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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
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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
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