Contexte technologique de la défense et de la sécurité

 La détection infrarouge

Contexte technologique de la défense et de la sécurité 

L’atmosphère présente plusieurs fenêtres de transparence dans le domaine infrarouge. Celles-ci sont toutes utilisées pour des applications de défense et de sécurité. Elles sont classiquement divisées en 3 fenêtres d’intérêts (Figure 1-1) : la bande I entre 1,5 et 2,5 µm, la bande II entre 3 et 5 µm et la bande III entre 8 et 12 µm. Ces 3 bandes sont par exemple utilisées en imagerie passive, pour la vision nocturne, ou dans les autodirecteurs de missiles qui suivent la chaleur émise par les cibles, en bande II ou III.

Cette thèse s’intéresse plus particulièrement aux applications de détection actives où un laser d’éclairement est utilisé et le signal réfléchi ou rétrodiffusé est détecté en retour. Là encore, les 3 bandes sont utilisées pour des applications diverses. De nombreux progrès ont été effectués ces dernières années sur les sources d’émission laser infrarouge. Les lasers à fibres deviennent de plus en plus performants en bande I [1], avec les développements des fibres dopées erbium, fonctionnant autour de 1,5 µm [2, 3] et des fibres dopées thulium émettant entre 1,9 et 2 µm [4, 5, 6, 7]. Plus loin dans l’infrarouge, les OPOs à base de cristaux d’OP-GaAs [8] ou ZGP [9] par exemple permettent d’obtenir des puissances relativement importantes, enfin la montée en puissance des lasers à cascade quantique (QCL) [10] ouvre des perspectives applicatives intéressantes.

Les 4 classes de systèmes optroniques

Il existe 4 grandes classes de systèmes optroniques tels que présentés Figure 1-2 :
– Les systèmes passifs détectent le rayonnement de la scène, émis par la scène ellemême ou éclairée par une source externe (soleil). Ces systèmes sont utilisés pour observer une scène et pour la poursuite de cible.
– Les systèmes semi-actifs utilisent des moyens d’éclairement artificiels extérieurs pour des applications de poursuite de cibles et d’écartométrie – qui consiste à mesurer l’écart angulaire entre un point de visée et la direction de déplacement d’un missile par exemple. Ici, le système d’éclairement et le système de détection sont indépendants.
– Les systèmes actifs utilisent des moyens d’illumination artificiels (lampes, flashs, DEL ou laser) pour éclairer une scène et une voie de réception dédiée pour la détection. Les systèmes actifs utilisant des lasers d’éclairement et une réception dédiée sont au cœur de cette thèse et sont développés plus loin.
– Les systèmes de point à point sur ligne de visée utilisent une source d’illumination artificielle pour éclairer directement un moyen de détection. C’est le type de systèmes utilisés par exemple en télécommunication optique en espace libre.

Historique de l’imagerie active

La première publication moderne introduisant un système d’imagerie active date de 1966 et introduit les concepts de vision de nuit avec détection à crénelage temporel [11]. A Thales Research & Technology (ex Laboratoire Central de Recherche de Thomson-CSF) le premier prototype d’imageur actif a été développé en 1972 par J. P. Fouilloy et G. Creel pour des applications de vision de nuit de missiles anti-char (Figure 1-3 (a)). Il utilisait un empilement de 180 diodes laser, délivrant 500 W de puissance crête à 800 nm et un tube à intensificateur de lumière à galette de microcanaux comme détecteur. La Figure 1-3 (c) en imagerie active fait apparaitre le char qui n’est pas visible sur la Figure 1-3 (b) passive, d’où l’intérêt opérationnel de l’imagerie active.

D’autres développements dans les années 70 ont montré l’intérêt des systèmes d’imagerie actifs, comme à la SAT (Société Anonyme de Télécommunication) en 1977 où un système d’imagerie à balayage fonctionnant avec un laser à CO2 à 10,6 µm a permis de visualiser des câbles dans une scène qui n’étaient pas visibles en imagerie passive visible et infra-rouge (Figure 1-4).

Malgré ces développements réussis datant de plus de 40 ans, peu de systèmes utilisent actuellement ces concepts d’imagerie active. Les sections suivantes dressent un état de l’art plus récent de ces techniques.

Applications de l’imagerie active et de la télémétrie

Les applications en bande I sont nombreuses car elles bénéficient des propriétés de sécurité oculaire de la bande de 1,53 à 1,58 µm. L’inconvénient récurent rapporté par les opérationnels des techniques actives est sa furtivité limité, une source d’illumination puissante étant nécessaire pour éclairer une scène. La position de l’utilisateur peut alors être facilement déterminée. Cependant, les avantages apportés sont loin d’être négligeables.

Les fonctions de télémétrie sont indispensables d’un point de vue opérationnel. Une impulsion laser est émise, réfléchie par la cible et revient jusqu’à l’observateur. Le temps d’aller-retour de l’impulsion renseigne sur la distance de la cible. C’est actuellement le seul moyen de connaître précisément la distance d’une cible [12]. Cela a été, dès 1965, l’une des premières applications du laser. Aujourd’hui, des précisions en distance de l’ordre de 10 m sont atteintes avec des portées de quelques dizaines de km. Une autre grande application utilisée par les forces armées est la conduite de tir par guidage laser. Un opérateur illumine l’objectif avec un laser et l’autodirecteur est asservi sur cet éclairement. Ceci a révolutionné la précision des munitions. La détection d’optique pointée (DOP) est un domaine applicatif en plein essor [13] pour lequel l’utilisation de systèmes actifs apporte une solution pertinente. En effet, une optique pointée vers la direction du système de DOP va réfléchir efficacement le laser d’illumination. Le signal reçu en retour est intense et va saturer le capteur, c’est ce que l’on appelle l’effet « œil de chat ».

Concernant les systèmes d’imagerie active à proprement parler, les avantages sont très nombreux. En effet, l’utilisation des techniques de crénelage temporel avec des sources d’éclairement impulsionnelles et des détecteurs possédants de petits temps d’exposition (Figure 1-5) permet d’améliorer la visibilité dans des conditions dégradées (pluie, brouillard, neige, fumée, milieu turbide, soleil dans l’axe d’observation…) [14]. Ce crénelage temporel permet la sélection d’une image correspondant à une tranche d’espace par temps de vol. Le délai contrôlé entre le moment où l’impulsion laser est produite et le moment où la caméra est ouverte détermine la distance d’observation. A titre d’exemple, une impulsion laser de durée 100 ns correspond à une tranche d’espace de 15 m de profondeur en prenant en compte l’aller-retour de l’impulsion. Ces systèmes sont donc particulièrement peu sensibles aux effets d’éblouissement par rétrodiffusion sur les particules en suspension. Ce type d’acquisition permet aussi d’effectuer des reconstitutions 3D des scènes par tomographie, ce qui nécessite des temps d’expositions très courts, de l’ordre de la nanoseconde, pour obtenir une bonne résolution spatiale. Ceci est difficile à obtenir avec des caméras infrarouges. La Figure 1-6 illustre parfaitement l’intérêt du crénelage temporel dans de mauvaises conditions météorologiques. Les applications possibles de ce type de système dépassent le domaine militaire. Par exemple, la détection d’objets présents au milieu des pistes d’aéroports lors de mauvaises conditions de visibilité, est un enjeu important pour la sécurité des avions. Une autre application concerne l’imagerie biologique, où la diffusion de la lumière limite l’épaisseur sur laquelle on peut acquérir des images.

Un autre intérêt important de l’imagerie active est de voir à travers les vitres, opaques dans les gammes de longueurs d’ondes de l’imagerie thermique mais transparentes à 1,5 µm (Figure 1-7). Des fonctions de décamouflage, pour détecter des véhicules ainsi que de sauvetage en mer, pour détecter des gilets de sauvetages en surface sont d’autres applications très utiles de ces systèmes.

Table des matières

Introduction
Chapitre 1 Objectifs de la thèse
I. La détection infrarouge
1. Contexte technologique de la défense et de la sécurité
2. Caractéristiques des signaux à détecter
II. Les technologies de détecteurs
1. Les différentes sources de bruit en détection optique
2. Les détecteurs ponctuels
3. Les détecteurs matriciels
III. Détection par somme de fréquence : propriétés, limites et état de l’art
1. Les travaux historiques
2. Le renouveau de la somme de fréquence
3. Les sources de bruit spécifiques à la détection par somme de fréquence
4. L’amplification paramétrique
5. Les avantages de la détection par somme de fréquence pour l’imagerie active
6. Conclusion sur l’état de l’art
IV. Conclusion du Chapitre 1
Chapitre 2 Conversion multimode : théorie et modélisation
I. Optique non linéaire
1. Généralités sur l’optique non linéaire d’ordre 2
2. Equations générales de la somme de fréquence
3. Somme de fréquence monomode, sans dépeuplement du signal
4. Le quasi-accord de phase
5. Somme de fréquence monomode, avec dépeuplement du signal
II. Somme de fréquence multimode spatiale
1. Définition d’une image
2. Expression intégrale de l’interaction paramétrique
3. Approche hamiltonienne de la somme de fréquence multimode
4. Accord de phase non-colinéaire
5. Une nouvelle définition du nombre de modes
6. Hamiltonien d’interaction avec élargissement du spectre de pompe
III. Intégration numérique des équations de propagation
1. Méthodes numériques
2. Images à travers le système optique
3. Quantification de la qualité de la conversion
4. Conclusion et perspectives du modèle numérique
IV. Conclusion du Chapitre 2
Chapitre 3 Somme de fréquence dans le cristal d’OP-GaAs pour la détection en bande III91
I. Le cristal d’OP-GaAs
1. Histoire
2. Propriétés linéaires
3. Propriétés non-linéaires
II. Dispositif expérimental
1. Schéma général et procédure d’alignement
2. Laser de pompe : description et caractérisation
3. Laser signal
4. Caractérisation du cristal d’OP-GaAs
5. Détecteurs
III. Conversion de fréquence
1. Effet de la polarisation sur la conversion
2. Conversion avec pompe multimode longitudinale
3. Efficacité de conversion
4. Performances en détection
IV. Conclusion du Chapitre 3
Chapitre 4 Conversion d’images dans le PPLN
I. Dispositif expérimental
1. Le cristal de PPLN
2. Schéma général du dispositif expérimental
3. Le laser signal et la génération des images
4. Détecteurs, caméras et spectromètres
5. Les filtres optiques
6. Procédure d’alignement
II. Pompe à spectre fin
1. Description du laser de pompe
2. Efficacité de conversion
3. Performances en imagerie
4. Photons parasites
5. Sensibilité du système
III. Pompe à spectre large
1. Description du laser de pompe
2. Efficacité de conversion
3. Performances en imagerie
4. Comparaison avec les images simulées
5. Images d’objets diffusants
IV. Conclusion du Chapitre 4
Conclusion

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