FR2761162A1 - Dispositif de mesure de vitesse a effet doppler, notamment pour engins volants - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un dispositif de mesure de vitesse à effet Doppler comprenant un laser (10) émettant un faisceau lumineux vers un milieu de référence. La vitesse est déterminée par l'écart de fréquence entre le faisceau émis et le faisceau renvoyé par le milieu de référence.Dans la voie se trouvant entre la sortie (12) de la source (10) laser et l'objectif (28) du dispositif émettant le faisceau lumineux vers le milieu de référence, le faisceau est conduit par un moyen à fibre (s) optique (s) (11, 14, 26). Un moyen de séparation optique (18) à fibre optique, tel qu'un circulateur optique, dirige, dans ladite voie, le signal du laser (10) vers l'objectif (28) et dirige le signal lumineux de retour vers un mélangeur ou coupleur (32) .

Description

DISPOSITIF DE MESURE DE VITESSE A EFFET DOPPLER, NCnAMMENT POUR
ENGINS VOLANTS
L'invention est relative à un dispositif de mesure de vitesse à effet Doppler de type optique.

Elle concerne plus particulièrement un tel dispositif dans lequel un faisceau de lumière, notamment un faisceau laser, est émis depuis un mobile vers un milieu de référence - c'est-àdire un milieu par rapport auquel on désire mesurer la vitesse du mobile - et le faisceau renvoyé, par rétro-diffusion, par ce milieu est utilisé pour mesurer la vitesse du mobile. On sait, en effet, que la fréquence du faisceau renvoyé diffère de la fréquence du faisceau émis d'une valeur qui est proportionnelle à la vitesse du mobile par rapport au milieu de référence.

Des dispositifs de ce genre sont utilisés notamment dans les aéronefs pour mesurer la vitesse de l'engin par rapport à l'air environnant. Dans ce cas, le dispositif est appelé un "anémomètre".

Dans cette application, un faisceau laser émis depuis l'aéronef, à travers un hublot, est focalisé à une distance d'environ 100 m ou plus de l'engin. Les aérosols dans l'atmosphère rétro-diffusent le faisceau. La fréquence Doppler - c'est-à-dire l'écart entre la fréquence du faisceau de retour et la fréquence du faisceau incident - est détectée grâce à un interféromètre qui effectue le battement entre le faisceau incident et le faisceau de retour. Par rapport & un dispositif classique de mesure à tube de Pitot, un tel anémomètre présente l'avantage de permettre une mesure exacte - qui n'a pas besoin d'être corrigée - de la vitesse de l'aéronef, car la référence, c'est-à-dire les aérosols sur lesquels est dirigé le faisceau laser, n'est pratiquement pas soumise à l'agitation provoquée par le déplacement de l'engin.

En général, on prévoit un balayage du faisceau laser ou au moins trois faisceaux distincts de façon à permettre de connattre non seulement l'amplitude de la vitesse, mais également sa direction.

Un tel anémomètre est décrit, par exemple, dans le brevet français 90 02946 au nom de Sextant Avionique.

Un anémomètre courant comprend un laser émettant un faisceau à polarisation rectiligne. Le faisceau traverse une lame demi-onde qui est orientée de façon telle qu'elle délivre un faisceau présentant une composante principale en polarisation parallèle et une composante auxiliaire en polarisation perpendiculaire, l'intensité de la composante auxiliaire étant faible par rapport à l'intensité de la composante principale. Ce faisceau est fourni à un premier cube séparateur de polarisation qui transmet la polarisation parallèle et réfléchit la polarisation perpendiculaire. La polarisation perpendiculaire, qui est réfléchie, est transmise vers une voie de référence. La polarisation parallèle est transmise vers un autre cube séparateur de polarisation et, de là, à travers une lame quart d'onde, vers un objectif de focalisation. Le deuxième cube séparateur transmet la polarisation parallèle tandis que la lame quart d'onde transforme cette polarisation parallèle en une polarisation circulaire.

L'objectif sert à focaliser le faisceau sur des aérosols à distance. Le faisceau rétro-diffusé par les aérosols revient par le même objectif, mais la polarisation circulaire a changé de sens.

Ce faisceau rétro-diffusé traverse, en sens inverse, la lame quart d'onde. Après cette dernière, sur le chemin de retour, la polarisation du faisceau est perpendiculaire. Ce faisceau est donc réfléchi par le deuxième cube séparateur de polarisation et ce faisceau réfléchi en polarisation perpendiculaire est mélangé au signal de référence constitué par ladite composante auxiliaire en polarisation perpendiculaire. En sortie du mélangeur homodyne ou hétérodyne, on obtient un signal à la fréquence Doppler.

La lame demi-onde, la lame quart d'onde et les cubes séparateurs sont des éléments onéreux. L'alignement n'est pas aisé à réaliser, et 1 'ensemble présente un encombrement qui n'est pas toujours optimum, surtout pour des applications aéronautiques.

L'invention remédie à ces inconvénients. Elle permet de réduire notablement les contraintes d'alignement mécanique du dispositif.

Le dispositif selon l'invention est plus compact et moins onéreux.

Il est caractérisé en ce qu'entre le générateur optique, notamment un laser, et la sortie du dispositif, le faisceau est conduit dans une voie à fibre(s) optique(s) et, en ce qu'un moyen de séparation optique à fibre optique est disposé dans cette voie pour diriger vers la sortie le signal émis par le générateur et pour diriger le signal lumineux de retour vers un mélangeur ou coupleur.

Le moyen de séparation est par exemple un circulateur optique ou un coupleur séparateur de polarisation.

Un tel montage à fibre(s) optique(s) est d'une fabrication et d'une implémentation plus aisées qu'un montage à propagation libre. Il est donc moins onéreux et peut être logé dans un volume réduit. En outre, le poids peut être minimisé.

Dans un mode de réalisation particulièrement avantageux, le laser émet un faisceau à 1,5 m environ. De cette manière, on peut utiliser des fibres optiques et des composants associés du type de ceux qui sont couramment utilisés dans le domaine des télécommunications ; ainsi les coûts sont encore diminués. En outre, cette longueur d'onde ne pénétrant pas dans l'oeil humain, les précautions d'emploi sont beaucoup moins contraignantes en comparaison des précautions à prendre quand on utilise un laser émettant dans le visible.

On notera ici que, contrairement à une utilisation habituelle de circulateur en télécommunication, le niveau du signal 1 l'entrée du circulateur est élevé, alors que le signal a la sortie est à un niveau sensiblement plus faible qu 'à 1 'entrée.

Dans le domaine des télécommunications, c'est en général le signal de sortie qui est à un niveau plus élevé que le signal d'entrée, un circulateur étant habituellement associé à un amplificateur optique.

En d'autres termes, dans l'invention, les fibres optiques et le moyen de séparation sont utilisés dans une voie de signaux forts, alors qu'habituellement ces composants sont utilisés dans des voies à signaux faibles.

Si le moyen de séparation entre les faisceaux aller et retour est un circulateur optique, permettant de séparer les faisceaux sans qu'il soit nécessaire d'imposer une contrainte de polarisation sur ces derniers, on peut faire appel à des fibres optiques monomodes sans maintien de polarisation. Dans ce cas, le montage est particulièrement simplifié car il n'est pas néces saire de conférer une orientation angulaire particulière aux fibres optiques.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparartront avec la description de certains de ses modes de réalisation, celle-ci étant effectuée en se référant aux dessins ciannexés sur lesquels
la figure 1 est un schéma d'un mode de réalisation de l'invention,
la figure 2 est un schéma analogue à celui de la figure 1, mais pour une variante,
la figure 3 est une vue en coupe d'une fibre optique sans maintien de polarisation, et
la figure 4 est une vue en coupe d'un exemple de fibre optique à maintien de polarisation.

Les exemples que l'on va décrire en relation avec les figures se rapportent h I'anémométrie h faisceau laser, c ' est-à- dire à la mesure de la vitesse d'un aéronef, ou de vents, par émission d'un faisceau laser vers les aérosols en suspension dans l'atmosphère, le faisceau étant focalisé à distance de l'aéronef et la vitesse étant mesurée par la fréquence Doppler du faisceau rétro-diffusé par les aérosols.

On sait que la fréquence Doppler fd a pour valeur fd = 2v/
dans cette formule, v est la projection sur l'axe de visée du laser de la vitesse de l'aéronef par rapport à l'atmosphère ambiante, c'est-à-dire la référence par rapport à laquelle on veut mesurer la vitesse de déplacement de l'aéronef, et x est la longueur d'onde du faisceau émis.

Dans tous ces exemples, on fait appel, conformément à un aspect de l'invention, à des fibres optiques ou conducteurs optiques optimisés pour 1 500 nanomètres environ.

On se réfère tout d'abord à la figure 1. Dans cette réalisation, on prévoit un laser 10, par exemple à fibre, notamment à fibre dopée à 1 'erbium, émettant à une longueur d'onde de l'ordre de 1 550 nanomètres. Sa sortie de puissance 12 est connectée à un coupleur 13 par une fibre optique 11. Ce coupleur 13 présente une sortie de puissance 131 qui est reliée au port d'entrée 16 d'un circulateur 18 par l'intermédiaire d'une fibre optique 14.

Le coupleur 13 présente une sortie 132 de référence émettant un faisceau à la même longueur d'onde mais d'une puissance nettement inférieure, par exemple 1000 fois moins importante que celle du faisceau sur sa sortie de puissance 131. En variante (non montrée), le faisceau de référence est fourni par une sortie de référence du laser 10.

Le circulateur optique 18 comporte deux autres ports 22 et 24. Le port 22 constitue une entrée-sortie, tandis que le port 24 constitue une sortie simple. De façon en soi connue, le circulateur présente la propriété qu'un signal lumineux entrant par le port 22 ne peut se diriger que vers le port 24 et non vers le port d'entrée 16.

Le port 22 d' entrée-sortie est également connecté à une fibre optique 26 dont le signal de sortie débouche sur un objectif 28. L'extrémité 27 de la fibre 26 est disposée en un emplacement tel que le point conjugué se trouve entre quelques dizaines de mètres et 100 mètres environ ou plus. De cette manière, le faisceau lumineux est focalisé sur des aérosols en suspension dans l'atmosphère en un emplacement où 1 'atmosphère n'est pratiquement pas perturbée par le déplacement de l'avion.

Ces aérosols (non montrés) diffusent le faisceau qui revient vers l'objectif 28 et retourne dans la fibre optique 26. Le faisceau rétro-diffusé se dirige du port 22 vers le port 24.

Le port 24 est connecté à la première entrée 30 d'un coupleur optique 32 par l'intermédiaire d'une autre fibre optique 34.

La seconde entrée 36 du coupleur 32 est reliée à la seconde sortie 132, de référence, du coupleur 13 par une fibre optique 37.

La sortie 38 du coupleur 32 est reliée à une fibre optique 40 qui est elle-même connectée à un détecteur 42 par l'intermédiaire d'une autre fibre 41.

Le coupleur 32 reçoit donc sur une entrée 36 un signal à la fréquence du laser (l'oscillateur local), tandis que sur son entrée 30, il reçoit le signal rétro-diffusé dont la fréquence est égale à la fréquence du laser augmentée de la fréquence
Doppler.

Le coupleur 32 constitue un interféromètre à la sortie duquel on obtient un signal de battement à la fréquence Doppler sur le détecteur 42.

Les fibres optiques 11, 14, 26, 34, 37 et 40 sont du type monomode sans maintien de polarisation si la source laser est dépolarisée. La fibre 41 est d'un type quelconque, c'est-àdire multimode ou monomode avec ou sans maintien de polarisation.

Les fibres 11, 14, 26, 34, 37 et 40 sont du type à maintien de polarisation dans le cas où la source laser émet un signal polarisé.

Une fibre sans maintien de polarisation (figure 3) présente un axe 70 de symétrie de révolution, le coeur 72 de cette fibre étant de section circulaire. Il n'est donc pas nécessaire de positionner angulairement une telle fibre, ce qui simplifie le montage.

Dans l'exemple de la figure 1, la sortie 132 du coupleur 13 est reliée directement (par la fibre 37) à l'entrée 36 du coupleur 32. Cet exemple correspond à une détection homodyne.

Dans le cas d'une détection hétérodyne, on prévoit un modulateur acousto-optique (non montré) entre la sortie 132 et le port 36.

En sortie de ce modulateur on obtient un signal à la fréquence fL i Af, fL étant la fréquence du laser et df ayant pour valeur 70 MHZ environ. Cette dernière valeur est choisie de manière à permettre de déterminer le signe de la vitesse.

Le dispositif décrit peut être utilisé non seulement pour mesurer la vitesse d'un engin, mais aussi pour mesurer la vitesse du vent dans la zone de l'engin. Dans ce cas, on dirige le faisceau en séquence à plusieurs distances de l'engin. A cet effet, l'objectif est ajustable de façon à déplacer le point de focalisation. En variante, l'objectif est un système afocal délivrant un faisceau parallèle ou focalisé à longue distance; les signaux de retour sont alors analysés à des instants différents, chaque instant de mesure correspondant à une distance de l'engin.

On se réfère maintenant à la figure 2 qui est une variante de celle de la figure 1. Pour cette raison, les éléments analogues portent les mêmes chiffres de référence.

Le laser 10 émet, sur sa sortie 12, un faisceau principal à polarisation parallèle qui est transmis, selon l'axe lent de la fibre optique 1l' de type monomode à maintien de polarisation, au coupleur 13' ayant le même rôle que le coupleur 13 de la figure 1. La sortie de puissance 13'1 de ce coupleur est reliée par une fibre 14', également monomode à maintien de polarisation, au premier port d'entrée 16' d'un coupleur 50 séparateur de polarisation. Ce coupleur 16' présente un ou deux ports d'entrée-sortie 52, 54. Le port 52 délivre un rayonnement qui est transmis, selon l'axe lent d'une fibre optique 26' monomode à maintien de polarisation, à 1 'entrée d'un élément 56 quart d'onde de type bidirectionnel qui transforme une polarisation rectiligne en une polarisation circulaire.

La sortie 27' de l'élément quart d'onde 56, par exemple à fibre, est associée à l'objectif 28 de manière que le point conjugué se trouve entre quelques dizaines de mètres et une centaine de mètres ou plus.

Le faisceau diffusé par les aérosols revient donc vers le port 52 par l'objectif 28, l'élément 56 et la fibre 26'.

Le port de sortie 24' du coupleur 50 est relié, par une fibre optique 34' à maintien de polarisation, à l'entrée 30' d'un coupleur 32' dont la seconde entrée 36' est connectée à la sortie de référence 13'2 du laser 10 par l'intermédiaire d'une fibre optique 37' également à maintien de polarisation. La fibre 37' est en deux parties, l'une 37'1 sortant du coupleur 13' et l'autre 37'2 entrant dans le coupleur 32'. Ces parties sont reliées entre elles, par épissure, de manière telle qu'un signal émis par la partie 37'1, selon l'axe lent, soit reçu par la partie 37'2 selon l'axe rapide.

Le coupleur 32' est relié à un détecteur 42 par l'intermédiaire d'une fibre optique 40 monomode à maintien de polarisation et 41 de type quelconque.

Le faisceau rétro-diffusé par les particules présente une polarisation circulaire de sens inverse de celle du faisceau incident. En conséquence, le faisceau de retour se propage selon l'axe rapide de la fibre 26' alors que le faisceau aller se propage selon l'axe lent. De même, le signal sur la sortie 24' du coupleur 50 se propage selon l'axe rapide de la fibre 34'. Comme indiqué ci-dessus le signal sur l'entrée 36' du coupleur 32' est selon l'axe rapide.

Une fibre à maintien de polarisation est représentée sur la figure 4. On voit qu'une telle fibre ne présente pas une symétrie de révolution autour de son axe. En effet, dans l'exemple de la figure 4, la partie interne, ou coeur, 72' présente une forme ovale ou elliptique. La fibre optique doit donc être orientée correctement autour de son axe 70' par rapport au faisceau polarisé. L'axe lent 80 correspond au grand axe de l'ellipse 72' et l'axe rapide 82 correspond au petit axe de cette ellipse.

Le raccordement d'une fibre optique à un élément tel qu'un circulateur ou un coupleur s'effectue par l'intermédiaire d'un connecteur qui, en général, occasionne des pertes de l'ordre de 1 décibel si on utilise des fibres monomodes à maintien de polarisation et de l'ordre de 0,3 décibel, si on utilise des fibres optiques monomodes sans maintien de polarisation.

Pour éviter ces pertes, dans un mode de réalisation, certains des éléments sont épissurés ou fabriqués ensemble. Par exemple, dans le cas de la figure 1, on peut fabriquer ensemble le coupleur 13, le circulateur 18 et le coupleur 32. En effet, le coupleur et le circulateur étant composés de fibres optiques prolongées par des fibres d'entrée et de sortie, on peut fabriquer un ensemble d'éléments de façon telle que la fibre de sortie d'un élément constitue aussi la fibre d'entrée de l'élément suivant. On réalise ainsi un composant présentant une entrée destinée à recevoir le signal de sortie 12 du laser 10, une entrée-sortie constituée par l'extrémité 27 de la fibre 26, et une sortie 38 (celle du coupleur 32). Dans une variante, le laser 10 fait partie du composant.

De même, dans le cas de la figure 2, on peut prévoir un composant unique comprenant le coupleur 13', le coupleur 50 séparateur de polarisation, le coupleur 32' et les fibres optiques 11', 14', 37', 40 et 26', ainsi que l'élément quart d'onde 56. De même, le laser 10 peut être incorporé dans ce composant unique.

On a décrit jusqu'à présent seulement l'application de l'invention à un anémomètre, c'est-à-dire à un dispositif de mesure de vitesse d'un aéronef par rapport à l'atmosphère ambiante ou de mesure de vitesse des vents. L'invention n'est pas limitée à cette application. Elle peut être également utilisée pour mesurer une vitesse par rapport au sol, notamment pour un engin volant à basse altitude, tel qu'un missile ou pour l'aide à l'atterrissage. L'invention s'applique aussi à la mesure de la vitesse de déplacement d'un engin terrestre par rapport au sol.

Le faisceau émis par le laser 10 est soit continu soit sous forme d'impulsions (pulsé).

Dans une variante qui s'applique, tant au mode de réalisation de la figure 1 qu'au mode de réalisation de la figure 2, on prévoit entre la sortie 132 du coupleur 13 et l'entrée 36 du coupleur 32 (figure 1) ou entre la sortie 13'2 du coupleur 13' et l'entrée 36' du coupleur 32' (figure 2), une longueur de fibre choisie de façon telle que le temps de parcours du signal dans la voie 37 ou 37' soit sensiblement égal au temps de parcours du faisceau de la sortie 131 ou 13'1 du coupleur 13 ou 13' vers l'extérieur puis de l'extérieur vers l'entrée 30 ou 30' du coupleur 32 ou 32'.

De cette manière on peut utiliser une source laser continue à faible longueur de cohérence, car les faisceaux se présentant aux entrées 30 et 36 (ou 30' et 36') correspondent à des faisceaux émis pratiquement aux mêmes instants par la source laser. L'utilisation d'une source laser continue à faible longueur de cohérence présente d'ailleurs l'avantage de permettre une bonne discrimination spatiale de la zone mesurée. En effet, les zones qui ne correspondent pas à des trajets optiques sensiblement égaux ne seront pas pris en compte par l'anénomètre.

La simultanéité de l'apparition des signaux sur les entrées 30 et 36 (ou 30' et 36') est également utile quand on utilise une source pulsée. En effet, dans ce cas, si on ne prend pas de précautions dans le choix de la longueur de la fibre 37 ou 37' les signaux risquent de ne pas parvenir simultanément sur les entrées 30 et 36 (ou 30' et 36') et, dans une telle situation, l'anénomètre ne pourra pas fonctionner, c'est-à-dire qu'il n'apparaîtra aucun signal à la sortie du détecteur 42.

La précision de mesure des vitesses suivant l'axe de visée est de l'ordre de 0,3 m/s à 1 m/s et varie en fonction de la qualité spectrale de la source laser.

Bien qu'on ait décrit un dispositif de mesure de vitesse installé & bord d'un véhicule en mouvement, on comprend aisément que ce dispositif peut également être utilisé pour mesurer, å partir du sol ou d'un autre engin, la vitesse relative d'un engin par rapport au milieu de référence constitué par le sol ou ledit autre engin.

Claims (16)

REVENDICATIONS

1. Dispositif de mesure de vitesse à effet Doppler comprenant une source de rayonnement lumineux1 de préférence un laser (10), émettant un faisceau lumineux vers un milieu de référence, la vitesse étant déterminée par l'écart de fréquence (fd) entre le faisceau émis et le faisceau renvoyé par le milieu de référence, caractérisé en ce que, dans la voie se trouvant entre la sortie (12) de la source (10) et la sortie (28) du dispositif émettant le faisceau lumineux vers le milieu de référence, le faisceau est conduit par un moyen à fibre(s) optique(s) (11, 14, 26 ; 11', 14', 26', 56) et en ce qu'un moyen de séparation optique (18 ; 50) à fibre optique dirige, dans ladite voie, le signal de la source (10) vers la sortie (28) et dirige le signal lumineux de retour vers un mélangeur ou coupleur (32 ; 32').

2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen de séparation comporte un circulateur optique (18).

3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le moyen à fibres optiques comporte des fibres optiques (11, 14, 26) monomodes sans maintien de polarisation.

4. Dispositif selon la revendication 2 caractérisée en ce que le moyen à fibres optiques comporte des fibres optiques monomodes avec maintien de polarisation.

5. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen de séparation comporte un coup leur séparateur de polarisation (50) et un élément quart d'onde (56) disposé entre ce coupleur séparateur (50) et la sortie (28) du dispositif.

6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que le moyen à fibres optiques comprend des fibres optiques (11', 14', 26') monomodes à maintien de polarisation.

7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la sortie (24 ; 24') du moyen de séparation (18 ; 50) est reliée à une entrée (30 ; 30') d'un coupleur (32 ; 32') dont la seconde entrée (36 ; 36') reçoit un signal de référence à la fréquence de la source (10), la sortie du coupleur (32 ; 32') délivrant un signal représentant l'écart de fréquence entre la source et le signal renvoyé par le milieu de référence.

8. Dispositif selon la revendication 7 caractérisé en ce qu'il comporte des moyens (37 ; 37') pour que les signaux parvenant à chaque instant sur les entrées du coupleur (36 ; 36') correspondent à des signaux qui on été émis sensiblement en marne temps par la source (10).

9. Dispositif selon les revendications 3 et 7, caractérisé en ce que la sortie (24) du circulateur optique (18) est reliée à l'entrée (30) du coupleur (32) par une fibre optique (34) sans maintien de polarisation.

10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la source (10) comporte une sortie auxiliaire émettant un signal de référence servant d'oscillateur local pour extraire la fréquence Doppler.

11. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1à 9 caractérisé en ce qu'il comporte un coupleur (13 ; 13') transmettant le signal de la source laser et fournissant un signal de référence servant d'oscillateur local pour extraire la fréquence Doppler.

12. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la sortie optique dudit dispositif destiné à émettre vers le milieu de référence comporte un objectif (28) ou un système afocal.

13. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le moyen à fibre optique, le moyen de séparation optique à fibre optique et le mélangeur ou coupleur (32 ; 32') sont épissurés.

14. Application du dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes à la mesure de la vitesse d'un aéronef par rapport à l'atmosphère ambiante.

15. Application du dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 13 à la mesure de la vitesse du vent à distance(s) d'un engin.

16. Application du dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 13 à la mesure de la vitesse d'un engin par rapport au sol.