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

Objectif Mesure absolue de distance : longue distance (~km) DARWIN 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, …)

Plan Le principe du télémètre Iliade Réalisation du montage Les défauts sur les signaux Les résultats Conclusions et perspectives

Le principe du télémètre Iliade Nous utilisons 3 mesures de sensibilité croissante 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) 0.1mm 1km 2. mesure de phase de modulation une porteuse optique 20GHz (modulo Λ = c/20GHz ~ 15mm) 1.5µm 15mm -- une mesure d’interférence à deux modes 3. Mesure de phase interférométrique (modulo λopt = 1.55µm = Λ/104) qui fournit les très hautes résolutions 1nm 1.55µm

Le principe du télémètre Iliade Battement à deux modes : vopt , vopt +F Avec F = 20GHz, Λ ~ 15mm, λopt = 1.55µm a0 a(t) cible L(t) (Λ ~ 15mm, opt=1.55µm) En réalité 104 dents! Scan L vopt fixe (0,0) a0 20 dents si Λ=20λ φ = δ(L–l0)/c a0 a Plan phase/amplitude (0,0) « segment » Scan vopt

Le principe du télémètre Iliade – la procédure φ =2πF(L–l0)/c Plan phase/amplitude 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) Choix fréquence laser vopt , vopt+ISL/4, vopt +ISL/2,  groupe de 3 points sur un segment à l’instant t. Avec (L–l)tdv Phase interférométrique 2π[ΔL/λopt] Phase synthétique 2π[ΔL/Λ] (L – l) sans ambiguïté, haute exactitude et haute résolution 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.

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

II. Le montage – signaux expérimentaux Plan phase/amplitude Déplacement manuel (0,0) Zone non enregistrée (transfert des donnée très lent, liaison série), maintenant, remplacer par une liaison TCP/IP un tour = 15mm de changement de L ~ 7.5 mm de déplacement du coin de cube

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.  Le mesurer et faire une corrections sur les signaux Dérive lente de l’amplitude et de la phase dans l’électronique HF ne nous gène pas: on travaille sur un temps court, procédure achevée en 27 ms  dérives lentes éliminées 9

10-3 III. Les défauts sur les signaux Zoom!!! 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.  Le mesurer et faire une corrections sur les signaux Dérive lente de l’amplitude et de la phase dans l’électronique HF ne nous gène pas parce qu’on travaille avec un temps court, la procédure dure 27 ms  dérives lentes éliminées Signal enregistré à très fort puissance 0,0 --- expérimental --- simulation Scan de la fréquence vopt 10-3 Il faut atteindre l’ellipse mieux que 2π.10-4 Zoom!!! 10 10

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. Déviation d’Allan des amplitudes et de phase Rapport d’amplitude Phase (en cycle) =0.27ms =2.7ms =27ms =0.27s =27µs Fonctionnement Télémétrique 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

III. Les résultats – 2 La convergence Résolution de la mesure interférométrique L = 7.4927708721m Le changement de la longueur à mesurer (en nm) Bruit de mesure 10 nm Zoom x20 1nm mesure 135µs Avec interférence Sans interférence La convergence de la mesure de phase de modulation - λopt + λopt 85 résultats, 4 sont faux de ±λopt Résolution ~ 0.1nm à 135µs Rés ~ 13pm à 27ms 27ms déviation d’Allan de bruit de mesure

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

Merci à CNES ANR – 07-BLAN-0309-01 CNRS-MRCT 14