ILIADE Télémètre de haute exactitude et de haute résolution pour les distances kilométriques

1. 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

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 d’ouverture : -- projet Darwin • -- hypertélescopes • Alignement et suivi des structures de grande taille (collisionneurs de particules, …)

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

4. 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) -- une mesure d’interférence à deux modes 15mm 1.5µm 3. Mesure de phase interférométrique (modulo λopt = 1.55µm = Λ/104) qui fournit les très hautes résolutions 1nm 1.55µm

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

6. Le principe du télémètre Iliade – la procédure 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) Plan phase/amplitude Choix fréquence laser vopt , vopt+ISL/4, vopt +ISL/2,  groupe de 3 points sur un segment à l’instant t. (L – l) sans ambiguïté, haute exactitude et haute résolution Phase interférométrique 2π[ΔL/λopt] Phase synthétique 2π[ΔL/Λ] φ =2πF(L–l0)/c 0 Avec (L–l)tdv • 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.

7. II. Le montage 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

8. II. Le montage – signaux expérimentaux Plan phase/amplitude Déplacement manuel (0,0) un tour = 15mm de changement de L ~ 7.5 mm de déplacement du coin de cube 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 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 HF • ne nous gène pas: on travaille sur un temps court, procédure achevée en 27 ms •  dérives lentes éliminées

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 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 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 Scan de la fréquence vopt --- expérimental --- simulation 10-3 0,0 Zoom!!! Il faut atteindre l’ellipse mieux que 2π.10-4 10

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

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

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 ±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

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