Prototype d ' i nstrumentation aéroportée télémétrie laser (dispositif TAMS) Christian Thom, Olivier Bock et Michel Kasser

C o ntexte

Il s'agit de notre participation à la mise en valeur du procédé breveté par I'IGN en 1 990.

Une partie des études a été financée par un contrat avec Elf-Aquitaine (contrat à frais partagés) .

En 1 992, nous avons validé une première simulation numérique du système projeté.

Un contrat, signé en octobre 1 992, nous a permis de commencer le prototype du matériel embarqué et la réalisation de tests au sol. Un avenant en 1 994 a permis de poursuivre le co-financement. Cette étape a également nécessité l'achat d'un laser et d'un système informatique embarquable.

En 1 995, des missions sur le terrain ont été réalisées pour tester l'instrumentation, à Saint-Etienne de Tinée et à Combs-la-Ville, permettant de valider une partie du processus. Ce travail a fait l'objet de la thèse de Olivier Bock depuis 1 993, qui a été soutenue à la fin de l'année 1 996. En 1 997, un nouveau laser (picoseconde) a été acquis par l'École Supérieure des Géomètres Topographes (ESGT) pour servir de source embarquable dans un avion. Ce laser a été testé et validé, et l'ensemble de l'instrumentation a été préparé pour faire une première mission aérienne en 1 998.

O bj e ct i fs

Cette nouvelle méthode de mesures doit permettre d'évaluer des variations de position et notamment d'altitude de l'ordre du millimètre sur des surfaces importantes, en des points équipés de rétroréflecteurs laser. Ceci se révèle particulièrement important sur des zones d'extraction de fluides, comme le pétrole ou le gaz, où les phénomènes de subsidence sont symptomatiques de variations de contraintes dans le sous-sol.

L'originalité de la méthode réside dans la simplicité de son instrumentation : mis à part le laser picoseconde, classique en télémétrie laser mais relativement délicat à embarquer en avion ou en satellite, la détection se compose simplement d'une photodiode de grande surface active sans optique, d'un amplificateur large bande - faible bruit, d'un oscilloscope numérique rapide et d'un PC portable pilotant l'ensemble des matériels.

La mesure simultanée d'au moins quatre distances (nécessaires pour localiser précisément l'avion et résoudre une inconnue instrumentale) se fait grâce à la divergence importante du faisceau laser, obtenue par une lentille ou un dépoli. La très bonne précision du procédé est obtenue grâce à un traitement du signal numérique avant l'optimisation (ajustement des positions des rétroréflecteurs au sol par moindres carrés) .

Activités - résu ltats

L'année a été principalement consacrée à la réalisation de la mission aérienne à bord de I'ARAT. L'optimisation finale de l'étage photodiode-amplificateur a été l'objet du stage de Benoît Viallet (INSA de Rennes) , avec notamment l'essai de nouvelles photodiodes plus rapides et l'adoption pour l'amplificateur d'ampli opérationnels bas bruit et large bande.

Une première tentative a eu lieu en mars 1 998, sur la base de Creil, mais elle a échoué pour part, à cause du temps important qu'il a fallu consacrer à l'installation et à la mise au point du matériel dans l'avion, d'une grève du contrôle aérien, de la défaillance d'un convertisseur 28V OC /220V AC de puissance, et d'une météo défaillante lorsque tout a été enfin prêt.

Un autre créneau a été mis à notre disposition en mai 1 998 et, le site de Creil ayant été abandonné à cause de son incommodité (zone militaire) , un autre a été choisi sur Crucey (cf. dernière publication ci-dessous) . Une surface de 1 ,2 x 1 ,2 km' a été garnie de 8 x 8 coins de cube et a été survolée deux fois pendant quatre heures. Six m ille tirs laser ont été enregistrés, la précision en monocoup variant de 1 à 5 cm devant amener une précision verticale finale de 2-3 m m .

Simultanément, des mesures météo ont été réalisées à terre et dans l'avion, pour permettre une meilleure exploitation des données. Les données acquises n'ont pas été pour l'instant traitées complètement, les programmes de traitement devant être adaptés à l'expérimentation aérienne. Elles le seront durant la fin d'année 1 998.

S u i t e

U n premier traitement des données assez grossier pourra être réalisé d'ici fin 1 998. Un traitement plus adapté à cette mission sera fait début 1 999, le reste de l'année étant consacré à la rédaction de publications sur cet essai et à la présentation des résultats à des congrès, ou à des industriels qui pourraient être intéressés. Si aucun intérêt ne se manifeste, le projet sera arrêté.

P u b l i c a t i o n s

[BOCK et a l 94] O . Bock, Ch. Thom, M. Kasser, D. Bruneau and J. Pelon : Laser ranging accuracy limitations by

transverse mode distortions in Q-switched lasers, laboratoire OEMI, IGN-SR 940022/L-RAP, 1 994.

[BOCK et al 95] O. Bock, Ch. Thom, M. Kasser and D. Fourmaintraux : Development of a new airborne laser subsidence measurement system, aiming at mm-accuracy, in Proceedings of the 5th International Symposium on Land Subsidence, F. B. J. Barends, F. J. J. Brouwer, F. H. Schroder, ed. , Balkema, Rotterdam (NL) , pp. 1 1 3-1 22, laboratoire OEMI, IGN-SR 950002/L-COM , 1 995.

[BOCK et al 96] O . Bock, M. Kasser and Ch. Thom : A wide angle airborne or spaceborne laser ranging instrumentation for subsidence measurement, in Proceedings of the 1 Oth International Workshop on Laser Ranging Instrumentation, Y. Fumin and C. Wanzhen, ed. (Chinese Academy of Sciences, Shanghai, China, 1 996) , pp. 32-42, laboratoire OEMI, IGN-SR 96001 0/L-COM, 1 996.

[BOCK et al 96] O. Bock, Ch. Thom et M. Kasser : Développement d'un système de télémétrie laser en champ large destiné à la mesure de mouvements .verticaux du sol de l'ordre du millimètre, in Revue Internationale de Geomatique, vol. 6, no 2-3, 1 49-1 61 , laboratoire OEMI, IGN-SR 96001 6/L-ART, 1 996.

[BOC K 96] O. Bock Etude et réalisation d'un télémètre laser aéroporté en champ large sur cibles réfléchissantes terrestres pour la mesure rapide de déformations verticales du sol. Etude de l'adaptation du système à un véhicule satellitaire, thèse de Doctorat, Université Paris-7, laboratoire OEMI, IGN-SR 96001 7/L-THE 1 996.

[BOCK et al 97] O. Bock, M. Kasser and Ch. Thom : A wide-angle airborne laser ranging system for millimeter

accuracy subsidence measurements, in Proceedings of the EOS Topical Meeting on Optoelectronic Dis­

tance/Displacement Measurements and Applications, Nantes (F) , laboratoire OEMI, IGN-SR 970006/L-COM , 1 997. [BOCK et al 98] O. Bock, M. Kasser, Ch. Thom and J. Pelon : Wide-angle airborne laser ranging for precise relative positioning : ground-based experiments and aerial simulations, in Laser Radar Ranging and Atmospheric Lidar Techniques, U. Schreiber and C. Werner, ed., in Proc. SPIE 321 8, Washington (USA), pp. 92-1 04, laboratoire O E M I , IGN-SR 98001 3/LCOM, 1 998.

[BOCK et al 98] O. Bock, M. Kasser and C. Thom : A wide - angle airborne laser ranging system for millimeter accuracy subsidence measurements, in Journal of Optics, vol . 29, no 3, pp. 220-224, laboratoire OEMI, IGN­ SR 980001 /L-ART, June 1 998.

[BOCK et al 98] O. Bock, M. Kasser, Ch. Thom and J. Pelon : Study of wide angle laser ranging system for relative

positioning of ground-based benchmarks with millimeter accuracy, in Journal of Geodesy, vol. 7 2 , no 7/8, 442-459, laboratoire OEMI, IGN-SR 980007/L-ART, 1 998

[BOCK et al 98] O. Bock, Ch. Thom, M. Kasser, and J. Pelon : Multilateration with the wide angle laser ranging

system : ranging performance and first ground-based validation experiment, in IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing (sous presse) , laboratoire OEMI, IGN-SR 98001 4/L-COM, 1 998.

[BOCK et al 98] O. Bock : Multilateration with the wide-angle airborne laser ranging system : positioning precision

and atmospheric effects, in Applied Optics, laboratoire OEM I , IGN-SR 98001 0/L-ART, 1 998.

[BOCK et al 98] O. Bock : Relative positioning precision of the wide-angle airborne laser ranging system, in Pure and Applied Optics, laboratoire OEMI, IGN-SR 98001 1 /L-ART, 1 998.

[BOCK et al 98] O. Bock, M. Kasser, and Ch. Thom : First aircraft experiment with the WA-ALRS, in Proceedings of the 1 1 th International Workshop on Laser Ranging Instrumentation, Deggendorf {Allemagne) , 21 -25 septembre 1 998, laboratoire OEMI, IGN-SR 980008/L-COM, 1 998.