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Laser stabilisé et mesure de déplacement. Applications spatiales D

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1 Laser stabilisé et mesure de déplacement. Applications spatiales D
Laser stabilisé et mesure de déplacement. Applications spatiales D. Scheidel Thales Alenia Space – Cannes 1 2/20/2009, Thales Alenia Space All rights reserved,

2 Sommaire Historique source laser stabilisée
L’utilisation d’un laser stabilisé s’avère indispensable pour la mesure de distance ou de déplacement à haute résolution. L’exposé aborde la problématique du laser dans le contexte des applications spatiales que ce soit pour des mesures intra-satellite ou inter-satellites. Deux applications de métrologie de déplacement sont présentées en fin d’exposé, elles nécessitent toutes deux une stabilité relative de la source entre et 10-8… Historique source laser stabilisée Présentation générale du laser Principe et mise en œuvre Composition Performances Applications spatiales

3 Historique IASI Besoin d’un laser stabilisé pour la synchronisation de l’interféromètre IASI*: Echantillonnage à OPD (Optical Path Difference) constant, c’est donc une métrologie de déplacement sur une courte plage (4 Cm). En phase A de l’instrument, premières études CNES d’un laser stabilisé de qq mW à 1,55µm. Le principe retenu consiste à asservir une diode laser DFB sur une raie d’un gaz de référence. Mise en place du principe de la stabilisation, recherche de composants, évaluation de tenue aux environnements spatiaux. Réalisation d’une première maquette sol contrôlée par CPU. En phase B de IASI, reprise de design par l’industrie avec prise en compte des contraintes de l’instrument: Spatialisation, Suppression de logiciel embarqué (contrainte d’observabilité, de modification en vol, etc.) Réalisation d’une nouvelle maquette qui sera utilisée sur le prototype de l’interféromètre IASI à Cannes. En phase CD, réalisation d’un modèle de qualification et de 6 FM’s (2 par FM IASI). En vol depuis plus près de 5 ans sur METOP-A, prochain tir avec METOP-B en Avril 2012. * Infrared Atmospheric Sounding Interferometer monté sur METOP

4 Principe de la source stabilisée
Choix de la diode laser DFB (Distributed Feedback single mode laser) Besoin d’une source de quelques mW pour une émission permanente, Durée de vie compatible de missions longues (> 5ans), Technologie robuste, compatible des environnements spatiaux. Pas de diode qualifiée… mise en place d’un programme d’évaluation spécifique. Choix d’une diode laser DBF d’origine télécommunication Production relativement importante, faible dispersion entre composants. Norme Telcordia (ou Bellcore) garantie un minimum de tenue aux environnements. Modules intégrant la diode, le module TEC, le couplage fibre, une photodiode. Facile à moduler. Principe de la source stabilisée: Double asservissement de la diode laser DBF En température pour la régulation grossière: Régulation de la température diode DFB à quelques mK grâce au module TEC et à la sonde de température du module; sensibilité ~100pm/°C ou 6, /°C à 1,55µm. En courant pour la régulation fine et le verrouillage sur une raie du gaz de référence: Sensibilité ~5pm/mA ou 3, /mA à 1,55µm. Boucles indépendantes.

5 Principe de la source stabilisée
La référence Le référence de longueur d’onde est fournie par une cellule à gaz rempli d’acétylène 13C2H2. Ce gaz, à faible pressions, présente de nombreuses raie d’absorption dans la bande 1,55µm. Largeur typique à ½ hauteur est de 600MHz. Le contrôle actif de la source exploite l’écart entre l’émission de la diode laser et la raie Doppler visée: C’est le signal d’erreur. Raies principales entre 1,526 et 1,548µm. Les raies les plus intéressantes sont : Les plus fines, Celles présentant une forte absorption (>50%)…

6 Signal d’erreur Le signal d’erreur est utilisé pour
La phase d’initialisation de la source qui consiste à fixer « approximativement » la température de travail de la diode (± 10mK), L’asservissement fin en mode synchronisé. Elaboration du signal d’erreur La diode laser est alimentée à courant constant plus une faible modulation RF; Cette modulation de courant à la fréquence f crée des bandes latérales dans le spectre d’émission F0 ± f Les bandes latérales sont en opposition de phase m est le taux de modulation, p est la pulsation porteuse, m est la pulsation du signal modulant, Ap est l’amplitude de la porteuse.

7 Signal d’erreur Une petite partie du signal laser traverse la cellule à gaz, Les composantes du spectre sont affectées différemment par ce filtre, Le signal derrière la cellule à gaz est détecté par un photorécepteur rapide (fréquence de modulation), Le signal est ensuite mixé avec le signal RF modulant (f) la diode laser, Il en résulte une composante continue dont l’amplitude est proportionnelle à la différence des bandes latérales détectées. Nota: si f 0 alors le signal d’erreur est la dérivée de la raie.

8 Signal d’erreur En pratique la fréquence de modulation f est un compromis entre amplitude du signal d’erreur (bruit sur signal d’erreur) et la pente autour de 0 (gain de la correction). Nota: il n’y a pas de signal d’erreur loin de la raie… Important de maximiser la pente plutôt que l’amplitude… L’optimum pente/amplitude se situe à environ largeur de raie/2 (raie Gaussienne), soit environ 350±30MHz pour les raies de l’acétylène. Nota: La stabilité fréquentielle de la source RF n’est pas très critique.

9 Mise en œuvre de la source
La phase d’initialisation Consiste à rechercher la température de travail de la diode laser, c’est-à-dire dans la plage de « capture » par la boucle de courant I0 ± i. La consigne de régulation est incrémentée lentement à partir de la température de départ, compatible de la raie recherchée, tout en surveillant le signal d’erreur. Nota: Le nombre de raies dans la plage atteignable est limité. Dans l’exemple réel ci-contre, la température de début de recherche peut être entre 14 et 19°C. La raie est détectée grâce à deux seuils positionnés sur le signal d’erreur.

10 Source laser Détail de la séquence de recherche
Ouverture de la boucle de régulation en courant la diode est alimentée à courant fixe + modulation RF Programmation température = T0 Attente stabilisation Programmation rampe de température (~10mK/s) Détection des températures T1, T2, T3 par seuillage du signal d’erreur. Echec si aucune transition détectée à T4. Asservissement à T=(T2+T3)/2 Fermeture de la boucle de régulation en courant, L’asservissement est maintenant verrouillé. Processus géré par le calculateur externe.

11 Laser stabilisé Le laser stabilisé

12 Synoptique source laser

13 Source laser Le laser est réalisé en deux parties
Une carte électronique comportant toutes les fonctions. Alimentations et tensions de références Source de courant et deux boucles PI analogiques (température et courant) L’oscillateur RF, les amplificateurs et le mélangeur de démodulation. Les interfaces de commande / contrôle Une partie optique logée au fond de la source. Fibres Isolateur optique Coupleur (permet de prélever une partie de la puissance optique pour la régulation). La cellule à gaz Connecteurs Elle est principalement réalisée en optique fibrée à l’aide de composants issus des télécommunications.

14 Source laser Aspect technologique
Electronique relativement classique (choix limité pour une utilisation spatiale), les deux boucles de régulation sont analogiques et indépendantes. La partie RF s’avère assez délicate, elle est composée de: Un oscillateur type Colpitts Pour le modulation de la diode laser, Pour le démodulation du signal détecté en sortie de cellule. D’un amplificateur RF en sortie de photorécepteur, Du mélangeur RF de démodulation. D’une ligne à retard ajustable permettant de maximiser le signal d’erreur par une mise en phase correcte des signaux au niveau du démodulateur (retard entre modulation diode et détection RF) La qualité de réalisation de la section RF est importante pour l’obtention du signal d’erreur propre et sans offset (source de dérives potentielles).

15 Performances Performance du laser senseur longitudinal
Bruit source de courant non mesurable Sortie fibre à maintien de polarisation Pilotage par liaison série (source autonome dès que synchronisée) Compatible vide, durée de vie (vol) > 8ans Température non opérationnel -30 à +60°C Température interface pleine performance 14 à 26°C Puissance optique sortie laser 41mW Volume x 222 x 50 mm3 Consommation 7,5W Masse 2Kg Longueur d’onde théorique 1542,42nm Stabilité de fréquence relative sur 1000s Largeur de raie < 450kHz Caractérisation de la source au LNE (SYRTE)

16 Applications spatiales
Synchronisation (exemple interféromètre IASI) Injection du laser dans l’interféromètre Détection des franges Déclenchement des acquisitions sur les franges ou multiples / sous-multiples Ne nécessite pas de laser à maintien de polarisation  Acquisition à OPD constant

17 Applications spatiales - Senseur longitudinal
Action R&T CNES 2010 Capteur de déplacement permettant de verrouiller une distance inter-vaisseaux selon l’axe longitudinal en utilisant un système interférométrique. Développement d’un télémètre laser spatialisable, capable de mesurer le déplacement (relatif) avec une résolution de 25 nm et une portée variant de 25 à 250 m. soit 50nm d’OPD pour un trajet optique total de 500m Connaissance et stabilité laser à mieux que 10-10 Besoin de puissance de l’ordre de 45mW Maintien de polarisation imposé par la nécessité de connaître le signe du déplacement. Capot retiré pour la photo

18 Applications spatiales - Senseur longitudinal
Tête optique (invar/zerodur) compatible cryogénie (montage potentiel sur instrument IR entre 120K à 200K) Stabilité thermique tête optique ±1K Utilisation d’un interféromètre homodyne Le bras de référence est interne à l’interféromètre Le bras de mesure est la distance entre la tête optique et le réflecteur situé sur le second satellite. Détermination du sens de déplacement Les polarisations S et T du faisceau de référence sont déphasées de π/2. La polarisation émergente du prisme déphaseur est circulaire, Le faisceau de référence, de polarisation circulaire, interfère avec le faisceau de mesure de polarisation linéaire, Séparation des polarisation S et T puis détection.

19 Applications spatiales - Senseur longitudinal
Traitement des signaux Comptage / décomptage des franges à 750nm, Mesure de phase limitée par SNR. La calibration, consiste à mesurer périodiquement: L’amplitude des signaux (franges), Les offsets (ligne de base et offsets électroniques) , L’erreur de quadrature entre A et B. De façon à corriger les signaux avant extraction de la phase.

20 Applications spatiales - Senseur longitudinal
Principe calibration Acquisition de N couples A, B dispersés sur au moins 3π/2. Ajustement d’une ellipse dans le nuage de point (moindres carrés des distances entre points et ellipse). … les paramètres de l’ellipse donnent gains, offsets et erreur de quadrature, ce qui permet de corriger les signaux. Acquisition des points de calibration La distance de la cible étant quasi statique, le balayage de phase est crée en déverrouillant un bref instant le laser; il devient donc « instable ». Des points sont acquis aléatoirement. Puis le laser est à nouveau verrouillé. Résolution démontrée ~ 250m Distance simulée, car infaisable en conditions sol…

21 Applications spatiales – Mesure 3D
Corner Cubes SP & CP plates Folding mirror Back Telescope oputput Front Interféromètre MTG* Acquisition des interferogrammes (matrice 160x160) à DT constant. L’écart en OPD n’est pas constant du fait: Des variations de vitesse du mécanisme, Des imperfections de guidage du mécanisme (latéral shift, alignement, etc.), Des micro-vibrations, Le jitter OPD tolérable est < à 1nm rms au total… en tous point du champ. * Meteosat Third Generation

22 Applications spatiales – Mesure 3D
Principe Mesure de l’OPD lors de l’acquisition de chaque échantillon de l’interférogramme. Re-échantillonnage des données sur une grille régulière (delta OPD constant). Nota: La mesure de déplacement est recalée au sol sur la frange centrale de l’interférogramme, elle devient donc absolue. Ne fonctionne qu’en un point du champ, là ou la mesure d’OPD est faite… Pour chaque échantillon de l’interférogramme Acquisition simultanée de trois mesures OPD dans le champ Extrapolation à tous les points du champ (calcul) Re-échantillonnage de tous les points du champ indépendamment. 30Gbits de données brutes / 10s. Traitement à bord.

23 Applications spatiales – Mesure 3D
En pratique Laser à maintient de polarisation (1.55 ou 1.064µm) Puissance de qq mW Injection de trois faisceaux dans l’interféromètre Stabilité angulaire inter-faisceaux ~ 5µrad Stabilité de l’ensemble des trois faisceaux ~ 20µrad Polarisation circulaire à l’injection Lame ¼ d’onde dans un des bras de l’instrument Pour chaque faisceau en sortie de l’instrument Séparation des polarisations Détection et amplification Acquisition synchrone avec les données science (vidéo) Traitement à bord en continu… durant 8,5ans

24 Merci pour votre attention…


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