FR3071929A1 - Radar laser pour la detection des debris spatiaux - Google Patents

Abstract

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

Description

RADAR LASER POUR LA DETECTION DES DEBRIS SPATIAUX

La présente invention concerne les radars lasers convenant à la détection des débris spatiaux et à la détermination de leurs orbites.

L’encombrement de l’espace par des débris spatiaux constitue une préoccupation croissante car ces débris représentent un risque pour les satellites et les personnes envoyées dans l’espace. Ces débris sont actuellement détectés à l’aide de radars opérant dans les bandes centimétriques depuis la Terre, ce qui ne permet pas de détecter les débris les plus petits. Or, on admet qu’un débris est dangereux à partir d’une taille de l’ordre du millimètre, compte-tenu de sa vitesse. L’incertitude qui règne sur la connaissance des orbites des débris spatiaux oblige à faire effectuer aux satellites et autres engins spatiaux des manœuvres d’évitement par anticipation, dont la plupart seraient inutiles si l’on pouvait connaître avec une précision plus grande l’orbite des débris.

Diverses solutions ont déjà été proposées pour détecter des débris spatiaux, reposant principalement sur des procédés de traitement d’image plutôt complexes.

Ainsi, le brevet US 8 923 561 décrit une méthode de simulation des trajectoires de débris spatiaux virtuels et de traitement d’images en se servant d’un vecteur de mouvement construit à partir des simulations.

La demande CN 101929859 divulgue un procédé de détection de débris spatiaux en utilisant des caméras en mode scan plein format.

La demande CN 101916439 divulgue un procédé de détection de débris spatiaux reposant sur un procédé de traitement d’image utilisant la transformation HilbertHuang.

La demande EP 2 894 842 divulgue un procédé de détection qui repose sur un traitement d’images avec correction de décalage des pixels.

L’article « Long range, high resolution laser radar » (Optics Communications 105 (1994) -63-66) de A. Braun et al, décrit un système radar dans lequel une impulsion étirée temporellement est envoyée sur un objet réfléchissant présentant deux surfaces réfléchissantes décalées spatialement et dans lequel les échos correspondants sont comprimés puis dirigés vers un dispositif d’autocorrélation permettant de connaître le retard entre les deux échos. Un tel dispositif n’est pas prévu pour mesurer la vitesse d’un objet en mouvement tel qu’un débris spatial.

L’article « Démonstration designs for the remediation of space débris 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.

Il existe par conséquent un besoin pour pouvoir détecter les débris spatiaux et déterminer avec précision leurs orbites, avec une sensibilité convenant aux débris de petite dimension, et l’invention répond à ce besoin grâce à un radar comportant :

- une voie d’émission pour générer une rafale de puises, la voie d’émission comportant un laser à impulsions ultra-courtes piloté par un oscillateur HF et un dispositif pour étirer temporellement les impulsions et les amplifier,

- une voie de retour pour recevoir l’écho de la rafale de puises, comportant un compresseur optique pour réduire la durée temporelle des puises et une caméra à balayage synchronisé sur l’oscillateur HF.

L’invention offre un moyen particulièrement précis pour connaître le vecteur vitesse d’un objet éloigné et permet ainsi de déterminer avec une précision beaucoup plus grande que les méthodes qui ont pu être proposées jusqu’à présent les orbites des débris et ainsi d’estimer plus précisément le danger potentiel que représentent ceux-ci vis-à-vis d’un satellite ou tout autre vaisseau spatial évoluant en orbite.

L’invention permet ainsi d’estimer le potentiel de collision des débris de petite taille, notamment de 1 mm à 10 cm. Ces estimations étaient jusqu’à présent peu fiables à cause de l’incertitude sur leurs vitesses.

L’utilisation d’une caméra à balayage synchronisé avec l’oscillateur du laser permet de déterminer rapidement et avec précision le déplacement de l’objet ainsi que, le cas échéant, sa forme et ses composantes cinématiques propres telles que rotation sur luimême de l’objet. Il est ainsi possible non seulement de déterminer l’orbite du débris spatial mais également de l’identifier.

L’envoi des impulsions temporellement étirées au lieu d’impulsions comprimées permet de réduire les effets autofocalisants et d’automodulation de phase. Ainsi il est possible d’obtenir un radar laser de longue portée et haute résolution.

De préférence, le radar comporte un télescope sur le trajet d’aller-retour de la lumière. Ceci peut être par exemple un télescope EUSO tel que décrit dans l’article « Démonstration designs for the remediation of space débris from the international Space Station » cité plus haut.

Les impulsions ultra-acourtes sont produites par l’oscillateur. De préférence, la durée d’impulsions ultra-courtes du laser est inférieure ou égale à 1 ps, mieux à 100 fs. Cela permet d’accroître la précision de détection, par exemple à inférieure à 1 mm, sur une longue distance. De préférence, le spectre des impulsions reste constant après l’oscillateur, tout le long de l’étirement temporel, l’amplification en énergie et la compression temporelle.

De préférence, la rafale de puises comporte une série d’impulsions (encore appelées « puises ») émise à une fréquence supérieure ou égale à 100 Hz, mieux à 500 Hz, encore mieux à 1 kHz, par exemple entre 500 Hz et 10 KHz. Un tel taux de répétition permet la mesure du vecteur vitesse des débris avec une bonne précision.

Chaque impulsion comporte de préférence un niveau d’énergie supérieure ou égale à 0,5J, mieux à 1 J.

En particulier, la rafale de puises peut être obtenue grâce à la technique d’amplification de puise ultracourte connue sous le nom CPA (Chirped puise amplification). Cette technique est par exemple décrite dans l’article « Compression of Amplified Chirped OpticalPuises » (Opt. Commun, 56, 219-221, Décembre 1985).

La voie d’émission comporte de préférence un milieu amplificateur fibré, par exemple un réseau de fibres monomodes connu en tant que tel, rencontré notamment dans les lasers CAN, par exemple tel que celui décrit dans l’article « The future is fibre accelerators » (Nat.Photonics 7 (2013) 258-261, 2013).

Le milieu amplificateur fibré peut être configuré pour permettre une ionisation au moins partielle d’un débris spatial sur lequel est le laser est focalisé.

La fréquence des oscillations du laser est de préférence stabilisée par une horloge optique. Cette technique permet de synchroniser la caméra à la rafale de puises avec une précision inferieure à la ps.

Le radar peut comporter un calculateur pour calculer, sur la base d’une série d’échos reçus d’un objet satellisé, son orbite et/ou sa forme.

L’invention a aussi pour objet un procédé pour déterminer l’orbite d’un objet, notamment un débris spatial, en orbite autour de la terre, comportant les étapes consistant à:

- envoyer en direction de l’objet une rafale de puises émis par un radar selon l’invention tel que défini ci-dessus, placé en orbite,

- calculer à partir de l’écho reçu la vitesse de l’objet et son orbite.

Le procédé peut comporter le calcul, à partir de l’écho reçu, de la forme de l’objet.

Le procédé peut comporter l’envoi sur l’objet d’une impulsion ayant une puissance suffisante pour ioniser en surface l’objet avec la formation d’un plasma et l’analyse du spectre du rayonnement émis par le plasma pour déterminer la composition de l’objet.

Un laser ayant une puissance adaptée est par exemple décrit dans l’article « A spaceborne, pulsed UV laser System for re-entering or nudging LEO débris, and reorbiting GEO débris » (Acta Astronautica 118 (2016) 224-236).

Le procédé peut comporter le calcul, à partir de l’orbite de l’objet précédemment déterminée, une probabilité de collision avec un autre objet satellisé répertorié.

Le procédé peut comporter la mise en œuvre d’une stratégie d’évitement en cas de risque de collision supérieur à un seuil prédéfini.

L’invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui va suivre, d’un exemple de mise en œuvre non limitatif de celle-ci, et à l’examen du dessin annexé, sur lequel la figure 1 représente de façon schématique et partielle un exemple de radar selon l’invention.

Le radar laser 1 selon l’invention, représenté à la figure 1, comporte une voie d’émission 10 et une voie de réception 20 pour traiter l’écho de la lumière émise sur un débris spatial D, donc la plus grande dimension peut être inférieure ou égale à 5 mm, voire à 1mm. Bien entendu, l’invention n’est pas limitée à une taille particulière d’objet, et couvre également la détermination de la vitesse d’objets ayant par exemple une dimension de l’ordre de 10 cm.

Le radar laser 1 est agencé pour générer une rafale d’impulsions lumineuses 11, lesquelles sont envoyées sur le débris D à travers un télescope 30 qui permet de réduire la divergence du faisceau. Le débris est par exemple situé à une distance du laser comprise entre 100 et 1000 km.

Les échos lumineux qui se réfléchissent sur le débris D sont captés par le télescope 30 et dirigés vers la voie de réception 20.

Le laser comprend une cavité laser 13, par exemple de type à blocage de mode, permettant de générer des impulsions lumineuses ultra-courtes 14, par exemple de l’ordre de la ps, notamment de durée comprise entre 0,03 et 100 ps, à une cadence par exemple comprise entre 1 et 1000 MHz, par exemple entre 10 et 200 MHz, notamment de l’ordre de 100 MHz. Ces impulsions 14 sont synchronisées avec un oscillateur qui produit un signal de référence 15, de préférence sinusoïdal comme illustré. L’énergie de chaque impulsion ultracourte 14 avant amplification par CPA est par exemple comprise entre le pJ. et le 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.

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 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.

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 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.

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.

La voie de réception 20 comporte un compresseur spectral 21, par exemple une paire de réseaux de diffraction, qui est en conjugaison de phase avec le dispositif d’étirement 16 pour comprimer chaque impulsion réfléchie sur le débris spatial D, ce qui réduit la durée d’impulsion et augmente sa puissance. La voie de réception 20 fournit à la sortie du compresseur 21 un train d’impulsions 22 où chaque impulsion présente une durée plus faible, par exemple de même ordre que les impulsions ultracourtes 14, et une puissance plus grande. Le compresseur 21 peut être relativement peu coûteux, car la puissance des impulsions à comprimer est faible, s’agissant d’un écho de lumière.

Les impulsions 22 sont envoyées sur la fente d’une caméra à balayage synchronisé 40. Cette fente découpe une fine section du signal retour. La direction longitudinale de la fente est perpendiculaire à la direction selon laquelle s’effectue le balayage. Une telle caméra comporte typiquement une optique d’entrée 41, un élément de conversion photoélectrique 42, par exemple une photocathode, qui transforme les photons incidents en des électrons qui peuvent être accélérés dans une cavité accélératrice 43 en passant entre des électrodes 44 de balayage, soumises à un potentiel de balayage qui est synchronisé avec le signal de référence 15 fourni par l’oscillateur du laser 13. La fente est donc illuminée par un signal optique, qui varie le long de celle-ci, comme c’est le cas pour un écho qui parvient d’une surface de relief non uniforme avec des pics et des vallées de quelques mm. Le balayage de la fente fourni le profile temporel des variations spatiales de la surface de la cible. Cette propriété peut être utilisée l’identification des débris, comme décrit ci-dessous. Un circuit électronique 45 permet de générer la tension de balayage à haute tension appliquée aux électrodes de balayage 44 à partir du signal de référence 15. Ainsi, les électrons générés par les photons reçus en écho sur le débris spatial D sont déviés d’une façon qui est dépendante du décalage temporel existant entre le moment où le puise a été émis par la cavité laser 13 et celui où les électrons passent entre les électrodes de balayage 44. La caméra peut permettre une précision meilleure que la ps, avec une efficacité de plus de l’ordre de 10% par rapport au flux lumineux entrant.

Un détecteur 46 permet de détecter les électrons incidents et de matérialiser l’angle de déviation de ces électrons, qui est fonction de la phase du signal appliqué aux électrodes de balayage 44. On peut ainsi connaître avec une grande précision le temps mis par la lumière pour atteindre le débris et atteindre après réflexion sur celui-ci le détecteur 46. La fréquence de répétition des impulsions reçues en écho, de l’ordre du kHz par exemple comme indiqué plus haut, permet de connaître avec précision le vecteur vitesse, de façon aisée.

Comme décrit précédemment, lorsqu’un front de photons est émis dans un même plan, ces photons peuvent être diffusés avec un déphasage temporel qui est lié à la forme de l’objet. Ce déphasage temporel produit sur le détecteur 46 un signal représentatif de la forme de la surface sur laquelle s’est réfléchie la lumière émise par le laser. Le signal fourni par le détecteur 46 peut alors être traité de façon à calculer la vitesse du débris relativement au laser ainsi que sa forme et ses caractéristiques cinématiques propres, par exemple sa vitesse de rotation sur lui-même. On peut obtenir une précision submillimétrique.

La connaissance de la vitesse du débris spatial permet de calculer précisément son orbite et ainsi de mettre en place des stratégies d’évitement.

Bien entendu, l’invention n’est pas limitée à l’exemple qui vient d’être décrit.

Lorsque la précision recherchée est moindre, le laser peut ne pas comporter d’horloge optique de verrouillage de sa fréquence. Un oscillateur conventionnel avec une stabilité de 10⁹ fournit une précision de l’ordre de 1mm à une distance de 1000km.

On peut associer à la détection de la vitesse une détection également de sa composition chimique en envoyant des impulsions laser suffisamment puissantes pour provoquer une ablation locale à la surface du débris spatial, et analyser la lumière émise à l’aide d’un spectromètre pour reconnaître en fonction de celle-ci la présence de certains éléments chimiques.

REVENDICATIONS

Claims (15)

1. Radar (1) comportant :

- une voie d’émission (10) pour générer une rafale de puises, la voie d’émission comportant un laser à impulsions ultra-courtes piloté par un oscillateur HF et un dispositif pour étirer temporellement les impulsions et les amplifier,

- une voie de retour (20) pour recevoir l’écho de la rafale de puises, comportant un compresseur optique (21) pour réduire la durée temporelle des puises et une caméra (22) à balayage synchronisé sur l’oscillateur HF.

2. Radar selon la revendication 1, comportant un télescope (30) sur le trajet d’aller-retour de la lumière.

3. Radar selon l’une des revendications 1 et 2, la durée des impulsions ultracourtes (18) du laser étant inférieure ou égale à 1 ps.

4. Radar selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, les impulsions ultra-courtes (18) comportant une série de puises à une fréquence supérieure ou égale à 100 Hz, mieux à 500 Hz, encore mieux à 1 kHz.

5. Radar selon l’une quelconque des revendications précédentes, la voie d’émission (10) comportant un milieu amplificateur fibré (19).

6. Radar selon la revendication 5, le milieu amplificateur fibré (19) comportant un réseau de fibres monomodes.

7. Radar selon la revendication 5 ou 6, le milieu amplificateur fibré (19) étant configuré pour permettre une ionisation au moins partielle d’un débris spatial sur lequel est le laser est focalisé.

8. Radar selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, la fréquence des oscillations du laser étant stabilisée par une horloge optique.

9. Radar selon l’une quelconque des revendications précédentes, comportant un calculateur pour calculer, sur la base d’une série d’échos reçus d’un objet satellisé, son orbite.

10. Radar selon l’une quelconque des revendications précédentes, comportant un calculateur pour calculer, sur la base d’une série d’échos reçus d’un objet satellisé, sa forme.

11. Procédé pour déterminer l’orbite d’un objet, notamment un débris spatial, en orbite autour de la terre, comportant les étapes consistant à :

- envoyer en direction de l’objet (D) une rafale de puises émis par un radar (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, placé en orbite,

5 - calculer à partir de l’écho reçu la vitesse de l’objet et son orbite.

12. Procédé selon la revendication 11, dans lequel on calcule à partir de l’écho reçu la forme de l’objet.

13. Procédé selon Tune des revendications 11 et 12, dans lequel on envoie sur l’objet une impulsion ayant une puissance suffisante pour ioniser en surface l’objet avec la

10 formation d’un plasma et Ton analyse le spectre du rayonnement émis par le plasma pour déterminer la composition de l’objet.

14. Procédé selon l’une quelconque des revendications 11 à 13, dans lequel on calcule à partir de l’orbite de l’objet ainsi déterminée une probabilité de collision avec un autre objet satellisé répertorié.

15 15. Procédé selon la revendication 14, dans lequel on met en œuvre une stratégie d’évitement en cas de risque de collision supérieur à un seuil prédéfini.