propagate in the direction connecting the input and output of the optical fiber when:
  • the portion or portions of the beam emitted by the lidar and propagating in the at least one delay line are injected into the optical fiber, and / or
  • the portion or portions of the beam emitted by the lidar and propagating in the at least one delay line are coupled with the optical fiber.
  • the calibration method according to the invention may comprise a step of generating, by at least one scrambling device, at least one optical path variation in the optical fiber, said at least one optical path variation being greater than one wavelength of the beam emitted by the lidar.
  • the at least one optical path variation can be generated by the scrambling system by:
  • the calibration parameters calculated during the implementation of the calibration method according to the invention may comprise:
  • the evaluation of the efficiency can be obtained by calculating a ratio between the power of the beams backscattered by the optical fiber and measured by the lidar and the power of the beam emitted by the lidar and coupled with the optical fiber.
  • the echo lidar spread can be defined as the time duration during which a signal, or signals, corresponding to the beam, or beams, reflected is detected by the lidar detection chain.
  • the calibration method according to the invention can be implemented concomitantly with an atmospheric measurement by deporting part of the beam emitted by the lidar to a calibration device, preferably a calibration device according to the first aspect of the invention. invention.
  • the calibration method according to the invention can be implemented at a regular time interval, moreover during a time interval separating two consecutive atmospheric measurements, by deporting the beam emitted by the lidar to a calibration device, preferably a calibration device according to the first aspect of the invention.
  • the calibration method when the calibration device is integrated in the lidar, may include a step of alerting the user in case of drift of the received signal.
  • FIG. 1 is a schematic representation of a device for calibrating a lidar according to a first aspect of the invention
  • FIGURE 2 is a schematic representation of a lidar calibration device according to a second aspect of the invention.
  • FIGURES 3 and 4 are curves illustrating the characteristics of reflected and backscattered parts, coupled in a lidar detection channel, of a beam emitted by an emission channel of said lidar.
  • variants of the invention comprising only a selection of characteristics described, isolated from the other characteristics described (even if this selection is isolated within a sentence including these other characteristics), if this selection of features is sufficient to confer a technical advantage or to differentiate the invention from the state of the prior art.
  • This selection comprises at least one feature, preferably functional without structural details, or with only a portion of the features. structural details if this part alone is sufficient to confer a technical advantage or to differentiate the invention from the state of the prior art.
  • a calibration device 1 for an atmospheric lidar 2 comprising an optical fiber 3 arranged to propagate at least one part (not shown) of a beam
  • the lidar 2 to be calibrated is a lidar whose emission and reception objectives are confounded, the skilled person qualifies such a monostatic configuration arrangement.
  • the lidar 2 transmits in pulsed mode in the infrared at 1550 nm.
  • the calibration device 1 also comprises a reflector element 6 located at one end of the optical fiber 3 and arranged to reflect in the optical fiber 3 a portion 7 of the at least part of the beam is propagating in the optical fiber 3.
  • the at least part of the beam propagating in the optical fiber 3 corresponds, according to the particular embodiment, to the portion 4 of the beam 5 emitted by the lidar 2 coupled with the optical fiber.
  • the at least one part 4 of the beam 5 emitted by the lidar 2 coupled with the optical fiber 3 is designated by the term incident beam 4.
  • the reflective element 6 consists of a cleavage of the optical fiber 3, the output plane 11 of the optical fiber 3 after cleavage having an angle of 5 ° with a plane perpendicular to the axis of revolution of the core of the optical fiber 3
  • the reflected portion 7 of the incident beam 4 propagating in the optical fiber 3 depends on the selected propagation mode. According to the embodiment, the signal of the reflected portion 7 is equivalent to 2% of the indicative beam 4 propagating in the optical fiber 3.
  • the optical fiber 3 comprises diffusers (not shown) distributed along the optical fiber 3 and backscattering fractions of the incident beam 4 propagating in the optical fiber 3.
  • the optical fiber 3 used is a commercial multimode optical fiber of core diameter. 100 pm.
  • the optical fiber 3 has intrinsic defects distributed over the entire length of the optical fiber 3, said defects generating a uniform backscattering representative of that caused by a inhomogeneous atmosphere.
  • the incident beam 4 propagating in the optical fiber 3 is backscattered 8, said backscattered beam 8 being constituted by all the backscattered fractions of the incident beam 4.
  • the length of the optical fiber 3 is calculated so that the maximum distance measurable by the lidar 1 is greater than L / n, where L is the length of the optical fiber and n is the effective index of the transverse fundamental optical mode of the optical fiber 3. Its effective index is equal to 1.46.
  • the length of the optical fiber 3 is 10 kilometers.
  • the calibration device 1 also comprises a coupling device 9 arranged to couple:
  • the at least one reflected beam 7 corresponds to the portion 7 of the incident beam 4 reflected by the reflector element 6.
  • the coupling device 9 comprises an optical attenuator 10 and a convergent optical lens 12 focusing a portion 4 of the beam 5 emitted by the lidar 2 and couples with the lidar 2 a portion 81 of the signal of the backscattered beam 8 and a portion 71 of the reflected beam
  • the optical attenuator 10 used is an optical filter 10 having an adjustable optical density.
  • the calibration device 1 comprises, at the head of the optical fiber 3, a phase jamming device 13 for averaging, during the measurement, the interference related to the static position of the diffusers.
  • the phase jamming device 13 is constituted by a vibratory pot (not shown) on which is mounted a portion of the optical fiber 3.
  • the phase jamming device 13 modulates the coupling of the at least one part 4 of the beam 5 issued by lidar 2 with optical fiber 3 in different modes propagation and therefore the signal phase of the portions 81 of the backscattered beam 8 coupled with the lidar 2.
  • the calibration device 1 also comprises a detector 14 located downstream of the output plane 11 of the optical fiber 3.
  • the detector 14 is arranged to measure the signal power of the portion 15 of the incident beam 4 not reflected by the element reflector 6.
  • the calibration device 1 comprises a processing unit 16 to which is connected the adjustable optical density optical filter 10 and the detector 14.
  • the processing unit 16 is configured to calculate the power of the incident beam 4 from the power the signal of the portion 15 of the incident beam 4 not reflected by the reflector element 6.
  • the processing unit 16 is also configured to measure the power of the incident beam 4 and to allow the optical density of the adjustable filter 10 to be modulated, in such a way that the portions 81 of the backscattered beam 8 and the portion 71 of the reflected beam 7 coupled with the lidar are in the range of the measurement parameters, or nominal measurement dynamic, of the detection chain.
  • a variant of the first embodiment describes a calibration device 1 in which the optical fiber 3 further comprises diffusers located in two diffusing zones 17 of the optical fiber 3. All the elements of FIGURE 1 are present in FIGURE 2 and the references of said elements are identical in both FIGURES.
  • Each of the two diffusing zones 17 comprises a plurality of diffusers.
  • the scattering zones 17 have adjustable backscattering coefficients, the value of the backscattering coefficient of the scattering zones 17 has been adjusted so as to reproduce the extinction and backscattering effects commonly generated by atmospheric aerosols on a beam emitted by an atmospheric lidar .
  • Each scattering zone 17 is arranged to generate a backscattering of an additional fraction 18 of the incident beam 4.
  • FIGS. 3 and 4 show curves illustrating the characteristics of the reflected and backscattered portions 21,28, coupled in a detection channel of a lidar 2, of a beam emitted by an emission channel of said lidar 2.
  • the data, from which the curves are plotted, are acquired through the detection chain of lidar 2.
  • the power of the received signal 19 by the lidar is represented in logarithmic scale on the ordinate of the curve, said curve being plotted as a function of time 20.
  • n effective index of the transverse fiber mode in which the beam propagates
  • D the distance traveled by the beam in the optical fiber
  • c is the speed of light in the vacuum.
  • the abscissae 20 of the curve represent, by a factor, the propagation distance of the beam in the optical fiber and the propagation time of the beam in the optical fiber.
  • a method of calibrating an atmospheric lidar 2 comprising a calculation of calibration parameters of the lidar from, in addition, data from a reflected portion 21 of the incident beam 4 propagating in the optical fiber 3.
  • the portion 21 is a beam having reflected on a reflector element 6 in the optical fiber 3.
  • This reflector element 6 is located at one end of the optical fiber 3 by in relation to a direction of the incident beam 4.
  • Said incident beam 4 is defined as a beam, or part of a beam, emitted by the lidar 2 and coupled with the optical fiber 3 at another end of said optical fiber 3.
  • the step of calculating the calibration parameters of a lidar of the atmospheric lidar calibration method according to the invention also comprises data coming from a signal 22 of a portion 81 of the backscattered beam 8, by diffusers distributed over the entire length of the optical fiber 3, coupled to lidar 2, said diffusers being arranged to reproduce backscattering and quenching effects generated by an inhomogeneous atmosphere on a beam emitted by a lidar 2.
  • the method is implemented by means of a lidar 2 operating in pulse mode and the at least one beam is propagating in the optical fiber 3 corresponds to the signal 5 emitted by the lidar and coupled, by a bidirectional coupling device 9, to the optical fiber 3.
  • the maximum power 23 of the signal 21 of the portion 71, of the reflected part 7 of the beam incident 4 propagating in the optical fiber 3, coupled with the lidar 2 is measured by the lidar 2.
  • the energy 24 of the signal 21 is calculated from the data acquired by the lidar 2.
  • the round trip delay 25 of the incident beam 4 propagating in the optical fiber 3 corresponds to the time elapsed between the emission by the lidar 2 of the beam 5, at a time t 0 26, and the detection by the lidar 2, at a time ti 27, of the part 7 reflected by the reflector element 6, the beam propagating in the optical fiber 3.
  • the signal 21 of the portion 71, of the reflected portion 7 of the incident beam 4 propagating in the optical fiber 3, coupled with the lidar 2 is designated by echo lidar.
  • FIGURE 4 there is described in a variant of the second embodiment, a calibration method in which the calibration parameters are calculated from the data of the second embodiment and additional data from the signals. 28 corresponding to the portions 181 of the backscattered fractions 18 coupled with the lidar 2.
  • the calibration parameters comprise a calibration of the distance measurement from the characteristics of the signal 21 of the reflected beam 7 by the reflector element 6.
  • This round-trip propagation time is identical to that obtained on an atmosphere wafer of thickness nD.
  • the calibration parameters also include a calibration of the spatial resolution from characteristics of a time lag of the echo lidar 7.
  • the distance resolution is computed by the spreading of the lidar response on the reflector element 6 located at the end of optical fiber 3, constituting a hard obstacle whose distance is identical for all the points of the beam 5 emitted by the lidar 2.
  • the spatial resolution of the lidar is a depending on the pulse duration and the signal processing parameters.
  • the calibration parameters also include a calibration of the speed measurement based on the spectral characteristics of the signals 28 of the backscattered fractions 18, 8 by the diffusers, of the incident beam 4 propagating in the optical fiber 3.
  • the diffusers are at a high speed. zero in the optical fiber 3 unlike atmospheric aerosols. The measurement of zero velocity by the Doppler lidar is therefore direct and precise.
  • the calibration parameters also include a calibration of the speed resolution, from a standard deviation of the speed measurement, said standard deviation being modulated:
  • the calibration parameters also include an evaluation of the efficiency of the lidar by calculating a ratio between the power of the signals 22,28 of the backscattered beams 18,8 by the optical fiber 3 and measured by the lidar 2 and the power, calculated from the measurement made by the detector 14, the beam 5 emitted by the lidar 2 and coupled in the optical fiber 3.
  • the processing unit 16 is also configured to modulate the extinction coefficients of the scattering zones 17.
  • the various features, shapes, variants and embodiments of the invention may be associated with each other in various combinations to the extent that they are not incompatible or exclusive of each other.

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Abstract

L'invention se rapporte à un dispositif d'étalonnage (1) d'un lidar (2) atmosphérique comprenant une fibre optique (3) agencée pour propager au moins une partie d'un faisceau (5) émis par le lidar, un élément réflecteur (6) situé à une extrémité de la fibre optique et agencé pour réfléchir dans la fibre optique une portion (7) de l'au moins une partie du faisceau se propageant dans la fibre optique; le dispositif d'étalonnage étant caractérisé en ce que la fibre optique comprend des diffuseurs répartis le long de la fibre optique et rétrodiffusant des fractions de l'au moins une partie du faisceau se propageant dans la fibre optique, et un dispositif de couplage (9) agencé pour coupler dans la fibre optique au moins une partie (4) du faisceau émis par le lidar, et dans le lidar au moins une partie (71,81,181) desdites fractions rétrodiffusées par les diffuseurs, et au moins une partie d'un faisceau réfléchi par l'élément réflecteur.

Description

« Dispositif et procédé d'étalonnage d'un lidar »
Domaine technique
La présente invention se rapporte au domaine des systèmes lidars, couramment appelé lidars, et en particulier des lidars, dits atmosphériques, utilisés pour sonder l'atmosphère. Les lidars atmosphériques sont utilisés pour déterminer à distance des paramètres de l'atmosphère tels que la concentration des gaz ou des aérosols, la vitesse du vent, la température.
La présente invention concerne en particulier un dispositif d'étalonnage de lidar atmosphérique pour étalonner les mesures de distance, de vitesse et d'efficacité du lidar.
Etat de la technique antérieure
Admis et couramment utilisé par l'homme du métier, le terme LIDAR est un acronyme issu du terme anglais "LIght Détection And Ranging", décrivant une technique optique de mesure de paramètres physiques d'une cible distante. Cette technique est basée sur l'analyse des variations des propriétés optiques d'un faisceau émis depuis une voie d'émission d'un dispositif puis renvoyé, par la cible à analyser, vers une voie d'analyse dudit dispositif. Dans le cas des lidars atmosphériques, le lidar émet un faisceau optique en direction d'une partie de l'atmosphère et analyse les faisceaux renvoyés par les gaz et/ou aérosols de l'atmosphère. La précision métrologique des mesures lidars atmosphériques est étroitement liée à l'étalonnage des appareils agencés pour mettre en œuvre lesdites mesures. Les appareils en question, couramment désignés par le terme lidar, nécessitent donc d'être étalonnés rigoureusement et régulièrement.
En pratique, l'étalonnage des lidars est en général effectué en extérieur, sur une cible distante naturelle ou artificielle dont on connaît précisément les caractéristiques telles que, en outre, la distance, la vitesse et la réflectivité. L'étalonnage en extérieur nécessite de disposer d'un site extérieur comportant une distance équivalente à celles des conditions de mesures lors du fonctionnement du lidar et d'une cible. De plus, l'étalonnage en extérieur implique de prendre en compte les caractéristiques du milieu de propagation et que ces caractéristiques soient constantes lors de l'étalonnage. Ce type d'étalonnage nécessite généralement la présence d'un lidar de référence afin de connaître les caractéristiques de l'atmosphère en temps réel. Le lidar de référence doit également être étalonné, ce qui constitue une source d'incertitude.
De plus, il est possible que la précision métrologique des lidars atmosphériques se dégrade avec le vieillissement des composants optoélectroniques constituant l'instrument. De telles variations instrumentales ne peuvent être anticipées et ne sont donc pas prises en compte dans le calcul des paramètres lidars par l'étalonnage extérieur initial.
Un but de l'invention est notamment de remédier à tout ou partie des inconvénients liés aux procédés d'étalonnage en extérieur. En particulier, un but de l'invention est de proposer un dispositif et un procédé d'étalonnage de taille réduite pouvant fonctionner sans atmosphère réelle.
Un autre but est de proposer un dispositif et un procédé d'étalonnage pouvant être intégré directement dans un lidar.
Un autre but est de proposer un dispositif et un procédé d'étalonnage permettant de procéder à l'étalonnage régulier du lidar sans modifier sa configuration.
Un autre but de l'invention est de proposer un dispositif et un procédé d'étalonnage permettant de conférer une plus grande précision à l'étalonnage en distance, en vitesse et à la mesure de l'efficacité lidar.
Un autre but de l'invention est de proposer un outil d'auto diagnostic intégrable au lidar.
Exposé de l'invention
A cet effet, selon un premier aspect de l'invention, il est proposé un dispositif d'étalonnage d'un lidar atmosphérique comprenant :
-une fibre optique agencée pour propager au moins une partie d'un faisceau émis par le lidar,
-un élément réflecteur situé à une extrémité de la fibre optique et agencé pour réfléchir dans la fibre optique une portion de l'au moins une partie du faisceau se propageant dans la fibre optique ; le dispositif d'étalonnage étant caractérisé en ce que : -la fibre optique comprend des diffuseurs répartis le long de la fibre optique et rétrodiffusant des fractions de l'au moins une partie du faisceau se propageant dans la fibre optique, et en ce qu'il comprend :
-un dispositif de couplage agencé pour coupler :
• dans la fibre optique au moins une partie du faisceau émis par le lidar, et
• dans le lidar au moins une partie desdites fractions rétrodiffusées par les diffuseurs, et au moins une partie d'un faisceau réfléchi par l'élément réflecteur.
La fibre optique peut être monomode.
Avantageusement, la fibre optique est une fibre optique multimodes.
La fibre optique présente un cœur dont un diamètre peut être inférieur à 200 pm, de préférence inférieure à 100 pm.
L'élément réflecteur peut être tout moyen technique semi- réfléchissant connu de l'homme du métier, tel que, en particulier, un dioptre situé en extrémité de fibre ou une surface optique extérieure de réflectivité contrôlée.
L'au moins une partie du faisceau émis par le lidar et couplée à la fibre optique peut être définie comme le faisceau incident.
L'ensemble des fractions rétrodiffusées, par les diffuseurs, de l'au moins une partie du faisceau se propageant dans la fibre optique peut être définie comme une partie rétrodiffusée de l'au moins une partie du faisceau se propageant dans la fibre optique.
L'élément réflecteur peut être situé à une sortie de la fibre optique.
Le dispositif de couplage peut être situé entre le lidar et une entrée de la fibre optique.
Selon l'invention, au moins une partie des diffuseurs peut être des défauts d'homogénéité de la fibre optique.
Il peut être entendu par défauts d'homogénéité des défauts de structures du cœur de la fibre optique et/ou d'une gaine de la fibre optique.
Il peut être entendu par défauts d'homogénéité des défauts structurels du cœur de la fibre optique et/ou de la gaine de la fibre optique.
Avantageusement, au moins une partie des diffuseurs sont des atomes constituant la fibre optique. Avantageusement, une partie du signal rétrodiffusé par la fibre optique provient de la rétrodiffusion des atomes constituants la fibre optique.
La rétrodiffusion des atomes constituants la fibre optique peut être une rétrodiffusion Rayleigh.
Les défauts d'homogénéité de la fibre optique peuvent être des défauts intrinsèques de la fibre optique.
II peut être entendu par défauts intrinsèques, des défauts pouvant être inhérents à la fibre optique.
Les défauts intrinsèques peuvent être inhérents au procédé de fabrication de la fibre optique. Les défauts d'homogénéité de la fibre optique peuvent être des défauts apportés volontairement à la fibre optique.
Les défauts d'homogénéité peuvent être générés par tous les traitements connus de l'homme du métier, tel que, en particulier :
-un traitement chimique en milieux liquide aqueux ou organiques, et/ou
-un traitement par plasma, et/ou
-un traitement thermique, et/ou
-un traitement par irradiation.
Les défauts peuvent être générés sur toute la longueur de la fibre optique.
Les défauts peuvent être générés en des zones localisées de la fibre optique.
La fibre optique peut comprendre des diffuseurs répartis sur toute la longueur de la fibre optique et agencés pour reproduire des effets de rétrodiffusion et/ou d'extinction engendrés par une atmosphère inhomogène sur un faisceau émis par un lidar.
Les défauts peuvent être répartis de façon uniforme sur toute la longueur de la fibre optique. Les défauts peuvent être répartis aléatoirement sur toute la longueur de la fibre optique.
La rétrodiffusion des fractions de l'au moins une partie du faisceau se propageant dans la fibre optique par les diffuseurs répartis le long de la fibre optique peut également être définie comme une rétrodiffusion volumique engendrée par les diffuseurs.
La rétrodiffusion volumique engendrée par les diffuseurs peut également peut être assimilée à une diffusion linéique répartie sur la longueur de la fibre optique.
Il peut être entendu par atmosphère homogène une tranche d'atmosphère au sein de laquelle les interactions d'un faisceau optique donné avec ladite atmosphère homogène sont sensiblement équivalentes sur toute l'épaisseur de ladite tranche d'atmosphère.
La fibre optique peut comprendre des diffuseurs localisés en une ou plusieurs zones définies de la fibre optique, appelées zones diffusantes, lesdits diffuseurs étant agencés de manière à ce que ladite ou lesdites zones diffusantes présentent des coefficients de rétrodiffusion et d'extinction ajustables de manière à reproduire des effets de rétrodiffusion et/ou d'extinction engendrés par un ou plusieurs types d'aérosols atmosphériques sur un faisceau émis par un lidar.
Le coefficient d'extinction peut être défini comme comprenant la somme du coefficient d'absorption et du coefficient de diffusion.
Une zone diffusante peut comprendre plusieurs diffuseurs localisés au sein de ladite zone.
Les effets de rétrodiffusion et d'extinction des diffuseurs localisés au sein des zones diffusantes peuvent être différents des effets de rétrodiffusion et d'extinction des diffuseurs répartis sur toutes la longueur de la fibre optique.
Au moins une partie des diffuseurs localisés et/ou au moins une partie des diffuseurs répartis sur toute la longueur de la fibre optique peuvent être des défauts intrinsèques de la fibre optique.
Au moins une partie des diffuseurs localisés et/ou au moins une partie des diffuseurs répartis sur toute la longueur de la fibre optique peuvent être des défauts apportés volontairement à la fibre optique. Au moins un des diffuseurs peut présenter un coefficient de rétrodiffusion optique et/ou un coefficient d'extinction optique différent d'un coefficient de rétrodiffusion optique et/ou d'un coefficient d'extinction optique d'au moins un autre des diffuseurs.
Les diffuseurs peuvent présenter un coefficient d'extinction optique et/ou un coefficient de rétrodiffusion optique identique.
Un diffuseur peut présenter un coefficient d'extinction optique et/ou un coefficient de rétrodiffusion optique différent d'un coefficient d'extinction optique et/ou d'un coefficient de rétrodiffusion optique d'un ou de plusieurs autres diffuseurs.
Chaque diffuseur peut présenter un coefficient d'extinction optique et/ou un coefficient de rétrodiffusion optique différent.
Au moins un des diffuseurs répartis le long de la fibre optique peut présenter un coefficient d'extinction optique et/ou un coefficient de rétrodiffusion optique différent du coefficient de rétrodiffusion optique et/ou du coefficient d'extinction optique d'au moins un des diffuseurs localisés.
Les diffuseurs répartis le long de la fibre optique peuvent présenter un coefficient d'extinction optique et/ou un coefficient de rétrodiffusion optique différent du coefficient de rétrodiffusion optique et/ou du coefficient d'extinction optique de l'ensemble des diffuseurs localisés.
Les diffuseurs répartis le long de la fibre optique peuvent présenter un coefficient d'extinction optique et/ou un coefficient de rétrodiffusion optique identique.
Les diffuseurs localisés au sein d'une même zone diffusante peuvent présenter un coefficient d'extinction optique et/ou un coefficient de rétrodiffusion optique identique.
Les diffuseurs localisés au sein d'une zone diffusante peuvent présenter un coefficient d'extinction optique et/ou un coefficient de rétrodiffusion optique différent des diffuseurs localisés au sein d'une autre zone diffusante.
Une zone diffusante peut présenter un coefficient d'extinction optique et/ou un coefficient de rétrodiffusion optique différent d'un coefficient d'extinction optique et/ou d'un coefficient de rétrodiffusion optique d'une autre zone diffusante. L'unité de traitement peut moduler le ou les coefficients d'extinction d'une ou de plusieurs zones diffusantes.
Selon l'invention, la fibre optique peut être constituée d'un ensemble de fibres optiques présentant des caractéristiques différentes.
Les caractéristiques d'une fibre optique peuvent être, entres autres : -le diamètre du cœur,
-un diamètre de gaine,
-une longueur de fibre,
-un coefficient de rétrodiffusion optique d'un diffuseur,
-un coefficient d'extinction optique d'un diffuseur.
Le dispositif de couplage peut comprendre un atténuateur optique agencé pour atténuer une puissance d'un faisceau incident, ledit faisceau incident étant défini comme ladite au moins une partie du faisceau émis par le lidar et couplée avec la fibre optique.
L'atténuateur optique peut être tout type d'atténuateur connu de l'homme du métier, tel que, en particulier, un atténuateur fixe.
L'atténuateur optique peut être tout type d'atténuateur connu de l'homme du métier, tel que, en particulier, un atténuateur variable.
L'atténuateur optique peut être un dispositif réglant par défocalisation ou décentrage les parties du faisceau couplées dans la fibre.
L'atténuateur peut être également être défini comme un filtre optique à densité neutre, à savoir un filtre qui absorbe de manière égale un rayonnement dans une plage spectrale donnée.
Le système de couplage peut être composé d'un atténuateur optique et d'un objectif optique.
L'objectif optique peut être tout type d'objectif connu de l'homme du métier tel que, en particulier, un miroir convergent ou une lentille convergente.
Selon l'invention, le dispositif peut comprendre :
-un détecteur, situé en aval de l'élément réflecteur par rapport à la direction de propagation du faisceau incident, agencé pour mesurer une puissance d'une partie du faisceau incident non réfléchie par l'élément réflecteur, ledit dispositif étant caractérisé en ce qu'il comprend : -une unité de traitement configurée pour calculer la puissance du faisceau incident.
La puissance du faisceau incident peut être calculée à partir de la puissance de la partie du faisceau non réfléchie par l'élément réflecteur.
La puissance du faisceau incident peut être calculée à partir d'un coefficient de transmission et/ou d'un coefficient de réflexion de l'élément réflecteur.
La puissance du faisceau incident peut être calculée à partir de la puissance de la partie du faisceau non réfléchie par l'élément réflecteur et à partir d'un coefficient de transmission et/ou d'un coefficient de réflexion de l'élément réflecteur.
L'unité de traitement peut être tout type de moyen technique de calcul connu de l'homme du métier.
L'unité de traitement peut être reliée à l'atténuateur et/ou au lidar, et configurée pour moduler une puissance du faisceau émis par le lidar et/ou la puissance du faisceau incident, au moyen de l'atténuateur, de manière à ce que des caractéristiques de faisceaux rétrodiffusés par les défauts d'homogénéité de la fibre optique, et des caractéristiques de l'au moins un faisceau réfléchi soient dans la gamme des paramètres d'une chaîne de détection du lidar utilisés dans le cas de mesures atmosphériques extérieures.
Un faisceau rétrodiffusé peut être défini comme un signal optique retournant vers le lidar après réflexion par les défauts d'homogénéité.
L'atténuateur peut, de préférence, être un atténuateur variable dont la densité optique est ajustable.
L'atténuateur optique peut comprendre plusieurs atténuateurs, tel que, en particulier, un atténuateur fixe et un atténuateur variable.
L'unité de traitement peut moduler la puissance du faisceau émis par le lidar, en particulier, au moyen d'une modulation de la puissance émise par un LASER compris dans une chaîne d'émission du lidar.
Il peut être entendu par gamme, une dynamique de mesure.
Le dispositif selon l'invention peut comprendre un dispositif de brouillage de phase agencé pour générer des variations de chemins optiques dans la fibre optique supérieure à une longueur d'onde du faisceau émis par le lidar.
Le dispositif de brouillage de phase peut être agencé pour moduler, en particulier, la phase du signal d'au moins un faisceau rétrodiffusé de manière à moyenner les effets de cohérence entre les signaux des fractions de l'au moins une partie du signal se propageant dans la fibre optique et obtenir une mesure équivalente à un signal rétrodiffusé par une atmosphère dynamique.
Le dispositif de brouillage de phase peut comprendre :
-un système mécanique agencé pour générer des vibrations sur tout ou partie de la fibre optique, et/ou
-un dispositif thermique de chauffage et/ou de refroidissement, non homogène, d'au moins une partie de la fibre optique, et/ou
-une modulation d'une fréquence de la source laser du lidar comprise, de préférence, entre 1 kHz et 10 GHz.
La modulation de la fréquence de la source laser du lidar peut être comprise entre 1 kHz et 10 GHz, de préférence entre 10 kHz et 1 GHz, elle peut être définie par l'homme du métier comme une modulation fine.
Le système mécanique peut être, en particulier, un dispositif vibrant relié à la fibre optique et agencé pour engendrer un brouillage de phase sur tout ou partie de la fibre optique.
Le dispositif de brouillage peut comprendre plusieurs systèmes mécaniques et/ou plusieurs dispositifs thermiques de chauffage et/ou de refroidissement.
Le mouvement de translation peut être généré, par le système mécanique, selon une direction aléatoire.
L'élément réflecteur peut être constitué par un plan de sortie de la fibre optique, ledit plan de sortie formant un angle avec un plan perpendiculaire à un axe de révolution du cœur de la fibre optique.
Le plan de sortie de la fibre optique peut être défini comme le dioptre situé du côté de la sortie de la fibre optique.
L'angle peut être généré par toute technique adaptée, tel que, en particulier, un clivage, un polissage, une gravure, une abrasion, un limage. La fibre optique peut présenter une longueur L telle que la distance maximale mesurable par le lidar soit supérieure à L/n, où n est un indice effectif du mode transverse de propagation de la fibre optique.
L'indice effectif d'un mode de la fibre optique peut être défini comme égal à neff = b/k, b étant la constante de propagation du mode transverse considéré dans la fibre et k le vecteur d'onde.
L'angle formé entre le plan de sortie de la fibre optique et un plan perpendiculaire à l'axe de révolution du cœur de la fibre optique peut être compris entre 0 et 80°, de préférence entre 0 et 40°, de préférence encore entre 0 et 20°.
Selon un second aspect de l'invention, il est proposé un lidar atmos- phérique dans lequel est intégré un dispositif d'étalonnage selon le premier aspect de l'invention, ledit dispositif d'étalonnage étant agencé pour contrô- ler, lorsque le lidar est en fonctionnement, l'étalonnage du lidar :
-en continu, par l'intermédiaire d'une partie d'un faisceau émis par le lidar et déportée en continu vers ledit dispositif d'étalonnage, ou
-à intervalle de temps régulier, en outre durant un intervalle de temps séparant deux mesures consécutives du lidar, en déportant le fais- ceau émis par le lidar vers ledit dispositif d'étalonnage.
Le dispositif peut, de préférence, être intégré dans la structure du lidar.
Lorsque le dispositif d'étalonnage est intégré au lidar, l'unité de traitement peut être configurée pour alerter un utilisateur en cas de dérive des paramètres du signal reçu par le lidar.
Selon un troisième aspect de l'invention, il est proposé une utilisation du dispositif d'étalonnage selon le premier aspect de l'invention, pour la mise en œuvre d'un procédé d'étalonnage d'un lidar atmosphérique.
Le procédé d'étalonnage peut être tout procédé d'étalonnage d'un lidar connu de l'homme du métier. Selon un quatrième aspect de l'invention, il est proposé un procédé d'étalonnage d'un lidar atmosphérique caractérisé en ce qu'il comprend un calcul de paramètres d'étalonnage du lidar à partir, en outre, de données provenant :
-d'un signal d'une partie réfléchie, par un élément réflecteur dans une fibre optique, d'au moins un faisceau se propageant dans ladite fibre optique, ledit élément réflecteur étant situé à une extrémité de la fibre optique par rapport à une direction d'un faisceau incident, ledit faisceau incident étant défini comme un faisceau, ou une partie d'un faisceau, émis par le lidar et couplé avec la fibre optique au niveau d'une autre extrémité de ladite fibre optique, et
-de signaux de fractions diffusées, par des diffuseurs répartis sur toute la longueur de la fibre optique, de l'au moins un faisceau se propageant dans la fibre optique, une partie desdites fractions diffusées de l'au moins un faisceau se propageant dans la fibre optique étant couplées au lidar, lesdits diffuseurs étant agencés pour reproduire des effets de rétrodiffusion et d'extinction engendrés par une atmosphère inhomogène sur un faisceau émis par un lidar.
Les fractions diffusées, par des diffuseurs répartis sur toute la longueur de la fibre optique, de l'au moins un faisceau se propageant dans la fibre optique peuvent être des fractions rétrodiffusées.
L'extrémité de la fibre optique en aval de laquelle est situé l'élément réflecteur, par rapport à la direction du faisceau incident, peut être définie comme une sortie de la fibre optique.
L'autre extrémité de la fibre optique à laquelle le faisceau, ou la partie du faisceau, émis par le lidar est couplé avec la fibre optique peut être définie comme une entrée de la fibre optique.
L'étape de couplage du faisceau, ou de la partie du faisceau, émis par le lidar peut être réalisée par un dispositif de couplage.
L'étape de couplage d'une partie des fractions rétrodiffusées et atténuées de l'au moins un faisceau se propageant dans la fibre optique avec le lidar peuvent être réalisée par le dispositif de couplage.
La rétrodiffusion des fractions de l'au moins une partie du faisceau se propageant dans la fibre optique par les diffuseurs répartis le long de la fibre optique peut également être définie comme une rétrodiffusion volumique engendrée par les diffuseurs.
Les diffuseurs répartis sur toute la longueur de la fibre optique peuvent comprendre des défauts répartis aléatoirement sur toute la longueur de la fibre optique.
Le procédé d'étalonnage d'un lidar selon l'invention peut comprendre :
-une entrée de paramètres de la chaîne de détection du lidar, dans des moyens techniques, équivalents aux paramètres utilisés pour une mesure atmosphérique extérieure, et/ou
-une entrée de paramètres de la chaîne d'émission du lidar, dans des moyens techniques, équivalents aux paramètres utilisés pour une mesure atmosphérique.
Les paramètres d'étalonnage peuvent être calculés à partir de données provenant d'un ou de plusieurs signaux d'une ou de plusieurs fractions de l'au moins un faisceau se propageant dans la fibre optique diffusées par une ou plusieurs zones diffusantes localisées comprenant des diffuseurs ; ladite ou lesdites zones diffusantes localisées présentent des coefficients de rétrodiffusion et d'extinction ajustables de manière à reproduire des effets de rétrodiffusion et/ou d'extinction engendrés par des aérosols atmosphériques inhomogènes sur un faisceau émis par un lidar.
Les effets de rétrodiffusion et/ou d'extinction produits par les diffuseurs localisés peuvent être différents des effets de rétrodiffusion et/ou d'extinction produits par les diffuseurs répartis sut toute la longueur de la fibre optique.
Les données provenant du ou des signaux de la ou des fractions de l'au moins un faisceau se propageant dans la fibre optique diffusées peuvent être associées, lors de l'étape de calcul des paramètres d'étalonnage, aux données provenant du signal de la partie réfléchie, par un élément réflecteur dans une fibre optique, de l'au moins un faisceau se propageant dans ladite fibre optique et aux données provenant des signaux des fractions rétrodiffusées, par des diffuseurs répartis sur toute la longueur de la fibre optique, de l'au moins un faisceau se propageant dans la fibre optique. Le procédé d'étalonnage selon l'invention peut comprendre :
-une mesure, par un détecteur situé en aval de l'élément réflecteur par rapport à la direction de propagation du faisceau incident, d'une puissance d'une partie du faisceau incident non réfléchie par l'élément réflecteur,
-un calcul, par une unité de traitement, d'une puissance dudit faisceau incident,
-un ajustement, à partir de la puissance dudit faisceau incident calculée, d'une puissance du faisceau émis par le lidar et/ou de la puissance du faisceau incident, au moyen d'un atténuateur, de manière à ce que des caractéristiques de faisceaux diffusés par les défauts d'homogénéité de la fibre optique et des caractéristiques d'un ou de plusieurs faisceaux réfléchis soient dans la gamme des paramètres de la chaîne de détection du lidar utilisés dans le cas de mesures atmosphériques extérieures.
Les faisceaux diffusés par les défauts d'homogénéité de la fibre optique peuvent être des faisceaux rétrodiffusés.
Le faisceau incident peut être le seul faisceau se propageant selon une direction reliant l'entrée et la sortie de la fibre optique.
Plusieurs faisceaux peuvent se propager selon la direction reliant l'entrée et la sortie de la fibre optique lorsque :
-la ou des parties du faisceau émises par le lidar et se propageant dans la ou lesdites lignes à retard sont injectées dans la fibre optique, et/ou
-la ou des parties du faisceau émises par le lidar et se propageant dans la ou lesdites lignes à retard sont couplées avec la fibre optique.
Le procédé d'étalonnage selon l'invention peut comprendre une étape de génération, par au moins un dispositif de brouillage, d'au moins une variation de chemin optique dans la fibre optique, ladite au moins une variation de chemin optique étant supérieure à une longueur d'onde du faisceau émis par le lidar.
L'au moins une variation de chemin optique peut être générée, par le système de brouillage, par :
-des vibrations générées mécaniquement sur tout ou partie de la fibre optique, et/ou -un chauffage et/ou un refroidissement, non homogène, d'au moins une partie de la fibre optique, et/ou
-une modulation de la fréquence de la source laser du lidar.
Les paramètres d'étalonnage calculés lors de la mise en œuvre du procédé d'étalonnage selon l'invention peuvent comprendre :
-un étalonnage de la mesure en distance à partir de caractéristiques d'un écho lidar, en outre, à partir des caractéristiques temporelles du ou des faisceaux réfléchis par l'élément réflecteur,
-un étalonnage de la résolution spatiale à partir de caractéristiques d'un étalement temporel de l'écho lidar,
-un étalonnage de la mesure en vitesse à partir de caractéristiques spectrales des faisceaux diffusés par les diffuseurs,
-un étalonnage de la résolution en vitesse, selon la puissance détectée, à partir d'un écart type de la mesure en vitesse, ledit écart type étant modulé :
• par atténuation progressive du ou des faisceaux se propageant dans la fibre optique au moyen des défauts d'homogénéité répartis de façon uniforme sur toute la longueur de la fibre optique, et/ou
• par une modification du couplage du faisceau, ou de la partie du faisceau, émis par le lidar avec la fibre optique au moyen du dispositif de couplage,
-une évaluation de l'efficacité du lidar en calculant.
L'évaluation de l'efficacité peut être obtenue en calculant un rapport entre la puissance des faisceaux rétrodiffusés par la fibre optique et mesurés par le lidar et la puissance du faisceau émis par le lidar et couplé avec la fibre optique.
L'étalement de l'écho lidar peut être défini comme la durée temporelle pendant laquelle un signal, ou des signaux, correspondant au faisceau, ou aux faisceaux, réfléchi est détecté par la chaîne de détection du lidar. Le procédé d'étalonnage selon l'invention peut être mis en œuvre concomitamment à une mesure atmosphérique en déportant une partie du faisceau émis par le lidar vers un dispositif d'étalonnage, de préférence un dispositif d'étalonnage selon le premier aspect de l'invention.
Le procédé d'étalonnage selon l'invention peut être mis en œuvre à intervalle de temps régulier, en outre durant un intervalle de temps séparant deux mesures atmosphériques consécutives, en déportant le faisceau émis par le lidar vers un dispositif d'étalonnage, de préférence un dispositif d'étalonnage selon le premier aspect de l'invention.
Le procédé d'étalonnage, lorsque le dispositif d'étalonnage est intégré dans le lidar, peut comprendre une étape visant à alerter l'utilisateur en cas de dérive du signal reçu.
Description des figures et modes de réalisation
D'autres avantages et particularités de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée de mises en œuvre et de modes de réalisation nullement limitatifs, et des dessins annexés suivants :
la FIGURE 1 est une représentation schématique d'un dispositif d'étalonnage d'un lidar selon un premier aspect de l'invention,
la FIGURE 2 est une représentation schématique d'un dispositif d'étalonnage d'un lidar selon un deuxième aspect de l'invention,
les FIGURES 3 et 4 sont des courbes illustrant les caractéristiques de parties réfléchies et rétrodiffusées, couplées dans une voie de détection d'un lidar, d'un faisceau émis par une voie d'émission dudit lidar.
Les modes de réalisation décrits ci-après étant nullement limitatifs, on pourra notamment considérer des variantes de l’invention ne comprenant qu’une sélection de caractéristiques décrites, isolées des autres caractéristiques décrites (même si cette sélection est isolée au sein d’une phrase comprenant ces autres caractéristiques), si cette sélection de caractéristiques est suffisante pour conférer un avantage technique ou pour différencier l’invention par rapport à l’état de la technique antérieure. Cette sélection comprend au moins une caractéristique, de préférence fonctionnelle sans détails structurels, ou avec seulement une partie des détails structurels si cette partie uniquement est suffisante pour conférer un avantage technique ou pour différencier l'invention par rapport à l'état de la technique antérieure.
En référence à la FIGURE 1, il est décrit, dans un premier mode de réalisation, un dispositif d'étalonnage 1 d'un lidar 2 atmosphérique comprenant une fibre optique 3 agencée pour propager au moins une partie (non représentée) d'un faisceau 5 émis par le lidar 2. Le lidar 2 à étalonner est un lidar dont les objectifs d'émission et de réception sont confondus, l'homme du métier qualifie un tel agencement de configuration monostatique. Le lidar 2 émet en mode impulsionnel dans l'infrarouge à 1550 nm.
Selon le premier mode de réalisation, le dispositif d'étalonnage 1 comporte également un élément réflecteur 6 situé à une extrémité de la fibre optique 3 et agencé pour réfléchir dans la fibre optique 3 une portion 7 de l'au moins une partie du faisceau se propageant dans la fibre optique 3. L'au moins une partie du faisceau se propageant dans la fibre optique 3 correspond, selon le mode de réalisation particulier, à la partie 4 du faisceau 5 émis par le lidar 2 couplée avec la fibre optique. L'au moins une partie 4 du faisceau 5 émis par le lidar 2 couplé avec la fibre optique 3 est désigné par le terme faisceau incident 4.
L'élément réflecteur 6 consiste en un clivage de la fibre optique 3, le plan de sortie 11 de la fibre optique 3 après clivage présentant un angle de 5° avec un plan perpendiculaire à l'axe de révolution du cœur de la fibre optique 3. La portion réfléchie 7 du faisceau incident 4 se propageant dans la fibre optique 3 dépend du mode de propagation sélectionné. Selon le mode de réalisation, le signal de la portion réfléchie 7 équivaut à 2% du faisceau indicent 4 se propageant dans la fibre optique 3.
La fibre optique 3 comprend des diffuseurs (non représentés) répartis le long de la fibre optique 3 et rétrodiffusant des fractions du faisceau incident 4 se propageant dans la fibre optique 3. La fibre optique 3 utilisée est une fibre optique multimodes commerciale de diamètre de cœur de 100 pm. La fibre optique 3 comporte des défauts intrinsèques répartis sur toute la longueur de la fibre optique 3, lesdits défauts engendrant une rétrodiffusion uniforme représentative de celle provoquée par une atmosphère inhomogène. Le faisceau incident 4 se propageant dans la fibre optique 3 est rétrodiffusé 8, ledit faisceau rétrodiffusé 8 étant constitué par l'ensemble des fractions rétrodiffusées du faisceau incident 4. La longueur de la fibre optique 3 est calculée de sorte que la distance maximale mesurable par le lidar 1 soit supérieure à L/n, L étant la longueur de la fibre optique et n l'indice effectif du mode optique fondamental transverse de la fibre optique 3. Son indice effectif est égal à 1,46. La longueur de la fibre optique 3 est de 10 kilomètres.
Le dispositif d'étalonnage 1 comprend également un dispositif de couplage 9 agencé pour coupler :
• au moins une partie 4 du faisceau 5 émis par le lidar 2 avec la fibre optique 3 selon un ou des modes de propagation prédéterminés,
• au moins une partie 71,81 :
o desdites fractions rétrodiffusées par les diffuseurs, et o d'au moins un faisceau réfléchi 7 par l'élément réflecteur 5 avec le lidar 2.
Selon le mode de réalisation, l'au moins un faisceau réfléchi 7 correspond à la portion 7 du faisceau incident 4 réfléchie par l'élément réflecteur 6.
Le dispositif de couplage 9 comprend un atténuateur optique 10 et un objectif optique convergent 12 focalisant une partie 4 du faisceau 5 émis par le lidar 2 et couple avec le lidar 2 une partie 81 du signal du faisceau rétrodiffusé 8 et une partie 71 du faisceau réfléchi 7. Selon le mode de réalisation, l'atténuateur optique 10 utilisé est un filtre optique 10 présentant une densité optique ajustable.
Toujours selon le premier mode de réalisation, le dispositif d'étalonnage 1 comprend, en tête de la fibre optique 3, un dispositif de brouillage de phase 13 permettant de moyenner, lors de la mesure, les interférences liées à la position statique des diffuseurs. Le dispositif de brouillage de phase 13 est constitué par un pot vibrant (non représenté) sur lequel est montée une portion de la fibre optique 3. Le dispositif de brouillage de phase 13 module le couplage de l'au moins une partie 4 du faisceau 5 émis par le lidar 2 avec la fibre optique 3 dans différents modes de propagation et par conséquent la phase du signal des parties 81 du faisceau rétrodiffusé 8 couplées avec le lidar 2.
Le dispositif d'étalonnage 1 comprend également un détecteur 14 situé en aval du plan de sortie 11 de la fibre optique 3. Le détecteur 14 est agencé pour mesurer la puissance du signal de la portion 15 du faisceau incident 4 non réfléchie par l'élément réflecteur 6.
Le dispositif d'étalonnage 1 comprend une unité de traitement 16 à laquelle est relié le filtre optique à densité optique ajustable 10 et le détecteur 14. L'unité de traitement 16 est configurée pour calculer la puissance du faisceau incident 4 à partir de la puissance du signal de la portion 15 du faisceau incident 4 non réfléchie par l'élément réflecteur 6. L'unité de traitement 16 est également configurée pour mesurer la puissance du faisceau incident 4 et pour permettre de moduler la densité optique du filtre ajustable 10, de manière à ce que les parties 81 du faisceau rétrodiffusé 8 et la partie 71 du faisceau réfléchi 7 couplées avec le lidar soit dans la gamme des paramètres de mesure, ou dynamique nominale de mesure, de la chaîne de détection.
En référence à la FIGURE 2, il est décrit, dans une variante du premier mode de réalisation, un dispositif d'étalonnage 1 dans lequel la fibre optique 3 comprend, en outre, des diffuseurs localisés en deux zones diffusantes 17 de la fibre optique 3. L'ensemble des éléments de la FIGURE 1 sont présents dans la FIGURE 2 et les références desdits éléments sont identiques dans les deux FIGURES. Chacune des deux zones diffusantes 17 comporte une pluralité de diffuseurs. Les zones diffusantes 17 présentent des coefficients de rétrodiffusion ajustables, la valeur du coefficient de rétrodiffusion des zones diffusantes 17 a été ajustée de manière à reproduire les effets d'extinction et de rétrodiffusion couramment engendrés par des aérosols atmosphériques sur un faisceau émis par un lidar atmosphérique. Chaque zone diffusante 17 est agencée pour générer une rétrodiffusion d'une fraction supplémentaire 18 du faisceau incident 4. Une partie 181 de chaque fraction supplémentaire 18 du faisceau incident 4 rétrodiffusée est couplée avec le lidar 2 par l'intermédiaire du dispositif de couplage 9. Sur les FIGURES 3 et 4 sont représentées des courbes illustrant les caractéristiques des parties réfléchies 21 et rétrodiffusées 22,28, couplées dans une voie de détection d'un lidar 2, d'un faisceau émis par une voie d'émission dudit lidar 2. Les données, à partir desquelles les courbes sont tracées, sont acquises par l'intermédiaire de la chaîne de détection du lidar 2. La puissance du signal reçu 19 par le lidar est représentée en échelle logarithmique en ordonnée de la courbe, ladite courbe étant tracée en fonction du temps 20. Le temps de propagation aller-retour du faisceau dans la fibre optique est lié à tout instant à la distance de propagation du faisceau dans la fibre optique par la relation t = 2*nD/c, ou n est l'indice effectif du mode transverse de fibre dans lequel se propage le faisceau, D est la distance parcourue par le faisceau dans la fibre optique et c est la vitesse de la lumière dans le vide. De fait, les abscisses 20 de la courbe représentent, à un facteur près, la distance de propagation du faisceau dans la fibre optique et le temps de propagation du faisceau dans la fibre optique.
En référence aux FIGURES 1 à 4, dans un deuxième mode de réalisation, il est prévu un procédé d'étalonnage d'un lidar atmosphérique 2 comprenant un calcul de paramètres d'étalonnage du lidar à partir, en outre, de données provenant d'une partie réfléchie 21 du faisceau incident 4 se propageant dans la fibre optique 3. La partie 21 est un faisceau ayant réfléchi sur un élément réflecteur 6 dans la fibre optique 3. Cet élément réflecteur 6 est situé à une extrémité de la fibre optique 3 par rapport à une direction du faisceau incident 4. Ledit faisceau incident 4 est défini comme un faisceau, ou une partie d'un faisceau, émis par le lidar 2 et couplé avec la fibre optique 3 au niveau d'une autre extrémité de ladite fibre optique 3.
L'étape de calcul des paramètres d'étalonnage d'un lidar du procédé d'étalonnage d'un lidar atmosphérique selon l'invention, comprend également des données provenant d'un signal 22 d'une portion 81 du faisceau rétrodiffusé 8, par des diffuseurs répartis sur toute la longueur de la fibre optique 3, couplée au lidar 2, lesdits diffuseurs étant agencés pour reproduire des effets de rétrodiffusion et d'extinction engendrés par une atmosphère inhomogène sur un faisceau 5 émis par un lidar 2.
Selon le mode de réalisation, le procédé est mis en œuvre au moyen d'un lidar 2 fonctionnant en mode impulsionnel et l'au moins un faisceau se propageant dans la fibre optique 3 correspond au signal 5 émis par le lidar et couplé, par un dispositif de couplage bidirectionnel 9, avec la fibre optique 3. La puissance maximale 23 du signal 21 de la portion 71, de la partie réfléchie 7 du faisceau incident 4 se propageant dans la fibre optique 3, couplée avec le lidar 2 est mesurée par le lidar 2. L'énergie 24 du signal 21 est calculée à partir des données acquises par le lidar 2. Le temps de propagation aller-retour 25 du faisceau incident 4 se propageant dans la fibre optique 3 correspond au temps écoulé entre l'émission par le lidar 2 du faisceau 5, à un instant t0 26, et la détection par le lidar 2, à un instant ti 27, de la partie 7 réfléchie par l'élément réflecteur 6, du faisceau se propageant dans la fibre optique 3. Le signal 21 de la portion 71, de la partie réfléchie 7 du faisceau incident 4 se propageant dans la fibre optique 3, couplée avec le lidar 2 est désigné par écho lidar.
En référence à la FIGURE 4, il est décrit, dans une variante du second mode de réalisation, un procédé d'étalonnage dans lequel les paramètres d'étalonnage sont calculés à partir des données du second mode de réalisation et de données supplémentaires provenant des signaux 28 correspondant aux portions 181 des fractions rétrodiffusées 18 couplées avec le lidar 2.
Selon le second mode de réalisation, les paramètres d'étalonnage comprennent un étalonnage de la mesure en distance à partir des caracté- ristiques du signal 21 du faisceau réfléchi 7 par l'élément réflecteur 6. Le temps aller-retour de propagation 25 dans la fibre optique 3 du faisceau 5 émis par le lidar 2 est égal à t= 2 n D /c, où n est l'indice effectif du mode transverse de fibre se propageant dans la fibre optique, n ~ 1.46, et c est la vitesse de la lumière dans le vide, c=299792.458m/s. Ce temps de propa- gation aller-retour 25 est identique à celui obtenu sur une tranche d'atmosphère d'épaisseur nD. Par la connaissance du temps de propagation 2nD/c du faisceau 5 émis par le lidar 2 dans la fibre optique 3, il est donc possible de calibrer la fonction télémétrie du lidar 2.
Les paramètres d'étalonnage comprennent également un étalonnage de la résolution spatiale à partir de caractéristiques d'un étalement temporel de l'écho lidar 7. La résolution en distance est calculée par l'étalement de la réponse du lidar sur l'élément réflecteur 6 situé à l'extrémité de fibre op- tique 3, constituant un obstacle dur dont la distance est identique pour tous les points du faisceau 5 émis par le lidar 2. La résolution spatiale du lidar est une fonction de la durée d'impulsion et des paramètres du traitement du signal.
Les paramètres d'étalonnage comprennent également un étalonnage de la mesure en vitesse à partir de caractéristiques spectrales des signaux 28 des fractions rétrodiffusées 18,8, par les diffuseurs, du faisceau incident 4 se propageant dans la fibre optique 3. Les diffuseurs sont à vitesse nulle dans la fibre optique 3 contrairement aux aérosols atmosphériques. La me sure de la vitesse nulle par le lidar Doppler est donc directe et précise.
Les paramètres d'étalonnage comprennent également un étalonnage de la résolution en vitesse, à partir d'un écart type de la mesure en vitesse, ledit écart type étant modulé :
-par atténuation progressive du signal se propageant dans la fibre optique 3 au moyen des diffuseurs répartis de façon uniforme sur toute la longueur de la fibre optique 3, et
-par une modification du couplage du faisceau 5 émis par le lidar 2 avec la fibre optique 3 au moyen du dispositif de couplage 9.
Enfin, Les paramètres d'étalonnage comprennent également une évaluation de l'efficacité du lidar en calculant un rapport entre la puissance des signaux 22,28 des faisceaux rétrodiffusés 18,8 par la fibre optique 3 et mesurés par le lidar 2 et la puissance, calculée à partir de la mesure éffectuée par le détecteur 14, du faisceau 5 émis par le lidar 2 et couplé dans la fibre optique 3.
Bien sûr, l'invention n'est pas limitée aux exemples qui viennent d'être décrits et de nombreux aménagements peuvent être apportés à ces exemples sans sortir du cadre de l'invention.
Ainsi, dans des variantes combinables entre elles des modes de réalisation précédemment décrits, l'unité de traitement 16 est également configurée pour moduler les coefficients d'extinction des zones diffusantes 17. De plus, les différentes caractéristiques, formes, variantes et modes de réalisation de l'invention peuvent être associés les uns avec les autres selon diverses combinaisons dans la mesure où ils ne sont pas incompatibles ou exclusifs les uns des autres.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif d'étalonnage (1) d'un lidar (2) atmosphérique comprenant :
-une fibre optique (3) agencée pour propager au moins une partie d'un faisceau (5) émis par le lidar,
-un élément réflecteur (6) situé à une extrémité de la fibre optique et agencé pour réfléchir dans la fibre optique une portion (7) de l'au moins une partie du faisceau se propageant dans la fibre optique ; le dispositif d'étalonnage étant caractérisé en ce que :
-la fibre optique comprend des diffuseurs répartis le long de la fibre optique et rétrodiffusant des fractions de l'au moins une partie du faisceau se propageant dans la fibre optique, et en ce qu'il comprend :
-un dispositif de couplage (9) agencé pour coupler :
• dans la fibre optique au moins une partie (4) du faisceau émis par le lidar, et
· dans le lidar au moins une partie (71,81,181) desdites fractions rétrodiffusées par les diffuseurs, et au moins une partie d'un faisceau réfléchi par l'élément réflecteur.
2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'au moins une partie des diffuseurs sont des défauts d'homogénéité de la fibre optique (3).
3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que les défauts d'homogénéité de la fibre optique (3) sont des défauts intrinsèques de la fibre optique.
4. Dispositif selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que les défauts d'homogénéité de la fibre optique (3) sont des défauts apportés volontairement à la fibre optique.
5. Dispositif d'étalonnage selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la fibre optique (3) comprend des diffuseurs répartis sur toute la longueur de la fibre optique et agencés pour reproduire des effets de rétrodiffusion et/ou d'extinction engendrés par une atmosphère inhomogène sur un faisceau (5) émis par un lidar (2).
6. Dispositif d'étalonnage selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la fibre optique (3) comprend des diffuseurs localisés en une ou plusieurs zones définies de la fibre optique, appelées zones diffusantes (17), lesdits diffuseurs étant agencés de manière à ce que ladite ou lesdites zones diffusantes présentent des coefficients de rétrodiffusion et d'extinction ajustables de manière à reproduire des effets de rétrodiffusion et/ou d'extinction engendrés par un ou plusieurs types d'aérosols atmosphériques sur un faisceau (5) émis par un lidar (2).
7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le dispositif de couplage (9) comprend un atténuateur optique (10) agencé pour atténuer une puissance d'un faisceau incident (4), ledit faisceau incident étant défini comme ladite au moins une partie du faisceau (5) émis par le lidar et couplée avec la fibre optique (3).
8. Dispositif selon la revendication 7, comprenant :
-un détecteur (14), situé en aval de l'élément réflecteur (6) par rapport à la direction de propagation du faisceau incident (4), agencé pour mesurer une puissance d'une partie (15) du faisceau incident non réfléchie par l'élément réflecteur, ledit dispositif étant caractérisé en ce qu'il comprend :
-une unité de traitement (16) configurée pour calculer la puissance du faisceau incident.
9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'unité de traitement (16) est reliée à l'atténuateur (10) et/ou au lidar (2), et configurée pour moduler une puissance du faisceau (5) émis par le lidar et/ou la puissance du faisceau incident (4), au moyen de l'atténuateur, de manière à ce que des caractéristiques de faisceaux rétrodiffusés (8,18) par les défauts d'homogénéité de la fibre optique (3), et des caractéristiques de l'au moins un faisceau réfléchi (7) soient dans la gamme des paramètres d'une chaîne de détection du lidar utilisés dans le cas de mesures atmosphériques extérieures.
10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel au moins un des diffuseurs présente un coefficient d'extinction optique et/ou un coefficient de rétrodiffusion optique différent d'un coefficient d'extinction optique et/ou d'un coefficient de rétrodiffusion optique d'au moins un autre des diffuseurs.
11. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif de brouillage de phase (13) agencé pour générer des variations de chemins optiques dans la fibre optique (3) supérieure à une longueur d'onde du faisceau (5) émis par le lidar (2).
12. Dispositif selon la revendication 11, dans lequel le dispositif de brouillage de phase (13) comprend :
-un système mécanique agencé pour générer des vibrations sur tout ou partie de la fibre optique (3), et/ou
-un dispositif thermique de chauffage et/ou de refroidissement, non homogène, d'au moins une partie de la fibre optique, et/ou
-une modulation d'une fréquence de la source laser du lidar (2) comprise, de préférence, entre 1 kHz et 10 GHz.
13. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'élément réflecteur (6) est constitué par un plan de sortie (11) de la fibre optique (3), ledit plan de sortie formant un angle avec un plan perpendiculaire à un axe de révolution du cœur de la fibre optique.
14. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la fibre optique (3) présente une longueur L telle que la distance maximale mesurable par le lidar (2) soit supérieure à L/n, où n est un indice effectif du mode transverse de propagation de la fibre optique.
15. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'angle formé entre le plan de sortie (11) de la fibre optique (3) et un plan perpendiculaire à l'axe de révolution du cœur de la fibre optique est compris entre 0 et 80°, de préférence entre 0 et 40°, de préférence encore entre 0 et 20°.
16. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la fibre optique (3) est une fibre optique multimodes.
17. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le diamètre du cœur de la fibre optique (3) est inférieur à 200 pm, de préférence inférieure à 100 pm.
18. Utilisation du dispositif d'étalonnage selon l'une quelconque des revendications 1 à 17, pour la mise en œuvre d'un procédé d'étalonnage d'un lidar atmosphérique.
19. Lidar atmosphérique dans lequel est intégré un dispositif d'étalonnage (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 17, ledit dispositif d'étalonnage étant agencé pour contrôler, lorsque le lidar (2) est en fonctionnement, l'étalonnage du lidar :
-en continu, par l'intermédiaire d'une partie d'un faisceau émis par le lidar et déportée en continue vers ledit dispositif d'étalonnage, ou
-à intervalle de temps régulier, en outre durant un intervalle de temps séparant deux mesures consécutives du lidar, en déportant le faisceau émis par le lidar vers ledit dispositif d'étalonnage.
20. Procédé d'étalonnage d'un lidar (2) atmosphérique, caractérisé en ce qu'il comprend un calcul de paramètres d'étalonnage du lidar à partir, en outre, de données provenant :
-d'un signal (21) d'une partie réfléchie (7), par un élément réflecteur (6) dans une fibre optique (3), d'au moins un faisceau se propageant dans ladite fibre optique, ledit élément réflecteur étant situé à une extrémité de la fibre optique par rapport à une direction d'un faisceau incident (4), ledit faisceau incident étant défini comme un faisceau (5), ou une partie d'un faisceau, émis par le lidar et couplé avec la fibre optique au niveau d'une autre extrémité de ladite fibre optique, et
-de signaux (22) de fractions diffusées, par des diffuseurs répartis sur toute la longueur de la fibre optique, de l'au moins un faisceau se propageant dans la fibre optique, une partie desdites fractions diffusées de l'au moins un faisceau se propageant dans la fibre optique étant couplées au lidar, lesdits diffuseurs étant agencés pour reproduire des effets de rétrodiffusion et d'extinction engendrés par une atmosphère inhomogène sur un faisceau émis par un lidar.
21. Procédé d'étalonnage selon la revendication précédente dans lequel les paramètres d'étalonnage sont calculés à partir de données provenant d'un ou de plusieurs signaux (28) d'une ou de plusieurs fractions de l'au moins un faisceau se propageant dans la fibre optique diffusées par une ou plusieurs zones diffusantes (17) localisées comprenant des diffuseurs ; ladite ou lesdites zones diffusantes localisées présentent des coefficients de rétrodiffusion et d'extinction ajustables de manière à reproduire des effets de rétrodiffusion et/ou d'extinction engendrés par des aérosols atmosphériques inhomogènes sur un faisceau (5) émis par un lidar (2).
22. Procédé d'étalonnage selon l'une des revendications 20 ou 21 comprenant :
-une mesure, par un détecteur (14) situé en aval de l'élément réflecteur (6) par rapport à la direction de propagation du faisceau incident (4), d'une puissance d'une partie (15) du faisceau incident non réfléchie par l'élément réflecteur,
-un calcul, par une unité de traitement, d'une puissance dudit faisceau incident,
-un ajustement, à partir de la puissance dudit faisceau incident calculée, d'une puissance du faisceau (5) émis par le lidar (2) et/ou de la puissance du faisceau incident, au moyen d'un atténuateur (10), de manière à ce que des caractéristiques de faisceaux diffusés par les défauts d'homogénéité de la fibre optique (3) et des caractéristiques d'un ou de plusieurs faisceaux réfléchis (7) soient dans la gamme des paramètres de la chaîne de détection du lidar utilisés dans le cas de mesures atmosphériques extérieures.
23. Procédé d'étalonnage selon l'une des revendications 20 à 22, comprenant une étape de génération, par au moins un dispositif de brouillage (13), d'au moins une variation de chemin optique dans la fibre optique (3), ladite au moins une variation de chemin optique étant supérieure à une longueur d'onde du faisceau (5) émis par le lidar (2).
24. Procédé d'étalonnage selon l'une quelconque des revendications 20 à 23 caractérisé en ce que les paramètres d'étalonnage comprennent :
-un étalonnage de la mesure en distance à partir de caractéristiques d'un écho lidar (7), en outre, à partir des caractéristiques temporelles du ou des faisceaux réfléchis (7) par l'élément réflecteur,
-un étalonnage de la résolution spatiale à partir de caractéristiques d'un étalement temporel de l'écho lidar,
-un étalonnage de la mesure en vitesse à partir de caractéristiques spectrales des faisceaux diffusés par les diffuseurs,
-un étalonnage de la résolution en vitesse, selon la puissance détectée, à partir d'un écart type de la mesure en vitesse, ledit écart type étant modulé :
• par atténuation progressive du ou des faisceaux se propageant dans la fibre optique au moyen des défauts d'homogénéité répartis de façon uniforme sur toute la longueur de la fibre optique (3), et/ou
• par une modification du couplage du faisceau (5), ou de la partie du faisceau, émis par le lidar (2) avec la fibre optique au moyen du dispositif de couplage (9),
-une évaluation de l'efficacité du lidar.
25. Procédé d'étalonnage selon la revendication 24, caractérisé en ce que l'évaluation de l'efficacité est obtenue en calculant un rapport entre la puissance des faisceaux rétrodiffusés par la fibre optique et mesurés par le lidar et la puissance du faisceau émis par le lidar et couplé avec la fibre optique.
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