FR3136860A1 - Velocimetre dans le moyen infrarouge pour mesures de vitesse - Google Patents
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Abstract
L’invention concerne un dispositif de mesure de vitesse, ou d’une distribution de vitesses, comportant :
- au moins une première source de rayonnement laser (2), qui émet un faisceau laser de longueur d’onde comprise entre 3 et 14 µm ;
- au moins une fibre optique (8) pour diriger le rayonnement produit par la première source de rayonnement, d’une première extrémité de la fibre à une deuxième extrémité de celle-ci ;
- des moyens (10) de détection, pour détecter un signal d’interférence entre un faisceau émis (40) par une source laser (2) et un faisceau réfléchi par un échantillon ;
- des moyens (20) de traitement, aptes à traiter le signal d’interférence et à calculer une vitesse de propagation, ou une distribution de vitesses, d’un objet sur lequel le faisceau incident ou diffusé a été réfléchi.
Figure pour l’abrégé : 1
Description
L’invention concerne le domaine de la vélocimétrie, en particulier dans le moyen infrarouge, par exemple pour la mesure de vitesse de choc ou de détonation dans des matériaux.
Une technique connue pour la mesure de vitesses de choc par effet Doppler met en oeuvre un vélocimètre hétérodyne (VH). Elle permet de réaliser des mesures au travers de matériaux transparents optiquement avec des systèmes laser dans le visible ou dans l’infrarouge, comme par exemple à la longueur d’onde télécom (1550 nm). Cette technique, aussi appelée Interféromètre Doppler Fibré (IDF, ou « Photonic Doppler Velocimeter » (PDV) en anglais) est par exemple décrite dans l’article de O.T. Strand et al., intitulé “Compact system for high-speed velocimetry using heterodyne techniques”, Review of Scientific Instruments, Vol. 77, 083108, (2006). Elle permet de mesurer les vitesses de déplacement d’un objet en mesurant la fréquence Doppler avec une visée laser à une longueur d’onde donnée.
Une technique connexe et plus ancienne, décrite dans D.H. Dolan, “Foundations of VISAR analysis”, SANDIA REPORT 1950, (2006), permet de mesurer le déplacement ou la vitesse de déplacement par analyse du déphasage du signal interférométrique par l’intermédiaire d’un vélocimètre homodyne, aussi appelé Interféromètre de Vitesse Fibré (IVF) ou VISAR (« Velocity Interferometer System for Any Reflector »).
Par ailleurs, une technique radio-interférométrique est connue (« RIF », ou « Microwave Interferometer »), et décrite dans l’article de V.M. Bel’skii et al., intitulé “Microwave diagnostics of shock-wave and detonation processes”, paru dans Combustion, Explosion, and Shock Waves, Vol. 47, No. 6, pp. 639–650, (2011). Cette technique permet de réaliser des mesures au travers de matériaux radio-transparents avec des systèmes radio-interférométriques, à des fréquences typiquement comprises entre 10 GHz et 100 GHz.
Les systèmes de type « VH » ont une très bonne résolution temporelle et spatiale mais les mesures à cœur, à l’intérieur du matériau, sont fortement limitées, car peu de matériaux d’étude sont transparents à la longueur d’onde concernée. La mesure déportée est possible avec des fibres optiques avec très peu de pertes.
Les systèmes « RIF » peuvent sonder un grand nombre de matériaux, mais pas les métaux. Leur résolution spatiale est fortement limitée par la grande longueur d’onde (> 3 mm à 100 GHz) et le faisceau émis dans le matériau, pas totalement collimaté, a un diamètre d’environ 20 mm. La résolution temporelle d’un tel système est également limitée avec peu de franges d’interférences durant la courte période que dure typiquement un choc (entre 1 et 10 µs). La mesure déportée est possible mais limitée à quelques mètres (~5 m) car le guide d’ondes souple utilisé, en téflon, induit beaucoup de pertes diélectriques.
Dans les systèmes connus (systèmes VH et RIF), soit on ne peut pas sonder le cœur d’un grand nombre de matériaux, soit les résolutions spatiale et temporelle sont insuffisantes. Par ailleurs, les pertes pour le transport du signal sont limitées et la bande passante nécessaire plus importante, ou vice-versa.
Il se pose donc le problème de trouver un nouveau dispositif et un nouveau procédé permettant de réaliser des mesures de vitesses, à l’intérieur d’un objet ou d’un matériau, au-delà de la surface extérieure de celui-ci, de préférence de manière déportée par rapport à cet objet ou ce matériau.
De préférence, un tel dispositif ou procédé doit permettre d’obtenir des bonnes résolutions spatiale et/ou temporelle.
En particulier, du point de vue temporel, un tel procédé ou dispositif doit être compatible avec des phénomènes rapides se produisant sur une durée totale de l’ordre de quelques µs, par exemple de l’ordre de 10 µs.
Du point de vue spatial, un tel dispositif ou procédés doit de préférence permettre d’obtenir une résolution spatiale permet d’obtenir une information précise, de l’ordre du mm.
L’invention concerne d’abord un dispositif de mesure de vitesse, comportant :
- au moins une première source de rayonnement laser, qui émet un faisceau laser de longueur d’onde comprise entre 3 µm et 14 µm ;
- au moins une fibre optique pour diriger un rayonnement, ou au moins une partie du rayonnement, produit par la première source laser, d’une première extrémité de la fibre à une deuxième extrémité de celle-ci;
- des moyens de détection, pour détecter un signal d’interférence entre au moins un faisceau émis par une source laser et un faisceau, réfléchi ou diffusé, par exemple par un échantillon ou un objet, ou une partie d’un échantillon ou d’un objet ; dans le cas « homodyne », ce faisceau émis par une source laser peut être retransmis par la fibre; ou, dans le cas « hétérodyne », les moyens de détection permettent de détecter un signal d’interférence entre un faisceau émis par une seconde source laser et le faisceau de ladite première source laser, lequel a été réfléchi ou diffusé par exemple par une partie d’un échantillon ou d’un objet et retransmis par la fibre ;
- de préférence, des moyens de traitement, aptes à traiter le signal d’interférence et à calculer une vitesse de propagation, ou une distribution de vitesses, d’un échantillon ou d’un objet, ou d’une partie d’un échantillon ou d’un objet, par exemple d’une discontinuité physique (par exemple un front de choc) au cœur de cet échantillon ou de l’objet, sur lequel le faisceau incident a été réfléchi ou diffusé.
Dans une version homodyne du dispositif, les moyens de détection permettent de détecter un signal d’interférence entre au moins un faisceau émis par la première source laser et le faisceau réfléchi ou diffusé par un échantillon ou un objet.
Dans une version hétérodyne du dispositif, les moyens de détection permettent de détecter un signal d’interférence entre au moins un faisceau émis par une deuxième source laser et le faisceau réfléchi ou diffusé par un échantillon ou un objet.
Le faisceau réfléchi ou diffusé par un échantillon ou un objet peut être retransmis par la fibre optique qui le dirige de sa deuxième extrémité à sa première extrémité. Un dispositif selon l'invention peut comporter des moyens pour combiner et faire interférer une partie du rayonnement produit par une source laser (la première source laser dans le cas homodyne ; la deuxième source laser dans le cas hétérodyne) et la partie, réfléchie ou diffusée par un échantillon ou un objet, du rayonnement qui provient de la première source laser.
L’invention permet de travailler dans une bande de longueurs d’onde se situant dans l’infrarouge moyen, de préférence compris entre 3 µm et 14 µm, autrement dit dans le domaine fréquentiel entre environ 20 THz et 100 THz.
Le choix de ce domaine de longueurs d’onde se révèle très avantageux car beaucoup de matériaux, dont les matériaux explosifs (TNT (ou trinitrotoluène, C7H5N3O6), RDX (ou cyclo-triméthylène-trinitramine, C3H6N6O6), HMX (ou cyclo-tétraméthylène-tétranitramine, C4H8N8O8), sont transparents dans cette gamme spectrale .
Le choix de ce domaine de longueurs d’onde se révèle par ailleurs très avantageux pour sonder plus en profondeur des nuages de particules en mouvements, par exemple des particules d’un gaz. Par exemple encore, des particules sont éjectées ou projetées, parmi lesquelles les plus fines, qui sont plus rapides, sont devant et masquent les plus grosses, qui sont plus lentes et qui sont donc derrière. L’invention permet de connaître les distributions de vitesses de tout ou partie des particules éjectées ou projetées (spectrogrammes).
Au moins une source de rayonnement laser, par exemple la première et/ou la deuxième source de rayonnement laser, d’un dispositif selon l’invention est par exemple une source laser QCL (« Quantum Cascade Laser ») ou une source laser ICL (« Interband Cascade Laser ») ou une source laser continue, de préférence compacte. De préférence, au moins une source laser a une faible largeur de raie (de préférence inférieur à 1 Mhz) pour avoir un meilleur contraste sur les franges d’interférences et pour pouvoir augmenter la longueur de la fibre optique (ou fibre de déport). Plus une source a une faible largeur de raie, plus elle est « cohérente » et plus la « longueur de cohérence » est grande. La longueur de cohérence est la distance maximale entre deux signaux qui permet de créer des interférences (des franges). Ici, c’est environ la longueur aller-retour de la fibre optique.
Les résolutions spatiale et temporelle d’un dispositif selon l’invention sont 5 à 10 fois inférieures à celles des systèmes VH mais 300 à 1000 fois supérieures à celles des systèmes RIF.
Le transport du signal peut être effectué par une fibre en verre plein ou type fibre monomode et/ou micro-structurée, ou à coeur creux ; cette fibre est par exemple réalisée dans un verre de composition Te2As3Se5(verre « TAS »).
Dans un dispositif selon l'invention, les moyens de traitement de signaux d’interférence sont par exemple aptes à réaliser au moins une transformée de Fourier glissante des signaux d’interférence ou une transformée par ondelettes de ces signaux.
Dans une variante d'un dispositif selon l'invention, celui-ci comporte en outre des moyens pour déphaser une partie du faisceau émis par une source laser et une partie du faisceau réfléchi ou diffusé par un échantillon et des moyens pour détecter un signal d’interférence entre ces faisceaux déphasés, lesdits moyens de traitement de signaux d’interférence étant aptes à réaliser au moins un traitement à deux phases.
Un dispositif selon l’invention peut en outre présenter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes:
- la bande passante des moyens de détection rapide peut être réduite d’un facteur 2 à 20 par rapport à celle des systèmes VH . Cette bande passante est, pour tous les systèmes, proportionnelle à la vitesse à mesurer. Elle est par exemple d’environ 1,6 GHz pour une vitesse de 8000 m/s à 10 µm de longueur d’onde ; une bande passante comprise entre 20 MHz (< 1 GHz) et 2 Ghz est notamment adaptée à la gamme de longueurs d’onde comprise entre 3 µm et 14 µm, par exemple pour des applications de mesure de vitesse comprise entre 100 m/s et 10000 m/s ;
- et/ou les pertes par atténuation induites par le transport du signal sont également réduites par rapport aux systèmes RIF ; elles sont par exemple limitées à moins de 5 dB/m, par exemple à environ 1 dB/m ;
- et/ou la première source de rayonnement laser et/ou la deuxième source de rayonnement laser produit un faisceau dont le diamètre est inférieur à 5 mm ou à 3 mm, en particulier à une distance correspondant à un échantillon dans lequel on souhaite mesurer une vitesse ;
- et/ou le dispositif comporte en outre des moyens de collimation, de préférence directement appliqués contre un échantillon.
L’invention concerne également un procédé de mesure de vitesse, ou de vélocimétrie, mettant de préférence en œuvre un dispositif selon l’invention, tel que décrit ci-dessus ou dans la présente demande, comportant les étapes suivantes :
- l’envoi, vers un objet ou un échantillon d’un matériau solide ou liquide, par exemple un nuage de particules, à analyser, d’un rayonnement laser incident de longueur d’onde comprise entre 3 et 14 µm ;
- le prélèvement d’un rayonnement réfléchi ou diffusé par ledit objet ou échantillon, ou par une partie intérieure de l’objet ou de l’échantillon, en réponse au rayonnement laser incident ;
- la détection d’un signal d’interférences entre une partie prélevée sur le rayonnement réfléchi ou diffusé et le rayonnement laser incident (cas homodyne); ou la détection d’un signal d’interférences entre une partie prélevée sur le rayonnement émis et un second rayonnement laser émis par une second source laser (cas hétérodyne).
La vitesse, ou la distribution de vitesses, peut être calculée à partir du signal ou des signaux d’interférences.
L’invention concerne également un procédé de mesure de vitesse, ou d’une distribution de vitesses, mettant en œuvre un dispositif selon l’invention, tel que décrit ci-dessus ou dans la présente demande, dans lequel:
- la deuxième extrémité de la fibre optique est dirigée vers un objet ou un échantillon, par exemple un nuage de particules à l’intérieur duquel une vitesse d’un déplacement, ou une distribution de vitesses de déplacements (un spectrogramme), est à détecter,
- le faisceau incident de la première source laser pénètre l’objet ou l’échantillon, et se réfléchit ou est diffusé sur une partie intérieure de l’objet ou de l’échantillon, laquelle se déplace à vitesse V ou suivant une distribution de vitesses (par exemple dans le cas d’un nuage de particules);
- le faisceau réfléchi ou diffusé et une partie du faisceau émis par la première source forment des interférences détectées par les moyens de détection (cas homodyne); ou bien le faisceau réfléchi ou diffusé et une partie du faisceau émis par un deuxième laser formant des interférences détectées par les moyens de détection (cas hétérodyne).
Là encore, la vitesse, ou la distribution de vitesses, peut être calculée à partir du signal ou des signaux d’interférences.
Selon une réalisation particulière d’un procédé selon l’invention, un choc ou une détonation est produit(e) à l’intérieur de l’objet ou de l’échantillon, le faisceau laser incident se réfléchissant ou étant diffusé sur un front d’onde produit par le choc ou la détonation. Par exemple, l’objet ou l’échantillon comporte un matériau explosif tel que du TNT (ou trinitrotoluène, C7H5N3O6), ou du RDX (ou cyclo-triméthylène-trinitramine, C3H6N6O6), ou du HMX (ou cyclo-tétraméthylène-tétranitramine, C4H8N8O8) ou un matériau inerte.
Selon une autre réalisation particulière d’un procédé selon l’invention, l’objet est, ou comporte, une canalisation ou un conduit ou un tube à l’intérieur de laquelle ou duquel un fluide se déplace, le faisceau laser incident se réfléchissant ou étant diffusé sur des particules en mouvement contenues dans le fluide.
Selon une autre réalisation particulière d’un procédé selon l’invention, on dirige une pluralité de faisceaux laser vers l’objet.
Quelle que soit la réalisation envisagée, la vitesse peut être calculée par transformée de Fourier glissante ou par transformée en ondelettes du signal d’interférences ou par traitement avec deux phases.
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
Dans le reste de ce document, il est fait mention plus spécifiquement rayonnement laser de fréquence 30 THz (ou de longueur d’onde environ 10 µm) mais l’enseignement de la présente demande ne se limite pas à cette fréquence ou à cette longueur d’onde et peut être généralisé à l’ensemble du domaine de fréquence 100 THz et environ 21 THz ou à l’ensemble de longueurs d’onde comprises entre 3 µm et 14 µm, et notamment entre 8 et 12 µm .
La représente un exemple de réalisation d’un dispositif 1 selon l’invention.
Il comporte une source 2 de rayonnement laser continu, par exemple une source laser de type QCL (« Quantum Cascade Laser ») ou de type ICL (« Interband Cascade Laser »), à une longueur d’onde d’environ 10 µm (soit une fréquence d’environ 30 THz) ou 14 µm (21,4THz) . Le faisceau de ce type de laser est particulièrement adapté (par son pouvoir de pénétration et sa faible taille de faisceau par rapport aux systèmes RIF) pour pénétrer la matière, en vue de détecter la vitesse de propagation, ou éventuellement d’autres caractéristiques, d’un choc au sein de cette dernière .
En variante, on peut utiliser une source impulsionnelle qui a des impulsions longues (par exemple de durée supérieure ou égale à 100 µs), produites par exemple par un laser continu muni d’un interrupteur de faisceau. Des impulsions courtes (par exemple de durée inférieure à 100 µs) aboutiraient à des interférences de mauvaise qualité.
Le faisceau 4 produit par cette source est envoyé vers un circulateur 6 et est ainsi transmis à une fibre 8, de préférence une fibre microstructurée, de préférence monomode (ce qui permet un meilleur contraste sur les interférences), réalisée par exemple dans un verre de composition Te2As3Se5(encore appelé verre « TAS »). Les pertes dans ce type de fibre sont faibles, de l’ordre de 1 dB/m.
Une faible partie (x %) 40, par exemple entre 1% et 10 % (par exemple 5 %), du faisceau 4 émis par la source 2 est prélevé et envoyé vers un dispositif 10 de détection rapide, par exemple une photodiode couplée à un circuit de transimpédance, qui permet d’amplifier le signal et de convertir le courant en tension.
Des moyens 16 formant un coupleur permettent de combiner un faisceau qui revient du matériau 12, après y avoir été réfléchi ou diffusé, avec cette partie 40 de faisceau prélevé sur le faisceau généré par la source 2.
Pour maximiser les interférences, les deux signaux ont de préférence des amplitudes proches. Le faisceau sonde ayant des pertes, on envoie plus de puissance vers la cible pour recevoir un signal de même ordre de grandeur que le signal prélevé 40.
En sortie de la fibre 8, le faisceau est dirigé vers un échantillon 12, par exemple un échantillon de matériau tel que du TNT (ou trinitrotoluène, C7H5N3O6), ou du RDX (ou cyclo-triméthylène-trinitramine, C3H6N6O6), ou du HMX (ou cyclo-tétraméthylène-tétranitramine, C4H8N8O8), lesquels sont tous transparents aux longueurs d’onde envisagées dans le cadre de la présente demande. L’invention peut d’ailleurs être mise en œuvre avec des matériaux très variés, au contraire d’un système de type « VH », à l’aide duquel seuls très peu de matériaux peuvent être étudiés à coeur.
Des moyens 14 formant un collimateur, par exemple une lentille, permettent de focaliser le rayonnement vers une zone d’intérêt à l’intérieur de l’échantillon (solide, liquide, nuage de particules). De préférence, ces moyens de collimation sont munis d’une ou plusieurs couche(s) antireflet à la longueur d’onde de travail. De préférence encore, et comme illustré en , ces moyens 14 sont appliqués directement contre la cible 12 que le faisceau doit pénétrer pour éviter d’avoir une lame d’air et les réflexions parasites à la surface du collimateur et de l’échantillon.
Le faisceau réfléchi ou, a minima, diffusé par l’échantillon est collecté en partie et transmis par la fibre 8 au circulateur 6, qui l’envoie vers le coupleur 16, dans lequel il se combine avec le faisceau 40 prélevé sur le rayonnement laser initial (cas homodyne), puis vers le détecteur rapide 10; ce dernier détecte les interférences entre ces deux faisceaux.
Des moyens 20 de traitement permettent de traiter le signal détecté ; ils sont notamment aptes, à partir du signal d’interférences, à calculer la vitesse d’un front d’onde sur lequel le faisceau incident a été réfléchi. Les moyens 20 comportent par exemple un ordinateur ou un micro-ordinateur apte à, ou programmé pour, traiter les signaux d’interférence et calculer la vitesse de l’objet, par exemple du front d’onde, sur lequel le faisceau incident a été réfléchi. De préférence, le signal ou les signaux d’interférences est/sont traité(s) par transformée de Fourier ou par transformée en ondelettes du signal d’interférences ou par traitement avec deux phases.
La résolution spatiale d’un système selon l’invention est inférieure à celle des systèmes VH (par exemple de l’ordre de 5 à 10 fois inférieure) mais très supérieure à celle des systèmes RIF (par exemple de l’ordre de 300 à 1000 fois supérieure). Cette résolution spatiale est liée à la taille du faisceau à l’endroit où on souhaite détecter la vitesse. Or, cette taille dépend de la longueur d’onde : pour une longueur d’onde environ 10 µm, elle est d’environ 1 mm, alors que pour une longueur d’onde de 3,3 mm (donc bien au-delà de la gamme dans laquelle l’invention est mise en œuvre) cette taille est de plus de 1 cm. L’invention est donc particulièrement adaptée à la réalisation d’une mesure de vitesses, avec une résolution spatiale assez fine. Elle permet, par conséquent, de diriger plusieurs faisceaux de la même source ou à la même longueur d’onde vers le cœur de la cible, afin de réaliser plusieurs mesures simultanées. Le dispositif de la peut d’ailleurs être adapté pour la mise en œuvre de plusieurs faisceaux, chacun généré par une source laser, par exemple du type décrit ci-dessus (source laser QCL ou ICL) ; un exemple de dispositif mettant en œuvre plusieurs faisceaux est donné dans FR3098603.
La résolution temporelle d’un système selon l’invention est également inférieure à celle des systèmes VH (par exemple de l’ordre de 5 à 10 fois inférieure) mais très supérieure à celle des systèmes RIF (par exemple de l’ordre de 300 à 1000 fois supérieure). Cette résolution temporelle est approximée par la vitesse Doppler (égale à 2.V/λ, où V est la vitesse à détecter et λ la longueur d’onde utilisée). L’invention mettant en œuvre des longueurs d’onde comprises entre 3 µm et 14 µm, sa résolution temporelle est bien meilleure que celle des systèmes de type RIF. Cette bonne résolution temporelle permet en outre d’obtenir un grand nombre, typiquement plusieurs milliers, de franges d’interférence, par exemple un nombre de franges compris entre 5000 et 50 000 pour une vitesse de 8000m/s durant 10 µs, très largement supérieur au nombre de franges obtenues en technique RIF (laquelle permet d’en obtenir quelques dizaines, par exemple 50 dans les mêmes conditions). Le nombre de franges obtenues par un dispositif selon l’invention permet donc de réaliser un traitement par transformée de Fourier ou par ondelettes, ou avec deux phases, en vue de mesurer la vitesse d’un choc ou d’une détonation. On peut se reporter par exemple à l’article de Julien Devlaminck et al. « Digital signal processing for velocity measurements in dynamical material's behaviour studies », Rev. Sci. Instrum. 85, 035109 (2014), ou à l’article de de V.M. Bel’skii et al., intitulé “Microwave diagnostics of shock-wave and detonation processes”, paru dans Combustion, Explosion, and Shock Waves, Vol. 47, No. 6, pp. 639–650, (2011). La technique à 2 phases permet d'obtenir une mesure du déplacement ; le signal de déplacement peut ensuite être l'objet d'une dérivation pour obtenir la vitesse.
La fréquence Doppler d’un choc pouvant se propager à 8000 m/s (ordre de grandeur des valeurs couramment rencontrées sur les matériaux énergétiques dans lesquels a lieu un choc) est de 1,6 GHz à une longueur d’onde de 10 µm, ce qui est facilement enregistrable et la détection est possible avec la faible bande passante requise à cette longueur d’onde. Plus généralement, dans le cadre de la présente invention, on cherche à détecter des vitesses de chocs ou de détonations qui se produisent dans un matériau et qui sont comprises entre 5000 m/s et 10000 m/s ou des vitesses de surface entre 100 et 2000 m/s . La relativement faible fréquence Doppler qui est à détecter est due à la mise en œuvre d’une longueur d’onde assez élevée, comprise entre 3 µm et 14 µm.
Lorsqu’une mesure de vitesse est réalisée à l’aide d’un dispositif selon l’un des modes de réalisation de la présente invention, par exemple celui illustré en , un faisceau laser est produit par la source laser 2 et dirigé vers l’intérieur d’un échantillon de matériau 12. Comme expliqué ci-dessus, une partie 40 du faisceau produit par la source est également prélevée et envoyée vers le coupleur en vue d’interférer avec le faisceau qui est réfléchi par l’échantillon.
Par ailleurs, un choc est produit(s) dans ce dernier. Ce choc se propage dans la matière pendant une durée d’environ quelques µs, par exemple entre 1 µs et 10 µs. Le faisceau laser est réfléchi par le front de l’onde qui résulte du choc ou de la détonation et ce faisceau réfléchi est envoyé vers le circulateur 6 par l’intermédiaire de la fibre 8. Le circulateur envoie ce faisceau vers les moyens 16 de couplage où il interfère avec le signal 40, qui a été prélevé directement sur le faisceau en sortie de la source 2. Ces interférences sont détectées par les moyens de détection 10 et traités par les moyens 20 pour en déduire la vitesse du front de l’onde.
La représente une variante 1’ « hétérodyne » du dispositif selon l’invention : il comprend 2 sources laser 2, 2’. Les autres références numériques désignent des éléments identiques à ceux déjà décrits ci-dessus. Ce dispositif, le faisceau réfléchi par l’échantillon 12 interfère avec un faisceau 4’ d’une 2èmesource laser 2’. Les autres aspects et avantages décrits ci-dessus s’appliquent à cette variante du dispositif selon l’invention.
La représente une variante 1’’ d’un dispositif selon l’invention, avec traitement à 2 phases: des références numériques identiques à celles de la y désignent des mêmes éléments ; de plus, une lame demi-onde 18 permet de déphaser les deux signaux qui vont interférer et être détectés par les moyens 10’ (identiques ou similaires aux moyens 10 et déjà décrit ci-dessus). Les moyens 20 permettent ainsi d'obtenir une mesure du déplacement de la cible; le signal de déplacement peut ensuite être l'objet d'une dérivation, par exemple par les mêmes moyens 20, pour obtenir la vitesse; de ce point de vue, cette technique est moins favorable que celles qui mettent en oeuvre une transformée de Fourier ou un traitement par ondelette, lesquelles permettent d’obtenir directement la vitesse ou une estimation de celle-ci.
La représente une application d’un dispositif 1 selon l’invention mesure sur un nuage 22 de particules : des références numériques identiques à celles de la y désignent des mêmes éléments. Les autres aspects et avantages décrits ci-dessus s’appliquent à cette variante du dispositif selon l’invention.
De préférence encore, et comme illustré en , les moyens 14 de collimation sont disposés au plus près de la cible 22 pour éviter d’avoir une lame d’air et les réflexions parasites à la surface du collimateur et de la cible .
Les autres montages ou dispositifs 1’, 1’’ des figures 2 et 3 pourraient également être appliqués à une mesure sur un nuage 22 de particules.
Un dispositif 1, 1’, 1’’ selon l’invention, selon l’une quelconque de ses réalisations, s’applique également à la mesure de vitesses d’écoulement d’un fluide 50 circulant dans une canalisation (ou un tube ou un canal) 52. Dans cette application, le faisceau se réfléchit ou est diffusé, mais faiblement, sur les particules dans le fluide. Il traverse donc un tube 52 opaque dans le visible ou le proche Infra-rouge mais assez transparent dans le moyen Infra-rouge. Cette application est illustrée de manière schématique en ; la mesure est réalisée par effet Doppler, avec une haute résolution spatiale. La bonne résolution spatiale est-elle liée aux mêmes caractéristiques que celles qui ont été indiquées ci-dessus dans le cas de la détection de la vitesse d’un choc. La référence 14 désigne encore les moyens de collimation du faisceau incident.
Claims (16)
- Dispositif de mesure de vitesse, ou d’une distribution de vitesses, comportant :
- au moins une première source de rayonnement laser (2, 2’), qui émet un faisceau laser de longueur d’onde comprise entre 3 et 14 µm ;
- au moins une fibre optique (8) pour diriger un rayonnement produit par la première source laser, d’une première extrémité de la fibre à une deuxième extrémité de celle-ci ;
- des moyens (10) de détection, pour détecter un signal d’interférence entre au moins un faisceau émis (40) par une source laser (2, 2’) et un faisceau réfléchi ou diffusé par un échantillon ou objet;
- des moyens (20) de traitement, aptes à traiter le signal d’interférence et à calculer une vitesse de propagation, ou d’une distribution de vitesses, d’un échantillon ou objet sur lequel le faisceau incident a été réfléchi ou diffusé. - Dispositif selon la revendication 1, les moyens (10) de détection permettant de détecter un signal d’interférence entre au moins un faisceau émis (40) par la première source de rayonnement laser (2) et le faisceau réfléchi ou diffusé par un échantillon ou objet.
- Dispositif selon la revendication 1, les moyens (10) de détection permettant de détecter un signal d’interférence entre au moins un faisceau émis (40) par une deuxième source de rayonnement laser (2’) et le faisceau réfléchi ou diffusé par un échantillon ou objet.
- Dispositif selon l’une des revendications 1 à 3, la première et/ou la deuxième source (2, 2’) de rayonnement laser étant de type QCL (« Quantum Cascade Laser ») ou ICL (« Interband Cascade Laser ») ou une source laser continue, de préférence compacte.
- Dispositif selon l’une des revendications 1 à 4, la fibre (8) étant de type fibre monomode et/ou microstructurée ou à coeur creux.
- Dispositif selon l’une des revendications 1 à 4, la bande passante des moyens (10) de détection étant comprise entre environ 20 MHz et 2 GHz.
- Dispositif selon l’une des revendications 1 à 6, la première source de rayonnement laser et/ou la deuxième source de rayonnement laser produisant un faisceau dont le diamètre est inférieur à 3 mm.
- Dispositif selon l’une des revendications 1 à 7, comportant en outre des moyens (14) de collimation.
- Dispositif selon l’une des revendications 1 à 8, lesdits moyens (20) de traitement de signaux d’interférence étant aptes à réaliser au moins une transformée de Fourier glissante des signaux d’interférence ou une transformée par ondelettes.
- Dispositif selon l’une des revendications 1 à 8, comportant en outre des moyens pour déphaser une partie du faisceau émis (40) par une source laser (2, 2’) et une partie du faisceau réfléchi ou diffusé par un échantillon, des moyens (10’) pour détecter un signal d’interférence entre ces faisceaux, lesdits moyens (20) de traitement de signaux d’interférence étant aptes à réaliser au moins un traitement à deux phases.
- Procédé de mesure de vitesse, ou d’une distribution de vitesses, mettant en œuvre un dispositif selon l’une des revendications 1 à 10, dans lequel :
- la deuxième extrémité de la fibre optique (8) est dirigée vers un échantillon ou objet (12) à l’intérieur duquel une vitesse d’un déplacement, ou une distribution de vitesses de déplacements, est à détecter,
- le faisceau incident de la première source laser pénètre l’échantillon ou l’objet et se réfléchit ou est diffusé sur une partie intérieure de échantillon ou de l’objet, laquelle se déplace à vitesse V ou suivant une distribution de vitesses;
- le faisceau réfléchi ou diffusé et une partie du faisceau émis par la première ou la deuxième source laser forment des interférences détectées par les moyens (10) de détection ;
- la vitesse V, ou la distribution de vitesses, est calculée à partir desdites interférences. - Procédé selon la revendication 11, dans lequel un choc est produit(e) à l’intérieur de l’échantillon ou de l’objet, le faisceau laser incident se réfléchissant ou étant diffusé sur un front d’onde produit par le choc.
- Procédé selon la revendication 12, dans lequel l’échantillon ou l’objet comporte un matériau explosif tel que du TNT (ou trinitrotoluène, C7H5N3O6), ou du RDX (ou cyclo-triméthylène-trinitramine, C3H6N6O6), ou du HMX (ou cyclo-tétraméthylène-tétranitramine, C4H8N8O8) ou un matériau inerte.
- Procédé selon la revendication 11, dans lequel l’objet est ou comporte une canalisation ou un conduit ou un tube (52) à l’intérieur de laquelle ou duquel un fluide (50) se déplace, le faisceau laser incident se réfléchissant ou étant diffusé sur des particules en mouvement contenues dans le fluide.
- Procédé selon l’une des revendications 11 à 14, dans lequel la vitesse est calculée par transformée de Fourier du signal d’interférence ou par ondelettes ou par traitement avec 2 phases.
- Procédé selon l’une des revendications 11 à 15, dans lequel on dirige une pluralité de faisceaux laser vers l’échantillon ou l’objet.
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2022
- 2022-06-17 FR FR2205890A patent/FR3136860B1/fr active Active
-
2023
- 2023-06-08 WO PCT/FR2023/050817 patent/WO2023242498A1/fr unknown
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