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ILIADE Télémètre de haute exactitude

et de haute résolution pour les distances kilométriques

D. H. Phung1, C.Courde, M. Lintz1, A.Brillet1, C.Alexandre2

1ARTEMIS, Université de Nice Sophia-Antipolis, CNRS UMR 6162, Observatoire de la Côte d'Azur

2Laboratoire Signaux et Systèmes, CNAM-Paris

michel.lintz@oca.eu, phung@oca.eu

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DARWIN

Objectif

Mesure absolue de distance :

longue distance (~km) dans le vide avec une haute exactitude (<µm) et haute résolution (< nm).

Applications :

– vol en formation pour télescope à synthèse d’ouverture : -- projet Darwin

-- hypertélescopes

– Alignement et suivi des structures de grande taille (collisionneurs de particules, …)

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I. Le principe du télémètre Iliade

II. Réalisation du montage

III. Les défauts sur les signaux

IV.Les résultats

V. Conclusions et perspectives

Plan

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I. Le principe du télémètre Iliade

Nous utilisons 3 mesures de sensibilité croissante

-- une mesure d’interférence à deux modes

1. -- une mesure de temps de vol, qui apporte l'information de télémétrie absolue (Etienne Samain, GeoAzur-OCA, source d’impulsions ps :

S.Pitois, J.Fatome, C.Finot – ICB, Univ. Dijon)

0.1mm1km

2. mesure de phase de modulation une porteuse optique 20GHz (modulo Λ = c/20GHz ~ 15mm)

1.5µm15mm

3. Mesure de phase interférométrique (modulo λopt = 1.55µm = Λ/104) qui fournit les très hautes résolutions

1nm1.55µm

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I. Le principe du télémètre Iliade

φ = δ(L–l0)/c a0

a

Plan phase/amplitude

(0,0)

λ/2

PBS

BS

PhD0 PhD1

I(t)I0

L

l

21

2l0

Cible

Battement à deux modes : vopt , vopt +F

Avec F = 20GHz, Λ ~ 15mm, λopt = 1.55µm

a0 a(t)

cibleL(t)

« segment »

Scan vopt

Scan Lvopt fixe

(0,0) a0

20 dents si Λ=20λ

2

22 2

22 2

2 1 c

1

os 2

2

i F L

L li F

i Fc l

c

c

opt

F L lv e

c

eea

02 /0 0

i F l ca A e

(Λ ~ 15mm, opt=1.55µm)

En réalité104 dents!

Condition Le changement de la fréquence du laser doit être rapide. Avec un AOM, on peut contrôler rapidement la fréquence du laser.

L’exactitude de mesure de phase et de rapport d’amplitudes doit être nettement meilleure que 10-4 cycle et 10-4, respectivement. 6

I. Le principe du télémètre Iliade – la procédure

2 2 2222 22 1 cos 212

i F lL l

ii F L c cc F

opt

Fe

L lv ee

ca

Avec (L–l)tdv

Phase interférométrique 2π[ΔL/λopt]

Phase synthétique 2π[ΔL/Λ]1 2 3, ,a a a

(L – l) sans ambiguïté,

haute exactitude et haute résolution

La mesure de temps de vols (L–l)tdv

On a l’intervalle spectral libre: ISL = c/(L–l)tdv avec une erreur < 10-5 (L ~ 100m, exactitude <100µm)

1 ( )optva a

0a

φ =2πF(L–l0)/c0

Plan phase/amplitude

Choix fréquence laser vopt , vopt+ISL/4, vopt +ISL/2,

groupe de 3 points sur un segment à l’instant t.

2 ( )4opt Sa va I L

3 ( )2opt Sa va I L

(série)

Nous travaillons avec 5 points (0, -ISL/4, +ISL/4, -ISL/2, +ISL/2). Chaque groupe de 5 points prend 135µs. Le FPGA transfère les données au PC pour chaque N groupes de 5 points. Le nombre N est choisi pour atteindre une présicion statistique meilleure que 10 -4 7

II. Le montage

C.ALEXANDRE

Verrouillage en phase

II. Le montage – signaux expérimentaux

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(0,0)

Plan phase/amplitude

un tour = 15mm de changement de L~ 7.5 mm de déplacement du coin de cube

Déplacement manuel

Zone non enregistrée(transfert des donnée très lent, liaison série), maintenant, remplacer par une liaison TCP/IP

III. Les défauts sur les signaux

Interférence avec des faisceaux parasites effet: déformation du segment: ellipse au lieu d'une droite

supprimer les réflexions multiples, la diffusion sur les surfaces, à mieux que 10-8

Pollutions de la polarisation du faisceau effet: idem Nettoyer la polarisation

La saturation et le couplage amplitude-phase effet : ajouter une courbure sur le segment Caractériser et faire des corrections sur les signaux mesurés.

Le cross-talk électronique entre les deux chaînes de mesure. effet : ajouter une courbure sur le segment Le mesurer et faire une corrections sur les signaux

Dérive lente de l’amplitude et de la phase dans l’électronique HFne nous gène pas: on travaille sur un temps court, procédure achevée en 27 ms dérives lentes éliminées

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III. Les défauts sur les signaux

Interférence avec des faisceaux parasites effet: déformation du segment: ellipse au lieu une droite

supprimer les réflexions multiples, la diffusion sur les surfaces à mieux que 10-8

Pollutions de la polarisation du faisceau effet: idem Nettoyer la polarisation

La saturation et le couplage amplitude-phase effet : ajouter une courbure sur le segment Caractériser et faire des corrections sur les signaux mesurés.

Le cross-talk électronique entre les deux chaînes de mesure. effet : ajouter une courbure sur le segment Le mesurer et faire une corrections sur les signaux

Dérive lente de l’amplitude et de la phase dans l’électronique HFne nous gène pas parce qu’on travaille avec un temps court, la procédure dure 27 ms dérives lentes éliminées

Scan de la fréquence vopt

10-3

Il faut atteindre l’ellipse mieux que 2π.10-4

Zoom!!!

Signal enregistré à très fort puissance

0,0

--- expérimental--- simulation

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IV. Les résultats – 1

Stabilité des mesures de phase et des amplitudes de modulation(voie de référence est masquée: pas d'interférence)voie de mesure de 7.5m.

On réitère 200 fois, et on « moyenne » sur les 1000 points pour atteindre une précision statistique meilleure que 10-4 .

200 valeurs de la distance, en 27ms

Déviation d’Allan des amplitudes et de phase

Rapport d’amplitudePhase (en cycle)

=0.27ms =2.7ms =27ms =0.27s=27µs

FonctionnementTélémétrique

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III. Les résultats – 2

La convergence de la mesure de phase de modulation

- λopt

+ λopt

- λopt

+ λopt

85 résultats,4 sont faux de ±λopt

Résolution de la mesure interférométrique

L = 7.4927708721m

Le changement de la longueur à mesurer (en nm)

Bruit de mesure

10 n

m10

nm

Zoom x20

1nm

mesure 135µs

Avec interférence

Sans interférence

Résolution ~ 0.1nm à 135µs

Rés ~ 13pm à 27ms

27ms

déviation d’Allande bruit de mesure

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IV. Conclusions et perspectives

Conclusion : Les résultats fournissent une démonstration du principe du télémètre, résolution attendue pour la mesure ~15pm/30ms ~ 100pm/135µs

Si on élimine les indéterminations de ±λopt ,l’exactitude de mesure descend à l'échelle nm.

La poursuite des travaux:

Améliorer encore la stabilité et les défauts sur les signaux pour éliminer les erreurs ± λopt (par exemple en utilisant des optiques prismatiques).

Adjoindre le module de temps de vols (E.Samain) pour compléter la procédure du télémètre Iliade

Ajouter la partie de stabilisation de la longueur d’onde du laser maître par une cellule 13C2H2. Exactitude de la mesure de distance est déterminée par l’exactitude de la longueur d’onde : vopt = 194 369 569 385 (3) kHz

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Merci à

CNESANR – 07-BLAN-0309-01

CNRS-MRCT