Conception et optimisation d'un télémètre laser multi-cibles à balayage de longueur d'onde

par Luc Perret

Thèse de doctorat en Electronique,Electrotechnique et Automatique.Optique et laser, Optoélectronique

Sous la direction de Ayoub Chakari.

Soutenue en 2007

à Strasbourg 1 .


  • Résumé

    Cette thèse se situe dans la lignée d’un projet de télémètre à balayage de longueur d’onde de grande précision sur une grande plage de distances, et capable de mesurer simultanément deux cibles, voire plus, avec la même performance. Les objectifs de cette thèse étaient l’amélioration de la résolution pour atteindre une Incertitude Relative à 1σ de 10-6, puis le test du système avec deux cibles simultanées dans diverses configurations, notamment pour déterminer la séparabilité. Les limitations possibles sur la résolution finale d’un tel système sont principalement les turbulences et vibrations sur la différence de marche (ddm) cible au cours d’une mesure, ainsi que le choix du traitement, pour la résolution ; la stabilité thermique et la dispersion dans l’interféromètre de référence pour la précision et la répétabilité. L’interféromètre de référence est un Mach-Zehnder avec deux fibres optiques dont les revêtements ont un comportement thermique différent (acrylate et cuivre). Le Mach-Zehnder athermal réalisé présente une ddm de 1m et une variation relative de l’ordre de quelques 10-7 par degré sur une plage de 10 à 40°C, soit un gain d’un facteur 30 par rapport à un Mach-Zehnder entièrement en fibre à revêtement en acrylate. L’analyse du balayage en longueur d’onde a fait apparaître la présence de non-linéarités d’amplitude assez importante mais quasi – périodiques, que nous avons simulé par une somme de sinusoïdes. Nous avons souligné ainsi l’importance de plusieurs paramètres pour un traitement par Transformée de Fourier (TTF), comme la largeur du filtre fréquentiel, l’amplitude et la fréquence des non-linéarités, et la ddm de référence. Expérimentalement, nous avons pu obtenir des Incertitudes Relatives à 1σ de l’ordre de 10-6 pour des distances de 1 à 20m, pour une ou deux cibles simultanées, par TTF. Cependant les non-linéarités limitent sérieusement la séparabilité de deux cibles avec ce traitement. Un échantillonnage non-uniforme sur les passages à zéro du signal référence permet de décorréler les spectres de deux cibles séparées de 1mm, avec une Incertitude Relative à 1σ de l’ordre de 10-6 par TTF, c’est-à-dire sans dégradation de la résolution pour chaque distance. Il permet aussi d’améliorer la résolution d’une méthode paramétrique autorégressive, mais celle-ci reste inférieure à la TTF. En contrepartie, il limite les distances mesurables en fonction de la différence de marche du Mach-Zehnder de référence.

  • Titre traduit

    Conception and optimization of a multi-target wavelength-sweeping laser range finder


  • Résumé

    This thesis is inserted in the project of a multi-target range finder using a wavelength sweeping laser source, able to measure simultaneous targets on a wide range of distances with a high accuracy. The goals of this work were to reach a Relative Uncertainty at 1σ of 10-6 and to adapt the system in a two-target configuration, particularly to test its separability. The possible limitations on the final resolution of such a system are mainly the turbulences and vibrations on the target Optical Path Difference (OPD) during one measurement, and the choice of the signal processing, concerning the resolution; the thermal stability and the dispersion in the reference interferometer concerning the accuracy and repeatability. The reference interferometer is a Mach-Zehnder with two optical fibers whose coatings have a different thermal behaviour (acrylate and copper). The athermal Mach-Zehnder that we realised presents an OPD of 1m and a relative variation of the order of some 10-7 per degree on a 10 to 40°C range, that is, a gain of a factor 30 compared to a Mach-Zehnder entirely in acrylate-coated fiber. The analysis of the wavelength scanning showed the presence of nonlinearities with a quite important amplitude but quasi – periodical, that we simulated by a sum of sinusoids. Thus we underlined the importance of several parameters for a Fourier Transform technique (FTT), such as the frequency filter width, the nonlinearities amplitude and frequency, and the reference OPD. Experimentally, we obtained Relative Uncertainties at 1σ of the order of 10-6 for distances between 1 and 20m, for one or two simultaneous targets, with the FTT. However, the nonlinearities seriously limit the separability of two targets with this processing. A non-uniform sampling on the zero crossings of the reference signal allows the decorrelation of the spectra for two targets separated by 1mm, with a Relative Uncertainty at 1σ of the order of 10-6 with the FTT, which means without degradation of the resolution for each distance. It allows too the improvement of the resolution of an autoregressive parametric method, but this one stay inferior to the FTT. On the other hand, it limits the measurable distances as a function of the reference Mach-Zehnder OPD.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (117 p.)
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Bibliogr. p. 111-115

Où se trouve cette thèse ?

  • Bibliothèque : Université de Strasbourg. Service commun de la documentation. Bibliothèque Danièle Huet-Weiller.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : Th.Strbg.Sc.2007;5518
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