Mesures hectométriques par interférométrie à longueur d’onde synthétique

Journées Télémétrie Laser

20 & 21 octobre 2011

Observatoire de la Côte d’azur, Nice.2011

Sheherazade Azouigui, Thomas Badr, Patrick Juncar, Marc Himbert,Jean-Pierre Wallerand

LCM LNE-CNAM (Laboratoire Commun de Métrologie LNE-CNAM)

Journées Télémétrie Laser, 20 & 21 octobre 2011, Observatoire de Nice 2

1 Cadre de ce travail

2 Principe de l’interférométrie à longueur d’onde synthétique et montage

3 Comparaison en extérieur au FGI (Nummela, Finland) (v1 version)

4 Validation en intérieur au VSL (Delft, Netherlands) (v2 version)

5 Comparaison en extérieur au BEV (Innsbruck, Austria) (v2 version)

6 Conclusions et suite

OUTLINE

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FRAMEWORK OF THE WORK

EMRP-JRP « Long distance »

Aim: improve state of the art in distance measurement in air

Effective air index measurement

Optical phase shift measurement

Spectroscopy

Dispersion

Distance measurement

Synthetic wavelength

Beat frequency

Pulse pulse interferometry

2

,,,, 2 COair xOHTpfn

L / L 10-7

nL

4

EURAMET

10-6/K RH 4%

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)2

cos(11

DS

2

M1

S

M2

1

D

Two-wavelength interferometry

)/( 12 cs

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THE SETUP

OPTICAL SETUP

LASER HEAD

MEASUREMENT HEAD

f1

1+f1

2+f2

YAG1 AO

MA

OM

f2

1

2

BS

BS

YAG2

BS

BS

Synthesizer

PZTIR

IR

High-speed PD

Frequency Counter

FI B B

FI B A

SW generation system

M

PDprobe

CC

PDref

BS

BS

BSBS

Measurement system

Beamexpander

Lens-Pinhole

Detectionsystem

BS

(20 GHz)

Signaux à f1 & f2 : 2 interféromètres hétérodynesAprès élévation au carré: signal à f1-f2

Interféromètre superhétérodyne

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f3=119.99 MHz

SYSTEME D’ACQUISITION

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LE TELEMETRE

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OUTDOOR COMPARISON AT NUMMELA BASELINE

6 benchmark bolts in underground concrete pillars

at 0, 24, 72, 216, 432 and 864 m (± 0.08 mm)

Nummela Standard Baseline – September 2010

-1200

-1100

-1000

-900

-800

-700

-600

-500

-400

-300

-200

-100

0

100

200

300

400

500

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

Measured distance (m)

Acc

ura

cy (

µm

)

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0

1

10

100

1 10 100 1000

Averaging time (s)

Alla

n d

ista

nc

e d

ev

iati

on

(µ

m)

RESOLUTION OF THE SYSTEM

D ~ 50 m

SW ~ 7.5 mm

~ 5 µm @T=1 s

~ 2 µm @T=10 s

~ 0.7 µm @T=60 s

Fringe interpolation ~ 2/1000 @ T=1 s

~ 2/5000 @ T=60 s

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INDOOR COMPARISON

Displacement bench of 50 m but only 25 m available

Using a classical optical system (fringe counting) as the reference system

Spindler & Hoyer, He-Ne laser-based interferometer

Agreement ~5-10 m

VSL – April 2011

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OUTDOOR COMPARISON AT BEV BASELINE

BEV BASELINE – MAY 2011

Difficult location close to the motorway

Very busy traffic

Very sunny days

Measurements only possible during 3 evenings

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OUTDOOR COMPARISON AT BEV BASELINE

BEV BASELINE – MAY 2011

Pillar 3 – Pillar 1 : D=120.03612 ±0.21mm (FGI – Sept. 2008)

Reproducibility without touching the tribrack and level: ~20µm

Reproducibility with only moving the holder on the tribrack : ~25 µm

Reproducibility with moving the tribrack, centring and levelling adjustment: ~180 µm

No possibility to state the accuracy at better than 210 µm

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CONCLUSION

Distancemeter with micrometer resolution

Accuracy better than 10 µm (could be improved by considering electronic crosstalk)

Outdoor with quiet environment, demonstration of measurements over 864 m

Reproducibility of 20 µm demonstrated over 120 m

Difficult to use with « very » perturbated atmosphere

Still limited by temperature measurement for long distances (target uncertainty not reach)

Possibility to include dispersion temperature measurements with YAG lasers (PTB already demonstrated over 100 m)

“Transportable distance measurement system based on superheterodyne interferometry using two phase-locked frequency-doubled Nd:YAG lasers”, S. Azouigui,T. Badr, J.-P. Wallerand, M. Himbert, J. Salgado and P. Juncar REVIEW OF SCIENTIFIC INSTRUMENTS 81, 053112 (2010)

“Transportable Distance Measurement System for Long-Range Applications”, Shéhérazade Azouigui, Thomas Badr, Jean-Pierre Wallerand, Marc Himbert, José-Antonio Salgado, Jean-Paul Senelaer, Frédéric Kwasnik, and Patrick Juncar IEEE TRANSACTIONS ON INSTRUMENTATION AND MEASUREMENT, VOL. 60, NO. 7, JULY 2011

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Mise en place d’un système de mesure de déphasage du battement entre les deux lasers verts:

EN COURS

Tête laser

10 GHz

10 GHz+50 kHzLO

RF

10 GHz

10 GHz

50 kHz

Idem pour PDref50 kHz

DAQ

meas

ref PC

Premier résultat résolution 0.02° sur ~500 ms.(~1µm pour 10 GHz)

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Compensation partielle de l’indice de l’air:

Mesure de température par mesure de distance L à 2 longueurs d’onde (532 nm et 1064 nm)

Ln1 = L01 Ln2 = L02

Pour de l’air sec, on montre que: L = L01 − A(L02 − L01) (A fonction uniquement de 01 et 02)

Pour de l’air humide, on a une relation plus complexe qui suppose une mesure de l’humidité (et du taux de CO2)

Déjà démontré jusqu’à 100 m par longueur d’onde synthétique (PTB, Allemagne)

“Refractive index determination in length measurement by two-colour interferometry”, Karl Meiners-Hagen and Ahmed Abou-Zeid, Meas. Sci. Technol. 19 (2008) 084004 (5pp)

A FAIRE RAPIDEMENT

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This research was in part funded by the European Community’s Seventh Framework Programme ERA-NET Plus, under grant agreement 217257. The research was performed within the EURAMET joint research project ‘Absolute Long-distance Measurement in Air’.