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Template reference : 100181658G-EN JOURNEES DE TELEMETRIE LASER OCA – 20&21/10/2011 Laser stabilisé et mesure de déplacement. Applications spatiales D.

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1 Template reference : G-EN JOURNEES DE TELEMETRIE LASER OCA – 20&21/10/2011 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 2/20/2009, Thales Alenia Space Page 2 All rights reserved, JOURNEES DE TELEMETRIE LASER OCA – 20&21/10/2011 Lutilisation dun laser stabilisé savère indispensable pour la mesure de distance ou de déplacement à haute résolution. Lexposé 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 dexposé, elles nécessitent toutes deux une stabilité relative de la source entre et … Sommaire Historique source laser stabiliséeHistorique source laser stabilisée Présentation générale du laserPrésentation générale du laser Principe et mise en œuvrePrincipe et mise en œuvre CompositionComposition PerformancesPerformances Applications spatialesApplications spatiales

3 2/20/2009, Thales Alenia Space Page 3 All rights reserved, JOURNEES DE TELEMETRIE LASER OCA – 20&21/10/2011 HistoriqueIASI Besoin dun laser stabilisé pour la synchronisation de linterféromètre IASI*: Echantillonnage à OPD (Optical Path Difference) constant, cest donc une métrologie de déplacement sur une courte plage (4 Cm). En phase A de linstrument, premières études CNES dun laser stabilisé de qq mW à 1,55µm. Le principe retenu consiste à asservir une diode laser DFB sur une raie dun gaz de référence. Mise en place du principe de la stabilisation, recherche de composants, évaluation de tenue aux environnements spatiaux. Réalisation dune première maquette sol contrôlée par CPU. En phase B de IASI, reprise de design par lindustrie avec prise en compte des contraintes de linstrument: Spatialisation, Suppression de logiciel embarqué (contrainte dobservabilité, de modification en vol, etc.) Réalisation dune nouvelle maquette qui sera utilisée sur le prototype de linterféromètre IASI à Cannes. En phase CD, réalisation dun modèle de qualification et de 6 FMs (2 par FM IASI). En vol depuis plus près de 5 ans sur METOP-A, prochain tir avec METOP-B en Avril * Infrared Atmospheric Sounding Interferometer monté sur METOP

4 2/20/2009, Thales Alenia Space Page 4 All rights reserved, JOURNEES DE TELEMETRIE LASER OCA – 20&21/10/2011 Principe de la source stabilisée Choix de la diode laser DFB (Distributed Feedback single mode laser) Besoin dune 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 dun programme dévaluation spécifique. Choix dune diode laser DBF dorigine 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 1.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. 2.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 2/20/2009, Thales Alenia Space Page 5 All rights reserved, JOURNEES DE TELEMETRIE LASER OCA – 20&21/10/2011 Principe de la source stabilisée La référence Le référence de longueur donde est fournie par une cellule à gaz rempli dacétylène 13 C 2 H 2. Ce gaz, à faible pressions, présente de nombreuses raie dabsorption dans la bande 1,55µm. Largeur typique à ½ hauteur est de 600MHz. Le contrôle actif de la source exploite lécart entre lémission de la diode laser et la raie Doppler visée: Cest le signal derreur. Raies principales entre 1,526 et 1,548µm. Les raies les plus intéressantes sont : Les plus fines, Celles présentant une forte absorption (>50%)…

6 2/20/2009, Thales Alenia Space Page 6 All rights reserved, JOURNEES DE TELEMETRIE LASER OCA – 20&21/10/2011 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, A p est lamplitude de la porteuse. Signal derreur Le signal derreur est utilisé pour La phase dinitialisation de la source qui consiste à fixer « approximativement » la température de travail de la diode (± 10mK), Lasservissement fin en mode synchronisé. Elaboration du signal derreur 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 démission F 0 ± f

7 2/20/2009, Thales Alenia Space Page 7 All rights reserved, JOURNEES DE TELEMETRIE LASER OCA – 20&21/10/2011 Signal derreur 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 lamplitude est proportionnelle à la différence des bandes latérales détectées. Nota: si f 0 alors le signal derreur est la dérivée de la raie.

8 2/20/2009, Thales Alenia Space Page 8 All rights reserved, JOURNEES DE TELEMETRIE LASER OCA – 20&21/10/2011 Signal derreur En pratique la fréquence de modulation f est un compromis entre amplitude du signal derreur (bruit sur signal derreur) et la pente autour de 0 (gain de la correction). Nota: il ny a pas de signal derreur loin de la raie… Important de maximiser la pente plutôt que lamplitude… Loptimum pente/amplitude se situe à environ largeur de raie/2 (raie Gaussienne), soit environ 350±30MHz pour les raies de lacétylène. Nota: La stabilité fréquentielle de la source RF nest pas très critique.

9 2/20/2009, Thales Alenia Space Page 9 All rights reserved, JOURNEES DE TELEMETRIE LASER OCA – 20&21/10/2011 Mise en œuvre de la source La phase dinitialisation Consiste à rechercher la température de travail de la diode laser, cest-à-dire dans la plage de « capture » par la boucle de courant I 0 ± 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 derreur. Nota: Le nombre de raies dans la plage atteignable est limité. Dans lexemple 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 derreur.

10 2/20/2009, Thales Alenia Space Page 10 All rights reserved, JOURNEES DE TELEMETRIE LASER OCA – 20&21/10/2011 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 derreur. Echec si aucune transition détectée à T4. Asservissement à T=(T2+T3)/2 Attente stabilisation Fermeture de la boucle de régulation en courant, Lasservissement est maintenant verrouillé. Processus géré par le calculateur externe.

11 2/20/2009, Thales Alenia Space Page 11 All rights reserved, JOURNEES DE TELEMETRIE LASER OCA – 20&21/10/2011 Laser stabilisé Le laser stabilisé

12 2/20/2009, Thales Alenia Space Page 12 All rights reserved, JOURNEES DE TELEMETRIE LASER OCA – 20&21/10/2011 Synoptique source laser

13 2/20/2009, Thales Alenia Space Page 13 All rights reserved, JOURNEES DE TELEMETRIE LASER OCA – 20&21/10/2011 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) Loscillateur 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 laide de composants issus des télécommunications.

14 2/20/2009, Thales Alenia Space Page 14 All rights reserved, JOURNEES DE TELEMETRIE LASER OCA – 20&21/10/2011 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 savère 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. Dun amplificateur RF en sortie de photorécepteur, Du mélangeur RF de démodulation. Dune ligne à retard ajustable permettant de maximiser le signal derreur 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 lobtention du signal derreur propre et sans offset (source de dérives potentielles).

15 2/20/2009, Thales Alenia Space Page 15 All rights reserved, JOURNEES DE TELEMETRIE LASER OCA – 20&21/10/2011 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 performance14 à 26°C Puissance optique sortie laser 41mW Volume 242 x 222 x 50 mm 3 Consommation 7,5W Masse 2Kg Longueur donde théorique1542,42nm Stabilité de fréquence relative sur 1000s Largeur de raie< 450kHz Caractérisation de la source au LNE (SYRTE)

16 2/20/2009, Thales Alenia Space Page 16 All rights reserved, JOURNEES DE TELEMETRIE LASER OCA – 20&21/10/2011 Applications spatiales Synchronisation (exemple interféromètre IASI) Injection du laser dans linterféromètre 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 2/20/2009, Thales Alenia Space Page 17 All rights reserved, JOURNEES DE TELEMETRIE LASER OCA – 20&21/10/2011 Senseur longitudinal Action R&T CNES 2010 Capteur de déplacement permettant de verrouiller une distance inter-vaisseaux selon laxe longitudinal en utilisant un système interférométrique. Développement dun 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 dOPD pour un trajet optique total de 500m Connaissance et stabilité laser à mieux que Besoin de puissance de lordre de 45mW Maintien de polarisation imposé par la nécessité de connaître le signe du déplacement. Applications spatiales - Senseur longitudinal Capot retiré pour la photo

18 2/20/2009, Thales Alenia Space Page 18 All rights reserved, JOURNEES DE TELEMETRIE LASER OCA – 20&21/10/2011 Senseur longitudinal Tête optique (invar/zerodur) compatible cryogénie (montage potentiel sur instrument IR entre 120K à 200K) Stabilité thermique tête optique ±1K Utilisation dun interféromètre homodyne Le bras de référence est interne à linterféromètre 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. Applications spatiales - Senseur longitudinal

19 2/20/2009, Thales Alenia Space Page 19 All rights reserved, JOURNEES DE TELEMETRIE LASER OCA – 20&21/10/2011 Traitement des signaux Comptage / décomptage des franges à 750nm, Mesure de phase limitée par SNR. La calibration, consiste à mesurer périodiquement: Lamplitude des signaux (franges), Les offsets (ligne de base et offsets électroniques), Lerreur de quadrature entre A et B. De façon à corriger les signaux avant extraction de la phase. Applications spatiales - Senseur longitudinal

20 2/20/2009, Thales Alenia Space Page 20 All rights reserved, JOURNEES DE TELEMETRIE LASER OCA – 20&21/10/2011 Principe calibration Acquisition de N couples A, B dispersés sur au moins 3π/2. Ajustement dune ellipse dans le nuage de point (moindres carrés des distances entre points et ellipse). … les paramètres de lellipse 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. Applications spatiales - Senseur longitudinal Résolution démontrée ~ 250m Distance simulée, car infaisable en conditions sol…

21 2/20/2009, Thales Alenia Space Page 21 All rights reserved, JOURNEES DE TELEMETRIE LASER OCA – 20&21/10/2011 Applications spatiales – Mesure 3D Interféromètre MTG* Acquisition des interferogrammes (matrice 160x160) à T constant. Lécart en OPD nest 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 Corner Cubes SP & CP plates Folding mirror BackTelescope oputput Front Telescope oputput Corner Cubes SP & CP plates Folding mirror

22 2/20/2009, Thales Alenia Space Page 22 All rights reserved, JOURNEES DE TELEMETRIE LASER OCA – 20&21/10/2011 Applications spatiales – Mesure 3DPrincipe Mesure de lOPD lors de lacquisition de chaque échantillon de linterférogramme. 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 linterférogramme, elle devient donc absolue. Ne fonctionne quen un point du champ, là ou la mesure dOPD est faite… Pour chaque échantillon de linterférogramme 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 2/20/2009, Thales Alenia Space Page 23 All rights reserved, JOURNEES DE TELEMETRIE LASER OCA – 20&21/10/2011 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 linterféromètre Stabilité angulaire inter-faisceaux ~ 5µrad Stabilité de lensemble des trois faisceaux ~ 20µrad Polarisation circulaire à linjection Lame ¼ donde dans un des bras de linstrument Pour chaque faisceau en sortie de linstrument Séparation des polarisations Détection et amplification Acquisition synchrone avec les données science (vidéo) Traitement à bord en continu… durant 8,5ans

24 2/20/2009, Thales Alenia Space Page 24 All rights reserved, JOURNEES DE TELEMETRIE LASER OCA – 20&21/10/2011 Merci pour votre attention…


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