Domaine technique

La présente invention se rapporte au domaine des systèmes lidars, couramment appelé lidars, et en particulier des lidars, dits atmosphériques, utilisés pour sonder l'atmosphère. Les lidars atmosphériques sont utilisés pour déterminer à distance des paramètres de l'atmosphère tels que la concentration des gaz ou des aérosols, la vitesse du vent, la température.

La présente invention concerne en particulier un dispositif d'étalonnage de lidar atmosphérique pour étalonner les mesures de distance, de vitesse et d'efficacité du lidar.

Etat de la technique antérieure

Admis et couramment utilisé par l'homme du métier, le terme LIDAR est un acronyme issu du terme anglais "LIght Détection And Ranging", décrivant une technique optique de mesure de paramètres physiques d'une cible distante. Cette technique est basée sur l'analyse des variations des propriétés optiques d'un faisceau émis depuis une voie d'émission d'un dispositif puis renvoyé, par la cible à analyser, vers une voie d'analyse dudit dispositif. Dans le cas des lidars atmosphériques, le lidar émet un faisceau optique en direction d'une partie de l'atmosphère et analyse les faisceaux renvoyés par les gaz et/ou aérosols de l'atmosphère. La précision métrologique des mesures lidars atmosphériques est étroitement liée à l'étalonnage des appareils agencés pour mettre en œuvre lesdites mesures. Les appareils en question, couramment désignés par le terme lidar, nécessitent donc d'être étalonnés rigoureusement et régulièrement.

En pratique, l'étalonnage des lidars est en général effectué en extérieur, sur une cible distante naturelle ou artificielle dont on connaît précisément les caractéristiques telles que, en outre, la distance, la vitesse et la réflectivité. L'étalonnage en extérieur nécessite de disposer d'un site extérieur comportant une distance équivalente à celles des conditions de mesures lors du fonctionnement du lidar et d'une cible. De plus, l'étalonnage en extérieur implique de prendre en compte les caractéristiques du milieu de propagation et que ces caractéristiques soient constantes lors de l'étalonnage. Ce type d'étalonnage nécessite généralement la présence d'un lidar de référence afin de connaître les caractéristiques de l'atmosphère en temps réel. Le lidar de référence doit également être étalonné, ce qui constitue une source d'incertitude.

De plus, il est possible que la précision métrologique des lidars atmosphériques se dégrade avec le vieillissement des composants optoélectroniques constituant l'instrument. De telles variations instrumentales ne peuvent être anticipées et ne sont donc pas prises en compte dans le calcul des paramètres lidars par l'étalonnage extérieur initial.

Un but de l'invention est notamment de remédier à tout ou partie des inconvénients liés aux procédés d'étalonnage en extérieur. En particulier, un but de l'invention est de proposer un dispositif et un procédé d'étalonnage de taille réduite pouvant fonctionner sans atmosphère réelle.

Un autre but est de proposer un dispositif et un procédé d'étalonnage pouvant être intégré directement dans un lidar.

Un autre but est de proposer un dispositif et un procédé d'étalonnage permettant de procéder à l'étalonnage régulier du lidar sans modifier sa configuration.

Un autre but de l'invention est de proposer un dispositif et un procédé d'étalonnage permettant de conférer une plus grande précision à l'étalonnage en distance, en vitesse et à la mesure de l'efficacité lidar.

Un autre but de l'invention est de proposer un outil d'auto diagnostic intégrable au lidar.

Exposé de l'invention

A cet effet, selon un premier aspect de l'invention, il est proposé un dispositif d'étalonnage d'un lidar atmosphérique comprenant :

-une fibre optique agencée pour propager au moins une partie d'un faisceau émis par le lidar,

-un élément réflecteur situé à une extrémité de la fibre optique et agencé pour réfléchir dans la fibre optique une portion de l'au moins une partie du faisceau se propageant dans la fibre optique ; le dispositif d'étalonnage étant caractérisé en ce que : -la fibre optique comprend des diffuseurs répartis le long de la fibre optique et rétrodiffusant des fractions de l'au moins une partie du faisceau se propageant dans la fibre optique, et en ce qu'il comprend :

-un dispositif de couplage agencé pour coupler :

• dans la fibre optique au moins une partie du faisceau émis par le lidar, et

• dans le lidar au moins une partie desdites fractions rétrodiffusées par les diffuseurs, et au moins une partie d'un faisceau réfléchi par l'élément réflecteur.

La fibre optique peut être monomode.

Avantageusement, la fibre optique est une fibre optique multimodes.

La fibre optique présente un cœur dont un diamètre peut être inférieur à 200 pm, de préférence inférieure à 100 pm.

L'élément réflecteur peut être tout moyen technique semi- réfléchissant connu de l'homme du métier, tel que, en particulier, un dioptre situé en extrémité de fibre ou une surface optique extérieure de réflectivité contrôlée.

L'au moins une partie du faisceau émis par le lidar et couplée à la fibre optique peut être définie comme le faisceau incident.

L'ensemble des fractions rétrodiffusées, par les diffuseurs, de l'au moins une partie du faisceau se propageant dans la fibre optique peut être définie comme une partie rétrodiffusée de l'au moins une partie du faisceau se propageant dans la fibre optique.

L'élément réflecteur peut être situé à une sortie de la fibre optique.

Le dispositif de couplage peut être situé entre le lidar et une entrée de la fibre optique.

Selon l'invention, au moins une partie des diffuseurs peut être des défauts d'homogénéité de la fibre optique.

Il peut être entendu par défauts d'homogénéité des défauts de structures du cœur de la fibre optique et/ou d'une gaine de la fibre optique.

Il peut être entendu par défauts d'homogénéité des défauts structurels du cœur de la fibre optique et/ou de la gaine de la fibre optique.

Avantageusement, au moins une partie des diffuseurs sont des atomes constituant la fibre optique. Avantageusement, une partie du signal rétrodiffusé par la fibre optique provient de la rétrodiffusion des atomes constituants la fibre optique.

La rétrodiffusion des atomes constituants la fibre optique peut être une rétrodiffusion Rayleigh.

Les défauts d'homogénéité de la fibre optique peuvent être des défauts intrinsèques de la fibre optique.

II peut être entendu par défauts intrinsèques, des défauts pouvant être inhérents à la fibre optique.

Les défauts intrinsèques peuvent être inhérents au procédé de fabrication de la fibre optique. Les défauts d'homogénéité de la fibre optique peuvent être des défauts apportés volontairement à la fibre optique.

Les défauts d'homogénéité peuvent être générés par tous les traitements connus de l'homme du métier, tel que, en particulier :

-un traitement chimique en milieux liquide aqueux ou organiques, et/ou

-un traitement par plasma, et/ou

-un traitement thermique, et/ou

-un traitement par irradiation.

Les défauts peuvent être générés sur toute la longueur de la fibre optique.

Les défauts peuvent être générés en des zones localisées de la fibre optique.

La fibre optique peut comprendre des diffuseurs répartis sur toute la longueur de la fibre optique et agencés pour reproduire des effets de rétrodiffusion et/ou d'extinction engendrés par une atmosphère inhomogène sur un faisceau émis par un lidar.

Les défauts peuvent être répartis de façon uniforme sur toute la longueur de la fibre optique. Les défauts peuvent être répartis aléatoirement sur toute la longueur de la fibre optique.

La rétrodiffusion des fractions de l'au moins une partie du faisceau se propageant dans la fibre optique par les diffuseurs répartis le long de la fibre optique peut également être définie comme une rétrodiffusion volumique engendrée par les diffuseurs.

La rétrodiffusion volumique engendrée par les diffuseurs peut également peut être assimilée à une diffusion linéique répartie sur la longueur de la fibre optique.

Il peut être entendu par atmosphère homogène une tranche d'atmosphère au sein de laquelle les interactions d'un faisceau optique donné avec ladite atmosphère homogène sont sensiblement équivalentes sur toute l'épaisseur de ladite tranche d'atmosphère.

La fibre optique peut comprendre des diffuseurs localisés en une ou plusieurs zones définies de la fibre optique, appelées zones diffusantes, lesdits diffuseurs étant agencés de manière à ce que ladite ou lesdites zones diffusantes présentent des coefficients de rétrodiffusion et d'extinction ajustables de manière à reproduire des effets de rétrodiffusion et/ou d'extinction engendrés par un ou plusieurs types d'aérosols atmosphériques sur un faisceau émis par un lidar.

Le coefficient d'extinction peut être défini comme comprenant la somme du coefficient d'absorption et du coefficient de diffusion.

Une zone diffusante peut comprendre plusieurs diffuseurs localisés au sein de ladite zone.

Les effets de rétrodiffusion et d'extinction des diffuseurs localisés au sein des zones diffusantes peuvent être différents des effets de rétrodiffusion et d'extinction des diffuseurs répartis sur toutes la longueur de la fibre optique.

Au moins une partie des diffuseurs localisés et/ou au moins une partie des diffuseurs répartis sur toute la longueur de la fibre optique peuvent être des défauts intrinsèques de la fibre optique.

Au moins une partie des diffuseurs localisés et/ou au moins une partie des diffuseurs répartis sur toute la longueur de la fibre optique peuvent être des défauts apportés volontairement à la fibre optique. Au moins un des diffuseurs peut présenter un coefficient de rétrodiffusion optique et/ou un coefficient d'extinction optique différent d'un coefficient de rétrodiffusion optique et/ou d'un coefficient d'extinction optique d'au moins un autre des diffuseurs.

Les diffuseurs peuvent présenter un coefficient d'extinction optique et/ou un coefficient de rétrodiffusion optique identique.

Un diffuseur peut présenter un coefficient d'extinction optique et/ou un coefficient de rétrodiffusion optique différent d'un coefficient d'extinction optique et/ou d'un coefficient de rétrodiffusion optique d'un ou de plusieurs autres diffuseurs.

Chaque diffuseur peut présenter un coefficient d'extinction optique et/ou un coefficient de rétrodiffusion optique différent.

Au moins un des diffuseurs répartis le long de la fibre optique peut présenter un coefficient d'extinction optique et/ou un coefficient de rétrodiffusion optique différent du coefficient de rétrodiffusion optique et/ou du coefficient d'extinction optique d'au moins un des diffuseurs localisés.

Les diffuseurs répartis le long de la fibre optique peuvent présenter un coefficient d'extinction optique et/ou un coefficient de rétrodiffusion optique différent du coefficient de rétrodiffusion optique et/ou du coefficient d'extinction optique de l'ensemble des diffuseurs localisés.

Les diffuseurs répartis le long de la fibre optique peuvent présenter un coefficient d'extinction optique et/ou un coefficient de rétrodiffusion optique identique.

Les diffuseurs localisés au sein d'une même zone diffusante peuvent présenter un coefficient d'extinction optique et/ou un coefficient de rétrodiffusion optique identique.

Les diffuseurs localisés au sein d'une zone diffusante peuvent présenter un coefficient d'extinction optique et/ou un coefficient de rétrodiffusion optique différent des diffuseurs localisés au sein d'une autre zone diffusante.

Une zone diffusante peut présenter un coefficient d'extinction optique et/ou un coefficient de rétrodiffusion optique différent d'un coefficient d'extinction optique et/ou d'un coefficient de rétrodiffusion optique d'une autre zone diffusante. L'unité de traitement peut moduler le ou les coefficients d'extinction d'une ou de plusieurs zones diffusantes.

Selon l'invention, la fibre optique peut être constituée d'un ensemble de fibres optiques présentant des caractéristiques différentes.

Les caractéristiques d'une fibre optique peuvent être, entres autres : -le diamètre du cœur,

-un diamètre de gaine,

-une longueur de fibre,

-un coefficient de rétrodiffusion optique d'un diffuseur,

-un coefficient d'extinction optique d'un diffuseur.

Le dispositif de couplage peut comprendre un atténuateur optique agencé pour atténuer une puissance d'un faisceau incident, ledit faisceau incident étant défini comme ladite au moins une partie du faisceau émis par le lidar et couplée avec la fibre optique.

L'atténuateur optique peut être tout type d'atténuateur connu de l'homme du métier, tel que, en particulier, un atténuateur fixe.

L'atténuateur optique peut être tout type d'atténuateur connu de l'homme du métier, tel que, en particulier, un atténuateur variable.

L'atténuateur optique peut être un dispositif réglant par défocalisation ou décentrage les parties du faisceau couplées dans la fibre.

L'atténuateur peut être également être défini comme un filtre optique à densité neutre, à savoir un filtre qui absorbe de manière égale un rayonnement dans une plage spectrale donnée.

Le système de couplage peut être composé d'un atténuateur optique et d'un objectif optique.

L'objectif optique peut être tout type d'objectif connu de l'homme du métier tel que, en particulier, un miroir convergent ou une lentille convergente.

Selon l'invention, le dispositif peut comprendre :

-un détecteur, situé en aval de l'élément réflecteur par rapport à la direction de propagation du faisceau incident, agencé pour mesurer une puissance d'une partie du faisceau incident non réfléchie par l'élément réflecteur, ledit dispositif étant caractérisé en ce qu'il comprend : -une unité de traitement configurée pour calculer la puissance du faisceau incident.

La puissance du faisceau incident peut être calculée à partir de la puissance de la partie du faisceau non réfléchie par l'élément réflecteur.

La puissance du faisceau incident peut être calculée à partir d'un coefficient de transmission et/ou d'un coefficient de réflexion de l'élément réflecteur.

La puissance du faisceau incident peut être calculée à partir de la puissance de la partie du faisceau non réfléchie par l'élément réflecteur et à partir d'un coefficient de transmission et/ou d'un coefficient de réflexion de l'élément réflecteur.

L'unité de traitement peut être tout type de moyen technique de calcul connu de l'homme du métier.

L'unité de traitement peut être reliée à l'atténuateur et/ou au lidar, et configurée pour moduler une puissance du faisceau émis par le lidar et/ou la puissance du faisceau incident, au moyen de l'atténuateur, de manière à ce que des caractéristiques de faisceaux rétrodiffusés par les défauts d'homogénéité de la fibre optique, et des caractéristiques de l'au moins un faisceau réfléchi soient dans la gamme des paramètres d'une chaîne de détection du lidar utilisés dans le cas de mesures atmosphériques extérieures.

Un faisceau rétrodiffusé peut être défini comme un signal optique retournant vers le lidar après réflexion par les défauts d'homogénéité.

L'atténuateur peut, de préférence, être un atténuateur variable dont la densité optique est ajustable.

L'atténuateur optique peut comprendre plusieurs atténuateurs, tel que, en particulier, un atténuateur fixe et un atténuateur variable.

L'unité de traitement peut moduler la puissance du faisceau émis par le lidar, en particulier, au moyen d'une modulation de la puissance émise par un LASER compris dans une chaîne d'émission du lidar.

Il peut être entendu par gamme, une dynamique de mesure.

Le dispositif selon l'invention peut comprendre un dispositif de brouillage de phase agencé pour générer des variations de chemins optiques dans la fibre optique supérieure à une longueur d'onde du faisceau émis par le lidar.

Le dispositif de brouillage de phase peut être agencé pour moduler, en particulier, la phase du signal d'au moins un faisceau rétrodiffusé de manière à moyenner les effets de cohérence entre les signaux des fractions de l'au moins une partie du signal se propageant dans la fibre optique et obtenir une mesure équivalente à un signal rétrodiffusé par une atmosphère dynamique.

Le dispositif de brouillage de phase peut comprendre :

-un système mécanique agencé pour générer des vibrations sur tout ou partie de la fibre optique, et/ou

-un dispositif thermique de chauffage et/ou de refroidissement, non homogène, d'au moins une partie de la fibre optique, et/ou

-une modulation d'une fréquence de la source laser du lidar comprise, de préférence, entre 1 kHz et 10 GHz.

La modulation de la fréquence de la source laser du lidar peut être comprise entre 1 kHz et 10 GHz, de préférence entre 10 kHz et 1 GHz, elle peut être définie par l'homme du métier comme une modulation fine.

Le système mécanique peut être, en particulier, un dispositif vibrant relié à la fibre optique et agencé pour engendrer un brouillage de phase sur tout ou partie de la fibre optique.

Le dispositif de brouillage peut comprendre plusieurs systèmes mécaniques et/ou plusieurs dispositifs thermiques de chauffage et/ou de refroidissement.

Le mouvement de translation peut être généré, par le système mécanique, selon une direction aléatoire.

L'élément réflecteur peut être constitué par un plan de sortie de la fibre optique, ledit plan de sortie formant un angle avec un plan perpendiculaire à un axe de révolution du cœur de la fibre optique.

Le plan de sortie de la fibre optique peut être défini comme le dioptre situé du côté de la sortie de la fibre optique.

L'angle peut être généré par toute technique adaptée, tel que, en particulier, un clivage, un polissage, une gravure, une abrasion, un limage. La fibre optique peut présenter une longueur L telle que la distance maximale mesurable par le lidar soit supérieure à L/n, où n est un indice effectif du mode transverse de propagation de la fibre optique.

L'indice effectif d'un mode de la fibre optique peut être défini comme égal à n _eff = b/k, b étant la constante de propagation du mode transverse considéré dans la fibre et k le vecteur d'onde.

L'angle formé entre le plan de sortie de la fibre optique et un plan perpendiculaire à l'axe de révolution du cœur de la fibre optique peut être compris entre 0 et 80°, de préférence entre 0 et 40°, de préférence encore entre 0 et 20°.

Selon un second aspect de l'invention, il est proposé un lidar atmos- phérique dans lequel est intégré un dispositif d'étalonnage selon le premier aspect de l'invention, ledit dispositif d'étalonnage étant agencé pour contrô- ler, lorsque le lidar est en fonctionnement, l'étalonnage du lidar :

-en continu, par l'intermédiaire d'une partie d'un faisceau émis par le lidar et déportée en continu vers ledit dispositif d'étalonnage, ou

-à intervalle de temps régulier, en outre durant un intervalle de temps séparant deux mesures consécutives du lidar, en déportant le fais- ceau émis par le lidar vers ledit dispositif d'étalonnage.

Le dispositif peut, de préférence, être intégré dans la structure du lidar.

Lorsque le dispositif d'étalonnage est intégré au lidar, l'unité de traitement peut être configurée pour alerter un utilisateur en cas de dérive des paramètres du signal reçu par le lidar.

Selon un troisième aspect de l'invention, il est proposé une utilisation du dispositif d'étalonnage selon le premier aspect de l'invention, pour la mise en œuvre d'un procédé d'étalonnage d'un lidar atmosphérique.

Le procédé d'étalonnage peut être tout procédé d'étalonnage d'un lidar connu de l'homme du métier. Selon un quatrième aspect de l'invention, il est proposé un procédé d'étalonnage d'un lidar atmosphérique caractérisé en ce qu'il comprend un calcul de paramètres d'étalonnage du lidar à partir, en outre, de données provenant :

-d'un signal d'une partie réfléchie, par un élément réflecteur dans une fibre optique, d'au moins un faisceau se propageant dans ladite fibre optique, ledit élément réflecteur étant situé à une extrémité de la fibre optique par rapport à une direction d'un faisceau incident, ledit faisceau incident étant défini comme un faisceau, ou une partie d'un faisceau, émis par le lidar et couplé avec la fibre optique au niveau d'une autre extrémité de ladite fibre optique, et

-de signaux de fractions diffusées, par des diffuseurs répartis sur toute la longueur de la fibre optique, de l'au moins un faisceau se propageant dans la fibre optique, une partie desdites fractions diffusées de l'au moins un faisceau se propageant dans la fibre optique étant couplées au lidar, lesdits diffuseurs étant agencés pour reproduire des effets de rétrodiffusion et d'extinction engendrés par une atmosphère inhomogène sur un faisceau émis par un lidar.

Les fractions diffusées, par des diffuseurs répartis sur toute la longueur de la fibre optique, de l'au moins un faisceau se propageant dans la fibre optique peuvent être des fractions rétrodiffusées.

L'extrémité de la fibre optique en aval de laquelle est situé l'élément réflecteur, par rapport à la direction du faisceau incident, peut être définie comme une sortie de la fibre optique.

L'autre extrémité de la fibre optique à laquelle le faisceau, ou la partie du faisceau, émis par le lidar est couplé avec la fibre optique peut être définie comme une entrée de la fibre optique.

L'étape de couplage du faisceau, ou de la partie du faisceau, émis par le lidar peut être réalisée par un dispositif de couplage.

L'étape de couplage d'une partie des fractions rétrodiffusées et atténuées de l'au moins un faisceau se propageant dans la fibre optique avec le lidar peuvent être réalisée par le dispositif de couplage.

La rétrodiffusion des fractions de l'au moins une partie du faisceau se propageant dans la fibre optique par les diffuseurs répartis le long de la fibre optique peut également être définie comme une rétrodiffusion volumique engendrée par les diffuseurs.

Les diffuseurs répartis sur toute la longueur de la fibre optique peuvent comprendre des défauts répartis aléatoirement sur toute la longueur de la fibre optique.

Le procédé d'étalonnage d'un lidar selon l'invention peut comprendre :

-une entrée de paramètres de la chaîne de détection du lidar, dans des moyens techniques, équivalents aux paramètres utilisés pour une mesure atmosphérique extérieure, et/ou

-une entrée de paramètres de la chaîne d'émission du lidar, dans des moyens techniques, équivalents aux paramètres utilisés pour une mesure atmosphérique.

Les paramètres d'étalonnage peuvent être calculés à partir de données provenant d'un ou de plusieurs signaux d'une ou de plusieurs fractions de l'au moins un faisceau se propageant dans la fibre optique diffusées par une ou plusieurs zones diffusantes localisées comprenant des diffuseurs ; ladite ou lesdites zones diffusantes localisées présentent des coefficients de rétrodiffusion et d'extinction ajustables de manière à reproduire des effets de rétrodiffusion et/ou d'extinction engendrés par des aérosols atmosphériques inhomogènes sur un faisceau émis par un lidar.

Les effets de rétrodiffusion et/ou d'extinction produits par les diffuseurs localisés peuvent être différents des effets de rétrodiffusion et/ou d'extinction produits par les diffuseurs répartis sut toute la longueur de la fibre optique.

Les données provenant du ou des signaux de la ou des fractions de l'au moins un faisceau se propageant dans la fibre optique diffusées peuvent être associées, lors de l'étape de calcul des paramètres d'étalonnage, aux données provenant du signal de la partie réfléchie, par un élément réflecteur dans une fibre optique, de l'au moins un faisceau se propageant dans ladite fibre optique et aux données provenant des signaux des fractions rétrodiffusées, par des diffuseurs répartis sur toute la longueur de la fibre optique, de l'au moins un faisceau se propageant dans la fibre optique. Le procédé d'étalonnage selon l'invention peut comprendre :

-une mesure, par un détecteur situé en aval de l'élément réflecteur par rapport à la direction de propagation du faisceau incident, d'une puissance d'une partie du faisceau incident non réfléchie par l'élément réflecteur,

-un calcul, par une unité de traitement, d'une puissance dudit faisceau incident,

-un ajustement, à partir de la puissance dudit faisceau incident calculée, d'une puissance du faisceau émis par le lidar et/ou de la puissance du faisceau incident, au moyen d'un atténuateur, de manière à ce que des caractéristiques de faisceaux diffusés par les défauts d'homogénéité de la fibre optique et des caractéristiques d'un ou de plusieurs faisceaux réfléchis soient dans la gamme des paramètres de la chaîne de détection du lidar utilisés dans le cas de mesures atmosphériques extérieures.

Les faisceaux diffusés par les défauts d'homogénéité de la fibre optique peuvent être des faisceaux rétrodiffusés.

Le faisceau incident peut être le seul faisceau se propageant selon une direction reliant l'entrée et la sortie de la fibre optique.

Plusieurs faisceaux peuvent se propager selon la direction reliant l'entrée et la sortie de la fibre optique lorsque :

-la ou des parties du faisceau émises par le lidar et se propageant dans la ou lesdites lignes à retard sont injectées dans la fibre optique, et/ou

-la ou des parties du faisceau émises par le lidar et se propageant dans la ou lesdites lignes à retard sont couplées avec la fibre optique.

Le procédé d'étalonnage selon l'invention peut comprendre une étape de génération, par au moins un dispositif de brouillage, d'au moins une variation de chemin optique dans la fibre optique, ladite au moins une variation de chemin optique étant supérieure à une longueur d'onde du faisceau émis par le lidar.

L'au moins une variation de chemin optique peut être générée, par le système de brouillage, par :

-des vibrations générées mécaniquement sur tout ou partie de la fibre optique, et/ou -un chauffage et/ou un refroidissement, non homogène, d'au moins une partie de la fibre optique, et/ou

-une modulation de la fréquence de la source laser du lidar.

Les paramètres d'étalonnage calculés lors de la mise en œuvre du procédé d'étalonnage selon l'invention peuvent comprendre :

-un étalonnage de la mesure en distance à partir de caractéristiques d'un écho lidar, en outre, à partir des caractéristiques temporelles du ou des faisceaux réfléchis par l'élément réflecteur,

-un étalonnage de la résolution spatiale à partir de caractéristiques d'un étalement temporel de l'écho lidar,

-un étalonnage de la mesure en vitesse à partir de caractéristiques spectrales des faisceaux diffusés par les diffuseurs,

-un étalonnage de la résolution en vitesse, selon la puissance détectée, à partir d'un écart type de la mesure en vitesse, ledit écart type étant modulé :

• par atténuation progressive du ou des faisceaux se propageant dans la fibre optique au moyen des défauts d'homogénéité répartis de façon uniforme sur toute la longueur de la fibre optique, et/ou

• par une modification du couplage du faisceau, ou de la partie du faisceau, émis par le lidar avec la fibre optique au moyen du dispositif de couplage,

-une évaluation de l'efficacité du lidar en calculant.

L'évaluation de l'efficacité peut être obtenue en calculant un rapport entre la puissance des faisceaux rétrodiffusés par la fibre optique et mesurés par le lidar et la puissance du faisceau émis par le lidar et couplé avec la fibre optique.

L'étalement de l'écho lidar peut être défini comme la durée temporelle pendant laquelle un signal, ou des signaux, correspondant au faisceau, ou aux faisceaux, réfléchi est détecté par la chaîne de détection du lidar. Le procédé d'étalonnage selon l'invention peut être mis en œuvre concomitamment à une mesure atmosphérique en déportant une partie du faisceau émis par le lidar vers un dispositif d'étalonnage, de préférence un dispositif d'étalonnage selon le premier aspect de l'invention.

Le procédé d'étalonnage selon l'invention peut être mis en œuvre à intervalle de temps régulier, en outre durant un intervalle de temps séparant deux mesures atmosphériques consécutives, en déportant le faisceau émis par le lidar vers un dispositif d'étalonnage, de préférence un dispositif d'étalonnage selon le premier aspect de l'invention.

Le procédé d'étalonnage, lorsque le dispositif d'étalonnage est intégré dans le lidar, peut comprendre une étape visant à alerter l'utilisateur en cas de dérive du signal reçu.

Description des figures et modes de réalisation

D'autres avantages et particularités de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée de mises en œuvre et de modes de réalisation nullement limitatifs, et des dessins annexés suivants :

la FIGURE 1 est une représentation schématique d'un dispositif d'étalonnage d'un lidar selon un premier aspect de l'invention,

la FIGURE 2 est une représentation schématique d'un dispositif d'étalonnage d'un lidar selon un deuxième aspect de l'invention,

les FIGURES 3 et 4 sont des courbes illustrant les caractéristiques de parties réfléchies et rétrodiffusées, couplées dans une voie de détection d'un lidar, d'un faisceau émis par une voie d'émission dudit lidar.

Les modes de réalisation décrits ci-après étant nullement limitatifs, on pourra notamment considérer des variantes de l’invention ne comprenant qu’une sélection de caractéristiques décrites, isolées des autres caractéristiques décrites (même si cette sélection est isolée au sein d’une phrase comprenant ces autres caractéristiques), si cette sélection de caractéristiques est suffisante pour conférer un avantage technique ou pour différencier l’invention par rapport à l’état de la technique antérieure. Cette sélection comprend au moins une caractéristique, de préférence fonctionnelle sans détails structurels, ou avec seulement une partie des détails structurels si cette partie uniquement est suffisante pour conférer un avantage technique ou pour différencier l'invention par rapport à l'état de la technique antérieure.

En référence à la FIGURE 1, il est décrit, dans un premier mode de réalisation, un dispositif d'étalonnage 1 d'un lidar 2 atmosphérique comprenant une fibre optique 3 agencée pour propager au moins une partie (non représentée) d'un faisceau 5 émis par le lidar 2. Le lidar 2 à étalonner est un lidar dont les objectifs d'émission et de réception sont confondus, l'homme du métier qualifie un tel agencement de configuration monostatique. Le lidar 2 émet en mode impulsionnel dans l'infrarouge à 1550 nm.

Selon le premier mode de réalisation, le dispositif d'étalonnage 1 comporte également un élément réflecteur 6 situé à une extrémité de la fibre optique 3 et agencé pour réfléchir dans la fibre optique 3 une portion 7 de l'au moins une partie du faisceau se propageant dans la fibre optique 3. L'au moins une partie du faisceau se propageant dans la fibre optique 3 correspond, selon le mode de réalisation particulier, à la partie 4 du faisceau 5 émis par le lidar 2 couplée avec la fibre optique. L'au moins une partie 4 du faisceau 5 émis par le lidar 2 couplé avec la fibre optique 3 est désigné par le terme faisceau incident 4.

L'élément réflecteur 6 consiste en un clivage de la fibre optique 3, le plan de sortie 11 de la fibre optique 3 après clivage présentant un angle de 5° avec un plan perpendiculaire à l'axe de révolution du cœur de la fibre optique 3. La portion réfléchie 7 du faisceau incident 4 se propageant dans la fibre optique 3 dépend du mode de propagation sélectionné. Selon le mode de réalisation, le signal de la portion réfléchie 7 équivaut à 2% du faisceau indicent 4 se propageant dans la fibre optique 3.

La fibre optique 3 comprend des diffuseurs (non représentés) répartis le long de la fibre optique 3 et rétrodiffusant des fractions du faisceau incident 4 se propageant dans la fibre optique 3. La fibre optique 3 utilisée est une fibre optique multimodes commerciale de diamètre de cœur de 100 pm. La fibre optique 3 comporte des défauts intrinsèques répartis sur toute la longueur de la fibre optique 3, lesdits défauts engendrant une rétrodiffusion uniforme représentative de celle provoquée par une atmosphère inhomogène. Le faisceau incident 4 se propageant dans la fibre optique 3 est rétrodiffusé 8, ledit faisceau rétrodiffusé 8 étant constitué par l'ensemble des fractions rétrodiffusées du faisceau incident 4. La longueur de la fibre optique 3 est calculée de sorte que la distance maximale mesurable par le lidar 1 soit supérieure à L/n, L étant la longueur de la fibre optique et n l'indice effectif du mode optique fondamental transverse de la fibre optique 3. Son indice effectif est égal à 1,46. La longueur de la fibre optique 3 est de 10 kilomètres.

Le dispositif d'étalonnage 1 comprend également un dispositif de couplage 9 agencé pour coupler :

• au moins une partie 4 du faisceau 5 émis par le lidar 2 avec la fibre optique 3 selon un ou des modes de propagation prédéterminés,

• au moins une partie 71,81 :

o desdites fractions rétrodiffusées par les diffuseurs, et o d'au moins un faisceau réfléchi 7 par l'élément réflecteur 5 avec le lidar 2.

Selon le mode de réalisation, l'au moins un faisceau réfléchi 7 correspond à la portion 7 du faisceau incident 4 réfléchie par l'élément réflecteur 6.

Le dispositif de couplage 9 comprend un atténuateur optique 10 et un objectif optique convergent 12 focalisant une partie 4 du faisceau 5 émis par le lidar 2 et couple avec le lidar 2 une partie 81 du signal du faisceau rétrodiffusé 8 et une partie 71 du faisceau réfléchi 7. Selon le mode de réalisation, l'atténuateur optique 10 utilisé est un filtre optique 10 présentant une densité optique ajustable.

Toujours selon le premier mode de réalisation, le dispositif d'étalonnage 1 comprend, en tête de la fibre optique 3, un dispositif de brouillage de phase 13 permettant de moyenner, lors de la mesure, les interférences liées à la position statique des diffuseurs. Le dispositif de brouillage de phase 13 est constitué par un pot vibrant (non représenté) sur lequel est montée une portion de la fibre optique 3. Le dispositif de brouillage de phase 13 module le couplage de l'au moins une partie 4 du faisceau 5 émis par le lidar 2 avec la fibre optique 3 dans différents modes de propagation et par conséquent la phase du signal des parties 81 du faisceau rétrodiffusé 8 couplées avec le lidar 2.

Le dispositif d'étalonnage 1 comprend également un détecteur 14 situé en aval du plan de sortie 11 de la fibre optique 3. Le détecteur 14 est agencé pour mesurer la puissance du signal de la portion 15 du faisceau incident 4 non réfléchie par l'élément réflecteur 6.

Le dispositif d'étalonnage 1 comprend une unité de traitement 16 à laquelle est relié le filtre optique à densité optique ajustable 10 et le détecteur 14. L'unité de traitement 16 est configurée pour calculer la puissance du faisceau incident 4 à partir de la puissance du signal de la portion 15 du faisceau incident 4 non réfléchie par l'élément réflecteur 6. L'unité de traitement 16 est également configurée pour mesurer la puissance du faisceau incident 4 et pour permettre de moduler la densité optique du filtre ajustable 10, de manière à ce que les parties 81 du faisceau rétrodiffusé 8 et la partie 71 du faisceau réfléchi 7 couplées avec le lidar soit dans la gamme des paramètres de mesure, ou dynamique nominale de mesure, de la chaîne de détection.

En référence à la FIGURE 2, il est décrit, dans une variante du premier mode de réalisation, un dispositif d'étalonnage 1 dans lequel la fibre optique 3 comprend, en outre, des diffuseurs localisés en deux zones diffusantes 17 de la fibre optique 3. L'ensemble des éléments de la FIGURE 1 sont présents dans la FIGURE 2 et les références desdits éléments sont identiques dans les deux FIGURES. Chacune des deux zones diffusantes 17 comporte une pluralité de diffuseurs. Les zones diffusantes 17 présentent des coefficients de rétrodiffusion ajustables, la valeur du coefficient de rétrodiffusion des zones diffusantes 17 a été ajustée de manière à reproduire les effets d'extinction et de rétrodiffusion couramment engendrés par des aérosols atmosphériques sur un faisceau émis par un lidar atmosphérique. Chaque zone diffusante 17 est agencée pour générer une rétrodiffusion d'une fraction supplémentaire 18 du faisceau incident 4. Une partie 181 de chaque fraction supplémentaire 18 du faisceau incident 4 rétrodiffusée est couplée avec le lidar 2 par l'intermédiaire du dispositif de couplage 9. Sur les FIGURES 3 et 4 sont représentées des courbes illustrant les caractéristiques des parties réfléchies 21 et rétrodiffusées 22,28, couplées dans une voie de détection d'un lidar 2, d'un faisceau émis par une voie d'émission dudit lidar 2. Les données, à partir desquelles les courbes sont tracées, sont acquises par l'intermédiaire de la chaîne de détection du lidar 2. La puissance du signal reçu 19 par le lidar est représentée en échelle logarithmique en ordonnée de la courbe, ladite courbe étant tracée en fonction du temps 20. Le temps de propagation aller-retour du faisceau dans la fibre optique est lié à tout instant à la distance de propagation du faisceau dans la fibre optique par la relation t = 2*nD/c, ou n est l'indice effectif du mode transverse de fibre dans lequel se propage le faisceau, D est la distance parcourue par le faisceau dans la fibre optique et c est la vitesse de la lumière dans le vide. De fait, les abscisses 20 de la courbe représentent, à un facteur près, la distance de propagation du faisceau dans la fibre optique et le temps de propagation du faisceau dans la fibre optique.

En référence aux FIGURES 1 à 4, dans un deuxième mode de réalisation, il est prévu un procédé d'étalonnage d'un lidar atmosphérique 2 comprenant un calcul de paramètres d'étalonnage du lidar à partir, en outre, de données provenant d'une partie réfléchie 21 du faisceau incident 4 se propageant dans la fibre optique 3. La partie 21 est un faisceau ayant réfléchi sur un élément réflecteur 6 dans la fibre optique 3. Cet élément réflecteur 6 est situé à une extrémité de la fibre optique 3 par rapport à une direction du faisceau incident 4. Ledit faisceau incident 4 est défini comme un faisceau, ou une partie d'un faisceau, émis par le lidar 2 et couplé avec la fibre optique 3 au niveau d'une autre extrémité de ladite fibre optique 3.

L'étape de calcul des paramètres d'étalonnage d'un lidar du procédé d'étalonnage d'un lidar atmosphérique selon l'invention, comprend également des données provenant d'un signal 22 d'une portion 81 du faisceau rétrodiffusé 8, par des diffuseurs répartis sur toute la longueur de la fibre optique 3, couplée au lidar 2, lesdits diffuseurs étant agencés pour reproduire des effets de rétrodiffusion et d'extinction engendrés par une atmosphère inhomogène sur un faisceau 5 émis par un lidar 2.

Selon le mode de réalisation, le procédé est mis en œuvre au moyen d'un lidar 2 fonctionnant en mode impulsionnel et l'au moins un faisceau se propageant dans la fibre optique 3 correspond au signal 5 émis par le lidar et couplé, par un dispositif de couplage bidirectionnel 9, avec la fibre optique 3. La puissance maximale 23 du signal 21 de la portion 71, de la partie réfléchie 7 du faisceau incident 4 se propageant dans la fibre optique 3, couplée avec le lidar 2 est mesurée par le lidar 2. L'énergie 24 du signal 21 est calculée à partir des données acquises par le lidar 2. Le temps de propagation aller-retour 25 du faisceau incident 4 se propageant dans la fibre optique 3 correspond au temps écoulé entre l'émission par le lidar 2 du faisceau 5, à un instant t ₀ 26, et la détection par le lidar 2, à un instant ti 27, de la partie 7 réfléchie par l'élément réflecteur 6, du faisceau se propageant dans la fibre optique 3. Le signal 21 de la portion 71, de la partie réfléchie 7 du faisceau incident 4 se propageant dans la fibre optique 3, couplée avec le lidar 2 est désigné par écho lidar.

En référence à la FIGURE 4, il est décrit, dans une variante du second mode de réalisation, un procédé d'étalonnage dans lequel les paramètres d'étalonnage sont calculés à partir des données du second mode de réalisation et de données supplémentaires provenant des signaux 28 correspondant aux portions 181 des fractions rétrodiffusées 18 couplées avec le lidar 2.

Selon le second mode de réalisation, les paramètres d'étalonnage comprennent un étalonnage de la mesure en distance à partir des caracté- ristiques du signal 21 du faisceau réfléchi 7 par l'élément réflecteur 6. Le temps aller-retour de propagation 25 dans la fibre optique 3 du faisceau 5 émis par le lidar 2 est égal à t= 2 n D /c, où n est l'indice effectif du mode transverse de fibre se propageant dans la fibre optique, n ~ 1.46, et c est la vitesse de la lumière dans le vide, c=299792.458m/s. Ce temps de propa- gation aller-retour 25 est identique à celui obtenu sur une tranche d'atmosphère d'épaisseur nD. Par la connaissance du temps de propagation 2nD/c du faisceau 5 émis par le lidar 2 dans la fibre optique 3, il est donc possible de calibrer la fonction télémétrie du lidar 2.

Les paramètres d'étalonnage comprennent également un étalonnage de la résolution spatiale à partir de caractéristiques d'un étalement temporel de l'écho lidar 7. La résolution en distance est calculée par l'étalement de la réponse du lidar sur l'élément réflecteur 6 situé à l'extrémité de fibre op- tique 3, constituant un obstacle dur dont la distance est identique pour tous les points du faisceau 5 émis par le lidar 2. La résolution spatiale du lidar est une fonction de la durée d'impulsion et des paramètres du traitement du signal.

Les paramètres d'étalonnage comprennent également un étalonnage de la mesure en vitesse à partir de caractéristiques spectrales des signaux 28 des fractions rétrodiffusées 18,8, par les diffuseurs, du faisceau incident 4 se propageant dans la fibre optique 3. Les diffuseurs sont à vitesse nulle dans la fibre optique 3 contrairement aux aérosols atmosphériques. La me sure de la vitesse nulle par le lidar Doppler est donc directe et précise.

Les paramètres d'étalonnage comprennent également un étalonnage de la résolution en vitesse, à partir d'un écart type de la mesure en vitesse, ledit écart type étant modulé :

-par atténuation progressive du signal se propageant dans la fibre optique 3 au moyen des diffuseurs répartis de façon uniforme sur toute la longueur de la fibre optique 3, et

-par une modification du couplage du faisceau 5 émis par le lidar 2 avec la fibre optique 3 au moyen du dispositif de couplage 9.

Enfin, Les paramètres d'étalonnage comprennent également une évaluation de l'efficacité du lidar en calculant un rapport entre la puissance des signaux 22,28 des faisceaux rétrodiffusés 18,8 par la fibre optique 3 et mesurés par le lidar 2 et la puissance, calculée à partir de la mesure éffectuée par le détecteur 14, du faisceau 5 émis par le lidar 2 et couplé dans la fibre optique 3.

Bien sûr, l'invention n'est pas limitée aux exemples qui viennent d'être décrits et de nombreux aménagements peuvent être apportés à ces exemples sans sortir du cadre de l'invention.

Ainsi, dans des variantes combinables entre elles des modes de réalisation précédemment décrits, l'unité de traitement 16 est également configurée pour moduler les coefficients d'extinction des zones diffusantes 17. De plus, les différentes caractéristiques, formes, variantes et modes de réalisation de l'invention peuvent être associés les uns avec les autres selon diverses combinaisons dans la mesure où ils ne sont pas incompatibles ou exclusifs les uns des autres.