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Laboratoire d’analyse et d’architecture des systèmes

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93documents trouvés

17383
23/10/2017

Analysis and implementation of a direct phase unwrapping method for displacement measurement using self-mixing interferometry

A.EHTESHAM, U.ZABIT, O.BERNAL, G.RAJA, T.BOSCH

Riphah, OSE, UETTAXILA

Revue Scientifique : IEEE Sensors Journal, 10p., Octobre 2017, DOI 10.1109/JSEN.2017.2758440 , N° 17383

Lien : https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-01617743

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Abstract

Self-Mixing (SM) or optical feedback interferometry has been widely used for displacement and velocity measurement applications. For metric information retrieval with < λ/2 precision, various phase unwrapping methods have been proposed. However, these are computationally heavy and require large number of hardware resources, thereby hindering the development of real-time, embedded solutions for large bandwidth applications. In this regard, a simple and efficient feedback phase retrieval algorithm, called Consecutive Samples based Unwrapping (CSU) is presented. Detailed analysis of its error performance has been conducted as a function of key optical feedback parameters. A theoretical study has also been conducted to explain as to why such good error performance is obtained for such a simple algorithm by establishing a linear relation between the modulated laser power signal and the laser phase in the absence of optical feedback for specific ranges of key optical feedback parameters. We applied CSU on various simulated and experimentally acquired signals using SMI for the retrieval of harmonic and arbitrary displacements and found out that CSU retrieves target displacement with a precision of about λ/10 while consuming much less time and hardware resources. The paper also presents FPGA based hardware design results of CSU and compares its performance with a traditional analytical phase unwrapping method in terms of maximum clock frequency, latency, and on-chip hardware resources. This hardware comparison strongly establishes the advantages of such a fast and computationally light algorithm, readily suitable for large bandwidth, embedded, real-time sensing applications.

141316
17352
28/09/2017

Optical feedbacksensinginmicrofluidics:designandcharacterizationof VCSEL-based compactsystems

Y.ZHAO

MICA, OSE

Doctorat : INSA de Toulouse, 28 Septembre 2017, 151p., Président: A.HUMEAU-HEURTIER, Rapporteurs: P.DEBERNARDI, S.ROYO, Examinateurs: M.NORGIA, Directeurs de thèse: V.BARDINAL DELAGNE, J.PERCHOUX , N° 17352

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Résumé

L’interférométrie par retro-injection optique (OFI) est une technique de détection émergente pour les systèmes fluidiques. Son principe est basé sur la modulation de la puissance et/ou de la tension de polarisation d’une diode laser induites par interférence entre le faisceau propre de la cavité laser et la lumière réfléchie ou rétro-diffusée par une cible distante. Grâce à l’effet Doppler, cette technique permet de mesurer précisément la vitesse de particules en mouvement dans un fluide, et de répondre aux besoins croissants de mesure de débit dans les systèmes d’analyse biomédicale ou chimique. Dans cette thèse, les performances de la vélocimétrie par rétro-injection optique sont étudiées théoriquement et expérimentalement pour le cas de micro-canaux fluidiques. Un nouveau modèle numérique multi-physique (optique, optoélectronique et fluidique) est développé pour reproduire les spectres Doppler expérimentaux. En particulier, les effets de la concentration en particules, de la distribution angulaire de la diffusion du laser par les particules, ainsi que du profil d’écoulement dans le canal sont pris en compte. Un bon accord est obtenu entre les vitesses d’écoulement théoriques et expérimentales. Ce modèle est également appliqué avec succès à la mesure de la vitesse locale dans un micro-canal et à l’analyse de l’impact sur le signal des configurations particulières de canal. Enfin, la conception d’un capteur OFI tirant parti des avantages des Lasers à Cavité Verticale à Emission par la Surface (VCSEL) est proposée. Grâce au développement de techniques de microfabrication à base de matériaux polymères, un premier démonstrateur composé d’un VCSEL à lentille intégrée est réalisé et testé sans aucune optique macroscopique additionnelle. Les résultats obtenus en termes de mesure de flux sur des canaux micro-fluidiques de tailles différentes valident l’intérêt de cette approche et ouvrent la voie vers la réalisation de capteurs OFI ultra-compacts.

Abstract

Optical feedback interferometry (OFI) is an emerging sensing technique which has been studied in fluidic systems. This sensing scheme is based on the modulation of the laser emission output power and/or the junction voltage induced by the interaction between the back-scattered light from a distant target and the laser inner cavity light. Thanks to the Doppler Effect, OFI can precisely measure the velocity of seeding particles in flowing liquids which is much required in chemical engineering and biomedical fields. In the present thesis, optical feedback interferometry performance for microscale flow sensing is studied theoretically and experimentally. A new numerical modeling approach based on multi-physics numerical simulations for OFI signal simulation in the micro-scale flowmetry configuration is presented that highlight the sensor performances. In this model, many factors are involved such as particle concentration and laser-particle scattering angle distribution and flow velocity distribution. The flow rate measurement shows good agreement with the modeling. The implementation of OFI based sensors in multiple fluidic systems, investigating the impact of the fluidic chip specific configuration on the sensor signal. Finally, a compact OFI flowmetry sensor based on Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers (VCSELs) using micro optical fabrication techniques is demonstrated as well. The simulation method for the design and the microfabrication procedures are detailed. After an evaluation of the experimental results, the capabilities of this new OFI sensor in microfluidic measurements are emphasized, thus demonstrating an open path towards ultra-compact microfluidic systems based on the OFI sensing technique.

Mots-Clés / Keywords
Optical feedback interferometry; VCSEL; Microfluidics; Flow measurement; Doppler effect; Interférométrie par réinjection optique; Micro-fluidique; Mesure de débit; Effet doppler;

141153
17353
15/09/2017

Characterization of acoustic sources by optical feedback interferometry

PF.URGILES ORTIZ, J.PERCHOUX, T.BOSCH

OSE

Revue Scientifique : Proceedings, Vol.4, N°1, 348p., Septembre 2017 , N° 17353

Lien : https://hal.laas.fr/hal-01611659

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Abstract

Sound can be described as the propagation of pressure variations in compressible media that involves compression and expansion and induces a change in the density of the medium. This change in acoustic pressure as it induces a change of the refractive index can be measured by optical methods, the most recent being the optical feedback interferometry. With this technique, a laser diode is beaming on a reflective surface thus creating a cavity where the acoustic wave propagates. This paper presents anovel experimental technique to measure radiation pattern of acoustic sources based on optical feedback interferometry in a laser diode.

141155
17384
15/09/2017

All analog processing of speckle affected self-mixing interferometric signals

A.SIDDIQUI, U.ZABIT, O.BERNAL, G.RAJA, T.BOSCH

Riphah, OSE, UETTAXILA

Revue Scientifique : IEEE Sensors Journal, Vol.17, N°18, pp.5892-5899, Septembre 2017 , N° 17384

Lien : https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-01617748

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Abstract

Self-mixing (SM) or optical feedback interferometry has been extensively used for high precision displacement and vibration sensing. However, presence of speckle can significantly degrade the SM interferometric signal and cause changes in signal amplitude as well as in the operating optical feedback regime, resulting in reduction in measurement precision. Previously, different advanced digital signal processing techniques have been proposed to undo the effects caused by speckle. However, their complex and computationally heavy nature inhibits their use for real-time, high bandwidth sensing applications. In this regard, an all analog signal processing algorithm has been presented in this paper, which allows real-time processing of speckle affected SM signal while using standard analog circuits. Various simulations indicated that it is able to correctly process speckle affected SM signals having amplitude variation of at least one order and optical feedback parameter C reduction until 0.5. This proposed algorithm has been tested on experimentally acquired speckle affected SM signals and found capable of dealing with variations in optical feedback regime and amplitude modulation of SM signals, in accordance with simulation results. The developed hardware prototype circuit measures a maximum displacement amplitude of 0.4 mm at a maximum target velocity of 8 mm/s for an SM sensor with a laser wavelength of 785 nm as long as C >0.5 . The proposed all analog processing could be a significant step toward a robust, low-cost, integrated, real-time SM displacement sensor.

141318
17367
01/09/2017

Optical feedback interferometry flowmetry sensor in microfluidics chip

Y.ZHAO, J.PERCHOUX, T.CAMPS, V.BARDINAL

MICA, OSE

Revue Scientifique : Proceedings, Vol.4, N°1, 4p., Septembre 2017 , N° 17367

Lien : https://hal.laas.fr/hal-01611672

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Abstract

Optical feedback interferometry (OFI) applied to microscale flow sensing is studied theoretically and experimentally. A new model is investigated that predicts the OFI signal. This model is based on the Lang-Kobayashi equations and highlights the importance of the laser beam propagation and the laser-particle scattering performances. For the first time, the angle distribution of the scattered light is involved in the model. The model evaluates the impact on the OFI signal of the light propagation in the micro-scale channel geometry. The flow rate measurement shows good agreement with the model.

141235
17368
01/09/2017

Impact of high coupling factor in absolute distance measurement with self-mixing interferometry

M.VENG, J.PERCHOUX, F.BONY

OSE

Revue Scientifique : Proceedings, Vol.1, N°4, 373p., Septembre 2017 , N° 17368

Lien : https://hal.laas.fr/hal-01611675

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Abstract

Absolute distance measurement by means of a self-mixing interferometer (SMI) can be obtained by modulating the laser frequency. This modulation is typically achieved through the modulation of the laser injection current with a triangle waveform. Various strategies have been proposed to increase the performances and recent researches have shown real-time performance of SMI with resolution reaching 100 μm for distances up to 2 m. In the present paper, we demonstrate for the first time, both experimentally and by modeling, that with high coupling factors between the laser and the target, disappearance of interferometric fringes occurs that can strongly affect the measurement reliability.

141237
17371
01/07/2017

Optical feedback interferometry : from basics to applications of laser flowmetry

E.E.RAMIREZ MIQUET, J.PERCHOUX, R.DA COSTA MOREIRA, Y.ZHAO, A.LUNA ARRIAGA, C.TRONCHE, O.SOTOLONGO-COSTA

OSE, I2C, UAEM

Revue Scientifique : Revista Cubana de Fisica, Vol.34, N°1, pp.48-57, Juillet 2017 , N° 17371

Lien : https://hal.laas.fr/hal-01611682

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Abstract

Optical feedback interferometry (OFI) is a contactless technique that is employed for measuring parameters related to object's motion. The light emitted by a laser is backreflected or scattered from a moving object and a small portion of the scattered waves re-enters the laser cavity and impacts the laser's emission properties. We review the theoretical basics of optical feedback interferometry and explain the physical principles in the frame of laser Doppler flowmetry. We present a model derived from the Lang and Kobayashi rate equations to show the particular features of the optical feedback signal in temporal and frequency domain. In addition, we present experimental measurements relative to the detection of flowing particles in a microchannel, the measurement of unsteady flows and the quantification of blood perfusion in skin, which demonstrate the potential use of OFI sensors in the assessment of fluidic systems of interest in chemical and biomedical engineering.

141242
17170
23/05/2017

System design of a low-power three-axis underdamped MEMS accelerometer with simultaneous electrostatic damping control

L.CIOTIRCA

OSE

Doctorat : INP de Toulouse, 23 Mai 2017, 180p., Président: P.BENECH, Rapporteurs: J.JUILLARD, P.NOUET, Examinateurs: O.BERNAL, Directeurs de thèse: H.TAP , N° 17170

Lien : https://hal.laas.fr/tel-01561758

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Résumé

L’intégration de plusieurs capteurs inertiels au sein d’un même dispositif de type MEMS afin de pouvoir estimer plusieurs degrés de liberté devient un enjeu important po ur le marché de l’électronique grand public à cause de l’augmentation et de la popularité croissante des applications embarquées. Aujourd’hui, les efforts d'intégration se concentrent autour de la réduction de la taille, du coût et de la puissance consom mée. Dans ce contexte, la co - intégration d’un accéléromètre trois - axes avec un gyromètre trois - axes est cohérente avec la quête conjointe de ces trois objectifs. Toutefois, cette co - intégration doit s’opérer dans une même cavité basse pression afin de prés erver un facteur de qualité élevé nécessaire au bon fonctionnement du gyromètre. Dans cette optique, un nouveau système de contrôle, qui utilise le principe de l’amortissement électrostatique, a été conçu pour permettre l’utilisation d’un accéléromètre sou s - amorti naturellement. Le principe utilisé pour contrôler l’accéléromètre est d’appliquer dans la contre - réaction une force électrostatique générée à partir de l’estimation de la vitesse du MEMS. Cette technique permet d’augmenter le facteur d’amortisseme nt et de diminuer le temps d’établissement de l’accéléromètre. L’architecture proposée met en œuvre une méthode novatrice pour détecter et contrôler le mouvement d’un accéléromètre capacitif en technologie MEMS selon trois degrés de liberté : x, y et z. L 'accélération externe appliquée au capteur peut être lue en utilisant la variation de capacité qui apparaît lorsque la masse se déplace. Lors de la phase de mesure, quand une tension est appliquée sur les électrodes du MEMS, une variation de charge est app liquée à l’entrée de l’amplificateur de charge (Charge - to - Voltage : C2V). La particularité de cette architecture est que le C2V est partagé entre les trois axes, ce qui permet une réduction de surface et de puissance consommée. Cependant, étant donné que l e circuit ainsi que l’électrode mobile (commune aux trois axes du MEMS) sont partagés, on ne peut mesurer qu’un seul axe à la fois. Ainsi, pendant la phase d'amortissement, une tension de commande, calculée pendant les phases de mesure précédentes, est ap pliquée sur les électrodes d'excitation du MEMS. Cette tension de commande représente la différence entre deux échantillons successifs de la tension de sortie du C2V et elle est mémorisée et appliquée trois fois sur les électrodes d’excitation pendant la m ême période d’échantillonnage. Afin d’étudier la faisabilité de cette technique, des modèles mathématiques, Matlab - Simulink et VerilogA ont été développés. Le principe de fonctionnement basé sur l’amortissement électrostatique simultané a été validé grâce à ces modèles. Deux approches consécutives ont été considérées pour valider expérimentalement cette nouvelle technique : dans un premier temps l’implémentation du circuit en éléments discrets associé à un accéléromètre sous vide est présentée. En perspecti ve, un accéléromètre sera intégré dans la même cavité qu’un gyromètre, les capteurs étant instrumentés à l’aide de circuits CMOS intégrés. Dans cette cadre , la conception en technologie CMOS 0.18μm de l’interface analogique d’amortissement est présentée et validée par simulation dans le manuscrit.

Abstract

Recently, consumer electronic s industry has known a spectacular growth that would have not been possible without pushing the integration barrier further and further. M icro Electro Mechanical Systems (M EMS ) inertial sensors (e.g. accelerometers, gyroscopes) provide high performance, lo w power, low die cost solutions and are, nowadays, embedded in most consumer applications. In addition, the sensors fusion has become a new trend and combo sensors are gaining growing popularity since the co - integration of a three - axis MEMS acceleromete r and a three - axis MEMS gyroscope provide s complete navigation information. The result ing device is an Inertial measurement unit (IMU) able to sense multiple Degrees of Freedom ( DoF ) . Nevertheless, t he performances of the accelerometers and the gyroscope s are conditioned by the MEMS cavity pressure: the accelerometer is usually a damped system functioning under an atmospheric pressure while the gyroscope is a highly resonant system. T hus, t o conceive a combo sensor, a unique low cavity pressure is require d. The integration of both transducers within the same low pressure cavity necessitates a method to control and reduce the ringing phenomena by increasing the damping factor of the MEMS accelerometer. Consequently , the aim of the thesis is the design of a n analog front - end interface able to sense and control an underdamped three - axis MEMS accelerometer. This work proposes a novel closed - loop accelerometer interface achieving low power consumption . The design challe nge consists in finding a trade - off betwee n the sampling frequency, the settling time and the circuit complexity since the sensor excitation plates are multiplexed between the measurement and the damping phases. In this context, a patented damping sequence (simultaneous damping) has been conceived to improve the damping efficiency over the state of the art approach performances (successive damping). To investigate the feasibility of the novel electrostatic damping control architecture, several mathematical models have been developed and the settli ng time method is used to assess the damping efficiency. Moreover, a new method that uses the multirate signal processing theory and allows the system stability study has been developed. This very method is used to conclude on the loop stability for a cert ain sampling frequency and loop gain value. Next, a CMOS implementation of the entire accelerometer signal chain is designed. The functioning has been validated and the block may be further integrated within an ASIC. Finally, a discrete components system is designed to experimentally validate the simultaneous damping approach.

Mots-Clés / Keywords
Electrostatic damping; Inertial sensors; MEMS; Microelectronics; Amortissement électrostatique; Capteurs inertiels; Microélectronique;

140253
17122
26/04/2017

Optimisation de blocs constitutifs d’un convertisseur A/N pipeline en technologie CMOS 0.18µm pour utilisation en environnement spatial

L.PERBET

OSE

Doctorat : INP de Toulouse, 26 Avril 2017, 196p., Président: J.D.LEGAT, Rapporteurs: Y.DEVAL, P.NOUET, Examinateurs: O.BERNAL, Directeur de thèse: H.TAP , N° 17122

Lien : https://hal.laas.fr/tel-01524918

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Abstract

Imaging is a major issue in the observation of the Universe and the Earth from space, whether in the visible domain or not. Thus, in the spatial field, data is often gathered by a CCD (charge-Coupled Device) sensor, that supplies analog voltages to an Analog-to-Digital Converter (ADC), which outputs will be delivered to a processing chain, and then sent to earth. Consequently, ADCs are key elements in satellite imaging. Their precision and speed will indeed define the quality and the representativeness of the binary signal. It is then crucial to perform a high quality (speed & precision) conversion of the data, while making sure that the ADC can cope with the harsh irradiative environment. The purpose of this thesis is to improve the robustness to the space environment (hardening), while optimizing the performances, of several elementary devices that compose a 14 bits, 5MS/s pipeline ADC, made with the XFAB 180nm technology. The three targeted functions are the switches (especially the problems linked to coping with the charge injection problems in a space environment), the comparators (hardening) and the switched-capacitor amplifier (gain boosting through a predictive architecture with no penalty on the power consumption).

Résumé

L’imagerie constitue un axe majeur de l’exploration de l’univers et de la Terre depuis l’espace, que l’on se trouve dans le domaine du visible ou non. Ainsi dans le domaine spatial, les données sont le plus souvent récupérées par un capteur CCD (Charge-Coupled Device, ou Dispositif à Transfert de Charge (DTC)) qui fournit des tensions analogiques vers un convertisseur analogique-numérique (CAN), dont la sortie sera transmise à une chaîne de traitement, puis envoyée sur terre. Ainsi, les CAN sont des éléments clés dans l’imagerie par satellite. De leur précision et de leur vitesse va dépendre la qualité de la représentativité de la chaîne de signaux binaires. Il est donc crucial de réaliser une conversion de données de grande qualité (vitesse, précision) tout en s’assurant de la résistance du CAN à l’environnement radiatif. L’objectif de cette thèse est d’améliorer la robustesse à l’environnement spatial, tout en optimisant les performances, de plusieurs fonctions élémentaire d’un convertisseur analogique-numérique de type pipeline 14bits, 5MS/s, réalisées en technologie XFAB 0,18μm. Les trois fonctions ciblées sont les interrupteurs (notamment la résolution des problèmes liés au phénomène d’injection de charges en environnement spatial), les comparateurs (durcissement) et l’amplificateur à capacités commutées (amélioration du gain par une technique prédictive sans pénaliser la puissance consommée).

Mots-Clés / Keywords
Amplificateur; ASIC; CMOS; Comparateur; Convertisseur analogique-numérique; Environnement spatial; Interrupteur;

139793
17217
01/03/2017

New insights on fractures deformation from tiltmeter data measured inside the Fontaine de Vaucluse karst system

N.LESPARRE, F.BOUDIN, C.CHAMPOLLION, J.CHERY, HC.SEAT, M.CATTOEN, F.LIZION, L.LONGUEVERGNE

Geoscience, CNRS, ENS Paris, OSE, IDEA, Geosciences, Rennes

Revue Scientifique : Geophysical journal international, Vol.208, N°3, pp.1389-1402, Mars 2017 , N° 17217

Lien : https://hal-insu.archives-ouvertes.fr/insu-01408482

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Abstract

Tilt fluctuations can potentially reflect the response of hydrosystems to important rainfall. In this context, long baseline tiltmeters have been installed in an underground tunnel penetrating the Fontaine de Vaucluse karst to study the medium deformation related to solicitations exerted by water infiltrating the hydrosystem. The instruments monitor the tilt as well as its spatial variation. Northward tilts reaching a 1 μrad amplitude are observed consecutively to rainfalls. The tilt amplitude is highly correlated with the Fontaine de Vaucluse outlet flow fluctuations. The measured tilt signal is also relatively homogeneous over a 150 m length. Different types of structure likely to produce such observations are tested in order to identify their location with respect to the tiltmeters, their dimension as well as the amount of water level variation in the structure. Following rainfalls, the infiltration of water modifies the pore pressure, inducing a medium deformation. The hypothesis of an homogeneous surface loading on the Vaucluse plateau is first refuted since the related tilt is much lower than the one measured. The water supplied by rainfalls has to accumulate in discontinuities in order to generate a higher tilt. So, the deformation related to a pressure exerted on a fracture filled by water is assessed. A first study reveals the interest of the tilt homogeneity information that constrains strongly the fracture properties. Thus, the fracture must be located at a distance more than a few hundreds metres from the tiltmeters in order to produce a tilt homogeneous in space. If the fracture is initially dry, it must also be filled on a height higher than 150 m consecutive to a rainfall in order to generate a tilt amplitude in the same magnitude as the one measured. Then, we explore the influence of water level variations on the tilt produced by a fracture located at the interface between the saturated and unsaturated zones, which are thereby permanently flooded. Since several parameters of that model satisfactorily explain the field observations, we discuss how simultaneous geodetical observations could provide complementary information that would further constrain the geometry of the structure at the origin of the medium deformation.

140460
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