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Title:
LOW-COST DOPPLER FREQUENCY SHIFT MEASURING DEVICE
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2005/114252
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to an optical device for measuring a Doppler frequency shift comprising a light signal channel (60) sending a signal light beam (Fem) illuminating a reference medium, through a polarisation splitting coupler CSP (62) and a bi-directional port S1 of the coupler signal, wherein said coupler receives a backscattering light beam (Frd) reflected by the reference medium through said bi-directional port and a reference channel (58) delivering a reference light beam for detecting the Doppler frequency shift, wherein said frequency shift is determined by a frequency difference between the light beam illuminating the reference medium and the light beam reflected by said reference medium. The reference light beam is applied on a reference port S2 of the polarisation splitting coupler CSP (62) which transmits to a port E2 a beat signal (Bs) between the reference light beam frequency applied on the S2 and a backscattering light beam frequency applied on the port S1 which possibly contains the Doppler shift. Said invention can be used for lidars and anemolaser.

Inventors:
BAILLON BERTRAND (FR)
SCHLOTTERBECK JEAN-PIERRE (FR)
LACONDEMINE XAVIER (FR)
Application Number:
PCT/EP2005/051239
Publication Date:
December 01, 2005
Filing Date:
March 17, 2005
Export Citation:
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Assignee:
THALES SA (FR)
BAILLON BERTRAND (FR)
SCHLOTTERBECK JEAN-PIERRE (FR)
LACONDEMINE XAVIER (FR)
International Classes:
G01P5/00; G01S3/48; G01S7/481; G01S17/58; G01S17/88; (IPC1-7): G01S17/88
Foreign References:
FR2761162A11998-09-25
US4902127A1990-02-20
US6608669B22003-08-19
US20030151732A12003-08-14
US4818071A1989-04-04
FR2761162A11998-09-25
Other References:
JAMES S W ET AL: "FIBRE OPTIC BASED REFERENCE BEAM LASER DOPPLER VELOCIMETRY", OPTICS COMMUNICATIONS, NORTH-HOLLAND PUBLISHING CO. AMSTERDAM, NL, vol. 119, no. 5/6, 15 September 1995 (1995-09-15), pages 460 - 464, XP000521060, ISSN: 0030-4018
STEPHEN W. JAMES ET AL.: "Optics Communications", vol. 119, 15 September 1995, NORTH-HOLLAND PUBLISHING CO., article "Fibre optic based reference beam laser Doppler velocimetry", pages: 460 - 464
Attorney, Agent or Firm:
Beylot, Jacques (31/33 Avenue Aristide Briand, ARCUEIL Cedex, FR)
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Claims:
REVENDICATIONS
1. Dispositif de mesure de décalage de fréquence par effet Doppler de type optique comportant : une voie de signal optique (20, 60) fournissant à travers un coupleur à séparation de polarisation CSP (32, 62), par un port S1 bidirectionnel de signal du coupleur, un faisceau lumineux de signal (Fem) éclairant un milieu de référence, le coupleur recevant, par le dit port S1 bidirectionnel, un faisceau lumineux de rétrodiffusion (Frd) renvoyé par le milieu de référence ; une voie de référence (22, 58) fournissant un faisceau lumineux de référence pour la détection du décalage de fréquence par l'effet Doppler, le décalage en fréquence étant déterminé par l'écart de fréquence entre le signal lumineux éclairant le milieu de référence et le faisceau lumineux renvoyé par le milieu de référence, caractérisé en ce que le faisceau lumineux de référence est appliqué à un port S2 de référence du coupleur à séparation de polarisation CSP (62), ledit coupleur fournissant à un port E2 un signal de battement Bs entre la fréquence du faisceau lumineux de référence appliqué au port S2 et la • fréquence du faisceau lumineux de rétrodiffusion appliqué au port S1 comportant éventuellement le décalage Doppler.
2. Dispositif de mesure selon la revendication 1, caractérisé en ce que le coupleur est configuré de telle façon : qu'un signal optique appliqué à son port E1 est transmis à son port S1 sans changement de polarisation ; qu'un signal optique appliqué à son port S1 produit, à son port E2, par battement avec un signal optique de référence appliqué à son port S2 un signal de battement Bs correspondant à l'écart en fréquence entre le faisceau de référence et le faisceau de rétrodiffusion par le milieu.
3. Dispositif de mesure selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comporte : une source laser SL fournissant un fais∞au lumineux à une entrée A d'un coupleur optique à maintien de polarisation CMP (50), le coupleur optique (50) fournissant par une sortie optique de référence Sr un faisceau lumineux de référence formant une voie de référence (58) et, par une sortie optique de signal Ss, un faisceau lumineux de signal, de même polarisation que la polarisation du faisceau de la voie de référence, formant une voie de signal (60), la polarisation de la voie de signal (60) étant en suite tournée pour être perpendiculaire à celle de la voie de référence (58) ; un coupleur à séparation de polarisation CSP 62 ayant quatre ports E1. E2, S1. S2 ; le coupleur CSP (62) recevant par le port E1 , à travers un amplificateur optique Amp (64), le faisceau lumineux de signal en sortie Ss du coupleur à maintien de polarisation CMP de la voie de signal (60) et, par son port S2, le faisceau lumineux de référence en sortie Sr du coupleur à maintien de polarisation CMP de la voie de référence (58), le port E2 du coupleur étant connectée à une entrée Ed d'un détecteur de battement (70) fournissant un signal comportant le décalage Doppler.
4. Dispositif de mesure selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comporte, en sortie du détecteur de battement (70), un filtre de bande (72) suivi par un convertisseur analogiquenumérique CAN (74) pour l'extraction du décalage Doppler.
5. Dispositif de mesure selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les directions de polarisation du faisceau de la voie de référence appliqué au port S2 du coupleur à séparation de polarisation CSP et celle du faisceau de rétrodiffussion Frd par le milieu de référence, appliqué au port S1 dudit coupleur, sont parallèles.
6. Dispositif de mesure selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le dispositif comporte dans la voie de référence (58) un isolateur optique (80) améliorant l'isolement optique entre les respectifs ports Sr et S2 des deux coupleurs CMP (50) et CSP (62).
Description:
DISPOSITIF DE MESURE A FAIBLE COUT DE DECALAGE EN FREQUENCE PAR EFFET DOPPLER

L'invention est relative à un dispositif de mesure d'un décalage Doppler de type optique. Dans des dispositifs comportant une source laser et une détection cohérente hétérodyne, il peut être nécessaire de déterminer une variation de fréquence (effet Doppler) se produisant sur une partie du trajet du faisceau laser et résultant d'un phénomène physique que l'on désire compenser ou mesurer. Ceci est en particulier le cas des Lidars servant à mesurer la vitesse et la direction du vent par rétrodiffusion du faisceau laser sur des aérosols portés par le vent. Cette variation de fréquence est généralement déterminée par mélange du signal reçu avec un signal généré par un oscillateur local et affecté d'un décalage de fréquence qui est produit par un modulateur de type électro-optique ou acousto-optique (MAO). Des dispositifs de ce genre sont aussi utilisés pour mesurer les vitesses des aéronefs par rapport au milieu environnant. Le dispositif est appelé dans ce cas d'utilisation "anémomètre". La distance de mesure définit le type de détection du décalage Doppler à mesurer et la puissance de la source lumineuse de l'anémomètre, ainsi, la détection peut être, soit une détection cohérente, soit une détection directe ou incohérente. Dans le cas d'une détection cohérente hétérodyne le faisceau issu de la source de rayonnement lumineux (laser) est séparé en deux, une partie est mise en forme spatialement et envoyée dans la zone de mesure. Un modulateur acousto-optique décale la fréquence du faisceau de la voie de référence. On mélange ensuite le signal rétrodiffusé avec la référence décalée pour générer des interférences au niveau d'un détecteur. Dans l'application d'anémomètre, un faisceau laser, généré par une source laser, est focalisé à une certaine distance de l'aéronef. Les aérosols, présents dans l'atmosphère, rétro-diffusent le faisceau incident produisant un décalage de sa fréquence à l'émission. La fréquence Doppler c'est-à-dire l'écart entre la fréquence des faisceaux de rétro-diffusion et le faisceau incident est détecté par un interféromètre pour déduire la vitesse de l'aéronef. On sait que la fréquence Doppler Fd a pour valeur : Fd=2v/λ v étant la projection sur l'axe de visée du laser de la vitesse de l'aéronef par rapport au milieu ambiant (atmosphère) c'est-à-dire la référence par rapport à laquelle on souhaite mesurer la vitesse de déplacement de l'aéronef, λ étant la longueur d'onde du faisceau émis. La figure 1 montre un synoptique d'un dispositif de mesure, de l'état de l'art, d'un décalage Doppler de type optique. Le dispositif de la figure 1 comporte notamment une unité laser 10, une unité de mélange et détection 12 et une tête optique14, ces éléments 10, 12, 14 correspondant aux principales fonctions du dispositif de mesure. L'unité laser 10 comporte une source laser SL et un coupleur à maintien de polarisation (CMP) 18 fournissant un premier signal optique pour attaquer une voie de signal 20 et un second signal optique pour attaquer une voie de référence 22. Le premier signal optique dans la voie de signal 20 est amplifiée par un amplificateur optique (Amp) 26 fournissant un signal optique de puissance pour être émis dans le milieu de référence. Le signal optique de puissance en sortie de la voie de signal 20 attaque, à travers un coupleur à séparation de polarisation (CSP) 32 et une liaison optique bidirectionnelle 34 de l'unité de mélange-détection 12, la tête optique 14 rayonnant un faisceau laser Fem dans le milieu de référence. La tête optique 14 assure, d'une part, la focalisation du rayon laser émis Fem dans le milieu de référence et, d'autre part, capte les rayons rétro- diffusés Frd par le milieu dans une direction déterminée. Les rayons retro-diffusés Frd captés par la tête optique, comportant éventuellement un décalage Doppler, sont envoyés par la liaison optique bidirectionnelle 34 vers le coupleur à séparation de polarisation 32 qui fournit, du fait de la rotation de polarisation du signal rétro -diffusé par rapport au signal émis, grâce à une lame optique λ/4 35, à une sortie de retour de signal Sr, un signal optique de rétro-diffusion Pr. L'unité de mélange détection 12 comporte, en outre, un coupleur à maintien de polarisation (CMP) 40 recevant, à une de ses entrées Es, le signal de référence PoI en sortie de la voie de référence de l'unité laser 10 et, à une autre entrée Er, le signal rétro-diffusé Pr. Le coupleur CMP 40 effectue le mélange du signal de référence et du signal de retrodiffusion comportant éventuellement l'effet Doppler générant des interférences appliquées à un détecteur Dt 42. Un traitement de signal appliqué au détecteur Dt 42 permet alors l'extraction du décalage Doppler, la mesure de la vitesse v de déplacement. Dans d'autres structures non représentées, la détection de l'effet Doppler, peut être de type hétérodyne et, à cet effet, un décalage de la fréquence d'une des deux voies est effectuée à l'aide, par exemple, d'un modulateur acousto-optique (décalage en fréquence par le MAO) On souhaite réduire le coût de ces types de structures du fait du nombre d'éléments nécessaires à cette détection et à cet effet, l'invention propose un dispositif de mesure de décalage de fréquence par effet Doppler de type optique comportant : - une voie de signal optique fournissant à travers un coupleur à séparation de polarisation CSP , par un port S1 bidirectionnel de signal du coupleur, un faisceau lumineux de signal éclairant un milieu de référence, le coupleur recevant, par le dit port S1 bidirectionnel, un faisceau lumineux de retrodiffusion renvoyé par le milieu de référence ; - une voie de référence fournissant un faisceau lumineux de référence pour la détection du décalage de fréquence par l'effet Doppler, le décalage en fréquence étant déterminé par l'écart de fréquence entre le signal lumineux éclairant le milieu de référence et le faisceau lumineux renvoyé par le milieu de référence, caractérisé en ce que le faisceau lumineux de référence est appliqué à un port S2 de référence du coupleur à séparation de polarisation, ledit coupleur fournissant à un port E2 un signal de battement Bs entre la fréquence du faisceau lumineux de référence appliqué au port S2 et la fréquence du faisceau lumineux de retrodiffusion appliqué au port S1 comportant éventuellement le décalage Doppler. Le coupleur à séparation de polarisation CSP comporte quatre ports, optiques E1 , E2 et S1 , S2, le coupleur étant configuré de telle façon : - qu'un signal optique appliqué à son port E1 est transmis à son port S1 sans changement de polarisation ; - qu'un signal optique appliqué à son port S1 produit, à son port E2, par battement avec un signal optique de référence appliqué à son port S2 un signal de battement Bs correspondant à l'écart en fréquence entre le faisceau de référence et le faisceau de rétrodiffusion par le milieu. Un principal objectif de cette invention est la suppression du coupleur de mélange du faisceau comportant le décalage Doppler avec le faisceau de référence. Un autre objectif est la réduction du coût de fabrication du dispositif de mesure ainsi que l'augmentation de sa fiabilité par la réduction du nombre de ses sous-ensembles. L'invention sera mieux comprise par la description du dispositif de mesure du décalage Doppler, selon l'invention, en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 , déjà décrite, montre un synoptique d'un dispositif de mesure, de l'état de l'art, d'un décalage Doppler de type optique ; - la figure 2, représente une réalisation du dispositif de mesure, selon l'invention ; La figure 2, représente une réalisation du dispositif de mesure selon l'invention. Le dispositif de la figure 2 comporte essentiellement : - une source laser SL fournissant un faisceau lumineux à une entrée A d'un coupleur optique à maintien de polarisation CMP 50, le coupleur optique 50 fournissant par une sortie optique de référence Sr un faisceau lumineux de référence formant une voie de référence 58 et, par une sortie optique de signal Ss, un faisceau lumineux de signal, de même polarisation que la polarisation du faisceau de la voie de référence, formant une voie de signal 60. La polarisation de la voie de signal 60 est en suite tournée pour être perpendiculaire à celle de la voie de référence 58 ; - un coupleur à séparation de polarisation CSP 62 ayant quatre ports E1 , E2. S1. S2. Le coupleur CSP 62 reçoit par le port E1 , à travers un amplificateur optique Amp 64, le faisceau lumineux de signal en sortie Ss du coupleur à maintien de polarisation CMP de la voie de signal 60 et, par son port S2, le faisceau lumineux de référence en sortie Sr du coupleur à maintien de polarisation CMP de la voie de référence 58. Le port E2 du coupleur est connectée à une entrée Ed d'un détecteur de battement 70 fournissant un signal comportant le décalage Doppler. De façon connue, le signal optique rétrodiffusé Frd par le milieu est dirigé par la tête optique 14 vers le port S1 du coupleur avec une polarisation croisée (lame optique λ/4 35) par rapport à la polarisation du signal émis par le coupleur CSP vers la tête optique. Le signal rétro-diffusé, par mélange dans le coupleur à séparation de polarisation CSP 62 avec le signal de référence appliqué à son port S2 produit un signal de battement Bs apparaissant sur le port E2 du coupleur. Le dispositif comporte, en sortie du détecteur de battement 70, un filtre de bande 72 suivi par un convertisseur analogique-numérique CAN 74 pour l'extraction du décalage Doppler. Le signal de battement Bs comportant éventuellement l'effet Doppler est alors détecté par le détecteur 70, filtré par le filtre de bande 72 puis numérisé par le convertisseur analogique-numérique CAN 74 pour l'extraction du décalage Doppler. Dans le dispositif de détection selon l'invention, on utilise tous les ports accessibles du coupleur à séparation de polarisation CSP. On injecte directement le faisceau lumineux de référence de la voie de référence 58 au port S2 du coupleur à séparation de polarisation et on réalise le dispositif de façon à ce que les directions de polarisation du faisceau de la voie de référence appliqué au port S2 du coupleur à séparation de polarisation CSP et celle du faisceau de rétrodiffussion Frd par le milieu de référence, appliqué au port S1 dudit coupleur, soient parallèles. La figure 2 montre par les vecteurs H et V1 un exemple de directions de polarisation des faisceaux lumineux. Dans la réalisation de la figure 2 selon l'invention, à titre d'exemple, la puissance du signal optique appliquée au port E1 du coupleur à changement de polarisation est de l'ordre de 3OdBm le niveau du signal rétrodiffusé sur le port S1 est de l'ordre de -10OdBm, le signal de référence appliqué au port S2 du coupleur est de l'ordre de OdBm. Dans une variante de la réalisation de la figure 2, le dispositif comporte dans la voie de référence 58 un isolateur optique 80 améliorant l'isolement optique entre les respectifs ports Sr et S2 des deux coupleurs CMP 50 et CSP 62. L'isolateur optique 80 dans la voie de référence est représenté en traits pointillés sur la figure 2. L'invention est applicable pour tous les types de détection, par exemple pour les détections hétérodynes (décalage en fréquence des deux voies) comportant un modulateur acousto-optique dans le trajet d'une des deux voies optiques. L'invention s'applique dans le cas d'un fonctionnement continu d'émission continu du signal dans le milieu de référence ou d'une émission impulsionnelle. L'invention est aussi applicable dans des architectures utilisant une modulation de la voie de signal (Q-swich, électro-optique). L'invention comporte un intérêt économique du fait de la réduction du coût du dispositif de mesure, non seulement par la suppression du coupleur à maintien de polarisation 40 (voir figure 1) du dispositif de l'état de l'art, mais aussi, par la réduction du nombre de fibres optiques et de connecteurs optiques nécessaires. L'invention permet, en outre, une diminution des pertes de couplage assurant ainsi des meilleures performances du dispositif.