École Doctorale Mathématiques, Sciences de l'Information et de l'Ingénieur THÈSE

Laboratoire des Systèmes Photoniques EA3426
N° d’ordre : 5518
École Doctorale Mathématiques, Sciences de
l'Information et de l'Ingénieur
ULP – INSA – ENGEES
THÈSE
présentée pour obtenir le grade de
Docteur de l’Université Louis Pasteur – Strasbourg I
Discipline : Electronique, Electrotechnique et Automatique
(Spécialité Photonique)
par
Luc Perret
Conception et optimisation d’un télémètre laser multi-
cibles à balayage de longueur d’onde.
Soutenue publiquement le 23 novembre 2007
Membres du jury
Directeur de thèse : M. Ayoub Chakari, Maître de Conférence – HDR,
ENSPS
Rapporteur interne : M. Joël Fontaine, Professeur, INSA de Strasbourg
Rapporteur externe : M. Yasser Alayli, Professeur, Université de
Versailles – Saint Quentin
Rapporteur externe : M. Yves Salvadé, Professeur, Haute Ecole Arc -
Ingénierie
Examinateur (encadrant) : M. Pierre Pfeiffer, Maître de Conférence, ENSPS

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Remerciements
Mes premiers remerciements sont pour Ayoub Chakari, mon directeur de thèse, pour
ses conseils et ses encouragements, et Pierre Pfeiffer mon encadrant, envers qui je suis très
reconnaissant pour la confiance qu’il m’a témoigné tout au long de la thèse et pour sa
disponibilité et son implication.
Je remercie également MM. Yasser Alayli, Yves Salvadé et Joël Fontaine de me faire
l’honneur de participer à mon jury de thèse en tant que rapporteurs.
Je tiens à exprimer ma reconnaissance aux membres du Laboratoires des Systèmes
Photoniques, doctorants, post-doctorants et permanents pour leur accueil et leur soutien au
quotidien. En particulier, je remercie Yoshitate Takakura pour sa disponibilité et ses
nombreux conseils, ainsi que Thierry Engel et les membres de l’INSA qui m’ont accueilli
pour des vacations. Enfin, je salue Bertrand Pécheux et Rabah Mokdad, mes prédécesseurs
sur ce projet, pour leur travail et les conseils qu’ils ont pu me donner lors de nos quelques
rencontres.
Cette thèse a été financée par une bourse de recherche du Conseil Régional d’Alsace.
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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.
Mots-clés : métrologie des distances absolues, interférométrie, laser accordable, analyse de
franges, fibres optiques, compensation thermique.
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Title: Conception and optimization of a multi-target wavelength-
sweeping laser range finder.
Abstract
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 with the FTT for two targets separated by 1mm, with a Relative Uncertainty at 1σ of
the order of 10-6, 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 stays inferior to the FTT. On the other hand, it limits the measurable distances as a
function of the reference Mach-Zehnder OPD.
Keywords: absolute distance metrology, interferometry, tunable laser, fringe analysis, optical
fibers, thermal compensation.
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