Conception et optimisation d’une régulation thermique de la

L’ensemble des réglages des différents sous-systèmes opto-mécaniques du LiDAR sont réalisés à température ambiante. L’écart de température avec les conditions environnementales arctique peut donc facilement atteindre 40^oC. Comme indiqué précédemment une telle variation a été en partie limitée en positionnant les élé-ments thermiquement sensibles dans le bas du tube et l’écart peut alors être réduit à 25^oC. Un tel écart peut malgré tout aboutir à une variation spectrale importante des longueurs d’onde centrale d’émission (diode laser) et de réception (filtre interfé-rentiel). La mise en place d’une régulation thermique à l’aide d’un Peltier était donc indispensable, mais posait le problème d’une consommation potentiellement

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tante. Cet aspect a été en partie résolu par la recherche d’un filtre interférentiel peu sensible à la température. Nous avons obtenu ces filtres auprès du fournisseur IRIDIAN. Ils possèdent un décalage spectral inférieur à 10pm/^oC. Cette faible sen-sibilité permet de ne pas avoir un effondrement de la transmission en présence de variations thermiques d’une vingtaine de degrés mais cela va dépendre du réglage initial (cf Figure4.14). Il faut donc réaliser le réglage de l’optique de filtrage où se situe le filtre IRIDIAN à une température la plus basse possible pour éviter une déviation spectrale trop importante lors du fonctionnement en arctique.

Figure4.14 – Transmissions du filtre IRIDIAN simulées en supposant que la source présente un spectre gaussien de largeur correspondante aux mesures réalisées par DILAS. A gauche sont représentés deux réglages en température ambiante abou-tissant à des transmission élevées équivalentes. A droite est représenté l’effet d’une diminution de température de 25^oC sur le filtre, et la conséquence sur la trans-mission. On a supposé ici qu’une diminution de température décale uniquement la bande passante du filtre sans déformation. On s’aperçoit qu’en fonction du réglage initial il est possible d’obtenir une diminution de 25% de la transmission lors du fonctionnement du système en région arctique si le filtre est mal réglé initialement.

La source présente le même problème puisque la longueur d’onde centrale va également se décaler lorsque la température va décroitre (cf Figure 4.15). Néan-moins nous avons pu vérifier que la rétroaction optique due à la présence du réseau de Bragg, dont la sensibilité thermique est généralement de l’ordre de 0.01nm/K, était suffisante pour stabiliser une émission affinée de la diode laser sur quelques degrés (globalement entre 1 et 11^oC). Ceci laisse donc plus de choix pour la tempé-rature de stabilisation de la source. Les spectres obtenus en fonction de différente température ambiante sont indiqués sur la figure4.15. Pour réaliser cette étude la

diode laser a été placée dans une étuve et stabilisée au moins 1h avant de mesurer le spectre. La largeur des pics est due à la fonction d’appareil du spectromètre uti-lisé (Ocean Optics / USB2000+). En diminuant la température, un pic vers 801nm apparaît correspondant à l’affinement réalisé par le réseau de Bragg installé dans le module. La rétroaction optique n’est pas suffisante à 27^oC ni en dessous de 1^oC pour aboutir uniquement à une émission de la longueur d’onde vérifiant la condi-tion de Bragg. La sensibilité thermique de la diode laser sans le Bragg peut être estimée en considérant les pics d’émission ne correspondant pas au Bragg à -5^oC et 27^oC. Ils sont respectivement situés vers 797.2nm et 806nm, ce qui indique une déviation d’environ 0.28nm/^oC. Cette valeur est cohérente avec celle indiquée par DILAS dans les documents techniques qui est de 0,27nm/^oC.

Figure 4.15 – Spectres normalisés individuellement mesurés en sortie de fibre de la source "808-F-BW1" pour différentes températures.

Une stabilisation thermique localisée sur un composant est en général réalisée à l’aide d’une résistance chauffante ou d’un Peltier associé à une électronique de contrôle. Etant donné qu’on ne peut pas prévoir toutes les situations thermiques que peut subir la bouée en fonctionnement il est nécessaire de prévoir le cas où un refroidissement de la diode laser est nécessaire, ce qui nous a amené à consi-dérer l’utilisation d’un Peltier (cf Figure 4.16) plutôt que d’une simple résistance chauffante. Les systèmes clef en main de l’entreprise Wavelength Electronics ont été privilégiés car ils étaient déjà utilisés, et donc validés, pour de nombreuses appli-cations par la Divison Technique de l’INSU. Néanmoins l’utilisation de ce type de régulation thermique peut considérablement augmenter la consommation du sys-tème. Par conséquent pour limiter celle-ci il a fallu mettre en place une bonne isolation thermique de la diode laser et limiter au maximum les périodes

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sitant un refroidissement de la source, car le rendement de refroidissement d’un Peltier est très inférieur à celui de chauffage. La température de l’eau en arctique ne pouvant pas descendre en dessous de -1.8^oC et ne s’élevant en général pas au dessus de 5^oC (cf mesures de température réalisées lors des campagnes Barneo 2014 et N-ICE 2015), la température de consigne de la régulation thermique a été fixée à 6^oC.

Figure 4.16 – Haut : schéma du montage de régulation thermique mis en place autour de la diode laser. On pourra noter la thermistance qui est insérée à l’intérieur du module pour être au plus près du composant à réguler. Un capot maintient la mousse autour du module sans trop la compresser, et permet également de bien le plaquer contre le Peltier. Celui-ci est positionné au plus proche de la position de l’émetteur à l’intérieur du module pour diminuer la durée d’obtention de la température de consigne. Le support n’est pas à l’échelle sur le schéma. Bas : photo de la diode LASER encapsulée dans de la mousse maintenue par un capot.

Le choix de ces différents développements a été validé par la mesure de l’évolu-tion du courant et de la température interne du module lorsque celui-ci était soumis

à un environnement de -5^oC (cf Figure4.17) qui peut se produire si le fond du tube de la bouée est pris dans la glace. Sur 11 minutes de fonctionnement la puissance moyenne totale requise pour le fonctionnement du LiDAR est de 14W. Cette puis-sance moyenne appliquée pendant environ 35s permet d’atteindre la température recherchée. Ceci permet de commencer la stabilisation thermique une minute avant le début de l’observation. A l’issue de cette minute la différence entre la température à proximité du composant émetteur et la température de consigne est de 10%, ce qui n’aura donc aucune conséquence d’un point de vue spectral, et donc en terme de transmission au niveau de l’optique de filtrage.

Figure 4.17 – Haut : courbe d’évolution du courant de l’ensemble du LiDAR.

L’avantage de l’électronique de régulation utilisée est d’adapter le courant d’ali-mentation du Peltier en fonction de la différence entre la température réelle et la température de consigne. Ceci permet donc d’éviter des pics de courant et des va-riations brutales de température comme ça peut être le cas avec d’autres système de régulation disponibles dans le commerce. Bas : courbe d’évolution de la tempé-rature interne du module source mesurée par la thermistance positionnée comme l’indique la figure 4.16.

4.4.2 Conception d’un système de chauffage du hublot du tube