FR2865545A1 - Lidar (Light detecting and ranging) with an emission module producing a light beam at least part of which is then retrodiffused and a receiving module for the retrodiffused signal - Google Patents
Lidar (Light detecting and ranging) with an emission module producing a light beam at least part of which is then retrodiffused and a receiving module for the retrodiffused signal Download PDFInfo
- Publication number
- FR2865545A1 FR2865545A1 FR0450115A FR0450115A FR2865545A1 FR 2865545 A1 FR2865545 A1 FR 2865545A1 FR 0450115 A FR0450115 A FR 0450115A FR 0450115 A FR0450115 A FR 0450115A FR 2865545 A1 FR2865545 A1 FR 2865545A1
- Authority
- FR
- France
- Prior art keywords
- optical
- lidar
- receiving module
- lens
- objective
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
- G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
- G01S7/481—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements
- G01S7/4816—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements of receivers alone
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
- G01S17/88—Lidar systems specially adapted for specific applications
- G01S17/95—Lidar systems specially adapted for specific applications for meteorological use
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
- G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
- G01S7/481—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements
- G01S7/4818—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements using optical fibres
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
- G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
- G01S7/497—Means for monitoring or calibrating
- G01S7/4972—Alignment of sensor
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02A—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
- Y02A90/00—Technologies having an indirect contribution to adaptation to climate change
- Y02A90/10—Information and communication technologies [ICT] supporting adaptation to climate change, e.g. for weather forecasting or climate simulation
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Radar, Positioning & Navigation (AREA)
- Remote Sensing (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Optical Radar Systems And Details Thereof (AREA)
Abstract
Description
2865545 12865545 1
LIDAR COMPACTLIDAR COMPACT
DESCRIPTIONDESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUETECHNICAL AREA
La présente invention concerne un lidar. The present invention relates to a lidar.
L'acronyme lidar signifie Light Detection And Ranging soit détection et télémétrie à l'aide de lumière. Le fonctionnement du lidar est similaire à celui du radar, il utilise de la lumière au lieu de micro-ondes. Le lidar permet de détecter notamment, par rétrodiffusion de la lumière d'un faisceau laser, des particules solides ou liquides en suspension dans l'atmosphère en extérieur ou en intérieur. L'application d'un tel lidar concerne en particulier la détection de polluants dans l'atmosphère. The acronym lidar stands for Light Detection And Ranging either detection and telemetry using light. The operation of the lidar is similar to that of the radar, it uses light instead of microwaves. The lidar makes it possible to detect in particular, by backscattering the light of a laser beam, solid or liquid particles suspended in the atmosphere outdoors or indoors. The application of such a lidar relates in particular to the detection of pollutants in the atmosphere.
ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE La détection de particules polluantes dans l'atmosphère est un domaine dans lequel beaucoup de travaux sont en cours. Ces particules en pénétrant dans les voies respiratoires ont des effets toxiques, irritants et même sûrement cancérigènes pour certaines. C'est pourquoi l'intérêt pour les dispositifs de détection à lidar s'est accentué ces dernières années. STATE OF THE PRIOR ART The detection of pollutant particles in the atmosphere is an area in which a lot of work is going on. These particles penetrating into the respiratory tract have toxic, irritating and even possibly carcinogenic effects for some. This is why the interest in lidar detection devices has increased in recent years.
Le principe d'un lidar dans une application de détection de particules dans l'atmosphère est donné sur la figure 1. Un tel lidar est appelé lidar à rétrodiffusion. Le lidar comporte un module d'émission 1 et un module de réception 2. Le module d'émission 1 comporte des moyens d'émission 1.1, un faisceau laser 2865545 2 1.2 et éventuellement des moyens de mise en forme 1.3 du faisceau laser 1. 2 émis. Le module de réception 2 comporte en cascade des moyens de collecte 2.1 des photons rétrodiffusés et des moyens de détection 2.2 de ces photons. Les moyens de collecte 2.1 sont formés d'un télescope T et les moyens de détection 2.2 sont placés au foyer du télescope T. On rappelle qu'un télescope est un dispositif d'observation qui comporte un objectif avec un miroir primaire et un miroir secondaire. C'est un dispositif réflecteur. The principle of a lidar in an application for detecting particles in the atmosphere is given in FIG. 1. Such a lidar is called backscattering lidar. The lidar comprises a transmission module 1 and a reception module 2. The transmission module 1 comprises transmission means 1.1, a laser beam 2865545 2 1.2 and possibly shaping means 1.3 of the laser beam 1. 2 issued. The reception module 2 comprises cascading collection means 2.1 backscattered photons and detection means 2.2 of these photons. The collection means 2.1 are formed of a telescope T and the detection means 2.2 are placed at the focus of the telescope T. It is recalled that a telescope is an observation device which comprises an objective with a primary mirror and a secondary mirror . It is a reflective device.
Le lidar permet de restituer les propriétés d'extinction des couches diffusantes de l'atmosphère avec une résolution spatiale XZ suivant la ligne de visée 1.4 du module d'émission 1. L'analyse du signal rétrodiffusé permet d'obtenir la signature d'aérosols ou de molécules présents dans une colonne d'air de l'atmosphère éclairée par le faisceau laser émis. La signature de l'aérosol est obtenue après une correction de la diffusion moléculaire à partir d'un modèle climatologique d'atmosphère ou de données de radiosondage. The lidar makes it possible to restore the extinction properties of the diffusing layers of the atmosphere with a spatial resolution XZ following the line of sight 1.4 of the emission module 1. The analysis of the backscattered signal makes it possible to obtain the aerosol signature or molecules present in an air column of the atmosphere illuminated by the emitted laser beam. The signature of the aerosol is obtained after a correction of molecular diffusion from a climatological model of atmosphere or radiosonde data.
Le texte qui suit fait référence à des documents numérotés [1] à [9] dont les références complètes se trouvent en fin de description. Ces documents décrivent des lidars employés dans des dispositifs de détection de particules et/ou de molécules dans l'atmosphère. Le faisceau laser 1.2 est généralement envoyé directement vers le milieu atmosphérique à analyser comme décrit dans le document [1]. Les moyens d'émission 1.1 sont généralement composés d'un laser à impulsions de type laser Nd:YAG The following text refers to documents numbered [1] to [9], the complete references of which are at the end of the description. These documents describe lidars used in devices for detecting particles and / or molecules in the atmosphere. The laser beam 1.2 is generally sent directly to the atmospheric medium to be analyzed as described in document [1]. The transmission means 1.1 are generally composed of an Nd: YAG laser pulse laser.
LThe
2865545 3 qui émet avec une longueur d'onde de 1064 nanomètres. Le laser est bien souvent doublé pour obtenir la longueur d'onde de 532 nanomètres qui est dans le domaine visible. Le faisceau laser 1.2 présente sur tout son parcours une faible divergence de l'ordre de quelques dixièmes de milli radians. L'intensité par unité de surface émise par ces moyens d'émission 1.1 risque de présenter un risque oculaire pour un utilisateur ou même toute personne située à distance du module d'émission 1 dans la ligne de visée. En effet, si l'oeil d'un être humain vient à intercepter le faisceau laser, il reçoit alors une forte illumination qui est dangereuse. La sécurité oculaire est rarement respectée au voisinage du module d'émission. Les caractéristiques principales, à l'émission, du faisceau laser sont son énergie, sa longueur d'onde, la fréquence de tir, la durée de l'impulsion, la largeur spectrale de la raie laser et la stabilité spectrale. 2865545 3 that emits with a wavelength of 1064 nanometers. The laser is often doubled to obtain the wavelength of 532 nanometers which is in the visible range. The laser beam 1.2 has throughout its path a small divergence of the order of a few tenths of milli radians. The intensity per unit area emitted by these transmission means 1.1 may present an eye hazard for a user or even anyone located away from the transmission module 1 in the line of sight. Indeed, if the eye of a human being comes to intercept the laser beam, then it receives a strong illumination which is dangerous. Eye safety is rarely respected in the vicinity of the transmitter module. The main characteristics, at the emission, of the laser beam are its energy, its wavelength, the firing frequency, the duration of the pulse, the spectral width of the laser line and the spectral stability.
Des moyens de mise en forme 1.3 peuvent élargir le faisceau laser 1.2 émis de manière à rendre le lidar plus sécuritaire, l'intensité par unité de surface ayant été réduite. Ces moyens de mise en forme 1.3 peuvent être formés de lentilles comme dans les documents [2], [8] ou de miroirs comme dans le document [3]. Shaping means 1.3 can expand the laser beam 1.2 emitted so as to make the lidar safer, the intensity per unit area has been reduced. These formatting means 1.3 may be formed of lenses as in the documents [2], [8] or mirrors as in the document [3].
Le faisceau laser 1.2 émis est formé d'un flux de photons dont certains interagissent avec des molécules et/ou des particules ou aérosols se trouvant dans l'atmosphère à analyser. La définition d'un aérosol est une suspension, dans un milieu gazeux, de particules solides ou liquides présentant une vitesse de chute négligeable. Après interaction, une partie du flux de photons est rétrodiffusée vers le module de réception 2. Ces photons rétrodiffusés forment un signal rétrodiffusé (ou faisceau rétrodiffusé) qui est généralement très faible par rapport au signal émis. Les moyens de collecte 2.2 sont réalisés par un télescope T dont l'ouverture doit permettre de respecter un compromis entre la quantité de photons parasites (liés par exemple au soleil) et le reste de photons utiles à détecter. Le télescope T focalise les photons collectés vers les moyens de détection 2.2 qui peuvent être formés par un photomultiplicateur ou une photodiode à avalanche. Un filtre interférentiel (non représenté) est bien souvent inséré entre le télescope T et les moyens de détection 2.2. Le lidar est généralement associé à des moyens d'acquisition et de traitement 3 qui acquièrent et exploitent des signaux délivrés par les moyens de détection 2.2 du module de réception 2. Ces moyens d'acquisition et de traitement 3 effectuent généralement un échantillonnage temporel des signaux délivrés soit en mode analogique soit en mode comptage de photons. Les caractéristiques principales du module de réception sont la surface collectrice du télescope, le champ de vue A, le rendement optique des moyens de détection 2.2 et la bande passante du filtre interférentiel. The emitted laser beam 1.2 is formed of a flow of photons some of which interact with molecules and / or particles or aerosols in the atmosphere to be analyzed. The definition of an aerosol is a suspension, in a gaseous medium, of solid or liquid particles having a negligible rate of drop. After interaction, a portion of the photon flux is backscattered to the receiver module 2. These backscattered photons form a backscattered signal (or backscattered beam) which is generally very small compared to the emitted signal. The collection means 2.2 are made by a telescope T whose opening must make it possible to respect a compromise between the amount of parasitic photons (linked for example to the sun) and the remainder of useful photons to be detected. The telescope T focuses the photons collected towards the detection means 2.2 which can be formed by a photomultiplier or an avalanche photodiode. An interference filter (not shown) is often inserted between the telescope T and the detection means 2.2. The lidar is generally associated with acquisition and processing means 3 which acquire and exploit signals delivered by the detection means 2.2 of the reception module 2. These acquisition and processing means 3 generally perform a temporal sampling of the signals delivered either in analog mode or in photon counting mode. The main characteristics of the reception module are the collecting surface of the telescope, the field of view A, the optical efficiency of the detection means 2.2 and the bandwidth of the interference filter.
Les trajets optiques en émission et en réception sont parfois séparés comme dans les documents [3], [4], [5], [8] ou parfois coaxiaux comme dans les 30 documents [1], [2], [6], [7], [9]. The optical paths in transmission and reception are sometimes separated as in the documents [3], [4], [5], [8] or sometimes coaxial as in the documents [1], [2], [6], [7], [9].
Les lidars peuvent avoir une seule voie de détection ou plusieurs parallèles, chacune des voies de réception comportant alors un télescope et un détecteur comme dans le document [3]. The lidars can have a single detection channel or several parallels, each of the reception channels then comprising a telescope and a detector as in document [3].
Le lidar décrit dans le document [8] cherche à être sécuritaire pour les yeux. Ce laser émet dans le visible et le proche infrarouge avec des niveaux d'énergie assez faibles (de l'ordre de quelques uJ) pour assurer la sécurité oculaire. Les particules dont la taille est sensiblement celle de la longueur d'onde sont celles qui sont le mieux détectées. The lidar described in document [8] seeks to be safe for the eyes. This laser emits in the visible and near infrared with rather low energy levels (of the order of a few uJ) to ensure eye safety. The particles whose size is substantially that of the wavelength are those which are best detected.
Le télescope, qui ici est de type Cassegrain, a comme inconvénient d'avoir une obturation centrale, le miroir secondaire masquant le miroir primaire. Cela entraîne qu'il n'est pas possible de travailler à courte distance et donc de détecter directement des aérosols dans les basses couches de l'atmosphère sans une correction additionnelle. Le recouvrement entre le faisceau émis et le signal rétrodiffusé capté par le télescope ne peut se faire qu'à une distance relativement importante. Si la taille du miroir primaire était augmentée pour atténuer cet inconvénient le lidar deviendrait très encombrant. The telescope, which here is Cassegrain type, has the disadvantage of having a central obturation, the secondary mirror masking the primary mirror. This means that it is not possible to work at short distances and therefore to detect aerosols directly in the lower layers of the atmosphere without any additional correction. The overlap between the transmitted beam and the backscattered signal picked up by the telescope can only be done at a relatively large distance. If the size of the primary mirror was increased to mitigate this disadvantage the lidar would become very bulky.
Les signaux rétrodiffusés sont très faibles et doivent être moyennés sur plusieurs minutes voire une quinzaine de minutes pour être exploitables. Chaque profil moyen n'est pas analysable individuellement étant donné le faible rapport signal à bruit au-dessus des couches diffusantes. The backscattered signals are very weak and must be averaged over several minutes or even fifteen minutes to be exploitable. Each average profile is not individually analyzable because of the low signal-to-noise ratio above the scattering layers.
Un tel lidar n'est adapté qu'à l'analyse de panaches particulaires persistants à longue durée de vie se trouvant dans la basse et moyenne troposphère (supérieure à 150 mètres). Ces panaches particulaires sont rencontrés en situation météorologique stable et correspondent par exemple aux polluants du sous- continent indien qui sont transportés vers l'océan indien durant la mousson d'hiver. Ce lidar n'est pas adapté à la détection de panaches particulaires à très basse altitude (inférieure à 150 mètres) aux abords des sources telles que les sites urbains ou industriels. Such a lidar is only suitable for the analysis of persistent long-lived particulate plumes in the low and medium troposphere (greater than 150 meters). These particulate plumes are encountered in a stable meteorological situation and correspond, for example, to the pollutants of the Indian subcontinent which are transported to the Indian Ocean during the winter monsoon. This lidar is not suitable for the detection of particulate plumes at very low altitude (less than 150 meters) near sources such as urban or industrial sites.
Dans ce cas, des temps de mesure de plusieurs minutes sont rédhibitoires à cause de l'évolution rapide des propriétés de l'atmosphère dans les très basses couches surtout aux abords des sites urbains ou industriels pollués. En résumé, les caractéristiques de ce lidar permettent d'accéder, après correction de la fonction de recouvrement, aux aérosols situés au minimum à une altitude de 150 mètres avec une résolution verticale de l'ordre de 15 mètres. Pour des altitudes plus faibles, les mesures risquent de ne pas être fiables, une correction est nécessaire et cette correction devrait être réévaluée à chaque utilisation. In this case, measuring times of several minutes are prohibitive because of the rapid evolution of the properties of the atmosphere in the very low levels especially around polluted urban or industrial sites. In summary, the characteristics of this lidar allow access, after correction of the recovery function, aerosols located at an altitude of at least 150 meters with a vertical resolution of about 15 meters. For lower altitudes, measurements may not be reliable, correction is required, and this correction should be re-evaluated each time.
Pour optimiser le rapport signal à bruit des lidars à télescope à miroirs dont le signal rétrodiffusé reçu par le module de réception est très faible, on peut être tenté d'augmenter la puissance du faisceau laser émis. Cette voie n'est pas satisfaisante à cause des problèmes de sécurité oculaire. Il a également été proposé d'augmenter la surface de collection des photons en agrandissant la surface du miroir primaire du télescope. Cette voie n'est pas non plus satisfaisante, car cela entraîne une augmentation très sensible du coût et de l'encombrement. On peut aussi augmenter la fréquence de tir du laser, ceci permet une diminution de l'énergie par tir. Cette option n'est pas optimale pour des mesures de jour où il est préférable d'avoir une énergie par tir élevée, pour conserver un bon rapport signal à bruit. To optimize the signal-to-noise ratio of mirror telescope lidars whose backscattered signal received by the receiver module is very small, it may be tempting to increase the power of the emitted laser beam. This path is unsatisfactory because of eye safety issues. It has also been proposed to increase the collection area of the photons by enlarging the surface of the primary mirror of the telescope. This path is not satisfactory either, because it causes a very significant increase in cost and bulk. We can also increase the frequency of firing of the laser, this allows a decrease in energy per shot. This option is not optimal for daytime measurements where it is preferable to have high shot energy to maintain a good signal-to-noise ratio.
Un autre inconvénient des moyens de collecte de type télescope des lidars est que l'alignement de l'axe optique des miroirs du télescope sur l'axe du faisceau optique émis est toujours délicat. En effet, les alignements optiques des miroirs s'effectuent par une déviation de l'axe optique de ces miroirs, ce qui provoque une déviation d'un angle double du faisceau réfléchi et rend difficile un alignement fin nécessaire. Ainsi une erreur angulaire d'alignement est amplifiée par un facteur quatre. Another disadvantage of the lidar telescope-type collection means is that the alignment of the optical axis of the telescope mirrors on the axis of the emitted optical beam is always difficult. Indeed, the optical alignments of the mirrors are performed by a deviation of the optical axis of these mirrors, which causes a deviation of a double angle of the reflected beam and makes difficult a necessary end alignment. Thus an angular error of alignment is amplified by a factor of four.
Enfin un autre défaut des miroirs du télescope est qu'ils sont sensibles, lorsqu'ils sont placés en extérieur, aux conditions atmosphériques. Ils doivent être protégés des intempéries par un hublot qui risque d'absorber une partie des photons rétrodiffusés. Ce n'est pas souhaitable. Finally another defect of the mirrors of the telescope is that they are sensitive, when placed outside, at atmospheric conditions. They must be protected from the weather by a porthole that may absorb some of the backscattered photons. This is not desirable.
EXPOSÉ DE L'INVENTION La présente invention a justement comme but de proposer un lidar qui ne présente pas les inconvénients mentionnés ci dessus. PRESENTATION OF THE INVENTION The purpose of the present invention is precisely to propose a lidar which does not have the disadvantages mentioned above.
En particulier, un but de l'invention est de proposer un lidar compact, apte à accéder aux couches basses de l'atmosphère, c'est à dire situées à une altitude d'environ une cinquantaine de mètres. In particular, an object of the invention is to provide a compact lidar, able to access the lower layers of the atmosphere, that is to say located at an altitude of about fifty meters.
Un autre but de l'invention est de proposer un lidar permettant de détecter des particules liquides ou solides de petite taille, par exemple inférieures à 0,3 micromètre, tout en gardant une sensibilité à des particules de taille supérieure. Another object of the invention is to provide a lidar for detecting liquid or solid particles of small size, for example less than 0.3 micrometer, while keeping a sensitivity to larger particles.
Un autre but de l'invention est de proposer un lidar qui respecte la réglementation en terme de sécurité oculaire. Another object of the invention is to provide a lidar that complies with the regulations in terms of eye safety.
Un autre but de l'invention est de proposer 10 un lidar peu coûteux. Another object of the invention is to provide an inexpensive lidar.
Un autre but de l'invention est de proposer un lidar présentant une résolution temporelle de l'ordre de la seconde. Another object of the invention is to provide a lidar having a temporal resolution of the order of one second.
Encore un autre but de l'invention est de proposer un lidar disposant d'une résolution suivant la ligne de visée du faisceau optique émis meilleure qu'environ 10 mètres. Yet another object of the invention is to provide a lidar having a resolution along the line of sight of the optical beam emitted better than about 10 meters.
Pour atteindre ces buts l'invention concerne plus précisément un lidar comprenant un module d'émission d'un faisceau optique et un module de réception d'un signal rétrodiffusé correspondant à au moins une partie du faisceau optique ayant subi une rétrodiffusion. Le module de réception inclut des moyens de collecte de type lunette astronomique avec un objectif doté d'au moins une lentille et un système optique comportant au moins une lentille et situé en aval de l'objectif. To achieve these aims, the invention more specifically concerns a lidar comprising an optical beam emission module and a receiver module for a backscattered signal corresponding to at least a portion of the backscattered optical beam. The receiving module includes astronomical-type collecting means with an objective having at least one lens and an optical system having at least one lens and located downstream of the objective.
Ainsi par rapport à l'art antérieur, le télescope du module de réception a été remplacé par une lunette astronomique dont l'objectif comporte au moins une lentille. Thus, compared to the prior art, the telescope of the reception module has been replaced by an astronomical telescope whose objective comprises at least one lens.
Dans un lidar selon l'invention, l'alignement du module de réception avec le faisceau optique émis est alors aisé et l'encombrement est réduit. La lentille de l'objectif de la lunette astronomique vieillit mieux que les miroirs notamment à l'extérieur. In a lidar according to the invention, the alignment of the receiving module with the emitted optical beam is then easy and the size is reduced. The objective lens of the astronomical telescope ages better than mirrors, especially outdoors.
Le module de réception possède un axe optique et le faisceau optique émis est dirigé selon un axe qui est sensiblement parallèle ou confondu avec celui du module de réception. Lorsque les axes sont confondus, le lidar est encore plus compact. The receiving module has an optical axis and the emitted optical beam is directed along an axis that is substantially parallel or coincident with that of the receiving module. When the axes are merged, the lidar is even more compact.
Le module d'émission peut comporter des moyens de mise en forme du faisceau optique émis, ces moyens de mise en forme comportant une ou plusieurs lentilles et/ou un ou plusieurs miroirs. The transmission module may include means for shaping the emitted optical beam, these shaping means comprising one or more lenses and / or one or more mirrors.
Les moyens de mise en forme peuvent être des moyens agrandisseurs de faisceau, ce qui permet de réduire l'intensité du faisceau optique par unité de surface, et de réduire la divergence du faisceau optique émis (la divergence est divisée par un facteur égal au grandissement). The shaping means may be beam enlarging means, which makes it possible to reduce the intensity of the optical beam per unit area, and to reduce the divergence of the emitted optical beam (the divergence is divided by a factor equal to the magnification ).
Les moyens agrandisseurs de faisceau peuvent comporter un dispositif optique afocal. Ce dispositif optique afocal peut comporter un ou plusieurs miroirs et/ou une ou plusieurs lentilles par exemple une lentille convergente et une lentille divergente ou deux lentilles convergentes. The beam enlarging means may comprise an afocal optical device. This afocal optical device may comprise one or more mirrors and / or one or more lenses, for example a convergent lens and a divergent lens or two convergent lenses.
Les moyens de mise en forme peuvent coopérer avec des moyens de déplacement afin d'ajuster 30 la direction du faisceau optique émis. The shaping means may cooperate with displacement means to adjust the direction of the emitted optical beam.
Lorsque l'axe du faisceau optique est confondu avec l'axe du module de réception, la lentille de l'objectif de la lunette astronomique est utilisée en tant que lentille convergente des moyens agrandisseurs de faisceau. Ainsi le coût et l'encombrement du lidar sont réduits. When the axis of the optical beam coincides with the axis of the receiving module, the objective lens of the telescope is used as the converging lens of the beam enlarging means. Thus the cost and the congestion of the lidar are reduced.
Dans cette configuration, une lame semiréfléchissante peut être utilisée, elle est traversée par le faisceau optique émis et elle défléchit le signal rétrodiffusé après qu'il a traversé l'objectif de la lunette astronomique. In this configuration, a semireflecting blade can be used, it is traversed by the emitted optical beam and deflects the backscattered signal after it has passed through the objective of the telescope.
En variante, un dispositif réfléchissant doté d'une zone laissant passer le faisceau optique et non réfléchissante pour le signal rétrodiffusé peut être utilisé. Alternatively, a reflective device having a zone passing through the optical and non-reflective beam for the backscattered signal may be used.
Le module de réception comporte en outre des moyens de détection du signal rétrodiffusé, ces moyens de détection peuvent comporter un ou plusieurs photomultiplicateurs ou une ou plusieurs photodiodes. The receiving module further comprises means for detecting the backscattered signal, these detection means may comprise one or more photomultipliers or one or more photodiodes.
Il est avantageux que le système optique comporte des moyens de filtrage optique comprenant un ou plusieurs filtres. Ces moyens de filtrage optique permettent, lorsqu'il y a plusieurs filtres, des mesures à plusieurs longueurs d'ondes. It is advantageous that the optical system comprises optical filtering means comprising one or more filters. These optical filtering means allow, when there are several filters, measurements at several wavelengths.
Les moyens de filtrage optique peuvent coopérer avec des moyens de polarisation. The optical filtering means can cooperate with polarization means.
Lorsqu'il y a plusieurs filtres, ces derniers peuvent coopérer avec des moyens de déplacement facilitant ainsi le passage de l'un à l'autre. When there are several filters, they can cooperate with moving means thus facilitating the passage from one to the other.
Le système optique du module de réception peut comporter en outre des moyens de limitation de champ optique comprenant un ou plusieurs diaphragmes. The optical system of the receiving module may further comprise optical field limiting means comprising one or more diaphragms.
Lorsqu'il y a plusieurs diaphragmes, ces derniers peuvent cooperer avec des moyens de déplacement, facilitant ainsi le passage de l'un à l'autre. When there are several diaphragms, they can cooperate with moving means, facilitating the passage from one to the other.
Les moyens de limitation de champ optique peuvent être situés dans le plan focal de l'objectif de 10 la lunette astronomique. The optical field limiting means may be located in the focal plane of the objective of the telescope.
Le système optique du module de réception peut comporter deux lentilles qui se suivent, les moyens de filtrage étant placés entre les deux lentilles. The optical system of the receiving module may comprise two lenses that follow each other, the filtering means being placed between the two lenses.
Les moyens d'émission peuvent être formés d'un laser ou d'une diode laser, fibré ou non. L'utilisation d'au moins une fibre optique pour transporter le faisceau optique émis par le laser ou la diode laser vers les moyens de mise en forme permet de déporter le laser qui est parfois lourd et encombrant, loin des autres éléments optiques du lidar, ces derniers peuvent alors être intégrés dans un volume encore plus compact. The transmitting means may be formed of a laser or a laser diode, fiber or not. The use of at least one optical fiber to transport the optical beam emitted by the laser or the laser diode to the shaping means makes it possible to detach the laser, which is sometimes heavy and bulky, far from the other optical elements of the lidar, these can then be integrated in an even more compact volume.
Avantageusement, les moyens d'émission peuvent émettre dans l'ultraviolet, ce qui permet d'être beaucoup plus facilement dans le domaine de la sécurité oculaire et qui permet d'accéder à des particules de très petite taille (sensiblement celle de la longueur d'onde d'émission). Advantageously, the emission means can emit in the ultraviolet, which makes it possible to be much more easily in the field of eye safety and which makes it possible to access particles of very small size (substantially that of the length of d emission wave).
En variante, le module de réception peut inclure au moins une fibre optique intercalée entre l'objectif de la lunette astronomique et le système optique. Cette fibre optique est utilisée pour recueillir le signal en sortie de l'objectif et pour le déporter vers le système optique placé en amont du détecteur. Une extrémité de la fibre est alors de préférence placée au point focal de la lentille de l'objectif et l'autre extrémité placée de préférence au point focal d'entrée du système optique du module de réception. Alternatively, the receiving module may include at least one optical fiber interposed between the objective of the telescope and the optical system. This optical fiber is used to collect the signal at the output of the objective and to transfer it to the optical system placed upstream of the detector. One end of the fiber is then preferably placed at the focal point of the lens of the objective and the other end preferably placed at the input focal point of the optical system of the receiving module.
La présente invention concerne également un dispositif de tomographie de l'atmosphère qui comporte un lidar ainsi caractérisé associé à des moyens de déplacement aptes à rendre le faisceau optique émis balayant dans l'atmosphère. The present invention also relates to a device for tomography of the atmosphere which comprises a lidar thus characterized associated with displacement means able to make the emitted optical beam sweeping in the atmosphere.
La présente invention concerne également un dispositif de détection de particules et/ou de molécules dans l'atmosphère qui comporte au moins un lidar ainsi caractérisé, ce lidar coopérant avec des moyens d'acquisition et des moyens de traitement du signal rétrodiffusé. The present invention also relates to a device for detecting particles and / or molecules in the atmosphere which comprises at least one lidar thus characterized, this lidar cooperating with acquisition means and means for processing the backscattered signal.
Les moyens d'acquisition et de traitement peuvent être aptes à extraire des propriétés structurales des couches diffusantes au cours du temps, comme l'altitude du sommet de la couche limite planétaire et/ou l'altitude des nuages et/ou l'épaisseur des nuages semi- transparents. The acquisition and processing means may be able to extract structural properties of the scattering layers over time, such as the altitude of the summit of the planetary boundary layer and / or the altitude of the clouds and / or the thickness of the layers. semi-transparent clouds.
Les moyens d'acquisition et de traitement peuvent être aptes à extraire le profil vertical d'extinction des aérosols en fonction du temps. The acquisition and processing means may be able to extract the vertical extinction profile of the aerosols as a function of time.
Les moyens d'acquisition et de traitement peuvent être aptes à extraire un rapport de mélange de vapeur d'eau dans l'atmosphère en fonction de la distance. The acquisition and processing means may be able to extract a mixture ratio of water vapor in the atmosphere as a function of distance.
Les moyens d'acquisition et de traitement peuvent être aptes à extraire la densité de l'air de l'atmosphère et à en déduire la température de l'atmosphère. The acquisition and processing means may be able to extract the density of air from the atmosphere and to deduce the temperature of the atmosphere.
BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINSBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description d'exemples de réalisation donnés, à titre purement indicatif et nullement limitatif, en faisant référence aux dessins annexés sur lesquels: - la figure 1 illustre le principe du lidar pour la détection de particules dans l'atmosphère; - les figures 2A, 2B montrent des exemples de réalisation d'un lidar objet de l'invention, l'axe du module de réception étant sensiblement parallèle à l'axe du module d'émission; - la figure 2C montre de manière détaillée le système optique du module de réception et les moyens de détection du lidar de la figure 2B; - les figures 3A, 3B montrent deux exemples de réalisation d'un lidar selon l'invention dans lequel l'axe du module d'émission est confondu avec l'axe du module de réception; - les figures 4A, 4B montrent deux exemples de réalisation d'un lidar selon l'invention utilisant au moins une fibre optique en émission ou en réception. The present invention will be better understood on reading the description of exemplary embodiments given, purely by way of indication and in no way limiting, with reference to the appended drawings in which: FIG. 1 illustrates the principle of lidar for the detection of particles in the air; FIGS. 2A and 2B show exemplary embodiments of a lidar which is the subject of the invention, the axis of the reception module being substantially parallel to the axis of the transmission module; FIG. 2C shows in detail the optical system of the reception module and the lidar detection means of FIG. 2B; FIGS. 3A, 3B show two embodiments of a lidar according to the invention in which the axis of the transmission module coincides with the axis of the reception module; - Figures 4A, 4B show two embodiments of a lidar according to the invention using at least one optical fiber transmission or reception.
Des parties identiques, similaires ou équivalentes des différentes figures décrites ci-après portent les mêmes références numériques de façon à faciliter le passage d'une figure à l'autre. Identical, similar or equivalent parts of the different figures described below bear the same numerical references so as to facilitate the passage from one figure to another.
Les différentes parties représentées sur les figures ne le sont pas nécessairement selon une échelle uniforme, pour rendre les figures plus lisibles. The different parts shown in the figures are not necessarily in a uniform scale, to make the figures more readable.
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS On va s'intéresser aux figures 2A, 2B qui montrent schématiquement deux modes de réalisation d'un lidar objet de l'invention avec des axes d'émission et de réception sensiblement parallèles. Sur la figure 2A le lidar est utilisé dans un dispositif de détection de particules et/ou de molécules dans l'atmosphère également objet de l'invention. DETAILED DESCRIPTION OF PARTICULAR EMBODIMENTS FIG. 2A, 2B will diagrammatically show two embodiments of a lidar that is the subject of the invention with substantially parallel transmission and reception axes. In FIG. 2A the lidar is used in a device for detecting particles and / or molecules in the atmosphere that is also the subject of the invention.
Sur ces figures 2A, 2B, le lidar comporte comme précédemment un module d'émission 10 et un module de réception 20. Le module d'émission 10 comporte des moyens d'émission 11 d'un faisceau optique 12 par exemple de type laser ou diode laser. Le faisceau optique 12 est de préférence un faisceau pulsé. La durée des impulsions est par exemple de l'ordre de quelques nanosecondes. Si les moyens d'émission 11 sont un laser, il s'agit de préférence d'un laser solide de type Nd:YAG. Le laser peut coopérer avec des moyens multiplicateurs de fréquence 17 (par exemple doubleur ou tripleur de fréquence) de manière à émettre aux alentours de 355 nanomètres, c'est à dire dans l'ultra violet. Ainsi, le lidar est particulièrement sensible aux particules de petite taille aux environs de 0,3 micromètres. L'efficacité de diffusion est en effet optimale pour des particules de dimension proche de la longueur d'onde. En utilisant une longueur d'onde dans l'ultra violet, on peut retrouver la signature de très petites particules. Des particules plus grosses seront bien sûr également détectables. In these FIGS. 2A, 2B, the lidar comprises, as previously, a transmission module 10 and a reception module 20. The transmission module 10 comprises means 11 for transmitting an optical beam 12, for example of the laser or laser diode. The optical beam 12 is preferably a pulsed beam. The duration of the pulses is for example of the order of a few nanoseconds. If the transmission means 11 are a laser, it is preferably an Nd: YAG solid laser. The laser can cooperate with frequency multiplying means 17 (for example doubler or frequency tripler) so as to emit around 355 nanometers, that is to say in the ultra violet. Thus, lidar is particularly sensitive to small particles around 0.3 micrometers. The diffusion efficiency is indeed optimal for particles of dimension close to the wavelength. By using a wavelength in the ultra violet, we can find the signature of very small particles. Larger particles will of course also be detectable.
Un autre avantage d'émettre dans l'ultra violet est que cela permet une sécurité oculaire dès la sortie du module d'émission 10. On peut aussi émettre avec des niveaux d'énergie plus importants avant d'atteindre un seuil dommageable pour les yeux. D'après la norme EN 60825- 1:1994 l'exposition maximale autorisée est de 103 J/m2 à 355 nm alors qu'elle n'est que de 5.10-3J/m2 à 532 nm. Another advantage of emitting in the ultra violet is that it allows an eye safety right out of the transmission module 10. It can also emit with higher energy levels before reaching a damaging threshold for the eyes . According to EN 60825-1: 1994 the maximum permissible exposure is 103 J / m2 at 355 nm whereas it is only 5.10-3J / m2 at 532 nm.
Le module d'émission 10 comporte de plus des moyens de mise en forme 13 du faisceau par exemple des moyens agrandisseurs de faisceau, placés sur le trajet du faisceau optique 12 émis, avant qu'il ne se propage dans l'atmosphère. Ces moyens agrandisseurs de faisceau 13 comportent une ou plusieurs lentilles 13.1, 13.2 (par exemple deux) et/ou un ou plusieurs miroirs. On peut se référer à la figure 4B qui illustre des moyens de mise en forme avec un ou plusieurs miroirs. The transmission module 10 furthermore comprises means for shaping the beam, for example beam enlarging means, placed in the path of the emitted optical beam before it is propagated in the atmosphere. These beam enlarging means 13 comprise one or more lenses 13.1, 13.2 (for example two) and / or one or more mirrors. One can refer to FIG. 4B, which illustrates shaping means with one or more mirrors.
Le facteur de grandissement est choisi en fonction des caractéristiques du faisceau optique 12 émis par les moyens d'émission 11 pour se conformer aux conditions requises pour la sécurité oculaire. The magnification factor is chosen according to the characteristics of the optical beam 12 emitted by the transmitting means 11 to comply with the conditions required for eye safety.
Sur la figure 2A les moyens agrandisseurs de faisceau 13 sont représentés par un dispositif optique afocal composé d'une lentille divergente 13.2 et une lentille convergente 13.1, la lentille divergente 13.2 étant en amont de la lentille convergente 13.1. L'axe du faisceau optique 12 est référencé XX'. Cet axe XX' forme un axe optique du module d'émission 10. En agrandissant le diamètre du faisceau optique 12 émis, on diminue l'intensité lumineuse par unité de surface ce qui permet de bénéficier d'un faisceau optique 12 qui respecte les normes de sécurité oculaire. Les moyens de mise en forme 13 peuvent être mobiles par rapport aux moyens d'émission 11 de manière à pouvoir ajuster finement la direction du faisceau optique émis 12. Sur la figure 2B, les moyens de mise en forme 13 coopèrent avec des moyens de déplacement 14 par exemple une platine de translation apte à se déplacer dans deux dimensions. In FIG. 2A the beam magnifying means 13 are represented by an afocal optical device composed of a diverging lens 13.2 and a convergent lens 13.1, the diverging lens 13.2 being upstream of the convergent lens 13.1. The axis of the optical beam 12 is referenced XX '. This axis XX 'forms an optical axis of the transmission module 10. By enlarging the diameter of the optical beam 12 emitted, the luminous intensity is reduced per unit area, which makes it possible to benefit from an optical beam 12 which meets the standards eye safety. The shaping means 13 may be movable relative to the transmission means 11 so as to be able to finely adjust the direction of the emitted optical beam 12. In FIG. 2B, the shaping means 13 cooperate with displacement means. 14 for example a translation plate adapted to move in two dimensions.
Selon l'invention, le module de réception 20 comporte toujours des moyens de collecte 21 du signal rétrodiffusé 28 (ou faisceau rétrodiffusé), ce dernier étant concentré sur des moyens de détection 23 mais au lieu que les moyens de collecte soient de type télescope, ils sont de type lunette astronomique 21. Cette lunette astronomique 21 possède un objectif 22 doté d'au moins une lentille 22.1. Cette lentille 22.1 qui est une lentille convergente aura par exemple un diamètre de l'ordre de 15 à 20 centimètres. According to the invention, the receiving module 20 always comprises means 21 for collecting the backscattered signal 28 (or backscattered beam), the latter being focused on detection means 23 but instead of the collection means being of the telescope type, they are of type astronomical telescope 21. This astronomical telescope 21 has a lens 22 provided with at least one lens 22.1. This lens 22.1 which is a convergent lens will for example have a diameter of the order of 15 to 20 centimeters.
On rappelle qu'une lunette astronomique est un dispositif d'observation qui comporte un objectif avec au moins une lentille. L'objectif d'une lunette astronomique est un réfracteur alors que l'objectif d'un télescope est un réflecteur. En remplaçant le télescope de réception par une lunette astronomique 21 on peut accéder aux courtes distances de détection, on gagne en encombrement et de plus on rend plus aisé l'alignement de la lunette astronomique 21 avec les moyens de détection 23 ainsi que le positionnement du module d'émission 10 par rapport au module de réception 20. A cause de l'obturation du miroir primaire par le miroir secondaire, les lidars à télescope ne pouvaient procéder à des détections à courte distance. La lunette astronomique 21 possède un axe optique référencé YY'. It is recalled that an astronomical telescope is an observation device that includes a lens with at least one lens. The objective of an astronomical telescope is a refractor while the objective of a telescope is a reflector. By replacing the telescope of reception by an astronomical telescope 21 one can reach the short detection distances, one gains in size and moreover one makes easier the alignment of the telescope 21 with the means of detection 23 as well as the positioning of the transmission module 10 with respect to the receiving module 20. Due to the closure of the primary mirror by the secondary mirror, the telescope lidars could not make short-range detections. The telescope 21 has an optical axis referenced YY '.
Cet axe YY' forme un axe optique du module de réception 20. This axis YY 'forms an optical axis of the reception module 20.
L'utilisation d'un système optique à lentilles procure des avantages notables par rapport à l'utilisation des systèmes à miroirs. En effet, les lentilles peuvent être recouvertes d'un traitement diélectrique, afin d'optimiser la transmission dans une gamme de longueurs d'ondes. Il est possible d'utiliser plusieurs lentilles optimisées chacune à une longueur d'onde. Le module de réception à lentilles présente une robustesse des réglages plus importante que celle d'un système à miroirs, très sensible aux dérèglements. La traversée d'une ou plusieurs lentilles perturbe moins la polarisation du signal que la réflexion sur un ou plusieurs miroirs, ce qui permet d'effectuer des mesures de taux de dépolarisation. The use of a lens optics provides significant advantages over the use of mirror systems. Indeed, the lenses can be covered with a dielectric treatment, in order to optimize the transmission in a range of wavelengths. It is possible to use several lenses each optimized at a wavelength. The lens receiving module has a greater robustness of the settings than a mirror system, very sensitive to disturbances. The crossing of one or more lenses disturbs the polarization of the signal less than the reflection on one or more mirrors, which makes it possible to measure the depolarization rate.
Dans ces exemples de réalisation, l'axe optique YY' est sensiblement parallèle à l'axe XX' du faisceau optique 12. Le lidar est dit bistatique, dans d'autres modes de réalisation comme ceux illustrés aux figures 3A, 3B, les deux axes XX' et YY' peuvent être confondus. Ainsi le lidar à axes confondus, dit monostatique, est encore plus simple et plus compact que le lidar à axes sensiblement parallèles. In these exemplary embodiments, the optical axis YY 'is substantially parallel to the axis XX' of the optical beam 12. The lidar is said to be bistatic, in other embodiments such as those illustrated in FIGS. 3A, 3B, the two axes XX 'and YY' can be confused. Thus the lidar with axes coincident, said monostatic, is even simpler and more compact than the lidar with substantially parallel axes.
La lunette astronomique 21 comporte en plus de son objectif 22 doté d'au moins une lentille 13.1, un système optique 24 doté d'au moins une lentille 24.1 qui est aussi convergente et qui fait converger le signal rétrodiffusé 28 qui la traverse sur les moyens de détection 23. Le principe de la lunette astronomique 21 est de collecter le signal rétrodiffusé sur une grande surface et de le concentrer sur une petite surface. The astronomical telescope 21 comprises, in addition to its lens 22 provided with at least one lens 13.1, an optical system 24 provided with at least one lens 24.1 which is also convergent and which converges the backscattered signal 28 which passes therethrough on the means The principle of the telescope 21 is to collect the backscattered signal over a large area and to focus it on a small area.
Les moyens de détection 23, placés en aval du système optique 24 de la lunette astronomique 21, peuvent être formés par exemple d'au moins un photomultiplicateur ou d'au moins une photodiode. Avec de tels moyens de détection 23, il est possible d'acquérir le signal rétrodiffusé 28 sur une impulsion ou de l'intégrer sur plusieurs impulsions du faisceau optique 12 émis. The detection means 23, placed downstream of the optical system 24 of the telescope 21, may be formed for example of at least one photomultiplier or at least one photodiode. With such detection means 23, it is possible to acquire the backscattered signal 28 on a pulse or to integrate it on several pulses of the transmitted optical beam 12.
Lorsqu'on prévoit plusieurs photodiodes (comme sur la figure 3A par exemple), ces dernières sont de préférence arrangées en matrice ou en barrette de manière à faciliter l'alignement avec la lunette astronomique 21 et donc la capture du signal rétrodiffusé 28 après sa traversée de la lunette astronomique 21. Un photomultiplicateur ou une unique photodiode eux n'ont qu'une seule surface sensible. When several photodiodes are provided (as in FIG. 3A for example), the latter are preferably arranged in a matrix or bar so as to facilitate alignment with the telescope 21 and thus the capture of the backscattered signal 28 after its crossing. of the telescope 21. A photomultiplier or a single photodiode they have only one sensitive surface.
Les moyens de détection 23 et le système optique 24 de la lunette astronomique peuvent être mobiles par rapport à l'objectif 22 de la lunette astronomique de manière à pouvoir réaliser un alignement précis et aisé entre l'axe du faisceau rétrodiffusé 28 et l'axe du faisceau optique émis 12. Sur les figures 2B, 2C, les moyens de détection 23 et le système optique 24 coopèrent avec des moyens de déplacement 25 tels qu'une platine de translation apte à se déplacer dans trois dimensions. The detection means 23 and the optical system 24 of the telescope can be movable relative to the objective 22 of the telescope so as to achieve a precise and easy alignment between the axis of the backscattered beam 28 and the axis of the emitted optical beam 12. In FIGS. 2B, 2C, the detection means 23 and the optical system 24 cooperate with displacement means 25 such as a translation plate able to move in three dimensions.
De manière avantageuse, le système optique 24 peut comporter des moyens de filtrage optique 26. Ces moyens de filtrage 26 peuvent être formés d'un ou plusieurs filtres 26.1 par exemple des filtres interférentiels. D'autres moyens de filtrage optique sélectifs en longueur d'onde peuvent être utilisés. Lorsqu'il y a plusieurs filtres 26.1, ils sont amovibles de manière à autoriser des mesures à différentes longueurs d'ondes. On peut placer par exemple les différents filtres 26.1 sur un porte filtre 26.2 coopérant avec des moyens de déplacement 26.3 manuels ou motorisés tels qu'un dispositif à crémaillère, à roue ou à glissière. Il est préférable que la largeur de bande AX de chacun de ces filtres 26.1 soit relativementétroite par exemple de l'ordre du nanomètre. Advantageously, the optical system 24 may comprise optical filtering means 26. These filtering means 26 may be formed of one or more filters 26.1, for example interference filters. Other wavelength selective optical filtering means may be used. When there are several filters 26.1, they are removable so as to allow measurements at different wavelengths. For example, the various filters 26.1 can be placed on a filter holder 26.2 cooperating with manual or motorized displacement means 26.3 such as a rack, wheel or slide device. It is preferable that the bandwidth AX of each of these filters 26.1 is relatively narrow, for example of the order of one nanometer.
Le système optique 24 comporte également une seconde lentille 24.2 placée en amont des moyens de filtrage 26 qui rend parallèle le signal rétrodiffusé 28 à l'entrée des moyens de filtrage 26. Certains moyens de filtrage 26 ont en effet une tolérance angulaire très faible. The optical system 24 also comprises a second lens 24.2 placed upstream of the filtering means 26 which makes the backscattered signal 28 parallel to the input of the filtering means 26. Certain filtering means 26 have indeed a very low angular tolerance.
Par des mesures successives à différentes 30 longueurs d'ondes présélectionnées, il est alors possible d'extraire les profils verticaux d'aérosols (diffusion élastique), le rapport de mélange de vapeur d'eau dans l'atmosphère et la densité de l'air par interaction Raman (diffusion inélastique) sur les molécules de vapeur d'eau à 407 nanomètres et sur les molécules d'azote à 387 nanomètres respectivement. Ces possibilités sont offertes par l'utilisation de différents filtres. L'adjonction de moyens de polarisation 29, placés dans l'exemple de la figure 2A, entre les moyens de filtrage 26 et la seconde lentille 24.2 du système optique 24, permettra de caractériser géométriquement les particules diffusantes. By successive measurements at different preselected wavelengths, it is then possible to extract the vertical aerosol profiles (elastic diffusion), the water vapor mixture ratio in the atmosphere and the density of the aerosol. air by Raman interaction (inelastic scattering) on water vapor molecules at 407 nanometers and nitrogen molecules at 387 nanometers respectively. These possibilities are offered by the use of different filters. The addition of polarization means 29, placed in the example of FIG. 2A, between the filtering means 26 and the second lens 24.2 of the optical system 24, will make it possible to characterize the scattering particles geometrically.
On rappelle que lorsque l'on éclaire tout milieu par un faisceau de lumière, cette radiation excitatrice peut être transmise, réfléchie, absorbée ou diffusée par le milieu. Il peut y avoir alors une diffusion élastique (diffusion Rayleigh) pour laquelle la fréquence de la lumière diffusée est égale à celle de la lumière incidente. Pour une fraction beaucoup moins importante du faisceau incident, la diffusion est inélastique et correspond à un échange d'énergie entre le rayonnement et la matière. Ce processus génère soit des radiations décalées vers les basses fréquences appelées Stokes soit des radiations hautes fréquences appelées anti-Stokes. Ce phénomène physique est appelé diffusion Raman. La différence entre les fréquences diffusées et la fréquence excitatrice correspond aux fréquences de vibrations de la molécule étudiée. It is recalled that when any medium is illuminated by a beam of light, this excitatory radiation can be transmitted, reflected, absorbed or diffused by the medium. There may then be an elastic scattering (Rayleigh scattering) for which the frequency of the scattered light is equal to that of the incident light. For a much smaller fraction of the incident beam, diffusion is inelastic and corresponds to an exchange of energy between radiation and matter. This process generates either radiation shifted to low frequencies called Stokes or high-frequency radiation called anti-Stokes. This physical phenomenon is called Raman scattering. The difference between the scattered frequencies and the excitation frequency corresponds to the vibration frequencies of the studied molecule.
Un éventail de filtres 26.1 permet de faire séquentiellement plusieurs types de mesures avec une seule voie, c'est à dire une seule lunette astronomique, ce qui n'était pas vrai dans les lidars de l'art antérieur qui possédaient plusieurs voies de détection. A range of filters 26.1 makes it possible to sequentially make several types of measurements with a single channel, ie a single astronomical telescope, which was not true in the lidars of the prior art which had several detection channels.
On prévoit également dans le système optique 24 des moyens de limitation de champ optique 27. Ces moyens de limitation de champ optique 27 sont placés en aval de l'objectif 22 et forment l'entrée du système optique 24 de la lunette astronomique 21. Ils sont placés, dans ce mode de réalisation, dans le plan focal de l'objectif 22 de la lunette astronomique 21 et dans le plan focal de la seconde lentille 24.2 du système optique 24. La distance focale de la lentille 22.1 de l'objectif 22 et de la seconde lentille 24. 2 du système optique 24 sont choisies avec soin. Ces moyens de limitation de champ optique 27 peuvent être formés d'un ou plusieurs diaphragmes 27. 1. Lorsqu'on prévoit plusieurs diaphragmes 27.1, ces derniers sont amovibles et peuvent être placés sur un porte-diaphragme 27.2 qui coopère par exemple avec des moyens de déplacement 27.3 manuels ou motorisés, tels un dispositif à crémaillère, à roue ou à glissière. L'avantage de disposer de différentes tailles de champ optique est de pouvoir bien mettre en évidence les phénomènes de diffusion multiple. Optical field limiting means 27 are also provided in the optical system 24. These optical field limiting means 27 are placed downstream of the objective 22 and form the input of the optical system 24 of the telescopic telescope 21. are placed in this embodiment in the focal plane of the objective 22 of the telescope 21 and in the focal plane of the second lens 24.2 of the optical system 24. The focal distance of the lens 22.1 of the objective 22 and the second lens 24 of the optical system 24 are carefully selected. These optical field limiting means 27 may be formed of one or more diaphragms 27. 1. When several diaphragms 27.1 are provided, they are removable and can be placed on a diaphragm holder 27.2 which cooperates for example with means manual or motorized movement devices 27.3, such as a rack, wheel or slide device. The advantage of having different optical field sizes is to be able to highlight the multiple scattering phenomena.
Un avantage de la lunette astronomique est qu'elle est moins sensible que les miroirs du télescope aux intempéries. Un hublot de protection n'est pas forcément nécessaire lors d'une utilisation en extérieur. L'avantage d'une utilisation sans hublot de protection est que l'atténuation du signal rétrodiffusé est moins importante. An advantage of the telescope is that it is less sensitive than the weather telescope mirrors. A protective window is not necessarily necessary when used outdoors. The advantage of using without a protective window is that the attenuation of the backscattered signal is less important.
Le signal rétrodiffusé 28 est utilisable directement dès qu'il y a recouvrement entre le champ de vue du module de réception 20 et le faisceau optique 12 émis. Le fait que l'axe XX' du module d'émission 10 soit sensiblement parallèle à l'axe optique YY' du module de réception 20 et que le diamètre de l'objectif 22 de la lunette astronomique 21 soit réduit permet de limiter l'entraxe XX'-YY'. Il peut être limité à environ 10 centimètres. La valeur de l'entraxe est un paramètre qui conditionne l'altitude minimale des mesures. Avec un tel entraxe, un signal rétrodiffusé 28 peut être obtenu à partir de couches très basses de l'atmosphère, par exemple de l'ordre de 50 mètres depuis le sol. C'est dans ces couches basses que sont concentrées en majorité les particules liées à la pollution de proximité. The backscattered signal 28 can be used directly as soon as there is overlap between the field of view of the reception module 20 and the transmitted optical beam 12. The fact that the axis XX 'of the transmission module 10 is substantially parallel to the optical axis YY' of the reception module 20 and the diameter of the objective 22 of the telescope 21 is reduced makes it possible to limit the XX'-YY center distance. It can be limited to about 10 centimeters. The value of the center distance is a parameter that determines the minimum altitude of the measurements. With such a center distance, a backscattered signal 28 can be obtained from very low layers of the atmosphere, for example of the order of 50 meters from the ground. It is in these low layers that the majority of particles are concentrated in proximity pollution.
En dessous, il y a un recouvrement partiel et on doit appliquer une fonction de correction au signal rétrodiffusé par modélisation ou par étalonnage. Below, there is a partial overlap and a correction function must be applied to the backscattered signal by modeling or calibration.
Pour modéliser le recouvrement, il faut maîtriser parfaitement les composants optiques du lidar de manière à modéliser la propagation des photons entre l'émission et la réception. La fonction de correction peut être estimée sur des bases expérimentales soit en se plaçant dans une atmosphère homogène ou en se plaçant dans une atmosphère dotée de propriétés de diffusion connues. Par exemple en altitude, on sait que la diffusion est principalement liée à la contribution moléculaire que l'on sait parfaitement modéliser. On peut aussi utiliser une cible et effectuer différentes mesures à différentes distances de cette dernière. To model the overlay, the optical components of the lidar must be perfectly controlled in order to model the propagation of the photons between transmission and reception. The correction function can be estimated on experimental bases either by placing in a homogeneous atmosphere or by placing in an atmosphere with known diffusion properties. For example at altitude, we know that diffusion is mainly related to the molecular contribution that we know perfectly well. You can also use a target and perform different measurements at different distances from the target.
Dans les lidars à télescope de l'art antérieur, on ne pouvait pas obtenir un entraxe aussi réduit. La présence du miroir secondaire venait compliquer le calcul d'un facteur de correction géométrique puisqu'il obture de façon significative le miroir primaire pour les faibles distances. Globalement, il était difficile de disposer de mesures significatives pour des altitudes inférieures à la centaine de mètres. In telescope lidars of the prior art, such a small center distance could not be obtained. The presence of the secondary mirror complicated the calculation of a geometric correction factor since it significantly closes the primary mirror for small distances. Overall, it was difficult to have meaningful measurements at altitudes below 100 meters.
La figure 2A représente un dispositif de détection de particules et/ou de molécules présentes dans l'atmosphère et d'analyse de ces particules et/ou molécules. Ce dispositif comporte au moins un lidar 30 objet de l'invention qui coopère avec des moyens électroniques d'acquisition 31 et des moyens de traitement 32 du signal rétrodiffusé 28 détecté par le lidar 30. FIG. 2A represents a device for detecting particles and / or molecules present in the atmosphere and for analyzing these particles and / or molecules. This device comprises at least one lidar 30 of the invention which cooperates with electronic acquisition means 31 and processing means 32 of the backscattered signal 28 detected by the lidar 30.
Les moyens de détection 23 sont reliés à ces moyens d'acquisition 31. Après leur acquisition les signaux acquis sont traités dans les moyens de traitement 32. Ces moyens de traitement 32 peuvent être de type ordinateur personnel par exemple. Les moyens électroniques d'acquisition 31 peuvent fonctionner en mode de comptage de photons ou en mode analogique. Les moyens de traitement 32 effectuent une analyse des signaux détectés en temps réel ou en temps quasi réel. Les signaux peuvent être analysés en terme de localisation des couches de polluants et/ou d'indice de pollution. Les deux options ne sont pas exclusives l'une de l'autre et peuvent être effectuées simultanément. The detection means 23 are connected to these acquisition means 31. After their acquisition, the acquired signals are processed in the processing means 32. These processing means 32 may be of the personal computer type, for example. The electronic acquisition means 31 can operate in photon counting mode or in analog mode. The processing means 32 perform an analysis of the detected signals in real time or in near real time. The signals can be analyzed in terms of location of the pollutant layers and / or pollution index. Both options are not exclusive of each other and can be done simultaneously.
Il est possible de coupler le lidar à des moyens de déplacement angulaire 15 de manière à ce que le faisceau optique 12 émis puisse effectuer un balayage angulaire dans l'atmosphère à analyser. On 5 obtient de la sorte un dispositif de tomographie de l'atmosphère. It is possible to couple the lidar to angular displacement means 15 so that the emitted optical beam 12 can perform angular scanning in the atmosphere to be analyzed. In this way, a device for tomography of the atmosphere is obtained.
Les moyens informatiques de traitement 32 peuvent piloter différents paramètres de commande tels que la direction de l'axe de visée du module d'émission 10, le choix du diaphragme 27.1 de limitation champ du module de réception 20, le balayage angulaire du faisceau optique 12 émis. The computer processing means 32 can drive various control parameters such as the direction of the line of sight of the transmission module 10, the choice of the field limiting diaphragm 27.1 of the receiving module 20, the angular scanning of the optical beam 12 issued.
Un tel dispositif d'analyse de l'atmosphère est très souple d'utilisation et peut être mis en uvre sans danger par des opérateurs non-spécialistes. Le lidar 30 en lui-même est léger et peu encombrant. Sa masse est de l'ordre de la dizaine de kilogrammes hors alimentation électrique et hors dispositif d'acquisition et de traitement du signal. Such a device for analyzing the atmosphere is very flexible in use and can be implemented without danger by non-specialist operators. The lidar 30 itself is lightweight and compact. Its mass is of the order of ten kilograms excluding power supply and off acquisition device and signal processing.
L'opérateur a le choix du mode de représentation des résultats des mesures: soit en indice de pollution, soit en grandeur géophysique (extinction des particules détectées ou estimation de leur concentration), soit en paramètres structuraux (évolution temporelle de l'altitude des couches de polluants). Le traitement des signaux peut s'effectuer à l'aide de plusieurs logiciels chargés dans les moyens de traitement 32. Ces logiciels sont de type connus et ne posent pas de problèmes pour un homme du métier. Ils sont basés sur des procédures déjà éprouvées. L'un d'entre eux peut évaluer la pente de diffusion Rayleigh The operator has the choice of the mode of representation of the results of the measurements: either in index of pollution, or in geophysical size (extinction of the detected particles or estimation of their concentration), or in structural parameters (temporal evolution of the altitude of the layers pollutants). The signal processing can be performed using several software loaded into the processing means 32. These software are of known type and do not pose any problems for a person skilled in the art. They are based on already proven procedures. One of them can evaluate the Rayleigh scattering slope
--
pour avaliser l'alignement géométrique entre le module d'émission et le module de réception. Un logiciel de reconnaissance de forme peut donner accès à l'altitude des couches diffusantes et donc de la couche limite planétaire. On rappelle que la couche limite planétaire correspond à la partie de l'atmosphère sensible aux effets de surface (comprise entre le sol et une altitude d'environ 3 kilomètres). Un autre logiciel peut être prévu pour quantifier le taux de pollution particulaire sous la forme d'un indice de qualité de l'air. to validate the geometrical alignment between the transmitting module and the receiving module. A shape recognition software can give access to the altitude of the scattering layers and therefore of the planetary boundary layer. It is recalled that the planetary boundary layer corresponds to the part of the atmosphere sensitive to surface effects (between the ground and an altitude of about 3 kilometers). Another software may be provided to quantify the particulate pollution rate in the form of an air quality index.
Les figures 3A, 3B illustrent schématiquement un lidar de l'invention dont l'axe optique du module d'émission 10 est confondu avec l'axe optique du module de réception 20. Sur ces schémas, on distingue un module d'émission 10 avec des moyens d'émission 11 destiné à émettre un faisceau optique 12 à travers des moyens de mise en forme du faisceau prenant la forme par exemple de moyens agrandisseurs de faisceau 13 formés d'un dispositif optique afocal. Comme précédemment le dispositif optique afocal comporte en cascade depuis les moyens d'émission 11 une lentille divergente 13.2 et une lentille convergente 13.1. Sur la figure 3A, une lame semi-réfléchissante 16 est insérée entre les moyens d'émission 11 et les moyens de mise en forme 13 du faisceau optique 12 émis. Le faisceau optique 12 passe à travers la lame semiréfléchissante 16. La lentille convergente 13.1 des moyens agrandisseurs 13 fait office d'objectif 22 de la lunette astronomique 21 des moyens de réception. Un signal rétrodiffusé 28 qui traverse l'objectif de la lunette astronomique 21 des moyens de réception 20 est défléchi par la lame semi- réfléchissante 16 et renvoyé vers le système optique 24 de la lunette astronomique 21 qu'il traverse avant d'atteindre les moyens de détection 23. Le système optique 24 de la lunette astronomique 21 comporte toujours une lentille 24.1 qui fait converger le signal rétrodiffusé 28 sur les moyens de détection 23. La lame semi-réfléchissante 16 est inclinée, par exemple à 45 par rapport à l'axe XX' du faisceau optique émis. Le système optique 24 et l'objectif 22 de la lunette astronomique sont orientés à 90 . Le signal rétrodiffusé 28 rencontre donc sur son trajet, en aval de la lame semi-réfléchissante 16, le système optique 24 incluant les moyens de filtrage 26 et enfin les moyens de détection 23. Si des moyens de limitation de champ optique sont prévus, ils peuvent être insérés entre la lentille 24.1 du système optique 24 et les moyens de détection 23. La seconde lentille du système optique sert à rendre le faisceau optique 28 parallèle. Elle est placée en amont de la lame semiréfléchissante 16. Dans l'exemple décrit elle est matérialisée par la lentille 13.2. FIGS. 3A, 3B schematically illustrate a lidar of the invention, the optical axis of the transmission module 10 coincides with the optical axis of the reception module 20. In these diagrams, there is a transmission module 10 with transmission means 11 for emitting an optical beam 12 through beam shaping means in the form, for example, of beam enlarging means 13 formed of an afocal optical device. As previously, the afocal optical device comprises in cascade from the transmission means 11 a diverging lens 13.2 and a convergent lens 13.1. In FIG. 3A, a semi-reflecting plate 16 is inserted between the emitting means 11 and the shaping means 13 of the emitted optical beam 12. The optical beam 12 passes through the semireflective blade 16. The convergent lens 13.1 of the enlarging means 13 serves as the objective 22 of the telescope 21 of the receiving means. A backscattered signal 28 which passes through the objective of the telescope 21 of the reception means 20 is deflected by the semi-reflecting plate 16 and returned to the optical system 24 of the telescope 21 which it passes through before reaching the means 23. The optical system 24 of the telescope 21 always has a lens 24.1 converging the backscattered signal 28 on the detection means 23. The semi-reflecting plate 16 is inclined, for example 45 relative to the axis XX 'of the emitted optical beam. The optical system 24 and the objective 22 of the telescope are oriented at 90. The backscattered signal 28 thus encounters in its path, downstream of the semi-reflecting plate 16, the optical system 24 including the filtering means 26 and finally the detection means 23. If optical field limiting means are provided, they can be inserted between the lens 24.1 of the optical system 24 and the detection means 23. The second lens of the optical system serves to make the optical beam 28 parallel. It is placed upstream of the semireflective blade 16. In the example described, it is materialized by the lens 13.2.
La lame semi-réfléchissante pourrait être remplacée par un dispositif réfléchissant 18 doté d'une zone 18.1 non réfléchissante et qui laisse passer le faisceau optique émis 12. Elle défléchit le signal rétrodiffusé 28 et le dévie vers le système optique 24. Le faisceau optique émis 12 traverse cette zone avant son agrandissement. Cette variante est illustrée sur la figure 3B. Ce dispositif réfléchissant 18 peut être formé d'un miroir, la zone non réfléchissante 18.1 qui laisse passer le faisceau optique peut être formée par un trou traversant. En variante, la zone 18.1 peut être une zone pleine. Le miroir peut être formé par exemple d'un support transparent, en verre métallisé, la zone non réfléchissante pleine 18.1 étant elle non métallisée. Cette zone 18.1 sera de préférence dans une partie centrale du dispositif réfléchissant. Elle aura typiquement un diamètre de l'ordre de quelques millimètres. La zone 18.1 représente environ 1% de la surface utile réfléchissante du dispositif réfléchissant 18. Sa surface est quasi négligeable vis à vis du signal rétrodiffusé. Pour mémoire, l'obturation due au miroir secondaire représentait environ 30% de la surface utile du miroir primaire d'un télescope. The semi-reflective plate could be replaced by a reflecting device 18 having a non-reflecting zone 18.1 which passes the emitted optical beam 12. It deflects the backscattered signal 28 and deflects it towards the optical system 24. The optical beam emitted 12 crosses this area before enlarging. This variant is illustrated in FIG. 3B. This reflecting device 18 may be formed of a mirror, the non-reflecting area 18.1 which passes the optical beam may be formed by a through hole. Alternatively, the area 18.1 may be a solid area. The mirror may be formed for example of a transparent support, in metallized glass, the full non-reflective area 18.1 being non-metallized. This zone 18.1 will preferably be in a central part of the reflecting device. It will typically have a diameter of the order of a few millimeters. The zone 18.1 represents approximately 1% of the reflective effective area of the reflecting device 18. Its surface is almost negligible with respect to the backscattered signal. For the record, the secondary mirror shutter accounted for about 30% of the useful surface of the primary mirror of a telescope.
Ces modes de réalisation ont l'avantage d'être plus compacts, plus légers et moins coûteux que les modes de réalisation des figures 2A, 2B car ils utilisent moins de lentilles. Un autre avantage est que le recouvrement entre le faisceau optique 12 émis et le signal rétrodiffusé 28 se produit au niveau de la lentille de l'objectif 22 de la lunette astronomique 21. Le signal retrodiffusé 28 donne donc accès à des couches de l'atmosphère encore plus basses. De tels modes de réalisation peuvent être utilisés avantageusement pour l'analyse de la qualité de l'atmosphère et plus particulièrement de l'air ambiant à l'intérieur de bâtiments tels que des halls d'aéroports, des gares, des stations de métro ou similaire. These embodiments have the advantage of being more compact, lighter and less expensive than the embodiments of Figures 2A, 2B because they use fewer lenses. Another advantage is that the overlap between the emitted optical beam 12 and the backscattered signal 28 occurs at the lens of the objective 22 of the telescope 21. The retrodiffused signal 28 thus gives access to layers of the atmosphere even lower. Such embodiments can be used to advantage for the analysis of the quality of the atmosphere and more particularly of the ambient air inside buildings such as airport lobbies, railway stations, subway stations or similar.
Le mode de réalisation avec la lame semiréfléchissante a pour avantage de ne pas nécessiter de correction de facteur géométrique. La fonction de recouvrement entre le faisceau optique émis et le signal rétrodiffusé est parfaite ou quasi parfaite. Son inconvénient est qu'elle engendre une perte d'énergie d'un facteur 4. The embodiment with the semireflecting blade has the advantage of not requiring geometric factor correction. The overlap function between the emitted optical beam and the backscattered signal is perfect or almost perfect. Its disadvantage is that it generates a loss of energy by a factor of 4.
Le dispositif réfléchissant doté de la zone non réfléchissante n'entraîne qu'une faible perte d'énergie. Par contre il nécessite une faible correction de fonction recouvrement à faible distance (inférieure à 50 mètres). The reflective device with the non-reflective zone causes only a small loss of energy. On the other hand, it requires a weak recovery function correction at a short distance (less than 50 meters).
Le télescope à miroirs nécessitait une correction de recouvrement jusqu'à environ 500 à 1000 15 mètres. The mirror telescope required a lap correction of approximately 500 to 1000 meters.
Les figures 4A, 4B illustrent des variantes de l'invention utilisant au moins une fibre optique soit en émission, soit en réception. Ces figures sont dérivées de la figure 2A. On peut imaginer d'utiliser au moins une fibre optique en émission et au moins une fibre optique en réception. FIGS. 4A and 4B illustrate variants of the invention using at least one optical fiber either in transmission or in reception. These figures are derived from Figure 2A. It is conceivable to use at least one optical fiber in transmission and at least one optical fiber in reception.
Sur la figure 4A, au moins une fibre optique FOI est insérée dans le module d'émission 10, elle est située entre les moyens d'émission 11 et les moyens de mise en forme 13. Le module d'émission 10 peut alors être subdivisé en deux blocs distants reliés par cette fibre optique FOI. La fibre optique FOI transmet le signal en sortie du laser ou de la diode laser et le dirige soit directement vers l'atmosphère, soit vers les moyens de mise en forme 13. Les moyens de mise en forme sont représentés qu'avec une lentille convergente 13.1. Cette configuration permet de séparer le laser et son alimentation électrique, qui sont des éléments lourds, encombrants et fragiles, du reste du système optique du lidar. Cette variante est particulièrement avantageuse dans le cas où le lidar est couplé à des moyens de déplacement angulaire 15 qui ne déplacent que la fibre optique FOI couplée aux moyens de mise en forme 13 et le module de réception. La charge à déplacer est beaucoup plus légère. En outre, les réglages sont plus faciles. In FIG. 4A, at least one optical fiber FOI is inserted in the transmission module 10, it is situated between the transmission means 11 and the shaping means 13. The transmission module 10 can then be subdivided in two remote blocks connected by this optical fiber FOI. The optical fiber FOI transmits the signal at the output of the laser or the laser diode and directs it either directly to the atmosphere or to the shaping means 13. The shaping means are shown with a converging lens 13.1. This configuration makes it possible to separate the laser and its power supply, which are heavy, bulky and fragile elements, from the rest of the lidar optical system. This variant is particularly advantageous in the case where the lidar is coupled to angular displacement means 15 which move only the optical fiber FOI coupled to the shaping means 13 and the receiving module. The load to move is much lighter. In addition, the settings are easier.
La variante de la figure 4B illustre le cas où au moins une fibre optique FO2 est insérée dans le module de réception 20 entre l'objectif 22 et le système optique 24. Elle a pour fonction de recueillir le signal en sortie de l'objectif 22 et de le transmettre vers le système optique 24 et les moyens de détection 23. Une extrémité de la fibre optique FO2 est de préférence placée au point focal de la lentille 22.1 de l'objectif 22. L'autre extrémité de la fibre optique FO2 est de préférence placée au point focal d'entrée du système optique 24 du module de réception 20. Dans cette configuration, la fibre optique FO2 a également la fonction de limiteur de champ. The variant of FIG. 4B illustrates the case where at least one optical fiber FO2 is inserted into the reception module 20 between the objective 22 and the optical system 24. Its function is to collect the signal at the output of the objective 22 and transmit it to the optical system 24 and the detection means 23. One end of the optical fiber FO2 is preferably placed at the focal point of the lens 22.1 of the objective 22. The other end of the optical fiber FO2 is preferably placed at the input focal point of the optical system 24 of the receiving module 20. In this configuration, the optical fiber FO2 also has the function of field limiter.
Sur cette figure 4B, les moyens de mise en forme 13 du module d'émission comportent au moins un miroir 13.3, 13.4 au lieu d'au moins une lentille. In this FIG. 4B, the shaping means 13 of the transmission module comprise at least one mirror 13.3, 13.4 instead of at least one lens.
Avec des lidars tels que décrits dans les modes de réalisation détaillés ci-dessus, on peut espérer restituer les propriétés optiques des aérosols avec un intervalle de confiance supérieur à 10% pour une durée d'intégration d'environ 2 secondes. With lidars as described in the embodiments detailed above, it is hoped to restore the optical properties of the aerosols with a confidence interval greater than 10% for an integration time of about 2 seconds.
Les applications principales envisagées pour de tels lidars sont par exemple l'étude de la répartition spatiale de polluants particulaires de la surface au sommet de la couche limite atmosphérique et de leur transfert dans la troposphère libre. L'intérêt principal lié à l'utilisation d'un tel lidar est double. On peut surveiller la pollution particulaire de la basse atmosphère en régions urbaines et à proximité de sites industriels. On peut également contraindre et valider des modèles d'impacts et prédictifs à objectifs environnementaux et sociauxéconomiques. The main applications envisaged for such lidars are, for example, the study of the spatial distribution of particulate pollutants from the top surface of the atmospheric boundary layer and their transfer into the free troposphere. The main interest in using such a lidar is twofold. Particulate pollution of the lower atmosphere can be monitored in urban areas and near industrial sites. It is also possible to constrain and validate impact and predictive models with environmental and social-economic objectives.
La première application intéresse les organismes de suivi de la qualité de l'air et les industriels qui veulent contrôler efficacement leurs rejets. Ils sont demandeurs de dispositifs fiables et simples qui peuvent mettre en évidence la charge en aérosols de pollution suivant une colonne d'air parcourue par le faisceau optique émis avec un échantillonnage temporel qui puisse suivre l'évolution des sources de ces particules. Le dispositif de détection et d'analyse doté d'un tel lidar permet d'échantillonner les basses couches de l'atmosphère, principalement la couche limite planétaire. L'analyse du signal rétrodiffusé permet de calculer un indice de pollution particulaire défini pour cette application afin de faciliter son utilisation. The first application is of interest to air quality monitoring organizations and industrialists who want to effectively control their releases. They are looking for reliable and simple devices that can highlight the pollution aerosol load according to a column of air traversed by the optical beam emitted with a temporal sampling that can follow the evolution of the sources of these particles. The detection and analysis device provided with such a lidar makes it possible to sample the lower layers of the atmosphere, mainly the planetary boundary layer. The analysis of the backscattered signal makes it possible to calculate a particulate pollution index defined for this application in order to facilitate its use.
La seconde application est étroitement liée au besoin d'études diagnostiques et de prévision d'évènements de pollution particulaire. Des lidars soigneusement répartis en région urbaine sont des moyens de contrainte forte pour des modèles méso- échelle dédiés à la pollution particulaire. Ils peuvent être utilisés pour valider ces modèles. Le profil des mesures brutes issu de chacun des lidars (après correction de la géométrie de visée) est comparé à un profil généré directement par le modèle. Le profil issu du lidar est associé à une erreur relative très faible (quelques pourcents), il permet de mettre en évidence les erreurs du modèle et donc de l'affiner. Le modèle intègre généralement un simulateur de mesures provenant des lidars qui utilise en entrée les résultats de simulations à chaque pas de temps. Les écarts observés entre la prédiction et la mesure sont uniquement liés à des artéfacts du modèle qui doivent être corrigés. Les caractéristiques structurales des couches de polluants sont très importantes pour bien valider les modèles, elles sont directement obtenues à partir de la mesure brute issue du lidar. En mode prévision, l'assimilation des mesures provenant des lidars peut se faire en temps réel afin de bien contraindre l'évolution des panaches particulaires. The second application is closely related to the need for diagnostic studies and prediction of particulate pollution events. Carefully distributed lidars in urban areas are strong means of constraint for mesoscale models dedicated to particulate pollution. They can be used to validate these models. The gross measurement profile from each of the lidars (after aiming geometry correction) is compared to a profile generated directly by the model. The profile resulting from the lidar is associated with a very low relative error (a few percent), it makes it possible to highlight the errors of the model and thus to refine it. The model typically incorporates a lidar-based simulator that uses the simulation results as input for each time step. The observed discrepancies between the prediction and the measurement are only related to model artifacts that need to be corrected. The structural characteristics of the pollutant layers are very important to validate the models, they are directly obtained from the raw measurement from the lidar. In prediction mode, the assimilation of lidar measurements can be done in real time in order to constrain the evolution of particulate plumes.
Un tel lidar peut être utilisé par des personnes non obligatoirement spécialisées puisqu'il n'est pas dangereux pour les yeux. Il peut être utilisé au sol statiquement ou être embarqué sur un véhicule terrestre ou un aéronef. Lorsque le lidar est embarqué sur un aéronef, il peut être utilisé pour faire de la cartographie de l'atmosphère. Les logiciels développés pour le traitement du signal rétrodiffusé tiennent compte de l'application afin de faciliter la tâche des utilisateurs. Such a lidar can be used by people who are not necessarily specialized since it is not dangerous for the eyes. It can be used on the ground statically or be embarked on a land vehicle or an aircraft. When the lidar is embarked on an aircraft, it can be used to map the atmosphere. The software developed for the backscattered signal processing takes into account the application in order to facilitate the task of the users.
DOCUMENTS CITES: [1] demande de brevet JP-A 10039023 [2] demande de brevet JP-A 08136455 [3] demande de brevet JP-A 11248838 [4] demande de brevet US-A-2002118352 [5] demande de brevet JP-A 09145841 [6] demande de brevet JP-A 2002196075 [7] demande de brevet JP-A 10039020 [8] brevet US-B 5 241 315 [9] brevet US-B 5 239 352 B 14640.3 CS 33 2865545 CITES DOCUMENTS: [1] patent application JP-A 10039023 [2] patent application JP-A 08136455 [3] patent application JP-A 11248838 [4] patent application US-A-2002118352 [5] patent application JP-A 09145841 [6] patent application JP-A 2002196075 [7] patent application JP-A 10039020 [8] US-B 5 241 315 [9] US-B 5 239 352 B 14640.3 CS 33 2865545
Claims (27)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
FR0450115A FR2865545B1 (en) | 2004-01-22 | 2004-01-22 | LIDAR COMPACT |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
FR0450115A FR2865545B1 (en) | 2004-01-22 | 2004-01-22 | LIDAR COMPACT |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
FR2865545A1 true FR2865545A1 (en) | 2005-07-29 |
FR2865545B1 FR2865545B1 (en) | 2006-05-05 |
Family
ID=34717481
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
FR0450115A Expired - Fee Related FR2865545B1 (en) | 2004-01-22 | 2004-01-22 | LIDAR COMPACT |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
FR (1) | FR2865545B1 (en) |
Cited By (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN108957425A (en) * | 2017-05-18 | 2018-12-07 | 康拉德有限责任公司 | Analog machine for LiDAR photometric system |
CN109541640A (en) * | 2018-12-28 | 2019-03-29 | 安徽蓝盾光电子股份有限公司 | A kind of aerosol LIDAR of comprehensive full angle |
CN109613560A (en) * | 2018-12-26 | 2019-04-12 | 武汉大学 | EO-1 hyperion three-dimensional laser radar system based near infrared light Full wave shape ranging |
CN110187361A (en) * | 2019-05-23 | 2019-08-30 | 中国科学技术大学 | Laser radar atmospheric seeing system based on railway network |
CN111157974A (en) * | 2019-12-31 | 2020-05-15 | 安徽皖仪科技股份有限公司 | Laser radar four-quadrant uniformity adjusting device |
CN111208496A (en) * | 2020-03-10 | 2020-05-29 | 广东博智林机器人有限公司 | Calibration device and calibration method for laser radar |
CN111398973A (en) * | 2020-03-26 | 2020-07-10 | 北醒(北京)光子科技有限公司 | Long-distance laser radar |
CN111563310A (en) * | 2019-12-30 | 2020-08-21 | 中国气象局气象探测中心 | Laser radar system simulation method |
CN113126063A (en) * | 2021-04-21 | 2021-07-16 | 西安理工大学 | Device for detecting full stokes vector of laser radar echo in real time |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN114035173A (en) * | 2021-11-30 | 2022-02-11 | 图达通智能科技(苏州)有限公司 | Coupling device for photoelectric conversion and laser radar |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
FR1589684A (en) * | 1967-07-18 | 1970-04-06 | ||
FR2658607A1 (en) * | 1990-02-22 | 1991-08-23 | Sextant Avionique | METHOD AND SYSTEM FOR OPTICALLY MEASURING AIR TEMPERATURE BY LASER EXCITATION, IN PARTICULAR BEFORE AN AIRCRAFT. |
FR2663752A1 (en) * | 1990-06-25 | 1991-12-27 | Seso | METEOROLOGICAL PARAMETER MEASURING DEVICE. |
WO2002050565A1 (en) * | 2000-12-21 | 2002-06-27 | Thales | Laser anemometer |
US20020118352A1 (en) * | 2001-02-23 | 2002-08-29 | Japan Atomic Energy Research Institute | Fast gate scanning three-dimensional laser radar apparatus |
WO2003073123A1 (en) * | 2002-02-28 | 2003-09-04 | Vaisala Oyj | Lidar |
-
2004
- 2004-01-22 FR FR0450115A patent/FR2865545B1/en not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
FR1589684A (en) * | 1967-07-18 | 1970-04-06 | ||
FR2658607A1 (en) * | 1990-02-22 | 1991-08-23 | Sextant Avionique | METHOD AND SYSTEM FOR OPTICALLY MEASURING AIR TEMPERATURE BY LASER EXCITATION, IN PARTICULAR BEFORE AN AIRCRAFT. |
FR2663752A1 (en) * | 1990-06-25 | 1991-12-27 | Seso | METEOROLOGICAL PARAMETER MEASURING DEVICE. |
WO2002050565A1 (en) * | 2000-12-21 | 2002-06-27 | Thales | Laser anemometer |
US20020118352A1 (en) * | 2001-02-23 | 2002-08-29 | Japan Atomic Energy Research Institute | Fast gate scanning three-dimensional laser radar apparatus |
WO2003073123A1 (en) * | 2002-02-28 | 2003-09-04 | Vaisala Oyj | Lidar |
Cited By (12)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN108957425A (en) * | 2017-05-18 | 2018-12-07 | 康拉德有限责任公司 | Analog machine for LiDAR photometric system |
CN108957425B (en) * | 2017-05-18 | 2024-04-05 | 康拉德有限责任公司 | Analog device for LiDAR photometry system |
CN109613560A (en) * | 2018-12-26 | 2019-04-12 | 武汉大学 | EO-1 hyperion three-dimensional laser radar system based near infrared light Full wave shape ranging |
CN109541640A (en) * | 2018-12-28 | 2019-03-29 | 安徽蓝盾光电子股份有限公司 | A kind of aerosol LIDAR of comprehensive full angle |
CN110187361A (en) * | 2019-05-23 | 2019-08-30 | 中国科学技术大学 | Laser radar atmospheric seeing system based on railway network |
CN111563310A (en) * | 2019-12-30 | 2020-08-21 | 中国气象局气象探测中心 | Laser radar system simulation method |
CN111157974A (en) * | 2019-12-31 | 2020-05-15 | 安徽皖仪科技股份有限公司 | Laser radar four-quadrant uniformity adjusting device |
CN111157974B (en) * | 2019-12-31 | 2023-04-07 | 安徽皖仪科技股份有限公司 | Laser radar four-quadrant uniformity adjusting device |
CN111208496A (en) * | 2020-03-10 | 2020-05-29 | 广东博智林机器人有限公司 | Calibration device and calibration method for laser radar |
CN111208496B (en) * | 2020-03-10 | 2023-07-28 | 广东博智林机器人有限公司 | Laser radar calibration device and calibration method |
CN111398973A (en) * | 2020-03-26 | 2020-07-10 | 北醒(北京)光子科技有限公司 | Long-distance laser radar |
CN113126063A (en) * | 2021-04-21 | 2021-07-16 | 西安理工大学 | Device for detecting full stokes vector of laser radar echo in real time |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
FR2865545B1 (en) | 2006-05-05 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US20210018432A1 (en) | Reference Switch Architectures for Noncontact Sensing of Substances | |
Mei et al. | Atmospheric aerosol monitoring by an elastic Scheimpflug lidar system | |
Wandinger | Introduction to lidar | |
RU2484432C2 (en) | Polarimetric hyperspectral imager | |
EP2404159B1 (en) | Method for measuring the focal distance of a thermal lens | |
EP1183518B1 (en) | Device for determining the values of at least one parameter of particles, in particular water droplets | |
EP0942293B1 (en) | System for measuring range or angle of incidence of a light beam | |
FR2865545A1 (en) | Lidar (Light detecting and ranging) with an emission module producing a light beam at least part of which is then retrodiffused and a receiving module for the retrodiffused signal | |
Kong et al. | Three-wavelength polarization Scheimpflug lidar system developed for remote sensing of atmospheric aerosols | |
CN112904308B (en) | Laser radar system and method for detecting cloud phase state and cloud water content | |
WO2008152286A2 (en) | Method of optical teledetection of compounds in a medium | |
FR2938922A1 (en) | METHOD AND DEVICE FOR OPTIMIZING THE ORIENTATION OF A LASER ANEMOMETER ON AN AIRCRAFT | |
US20200225111A1 (en) | Remote sensing of natural gas leaks | |
Ben-David et al. | High pulse repetition frequency, multiple wavelength, pulsed CO 2 lidar system for atmospheric transmission and target reflectance measurements | |
EP0558405B1 (en) | Device for inspecting the lighting on airfield runways and taxiways | |
Shen et al. | Fabry–Perot etalon-based ultraviolet high-spectral-resolution lidar for tropospheric temperature and aerosol measurement | |
EP3201605A1 (en) | Laser beam stop elements and spectroscopy systems including the same | |
RU216578U1 (en) | AIRBORNE LIDAR IN THE MIDDLE INFRARED RANGE | |
WO2024002965A1 (en) | System for determining the attenuation of a light wave passing through a sampling volume | |
Wang et al. | Double-pass propagation of laser pulses reflected by a diffuse whiteboard or a corner-cube retroreflector in turbulent atmosphere | |
Belov et al. | Comparative Analysis of Aerosol Lidar Potential Possibilities to Measure Wind Speed in Different Spectral Ranges | |
FR2478815A1 (en) | METHOD AND APPARATUS FOR EVALUATING VISIBILITY | |
Saito et al. | Experimental discussion on eye-safe 1.54 μm Photon counting Lidar using avalanche photodiode | |
WO2017060647A1 (en) | Device for taking measurements remotely of the radiative flux of an energy source | |
Chantjaroen | Development of a Micro Pulsed Lidar and a Singly-Resonant Optical Parametric Oscillator for CO2 Dial for Use in Atmospheric Studies |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PLFP | Fee payment |
Year of fee payment: 13 |
|
PLFP | Fee payment |
Year of fee payment: 14 |
|
PLFP | Fee payment |
Year of fee payment: 15 |
|
ST | Notification of lapse |
Effective date: 20190906 |