FR3071929A1 - LASER RADAR FOR THE DETECTION OF SPATIAL DEBRIS - Google Patents
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Abstract
Radar (1) comportant : - une voie d'émission (10) pour générer une rafale de pulses, la voie d'émission comportant un laser à impulsions ultra-courtes piloté par un oscillateur HF et un dispositif pour étirer temporellement les impulsions et les amplifier, - une voie de retour (20) pour recevoir l'écho de la rafale de pulses, comportant un compresseur optique (21) pour réduire la durée temporelle des pulses et une caméra (22) à balayage synchronisé sur l'oscillateur HF.Radar (1) comprising: - a transmission channel (10) for generating a burst of pulses, the transmission channel comprising an ultra-short pulse laser driven by an HF oscillator and a device for temporally stretching pulses and pulses; amplifying; - a return channel (20) for receiving the echo of the pulse burst, comprising an optical compressor (21) for reducing the time duration of the pulses and a scanning camera (22) synchronized to the HF oscillator.
Description
RADAR LASER POUR LA DETECTION DES DEBRIS SPATIAUXLASER RADAR FOR DETECTION OF SPATIAL DEBRIS
La présente invention concerne les radars lasers convenant à la détection des débris spatiaux et à la détermination de leurs orbites.The present invention relates to laser radars suitable for detecting space debris and determining their orbits.
L’encombrement de l’espace par des débris spatiaux constitue une préoccupation croissante car ces débris représentent un risque pour les satellites et les personnes envoyées dans l’espace. Ces débris sont actuellement détectés à l’aide de radars opérant dans les bandes centimétriques depuis la Terre, ce qui ne permet pas de détecter les débris les plus petits. Or, on admet qu’un débris est dangereux à partir d’une taille de l’ordre du millimètre, compte-tenu de sa vitesse. L’incertitude qui règne sur la connaissance des orbites des débris spatiaux oblige à faire effectuer aux satellites et autres engins spatiaux des manœuvres d’évitement par anticipation, dont la plupart seraient inutiles si l’on pouvait connaître avec une précision plus grande l’orbite des débris.Space congestion with space debris is a growing concern as this debris poses a risk to satellites and people sent into space. This debris is currently detected using radars operating in the centimeter bands from Earth, which does not allow the detection of the smallest debris. However, we admit that a piece of debris is dangerous from a size on the order of a millimeter, given its speed. The uncertainty which reigns over the knowledge of the orbits of space debris forces satellites and other spacecraft to perform anticipatory avoidance maneuvers, most of which would be useless if one could know the orbit with greater precision. waste.
Diverses solutions ont déjà été proposées pour détecter des débris spatiaux, reposant principalement sur des procédés de traitement d’image plutôt complexes.Various solutions have already been proposed for detecting space debris, mainly based on rather complex image processing methods.
Ainsi, le brevet US 8 923 561 décrit une méthode de simulation des trajectoires de débris spatiaux virtuels et de traitement d’images en se servant d’un vecteur de mouvement construit à partir des simulations.Thus, US Pat. No. 8,923,561 describes a method for simulating the trajectories of virtual space debris and for processing images using a motion vector constructed from the simulations.
La demande CN 101929859 divulgue un procédé de détection de débris spatiaux en utilisant des caméras en mode scan plein format.Application CN 101929859 discloses a method of detecting space debris using cameras in full format scan mode.
La demande CN 101916439 divulgue un procédé de détection de débris spatiaux reposant sur un procédé de traitement d’image utilisant la transformation HilbertHuang.CN 101916439 discloses a method of detecting space debris based on an image processing method using the HilbertHuang transformation.
La demande EP 2 894 842 divulgue un procédé de détection qui repose sur un traitement d’images avec correction de décalage des pixels.EP 2 894 842 discloses a detection method which is based on image processing with pixel offset correction.
L’article « Long range, high resolution laser radar » (Optics Communications 105 (1994) -63-66) de A. Braun et al, décrit un système radar dans lequel une impulsion étirée temporellement est envoyée sur un objet réfléchissant présentant deux surfaces réfléchissantes décalées spatialement et dans lequel les échos correspondants sont comprimés puis dirigés vers un dispositif d’autocorrélation permettant de connaître le retard entre les deux échos. Un tel dispositif n’est pas prévu pour mesurer la vitesse d’un objet en mouvement tel qu’un débris spatial.The article "Long range, high resolution laser radar" (Optics Communications 105 (1994) -63-66) by A. Braun et al, describes a radar system in which a time-stretched pulse is sent on a reflective object having two surfaces reflective spatially shifted and in which the corresponding echoes are compressed and then directed towards an autocorrelation device making it possible to know the delay between the two echoes. Such a device is not intended to measure the speed of a moving object such as space debris.
L’article « Démonstration designs for the remediation of space débris firom the International Space Station» (Acta Astronautica 112 (2015) 102-113) décrit un système pour désorbiter des débris spatiaux. Le système comporte un télescope EUSO (Extrême Universe Space Observatory) muni d’un détecteur sensible aux photons réfléchis par les débris et un système de laser CAN (Cohérent Amplification Network) comportant un réseau amplificateur à fibres monomodes. Un tel système permet de localiser les débris mais n’est pas adapté à fournir avec une grande précision la vitesse de ceux-ci.The article "Demonstration designs for the remediation of space debris firom the International Space Station" (Acta Astronautica 112 (2015) 102-113) describes a system for desorbing space debris. The system includes an EUSO (Extreme Universe Space Observatory) telescope with a detector sensitive to photons reflected by debris and a CAN (Coherent Amplification Network) laser system with a single-mode fiber amplifier network. Such a system makes it possible to locate debris but is not suitable for providing the speed of the latter with great precision.
Il existe par conséquent un besoin pour pouvoir détecter les débris spatiaux et déterminer avec précision leurs orbites, avec une sensibilité convenant aux débris de petite dimension, et l’invention répond à ce besoin grâce à un radar comportant :There is therefore a need to be able to detect space debris and determine their orbits with precision, with a sensitivity suitable for small debris, and the invention meets this need thanks to a radar comprising:
- une voie d’émission pour générer une rafale de puises, la voie d’émission comportant un laser à impulsions ultra-courtes piloté par un oscillateur HF et un dispositif pour étirer temporellement les impulsions et les amplifier,- an emission channel for generating a burst of pulses, the emission channel comprising an ultra-short pulse laser controlled by an HF oscillator and a device for temporally stretching the pulses and amplifying them,
- une voie de retour pour recevoir l’écho de la rafale de puises, comportant un compresseur optique pour réduire la durée temporelle des puises et une caméra à balayage synchronisé sur l’oscillateur HF.- a return channel to receive the echo of the pulse burst, comprising an optical compressor to reduce the temporal duration of the pulses and a synchronized scanning camera on the HF oscillator.
L’invention offre un moyen particulièrement précis pour connaître le vecteur vitesse d’un objet éloigné et permet ainsi de déterminer avec une précision beaucoup plus grande que les méthodes qui ont pu être proposées jusqu’à présent les orbites des débris et ainsi d’estimer plus précisément le danger potentiel que représentent ceux-ci vis-à-vis d’un satellite ou tout autre vaisseau spatial évoluant en orbite.The invention provides a particularly precise means for knowing the velocity vector of a distant object and thus makes it possible to determine with much greater precision than the methods which have been proposed so far the orbits of the debris and thus to estimate more precisely the potential danger that they represent vis-à-vis a satellite or any other spacecraft evolving in orbit.
L’invention permet ainsi d’estimer le potentiel de collision des débris de petite taille, notamment de 1 mm à 10 cm. Ces estimations étaient jusqu’à présent peu fiables à cause de l’incertitude sur leurs vitesses.The invention thus makes it possible to estimate the potential for collision of small debris, in particular from 1 mm to 10 cm. These estimates have so far been unreliable due to uncertainty about their speeds.
L’utilisation d’une caméra à balayage synchronisé avec l’oscillateur du laser permet de déterminer rapidement et avec précision le déplacement de l’objet ainsi que, le cas échéant, sa forme et ses composantes cinématiques propres telles que rotation sur luimême de l’objet. Il est ainsi possible non seulement de déterminer l’orbite du débris spatial mais également de l’identifier.The use of a scanning camera synchronized with the laser oscillator makes it possible to quickly and precisely determine the displacement of the object as well as, if necessary, its shape and its own kinematic components such as rotation on itself 'object. It is thus possible not only to determine the orbit of the space debris but also to identify it.
L’envoi des impulsions temporellement étirées au lieu d’impulsions comprimées permet de réduire les effets autofocalisants et d’automodulation de phase. Ainsi il est possible d’obtenir un radar laser de longue portée et haute résolution.Sending temporally stretched pulses instead of compressed pulses reduces the self-focusing and phase-modulating effects. Thus it is possible to obtain a long range and high resolution laser radar.
De préférence, le radar comporte un télescope sur le trajet d’aller-retour de la lumière. Ceci peut être par exemple un télescope EUSO tel que décrit dans l’article « Démonstration designs for the remediation of space débris from the international Space Station » cité plus haut.Preferably, the radar includes a telescope on the return path of the light. This can for example be an EUSO telescope as described in the article "Demonstration designs for the remediation of space debris from the international Space Station" cited above.
Les impulsions ultra-acourtes sont produites par l’oscillateur. De préférence, la durée d’impulsions ultra-courtes du laser est inférieure ou égale à 1 ps, mieux à 100 fs. Cela permet d’accroître la précision de détection, par exemple à inférieure à 1 mm, sur une longue distance. De préférence, le spectre des impulsions reste constant après l’oscillateur, tout le long de l’étirement temporel, l’amplification en énergie et la compression temporelle.The ultra-short pulses are produced by the oscillator. Preferably, the duration of ultra-short pulses of the laser is less than or equal to 1 ps, better than 100 fs. This increases the detection accuracy, for example less than 1mm, over a long distance. Preferably, the pulse spectrum remains constant after the oscillator, throughout the time stretch, the energy boost and the time compression.
De préférence, la rafale de puises comporte une série d’impulsions (encore appelées « puises ») émise à une fréquence supérieure ou égale à 100 Hz, mieux à 500 Hz, encore mieux à 1 kHz, par exemple entre 500 Hz et 10 KHz. Un tel taux de répétition permet la mesure du vecteur vitesse des débris avec une bonne précision.Preferably, the burst of pulses comprises a series of pulses (also called “pulses”) emitted at a frequency greater than or equal to 100 Hz, better at 500 Hz, even better at 1 kHz, for example between 500 Hz and 10 KHz . Such a repetition rate makes it possible to measure the speed vector of the debris with good precision.
Chaque impulsion comporte de préférence un niveau d’énergie supérieure ou égale à 0,5J, mieux à 1 J.Each pulse preferably has an energy level greater than or equal to 0.5J, better than 1 J.
En particulier, la rafale de puises peut être obtenue grâce à la technique d’amplification de puise ultracourte connue sous le nom CPA (Chirped puise amplification). Cette technique est par exemple décrite dans l’article « Compression of Amplified Chirped OpticalPuises » (Opt. Commun, 56, 219-221, Décembre 1985).In particular, the burst of pulses can be obtained using the ultrashort draw amplification technique known as CPA (Chirped draw amplification). This technique is for example described in the article "Compression of Amplified Chirped OpticalPuises" (Opt. Commun, 56, 219-221, December 1985).
La voie d’émission comporte de préférence un milieu amplificateur fibré, par exemple un réseau de fibres monomodes connu en tant que tel, rencontré notamment dans les lasers CAN, par exemple tel que celui décrit dans l’article « The future is fibre accelerators » (Nat.Photonics 7 (2013) 258-261, 2013).The emission channel preferably includes a fiber amplifying medium, for example a network of single-mode fibers known as such, encountered in particular in CAN lasers, for example such as that described in the article "The future is fiber accelerators" (Nat.Photonics 7 (2013) 258-261, 2013).
Le milieu amplificateur fibré peut être configuré pour permettre une ionisation au moins partielle d’un débris spatial sur lequel est le laser est focalisé.The fiber amplifying medium can be configured to allow at least partial ionization of a space debris on which the laser is focused.
La fréquence des oscillations du laser est de préférence stabilisée par une horloge optique. Cette technique permet de synchroniser la caméra à la rafale de puises avec une précision inferieure à la ps.The frequency of the laser oscillations is preferably stabilized by an optical clock. This technique makes it possible to synchronize the camera to the burst of pulses with an accuracy lower than the ps.
Le radar peut comporter un calculateur pour calculer, sur la base d’une série d’échos reçus d’un objet satellisé, son orbite et/ou sa forme.The radar may include a calculator to calculate, on the basis of a series of echoes received from a satellite object, its orbit and / or its shape.
L’invention a aussi pour objet un procédé pour déterminer l’orbite d’un objet, notamment un débris spatial, en orbite autour de la terre, comportant les étapes consistant à:The subject of the invention is also a method for determining the orbit of an object, in particular a space debris, in orbit around the earth, comprising the steps consisting in:
- envoyer en direction de l’objet une rafale de puises émis par un radar selon l’invention tel que défini ci-dessus, placé en orbite,- send towards the object a burst of pulses emitted by a radar according to the invention as defined above, placed in orbit,
- calculer à partir de l’écho reçu la vitesse de l’objet et son orbite.- calculate from the received echo the speed of the object and its orbit.
Le procédé peut comporter le calcul, à partir de l’écho reçu, de la forme de l’objet.The method may include calculating, from the received echo, the shape of the object.
Le procédé peut comporter l’envoi sur l’objet d’une impulsion ayant une puissance suffisante pour ioniser en surface l’objet avec la formation d’un plasma et l’analyse du spectre du rayonnement émis par le plasma pour déterminer la composition de l’objet.The method may include sending a pulse to the object having sufficient power to ionize the object on the surface with the formation of a plasma and analysis of the spectrum of the radiation emitted by the plasma to determine the composition of the object.
Un laser ayant une puissance adaptée est par exemple décrit dans l’article « A spaceborne, pulsed UV laser System for re-entering or nudging LEO débris, and reorbiting GEO débris » (Acta Astronautica 118 (2016) 224-236).A laser having a suitable power is for example described in the article "A spaceborne, pulsed UV laser System for re-entering or nudging LEO debris, and reorbiting GEO debris" (Acta Astronautica 118 (2016) 224-236).
Le procédé peut comporter le calcul, à partir de l’orbite de l’objet précédemment déterminée, une probabilité de collision avec un autre objet satellisé répertorié.The method may include calculating, from the orbit of the previously determined object, a probability of collision with another listed satellite object.
Le procédé peut comporter la mise en œuvre d’une stratégie d’évitement en cas de risque de collision supérieur à un seuil prédéfini.The method may include the implementation of an avoidance strategy in the event of a collision risk greater than a predefined threshold.
L’invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui va suivre, d’un exemple de mise en œuvre non limitatif de celle-ci, et à l’examen du dessin annexé, sur lequel la figure 1 représente de façon schématique et partielle un exemple de radar selon l’invention.The invention will be better understood on reading the detailed description which follows, of an example of non-limiting implementation thereof, and on examining the appended drawing, in which FIG. 1 shows in a way schematic and partial an example of a radar according to the invention.
Le radar laser 1 selon l’invention, représenté à la figure 1, comporte une voie d’émission 10 et une voie de réception 20 pour traiter l’écho de la lumière émise sur un débris spatial D, donc la plus grande dimension peut être inférieure ou égale à 5 mm, voire à 1mm. Bien entendu, l’invention n’est pas limitée à une taille particulière d’objet, et couvre également la détermination de la vitesse d’objets ayant par exemple une dimension de l’ordre de 10 cm.The laser radar 1 according to the invention, represented in FIG. 1, comprises an emission channel 10 and a reception channel 20 for processing the echo of the light emitted on a space debris D, therefore the largest dimension can be less than or equal to 5 mm, or even 1mm. Of course, the invention is not limited to a particular size of object, and also covers the determination of the speed of objects having for example a dimension of the order of 10 cm.
Le radar laser 1 est agencé pour générer une rafale d’impulsions lumineuses 11, lesquelles sont envoyées sur le débris D à travers un télescope 30 qui permet de réduire la divergence du faisceau. Le débris est par exemple situé à une distance du laser comprise entre 100 et 1000 km.The laser radar 1 is arranged to generate a burst of light pulses 11, which are sent to the debris D through a telescope 30 which makes it possible to reduce the divergence of the beam. The debris is for example located at a distance from the laser of between 100 and 1000 km.
Les échos lumineux qui se réfléchissent sur le débris D sont captés par le télescope 30 et dirigés vers la voie de réception 20.The light echoes which are reflected on the debris D are picked up by the telescope 30 and directed towards the reception channel 20.
Le laser comprend une cavité laser 13, par exemple de type à blocage de mode, permettant de générer des impulsions lumineuses ultra-courtes 14, par exemple de l’ordre de la ps, notamment de durée comprise entre 0,03 et 100 ps, à une cadence par exemple comprise entre 1 et 1000 MHz, par exemple entre 10 et 200 MHz, notamment de l’ordre de 100 MHz. Ces impulsions 14 sont synchronisées avec un oscillateur qui produit un signal de référence 15, de préférence sinusoïdal comme illustré. L’énergie de chaque impulsion ultracourte 14 avant amplification par CPA est par exemple comprise entre le pJ. et le pJ.The laser comprises a laser cavity 13, for example of the mode lock type, making it possible to generate ultra-short light pulses 14, for example of the order of ps, in particular of duration between 0.03 and 100 ps, at a rate for example between 1 and 1000 MHz, for example between 10 and 200 MHz, in particular of the order of 100 MHz. These pulses 14 are synchronized with an oscillator which produces a reference signal 15, preferably sinusoidal as illustrated. The energy of each ultrashort pulse 14 before amplification by CPA is for example between the pJ. and the pJ.
Les impulsions 14 sont filtrées par un dispositif 17 qui comporte un obturateur commandé électroniquement, afin de réduire la fréquence des impulsions en ne laissant passer qu’une impulsion toutes les n impulsions, avec n entier choisi pour obtenir par exemple une rafale 18 où la fréquence de répétition des impulsions est de l’ordre de 10 kHz, contre 100 MHz en amont du dispositif 17.The pulses 14 are filtered by a device 17 which comprises an electronically controlled shutter, in order to reduce the frequency of the pulses by letting pass only one pulse every n pulses, with n integer chosen to obtain for example a burst 18 where the frequency pulse repetition is of the order of 10 kHz, against 100 MHz upstream of the device 17.
Les impulsions ultra-courtes de la rafale 18 sont étirées temporellement en vue de leur amplification de façon connue par la technique CPA (« Chirped pulsed Amplification»), à l’aide d’un dispositif 16 (« stretcher »), par exemple une paire de réseau de diffraction, pour obtenir une rafale 28 de puises. Cette rafale 28 est amplifiée dans un amplificateur 19 pour produire les impulsions 11 qui sont dirigées à travers le télescope 30 vers le débris D dont on cherche à connaître la vitesse et la forme. L’étirement temporel des impulsions ultra-courtes permet de réduire les effets non linéaires lors de l’amplification. Le facteur d’étirement temporel est par exemple compris entre 1000 et 100000. Par exemple, après étirement, la durée d’une impulsion est étendue de l’ordre du ps à l’ordre du ns. Le gain en amplification sera de préférence entre 1000 et 101θ.The ultra-short pulses of the burst 18 are stretched in time for their amplification in a known manner by the CPA technique (“Chirped pulsed Amplification”), using a device 16 (“stretcher”), for example a pair of diffraction grids, to obtain a burst 28 of pulses. This burst 28 is amplified in an amplifier 19 to produce the pulses 11 which are directed through the telescope 30 to the debris D whose speed and shape are sought to be known. The time stretch of the ultra-short pulses reduces the non-linear effects during amplification. The time stretch factor is for example between 1000 and 100,000. For example, after stretching, the duration of a pulse is extended from the order of ps to the order of ns. The gain in amplification will preferably be between 1000 and 10 1θ .
L’amplificateur 19 est de préférence un amplificateur fibré de façon à faciliter le refroidissement du milieu amplificateur. Un tel amplificateur, par exemple utilisé dans un laser CAN tel que décrit dans l’article « The future is fibre accelerators » cité plus haut, peut comporter un réseau de fibres monomode, par exemple d’un nombre compris entre 1000 et 10000. L’amplificateur reçoit en entrée un signal « seed », par exemple ayant un niveau d’énergie de l’ordre du pJ. Après amplification dans la fibre le signal devient de l’ordre du mJ. La même opération est réalisée sur toutes les fibres. Le signal est amplifié par chaque fibre du réseau et sont combinés en phase et à la sortie. Ainsi, l’amplificateur permet de produire à la sortie un signal ayant un niveau d’énergie de l’ordre de IJ, tout en présentant une efficacité de rayonnement (« wall-plug efficiency ») relativement élevée, par exemple de l’ordre de 30%. Le signal amplifié par ce réseau de phase a d’autres propriétés utiles. En particulier, comme l’amplificateur est formé par un réseau de fibres amplificatrices, les impulsions amplifiées, provenant toutes d’une seule et même impulsion, ont entre elles une phase imposée par des éléments électro-optiques ou acoustooptiques du réseau. Ainsi, le front d’onde peut être modifié très rapidement par exemple en lms ou encore la forme temporelle de l’impulsion peut être changée à volonté. Par exemple, si la différence de phase est de zéro entre les fibres, une impulsion avec un front d’onde plan sera émise par le réseau. Ce front d’onde peut être modifié à volonté en changeant la différence de phase entre les fibres. Ceci qui peut rendre plus efficace la vaporisation/ionisation partielle des débris nécessaire à leur analyse élémentaire.The amplifier 19 is preferably a fiber amplifier so as to facilitate the cooling of the amplifying medium. Such an amplifier, for example used in a CAN laser as described in the article “The future is fiber accelerators” cited above, may comprise a network of single-mode fibers, for example of a number between 1000 and 10000. L the amplifier receives as input a seed signal, for example having an energy level of the order of pJ. After amplification in the fiber the signal becomes of the order of mJ. The same operation is performed on all fibers. The signal is amplified by each fiber in the network and is combined in phase and at the output. Thus, the amplifier makes it possible to produce at the output a signal having an energy level of the order of IJ, while having a relatively high wall-plug efficiency, for example of the order 30%. The signal amplified by this phase network has other useful properties. In particular, as the amplifier is formed by a network of amplifying fibers, the amplified pulses, all coming from a single pulse, have between them a phase imposed by electro-optical or acousto-optical elements of the network. Thus, the wavefront can be changed very quickly, for example in lms, or the time form of the pulse can be changed at will. For example, if the phase difference is zero between the fibers, a pulse with a plane wave front will be emitted by the network. This wavefront can be changed at will by changing the phase difference between the fibers. This can make more effective the vaporization / partial ionization of the debris necessary for their elemental analysis.
Afin de déterminer la composition d’un débris, le télescope 30 peut focaliser le faisceau de laser amplifié sur le débris jusqu’à ce qu’une ionisation se produise avec la formation d’un plasma. Le spectre du rayonnement émis par le plasma est caractéristique des éléments qui constituent le débris. Cette méthode d’analyse de la composition chimique élémentaire d’un échantillon est connue sous le nom LIBS (/'Laser Induced Breakdown SpectroscopÿfIn order to determine the composition of a debris, the telescope 30 can focus the amplified laser beam on the debris until ionization occurs with the formation of a plasma. The spectrum of the radiation emitted by the plasma is characteristic of the elements that constitute the debris. This method of analyzing the elementary chemical composition of a sample is known as LIBS (/ 'Laser Induced Breakdown Spectroscopÿf
Le rayonnement émis par le plasma peut être collecté grâce à une fibre optique reliée à un spectromètre couplé à un détecteur. Par exemple, le télescope 30 comporte une fibre optique adaptée à la collection du rayonnement émis. La caméra 22 à balayage de l’invention peut être utilisée comme détecteur. En variante, une autre caméra, par exemple à transfert de charge intensifié (ICCD) peut être utilisée.The radiation emitted by the plasma can be collected using an optical fiber connected to a spectrometer coupled to a detector. For example, the telescope 30 includes an optical fiber suitable for collecting the radiation emitted. The scanning camera 22 of the invention can be used as a detector. Alternatively, another camera, for example intensified charge transfer (ICCD) can be used.
De préférence, l’oscillation laser dans la cavité 13 est contrôlée par une horloge optique selon un procédé connu qui consiste à séparer à l’aide d’un peigne spectral différents modes d’oscillations de la cavité et à extraire l’un des modes à l’aide d’un doubleur de fréquence pour générer une harmonique. Le deux modes sont combinés de façon à produire un signal, qui est utilisé pour contrôler l’ensemble des modes de l’impulsion laser. Le principe d’une horloge optique est par exemple décrit dans l’article « Ab soluté optical frequency measur ement of the césium Dl line with a mode-locked laser» (Phys.Rev.Lett. 82,3568 (1999)). La stabilité df/f de la fréquence d’oscillation du laser est extrême et peut être meilleure que 1018.Preferably, the laser oscillation in the cavity 13 is controlled by an optical clock according to a known method which consists in separating using a spectral comb different modes of oscillations of the cavity and in extracting one of the modes using a frequency doubler to generate a harmonic. The two modes are combined to produce a signal, which is used to control all of the modes of the laser pulse. The principle of an optical clock is for example described in the article "Ab solute optical frequency measurable of the cesium Dl line with a mode-locked laser" (Phys.Rev.Lett. 82,3568 (1999)). The stability df / f of the laser oscillation frequency is extreme and can be better than 10 18 .
La voie de réception 20 comporte un compresseur spectral 21, par exemple une paire de réseaux de diffraction, qui est en conjugaison de phase avec le dispositif d’étirement 16 pour comprimer chaque impulsion réfléchie sur le débris spatial D, ce qui réduit la durée d’impulsion et augmente sa puissance. La voie de réception 20 fournit à la sortie du compresseur 21 un train d’impulsions 22 où chaque impulsion présente une durée plus faible, par exemple de même ordre que les impulsions ultracourtes 14, et une puissance plus grande. Le compresseur 21 peut être relativement peu coûteux, car la puissance des impulsions à comprimer est faible, s’agissant d’un écho de lumière.The reception channel 20 comprises a spectral compressor 21, for example a pair of diffraction gratings, which is in phase conjugation with the stretching device 16 to compress each pulse reflected on the space debris D, which reduces the duration d impulse and increases its power. The reception channel 20 provides at the output of the compressor 21 a train of pulses 22 where each pulse has a shorter duration, for example of the same order as the ultrashort pulses 14, and a higher power. The compressor 21 can be relatively inexpensive because the power of the pulses to be compressed is low, being an echo of light.
Les impulsions 22 sont envoyées sur la fente d’une caméra à balayage synchronisé 40. Cette fente découpe une fine section du signal retour. La direction longitudinale de la fente est perpendiculaire à la direction selon laquelle s’effectue le balayage. Une telle caméra comporte typiquement une optique d’entrée 41, un élément de conversion photoélectrique 42, par exemple une photocathode, qui transforme les photons incidents en des électrons qui peuvent être accélérés dans une cavité accélératrice 43 en passant entre des électrodes 44 de balayage, soumises à un potentiel de balayage qui est synchronisé avec le signal de référence 15 fourni par l’oscillateur du laser 13. La fente est donc illuminée par un signal optique, qui varie le long de celle-ci, comme c’est le cas pour un écho qui parvient d’une surface de relief non uniforme avec des pics et des vallées de quelques mm. Le balayage de la fente fourni le profile temporel des variations spatiales de la surface de la cible. Cette propriété peut être utilisée l’identification des débris, comme décrit ci-dessous. Un circuit électronique 45 permet de générer la tension de balayage à haute tension appliquée aux électrodes de balayage 44 à partir du signal de référence 15. Ainsi, les électrons générés par les photons reçus en écho sur le débris spatial D sont déviés d’une façon qui est dépendante du décalage temporel existant entre le moment où le puise a été émis par la cavité laser 13 et celui où les électrons passent entre les électrodes de balayage 44. La caméra peut permettre une précision meilleure que la ps, avec une efficacité de plus de l’ordre de 10% par rapport au flux lumineux entrant.The pulses 22 are sent to the slot of a synchronized scanning camera 40. This slot cuts a fine section of the return signal. The longitudinal direction of the slot is perpendicular to the direction in which the sweep is carried out. Such a camera typically includes an optical input 41, a photoelectric conversion element 42, for example a photocathode, which transforms the incident photons into electrons which can be accelerated in an accelerating cavity 43 by passing between scanning electrodes 44, subjected to a scanning potential which is synchronized with the reference signal 15 supplied by the laser oscillator 13. The slit is therefore illuminated by an optical signal, which varies along it, as is the case for an echo coming from a non-uniform relief surface with peaks and valleys of a few mm. The scan of the slit provides the temporal profile of the spatial variations of the target surface. This property can be used to identify debris, as described below. An electronic circuit 45 makes it possible to generate the high-voltage scanning voltage applied to the scanning electrodes 44 from the reference signal 15. Thus, the electrons generated by the photons echoed on the space debris D are deflected in a way which is dependent on the time difference existing between the moment when the well was emitted by the laser cavity 13 and that when the electrons pass between the scanning electrodes 44. The camera can allow a precision better than the ps, with an efficiency of more of the order of 10% compared to the incoming light flux.
Un détecteur 46 permet de détecter les électrons incidents et de matérialiser l’angle de déviation de ces électrons, qui est fonction de la phase du signal appliqué aux électrodes de balayage 44. On peut ainsi connaître avec une grande précision le temps mis par la lumière pour atteindre le débris et atteindre après réflexion sur celui-ci le détecteur 46. La fréquence de répétition des impulsions reçues en écho, de l’ordre du kHz par exemple comme indiqué plus haut, permet de connaître avec précision le vecteur vitesse, de façon aisée.A detector 46 makes it possible to detect the incident electrons and to materialize the angle of deflection of these electrons, which is a function of the phase of the signal applied to the scanning electrodes 44. It is thus possible to know with great precision the time taken by the light to reach the debris and reach, after reflection on it, the detector 46. The repetition frequency of the echo pulses received, of the order of kHz for example as indicated above, makes it possible to know the speed vector with precision, so easy.
Comme décrit précédemment, lorsqu’un front de photons est émis dans un même plan, ces photons peuvent être diffusés avec un déphasage temporel qui est lié à la forme de l’objet. Ce déphasage temporel produit sur le détecteur 46 un signal représentatif de la forme de la surface sur laquelle s’est réfléchie la lumière émise par le laser. Le signal fourni par le détecteur 46 peut alors être traité de façon à calculer la vitesse du débris relativement au laser ainsi que sa forme et ses caractéristiques cinématiques propres, par exemple sa vitesse de rotation sur lui-même. On peut obtenir une précision submillimétrique.As described above, when a photon front is emitted in the same plane, these photons can be scattered with a time phase shift which is linked to the shape of the object. This time shift produces on the detector 46 a signal representative of the shape of the surface on which the light emitted by the laser is reflected. The signal supplied by the detector 46 can then be processed so as to calculate the speed of the debris relative to the laser as well as its own shape and kinematic characteristics, for example its speed of rotation on itself. Sub-millimeter accuracy can be obtained.
La connaissance de la vitesse du débris spatial permet de calculer précisément son orbite et ainsi de mettre en place des stratégies d’évitement.Knowing the speed of the space debris makes it possible to precisely calculate its orbit and thus to implement avoidance strategies.
Bien entendu, l’invention n’est pas limitée à l’exemple qui vient d’être décrit.Of course, the invention is not limited to the example which has just been described.
Lorsque la précision recherchée est moindre, le laser peut ne pas comporter d’horloge optique de verrouillage de sa fréquence. Un oscillateur conventionnel avec une stabilité de 109 fournit une précision de l’ordre de 1mm à une distance de 1000km.When the desired precision is less, the laser may not include an optical clock for locking its frequency. A conventional oscillator with a stability of 10 9 provides an accuracy of the order of 1mm at a distance of 1000km.
On peut associer à la détection de la vitesse une détection également de sa composition chimique en envoyant des impulsions laser suffisamment puissantes pour provoquer une ablation locale à la surface du débris spatial, et analyser la lumière émise à l’aide d’un spectromètre pour reconnaître en fonction de celle-ci la présence de certains éléments chimiques.Speed detection can also be associated with detection of its chemical composition by sending laser pulses powerful enough to cause local ablation on the surface of the space debris, and analyze the light emitted using a spectrometer to recognize depending on this the presence of certain chemical elements.
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