WO2009065736A1 - Procede et dispositif pour l'inversion interferometrique a echantillonnage libre - Google Patents

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WO2009065736A1
WO2009065736A1 PCT/EP2008/064975 EP2008064975W WO2009065736A1 WO 2009065736 A1 WO2009065736 A1 WO 2009065736A1 EP 2008064975 W EP2008064975 W EP 2008064975W WO 2009065736 A1 WO2009065736 A1 WO 2009065736A1
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WO
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interferogram
differences
inversion
interferometer
radiation
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PCT/EP2008/064975
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Inventor
Alain Rosak
Clémence PIERANGELO
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Centre National dEtudes Spatiales CNES
Original Assignee
Centre National dEtudes Spatiales CNES
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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/28—Investigating the spectrum
    • G01J3/45—Interferometric spectrometry

Definitions

  • the field of the invention is that of interferometry for the characterization of a source of radiation and / or a medium traversed by the radiation between the source and an interferometer.
  • the invention relates more precisely to an interferometric inversion method for characterizing a source of radiation and / or a medium traversed by the radiation between the source and an interferometer, implementing an interferometric inversion by directly exploiting the information contained in the interferogram developed by the interferometer.
  • FIG. 1 shows a radiation source S and a medium M traversed by the radiation originating from the source S.
  • the source S can be a natural source (for example a terrestrial surface, the sun, etc.) or an artificial source (for example a lamp, a laser, etc.) whose properties are, for example, temperature, emissivity / reflectance (related to chemical composition, mineralogy, moisture content, etc.).
  • a natural source for example a terrestrial surface, the sun, etc.
  • an artificial source for example a lamp, a laser, etc.
  • properties are, for example, temperature, emissivity / reflectance (related to chemical composition, mineralogy, moisture content, etc.).
  • the medium M may be the terrestrial or planetary atmosphere, a gas or liquid cell, a preparation containing a molecule of chemical or biological interest, etc., whose properties are, for example, temperature, chemical composition and concentration. different elements, the presence of solid or liquid particles in a gas, etc.
  • the source S and / or the medium M it is sought to characterize the source S and / or the medium M by recovering one or more properties of the source S and / or the medium M from an interferogram produced by an interferometer collecting the radiation emitted by the source S, after passing through the medium M.
  • These properties found can be qualitative (presence of a given molecule) or quantitative (measurement of the concentration of a gas, or an atmospheric temperature profile).
  • a known technique consists in bringing the radiation coming from the source S and having passed through the medium M at the input of an interferometer (not shown) capable of producing an interferogram of the radiation by creating a finite number of optical path differences between two beams having followed the same path between the source and the interferometer.
  • the interferogram thus represents the optical Fourier transform of the luminance spectrum at the input of the interferometer.
  • the conventional technique of using a Fourier transform spectrometer involves the reconstruction of a spectrum sampled from the interferogram to then reverse the properties of interest making it possible to characterize the radiation source and / or the medium traversed by the radiation.
  • the reconstruction of the spectrum requires the calculation of an inverse Fourier transform.
  • the passage of the interferogram to the spectrum then requires a sampling of the relatively regular interferogram so that the Shannon or Nyquist condition is realized.
  • This means that the maximum distance between two samples must not exceed 1 / (2 ⁇ ), with ⁇ the width of the observed spectral band, hence a minimum number of points in the interferogram of 2 ⁇ D for a maximum difference of D.
  • This sampling criterion of the interferogram is a heavy constraint at the level of the instrument, in particular for the realization of a conventional Fourier transform spectrometer. Indeed, to achieve a high spectral resolution (for example to detect a fine line in the spectrum), a large value of D is required and therefore the interferogram must contain a large number of samples.
  • the invention falls within the framework of techniques implementing an interferometric inversion that directly exploits the information contained in the interferogram, without spectral reconstruction. These techniques make it possible to "shorten" the characterization loop by removing the dotted steps on the figurel.
  • the same inversion algorithms as those used to pass from the spectrum to the properties of the medium and / or the source can be used to perform an interferometric inversion directly exploiting the information contained in the interferogram.
  • algorithms such as optimal estimation, or proximity recognition are suitable.
  • the inversion on a given spectrum or on an interferogram sampled so as to obtain the given spectrum leads to the same final performances in terms of the number of information retrieved and their associated precisions.
  • the purpose of the invention is to propose a technique that makes it possible to overcome the sampling constraints, in particular to allow an inversion from an irregularly sampled or subsampled interferogram, which does not respect not the condition of Shannon or Nyquist.
  • the invention proposes an interferometric inversion method for measuring a characteristic variable of a source of radiation and / or a medium traversed by the radiation between the source and an interferometer.
  • the interferometer being able to elaborate an interferogram of the radiation by creating a finite number of optical path differences between two rays having followed the same path between the source and the interferometer, characterized by the implementation of the steps according to which:
  • a quantity is determined characterizing an improvement of the inversion, - We select, without sampling regularity constraints, market differences which contribute mainly to the optimization of the magnitude characterizing an improvement of the inversion,
  • a free interferogram is developed using only the selected step differences.
  • the interferogram thus developed is completed with theoretical, arbitrary or modeling values, and in which a radiation spectrum is reconstructed from the elaborate interferogram thus completed;
  • the interferometric inversion is implemented by directly exploiting the information contained in the interferogram thus produced, without reconstructing a spectrum of the radiation sampled from the interferogram;
  • the selection of the market differences is implemented empirically from the modeling of the influence of the sought variable on said interferogram, so as to select only market differences which seem to contribute mainly to the optimization of said magnitude;
  • said magnitude is calculated for said interferogram and for an interferogram from which said path difference has been removed, and the difference between these calculations is carried out in order to estimate the contribution of the difference in operation removed to the optimization of said magnitude;
  • the method comprises a subsequent step of selecting the operating differences implemented algorithmically from said modeling of the influence of the sought variable on the interferogram, so as to select only the differences most influential optical step for inverting said variable; the following steps are repeated iteratively: oa: initially, no difference in operation is selected; ob: one calculates for each difference in step the increase of the magnitude characterizing the improvement of the inversion when one adds said difference of step to the set of the previously selected differences of step; oc: one adds the difference of step which maximizes the size characterizing the improvement of the inversion to the set of the differences of step selected, and one takes again in step b, until reaching a compromise between number of differences of selected walks and inversion performance.
  • the invention relates to an interferometer comprising means for receiving a radiation having passed through a medium from a transmission source, characterized in that it comprises means for creating a finite number of differences in optical step between two spokes having followed the same path between the source and said shaped input to develop an interferogram freely from the selected path differences without sampling regularity constraints according to the method according to the first aspect of the invention.
  • FIG. 2 represents a simulation of the observation of the atmospheric luminance spectrum at the top of the atmosphere in which part of the carbon monoxide line comb is observed;
  • FIG. 3 represents the Fourier transform of the spectrum of FIG. 2, and corresponds to the signal of FIG. 2 in the domain of the interferogram;
  • FIG. 4 represents the Jacobian carbon monoxide in the interferogram of FIG. 3;
  • FIG. 5 illustrates the information content relating to the carbon monoxide profile as a function of the difference in operation.
  • the invention finds, for example, application in the spatial field. This involves, for example, remote sensing, such as atmospheric sampling and inversion of absorbent gas profiles, such as CO, CO2, etc. (Gas whose regularity of the line comb results in a strong localization of the information in the interferogram, thus a very advantageous optimum compared to a regular sampling of the interferogram, necessary in classical spectrometry).
  • the invention also finds application outside the space domain.
  • This is for example infrared spectroscopy applied to chemistry or biology (for example, in research as in industry, for measuring the concentration of a target molecule in a gas or a liquid by a interferometer).
  • any measurement made by spectroscopy, especially infrared can be performed by free / optimal sampling interferometric inversion according to the present invention, the gain provided being, as will be detailed in more detail later, of as much as useful information is concentrated in the interferogram.
  • the invention when applied to a static interferometer, can also make it possible to obtain a good temporal resolution, necessary to characterize transient phenomena.
  • the method according to the invention implements an interferometric inversion by directly exploiting the information contained in the interferogram, without reconstructing a spectrum of the radiation sampled from interferogram. It is thus a matter of directly exploiting the information contained in the interferogram to know the characteristics of the source of radiation and / or of the medium traversed by the radiation between the source and the interferometer, and this without spectral reconstruction. This makes it possible to obtain characteristics such as the chemical composition, the concentration of a given molecular species, the temperature, the emissivity, etc. of the source and / or the medium traversed, without performing the Fourier transform of the interferogram (ie without acquiring spectrum) and therefore without interferogram sampling constraint.
  • the invention proposes to freely sample the interferogram, by selecting only the optical path differences containing the information sought and by avoiding the introduction of parasitic signals which would be concentrated on other differences in operation. In this way, we work on an optimal sampling, which makes it possible to minimize the number of samples measured, while maximizing the performance of the inversion of the targeted properties.
  • the acquisition time of a free interferogram can be reduced (faster measurement) when the first sample is not at zero-path difference.
  • the reduction in the number of samples also makes it possible to reduce the number of data to be processed or transmitted (a limiting factor in the case of a spatial measurement, for example).
  • the selection of the gait differences may make it possible to dispense with parasitic signals which would be mixed with the desired signal in the spectrum (for example low frequency spectral components).
  • FIG. 2 represents a simulation of the observation of the atmospheric luminance spectrum at the top of the atmosphere in which part of the carbon monoxide (CO) line comb is observed.
  • FIG. 3 representing the Fourier transform of the spectrum of FIG. 2
  • this periodicity is also reflected in the domain of the interferogram (spectrum Fourier transform) by a signal having periodic components.
  • FIG. 3 there are marked oscillations around the baseline (hereinafter referred to as "puffs") regularly spaced apart. These puffs are caused by the presence of CO lines, as evidenced by the calculation of Jacobians (partial derivatives of the interferogram in relation to the amount of CO) shown in Figure 4.
  • a spectrum is reconstructed while using an optimized free sampling according to what has been presented previously (and therefore likely to include large "holes" of measurement) and this spectrum is inverted.
  • the interferogram acquired by selection of the gait differences which contain the useful information is completed by using theoretical values (modeled for certain a priori values of the variables, or even arbitrary) in order to reduce to a sufficiently fine sampling (eg regularly sampled) to allow the reconstruction of a spectrum by Fourier transform of the sampled interferogram thus completed.
  • the advantage of instrumental simplification or improvement of the signal-to-noise ratio is retained, but the advantage of reducing the number of data is then lost.
  • obtaining a spectrum can be useful if one has a processing chain that takes spectra input and that we do not want to modify it to inject interferograms.
  • the inversion on the spectrum thus obtained may depend on the a priori used in the calculation of the unvested market differences, but this dependence can be reduced or even eliminated, for example if we assign an infinite noise to the simulated differences in the path process of inversion of the variables characteristic of the source and / or the medium that one wants to invert.
  • the optimization of the sampling of the interferogram consists in selecting, without sampling regularity constraints, optical market differences whose contribution to the inversion of a sought variable to characterize the source and / or medium is determined to be influential.
  • This selection can be made empirically, for example from the display of the positions of the puffs in a simulated interferogram for example.
  • a magnitude G is determined which characterizes the improvement of the inversion.
  • the algorithm ends when the compromise between the number of selected DDMs and the performance of the inversion reached is considered optimal. We thus select the market differences which contribute mainly to the optimization of the magnitude G, eliminating those which influence very little on the optimization of this magnitude.
  • This algorithm makes it possible to select the DDMs sensitive to the desired signal (the CO in the example presented above) but also to eliminate the DDMs sensitive to parasitic atmospheric signals (for example water vapor, or surface temperature).
  • Step A Obtaining the distribution of information content in an interferogram
  • the interferogram is a "quasi-continuous" interferogram sampled as finely as possible in order to scan "all" the possible positions, or at least all the positions that one intends to acquire (one can deliberately ignore certain areas if the we know a priori that they are irrelevant or that it is impossible to acquire them, for example MDDs too high for the maximum size of the instrument).
  • This "quasi-continuous" interferogram can be theoretical (derived from modeling) or real (if you have another instrument to acquire such an interferogram).
  • the precision of the inverted variable for example, the percentage accuracy on the CO concentration in the air layer between 0 and 2 km (if one is interested in CO close to the surface). We will try to minimize this magnitude;
  • the Jacobians of the interferogram (partial derivatives of the signal of the interferogram with respect to the quantity or quantities to be reversed).
  • the Jacobians give the sensitivity of each DDM to the magnitude to be reversed. It is also possible to calculate the Jacobians of the interferogram with respect to "parasite" components (for example, air humidity in the case of CO, another example, an instrumental defect, such as gain).
  • Step B Selection of MDDs
  • FIG. 5 illustrates such an estimation carried out by calculating the DOFSs according to the equations given in the Rodgers' work already cited above, from the Jacobians in the interferogram for the CO and for variable parameters (humidity, temperature ).
  • This embodiment has the advantage that the "information content" thus determined takes into account not only the sensitivity to CO (which is maximized because it must be as great as possible) but also the sensitivity to the other parameters ( humidity, temperature, etc.) which is minimized (which amounts to doing a kind of filtering of the parasitic signals).
  • the selection of MDDs can also be done algorithmically.
  • G is the number of DOFS, calculated from the Jacobians in the interferogram of CO and other variables.
  • Another possible technique consists of grouping the neighboring MSDs into “clusters”, either by studying the correlations between MSDs, or by looking for similarity between vertical Jacobians (for example in the case of inversion of a profile). ). One can then choose a single representative from each cluster, which limits the number of DDMs to acquire.
  • the optimization is not done with respect to the variable to be reversed only, but with respect to the set of variable parameters that made it possible to obtain the "base" on which the correlation is calculated.
  • ACP Principal Component Analysis
  • the invention is of course not limited to a method of characterizing a source and / or a medium, but also extends to an interferometer intended to be used in such a method, the interferometer comprising means for receiving a radiation having passed through a medium from a transmission source, and being characterized in that it comprises means for creating a finite number of optical path differences between two beams having followed the same path between the source and said input shaped to develop an interferogram from the market differences whose contribution during the inversion of a characteristic variable of the source and / or medium is determined to be influential.
  • a single detector acquires the information.
  • the different "walking differences" are produced by moving one of the two arms of the interferometer.
  • the single detector then acquires the interferometric signal as a function of time.
  • the motor moves the mirror, one continually passes on all the differences of step. All market differences are thus acquired continuously.
  • An instrumental variant of the dynamic TF spectrometer is to replace the continuous motor with a stepper motor. This is necessary for example in the case of low-flux applications (in order to be able to have a long signal integration time), or in the case of applications requiring modulation in the presence of measurements whose noise is dominated by sources. parasites. Such an instrumental variant with stepper motor can therefore be used to acquire only the useful DDMs. This then makes it possible to increase the measurement time, thus the Signal / Noise ratio, or to reduce the measurement time for a given Signal / Noise ratio.
  • a dynamic interferometer provided with a stepper motor and motor control means adapted to move the mirror to the market differences selected for their contribution.
  • the dynamic spectrometer can be simplified by replacing the mirror displacement device with a system of echelettes.
  • the difference in motion is not created by moving one of the two mirrors, but by breaking up at least one of the mirrors into a series of small mirrors (like small steps).
  • each small area of the mirror thus fragmented that is to say each step, is positioned at a certain difference in operation.
  • the set of differences in operation is then acquired simultaneously by a detector matrix imaging the fragmented mirrors (the steps).
  • N Michelson interferometers are made in parallel, each being “frozen” at a selected step difference and imaged simultaneously on a detector array.
  • the instrumental limitation of this principle is related to the technological capacity to realize these fragmented mirrors.
  • a high spectral resolution is however possible if one limits oneself to a narrow spectrum because the number of "fragmentation" of the mirror is directly proportional to the number of samples that one wants in the spectrum (the ratio of the spectral width on the spectral resolution).
  • a static interferometer with echelettes at least one of the mirrors has a plurality of reflective surfaces arranged to provide the different walking selected for their contribution.
  • 900 different DDMs are used to generate two staircase mirrors each comprising 30 steps.
  • the two mirrors are at 90 ° to one another and form a "network" of 900 different DDMs.
  • the first mirror consists of small regular steps.
  • the second mirror consists of large steps, the height of the great step being the sum of the heights of the small steps of the mirror to the "small echelettes". This results in a steady progression of sampling without information redundancy.
  • the small steps provide a thinner mesh between two large steps. It is therefore difficult to change the pace of the small staircase to fit each zone of the interferogram.
  • the big steps can be completely irregular so as to define an area of interest around which the small steps will make a finer mesh.
  • the sampling rate in DDM of the static interferometer with echelettes results in the ability to control the assembly of the glass staircases (or the set of glass according to its shape).
  • This capacity can be of the order of 1 to 2 ⁇ m, which poses an additional difficulty in the short wavelength range. Indeed, the optimum position determined by the previous algorithms must be performed at a fraction of the wavelength. In the visible-near-infrared range, practical realization can then be difficult to achieve.
  • the static interferometer with echelettes is accompanied by a modulator adapted to vary the MSD slightly, typically of the order of a fraction of a wavelength, or even a few wavelengths, so as to simultaneous for all echelettes.
  • the tilt of the Michelson glass compensator or also to mount one of the eclamp mirrors on a piezoelectric mechanism.
  • the necessary displacement is for example a quarter wavelength (2.5 ⁇ m for a spectral band around 10 ⁇ m), which is achievable by a simple mechanism (piezoelectric type), unlike the run of several centimeters required in the case of the dynamic TF spectrometer.
  • the instrument thus produced is described as a "quasi-static interferometer". With a displacement of a fraction of wavelength between two acquisitions, when the realization error is such that one is in a state of neutral interference (thus without information), the following acquisition, displaced by one or more fractions of wavelength, is in a different and non-neutral interference state. This eliminates the difficulty of achieving the steps and samples more finely around the areas of interest determined.
  • the mirror can be broken up into 4 steps, according to a progression of steps of 2cm.
  • We can thus obtain 4 interferograms, the first from 0 to 2cm, the second from 2 to 4cm, etc. and reach a resolution of 8cm.
  • One can also have 4 non-contiguous interferograms, by shifting the steps of a value greater than the race, in the case where the missing information is of small importance.

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Abstract

L'invention concerne selon un premier aspect un procédé d'inversion interférométrique pour la mesure d'une variable caractéristique d'une source de rayonnement et/ou d'un milieu traversé par le rayonnement entre la source et un interféromètre, l'interféromètre étant apte à élaborer un interférogramme du rayonnement en créant un nombre fini de différences de marche optique entre deux rayons ayant suivi le même chemin entre la source et l'interféromètre, caractérisé par la mise en œuvre des étapes selon lesquelles on détermine une grandeur caractérisant une amélioration de l'inversion, on sélectionne, sans contraintes de régularité d'échantillonnage, des différences de marche qui contribuent principalement à l'optimisation de la grandeur caractérisant une amélioration de l'inversion, on élabore une interférogramme libre en utilisant uniquement les différences de marche sélectionnées. Selon un second aspect, l'invention prévoit un interféromètre pour la mise en œuvre du procédé selon le premier aspect de l'invention.

Description

PROCEDE ET DISPOSITIF POUR L'INVERSION INTERFEROMETRIQUE
A ECHANTILLONNAGE LIBRE
Le domaine de l'invention est celui de l'interférométrie pour la caractérisation d'une source de rayonnement et/ou d'un milieu traversé par le rayonnement entre la source et un interféromètre.
L'invention concerne plus précisément un procédé d'inversion interférométrique pour la caractérisation d'une source de rayonnement et/ou d'un milieu traversé par le rayonnement entre la source et un interféromètre, mettant en œuvre une inversion interférométrique en exploitant directement l'information contenue dans l'interférogramme élaborée par l'interféromètre.
On a représenté sur la figure 1 , une source de rayonnement S et un milieu M traversé par le rayonnement issu de la source S.
La source S peut être une source naturelle (par exemple une surface terrestre, le soleil, etc.) ou une source artificielle (par exemple une lampe, un laser, etc.), dont les propriétés sont par exemple la température, l'émissivité/réflectance (liées à la composition chimique, minéralogique, aux taux d'humidité, etc.).
Le milieu M peut être l'atmosphère terrestre ou planétaire, une cellule à gaz ou à liquide, une préparation contenant une molécule d'intérêt chimique ou biologique, etc., dont les propriétés sont par exemple la température, la composition chimique et la concentration des différents éléments, la présence de particules solides ou liquides dans un gaz, etc.
On cherche d'une manière générale à caractériser la source S et/ou le milieu M en retrouvant une ou plusieurs propriétés de la source S et/ou du milieu M à partir d'un interférogramme élaboré par un interféromètre recueillant le rayonnement émis par la source S, après traversée du milieu M. Ces propriétés retrouvées peuvent être qualitatives (présence d'une molécule donnée) ou quantitatives (mesure de la concentration d'un gaz, ou d'un profil de température atmosphérique). Une technique connue consiste à amener le rayonnement issu de la source S et ayant traversé le milieu M en entrée d'un interféromètre (non représenté) apte à élaborer un interférogramme du rayonnement en créant un nombre fini de différences de marche optique entre deux rayons ayant suivi le même chemin entre la source et l'interféromètre.
L'interférogramme représente ainsi la transformée de Fourier optique du spectre de luminance en entrée de l'interféromètre.
La technique classique d'utilisation d'un spectromètre à transformée de Fourier passe par la reconstruction d'un spectre échantillonné à partir de l'interférogramme pour inverser ensuite les propriétés intéressantes permettant de caractériser la source de rayonnement et/ou le milieu traversé par le rayonnement.
La reconstruction du spectre nécessite de calculer une transformée de Fourier inverse. Le passage de l'interférogramme au spectre nécessite alors un échantillonnage de l'interférogramme relativement régulier afin que la condition de Shannon ou Nyquist soit réalisée. Cela signifie que la distance maximale entre deux échantillons ne doit pas dépasser 1/(2Δσ), avec Δσ la largeur de la bande spectrale observée, d'où un nombre de points minimal dans l'interférogramme de 2ΔσD pour une différence de marche maximale de D. Ce critère d'échantillonnage de l'interférogramme est une contrainte lourde au niveau de l'instrument, notamment pour la réalisation d'un spectromètre à transformée de Fourier classique. En effet, pour atteindre une haute résolution spectrale (par exemple pour détecter une raie fine dans le spectre), une grande valeur de D est requise et donc l'interférogramme doit contenir un grand nombre d'échantillons.
Des techniques existent qui permettent de reconstruire un spectre à partir d'un interférogramme irrégulièrement échantillonné. Ces techniques présentent cependant les limitations suivantes :
- elles peuvent impliquer des contraintes sur l'échantillonnage de l'interférogramme, qui, bien qu'irrégulier, n'est alors pas totalement libre ; - elles peuvent ne permettre de reconstruire qu'une partie du spectre (quelques raies en émission, généralement) et ne sont alors pas applicables à des spectres en absorption.
La technique classique mettant en œuvre une reconstruction du spectre à partir de l'interférogramme, et l'inversion du spectre pour caractériser la source S et/ou le milieu M, est illustrée par les éléments en pointillés sur la figure 1.
L'invention s'inscrit dans le cadre de techniques mettant quant à elles en œuvre une inversion interférométrique exploitant directement l'information contenue dans l'interférogramme, cela sans reconstruction de spectre. Ces techniques permettent de « raccourcir » la boucle de caractérisation en supprimant les étapes en pointillé sur la figurel .
En effet, les mêmes algorithmes d'inversion que ceux utilisés pour passer du spectre aux propriétés du milieu traversé et/ou de la source, peuvent être utilisés pour réaliser une inversion interférométrique exploitant directement l'information contenue dans l'interférogramme. Par exemple, des algorithmes comme l'estimation optimale, ou une reconnaissance de proximité conviennent. Il a à cet égard été montré que l'inversion sur un spectre donné ou sur un interférogramme échantillonné de manière à obtenir le spectre donné conduit aux mêmes performances finales en termes de nombre d'informations retrouvées et de leurs précisions associées.
On comprend ainsi que dans le cadre de l'invention, on cherche à exploiter directement l'information contenue dans un interférogramme pour connaître les caractéristiques de la source de rayonnement et/ou du milieu traversé par le rayonnement entre la source et l'interféromètre, et ce sans reconstruction de spectre. Cela permet d'obtenir des caractéristiques telles que la composition chimique, la concentration d'une espèce moléculaire donnée, la température, l'émissivité etc. de la source et/ou du milieu traversé, sans effectuer la transformée de Fourier de l'interférogramme (i.e. sans acquérir de spectre) et donc sans contrainte d'échantillonnage de l'interférogramme. L'exploitation directe de l'interférogramme a par exemple déjà été proposée :
- pour le sondage atmosphérique, par exemple dans : o KyIe, "Température soundings with partially scanned interferograms", 1977 o Spankuch et al., "Investigations on température soundings using partial interferograms", 1987
- ou encore pour l'identification de composés en chimie, par exemple dans : o De Haseth et al, « Interferogram-based infrared search System », 1981
Toutefois, les travaux présentés dans ces articles exploitent tous un interférogramme, éventuellement partiel, constitué d'un seul segment échantillonné régulièrement. Ces travaux ne permettent donc pas de lever les contraintes dans la régularité de l'échantillonnage de l'interférogramme.
Partant de ce constat, l'invention a pour objectif de proposer une technique qui permette de s'affranchir des contraintes d'échantillonnage de manière notamment à autoriser une inversion à partir d'un interférogramme irrégulièrement échantillonné, ou sous-échantillonné, qui ne respecte pas la condition de Shannon ou Nyquist.
A cet effet, l'invention propose selon un premier aspect, un procédé d'inversion interférométrique pour la mesure d'une variable caractéristique d'une source de rayonnement et/ou d'un milieu traversé par le rayonnement entre la source et un interféromètre, l'interféromètre étant apte à élaborer un interférogramme du rayonnement en créant un nombre fini de différences de marche optique entre deux rayons ayant suivi le même chemin entre la source et l'interféromètre, caractérisé par la mise en œuvre des étapes selon lesquelles :
- on détermine une grandeur caractérisant une amélioration de l'inversion, - on sélectionne, sans contraintes de régularité d'échantillonnage, des différences de marche qui contribuent principalement à l'optimisation de la grandeur caractérisant une amélioration de l'inversion,
- on élabore une interférogramme libre en utilisant uniquement les différences de marche sélectionnées.
Certains aspects préférés, mais non limitatifs, de ce procédé sont les suivants :
- l'interférogramme ainsi élaboré est complété de valeurs théoriques, arbitraires ou issues d'une modélisation, et dans lequel on reconstruit un spectre de rayonnement à partir de l'interférogramme élaboré ainsi complété ;
- l'inversion interférométrique est mise en œuvre en exploitant directement l'information contenue dans l'interférogramme ainsi élaboré, sans reconstruction d'un spectre du rayonnement échantillonné à partir de l'interférogramme ;
- pour déterminer la contribution d'une différence de marche à l'optimisation de ladite grandeur, on modélise l'influence de ladite variable sur l'interférogramme ;
- la sélection des différences de marche est mise en œuvre de manière empirique à partir de la modélisation de l'influence de la variable recherchée sur ledit interférogramme, de manière à ne sélectionner que des différences de marche qui paraissent contribuer principalement à l'optimisation de ladite grandeur ;
- on calcule ladite grandeur pour ledit interférogramme et pour un interférogramme auquel on a retiré ladite différence de marche, et on réalise la différence entre ces calculs pour estimer la contribution de la différence de marche retirée à l'optimisation de ladite grandeur ;
- le procédé comprend une étape ultérieure de sélection des différences de marche mise en œuvre de manière algorithmique à partir de ladite modélisation de l'influence de la variable recherchée sur l'interférogramme, de manière à ne sélectionner que les différences de marche optique les plus influentes pour l'inversion de ladite variable ; - on répète de manière itérative les étapes suivantes : o a : initialement, aucune différence de marche n'est sélectionnée; o b : on calcule pour chaque différence de marche l'augmentation de la grandeur caractérisant l'amélioration de l'inversion quand on ajoute ladite différence de marche à l'ensemble des différences de marche précédemment sélectionnées ; o c : on ajoute la différence de marche qui maximise la grandeur caractérisant l'amélioration de l'inversion à l'ensemble des différences de marche sélectionnées, et on reprend à l'étape b, jusqu'à atteindre un compromis entre nombre de différences de marche sélectionnées et performance de l'inversion.
Selon un second aspect, l'invention concerne un interféromètre comprenant des moyens de réception d'un rayonnement ayant traversé un milieu depuis une source d'émission, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de création d'un nombre fini de différences de marche optique entre deux rayons ayant suivi le même chemin entre la source et ladite entrée conformés pour élaborer un interférogramme librement à partir des différences de marche sélectionnées sans contraintes de régularité d'échantillonnage conformément au procédé selon le premier aspect de l'invention.
D'autres aspects, buts et avantages de la présente invention apparaîtront mieux à la lecture de la description détaillée suivante de formes de réalisation préférées de celle-ci, donnée à titre d'exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels, outre la figure 1 déjà discutée :
- la figure 2 représente une simulation de l'observation du spectre de la luminance atmosphérique au sommet de l'atmosphère dans laquelle on observe une partie du peigne de raies du monoxyde de carbone ; - la figure 3 représente la transformée de Fourier du spectre de la figure 2, et correspond au signal de la figure 2 dans le domaine de l'interférogramme ;
- la figure 4 représente le Jacobien du monoxyde de carbone dans l'interférogramme de la figure 3 ;
- la figure 5 illustre le contenu en information relative au profil de monoxyde de carbone en fonction de la différence de marche. L'invention trouve par exemple application dans le domaine spatial. Il s'agit par exemple de réaliser une télédétection, telle qu'un sondage atmosphérique et l'inversion des profils de gaz absorbants, comme le CO, le CO2, etc. (gaz dont la régularité du peigne de raie se traduit par une forte localisation de l'information dans l'interférogramme, donc un optimum très avantageux par rapport à un échantillonnage régulier de l'interférogramme, nécessaire dans la spectrométrie classique).
L'invention trouve également application hors du domaine spatial. Il s'agit par exemple de la spectroscopie infrarouge appliquée à la chimie ou à la biologie (par exemple, dans la recherche comme dans l'industrie, pour la mesure de la concentration d'une molécule cible dans un gaz ou un liquide par un interféromètre). D'une manière générale, toute mesure faite par spectroscopie, notamment infrarouge, peut être réalisée par inversion interférométrique à échantillonnage libre/optimal conformément à la présente invention, le gain apporté étant, comme cela sera détaillé plus en détail par la suite, d'autant plus grand que l'information utile est concentrée dans l'interférogramme.
On relèvera que l'invention, lorsqu'appliquée à un interféromètre statique, peut aussi permettre d'obtenir une bonne résolution temporelle, nécessaire pour caractériser des phénomènes transitoires.
D'une manière générale, et selon un premier mode de réalisation, le procédé selon l'invention met en œuvre une inversion interférométrique en exploitant directement l'information contenue dans l'interférogramme, sans reconstruction d'un spectre du rayonnement échantillonné à partir de rinterférogramme. Il s'agit ainsi d'exploiter directement l'information contenue dans rinterférogramme pour connaître les caractéristiques de la source de rayonnement et/ou du milieu traversé par le rayonnement entre la source et l'interféromètre, et ce sans reconstruction de spectre. Cela permet d'obtenir des caractéristiques telles que la composition chimique, la concentration d'une espèce moléculaire donnée, la température, l'émissivité etc. de la source et/ou du milieu traversé, sans effectuer la transformée de Fourier de rinterférogramme (i.e. sans acquérir de spectre) et donc sans contrainte d'échantillonnage de rinterférogramme.
Plus précisément, il est proposé dans le cadre de l'invention d'échantillonner librement rinterférogramme en utilisant uniquement des différences de marche optique sélectionnées sans contrainte d'échantillonnage, dont la contribution à l'inversion d'une variable caractéristique de la source et/ou du milieu est déterminée comme étant influente.
En d'autres termes, l'invention propose d'échantillonner librement rinterférogramme, en sélectionnant uniquement les différences de marche optiques contenant l'information recherchée et en évitant l'introduction de signaux parasites qui seraient concentrés sur d'autres différences de marche. On travaille de la sorte sur un échantillonnage optimal, ce qui permet de minimiser le nombre d'échantillons mesurés, tout en maximisant les performances de l'inversion des propriétés visées.
Le procédé selon ce mode de réalisation de l'invention s'avère ainsi avantageux notamment en ce qu'il permet :
- avec moins d'échantillons d'avoir une aussi bonne performance finale,
- ou avec autant d'échantillons d'avoir une meilleure performance finale (précision de la mesure d'une ou plusieurs caractéristiques du milieu observé),
- ou de gagner en partie sur les deux niveaux à la fois en diminuant le nombre d'échantillons et en augmentant les performances finales de l'inversion. La diminution du nombre d'échantillons permet d'avoir un spectromètre plus simple et plus compact dans le cas d'un spectromètre à échelettes statique, ou avec un meilleur rapport signal-à-bruit, par exemple grâce à une surface d'intégration plus grande. Dans le cas d'un spectromètre de Michelson, le temps d'acquisition d'un interférogramme libre peut être réduit (mesure plus rapide) lorsque le premier échantillon n'est pas à différence de marche nulle.
La diminution du nombre d'échantillons permet également de diminuer le nombre de données à traiter ou à transmettre (un facteur limitant dans le cas d'une mesure spatiale par exemple).
Enfin, la sélection des différences de marche peut permettre de s'affranchir de signaux parasites qui seraient mélangés avec le signal recherché dans le spectre (par exemple des composantes spectrales basse fréquence).
On présente dans ce qui suit un exemple de l'intérêt d'un échantillonnage libre et optimal de l'interférogramme en vue d'une inversion interférométrique pour la caractérisation conforme à l'invention d'une source de rayonnement et/ou d'un milieu traversé par le rayonnement.
En spectroscopie infrarouge, on observe souvent des peignes de raies d'absorption ou d'émission caractéristiques de certaines molécules. Or, les positions de ces raies sont dictées par les règles de transitions énergétiques dans la molécule faisant intervenir des nombres quantiques. Ces raies présentent donc souvent un motif périodique très marqué.
Ceci est par exemple illustré par la figure 2 qui représente une simulation de l'observation du spectre de la luminance atmosphérique au sommet de l'atmosphère dans laquelle on observe une partie du peigne de raies du monoxyde de carbone (CO).
Comme l'illustre la figure 3 représentant la transformée de Fourier du spectre de la figure 2, cette périodicité se traduit également dans le domaine de l'interférogramme (transformée de Fourier du spectre) par un signal présentant des composantes périodiques. On observe ainsi sur la figure 3 des oscillations marquées autour de la ligne de base (dénommées « bouffées » par la suite) régulièrement espacées. Ces bouffées sont causée par la présence des raies de CO, comme cela est attesté par le calcul des Jacobiens (dérivées partielles de l'interférogramme par rapport à la quantité de CO) illustré sur la figure 4.
Si on cherche à inverser un profil vertical de la concentration du monoxyde de carbone (gaz polluant) dans l'atmosphère, on souhaite maximiser le nombre d'informations indépendantes selon la verticale que l'on peut atteindre. On voit sur la figure 5 que la contribution des différents échantillons de l'interférogramme (les « différences de marche » DDM) à l'inversion du profil de CO (variable caractéristique du milieu traversé) est fortement variable.
On peut donc envisager d'acquérir uniquement les différences de marche dans l'interférogramme qui contiennent l'information utile.
On relèvera qu'une telle démarche n'est pas applicable dans le spectre. En effet, si certains échantillons du spectre contiennent certes peu d'information utile (par exemple, entre deux raies du peigne de CO), la spectroscopie par transformée de Fourier ne permet toutefois pas d'acquérir seulement quelques échantillons du spectre car celui-ci est reconstruit en bloc par transformée de Fourier inverse de l'interférogramme.
Dans l'exemple ici considéré, on comprend donc qu'en optimisant les positions des DDM de l'interférogramme, on peut obtenir une augmentation du contenu en information qui n'aurait pu être atteinte pour un échantillonnage régulier qu'en améliorant le rapport signal-à-bruit de l'instrument (dans l'exemple, un facteur légèrement supérieur à 2). A contrario, si on souhaite conserver la même performance, alors, on a calculé pour cet exemple que 200 échantillons bien placés sont aussi efficaces que presque 1000 échantillons régulièrement placés.
Selon une variante de réalisation de l'invention, on reconstruit un spectre tout en utilisant un échantillonnage libre optimisé conformément à ce qui a été présenté précédemment (et donc susceptible de comporter de grands « trous » de mesure) et on procède à l'inversion de ce spectre. A cet effet, l'interférogramme acquis par sélection des différences de marche qui contiennent l'information utile est complété en utilisant des valeurs théoriques (modélisées pour certaines valeurs a priori des variables, ou même arbitraires) afin de se ramener à un échantillonnage suffisamment fin (par exemple régulièrement échantillonné) pour permettre la reconstruction d'un spectre par transformée de Fourier de l'interférogramme échantillonné ainsi complété.
Dans le cadre de cette variante de réalisation, on conserve l'avantage de simplification instrumentale ou d'amélioration du rapport signal-à-bruit, mais on perd alors l'avantage de la réduction du nombre de données. Cependant, l'obtention d'un spectre peut être utile si l'on dispose d'une chaîne de traitement qui prend en entrée des spectres et que l'on ne veut pas la modifier pour y injecter des interférogrammes.
L'inversion sur le spectre ainsi obtenue peut dépendre des a priori utilisés dans le calcul des différences de marche non acquises, mais cette dépendance peut être réduite voire supprimée, par exemple si l'on affecte un bruit infini aux différences de marche simulées dans le processus d'inversion des variables caractéristiques de la source et/ou du milieu que l'on veut inverser.
Revenant à la description générale de l'invention, l'optimisation de l'échantillonnage de l'interférogramme consiste à sélectionner, sans contraintes de régularité d'échantillonnage, des différences de marche optique dont la contribution à l'inversion d'une variable recherchée pour caractériser la source et/ou du milieu est déterminée comme étant influente.
Cette sélection peut être réalisée de manière empirique, par exemple à partir de la visualisation des positions des bouffées dans un interférogramme simulé par exemple.
Cette sélection peut également être réalisée de manière algorithmique selon le principe exposé ci-après : - a : On détermine une grandeur G qui caractérise l'amélioration de l'inversion. Par amélioration de l'inversion, on entend en particulier une optimisation dans la mesure de la variable caractéristique de propriétés (qualitatives ou quantitatives) de la source et/ou du milieu traversé. Initialement, aucune DDM n'est sélectionnée et G=O ;
- b : On calcule pour chaque DDM i l'augmentation de la grandeur G quand on ajoute la DDM i à l'ensemble des DDM précédemment sélectionnées ;
- c : On ajoute la DDM i qui maximise la grandeur G à l'ensemble des DDM sélectionnées, et on reprend à l'étape b.
L'algorithme s'achève quand le compromis entre le nombre de DDM sélectionnées et la performance de l'inversion atteinte est considéré comme étant optimal. On sélectionne ainsi les différences de marche qui contribuent principalement à l'optimisation de la grandeur G, en éliminant celles qui n'influent que très peu sur l'optimisation de cette grandeur. Cet algorithme permet de sélectionner les DDM sensibles au signal recherché (le CO dans l'exemple présenté précédemment) mais également d'éliminer les DDM sensibles à des signaux atmosphériques parasites (par exemple la vapeur d'eau, ou la température de surface).
On détaille ci-après différents modes de réalisation possible du procédé selon le premier aspect de l'invention.
Etape A : Obtention de la répartition du contenu en information dans un interféroqramme
L'interférogramme est un interférogramme « quasi-continu » échantillonné aussi finement que possible afin de balayer « toutes » les positions possibles, ou tout du moins toutes les positions que l'on envisage d'acquérir (on peut volontairement ignorer certaines zones si l'on sait a priori qu'elles sont sans intérêt ou qu'il est impossible de les acquérir, par exemple des DDM trop élevées pour l'encombrement maximal de l'instrument). Cet interférogramme « quasi-continu » peut être théorique (issu de modélisation) ou réel (si l'on dispose d'un autre instrument permettant d'acquérir un tel interférogramme).
<* Une fois l'application (ou les applications) choisie (par exemple, la mesure du profil atmosphérique de CO, ou d'ozone, de température, ou la reconnaissance d'une molécule ou famille de molécules...), on détermine une grandeur apte à caractériser la performance, ou amélioration, de l'inversion. A titre d'exemples non limitatifs d'une telle grandeur, on peut citer :
- le nombre d'éléments indépendants selon la verticale dans le cas du sondage atmosphérique, par exemple pour l'obtention du profil de concentration d'un gaz comme le CO (donné par le nombre de DOFS « degrees of Freedom for Signal », comme décrit par exemple dans l'ouvrage Rodgers, CD., 2000 : "Inverse methods for atmospheric sounding : theory and practice", World Scientific). On va alors chercher à maximiser cette grandeur ;
- la précision de la variable inversée, par exemple, la précision en pourcentage sur la concentration de CO dans la couche d'air comprise entre 0 et 2 km (si on s'intéresse au CO près de la surface). On va chercher à minimiser cette grandeur ;
- une composante de l'erreur sur le produit inversé. Il s'agit par exemple de minimiser l'erreur liée à un paramètre du modèle (par exemple la température de l'air) sur le produit (par exemple la concentration de CO intégrée sur toute la colonne d'air) ;
- la capacité à discriminer deux molécules différentes.
*> Puis, dans un deuxième temps, on détermine l'information qu'apporterait chaque DDM à l'optimisation de la grandeur « performance de l'inversion » déterminée à l'étape précédente (maximisation ou minimisation selon les cas). Pour cela on vient :
- modéliser l'influence de la variable recherchée sur l'interférogramme « quasi-continu ». Dans le cas du sondage atmosphérique, cela se fait par un code de transfert radiatif, qui fournit un spectre infiniment résolu et à partir duquel on peut, en appliquant une transformée de Fourier, calculer un interférogramme. On peut, selon les cas, modéliser :
- l'interférogramme ;
- les jacobiens de l'interférogramme (dérivées partielles du signal de l'interférogramme par rapport à la ou les grandeurs à inverser). Les jacobiens donnent la sensibilité de chaque DDM à la grandeur à inverser. Il est également possible de calculer les jacobiens de l'interférogramme par rapport à des composants « parasite » (par exemple, l'humidité de l'air dans le cas du CO ; autre exemple, un défaut instrumental, comme le gain).
Etape B : Sélection des DDM
Plusieurs variantes sont possibles. s Comme déjà indiqué, cette sélection peut être réalisée de manière empirique.
• Dans l'hypothèse où l'on part de l'interférogramme (figure 3), on sélectionne les DDM qui correspondent aux bouffées, si on est certain que leur présence est bien causée par l'espèce ciblée.
• Dans l'hypothèse où l'on part des jacobiens (figure 4), qui fournissent directement la sensibilité de chaque DDM à l'espèce cible, on sélectionne les DDM dans les bouffées (on est alors certain qu'elles sont bien la signature de l'espèce cherchée et pas d'un autre paramètre).
• Dans l'hypothèse on l'on part d'un autre indicateur de contenu en information plus élaboré (figure 5), on sélectionne les DDM là où le contenu est le plus important.
On calcule par exemple (par inversion explicite, ou selon des techniques d'estimation) la grandeur « performance de l'inversion » pour l'interférogramme « quasi-continu » complet et pour l'interférogramme auquel on a retiré une DDM. Par différence entre ces deux calculs, on obtient une estimation de l'apport de la DDM retirée à la grandeur « performance de l'inversion ». La figure 5 illustre une telle estimation réalisée en calculant les DOFS d'après les équations données dans l'ouvrage de Rodgers déjà cité ci-dessus, à partir des jacobiens dans l'interférogramme pour le CO et pour des paramètres variables (humidité, température...).
Ce mode de réalisation présente l'avantage de ce que le « contenu en information » ainsi déterminé tient compte non seulement de la sensibilité au CO (qui est maximisée car elle doit être la plus grande possible) mais aussi de la sensibilité aux autres paramètres (humidité, température, etc.) qui est minimisée (ce qui revient à faire une sorte de filtrage des signaux parasites). s Comme également déjà indiqué précédemment, la sélection des DDM peut également être réalisée de manière algorithmique.
• La méthode itérative dont un exemple est donné plus haut dans ce document peut être mise en œuvre. Dans le cas présent G est le nombre de DOFS, calculé à partir des jacobiens dans l'interférogramme du CO et des autres variables.
• Une autre technique possible consiste à réaliser un regroupement des DDM proches par « grappes», soit par étude des corrélations entre DDM, soit encore par recherche de similarité entre des jacobiens verticaux (par exemple dans le cas de l'inversion d'un profil). On peut alors choisir un seul représentant de chaque grappe, ce qui limite le nombre de DDM à acquérir.
Dans le cas d'un regroupement basé sur la corrélation, l'optimisation n'est pas faite par rapport à la variable à inverser uniquement, mais par rapport à l'ensemble des paramètres variables ayant permis d'obtenir la « base » sur laquelle est calculée la corrélation.
• Encore une autre technique possible consiste à utiliser des analyses du type « ACP » (Analyse en Composante Principale) pour identifier la ou les composantes portant le signal intéressant (classe dont la variance est maximale par rapport à la grandeur à inverser, et minimale par rapport aux autres variables) et sélectionner ensuite les DDM qui interviennent principalement dans ces composantes.
• Encore une autre technique consiste à procéder à partir de l'application du modèle d'inversion à plusieurs interférogrammes simulés échantillonnés différemment. On retient alors, parmi les échantillonnages testés, l'échantillonnage qui donne les inversions les plus satisfaisantes, en utilisant comme élément de comparaison la grandeur « performance de l'inversion » choisie précédemment.
L'invention n'est bien entendu pas limitée à un procédé de caractérisation d'une source et/ou d'un milieu, mais s'étend également à un interféromètre destiné à être utilisé dans un tel procédé, l'interféromètre comprenant des moyens de réception d'un rayonnement ayant traversé un milieu depuis une source d'émission, et étant caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de création d'un nombre fini de différences de marche optique entre deux rayons ayant suivi le même chemin entre la source et ladite entrée conformés pour élaborer un interférogramme à partir des différences de marche dont la contribution lors de l'inversion d'une variable caractéristique de la source et/ou du milieu est déterminée comme étant influente.
Ce qui suit concerne plus précisément l'implémentation pratique du procédé selon le premier aspect de l'invention, et s'attache à décrire différentes forme de réalisation possible d'un interféromètre selon le second aspect de l'invention. Interféromètre dynamique
Dans le cas d'un interféromètre dynamique, un détecteur unique acquiert l'information. Les différentes « différences de marche » sont produites en déplaçant un des deux bras de l'interféromètre. Le détecteur unique acquiert alors en fonction du temps le signal interférométrique. Dans la configuration classique, lorsque le moteur déplace le miroir, on passe de manière continue sur toutes les différences de marche. L'ensemble des différences de marche est ainsi acquis de manière continue.
On n'observe donc pas de gain instrumental à en sélectionner certaines plus intéressantes. En revanche, on observe un gain à transmettre uniquement les données nécessaires, ce qui permet par exemple dans le cas d'une instrumentation embarquée, de réduire le débit de télémesure.
Une variante instrumentale du spectromètre à TF dynamique consiste à remplacer le moteur continu par un moteur pas à pas. Cela est nécessaire par exemple dans le cas des applications faibles flux (afin de pouvoir avoir un temps d'intégration du signal long), ou dans le cas d'applications nécessitant de la modulation en présence de mesures dont le bruit est dominé par des sources parasites. Une telle variante instrumentale à moteur pas à pas peut donc être utilisée pour n'acquérir que les DDMs utiles. Ceci permet alors d'augmenter le temps de mesure, donc le rapport Signal/Bruit, ou de diminuer le temps de mesure pour un rapport Signal/Bruit donné.
Selon une variante du second aspect de l'invention, on prévoit ainsi un interféromètre dynamique doté d'un moteur pas à pas et de moyens de contrôle du moteur adaptés pour déplacer le miroir aux différences de marche sélectionnées pour leur contribution.
Interféromètre statique à échelettes
II a été montré dans le document FR 2 787 186 que le spectromètre dynamique peut être simplifié en remplaçant le dispositif de déplacement du miroir par un système d'échelettes. La différence de marche n'est dans ce cas pas créée en déplaçant un des deux miroirs, mais en fragmentant l'un au moins des miroirs en une série de petits miroirs (comme des petites marches).
Chaque petite zone du miroir ainsi fragmenté, c'est-à-dire chaque marche, est positionnée à une certaine différence de marche. L'ensemble des différences de marche est alors acquise simultanément par une matrice de détecteur imageant les miroirs fragmentés (soit les marches). En d'autres termes, on réalise N interféromètres de Michelson en parallèle, chacun étant « gelé » à une différence de marche choisie et imagé simultanément sur une matrice de détecteur.
La limitation instrumentale de ce principe est liée à la capacité technologique de réaliser ces miroirs fragmentés. Une haute résolution spectrale est cependant possible si l'on se limite à un spectre étroit car le nombre de « fragmentation » du miroir est directement proportionnel au nombre d'échantillons que l'on veut dans le spectre (soit le rapport de la largeur spectrale sur la résolution spectrale).
On comprend donc que la présente invention tire pleinement intérêt d'un tel interféromètre statique à échelettes dans la mesure où il permet, en conservant la même sensibilité, de limiter le nombre de marches à réaliser.
Pareillement, on peut conserver un même nombre de marche, et ainsi sonder une plus grande bande spectrale, et donc utiliser plus d'informations spectrales.
On peut enfin augmenter la résolution spectrale, toujours à même nombre de marches, ce qui augmente aussi l'information spectrale.
Selon une variante du second aspect de l'invention, on prévoit ainsi un interféromètre statique à échelettes dont l'un au moins des miroirs présente une pluralité de surfaces réfléchissantes agencées de manière à fournir les différentes de marche sélectionnées pour leur contribution.
A titre d'exemple de réalisation, on utilise, pour générer par exemple 900 DDMs différentes, deux miroirs à échelettes comprenant chacun 30 marches. Les deux miroirs sont à 90° l'un de l'autre et forment un « réseau » de 900 DDM différentes. Pour cela, le premier miroir est constitué de petites marches régulières. Le deuxième miroir est constitué de grandes marches, la hauteur de la grande marche étant la somme des hauteurs des petites marches du miroir aux « petites échelettes ». On obtient ainsi une progression régulière de l'échantillonnage sans redondance d'information.
Les petites marches permettent d'obtenir un maillage plus fin entre deux grandes marches. Il est donc difficile de modifier le pas du petit escalier pour s'adapter à chaque zone de l'interférogramme. En revanche, les grandes marches peuvent être complètement irrégulières de manière à définir une zone d'intérêt autour duquel les petites marches feront un maillage plus fin.
Lorsque le nombre de marche est suffisamment faible (typiquement moins de 100), il est possible d'envisager non pas deux escaliers de verre à 90°, mais un miroir plan plus un miroir à marche (ou tout autre combinaison des deux solutions). L'échantillonnage est alors complètement libre. Interféromètre quasi statique
Le pas d'échantillonnage en DDM de l' interféromètre statique à échelettes résulte dans la capacité à maitriser l'assemblage des escaliers de verre (ou de l'ensemble de verre suivant sa forme). Cette capacité peut être de l'ordre de 1 à 2 μm, ce qui pose une difficulté supplémentaire dans le domaine des courtes longueurs d'onde. En effet, la position optimum déterminée par les algorithmes précédents doit être réalisée à une fraction de longueur d'onde. Dans le domaine visible-proche infrarouge, la réalisation pratique peut alors s'avérer difficile à réaliser.
Selon encore une autre variante de réalisation on adjoint à l'interféromètre statique à échelettes une modulatrice adaptée pour faire varier faiblement la DDM typiquement de l'ordre d'une fraction de longueur d'onde, voir de quelques longueurs d'onde, de manière simultanée pour toutes les échelettes.
On peut par exemple faire varier le tilt de la compensatrice de verre du Michelson, ou encore également monter l'un des miroirs à échelettes sur un mécanisme piézoélectrique. Le déplacement nécessaire est par exemple d'un quart de longueur d'onde (soit 2.5μm pour une bande spectrale autour de 10μm), ce qui est réalisable par un mécanisme simple (type piézoélectrique), contrairement à la course de plusieurs centimètres nécessaires dans le cas du spectromètre à TF dynamique. L'instrument ainsi réalisé est qualifié d' « interféromètre quasi statique ». Avec un déplacement d'une fraction de longueur d'onde entre deux acquisitions, lorsque l'erreur de réalisation est telle que l'on se trouve dans un état d'interférence neutre (donc sans information), l'acquisition suivante, déplacée d'une ou quelques fractions de longueur d'onde, se trouve dans un état d'interférence différent et non neutre. On s'affranchit ainsi de la difficulté de réalisation des marches et on échantillonne plus finement autour des zones d'intérêt déterminées. Interféromètre dynamique à échelette
On prévoit selon une autre variante de réalisation possible de panacher les solutions exposées ci-dessus, en ajoutant des échelettes à un interféromètre dynamique ce qui permet notamment d'en augmenter la résolution spectrale.
Par exemple, pour un spectromètre classique de course 2cm, on peut fragmenter le miroir en 4 marches, selon une progression des hauteurs de marches de 2cm. On peut ainsi obtenir 4 interférogrammes, le premier de 0 à 2cm, le deuxième de 2 à 4 cm, etc et atteindre une résolution de 8cm. On peut aussi avoir 4 interférogrammes non jointifs, en décalant les marches d'une valeur supérieure à la course, dans le cas où l'information manquante est de faible importance.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé d'inversion interférométrique pour la mesure d'une variable caractéristique d'une source de rayonnement et/ou d'un milieu traversé par le rayonnement entre la source et un interféromètre, l'interféromètre étant apte à élaborer un interférogramme du rayonnement en créant un nombre fini de différences de marche optique entre deux rayons ayant suivi le même chemin entre la source et l'interféromètre, caractérisé par la mise en œuvre des étapes selon lesquelles :
- on détermine une grandeur caractérisant une amélioration de l'inversion ;
- on sélectionne, sans contraintes de régularité d'échantillonnage, des différences de marche qui contribuent principalement à l'optimisation de la grandeur caractérisant une amélioration de l'inversion ;
- on élabore une interférogramme libre en utilisant uniquement les différences de marche sélectionnées.
2. Procédé selon la revendication 1 , dans lequel l'interférogramme ainsi élaboré est complété de valeurs théoriques, arbitraires ou issues d'une modélisation, et dans lequel on reconstruit un spectre de rayonnement à partir de l'interférogramme élaboré ainsi complété.
3. Procédé selon la revendication 1 , dans lequel l'inversion interférométrique est mise en œuvre en exploitant directement l'information contenue dans l'interférogramme ainsi élaboré, sans reconstruction d'un spectre du rayonnement échantillonné à partir de l'interférogramme.
4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel pour déterminer la contribution d'une différence de marche à l'optimisation de ladite grandeur, on modélise l'influence de ladite variable sur l'interférogramme.
5. Procédé selon la revendication 4, dans lequel la sélection des différences de marche est mise en œuvre de manière empirique à partir de la modélisation de l'influence de la variable recherchée sur ledit interférogramme, de manière à ne sélectionner que des différences de marche qui paraissent contribuer principalement à l'optimisation de ladite grandeur.
6. Procédé selon la revendication 5, dans lequel on calcule ladite grandeur pour ledit interférogramme et pour un interférogramme auquel on a retiré ladite différence de marche, et on réalise la différence entre ces calculs pour estimer la contribution de la différence de marche retirée à l'optimisation de ladite grandeur.
7. Procédé selon la revendication 4, comprenant une étape ultérieure de sélection des différences de marche mise en œuvre de manière algorithmique à partir de ladite modélisation de l'influence de la variable recherchée sur l'interférogramme, de manière à ne sélectionner que les différences de marche optique les plus influentes pour l'inversion de ladite variable.
8. Procédé selon la revendication 7, dans lequel on répète de manière itérative les étapes suivantes : a : initialement, aucune différence de marche n'est sélectionnée; b : on calcule pour chaque différence de marche l'augmentation de la grandeur caractérisant l'amélioration de l'inversion quand on ajoute ladite différence de marche à l'ensemble des différences de marche précédemment sélectionnées ; c : on ajoute la différence de marche qui maximise la grandeur caractérisant l'amélioration de l'inversion à l'ensemble des différences de marche sélectionnées, et on reprend à l'étape b, jusqu'à atteindre un compromis entre nombre de différences de marche sélectionnées et performance de l'inversion.
9. Interféromètre comprenant des moyens de réception d'un rayonnement ayant traversé un milieu depuis une source d'émission, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de création d'un nombre fini de différences de marche optique entre deux rayons ayant suivi le même chemin entre la source et ladite entrée conformés pour élaborer un interférogramme librement à partir des différences de marche sélectionnées sans contraintes de régularité d'échantillonnage conformément au procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes.
10. Interféromètre selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un miroir et un moteur pas à pas adapté pour déplacer le miroir, et en ce que lesdits moyens de création d'un nombre fini de différences de marche optique sont des moyens de contrôle du moteur pas à pas adaptés pour déplacer le miroir aux différences de marche sélectionnées.
11. Interféromètre selon l'une des revendications 9 ou 10, caractérisé en ce l'un au moins des miroirs présente une pluralité de surfaces réfléchissantes agencées de manière à créer les différentes de marche sélectionnées.
12. Interféromètre selon la revendication 12, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une modulatrice adaptée pour faire varier faiblement la DDM de l'ordre d'une ou de quelques fractions de longueur d'onde, de manière simultanée pour toutes les surfaces réfléchissantes.
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