Télémétrie par temps de vol
Si on mesure le temps que met la lumière pour aller jusqu’à un réflecteur sur la cible et revenir, alors on connaît la distance de la cible, car la vitesse de la lumière dans le vide a une valeur, 299 792 458 m/s, parfaitement définie du fait du choix des unités de longueur et de temps.
Cette télémétrie dite "de temps de vol" est utilisée depuis déjà plusieurs dizaines d’années. Elle permet de mesurer, avec une exactitude meilleure que le centimètre, la distance Terre-Lune, ou encore la distance de satellites en orbite basse.
Installations de télémétrie par temps de vol (Terre-satellite, Terre-Lune) du laboratoire GéoAzur, Observatoire de la Côte d’Azur.
Télémétrie par modulation de porteuse
Pour les résolutions nanométriques visées ici, nous développons des mesures de distance avec des faisceaux laser dont l’intensité est modulée à très haute cadence. L’effet physique utilisé (la propagation de la lumière à une vitesse finie et parfaitement connue) est le même que pour la télémétrie par temps de vol, mais la mesure peut être faite en permanence, sans attendre que le faisceau ait fait l’aller-retour : on peut donc en quelque sorte "accumuler" des données sans "perdre le temps" de l’aller-retour d’une impulsion lumineuse isolée.
La mesure ainsi obtenue n’est alors que la mesure de l’excédent fractionnaire du nombre de "longueurs d’onde synthétique" (la longueur d’onde synthétique s’écrit Lºc/F où F est la fréquence de la modulation et c la vitesse de la lumière). Si la mesure est réalisée à une fréquence F fixe, elle ne peut donner de résultat absolu (sauf pour les très petites distances, inférieures à L, ce qui n’est bien sûr pas notre objectif). Il faudra donc trouver ou reconstituer l’information manquante pour déterminer le nombre entier de longueurs d’onde synthétique.
Télémétrie par interférométrie homodyne
Elle repose sur l’interférence à deux ondes (comme, par exemple, dans l’interféromètre de Michelson ou plus. Comme dans le cas de la télémétrie par modulation, si le faisceau utilisé est un faisceau monochromatique de longueur d’onde fixe, on mesure un excédent fractionnaire. Comme la longueur d’onde optique est de l’ordre du micron, on atteint des résolutions nanométriques voire sub-nanométriques sur des déplacements. En revanche, il n’est a priori pas possible de réaliser une mesure absolue de distance par interférométrie sans faire varier la longueur d’onde du faisceau.
Les projets de télémétrie laser au sein d’ARTEMIS utilisent des faisceaux laser dont l’intensité est modulée.
- Le projet T2M a déjà permis d’obtenir un prototype de télémètre, en cours d’amélioration. Il repose sur la mesure de la fréquence de la modulation qui permet d’annuler la phase de propagation aller-retour jusqu’à la cible.
- Le projet Iliade est en cours de mise au point. Au contraire de T2M, il travaille à fréquence fixe : on mesure alors des phases dont on tire la distance. Iliade recourt à des mesures de temps de vol pour déterminer la distance absolue.
Même s’ils ne l’abordent pas de la même façon, les deux projets ont en commun de devoir faire face au problème des erreurs cycliques (voir le fichier correspondant), problème très classique en instrumentation.
Le montage du télémètre Iliade met en oeuvre simultanément une mesure d’interférence homodyne et une mesure de modulation.
Enfin signalons, bien qu’elle ne soit pas employée sur les projets T2M et Iliade d’ARTEMIS, la télémétrie hétérodyne :
La télémétrie hétérodyne utilise, comme la télémétrie homodyne, l’interférence entre deux faisceaux monomodes, mais les fréquences optiques des deux faisceaux F1 et F2 sont légèrement différentes. L’interférence est alors modulée temporellement, à la fréquence différence F1-F2 (typiquement quelques dizaines de MHz, voire quelques centaines) Cette modulation, appelée "battement" fournit une signature propre à l’interférence. Classiquement, la différence de fréquence est obtenue par un modulateur acousto-optique. Le schéma est alors le suivant :
Le principe de l’interférométrie hétérodyne peut être décliné de bien des façons, pour la mesure des déplacements, ou bien sûr des vitesses. Il est utilisé par exemple sur la balance du Watt, qui vise à remplacer le kilogramme étalon, pour lequel il est nécessaire de maîtriser la vitesse du fléau de la balance avec une très grande exactitude. Sur cet instrument, l’interférence hétérodyne est employée pour asservir la vitesse du fléau de la balance à être une fraction entière connue de la vitesse de la lumière.
