FR2572806A1 - METHOD FOR DETERMINING THE SIGN AND VALUE OF A FREQUENCY OFFSET - Google Patents
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Abstract
DANS UN PROCEDE DE DETERMINATION DU SIGNE ET DE LA VALEUR D'UN DECALAGE DE FREQUENCE, UN OBJET EN MOUVEMENT EST BALAYE PAR DEUX ONDES LUMINEUSES DE FREQUENCES DIFFERENTES. LES ONDES LUMINEUSES DONT LA FREQUENCE EST DECALEE PAR EFFET DOPPLER SONT COMBINEES A UNE PARTIE DE L'UNE DES DEUX ONDES LUMINEUSES. LES DEUX ONDES LUMINEUSES DE FREQUENCES DIFFERENTES SONT ENGENDREES DANS UN SEUL ET UNIQUE RESONATEUR, EN CONTRAIGNANT DEUX OSCILLATIONS PROPRES DU RESONATEUR.IN A PROCESS FOR DETERMINING THE SIGN AND THE VALUE OF A FREQUENCY OFFSET, A MOVING OBJECT IS SCAN BY TWO LIGHT WAVES OF DIFFERENT FREQUENCIES. THE LIGHT WAVES THE FREQUENCY OF WHICH IS SHIFTED BY THE DOPPLER EFFECT ARE COMBINED WITH PART OF ONE OF THE TWO LIGHT WAVES. THE TWO LIGHT WAVES OF DIFFERENT FREQUENCIES ARE GENERATED IN A SINGLE AND SINGLE RESONATOR, BY FORCING TWO OSCILLATIONS OWN OF THE RESONATOR.
Description
Procédé pour déterminer le signe et la valeur d'unMethod for determining the sign and value of a
décalage de fréquence.frequency offset.
La présente invention se rapporte à un procédé pour déterminer le signe et la valeur d'un décalage de fréquence au moyen d'un récepteur hétérodyne. A l'aide d'une réception optique superhétérodyne, c'est-à- dire en mélangeant une onde de signal à une onde de fréquence porteuse (désignée ci-après par "onde d'oscillateur local"), il est possible, en mélangeant deux ondes lumineuses The present invention relates to a method for determining the sign and the value of a frequency offset by means of a heterodyne receiver. Using superheterodyne optical reception, that is to say by mixing a signal wave with a carrier frequency wave (hereinafter referred to as "local oscillator wave"), it is possible, by mixing two light waves
de haute fréquence, de mettre en évidence la fréquence diffé- high frequency, to highlight the different frequency
rentielle et de la traiter électroniquement; une fréquence sommatrice se produisant alors également ne peut pas être and process it electronically; a summing frequency occurring then also cannot be
enregistrée, étant donné que sa valeur est toujours considé- recorded, since its value is always considered
rablement plus grande que la largeur de bande du détecteur. significantly larger than the detector bandwidth.
La fréquence différentielle mesurée est toujours positive, c'est-à-dire qu'il n'est pas possible de distinguer The measured differential frequency is always positive, i.e. it is not possible to distinguish
si la fréquence de l'onde de signal est supérieure ou infé- if the frequency of the signal wave is higher or lower
rieure à la fréquence de l'onde d'oscillateur local. lower than the frequency of the local oscillator wave.
On qualifie ce procédé de "procédé homodyne". This process is called "homodyne process".
Pour obtenir une information relative au signe de la fréquence différentielle, le spectre de fréquence doit être décalé intégralement en direction de l'axe positif, ce qui est qualifié de "procédé hétérodyne". La fréquence intermédiaire apparaissant lors d'un tel décalage sera désignée ci-après par "fréquence décalée" fOF' La réception superhétérodyne optique est, par exemple, utilisée au cours de la mesure de vitesses en tirant parti de l'effet Doppler et en employant seulement un laser, c'est-à-dire lors de ce qu'on appelle une mesure de vitesses "laser-Doppler". Dans ce cas, une fréquence laser fo discrète et suffisamment stable est décalée par suite de l'effet Doppler sur un objet mobile (par exemple une particule), c'est-à-dire que l'objet déplacé provoque un décalage Doppler de cette fréquence laser f o. Ce décalage de fréquence A fD' qui est directement proportionnel à la vitesse v d'une particule, obéit à l'équation (1): AfD = (2fo/c).v (1), To obtain information relating to the sign of the differential frequency, the frequency spectrum must be shifted entirely in the direction of the positive axis, which is termed "heterodyne process". The intermediate frequency appearing during such an offset will be designated hereinafter by "offset frequency" fOF 'The optical superheterodyne reception is, for example, used during the measurement of speeds by taking advantage of the Doppler effect and by using only a laser, that is to say during what is called a speed measurement "laser-Doppler". In this case, a discrete and sufficiently stable laser frequency fo is offset as a result of the Doppler effect on a moving object (for example a particle), that is to say that the displaced object causes a Doppler shift of this laser frequency f o. This frequency offset A fD 'which is directly proportional to the speed v of a particle, obeys equation (1): AfD = (2fo / c) .v (1),
dans laquelle c désigne la vitesse de la lumière. in which c denotes the speed of light.
Lorsque la fréquence (fo + a fD) à décalage Doppler de l'onde de signal ainsi engendrée est mélangée à la fréquence fLO = f de l'oscillateur local, le spectre obéit, comme illustré schématiquement sur la figure 1, aux équations (2) suivantes: (fo+tAfD) + fL0 = 2fo+ fD (fo+ fD) - fL0 = fD = fhom (2) o fhom désigne la fréquence résultant de la réception homodyne. Certes, la fréquence 2fo + A fD pourrait permettre d'obtenir un renseignement univoque concernant le signe de la vitesse; néanmoins, cela ne peut pas être démontré à cause de la grandeur de la fréquence, c'est-àdire à cause de sa hauteur. Par conséquent, la fréquence fhom ne donne When the frequency (fo + a fD) with Doppler shift of the signal wave thus generated is mixed with the frequency fLO = f of the local oscillator, the spectrum obeys, as illustrated diagrammatically in FIG. 1, the equations (2 ) following: (fo + tAfD) + fL0 = 2fo + fD (fo + fD) - fL0 = fD = fhom (2) where fhom designates the frequency resulting from homodyne reception. Admittedly, the frequency 2fo + A fD could make it possible to obtain unequivocal information concerning the sign of the speed; however, this cannot be demonstrated because of the magnitude of the frequency, i.e. because of its height. Consequently, the frequency fhom does not give
aucune indication concernant la direction de la vitesse. no indication of speed direction.
Lorsque, en revanche, la fréquence (fo+ t fD) à décalage Doppler de l'onde de signal est mélangée à la fréquence (fLO+fOF) d'un oscillateur local à fréquence décalée, le spectre ainsi obtenu peut, comme représenté schématiquement sur la figure 2, être exprimé par les équations (3) suivantes: (fo+ - fD) fL0= fD= fhom (fLo+fOF) - fL0o fOF (3) (fo+ fD) fLO+fOF) = fOF + fD' ou bien,respectivement, la fréquence (f0F +AfD) renferme une information quant à la valeur de la vitesse du mouvement When, on the other hand, the frequency (fo + t fD) with Doppler shift of the signal wave is mixed with the frequency (fLO + fOF) of a local oscillator with offset frequency, the spectrum thus obtained can, as shown diagrammatically on Figure 2, be expressed by the following equations (3): (fo + - fD) fL0 = fD = fhom (fLo + fOF) - fL0o fOF (3) (fo + fD) fLO + fOF) = fOF + fD 'or , respectively, the frequency (f0F + AfD) contains information as to the value of the speed of movement
et quant à sa direction.and as for its direction.
Dans le cas d'une superposition insuffisante, par exemple par suite d'un ajustement défectueux, l'on obtient en plus le spectre suivant: (fo0 fD fOF) - fLO- fOF fD0 (4)' (f0 fD+fOF) - (fLO+fOF) = fD' Dans ce cas, à cause de la fréquence (fFt À fD), l'information relative au signe de la vitesse échappe à nouveau partiellement. Les fréquences(fOF+ a fD) et(fOF+ fD) renferment, chacune pour ce qui la concerne, l'information relative au signe de la vitesse tant que seulement l'une de ces deux fréquences possède une amplitude plus grande. Si les deux fréquences accusent la même amplitude,.le spectre renferme la même information que lors de la réception homodyne. En conséquence, lors de la réception hétérodyne, il In the case of an insufficient overlap, for example as a result of a defective adjustment, the following spectrum is also obtained: (fo0 fD fOF) - fLO- fOF fD0 (4) '(f0 fD + fOF) - (fLO + fOF) = fD 'In this case, due to the frequency (fFt TO fD), the information relating to the sign of the speed again partially escapes. The frequencies (fOF + a fD) and (fOF + fD) contain, each as far as it is concerned, information relating to the sign of the speed as long as only one of these two frequencies has a greater amplitude. If the two frequencies have the same amplitude, the spectrum contains the same information as during homodyne reception. As a result, during heterodyne reception, it
est nécessaire de veiller à une bonne cohésion entre l'émet- it is necessary to ensure good cohesion between the
teur et l'oscillateur local, ainsi qu'à un ajustement scru- local oscillator, as well as a scru-
puleux. Le caractère univoque du signe du vecteur de vitesse pulpy. The uniqueness of the speed vector sign
devant être mesuré peut être vérifié, par exemple en engen- to be measured can be checked, for example by generating
drant un signal de référence à l'aide, par exemple, d'un drant a reference signal using, for example, a
disque tournant dans une direction connue. disc rotating in a known direction.
La fréquence décalée (fOF) peut, quant à elle, être The offset frequency (fOF) can be
engendrée de différentes façons. L'on établira fondamentale- generated in different ways. We will establish fundamental-
ment ci-après la différence entre deux procédés selon que, pour engendrer et stabiliser la fréquence décalée (fOF), il est nécessaire de disposer de composants autres qu'optiques (comme par exemple dans un système hybride), ou inversement Below is the difference between two methods depending on whether, to generate and stabilize the offset frequency (fOF), it is necessary to have components other than optical (as for example in a hybrid system), or vice versa
(comme par exemple dans un système intrinsèque). (as for example in an intrinsic system).
Dans le cas de systèmes hybrides, l'on connaît pour l'essentiel deux procédés. Dans le premier procédé, une seconde source lumineuse cohérente est couplée au moyen d'un circuit électronique discriminateur à la fréquence de la première onde lumineuse, à distance de la fréquence In the case of hybrid systems, essentially two processes are known. In the first method, a second coherent light source is coupled by means of an electronic discriminator circuit at the frequency of the first light wave, at a distance from the frequency
décalée fOF' ce qui est par exemple décrit dans "Appl. Opt." offset fOF 'which is for example described in "Appl. Opt."
Vol. 20, 4, page 579 (1981) par R.L. Schwiesow et R.E.Cupp, et dans le brevet US-A-4 169 906. Cependant, pour obtenir par ce procédé un degré d'efficacité suffisant pour mettre en évidence des signaux très faibles, il faut prévoir une complexité électronique et optique non négligeable. En effet, le circuit électronique doit comporter une caractéristique de réaction adaptée aux propriétés optiques de la première source lumineuse (c'est-à-dire des temps de montée rapides, des organes de manoeuvre exempts de retard, etc.). Pour des raisons de cohésion (c'est-à-dire par exemple concernant la-divergence, la polarisation, la position de phase, etc.), il est nécessaire que les propriétés optiques des deux Flight. 20, 4, page 579 (1981) by RL Schwiesow and RECupp, and in US Pat. No. 4,169,906. However, in order to obtain by this process a sufficient degree of efficiency to detect very weak signals, a considerable electronic and optical complexity must be foreseen. Indeed, the electronic circuit must include a reaction characteristic adapted to the optical properties of the first light source (that is to say rapid rise times, delay-free actuators, etc.). For reasons of cohesion (that is to say for example concerning the divergence, the polarization, the phase position, etc.), it is necessary that the optical properties of the two
sources lumineuses soient en harmonie. light sources are in harmony.
Dans le second procédé connu, la fréquence d'une partie de la puissance lumineuse de la source est décalée à l'aide d'un modulateur optoacoustique, comme décrit par exemple dans "J. Phys." E 13, page 982 (1980) , par In the second known method, the frequency of part of the light power of the source is shifted using an optoacoustic modulator, as described for example in "J. Phys." E 13, page 982 (1980), by
W.R.M. Pomeroy et al. Ce procédé exige d'une part une comple- W.R.M. Pomeroy et al. This process requires on the one hand a complete
xité de réglage considérable car, par exemple, les angles d'incidence et les angles d'émergence du modulateur doivent considerable adjustment capacity because, for example, the angles of incidence and the angles of emergence of the modulator must
être respectés avec précision; et, d'autre part, la lon- be respected with precision; and, on the other hand, the long
gueur optique et le mauvais rendement de la partie active du circuit électronique provoquent une forte distorsion des fronts d'ondes de la source lumineuse. En outre, dans ce procédé, la valeur de la fréquence décalée fOF est fixée en fonction du type de réalisation. Pour obtenir d'autres valeurs éventuellement plus propices à l'application, la fréquence décalée fOF doit, par exemple, faire en plus optical strength and the poor performance of the active part of the electronic circuit cause strong distortion of the wave fronts of the light source. In addition, in this method, the value of the offset frequency fOF is fixed according to the type of embodiment. To obtain other values which may be more suitable for the application, the offset frequency fOF must, for example, do more
l'objet de sous-combinaisons électroniques. the subject of electronic sub-combinations.
Dans un troisième procédé, un décalage de fréquence est obtenu à l'aide de l'effet Doppler par l'intermédiaire d'un dispositif mécanique, par exemple d'une roue tournant rapidement. Cependant, les applications sont limitées pour l'essentiel par la grandeur de la fréquence décalée fOF ainsi rendue possible, et par suite des restrictions imposées à la réalisation mécanique, ce qui influence à son tour la qualité de la superposition. In a third method, a frequency offset is obtained using the Doppler effect via a mechanical device, for example a rapidly rotating wheel. However, the applications are essentially limited by the magnitude of the offset frequency fOF thus made possible, and as a result of the restrictions imposed on the mechanical production, which in turn influences the quality of the superposition.
Dans ce contexte, l'on ne connaît pas encore jus- In this context, we do not yet know
qu'à présent de systèmes intrinsèques, c'est-à-dire de that now intrinsic systems, that is to say
procédés pouvant se dispenser d'une commande extérieure. processes which can dispense with an external command.
Conformément à l'invention, les inconvénients des procédés et des dispositifs classiques doivent être surmontés le plus largement possible, et l'invention vise à fournir According to the invention, the disadvantages of conventional methods and devices must be overcome as widely as possible, and the invention aims to provide
un procédé à l'aide duquel le signe et la valeur d'un déca- a process by which the sign and the value of a decimal
lage de fréquence peuvent être déterminés au moyen d'un agencement relativement simple et d'un réglage aisé se The frequency can be determined by means of a relatively simple arrangement and easy adjustment
présentant sous la forme d'un récepteur hétérodyne. having the form of a heterodyne receptor.
Conformément à l'invention, dans un procédé du genre précité, cet objet est atteint par le fait qu'un objet According to the invention, in a process of the aforementioned kind, this object is achieved by the fact that an object
en mouvement est balayé par deux ondes lumineuses de fréquen- in motion is swept by two light waves of frequency
ces différentes; et par le fait que les ondes lumineuses these different; and by the fact that the light waves
dont la fréquence est décalée par effet Doppler sont mélan- whose frequency is shifted by Doppler effect are mixed
gées à une partie de l'une des deux ondes lumineuses. part of one of the two light waves.
Selon des perfectionnements avantageux de l'inven- According to advantageous improvements of the invention
tion: - les deux ondes lumineuses de fréquences différentes peuvent être engendrées, dans un seul et unique résonateur, en contraignant deux oscillations propres du résonateur (modes de résonance); - deux modes de résonance transversaux peuvent être contraints en occultant une ou plusieurs zones filiformes dans le résonateur, ces zones filiformes étant mutuellement perpendiculaires et perpendiculaires à l'axe du résonateur; tion: - the two light waves of different frequencies can be generated, in a single resonator, by constraining two own oscillations of the resonator (resonance modes); - Two transverse resonance modes can be constrained by obscuring one or more filiform zones in the resonator, these filiform zones being mutually perpendicular and perpendicular to the axis of the resonator;
- une ou plusieurs zones filiformes d'un miroir de réso- - one or more filiform areas of a resonance mirror
nateur partiellement transparent peuvent être réfléchies, ou bien les reflets d'une ou de plusieurs zones filiformes d'un miroir de résonateur peuvent être supprimés - deux modes de résonance transversaux peuvent être contraints en occultant une ou plusieurs zones annulaires dans le résonateur, ces zones annulaires étant mutuellement concentriques et leur axe de symétrie coincidant avec l'axe du résonateur; - une ou plusieurs zones annulaires d'un miroir de résonateur partiellement mélangées peuvent être réfléchies, ou bien les reflets d'une ou de plusieurs zones annulaires d'un miroir de résonateur peuvent être supprimés; - pour engendrer l'une des parties de l'une des deux partially transparent reflector can be reflected, or the reflections of one or more threadlike areas of a resonator mirror can be suppressed - two transverse resonance modes can be constrained by obscuring one or more annular areas in the resonator, these areas annulars being mutually concentric and their axis of symmetry coinciding with the axis of the resonator; one or more annular zones of a partially mixed resonator mirror can be reflected, or else the reflections of one or more annular zones of a resonator mirror can be eliminated; - to generate one of the parts of one of the two
ondes lumineuses, la seconde surface d'une plaquette quart- light waves, the second surface of a quarter-
d'onde peut être partiellement métallisée; - pour engendrer l'une des parties de l'une des deux ondes lumineuses, une surface partiellement métallisée peut être disposée après la plaquette quart-d'onde; et - pour mêler à une partie de l'une des ondes initiales les ondes lumineuses à fréquence décalée par effet Doppler, les ondes lumineuses à fréquence décalée peuvent être réfléchies partiellement sur la seconde surface d'un miroir de sortie du résonateur, et retourner partiellement à ce résonateur. Dans un procédé conforme à l'invention on tire parti du fait que différentes oscillations discrètes propres peuvent se former dans un résonateur; seules étant toutefois possibles des oscillations propres dont la fréquence se situe à l'intérieur des limites de la largeur de bande du résonateur. Ces "modes de résonance" sont perturbateurs pour la plupart des applications et, de ce fait, ils sont supprimés dans différents procédés par des dispositifs wave may be partially metallized; - To generate one of the parts of one of the two light waves, a partially metallized surface can be arranged after the quarter-wave plate; and - to mix with a part of one of the initial waves the light waves with frequency shifted by Doppler effect, the light waves with frequency shift can be partially reflected on the second surface of a resonator output mirror, and partially return to this resonator. In a process according to the invention, advantage is taken of the fact that different discrete natural oscillations can form in a resonator; however, only natural oscillations are possible, the frequency of which lies within the limits of the bandwidth of the resonator. These "resonance modes" are disruptive for most applications and, therefore, they are suppressed in different processes by devices
correspondants, comme des étalons et des écrans. corresponding, such as standards and screens.
Dans le cas d'un résonateur à laser, seuls sont amplifiés les modes inclus dans la largeur de ligne de ce résonateur, laquelle est par exemple habituellement comprise In the case of a laser resonator, only the modes included in the line width of this resonator are amplified, which is for example usually included
entre 200 et 500 MHz pour un laser à CO2. L'écart de fréquen- between 200 and 500 MHz for a CO2 laser. The frequency gap
ce 4 fax de deux modes de résonance axiaux est indiqué, ax dans une première approximation, par l'équation (5)suivante: Afax = c/2L (5) dans laquelle c représente la vitesse de la lumière dans le milieu et L indique la longueur du résonateur. L'écart de fréquence A ftr de deux modes transversaux est notable- ment plus modeste et se situe entre un mode TEMnm et le nm mode de base, en négligeant des pertes par diffraction XnmC 2 (6) this 4 fax of two axial resonance modes is indicated, ax in a first approximation, by the following equation (5): Afax = c / 2L (5) in which c represents the speed of light in the medium and L indicates the length of the resonator. The frequency difference A ftr of two transverse modes is notably more modest and lies between a TEMnm mode and the basic nm mode, neglecting losses by XnmC 2 diffraction (6)
=ftr () -= ftr () -
2fo I d.n o Xnm désigne le mième point zéro de la fonction de Bessel de nième ordre, n indique l'indice de réfraction du milieu d'amplification et d correspond au diamètre libre de 2fo I d.n o Xnm denotes the m th zero point of the nth order Bessel function, n indicates the refractive index of the amplification medium and d corresponds to the free diameter of
l'optique du résonateur.the optics of the resonator.
- Ainsi, pour une largeur de ligne de 300 MHz par exemple, une fréquence décalée fOF de 1 à 250 MHz est possible par la superposition de deux modes différents, auquel cas la longueur du résonateur est de 1 m, le diamètre libre d de l'optique du résonateur mesure 2,54 cm, l'indice de réfraction n est égal à 1 et la longueur des ondes laser représente 10,6 pm. La grandeur de la fréquence décalée foF peut être influencée par une modification de la géométrie du résonateur, par exemple une variation de la longueur du résonateur, une variation du diamètre libre, etc., ou bien encore en faisant varier la pression d'un gaz d'emplissage, ce qui entraîne par exemple une variation de l'indice de réfraction du milieu. Dans le cas le plus simple, pour parvenir à cette fin, l'axe optique du résonateur est basculé par rapport à l'axe mécanique de ce dernier; il est ainsi possible d'obtenir, d'une manière très simple, une variation - Thus, for a line width of 300 MHz for example, an offset frequency fOF from 1 to 250 MHz is possible by the superposition of two different modes, in which case the length of the resonator is 1 m, the free diameter d of l he optic of the resonator measures 2.54 cm, the refractive index n is equal to 1 and the length of the laser waves represents 10.6 μm. The magnitude of the offset frequency foF can be influenced by a modification of the geometry of the resonator, for example a variation of the length of the resonator, a variation of the free diameter, etc., or even by varying the pressure of a gas. filling, which leads for example to a variation in the refractive index of the medium. In the simplest case, to achieve this end, the optical axis of the resonator is tilted relative to the mechanical axis of the latter; it is thus possible to obtain, in a very simple manner, a variation
du volume modal.modal volume.
Les avantages de cette réalisation, par rapport aux deux premiers procédés décrits ci-avant, sont les suivants: du fait que seulement une source atomique est The advantages of this embodiment, compared to the first two methods described above, are as follows: the fact that only one atomic source is
nécessaire pour former la fréquence décalée fOF' les proprié- necessary to form the offset frequency fOF 'the properties
tés optiques des deux modes, et par conséquent les caracté- tees of the two modes, and therefore the characteristics
ristiques de l'émetteur et de l'oscillateur local, coincident dans une large mesure (par exemple pour ce qui concerne leur polarisation, leur divergence, etc.) ou accusent une ferme cohésion (par exemple pour ce qui concerne leur position de phase). Par rapport au deuxième procédé décrit dans le préambule, la complexité requise par l'ajustement de tout le of the transmitter and the local oscillator, coincide to a large extent (for example with regard to their polarization, their divergence, etc.) or show firm cohesion (for example with regard to their phase position) . Compared to the second process described in the preamble, the complexity required by adjusting all of the
système est considérablement moindre et il se produit égale- system is considerably less and it also occurs
ment, en général, une distorsion moins grande des fronts d'ondes; il en résulte un rendement hétérodyne globalement in general, less distortion of the wave fronts; this results in a heterodyne yield overall
meilleur, et donc aussi un meilleur rapport signal/bruit. better, and therefore also a better signal / noise ratio.
De surcroît, l'utilisation d'une seule source représente une économie d'argent considérable, et la suppression de composants mécaniques, électriques et optiques In addition, the use of a single source represents a considerable saving of money, and the elimination of mechanical, electrical and optical components.
permet d'obtenir un besoin moins grand en puissance électri- provides a lower need for electrical power
que de l'ensemble du système. Par ailleurs, un tel agencement peut être globalement réalisé d'une manière notablement plus compacte. L'invention va à présent être décrite plus en détail à titre d'exemples nullement limitatifs, en regard des dessins annexés sur lesquels: la figure 1 montre un spectre de fréquence d'une than the whole system. Furthermore, such an arrangement can be generally achieved in a significantly more compact manner. The invention will now be described in more detail by way of non-limiting examples, with reference to the appended drawings in which: FIG. 1 shows a frequency spectrum of a
réception homodyne tant en présence d'une composante positi- homodyne reception both in the presence of a positive component
ve que d'une composante négative de la vitesse du mouvement; la figure 2 illustre un spectre de fréquence d'une réception hétérodyne pour une composante positive et une composante négative de la vitesse du mouvement; la figure 3 est une représentation schématique de ve that a negative component of the speed of movement; FIG. 2 illustrates a frequency spectrum of a heterodyne reception for a positive component and a negative component of the speed of movement; Figure 3 is a schematic representation of
la réalisation visant à une mise en oeuvre du procédé confor- the realization aiming at an implementation of the compliant process
mément à l'invention pour une réception hétérodyne; et la figure 4 est une représentation schématique d'une variante de réalisation destinée à la mise en oeuvre mement to the invention for heterodyne reception; and Figure 4 is a schematic representation of an alternative embodiment for the implementation
du procédé pour une réception hétérodyne. of the method for heterodyne reception.
Pour vérifier et mettre en oeuvre le procédé con- To verify and implement the process
forme à l'invention, un agencement homodyne, existant pour le procédé hétérodyne intrinsèque décrit ci-avant, a été légèrement modifié. La figure 3 illustre schématiquement la réalisation utilisée dans ce cas. Une source 1 est formée par un laser à CO2 à fréquence stabilisée qui, pour une longueur d'onde de 10, 59 pm (ligne P-20), délivre une puissance en régime continu (ou puissance CW) de 3 W. Une partie de la puissance cédée par le laser, de l'ordre d'environ 5 mW, est directement dirigée, par l'intermédiaire d'un miroir 2 partiellement réfléchissant, sur un détecteur 3 du type Pb-Sn-Te dans lequel elle est combinée à une onde de signal. Sur les figures 3 et 4, dans un but illustratif, la trajectoire de l'onde de l'oscillateur local est indiquée en tirets, tandis que la trajectoire de l'onde de signal est In accordance with the invention, a homodyne arrangement, existing for the intrinsic heterodyne process described above, has been slightly modified. Figure 3 schematically illustrates the embodiment used in this case. A source 1 is formed by a stabilized frequency CO2 laser which, for a wavelength of 10.59 pm (line P-20), delivers a continuous power (or CW power) of 3 W. A portion of the power transferred by the laser, of the order of approximately 5 mW, is directly directed, via a partially reflecting mirror 2, onto a detector 3 of the Pb-Sn-Te type in which it is combined to a signal wave. In FIGS. 3 and 4, for illustrative purposes, the trajectory of the wave of the local oscillator is indicated in dashes, while the trajectory of the signal wave is
repérée par des traits mixtes.marked by mixed lines.
Dans ce cas, pour former l'onde de signal, la partie du rayonnement émanant du laser 1 et ayant pu passer à travers le miroir 2 est focalisée, par l'intermédiaire In this case, to form the signal wave, the part of the radiation emanating from the laser 1 and having been able to pass through the mirror 2 is focused, via
d'un télescope 4, sur un dispositif de dispersion 5 accom- of a telescope 4, on a dispersing device 5 accom-
plissant un mouvement, de préférence une rotation. La part dispersée par le dispositif 5 en direction du télescope 4 est à nouveau collectée par ce télescope 4, et traverse à présent pleating a movement, preferably a rotation. The part dispersed by the device 5 towards the telescope 4 is again collected by this telescope 4, and now crosses
dans la direction inverse le miroir 2 partiellement transpa- in the opposite direction the partially transparent mirror 2
rent. L'onde de signal est ensuite en partie réfléchie en elle-même sur un miroir de sortie du laser 1 non représenté en détail, et en partie amplifiée paramétriquement dans le rent. The signal wave is then partly reflected in itself on an output mirror of the laser 1 not shown in detail, and partly amplified parametrically in the
laser 1; pour finir, cette onde de signal suit la trajectoi- laser 1; finally, this signal wave follows the path
re de l'onde de l'oscillateur local, pour être superposée de manière cohérente à cette onde d'oscillateur local sur le détecteur 3. Bien que cela ne soit pas représenté plus en détail sur la figure 3, le signal du détecteur 3 est amplifié électroniquement,en suite de quoi le spectre de fréquence re of the local oscillator wave, to be coherently superimposed on this local oscillator wave on the detector 3. Although this is not shown in more detail in FIG. 3, the signal of the detector 3 is electronically amplified, as a result of which the frequency spectrum
peut être analysé.can be analyzed.
Cet aqencement simple permet d'obtenir un bon degré de rendement hétérodyne. Du fait que la trajectoire de l'onde de l'oscillateur local et la trajectoire du signal coïncident et que, de la sorte, l'interféromètre sinon classique devient superflu, la complexité de l'ajustement est réduite à un minimum. Il demeure seulement nécessaire de reproduire sur le détecteur 3 le rayonnement de l'oscillateur local, par l'intermédiaire du miroir 2 partiellement transparent, ce qui, dans la pratique, ne soulève aucune sorte de difficultés pour le spécialiste. Cette réalisation particulière de la géométrie de superposition, appropriée pour des agencements homodynes, peut être désavantageuse pour une réception hétérodyne, du fait que l'angle entre l'onde de l'oscillateur local et l'onde de signal est nul en permanence et à tout endroit, et cela notamment lorsque, par exemple à cause de turbulences atmosphériques, le rapport de phases entre l'onde This simple layout makes it possible to obtain a good degree of heterodyne yield. Because the path of the local oscillator wave and the signal path coincide and, as a result, the otherwise conventional interferometer becomes superfluous, the complexity of the adjustment is reduced to a minimum. It only remains necessary to reproduce on the detector 3 the radiation of the local oscillator, by means of the partially transparent mirror 2, which, in practice, does not raise any kind of difficulty for the specialist. This particular embodiment of the superimposition geometry, suitable for homodyne arrangements, can be disadvantageous for heterodyne reception, since the angle between the wave of the local oscillator and the signal wave is zero at all times and any place, especially when, for example due to atmospheric turbulence, the phase ratio between the wave
de f'oscillateur local et l'onde de signal est modifié. local oscillator and the signal wave is changed.
A l'encontre d'une opinion qui a été exprimée par Contrary to an opinion which has been expressed by
O.E. DeLange dans "IEE spectrum", page 77 (1968), une super- O.E. DeLange in "IEE spectrum", page 77 (1968), a super
position de deux modes différents demeure, là encore, toujours position of two different modes remains, again, always
possible dans la pratique; dans ce cas toutefois, il convien- possible in practice; in this case, however,
drait d'utiliser un dispositif à interféromètre comportant au moins deux degrés de liberté supplémentaires et représenté should use an interferometer device with at least two additional degrees of freedom and shown
en détail sur la figure 4.in detail in Figure 4.
Dans l'agencement de la figure 4, le rayonnement laser, polarisé en parallèle, franchit sans entrave; à partir de la source laser 1, ce qu'on appelle une fenêtre de Brewster 6, et tombe ensuite sur une plaquette 7 quart-d'onde pouvant être ajustée selon deux axes. Les reflets des deux surfaces de cette plaquette 7 quart-onde ont été supprimés, mais lesdites surfaces possèdent cependant un pouvoir de réflexion R d'environ 0,5 %. Tout comme dans l'agencement de la figure 3, la puissance laser transmise est focalisée par l'intermédiaire d'un télescope 4 sur un dispositif In the arrangement of FIG. 4, the laser radiation, polarized in parallel, passes unhindered; from the laser source 1, which is called a Brewster window 6, and then falls on a quarter-wave plate 7 which can be adjusted along two axes. The reflections of the two surfaces of this quarter-wave plate 7 have been eliminated, but said surfaces however have a reflection power R of approximately 0.5%. As in the arrangement of FIG. 3, the transmitted laser power is focused via a telescope 4 on a device
rotatif de dispersion 5.dispersion rotary 5.
La part dispersée en direction du télescope 4 est collectée par ce dernier, et traverse une seconde fois la plaquette 7 quart-d'onde. De la sorte, l'onde de signal est il à présent polarisée perpendiculairement et elle est réfléchie The part dispersed in the direction of the telescope 4 is collected by the latter, and crosses the quarter-wave plate 7 a second time. In this way, the signal wave is now polarized perpendicularly and it is reflected.
à environ 80 % sur la lame 6 sous incidence brewstérienne. at around 80% on slide 6 under brewster incidence.
La part du rayonnement laser initial réfléchie sur la seconde surface de la plaquette 7 quart-d'onde est, elle aussi, polarisée perpendiculairement, elle est amenée de manière cohérente en superposition de l'onde de signal par un basculement de la plaquette 7, puis est reproduite avec The part of the initial laser radiation reflected on the second surface of the quarter-wave plate 7 is also polarized perpendicularly, it is brought coherently to the superposition of the signal wave by a tilting of the plate 7, then is reproduced with
cette onde de signal sur le détecteur 3. this signal wave on the detector 3.
Grâce à une rotation de la plaquette 7 quart-d'onde autour de son axe optique et grâce à un basculement par rapport à l'axe de la trajectoire du signal, il est toujours possible de régler une condition dans laquelle la part de la puissance laser réfléchie sur la seconde surface de la plaquette 7 peut être superposée à l'onde de signal avec des phases correctes, en tant qu'oscillation locale. L'on élimine Thanks to a rotation of the quarter-wave plate 7 around its optical axis and thanks to a tilting relative to the axis of the signal trajectory, it is always possible to adjust a condition in which the share of the power laser reflected on the second surface of the wafer 7 can be superimposed on the signal wave with correct phases, as local oscillation. We eliminate
de la sorte la possibilité d'ambiguïté susmentionnée, affec- in this way the possibility of ambiguity mentioned above, affected
tant des signaux hétérodynes.both heterodyne signals.
Le procédé conforme à l'invention permet, grâce à un agencement hétérodyne pouvant être établi simplement, de déterminer sans équivoque la valeur et la direction d'une composante de vecteur et, par une détermination d'au moins trois composantes, d'établir à coup sûr le vecteur de vitesse d'un mouvement. En outre, lorsqu'on connaît ce vecteur, il est possible d'indiquer si la fréquence fLO de l'onde de l'oscillateur local est plus grande ou plus petite que la The method according to the invention makes it possible, thanks to a heterodyne arrangement which can be established simply, to determine unequivocally the value and the direction of a vector component and, by a determination of at least three components, to establish sure the velocity vector of a movement. Furthermore, when this vector is known, it is possible to indicate whether the frequency fLO of the wave of the local oscillator is greater or less than the
fréquence f de l'onde de l'émetteur. - frequency f of the transmitter wave. -
o Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au procédé décrit et représenté, sans sortir o It goes without saying that many modifications can be made to the process described and shown, without going out
du cadre de l'invention.of the scope of the invention.
?2806? 2806
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Family Applications (1)
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