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1 ILIADE Télémètre de haute exactitude et de haute résolution pour les distances kilométriques D. H. Phung 1, C.Courde, M. Lintz 1, A.Brillet 1, C.Alexandre.

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1 1 ILIADE Télémètre de haute exactitude et de haute résolution pour les distances kilométriques D. H. Phung 1, C.Courde, M. Lintz 1, A.Brillet 1, C.Alexandre 2 1 ARTEMIS, Université de Nice Sophia-Antipolis, CNRS UMR 6162, Observatoire de la Côte d'Azur 2 Laboratoire Signaux et Systèmes, CNAM-Paris

2 2 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 douverture : -- projet Darwin -- hypertélescopes – Alignement et suivi des structures de grande taille (collisionneurs de particules, …)

3 3 I.Le principe du télémètre Iliade II.Réalisation du montage III.Les défauts sur les signaux IV.Les résultats V.Conclusions et perspectives Plan

4 4 I.Le principe du télémètre Iliade Nous utilisons 3 mesures de sensibilité croissante -- une mesure dinterférence à deux modes une mesure de temps de vol, qui apporte l'information de télémétrie absolue (Etienne Samain, GeoAzur-OCA, source dimpulsions ps : S.Pitois, J.Fatome, C.Finot – ICB, Univ. Dijon) 0.1mm 1km 2. mesure de phase de modulation une porteuse optique 20GHz (modulo Λ = c/20GHz ~ 15mm) 1.5µm15mm 3. Mesure de phase interférométrique (modulo λ opt = 1.55µm = Λ/10 4 ) qui fournit les très hautes résolutions 1nm 1.55µm

5 5 I.Le principe du télémètre Iliade φ = δ(L–l 0 )/c a0a0 a Plan phase/amplitude (0,0) Battement à deux modes : v opt, v opt +F Avec F = 20GHz, Λ ~ 15mm, λ opt = 1.55µm a 0 a(t) cible L(t) « segment » Scan v opt Scan L v opt fixe (0,0) a0a0 20 dents si Λ=20λ (Λ ~ 15mm, opt =1.55µm) En réalité 10 4 dents!

6 Condition Le changement de la fréquence du laser doit être rapide. Avec un AOM, on peut contrôler rapidement la fréquence du laser. Lexactitude de mesure de phase et de rapport damplitudes doit être nettement meilleure que cycle et 10 -4, respectivement. 6 I.Le principe du télémètre Iliade – la procédure Avec (L–l) tdv Phase interférométrique 2π[ΔL/λ opt ] Phase synthétique 2π[ΔL/Λ] (L – l) sans ambiguïté, haute exactitude et haute résolution La mesure de temps de vols (L–l) tdv On a lintervalle spectral libre: ISL = c/(L–l) tdv avec une erreur < (L ~ 100m, exactitude <100µm) φ =2πF(L–l 0 )/c 0 Plan phase/amplitude Choix fréquence laser v opt, v opt +ISL/4, v opt +ISL/2, groupe de 3 points sur un segment à linstant t.

7 (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 II. Le montage C.ALEXANDRE Verrouillage en phase

8 II. Le montage – signaux expérimentaux 8 (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

9 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 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 lamplitude et de la phase dans lélectronique HF ne nous gène pas: on travaille sur un temps court, procédure achevée en 27 ms dérives lentes éliminées

10 10 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 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 lamplitude et de la phase dans lélectronique HF ne nous gène pas parce quon travaille avec un temps court, la procédure dure 27 ms dérives lentes éliminées Scan de la fréquence v opt Il faut atteindre lellipse mieux que 2π Zoom!!! Signal enregistré à très fort puissance 0,0 --- expérimental --- simulation

11 11 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 valeurs de la distance, en 27ms Déviation dAllan des amplitudes et de phase Rapport damplitude Phase (en cycle) =0.27ms=2.7ms=27ms=0.27s=27µs Fonctionnement Télémétrique

12 12 III. Les résultats – 2 La convergence de la mesure de phase de modulation - λ opt + λ opt - λ opt + λ opt 85 résultats, 4 sont faux de ±λ opt Résolution de la mesure interférométrique L = m Le changement de la longueur à mesurer (en nm) Bruit de mesure 10 nm Zoom x20 1nm mesure 135µs Avec interférence Sans interférence Résolution ~ 0.1nm à 135µs Rés ~ 13pm à 27ms 27ms déviation dAllan de bruit de mesure

13 13 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 ±λ opt, lexactitude 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 ± λ opt ( 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 donde du laser maître par une cellule 13 C 2 H 2. Exactitude de la mesure de distance est déterminée par lexactitude de la longueur donde : v opt = (3) kHz

14 14 Merci à CNES ANR – 07-BLAN CNRS-MRCT


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