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)
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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’.