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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58G

-EN

JOURNEES DE TELEMETRIE LASEROCA – 20&21/10/2011

Laser stabilisé et mesure de déplacement.

Applications spatialesD. Scheidel

Thales Alenia Space – [email protected]

1

2/20/2009, Thales Alenia SpaceAll rights reserved,

2/20/2009, Thales Alenia Space

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All rights reserved,JOURNEES DE TELEMETRIE LASEROCA – 20&21/10/2011

L’utilisation d’un laser stabilisé s’avère indispensable pour la mesure de distance ou de L’utilisation d’un laser stabilisé s’avère indispensable pour la mesure de distance ou de déplacement à haute résolution.déplacement à haute résolution.

L’exposé aborde la problématique du laser dans le contexte des applications spatiales que ce L’exposé aborde la problématique du laser dans le contexte des applications spatiales que ce soit pour des mesures intra-satellite ou inter-satellites.soit pour des mesures intra-satellite ou inter-satellites.

Deux applications de métrologie de déplacement sont présentées en fin d’exposé, elles Deux applications de métrologie de déplacement sont présentées en fin d’exposé, elles nécessitent toutes deux une stabilité relative de la source entre 10nécessitent toutes deux une stabilité relative de la source entre 10 -10-10 et 10 et 10-8-8……

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


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Historique

IASIIASI Besoin d’un laser stabilisé pour la synchronisation de l’interféromètre IASI*:

Echantillonnage à OPD (Optical Path Difference) constant, c’est donc une métrologie de déplacement sur une courte plage (4 Cm).

En phase A de l’instrument, premières études CNES d’un laser stabilisé de qq mW à 1,55µm. Le principe retenu consiste à asservir une diode laser DFB sur une raie d’un gaz de référence. Mise en place du principe de la stabilisation, recherche de composants, évaluation de tenue

aux environnements spatiaux. Réalisation d’une première maquette sol contrôlée par CPU.

En phase B de IASI, reprise de design par l’industrie avec prise en compte des contraintes de l’instrument:

Spatialisation, Suppression de logiciel embarqué (contrainte d’observabilité, de modification en vol, etc.)

Réalisation d’une nouvelle maquette qui sera utilisée sur le prototype de l’interféromètre IASI à Cannes.

En phase CD, réalisation d’un modèle de qualification et de 6 FM’s (2 par FM IASI). En vol depuis plus près de 5 ans sur METOP-A, prochain tir avec METOP-B en Avril 2012 .

* Infrared Atmospheric Sounding Interferometer monté sur METOP* Infrared Atmospheric Sounding Interferometer monté sur METOP


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Principe de la source stabilisée

Choix de la diode laser DFB Choix de la diode laser DFB (Distributed Feedback single mode laser)(Distributed Feedback single mode laser) Besoin d’une 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 d’un programme d’évaluation spécifique.

Choix d’une diode laser DBF d’origine télécommunicationChoix d’une diode laser DBF d’origine 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 DBFPrincipe de la source stabilisée: Double asservissement de la diode laser DBF1. 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 6,5.10-5 /°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 3,2.10-6 /mA à 1,55µm.

Boucles indépendantes.


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Principe de la source stabilisée

La référenceLa référence

Le référence de longueur d’onde est fournie par une cellule à gaz rempli d’acétylène 13C2H2.

Ce gaz, à faible pressions, présente de nombreuses raie d’absorption dans la bande 1,55µm. Largeur typique à ½ hauteur est de 600MHz.

Le contrôle actif de la source exploite l’écart entre l’émission de la diode laser et la raie Doppler visée: C’est le signal d’erreur.

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

1,52600 1,52800 1,53000 1,53200 1,53400 1,53600 1,53800 1,54000 1,54200 1,54400 1,54600 1,54800

Tra

nsm

issi

on

0 Mhz

200 Mhz

400 Mhz

600 Mhz

800 Mhz

1000 Mhz

1200 Mhz

1400 Mhz

1600 Mhz

1800 Mhz

dF

/IA

SI

Cellule

Raie IASI

Raie SL

Limite asservissement

dF

Limite mesure

Raies principales entre 1,526 et 1,548µm.

Les raies les plus intéressantes sont : Les plus fines, Celles présentant une forte absorption

(>50%)…


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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,

Ap est l’amplitude de la porteuse.

Signal d’erreur

Le signal d’erreur est utilisé pourLe signal d’erreur est utilisé pour La phase d’initialisation de la source qui consiste à fixer « approximativement » la

température de travail de la diode (± 10mK),

L’asservissement fin en mode synchronisé.

Elaboration du signal d’erreurElaboration du signal d’erreur 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 d’émission F0 ± f

ttCosAm

ttCosAm

tCosA mpp

mpp

pp ..2

...

2

.).(.


Page 7


Signal d’erreur

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 l’amplitude

est proportionnelle à la différence des bandes latérales

détectées.

Nota: si f 0 alors le signal d’erreur est la dérivée de la raie.

Raie visée

Spectre laser

Sortie cellule

Démodulation RFSignal d ’erreur

Températureou courant


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Signal d’erreur

0,5

0,51

0,52

0,53

0,54

0,55

0,56

0,57

0,58

0,59

0,6

0,61

250 300 350 400 450 500 550 600 650

Fréquence modulation (MHz)

Am

plit

ud

e re

lati

ve s

ign

al E

rr

0,0000

0,0005

0,0010

0,0015

0,0020

0,0025

0,0030

Pen

te s

ign

al E

rr e

n f

on

d d

e ra

ie

Amplitude Err

|Pente|

En pratique la fréquence de modulation f est un compromis entre amplitude du signal d’erreur (bruit sur signal d’erreur) et la pente autour de 0 (gain de la correction).

Nota: il n’y a pas de signal d’erreur loin de la raie…

Important de maximiser la pente plutôt que l’amplitude…

L’optimum pente/amplitude se situe à environ largeur de raie/2 (raie Gaussienne), soit environ 350±30MHz pour les raies de l’acétylène.

Nota: La stabilité fréquentielle de la source RF n’est pas très critique.

Raie 600MHz / RF 320MHz

-1

-0,8

-0,6

-0,4

-0,2

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

-1500 -1000 -500 0 500 1000 1500

Ecart à la raie (MHz)

Sig

nal

d'e

rreu

r / R

aie

gaz


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Mise en œuvre de la source

La phase d’initialisation

Consiste à rechercher la température de

travail de la diode laser, c’est-à-dire dans la

plage de « capture » par la boucle de courant

I0 ± 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 d’erreur. Nota: Le nombre de raies dans la plage atteignable

est limité.

Dans l’exemple 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 d’erreur.

Balayage en température, réponse DCLow en volts

y = 0,0326x + 0,0756

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

12 14 16 18 20 22 24

Mesures

Reponse redressée

Linéaire (Mesures)

Signal d'erreur (unité arbitraire)

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

12 14 16 18 20 22 24


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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 d’erreur.

• Echec si aucune transition détectée à T4.

Asservissement à T=(T2+T3)/2

• Attente stabilisation

Fermeture de la boucle de régulation en courant, L’asservissement est maintenant verrouillé.

Processus géré par le calculateur externe.

Uerr , laser fermé , pas de lissage

-2

-1,5

-1

-0,5

0

0,5

1

1,5

2

19,5°C 19,6°C 19,7°C 19,8°C

Enregistrement du 10/02/2010 16:22:36Température carte laser:21,7

"Log_Test_Laser100210_162236.log"

E+E-

Temperature

Flock

T0

T1 T2

T3 T4

T


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Laser stabilisé

Le laser stabiliséLe laser stabilisé


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Synoptique source laser

RFoscillator

LP

80 / 20

IsolatorCoupler

C H2 2

Temperature

control loop

T°

12 bits

Current

ML16 / DS16 interface

T°

Reg

Reg

Filteredconnector

+12V

-12V

+5V

-5V

+12V

-12V

DAC

+5V RF, Analog

-5V RF, Analog

T°

control

Optical output

P_low D+

Delta

D-

8 MSB

4 LSB

H/L F_lockIminImax

DFB_On

Tordrer E+ E- REDC_Low

Secondary power supplyLaser TM / TCLaser temperature monitoring

Sensibilité en ~1mV / MHz Signal d’erreur typique ±215mV Seuils ±E typiques à ±100mV soit ±100MHz environ


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Source laser

Le laser est réalisé en deux partiesLe 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) L’oscillateur 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 l’aide de composants issus des télécommunications.

Nouvelle diode laser

Nouveau detecteur

Cellule

Coupleur

Fibre MP

Fibre multimode

Isolateur

Epissure


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Source laser

Aspect technologiqueAspect technologique Electronique relativement classique (choix limité pour une utilisation spatiale), les deux

boucles de régulation sont analogiques et indépendantes.

La partie RF s’avère 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.

D’un amplificateur RF en sortie de photorécepteur, Du mélangeur RF de démodulation. D’une ligne à retard ajustable permettant de maximiser le signal d’erreur 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 l’obtention du signal d’erreur propre et sans offset (source de dérives potentielles).


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Performances

Performance du laser senseur longitudinalPerformance 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 performance 14 à 26°C Puissance optique sortie laser 41mW Volume 242 x 222 x 50 mm3

Consommation 7,5W Masse 2Kg Longueur d’onde théorique 1542,42nm Stabilité de fréquence relative 5.10-11 sur 1000s Largeur de raie < 450kHz

Caractérisation de la source au LNE (SYRTE)


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Applications spatiales

Synchronisation (exemple interféromètre IASI)Synchronisation (exemple interféromètre IASI) Injection du laser dans l’interféromètre 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


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Senseur longitudinalSenseur longitudinal Action R&T CNES 2010 Capteur de déplacement permettant de verrouiller une

distance inter-vaisseaux selon l’axe longitudinal en utilisant un système interférométrique.

Développement d’un 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 d’OPD pour un trajet optique total de 500m

Connaissance et stabilité laser à mieux que 10-10

Besoin de puissance de l’ordre de 45mW Maintien de polarisation imposé par la nécessité de

connaître le signe du déplacement.

Applications spatiales - Senseur longitudinal

Capot retiré pour la photo


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Senseur longitudinalSenseur longitudinal Tête optique (invar/zerodur) compatible cryogénie

(montage potentiel sur instrument IR entre 120K à 200K) Stabilité thermique tête optique ±1K

Utilisation d’un interféromètre homodyne Utilisation d’un interféromètre homodyne Le bras de référence est interne à l’interféromètre Le bras de mesure est la distance entre la tête optique et

le réflecteur situé sur le second satellite.

45°

S

T

45°

S

T

45°

S

T

45°

S

T

45°

S

T

Détermination du sens de déplacementDétermination 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.-1,5

-1

-0,5

0

0,5

1

1,5

0 50 100 150 200 250 300

T

Sig

na

ux

no

rmé

s

0 nm

200 nm

400 nm

600 nm

800 nm

1000 nm

1200 nm

1400 nm

1600 nmT S Déplacement



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Traitement des signauxTraitement des signaux Comptage / décomptage des franges à 750nm, Mesure de phase limitée par SNR.

Bruit de mesure fonction du SNR

0

10

20

30

40

50

60

70

80

1 10 100

1000SNR

Bru

it m

esu

re (

nm

)

La calibration, consiste à mesurer La calibration, consiste à mesurer périodiquement:périodiquement:

L’amplitude des signaux (franges), Les offsets (ligne de base et offsets

électroniques) , L’erreur de quadrature entre A et B. De façon à corriger les signaux avant

extraction de la phase.



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Principe calibrationPrincipe calibration Acquisition de N couples A, B dispersés sur au moins 3π/2.

Ajustement d’une ellipse dans le nuage de point (moindres carrés des distances entre points et ellipse).

… les paramètres de l’ellipse donnent gains, offsets et erreur de quadrature, ce qui permet de corriger les signaux.

Acquisition des points de calibrationAcquisition 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.


Résolution démontréeRésolution démontrée ~ 100pm @ 250m Distance simulée, car infaisable en conditions sol…


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Applications spatiales – Mesure 3D

Interféromètre MTG*Interféromètre MTG* Acquisition des interferogrammes (matrice 160x160) à T

constant. L’écart en OPD n’est 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* Meteosat Third Generation

Corner Cubes

SP & CP plates

Folding mirror

Back Telescope oputput

Front Telescope oputput

Corner Cubes

SP & CP plates

Folding mirror

Time

TimeOPD

ZPD


Page 22



1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 Effective sampling OPD scale

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 Ideal sampling OPD scale

OPD

Signal

Acquired interferogram

PrincipePrincipe Mesure de l’OPD lors de l’acquisition de chaque

échantillon de l’interférogramme. 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 l’interférogramme, elle devient donc absolue.

Ne fonctionne qu’en un point du champ, là ou la mesure d’OPD est faite…

Pour chaque échantillon de l’interférogramme 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.

u

v

IRS FoV

Metrological beam directions angle

Max Max

Max

Max

Met

1 2

3

u

v

IRS FoV


Max Max

Max

Max

Met

u

v

IRS FoV


Max Max

Max

Max

Met

u

v

IRS FoV


Max Max

Max

Max

Met

1 2

3


Page 23



En pratiqueEn pratique Laser à maintient de polarisation (1.55 ou 1.064µm) Puissance de qq mW Injection de trois faisceaux dans l’interféromètre

Stabilité angulaire inter-faisceaux ~ 5µrad Stabilité de l’ensemble des trois faisceaux ~ 20µrad

Polarisation circulaire à l’injection Lame ¼ d’onde dans un des bras de l’instrument Pour chaque faisceau en sortie de l’instrument

Séparation des polarisations Détection et amplification

Acquisition synchrone avec les données science (vidéo) Traitement à bord en continu… durant 8,5ans

/4 plate

Cc 2

Cc 1

CPCP

Metrology Folding mirrors

SP

/4 plate

Cc 2

Cc 1

CPCP

Metrology Folding mirrors

SP


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Merci pour votre attention…Merci pour votre attention…

Documents

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