RICERCA ITALIANA     

Programma di ricerca

Telemetria assoluta a Tempo Di Volo con laser mode locked a picosecondi

Università di riferimento

Politecnico di TORINO - ELETTRONICA - ()

Responsabile dell'Unità di ricerca

Andrea De Marchi

Descrizione

In un sistema di misura di distanza a tempo di volo la valutazione di distanza avviene attraverso la misura del ritardo accumulato da un impulso ottico nel percorso di andata e ritorno tra un punto di riferimento noto e l'obiettivo, dove può essere ridiretto da un retroriflettore. Nota la velocità di propagazione c, si ricava la distanza L dal ritardo t con la relazione L=ct/2. Se poi si utilizza un treno di impulsi ottici, quale si può produrre con un laser impulsato, tale ritardo diventa una differenza di fase tra il treno di impulsi in partenza e quello di ritorno, e lo si può misurare con grande risoluzione con un sistema a doppio mixer.

Il sistema a doppio mixer per la misura della differenza di fase è basato sull'espansione dell'intervallo di tempo da misurare per mezzo di un metodo eterodina a due canali simmetrici. Nel battimento, come noto, le differenze di fase si mantengono, e quindi il corrispondente intervallo di tempo risulta espanso del rapporto tra la frequenza in ingresso al mixer e quella del battimento in uscita.

Questo metodo non ha eguali per risoluzione, ed ha quindi trovato applicazione nella Metrologia di Tempo e Frequenza come sistema di misura di stabilità di fase. In base alle esperienze maturate in quel campo un'espansione di intervallo di tempo di cinque ordini di grandezza appare fattibile [1], e per la risoluzione di distanza si apre quindi la possibilità di arrivare allo stesso fattore di moltiplicazione, e quindi a risoluzioni micrometriche in tempi molto brevi. Si pensi ad esempio che un semplice metodo a conteggio diretto di un clock a 100 MHz permette una risoluzione temporale di 10 ns, e quindi una risoluzione equivalente di 100 fs sul ritardo se l'intervallo effettivamente misurato deriva da un'espansione di cinque ordini di grandezza. La risoluzione di distanza che ne deriva risulta allora essere di 15 micron.

Per estendere all'incertezza assoluta l'ottimo livello di risoluzione che si ottiene con questi sistemi nel caso di misure di instabilità occorre tuttavia preoccuparsi dell'analisi degli errori sistematici. In particolare è importante la simmetria dei due canali, in tutti i sensi, e la stabilità di fase dei mixer nel lungo termine, ivi comprese le eventuali derive da invecchiamento o da variazioni delle condizioni di funzionamento. Tale analisi fa parte dei compiti dell'unità del Politecnico di Torino e andrà approfondita in parallelo alla progettazione e alla realizzazione del sistema a doppio mixer.

Questo studio è necessario anche per stabilire in che misura i limiti di risoluzione e di incertezza assoluta del sistema dipendono dai problemi fisici dell'ottica e del modo del fascio laser, e in che misura dipendono dall'elettronica. Sempre per questo motivo occorre inoltre studiare quanto incidono in un sistema reale di questo tipo le instabilità del laser che emette il treno di impulsi ottici. La tipologia di sorgente laser che si prevede di utilizzare è quella di un laser mode-locked a picosecondi, sia perché il modo ottico e il profilo temporale degli impulsi di luce che emette sono particolarmente ben definiti e stabili, sia perché la frequenza di ripetizione degli impulsi, già stabile per motivi fisici, può essere ulteriormente stabilizzata con un aggancio in fase ad un oscillatore master. L'analisi delle non idealità del sistema ottico saranno condotte in collaborazione con l'unità del Politecnico di Milano, alla quale si contribuirà anche l'assistenza eventualmente desiderata nella valutazione delle caratteristiche dell'anello di controllo della frequenza di ripetizione delgi impulsi.

Obiettivo primario della ricerca condotta presso l'unità del Politecnico di Torino sarà dunque la realizzazione del prototipo di un sistema a doppio mixer in grado di espandere di cinque ordini di grandezza l'intervallo di tempo da misurare (il ritardo di propagazione dell'impulso ottico), e di un sistema di acquisizione veloce in grado di eseguire tale misura a 100 kHz ed elaborarla in meno di 10 microsecondi, onde essere pronto in tempo utile per la prossima acquisizione.

Lo schema di principio del sistema è quello mostrato nella figura 1 qui sotto. Nella soluzione raffigurata la frequenza di ripetizione degli impulsi ottici è 100 MHz e viene utilizzata la sua centesima armonica a 10 GHz per la conversione eterodina verso la frequenza di uscita di 100 kHz. Questi valori sono pensati allo scopo di ottenere un fattore di amplificazione dell'intervallo di tempo da misurare che sia di 10^5 e una frequenza di ripetizione della misura di 100 kHz. Naturalmente i rivelatori da utilizzare in questa soluzione dovranno essere molto veloci, con una banda sensibilmente maggiore di 10 GHz. A questo scopo si possono individuare prodotti commerciali per le telecomunicazioni ottiche che hanno bande tra 10 e 100 GHz. Ipotizzando l'uso di rivelatori con banda 20 GHz e una potenza massima intercettata di 20 mW (per rimanere in regime lineare) ci si può aspettare di ottenere almeno 1 microWatt di potenza elettronica sull'armonica desiderata a 10 GHz. Tale livello di potenza non è grande, ma garantisce comunque 140 dB di rapporto S/N in 1 Hz di banda rispetto al rumore termico e quindi pare sufficiente per la risoluzione desiderata nella misura di sfasamento. In ogni caso il senso della presente proposta di una ricerca sperimentale su un prototipo sta proprio nel dimostrare con i risultati quali sono i limiti del metodo, anche in funzione del tempo su cui sono mediati i risultati. Per la caratterizzazione della sensibilità di misura in funzione del tempo di media sarà usata la varianza di Allan.



Per la sezione a radiofrequenza dovrà essere studiata bene l'interfaccia tra i fotorivelatori veloci e i mixer, in modo che le rotazioni di fase dell'armonica utilizzata siano minimizzate ed il più possibile stabilmente uguali tra i due canali. Su questo punto va sottolineato che studi pregressi hanno evidenziato una sensibilità importante della fase ad eventuali disadattamenti di impedenza [2], ma va anche detto che in gran parte questa era un risultato delle ipotesi assunte in quegli studi, che prevedevano di lavorare a qualunque frequenza. Nel sistema qui descritto si prevede invece di lavorare ad una sola frequenza e di conseguenza si pensa di poter ottimizzare molto meglio gli adattamenti.

Peraltro, sempre mantenendo il fattore di espansione dell'intervallo di tempo a 10^5, saranno provate diverse soluzioni per quanto riguarda l'armonica dei 100 MHz (rep rate) da usare per la conversione eterodina nei mixer. La centesima armonica (a 10 GHz) ipotizzata nella figura permette infatti di ottenere una misura ogni 10 microsecondi, ma qualora tale velocità non fosse necessaria si potrebbe usare direttamente la fondamentale a 100 MHz, ottenendo così un valore ogni millisecondo con la stessa risoluzione. In questo caso si potrebbe anche esaminare la possibilità di utilizzare rivelatori meno veloci. A questo scopo si dovrà valutare quanto incidano le distorsioni di forma degli impulsi introdotte dalla banda passante dei fotorivelatori.

Operando con due o più armoniche, anche contemporaneamente, sarà anche possibile rimuovere le ambiguità portate dalla lunghezza d'onda della frequenza dell'armonica usata. La scelta dell'armonica è affidata alla frequenza del segnale di oscillatore locale, che è fornito da un sintetizzatore (esistente) pilotato dallo stesso riferimento a quarzo (a 100 MHz) che controlla la frequenza di ripetizione del laser.

Particolare attenzione andrà inoltre dedicata all'esame delle conversioni AM-PM nei mixer, cioè delle rotazioni di fase eventualmente impresse alla nota di battimento da variazioni di ampiezza del segnale in ingresso. Questo effetto potrebbe infatti essere un limite all'incertezza assoluta del sistema in considerazione del fatto che la potenza del treno di impulsi ottici di ritorno dal bersaglio è sicuramente una funzione della distanza da misurare. Ove fosse necessario si potrebbe ricorrere ad un controllo di ampiezza sugli impulsi in partenza per mantenere costante la potenza di ritorno. Dello stesso tipo potrebbero anche essere gli effetti della distorsione di profilo degli impulsi dovuta alla dispersione del mezzo in cui si propaga. Questo sarà analizzato in collaborazione con l'unità di Polimi-DEI.

La misurazione dello sfasamento all'uscita dei mixer verrà effettuata per mezzo di una scheda realizzata appositamente presso il Dipartimento di Elettronica del Politecnico di Torino. Tale scheda avrà una sezione di ingresso a due canali che potrà funzionare almeno fino a 1 MHz e che fornirà in uscita un segnale logico utilizzabile come ingresso alla porta logica di conteggio del clock. Il clock sarà lo stesso oscillatore master a 100 MHz che pilota tutto il sistema, ed un processore DSP a virgola mobile si occuperà di elaborare nel modo opportuno i risultati.

Il prototipo di sistema di rivelazione eterodina a doppio mixer sarà poi interfacciato con la sorgente laser predisposta a Milano e tutto il sistema verrà messo in funzione presso l'INRIM, dove le sue prestazioni saranno confrontate con quelle di altri sistemi di misura di distanza basati su altri principi, in particolare sistemi interferometrici.

Si prevede che i primi 12 mesi siano necessari per la realizzazione del sistema a doppio mixer e per i test di efficacia su segnali sintetizzati, mentre le prove con l'integrazione della sorgente laser potranno essere iniziate nel secondo anno del progetto. Dal diciottesimo mese si dovrà poi passare alla fase di validazione del sistema sul banco di prova interferometrico dell'INRIM.