Application à la mesure de vitesse

Le dispositif expérimental de mesure de vitesse par rétro-injection optique est celui du schéma ci dessous :

Ce dispositif comprend une diode Laser alimentée en courant constant, un objet mobile animée d'une vitesse v et une lentille de collimation permettant d'augmenter le couplage optique Laser-objet. Les constructeurs ont inclu aux boîtiers de diode Laser, une photodiode destinée au contrôle de la puissance d'émission Laser. Dans le cadre de notre application, elle sera utilisée pour traduire en signaux électriques, les perturbations de puissance générées par la rétro-injection optique. Sachant qu'une diode Laser émet des deux cotés de son milieu actif, cette photodiode est située avantageusement à l'arrière de la diode Laser.

La mesure de vitesse sera déduite des perturbations de la puissance d'émission lumineuse dont l'expression a été établie au chapitre précédent. Cette dernière met en évidence une pseudo-périodicité définie par :

Où symbolise la déviation d'état entre le début et la fin d'une pseudo-période.

Le courant d'injection étant constant, la fréquence optique est identique au début et à la fin d'une pseudo-période. En notant  la valeur algébrique de la fréquence de battement liée à l'apparition des perturbations, on obtient :

Où est la longueur d'onde de la diode seule.

Remarquons que la fréquence de battement  est égale à l'opposée de la fréquence induite par effet Doppler . Cette fréquence sera positive (resp. négative) lorsque l'objet s'éloigne (resp. se rapproche) du Laser.

Une des caractéristiques de la vélocimétrie par rétro-injection optique dans les diodes Laser est de pouvoir déterminer de manière simple le sens de mouvement d'un objet. En effet, l'orientation de la forme en « dents de scie » des perturbations de puissance est significative du signe de la vitesse de l'objet comme le montrent les simulations suivantes.

Il est à savoir que la fréquence de battement, comme la fréquence Doppler, est uniquement dépendante de la vitesse d'entraînement du repère objet par rapport au repère de la diode Laser. Ainsi pour un objet diffusant sur lequel le faisceau Laser glisse, cette fréquence sera indépendante de la forme de l'objet.

A titre d'exemple, prenons une automobile (repère A) dont nous souhaitons évaluer la vitesse vA/R de déplacement par rapport à la route (repère R). La fréquence Doppler est induite par le mouvement absolu du point Laser M par rapport à diode (vM/A) ainsi que par le glissement de ce point à la surface de l'objet par rapport à l'objet lui même (vM/R). Or la cinétique montre que la combinaison de ces deux vitesses donne la vitesse d'entraînement du repère R par rapport à A. On prouve ainsi que la fréquence Doppler et donc la fréquence de battement est indépendante de la forme de la route (présence de nids de poule, graviers, etc...). Ceci constitue un résultat particulièrement intéressant quant à la « robustesse » des mesures par vélocimétrie Laser Doppler.

Où est le vecteur normé directeur de l'axe Laser.