Etude théorique et expérimentale de la vibrométrie laser à longue distance par lidar cohérent

Abstract

La mesure sans contact et à grande distance de vibrations de faible amplitude (de l'ordre du micromètre) est un besoin grandissant dans le monde industriel, tant dans le domaine civil pour étudier l'intégrité de structures, que dans le domaine militaire afin de réaliser l identification de cibles. Les lidars à détection cohérente hétérodyne (ou lidars cohérents) permettent la mesure de vitesse de vibration jusqu à quelques micromètres par seconde, à plusieurs kilomètres, voire plusieurs dizaines de kilomètres de distance. Leur principe est de mesurer le décalage fréquentiel de l onde laser dû à l effet Doppler subi lors de la rétrodiffusion sur une cible vibrante. La problématique scientifique des travaux exposés dans ce mémoire est la conception d'un vibromètre laser capable de mesurer ces faibles vitesses de vibration à grande distance sur des cibles non coopératives. Une étude théorique et expérimentale est menée, concernant, en particulier, les bruits affectant la mesure de vibration par lidar, ainsi que le couplage entre la tache laser et la répartition des modes de vibration sur la surface de la cible. Un simulateur de la mesure, validé en comparant les mesures expérimentales sur une maquette d'avion avec les mesures simulées, permet de déterminer les performances du système. Puis la capacité de mesure des lidars cohérents est démontrée expérimentalement, à partir d'une architecture lidar fibrée à 1,5 micromètre, sur des cibles en vol à 2,5 km, ainsi que par des mesures très basses fréquences sur bâtiments. Enfin, la possibilité de compensation des vibrations propres de la plateforme en vue d'embarquer le vibromètre laser sur un porteur mobile est étudiée.Remote sensing of very low amplitude (few micrometers) vibration at long range is a growing need in the industry, both in the civilian sector to study the integrity of structure, and in the military sector to achieve target identification. Coherent lidars allow the measure of vibration speed around some micrometers per second at a range of several kilometers or even dozens of kilometres. They are based on the measure of the frequency shift due to Doppler effect suffered when backscattering on a moving target occurs. The scientific issue of the work reported in this thesis is to design a laser vibrometer measuring these low vibration speeds of non-cooperative targets at long range. A theoretical and experimental study is conducted, more particularly about the noise affecting the measure, and the coupling between the laser spot and the vibration patterns on the surface of the target. A simulator of the measure, validated by comparing experimental measurements on a model airplane with simulated measurements, is built to determine the system performance. Then the experimental demonstration of the ability of coherent lidar to perform long range and high sensitivity measurements is made on flying targets at 2.5 km, and by very low frequency measures on buildings, using a 1.55 micron all fibered lidar. Finally, the compensation of own platform vibration is studied in order to board the laser vibrometer on a moving carrier.ORSAY-PARIS 11-BU Sciences (914712101) / SudocSudocFranceF