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WO2015189283A1 - Dispositif d'analyse spectroscopique mobile, notamment pour analyses géologiques - Google Patents

Dispositif d'analyse spectroscopique mobile, notamment pour analyses géologiques Download PDF

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Publication number
WO2015189283A1
WO2015189283A1 PCT/EP2015/062961 EP2015062961W WO2015189283A1 WO 2015189283 A1 WO2015189283 A1 WO 2015189283A1 EP 2015062961 W EP2015062961 W EP 2015062961W WO 2015189283 A1 WO2015189283 A1 WO 2015189283A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
optical
laser
libs
analysis
libs analysis
Prior art date
Application number
PCT/EP2015/062961
Other languages
English (en)
Inventor
Muriel SACCOCCIO
Hubert Diez
Gilles Dromart
Sylvestre MAURICE
Original Assignee
Centre National D'etudes Spatiales
Tharsys Energy
Universite Paul Sabatier-Toulouse Iii
Centre National De La Recherche Scientifique
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Centre National D'etudes Spatiales, Tharsys Energy, Universite Paul Sabatier-Toulouse Iii, Centre National De La Recherche Scientifique filed Critical Centre National D'etudes Spatiales
Publication of WO2015189283A1 publication Critical patent/WO2015189283A1/fr

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    • G—PHYSICS
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    • G01N2201/02—Mechanical

Definitions

  • the present invention generally relates to a device for analyzing the material by laser induced plasma spectroscopy ("Laser-Induced Breakdown Spectroscopy" in the English language, abbreviated to LIBS), and more particularly to such a device in a version mobile or transportable.
  • Laser-Induced Breakdown Spectroscopy in the English language, abbreviated to LIBS
  • the LIBS analysis technique has many advantages over other techniques used in the laboratory: it is a quantitative, multi-elemental, sensitive, information-rich quantitative analysis technique (large and resolved spectra). It is versatile (all types of materials), direct (without sampling or sample preparation), non-destructive (ablated mass of the order of the g) and clean (without emission of gas). It is fast and flexible: analyzes in seconds, at surface and in depth ( ⁇ 1 mm without drilling, more if associated with a drill), in contact or at a distance, directly in the field, on site, or in the laboratory. Transportable LIBS instruments allow geologists to explore sites accessible by car and then on foot. The geologist should select the area and targets to be analyzed, then approach the unit for each sample or take samples for analysis. This is long and tedious, and necessarily limits the amount of samples selected and analyzed, and the size or number of areas analyzed. The geologist inevitably misses potentially interesting samples. And there are still many areas difficult or impossible to access, but very interesting.
  • the objective of the present invention is to provide an improved LIBS analysis device, facilitating the chemical analysis of targets / samples, particularly in the context of in situ analyzes of exploration sites.
  • the subject of the invention is a LIBS analysis device which comprises:
  • optical illumination means capable of directing at least two separate laser beams towards the target to be analyzed (the term "target” designates any object to be analyzed, for example a cliff, a soil or any sample) , so as to form at least two spatially separated analysis points on the target, according to a predefined pattern and
  • optical means for collecting the light emitted by interaction of the incident laser radiation with the target, said optical collection means having a field of vision in which said at least two measurement points are located;
  • At least one spectroscopic detector for analyzing the light transmitted by the optical collection means and generating LIBS spectral data
  • a first optical fiber transmission cable for transmitting the laser radiation from the laser radiation source to the optical illumination means
  • the design of the device according to the present invention is optimized for a compact and mobile embodiment, facilitating the use of terrain.
  • the optical illumination and collection means are integrated in a measuring head, connected to the laser source and the spectrometer by optical fiber (s) cables. This makes it possible to decouple the measuring head from the bulky and sensitive organs of the device. It will therefore be easy to move and position the measuring head, which is a comparatively light member, at a distance from the laser / spectrometer group. If the measuring head is damaged, it can be replaced, and the laser / spectrometer group is not affected. Similarly laser source parts and spectroscopic analysis may be replaceable modules for maintenance for example.
  • the optical illumination means are designed to work with at least two separate laser beams sent on the target to be analyzed, so as to form at least two spatially separated analysis points in a predefined pattern.
  • the use of two or more laser beams makes it possible to probe several points on the target in a single measurement, that is to say for a single positioning of the measuring head with respect to the target, and this that the shooting with different Laser beams are done simultaneously (in parallel) or sequentially.
  • This ability to probe a measurement zone at several points (and in a single measurement step) is particularly interesting in the case of heterogeneous samples, since this makes it possible to detect a heterogeneity of the material by the different LIBS responses obtained, which makes is not revealed by a measurement at a single point.
  • the device according to the invention makes it possible to increase the spatial analysis resolution and the extent of the analyzed zone, while reducing the time required to cover this area. This is an important asset for operational and / or expensive exploration missions.
  • the firing sequence is generally operated by a control unit, from which the operator determines all the parameters of use of the apparatus, in particular: the mode of use of the laser source (in particular the number or the rate of shots), the mode of acquisition and treatment of the spectra, as well as the mode of acquisition of the images or videos, and the sequencing of all this, etc.
  • the pattern of the measurement points is predefined by the design of the optical illumination means.
  • the points of analysis can be distributed in various ways on the target to be analyzed, online or in grid or any other desirable arrangement.
  • the distance between two points of measurement adjacent to the pattern is greater than or equal to half the diameter of an incident laser beam.
  • the distance between two measuring points adjacent to the pattern may be of the order of 1 to a few mm or more; it can be for example chosen between 2 and 30 mm depending on the spatial resolution targeted on the target.
  • the laser source is sized taking into account the subsequent subdivision of the radiation (number of simultaneous measurement points that one wishes to obtain on the target). This is to ensure that the power of each of the laser beams formed by the optical illumination means is sufficient to vaporize the material, generate a plasma at each of the analysis points on the sample, and obtain a signal-to-noise ratio. sufficient for the chemical species to be detected, in accordance with the needs of the LIBS technique.
  • Each of the different laser beams preferably follows a clean optical path to the target, the beams emerging from the optical laser illumination means contained in the measuring head. This is called an "illumination path" that generates a laser beam to form a measuring point.
  • a beam splitter In this context, it is possible to provide at the level of the measuring head a beam splitter, a planar optical system, or based on discrete optical components or optical fibers, for example, making it possible to constitute several illumination channels.
  • Several laser beams (parallel or otherwise) emerging from the measuring head are thus produced, and following each of the respective paths and distinct from the measuring head to the target, to form measuring points spaced for example from 2 to 30 mm. .
  • the number of laser shots per measuring point, and their cadence can be adapted to the needs of the analysis (plasma intensity and signal-to-noise ratio obtained, detectivity of the chemical elements to be analyzed, concentration of the target in elements that one seeks to detect, alteration of the surface (dust, pollution ...), etc.).
  • One can thus, according to the number of laser shots accumulated on a point, to distinguish the chemical composition of the surface of the target from that which one can find a little below this one. Indeed, depending on the properties of the target, the depth of penetration of the laser beam, after a few hundred or thousands of shots, can reach or even exceed 1 mm.
  • the illumination channels may, depending on the variants, be illuminated sequentially or simultaneously.
  • the sequential case is the simplest to achieve.
  • An alternative to activate successively each measurement channel consists in playing on the direction of the source laser radiation, modified with the aid of an associated deflection means, for example a moving mirror, at the input of a beam splitter, in order to bring it successively towards each path of illumination of the target.
  • the collection can then be done by discriminating the spectra of each measurement point for example by their recording dates and the sequential (the order) triggering shots between the different points.
  • the optical collection means are configured to allow spatial discrimination of the collected light.
  • the concept of simultaneous fire is used antagonistically to "sequential".
  • the firing is simultaneous when the laser firing is carried out at the same time, or at least partially concomitantly, on at least two illumination paths.
  • “simultaneous” is to be interpreted in a broad way, also synonymous with "in parallel”, and does not require that the shots be initiated exactly at the same time or of the same duration.
  • the simplest is nevertheless to have a single laser source generating the different measurement beams simultaneously.
  • this collection path comprises a group of contiguous optical fibers, each fiber receiving light from a sub-region of the analysis zone comprising a single point of analysis.
  • collection channels that are entirely spatially separated, configured to associate a (single) collection channel (and preferably spectral analysis) independent to a measurement point (and therefore to a laser beam). This ensures better isolation of the signals from each other, but weighs the collection and spectral analysis devices compared to previous solutions, making the system less compact and more complex.
  • the device according to the invention can be designed as a fixed analysis instrument. But the present device will preferably be realized as a portable or mobile analysis device, controlled by an operator or autonomous, the LIBS technique being ideal for field analysis, since it allows in situ analysis, fast, without contact, and without sample preparation.
  • the device may comprise a gun that integrates at least the optical components of illumination of the target and collection of radiation from it.
  • a pistol is easily manageable by a user on all types of terrain.
  • the present device could for example be made as a portable laboratory measuring device, with sample holder for samples, samples or cores (possibly associated with a conveyor for them) or in the manner of an embedded device allowing remote measurements from the land or aerial exploration vehicle, on which it is embedded, as is for example the case for "ChemCam" aboard Curiosity on Mars.
  • the laser source can be adapted from the Chemcam laser concept to be compact, robust to shocks and vibrations, and able to operate on a wide temperature range (eg -40 / + 40 ° C) without thermal regulation, and with limited power consumption. These are major assets for portable or embedded applications requiring compactness, lightness, robustness and low consumption.
  • the present device can implement all appropriate methods to carry out a LIBS analysis, in particular for spectral analysis, calibration, measurement data processing and elementary identification, in order to achieve qualitative chemical analysis. and / or quantitative targets.
  • the present device is not reserved for geological analyzes: it can find application in all kinds of fields (as described above), for the chemical analysis of solid, liquid or gaseous samples.
  • the LIBS analysis does not require target or sample preparation, but it may nevertheless be necessary, depending on the case, to prepare the surface of the target or of the sample, by cleaning or abrasion (to go further than the effect of the laser shock wave), or to withdraw from the material, for example by drilling, to carry out the deeper analysis in the target or the sample relative to the depth accessible by accumulation of laser shots .
  • the measuring head is advantageously designed without moving parts. It can define an optical guide path for the laser beams by means of assembling different fixed optical elements.
  • the optical guiding means may comprise a laser beam waveguide to be conveyed to generate a respective measurement point, in particular based on fixed optical elements, preferably designed from one or more elements chosen from: fibers optical fiber couplers, mirrors, lenses, dichroic blades, separator cubes, and planar guides.
  • the separation of the laser radiation in two or more beams can be provided in the measuring head by means of an optical fiber coupler or integrated optics.
  • the power supply of the analysis device can be done by wired connection to an electrical distribution network, but for portable versions is preferably by a battery that can be recharged by any appropriate means: electrical network, heat engine, solar panels ...
  • the present device advantageously incorporates an imaging module, in particular a high resolution color imaging module that makes it possible to take photographs of the analysis zone, before and after the laser impact, or even videos of the sequence of 'analysis.
  • the combination image / chemical analysis is very useful for the geologist, for example. It allows him to know the context of the analysis: to recognize the type of rock or soil analyzed, to identify the possible presence of inclusions, to see if there is dust on the analyzed area (and, on Earth, plants).
  • the analysis device LIBS can be completed by complementary analysis means, for example a Raman spectrometer which can benefit from the same means of illumination and collection, or from a specific illumination path, the irradiation of the the sample being made at the desired wavelengths with the laser source (for example with doubling of its nominal frequency for the Raman pathway to gain compactness), or another laser source.
  • complementary analysis means for example a Raman spectrometer which can benefit from the same means of illumination and collection, or from a specific illumination path, the irradiation of the the sample being made at the desired wavelengths with the laser source (for example with doubling of its nominal frequency for the Raman pathway to gain compactness), or another laser source.
  • the present LIBS analysis device can be embarked on a land or air exploration vehicle, for example, to travel or to travel on an exploration site.
  • This vehicle can be a mobile robot on the ground and / or in the air and controlled remotely, or moving in a pre-programmed or autonomous way.
  • a land vehicle controlled remotely car or exploration rover
  • the vehicle preferably comprises means for moving on the ground, or in the air, and stabilizing in front of, against, or above the area of analysis, to provide stability of the line of sight for laser shooting, spectral collection and image taking.
  • a drone Compared to a robot on the ground, a drone has the advantage of being able to fly over the obstacles of the ground, which makes it possible to bring the device of analysis in places inaccessible for a rover.
  • a drone may also take measurements on inclined or vertical walls that are not or not accessible by other means.
  • the term "drone” means any remote-controlled aircraft flowing without any person on board, and generally capable of loading a load. For certain proximity applications, the flight can be done in direct view by a ground operator (the remote pilot), via the command and control system on the ground.
  • the drone For explorations out of sight, the drone evolves preferably in an "automatic" way, that is to say that its evolution in flight was programmed by whatever means before the beginning of the flight, and / or is put in day during the flight, and that all or part of the flight is carried out without direct intervention of the operator, except exception or mode of emergency control.
  • the drone has a hover capability, that is, it can be controlled to maintain a position substantially immobile flight from the ground.
  • the combination of the drone and the LIBS analysis device allows sufficient coverage at the scale of geologically interesting sites, whether on our planet or on another, and meets the following criteria: - fast access;
  • the invention therefore proposes a drone embedding the present analysis device LIBS, which makes it possible to increase the capacity of in-situ analyzes and the quantity of targets and / or samples selected and analyzed, the drone being able to carry out reconnaissance missions, exploration and in-situ geological analyzes on grounds larger than those covered by a human geologist or a classic rover, or even more rugged or difficult to access.
  • the drone / analyzer unit LIBS is equipped with means to enable it:
  • the LIBS analysis device can be mounted on a mobile mini-robot (rover type), transported by the drone.
  • the drone allows air travel on Earth, Mars or other. After landing, the mobile mini-robot equipped with the present analysis device separates from the drone for exploration on the ground, and returns to the drone at the end of the campaign.
  • the robot is preferably autonomous, and as part of a multi-phase exploration, can enter the drone (to recharge, communicate information or data collected) between each phase, or simply chain the different phases and return to the drone after the last phase.
  • the drone is an assistant, lighter and much more mobile, exploration rover, but containing fewer instruments (only recognition and exploration imagers, LIBS or Raman spectrometer, and possibly a clamp for the collection of samples, for further analysis by the rover).
  • instruments only recognition and exploration imagers, LIBS or Raman spectrometer, and possibly a clamp for the collection of samples, for further analysis by the rover.
  • Miniature devices used in mobile telephony and for terrestrial imaging mini-drones, can be used for the equipment needed for the drone (food, motorization, localization, navigation and imagery in particular ).
  • the combination of the present LIBS analysis device with a mobile robot may find application in a variety of circumstances, for example:
  • FIG. 1 a block diagram of the LIBS analysis device according to the invention
  • Fig.2 a schematic diagram of the pattern of measurement points
  • Fig.3 a diagram of a variant of the measuring head
  • Fig. 4 a schematic diagram of the internal construction of the measuring head of Fig.3
  • Fig. 5 a diagram of another variant of the present analysis device
  • Fig. 6 a diagram illustrating the device of Fig.5 in a portable version backpack
  • Fig. 7 a diagram of the present analysis device LIBS mounted in a drone
  • Fig. 8 a top view of the present analysis device LIBS mounted on a quadri-rotor
  • Fig. 9 a front view of Fig.8;
  • Fig. 10 a diagram of an alternative measurement process of the present LIBS analysis device associated with a drone
  • Fig.1 1 a) schematic diagram of a measuring head according to another embodiment, and b) pattern of the corresponding measurement points on the target. Detailed description of at least one embodiment
  • Fig. 1 illustrates a block diagram of a variant of the present analysis device 10, which comprises: a laser radiation source 12; a measuring head, generally designated 14, comprising:
  • optical illumination means capable of directing the laser radiation onto an object 15 to be analyzed according to the LIBS technique; and optical collecting means for receiving / sensing the radiation
  • the reference sign 18 designates a spectroscopic analysis system of the captured optical signals.
  • a first optical fiber transmission cable 20 is provided for transmitting the laser radiation from the source 12 to the measuring head 14.
  • a second optical fiber transmission cable 22 is provided to transmit the light collected by the optical collection means to said spectroscopic analysis system 18.
  • the optical illumination means are designed to direct, and preferably focus, at least two separate laser beams 24 towards the target, so as to form at least two spatially separated analysis points 26, positioned (distributed ) in a predefined pattern.
  • the at least two analysis points 26 are positioned in the field of view of the collection means (that is to say in the area that falls in the opening angle of the collection means).
  • the field of vision is represented by the indicated dashed circle 28.
  • FIG. 2 shows, for example, a pattern with 2 measuring points on the surface of the target 16, obtained by the two laser beams 24. But also provide 3 separate laser beams, and the third corresponding measuring point would be eg. the indicated point 26 'in Fig.2.
  • the characteristics (including wavelength and energy density) of the laser beams 24 are adapted to heat the material, vaporize a small amount of material and create a plasma at each of the points of analysis 22.
  • the spectroscopic analysis of the light of this plasma allowing the identification of the chemical elements constituting the material of the target, according to the technique LIBS.
  • the light emitted by the plasma produced by the laser pulses on the surface of the target, at each analysis point 26, is thus picked up by the optical collection means and transmitted to the spectroscopic analysis system 18 ( generally comprising at least one spectrometer associated with a detector).
  • the spectrum obtained (LIBS spectrum) describes the chemical species that made up the small piece of sublimated target.
  • the LIBS spectrum, or part of it, can be compared to reference values in a database to identify these species.
  • the laser source may be any source adapted to provide one or more laser beams, whose power density for each measurement point makes it possible to vaporize and ionize a portion of material on the surface of the target (typically a density of 1 GigaWatt is required / cm 2 at a wavelength of 1064 nm, with short pulses of 5 to 8 ns).
  • An example of a suitable laser is a diode-pumped solid-state laser, such as an Nd: YAG laser emitting at 1064 nm.
  • Nd: KGW solid-state laser source such as manufactured by Thalès Laser (France) in collaboration with CNES, for the ChemCam instrument installed on the Curiosity rover for the Martian Mars Science Laboratory ( MSL). It is a stable laser source over a wide temperature range (-30 / + 30 ° C), which does not require active cooling, and capable of producing an energy of the order of 30 to 40 mJ at 1067 nm, with pulses of 5 to 8 ns, and a rate ranging from 1 to 10 Hz.
  • the Chemcam laser is resistant to vibrations, shocks, daily and seasonal thermal cycling, and radiation from the MSL mission.
  • ChemCam its laser, the optical means of illumination and collection, and associated electronics, one can refer to the article published in the periodical Space Science Reviews, no. 170, 2012: The ChemCam Instrument suite on the Mars Science Laboratory (MSL) Rover: Science Objectives and Mast Unit by Maurice, S., Wiens, R., Saccoccio, M.
  • MSL Mars Science Laboratory
  • the LIBS analysis technique which he The choice of laser, spectral analysis of plasma light, spectral data processing, and calibration is widely known and will therefore not be described further here.
  • the device includes a control unit, indicated
  • the present measurement principle involves a plurality of shots on different measurement points.
  • this multi-shot method is implemented by the device in an automated way (whether sequential or parallel), whereas the user gives only one instruction to carry out a procedure. measurement (and not as many measurement instructions as laser beams).
  • the laser source 12 and the spectrometer 18 are combined in a same box, housing or support, with the control unit 17, which will be referred to hereinafter laser / spectrometer group 19, or L / S group 19.
  • the measuring head 14 is illustrated in perspective in FIG. 3, in a variant comprising a parallelepipedal casing. On the front face 30, there is symbolized:
  • the head 14 here comprises two indicated imaging sensors 36 and a sensor.
  • distance sensor 38 range finder
  • One of the imaging sensors can be a high resolution (or HD) color sensor and the other a large field imaging sensor.
  • the laser radiation is transmitted by the first cable 20 from the source 18 to the measuring head 14.
  • the laser radiation is guided, oriented and / or distributed in the measuring head 34, so as to emerge from it several beams laser according to respective predefined directions, to provide spatially separated analysis points on the sample, according to the predefined pattern.
  • the measuring head comprises internal optical elements for directing the laser radiation on different channels, each channel allowing the formation of a next laser beam at the output of the measuring head, a clean optical path for irradiating the sample at the desired measurement point, depending on the pattern.
  • the laser beams may have directions parallel to each other, or not.
  • the first transmission cable 20 comprises an optical fiber for each of the laser beams 24 emitted by the head 14. It is advantageous to work with a single laser source, in series with a beam splitter, from which the independent beams are sent. in the respective fibers. This solution is preferred for reasons of compactness, weight and simplicity.
  • the first cable 20 thus comprises two optical fibers each carrying the laser radiation to form the respective beam 24.
  • the cable 20 arrives for example at the rear 38 of the head 34 and the fibers are connected to the illumination means.
  • the illumination means may be designed in any suitable manner it is required to guide the laser radiation from the optical fiber to the front face of the head, and to emerge the laser beams 24 in the desired directions. Illumination means without moving parts will preferably be used.
  • the first cable 20 comprising two optical fibers 20a, 20b arrives at the rear of the measuring head 14; the ends of the optical fibers 20a, 20b are connected to the rear of the optical structure appropriately.
  • a coupler used as a divider
  • optical fiber beams or integrated optics.
  • a set of internal optical fibers 23 is arranged so as to define an optical path leading the laser radiation from each fiber 20a, 20b, inside the head 14, and to emerge by the face 30 a laser beam 24 in a predetermined direction with the spacing chosen between beams 24.
  • the laser radiation provided by the optical fibers 23 therefore leave through the front face 30 of the measuring head 14, in predetermined directions, forming the beams 24, in order to strike the sample 15 at the two measuring points 26 in an area coinciding with the field of view 28 of the collection means 34.
  • the ends of the internal fibers 23 are represented by rectangles 23i which include the fixing means of these fibers at the rear of the front face and, if necessary, optical focusing elements.
  • the collection means 34 are preferably simplified to the maximum by bringing the end of the second optical fiber cable 22 closer to the front face 30 of the measuring head 14.
  • the cable 22 may comprise one or more optical fibers.
  • a single optical fiber is sufficient for purely spectral discrimination of the collected light; in this solution the signals in response are averaged but allow the identification of the different spectral lines, and thus the elemental analysis of the sample.
  • Single-mode or multi-mode fibers may be employed.
  • the plasma light to be captured be focused on the collection means 34.
  • lenses may be added to the end of the fiber (s), for example a lens doublet.
  • lentil fibers may be employed, if the working distance is appropriate, and in the desired arrangement.
  • a lenticular fiber is a fiber whose end is spherical, thus forming a lens allowing beam focusing (instead of letting it naturally diverge). It can also be inversely used for illumination, provided that its working distance is not an inconvenience for laser illumination and / or imaging.
  • the reference sign 40 symbolizes the doublet of lenses which makes it possible to focus the plasma light on the core zone of the fiber end 42.
  • the LIBS technique with Raman.
  • provision may be made for the transmission of an additional laser beam from the head (eg frequency-doubled LIBS laser beam) for a Raman interrogation of the target.
  • This additional laser beam is separated from the others, and strikes the target at a point of analysis spatially separated from the others, provided in the pattern of the analysis points.
  • the collection of radiation from the Raman interrogation is done by the collection means 34, but the spectral analysis is normally performed in a dedicated spectrometer.
  • Raman interrogation can be done by the 3rd laser beam 24 which strikes the sample at 26 '.
  • the laser radiation to the Raman can be from the same source 12, for example by taking the 2nd harmonic at 532 nm in the case of a source at 1064 nm.
  • the 532 nm radiation can be extracted at the source by a suitable optical assembly, comprising by for example a beam splitter and a mirror at 532 nm.
  • the Raman technique is well known, as well as its combination with the LIBS technique. Those skilled in the art are able to condition the laser radiation appropriately, as well as to analyze the measured radiation.
  • This measuring head 60 comprises 4 irradiation channels (3 for the LIBS analysis, denoted 62, and one for the Raman, denoted 62 ') and a central collection channel 64.
  • the 4 irradiation channels 62, 62' are arranged in a square.
  • the 3 laser paths 62 are formed in a manner similar to the variant of FIG. 4.
  • the laser radiation arrives by optical fiber and is distributed over 3 internal optical paths formed by optical fibers which constitute the laser illumination channels for the interrogation. LIBS.
  • the laser radiation required for Raman analysis (whose wavelength is different - eg 532 nm) is preferably directly fed from the laser source.
  • the illumination channels 62, 62 ' are preferably positioned for laser beams in parallel directions, then forming on the object to be analyzed a matrix pattern of 4 measuring points whose spacing is the same as that of the beams emerging from the measuring head.
  • Fig. 1 1 b) thus shows the 4 measurement points obtained on the sample: 3 measurement points for the LIBS interrogation, indicated 66, and a point corresponding to the Raman interrogation, indicated 66 '. All measurement points are located in the field of view 68 of the collection means.
  • the collection can be done in a simple way with a single optical fiber in the central position, and by firing sequentially on the different channels, which makes it possible to discriminate the measuring points simply on time basis, provided that the collection is focused on the measurement points.
  • the central collection path is designed to allow the spatial discrimination of the light collected during simultaneous shots on all the channels 62, 62 '.
  • the collection route The central unit 64 comprises an assembly of 4 optical fibers 64 1 ... 64 4 which thus enables the segmentation of the field of view 68 into four regions 68 1 ... 68 4 each covering a respective measuring point.
  • the measuring head 14 is designed as described in section 2 above, in relation to FIG. 4, and is therefore coupled to FIG. a laser source 212, installed in an L / S group 219, by means of a first optical fiber cable 220.
  • the measuring head 14 is able to generate two (or more) laser beams 24 separated spatially and focused on the sample 15 to be analyzed, so as to form several points of analysis.
  • the laser source 212 is adapted to the optical system so that its power is sufficient to heat the material at the point of incidence of each of the laser beams 24, vaporize the material and create a plasma to allow elemental analysis by the LIBS technique. .
  • the light of the plasmas created at the measurement points is collected by the collection means 34 and transferred to the L / S group 219 via the second cable 222, for the purpose of spectral analysis by means of LIBS 218 spectrometer.
  • the LIBS 218 spectrometer can be based on any suitable technology, in particular a prism or a diffraction grating.
  • the LIBS spectrometer realizes the spectral dispersion of the harvested plasma radiation, the acquisition thereof being carried out by means of a vector or matrix photon detector 250, for example a CCD or iCCD detector (intensified Charge Couple Device).
  • the L / S group can contain several spectrometers in order to analyze several wavelength ranges and thus access a wider range of chemical elements.
  • Reference numeral 252 denotes a Raman spectrometer also receiving radiation from the sample following interrogation thereof with laser radiation at an appropriate wavelength (as explained 2), or with another light source.
  • the Raman 252 spectrometer can be based on any appropriate technology.
  • the Raman spectrometer performs the spectral dispersion of the harvested plasma radiation, the acquisition thereof being carried out by means of a vector or matrix photon detector 254, for example a CCD or iCCD detector.
  • the imaging sensors 36 equipping the measuring head 14 allow the acquisition of images of the current analysis area of the target before and / or after the laser impact or the video capture of the analysis sequence.
  • a cable 258 connects the imaging sensors 36 to the L / S group, for example to an image processor 260.
  • the rangefinder 38 of the measuring head 14 makes it possible to determine the distance to the target, and can also be used in an automatic control loop when the head is mounted movably, or else in the automatic focusing control system. imagers or measuring equipment (LIBS or Raman). In particular, the distance measured by the rangefinder can be used as a trigger for the measurement, when the measuring head is at the right distance.
  • LIBS imagers or measuring equipment
  • a computer control unit 226 comprising a microprocessor is provided for managing the device 200, in particular implementing the measurement in accordance with the LIBS technique, essentially operating the laser shots, collecting the radiation following the laser interrogation, acquiring the spectra and images.
  • the analysis of the spectra can be done in the device, or these can be stored (DATA 261) and / or transmitted for analysis in another more powerful computer system.
  • the reference sign 262 indicates a communication module for remote communication with the device 200, with the separate interface 254 ', and the data exchange.
  • a cooling module 256 is provided, particularly for cooling the laser source 212, to ensure its optimal operation and its stability (need depending on the chosen laser source).
  • a power supply module 258 provides the energy necessary for the operation of the device 200. It preferably comprises a battery that can be recharged by connection to the network or to a generator. In space exploration or other missions where the supply of electrical energy is limited, the generator may include solar panels.
  • a rangefinder 264 used by the control unit for searching, locating and targeting.
  • a GPS sensor 266 used by the control unit for searching, locating and targeting.
  • a video camera 268 provides dynamic color images in real time of the area to be analyzed, or more generally areas of interest. Such a camera 268 can also be used to categorize the targets observed according to their morphology, color, shape or heterogeneity, for example.
  • the video camera 268 may use ambient light or artificial light, such as laser light, to illuminate the target area.
  • the present device has been designed for on-site / field use.
  • the device can be mounted on board a vehicle (land, air, ...) driven by a user (car, trolley, etc.) or controlled remotely (radio-controlled vehicle, drone ).
  • the L / S group 19 is generally safely installed in the vehicle, while the measuring head 14 can be eg. positioned on a fixed arm or mobile (robotized), thanks to the facility provided by the optical fiber ensuring communication between the laser / spectrometer group and the measuring head, and the compactness and lightness of the latter.
  • the laser unit can be installed in a common box, provided for example with handles. It can also be installed in a suitcase or bag.
  • FIG. 6 illustrates an exemplary embodiment, in which the laser / spectrometer group 19 (of FIG. 1) is installed in a backpack 300, and the measurement head 14 is integrated in a gun 302.
  • a cable 304 includes optical fibers carrying laser radiation and collected light, and other cables needed for imaging and telemetry where appropriate.
  • the gun format is to be able to define a measurement distance.
  • the measuring head is in fact installed in the gun-shaped housing 306, and the front face 14i of the measuring head 14 is turned towards the opening 308 of the housing.
  • the distance D between the front face of the measurement head and the front edge 310 of the gun it is possible to fix the distance D between the front face of the measurement head and the front edge 310 of the gun (it is therefore a front edge of depth D).
  • the focal distance of the illumination and / or collection means can be substantially coincided with this distance D.
  • the LIBS analysis device 200 described above (section 3) is combined with a drone (remotely controlled or moving aerodyne in a pre-programmed or "intelligent” manner), to take measurements along a rocky cliff, a facade of historical monument or in an industrial site or exploration or oil exploitation.
  • the analysis device 200 is thus embarked by the drone 400, which makes it possible to rapidly position the analysis device 200 along the cliff 402, at any desired location. For each measurement, the drone 400 is operated in stationary mode.
  • the multi-rotor drones are also used because they have the combined advantage of a great simplicity of design, a great ease of use and application, and above all are at costs that remain affordable, using technologies miniature and modern especially used in mobile telephony.
  • the measurement zones can be decided by an operator in a visual mode. Alternatively, all the measurement zones can be decided in advance, and the drone then follows a flight plan, in automatic mode, the latter moving towards each of the predefined measurement zones. In an even more sophisticated version, the drone can move in an "intelligent", that is to say, self-adaptive, using its various embedded sensors and predefined flight laws.
  • the drone is of the helicopter type.
  • the group L / S 219 is installed centrally in the drone 400, for the needs of balance.
  • the measuring head 14 is offset by means of an arm 404 which is fixed under the body / fairing 406 of the drone 400 and extends horizontally, beyond the perimeter of the fairing of the drone and the blades. This allows the drone 400 to approach the measuring head 14 very close to the wall.
  • a range finder for positioning the drone 400 at a predefined distance from the wall 402 to make the measurements. This especially in a case without autofocus, or limited refocusing race.
  • the drone is preferably operated so that, at the time of measurement, the measuring head 14 is closer to the wall, for example between 1 and 20 cm, or even in contact therewith. This depends on the focusing capabilities of the measuring head.
  • FIG. 8 illustrates a variant in which the drone is a quadri-rotor 500. It conventionally comprises four lift rotors 502 carried by arms 504 extending from a central body 503, the arms thus forming a cross. In order to prevent the apparatus from rotating on itself on its yaw axis, two rotors 502 rotate in one direction, and the other two in the other direction, the rotors rotating in the same direction being placed at the opposite ends. of a branch of the cross. A fairing 506 is fixed to the central body 503 and surrounds the rotors 502 (propeller + motor).
  • the laser / spectrometer group 219 is installed in the central body 503, or fixed beneath it.
  • the measuring head 14, which is small and of low weight, can however be fixed on an outside of the fairing 506. If necessary, a counterweight can be positioned opposite, or a second measuring head to balance the drone, while offering either a doubling of the measuring points, ie a redundancy at the measuring head.
  • UAVs UAVs
  • Various types of drones can be used, and will be selected according to the desired load capacity and autonomy.
  • Multi-rotor drones capable of carrying a payload between 6 and 10 kg, and having a range of between 10 and 20 minutes are already used for various applications, such as laying high-voltage lines, coastal rescue ...
  • Such drones are quite suitable for use in the context of the present invention.
  • the drone can be equipped with a clamp at the end of a robotic arm, for the collection of samples to be analyzed more finely on a basis brought to the site or laboratory.
  • LIBS measurements are used to analyze coatings. Drones can then be used to take measurements on facades, vaults of cathedrals, or internal walls of buildings, without the use of scaffolding. Again, the measuring head can be placed on the fairing or at the end of an arm or pole.
  • the present device is operated by a control unit, such as the control unit 226 which, in particular, manages the measurement / acquisition sequence, that is to say the triggering of the firing, the collection. of plasma radiation - LIBS, and the acquisition of images.
  • a control unit such as the control unit 226 which, in particular, manages the measurement / acquisition sequence, that is to say the triggering of the firing, the collection. of plasma radiation - LIBS, and the acquisition of images.
  • FIG. 10 A preferred variant of a measurement process is illustrated in Fig. 10, in the context of use with a drone.
  • Step 600 refers to the approach phase, during which the drone approaches the area to be analyzed.
  • the positioning in this analysis zone can be done on sight, or by video camera information, or on the basis of a positioning system.
  • the process loops back to step 600 during the movement of the drone.
  • Imaging (step 602) before laser firing is optional, but it can be useful for comparing the target, before / after laser firing, setting the context of the analysis, and locating it precisely.
  • the command gives its ok to proceed to a shooting phase.
  • the firing phase includes a thin positioning phase, which aims to ensure the focusing of the measuring head 14.
  • the position of the drone is adjusted to position the zone to be analyzed in the focal plane of the optical system, so as to optimize the collection of the plasma radiation that will be created by the laser interrogation. This can be done by distance measurement or telemetry.
  • the collection system connected to the spectrometer (s) comes into play to collect and acquire spectra of the plasma radiation created by the laser shot.
  • the control unit also triggers the acquisition of a post-shot image (step 612), preferably by means of the indicated imaging sensors 36.
  • a slight offset will generally be provided between the laser firing and the acquisition, for take into account the delay between excitation and emission of the target.
  • the firing includes the emission (in parallel or sequential) of the at least two laser beams for the interrogation LIBS, and / or if necessary the laser firing for the interrogation Raman. If a Raman firing is done, the acquisition phase then includes the acquisition of the Raman spectrum. As indicated above, depending on whether the shot is sequential or in parallel, one separates the acquisition of measurement points, either temporally (emission and collection shifted to different points) or spatially (a separate collection path for each measurement point).
  • each laser shot provides a spectrum, or several shots can result in an integrated or averaged spectral acquisition.
  • the shooting data e.g. time, date, coordinates, spectra, images
  • the shooting data are then transmitted to the ground or the base, for analysis and analysis.

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Abstract

Dispositif d'analyse LIBS comprend une source de rayonnement laser et une tête de mesure avec des moyens optiques d'illumination aptes à diriger au moins deux faisceaux laser séparés vers une cible à analyser, de sorte à former au moins deux points d'analyse séparés spatialement sur la cible, selon un motif prédéfini; et des moyens optiques de collecte de la lumière émise par interaction du rayonnement laser incident avec la cible, lesdits moyens optiques de collecte ayant un champ de vision dans lequel se trouvent lesdits au moins deux points de mesure. Un ou des spectromètres est (sont) utilisé(s), pour analyser la lumière transmise par les moyens optiques de collecte et générer des données spectrales LIBS. Des câbles de transmission à fibres optiques transmettent le rayonnement laser de la source à la tête de mesure, et le rayonnement collecté par les moyens optiques de collecte vers le(s) spectromètre(s).

Description

Dispositif d'analyse spectroscopique mobile, notamment pour analyses géologiques
Introduction
La présente invention concerne généralement un dispositif d'analyse de la matière par spectroscopie du plasma induit par laser (« Laser-lnduced Break- down Spectroscopy » en langue anglo-saxonne, abrégé en LIBS), et plus particulièrement un tel dispositif dans une version mobile ou transportable.
Etat de la technique
La géologie, l'exploration minière, gazière ou pétrolière, et d'autres appli- cations scientifiques ou opérationnelles d'exploration, sur Terre ou sur d'autres planètes de notre système solaire, nécessitent des analyses pointues, notamment chimiques, de sites jugés intéressants. Ces analyses doivent pouvoir être menées sur des distances pouvant atteindre plusieurs kilomètres, sur un certain nombre de zones très précises. Les matériaux à analyser peuvent varier (solides, liquides ou gazeux) selon les zones explorées. Il s'agit d'analyser précisément la composition du sol dans les différentes zones de chaque site.
L'observation à distance par satellite (de la Terre et d'autres planètes) ou par avion (pour la Terre), par diverses techniques, est de plus en plus répandue, et de plus en plus instructive du fait des progrès réalisés dans le domaine de l'instrumentation. Mais rien ne vaut l'analyse in situ ou, à défaut, l'analyse déportée d'échantillons collectés, pour réellement identifier et quantifier précisément les matériaux présents, et donc évaluer l'intérêt réel d'un ou de plusieurs site(s).
La démarche à l'ancienne du géologue parcourant le terrain avec son marteau existe encore sur Terre. Elle est complétée, de plus en plus souvent, par des carottages suivis d'analyses poussées des carottes en laboratoire, utilisant des instruments non mobiles. Mais le processus entre l'exploration, la sélection, la collecte puis l'analyse des échantillons est donc très long et coûteux.
Depuis quelques années, des instruments sophistiqués existent en version portable, permettant au géologue d'aller analyser, sur le terrain, quelques échantillons de son choix. Ce sont par exemple des spectromètres LIBS qui sondent le sol et en déduisent la composition chimique élémentaire de celui-ci sur chaque point de sondage/mesure. Cette technique est de plus en plus répandue en géologie de terrain, car, de toutes les techniques permettant une analyse chimique, c'est pratiquement la seule qui permet des analyses in situ, directement sur le terrain. C'est en effet une technique d'analyse rapide, sans contact, et sans préparation d'échantillon.
La technique d'analyse LIBS présente de nombreux intérêts par rapport aux autres techniques utilisées en laboratoire : c'est une technique d'analyse quantitative multi-élémentaire, sensible, et riche en information (spectres larges et résolus). Elle est polyvalente (tous types de matériaux), directe (sans prélèvement ni préparation d'échantillon), non destructive (masse ablatée de l'ordre du g) et propre (sans émission de gaz). Elle est rapide et flexible : analyses en quelques secondes, en surface et en profondeur (~1 mm hors forage, plus si associé à une foreuse), au contact ou à distance, directement sur le terrain, sur site, ou en laboratoire. Les instruments LIBS transportables permettent aux géologues d'explorer les sites accessibles en voiture puis à pied. Le géologue doit choisir la zone et les cibles à analyser, puis approcher l'appareil de chaque échantillon ou prélever des échantillons pour les analyser. Ceci est long et fastidieux, et limite nécessairement la quantité d'échantillons sélectionnés et analysés, et la taille ou le nombre de zones analysées. Le géologue passe inévitablement à côté d'échantillons potentiellement très intéressants. Et il reste quantité de zones difficiles voire impossibles d'accès, mais très intéressantes.
Si ceci n'est pas forcément critique dans des applications scientifiques, cela l'est dans le cadre d'applications à visées industrielles (comme l'exploration minière, gazière ou pétrolière) intéressées par la rentabilité des opérations d'exploration. A ce jour, en dehors de la Terre, on a tenté de faire de la géologie sur la Lune (avec un astronaute géologue), puis sur Mars avec des « rovers » géologues. Le dernier rover martien de la NASA (Curiosity) est équipé d'un laboratoire imposant de géologie mobile. Il contient un spectromètre LIBS (baptisé « ChemCam »), placé en haut d'un mât rotatif, pour permettre l'analyse des alentours du rover sur une distance allant de 1 mètre à près de 10 mètres. C'est un atout majeur pour la mission, car cet instrument permet de pré-évaluer le sol et les roches martiennes d'un site, afin de décider si le rover va se déplacer ou non au contact de ces cibles pour des analyses plus approfondies. Chemcam participe de plus à la mission scientifique du rover qui consiste en l'analyse des sites explorés en vue de déterminer leur habilitabilité. L'analyse chimique du sol martien permet en effet d'évaluer si, dans le passé, les conditions nécessaires au développement de la vie ont pu être réunies dans le site exploré.
Objet de l'invention
L'objectif de la présente invention est de proposer un dispositif d'analyse LIBS amélioré, facilitant l'analyse chimique des cibles/échantillons, en particulier dans le cadre d'analyses in situ de sites d'exploration. Description générale de l'invention
L'invention a pour objet un dispositif d'analyse LIBS qui comprend :
- une source de rayonnement laser
- une tête de mesure avec:
- des moyens optiques d'illumination (ou d'irradiation) aptes à diriger au moins deux faisceaux laser séparés vers la cible à analyser (le terme « cible » désigne tout objet à analyser par exemple une falaise, un sol ou un échantillon quelconque), de sorte à former au moins deux points d'analyse séparés spatialement sur la cible, selon un motif prédéfini ; et
- des moyens optiques de collecte de la lumière émise par interaction du rayonnement laser incident avec la cible, lesdits moyens optiques de collecte ayant un champ de vision dans lequel se trouvent lesdits au moins deux points de mesure ;
- au moins un détecteur spectroscopique (ou spectromètre) pour analyser la lumière transmise par les moyens optiques de collecte et générer des données spectrales LIBS ;
- un premier câble de transmission à fibre optique pour transmettre le rayonnement laser de la source de rayonnement laser vers les moyens optiques d'illumination ;
- un deuxième câble de transmission à fibre optique pour transmettre le rayonnement collecté par les moyens optiques de collecte vers ledit spectromètre. La conception du dispositif selon la présente invention est optimisée pour une réalisation compacte et mobile, facilitant l'utilisation de terrain. Les moyens optiques d'illumination et de collecte sont intégrés dans une tête de mesure, reliée à la source laser et au spectromètre par des câbles à fibre(s) optique(s). Cela permet de découpler la tête de mesure des organes volumineux et sensibles du dispositif. On pourra donc facilement déplacer et positionner la tête de mesure, qui est un organe comparativement léger, à une certaine distance du groupe laser/spectromètre. En cas d'endommagement de la tête de mesure, elle peut être remplacée, et le groupe laser/spectromètre n'est pas affecté. De même les parties source laser et analyse spectroscopiques peuvent être des modules remplaçables pour maintenance par exemple.
Les moyens optiques d'illumination sont conçus pour travailler avec au moins deux faisceaux laser séparés envoyés sur la cible à analyser, de sorte à former au moins deux points d'analyse séparés spatialement selon un motif prédéfini. L'utilisation de deux faisceaux laser (ou plus) permet de sonder plusieurs points sur la cible en une seule mesure, c'est-à-dire pour un positionnement unique de la tête de mesure par rapport à la cible, et ceci que le tir avec les différents faisceaux laser soit fait simultanément (en parallèle) ou séquentiellement. Cette capacité de sonder une zone de mesure en plusieurs points (et en une seule étape de mesure) est particulièrement intéressante dans le cas d'échantillons hétérogènes, car cela permet de déceler une hétérogénéité de la matière par les réponses LIBS différentes obtenues, ce qui n'est pas révélé par une mesure en un point unique. Ainsi, le dispositif selon l'invention permet d'accroître la résolution spatiale d'analyse et l'étendue de la zone analysée, tout en réduisant le temps nécessaire à la couverture de cette étendue. C'est un atout important pour des missions d'exploration à caractère opérationnel et/ou coûteuses. On notera ici que la séquence de tir est généralement opérée par une unité de commande, à partir de laquelle l'opérateur détermine tous les paramètres d'utilisation de l'appareil, dont en particulier : le mode d'utilisation de la source laser (notamment le nombre voire la cadence de tirs), le mode d'acquisition et de traitement des spectres, ainsi que le mode d'acquisition des images ou vidéos, et le séquencement de tout cela, etc.
Afin de ne pas mêler tous les spectres des différents points lors de la collecte, celle-ci peut se faire par séparation spatiale (chaque point de mesure a sa propre voie de collecte). Une alternative consiste à réaliser une séparation temporelle, qui peut se faire par exemple de la façon suivante : on tire sur la voie A, on collecte les spectres des différents tirs (un à un ou en moyennant selon la cadence d'enregistrement des spectres), puis on fait de même sur la voie B.
Cette capacité de réaliser un sondage selon une matrice de points prédéfinie trouve un intérêt particulier dans le cas de dispositifs portables, car cela permet le sondage rapide d'une zone relativement large avec une grande résolution spatiale, puisque les distances entre points de mesures sont fixées par la configuration du dispositif.
En effet, le motif des points de mesures est prédéfini par la conception des moyens optiques d'illumination. Les points d'analyse peuvent être répartis de diverses manières sur la cible à analyser, en ligne ou en quadrillage ou toute autre disposition souhaitable. En pratique, la distance entre deux points de mesure voisins du motif est supérieure ou égale à la moitié du diamètre d'un faisceau laser incident. De préférence, la distance entre deux points de mesure voisins du motif peut être de l'ordre de 1 à quelques mm, ou plus ; elle peut être par exemple choisie entre 2 et 30 mm selon la résolution spatiale visée sur la cible. Selon le nombre de points d'analyse et leur espacement, on peut couvrir une zone d'analyse de surface variable autour quelques cm2.
Dans le cas de tirs simultanés, la source laser est dimensionnée en tenant compte de la subdivision ultérieure du rayonnement (nombre de points de mesure simultanés que l'on souhaite obtenir sur la cible). Ceci afin d'assurer que la puissance de chacun des faisceaux lasers formés par les moyens optiques d'illumination est suffisante pour vaporiser la matière, générer un plasma à chacun des points d'analyse sur l'échantillon, et obtenir un rapport signal à bruit suffisant pour les espèces chimiques que l'on souhaite détecter, conformément aux besoins de la technique LIBS. Chacun des différents faisceaux laser suit préférablement un chemin optique propre vers la cible, les faisceaux émergeant des moyens optiques d'illumination laser contenus dans la tête de mesure. On parle ainsi de « voie d'illumination » générant un faisceau laser pour former un point de mesure. Dans ce contexte, on peut prévoir au niveau de la tête de mesure un répartiteur de faisceau, système optique planaire, ou bien à base de composants optiques discrets ou de fibres optiques par exemple, permettant de constituer plusieurs voies d'illumination. On produit ainsi plusieurs faisceaux lasers (parallèles ou non), émergeant de la tête de mesure, et suivant chacun des chemins respectifs et distincts de la tête de mesure à la cible, pour former des points de mesure espacés par exemple de 2 à 30 mm.
Le nombre de tirs laser par point de mesure, et leur cadence, peuvent être adaptés aux besoins de l'analyse (intensité du plasma et rapport signal à bruit obtenu, détectivité des éléments chimiques que l'on cherche à analyser, concentration de la cible en éléments que l'on cherche à détecter, altération de la surface (poussière, pollution...), etc.). On peut profiter de l'onde de choc créée sur la cible par le faisceau laser, pour éliminer tout ou partie de la poussière déposée sur la cible, ou pour analyser celle-ci indépendamment de la cible et distinguer leur composition chimique propre. On peut ainsi, en fonction du nombre de tirs lasers accumulés sur un point, distinguer la composition chimique de la surface de la cible de celle que l'on peut trouver un peu en dessous de celle-ci. En effet, selon les propriétés de la cible, la profondeur de pénétration du faisceau laser, après quelques centaines ou milliers de tirs, peut atteindre voire dépasser 1 mm.
Comme indiqué ci-avant, les voies d'illumination peuvent, selon les variantes, être illuminées séquentiellement ou simultanément. Le cas séquentiel est le plus simple à réaliser. Exemple : on tire sur la voie A, on collecte les spectres des différents tirs (un à un, ou en les moyennant selon la cadence des tirs et le besoin), puis on fait de même sur la voie B. Une alternative pour activer successivement chaque voie de mesure, consiste à jouer sur la direction du rayonnement laser source, modifiée à l'aide d'un moyen de déviation associé, par exemple un miroir mobile, en entrée d'un répartiteur de faisceau, pour amener celui-ci successivement vers chaque voie d'illumination de la cible. Comme indiqué, la collecte peut ensuite se faire en discriminant les spectres de chaque point de mesure par exemple par leurs dates d'enregistrement et le séquentiel (l'ordre) de déclenchement des tirs entre les différents points. Pour le cas d'un tir simultané sur les différentes voies, les moyens optiques de collecte sont configurés pour permettre une discrimination spatiale de la lumière collectée. Dans le cadre de la présente invention, la notion de tir simultané est utilisée de manière antagoniste à « séquentiel ». Le tir est dit simultané lorsque les tirs lasers sont effectués en même temps, ou de manière au moins partiellement concomitante, sur au moins deux voies d'illumination. Ainsi, « simultané » est à interpréter de manière large, également synonyme de « en parallèle », et ne nécessite pas que les tirs soient initiés exactement en même temps ni de même durée. Le plus simple est néanmoins d'avoir une seule source laser générant les différents faisceaux de mesure en simultané. Pour la collecte lors de tirs simultanés en plusieurs points, on peut employer une voie de collecte unique ayant un champ de visibilité couvrant l'ensemble des points de mesure. Selon un mode de réalisation, cette voie de collecte comprend un groupe de fibres optiques accolées, chaque fibre recevant la lumière d'une sous région de la zone d'analyse comprenant un seul point d'analyse. Alternativement, on peut envisager des voies de collectes intégralement séparées spatialement, configurées pour associer une (seule) voie de collecte (et préférablement d'analyse spectrale) indépendante à un point de mesure (donc à un faisceau laser). Ceci garantit une meilleure isolation des signaux entre eux, mais alourdit les dispositifs de collecte et d'analyse spectrale par rapport aux solutions précédentes, rendant le système moins compact et plus complexe.
Le dispositif selon l'invention peut être conçu comme un instrument d'analyse fixe. Mais le présent dispositif sera préférablement réalisé comme un dispositif d'analyse portatif ou mobile, commandé par un opérateur ou autonome, la technique LIBS étant idéale pour les analyses de terrain, puisqu'elle permet une analyse in situ, rapide, sans contact, et sans préparation d'échantillon.
La forme concrète que prendra le dispositif pour un usage mobile dépend du domaine d'application et du type d'usage, qui peuvent être variés, sur Terre, dans l'air ou encore sur une autre planète. Pour une analyse de terrain, le dispositif peut comprendre un pistolet qui intègre au moins les composants optiques d'illumination de la cible et de collecte des rayonnements issus de celle-ci. Un tel pistolet est donc aisément maniable par un utilisateur sur tous types de terrains. Alternativement, le présent dispositif pourrait par exemple être réalisé comme un appareil de mesure de laboratoire portatif, avec porte- échantillon pour échantillons, prélèvements ou carottages (éventuellement associé à un convoyeur pour ceux-ci) ou encore à la manière d'un dispositif embarqué permettant des mesures à distance à partir du véhicule terrestre ou aérien d'exploration, sur lequel il est embarqué, comme c'est par exemple le cas pour « ChemCam » à bord de Curiosity sur Mars. La source laser peut être adaptée du concept du laser Chemcam pour être compacte, robuste aux chocs et vibrations, et capable de fonctionner sur une large gamme de température (par exemple -40/+40°C) sans régulation thermique, et avec une consommation électrique limitée. Ce sont des atouts majeurs pour des applications portatives ou embarquées nécessitant compacité, légèreté, robustesse et faible consommation.
Le présent dispositif peut mettre en œuvre toutes les méthodes appropriées pour réaliser une analyse LIBS, en particulier pour l'analyse spectrale, la calibration, le traitement des données de mesure et l'identification élémentaire, afin d'aboutir à l'analyse chimique qualitative et/ou quantitative des cibles. Le présent dispositif n'est pas réservé aux analyses géologiques : il peut trouver application dans toutes sortes de domaines (comme décrit plus haut), pour l'analyse chimique d'échantillons solides, liquides ou gazeux.
L'analyse LIBS ne nécessite pas de préparation de cible ou d'échantillon, mais on pourra néanmoins, selon les cas, être amené à préparer la surface de la cible ou de l'échantillon, par nettoyage ou abrasion (pour aller plus loin que l'effet de l'onde de choc laser), ou bien retirer de la matière, par exemple par perçage, pour réaliser l'analyse plus en profondeur dans la cible ou l'échantillon par rapport à la profondeur accessible par accumulation de tirs laser.
On prendra avantageusement certaines dispositions constructives de nature à améliorer la robustesse du dispositif, notamment pour un usage sur le terrain, portatif ou mobile, et en particulier la robustesse de la source laser et de la tête de mesure qui doivent être stables dans les différentes conditions d'utilisation. Par exemple, la tête de mesure est avantageusement conçue sans pièces mobiles. Elle peut définir un chemin optique de guidage pour les faisceaux laser au moyen d'assemblage de différents éléments optiques fixes. Les moyens de guidage optique peuvent comprendre un guide d'onde par faisceau laser à acheminer pour générer un point de mesure respectif, en particulier à base d'éléments optiques fixes, de préférence conçus à partir d'un ou plusieurs éléments choisis parmi : fibres optiques, coupleurs à fibres optiques, miroirs, lentilles, lames dichroïques, cubes séparateurs, et guides planaires.
On peut, par exemple, prévoir dans la tête de mesure la séparation du rayonne- ment laser en 2 ou plusieurs faisceaux, au moyen d'un coupleur à fibre optique ou en optique intégrée.
L'alimentation du dispositif d'analyse peut se faire par branchement filaire à un réseau de distribution électrique, mais pour des versions portatives se fait de préférence par une batterie qui peut être rechargée par tout moyen approprié : réseau électrique, moteur thermique, panneaux solaires... Le présent dispositif intègre avantageusement un module d'imagerie, en particulier un module d'imagerie couleur à haute résolution qui permet de prendre des photographies de la zone d'analyse, avant et après l'impact laser, voire des vidéos de la séquence d'analyse. La combinaison image / analyse chimique est très utile pour le géologue, par exemple. Elle lui permet de connaître le contexte de l'analyse : reconnaître le type de roche ou de sol analysé, identifier la présence éventuelle d'inclusions, voir s'il y a de la poussière sur la zone analysée (et, sur Terre, des végétaux).
Le dispositif d'analyse LIBS peut être complété par des moyens d'analyse complémentaires, par exemple un spectromètre Raman qui peut bénéficier des mêmes moyens d'illumination et de collecte, ou d'une voie d'illumination spécifique, l'irradiation de l'échantillon étant faite aux longueurs d'ondes désirées avec la source laser (par exemple avec doublage de sa fréquence nominale pour la voie Raman pour gagner en compacité), ou une autre source laser.
Le présent dispositif d'analyse LIBS peut être embarqué sur un véhicule d'exploration terrestre ou aérien, par exemple, pour se rendre ou se déplacer sur un site d'exploration. Ce véhicule peut être un robot mobile sur le sol et/ou dans l'air et commandé à distance, ou se déplaçant de façon pré-programmée ou autonome. A titre d'exemple on peut citer un véhicule terrestre commandé à distance (voiture ou rover d'exploration), un drone, un ballon à gaz, etc. Le véhicule comprend de préférence des moyens pour se mouvoir sur le sol, ou dans l'air, et se stabiliser devant, contre, ou au-dessus de la zone d'analyse, afin d'assurer une stabilité de la ligne de visée pour les tirs laser, la collecte de spectres et la prise d'images. Cette stabilité est nécessaire le temps de l'analyse (quelques secondes à quelques dizaines de secondes pour la partie illumination LIBS, quelques dizaines de secondes à quelques minutes maximum pour une séquence complète incluant les analyses spectrales et la prise d'images). Associer le présent dispositif d'analyse LIBS à un robot mobile apte à se déplacer sur le sol (équipé de roues, chenilles ou autres) ou dans l'air, est intéressant par exemple lorsqu'un opérateur ne peut être présent ou suffisam- ment proche du site : zones dangereuses ou difficilement accessibles, exploration spatiale, etc.
Toutefois, la télécommande à distance de tels robots reste complexe et nécessite la plus grande précaution pour ne pas endommager le robot et son équipement (et pour veiller à maîtriser le déplacement du robot). Dans le cas du rover Curiosity qui explore Mars depuis le 6 août 2012, son pilotage est assuré par une importante équipe d'humains, veillant ensemble au choix de la route empruntée par le rover et des sites analysés, à la sécurité du rover et des instruments, et à remplir les objectifs scientifiques de la mission. Mais l'état nécessairement limité des connaissances du terrain impose la plus grande prudence dans les déplacements, si bien que certaines zones restent inaccessibles notamment à cause du relief. La démarche d'analyse géologique ne peut en aucun cas être large et exhaustive, et des cibles potentiellement intéressantes peuvent être ignorées sur le passage. Comparativement à un robot au sol, un drone a l'avantage de pouvoir survoler les obstacles du terrain, ce qui permet d'amener le dispositif d'analyse dans des endroits inaccessibles pour un rover. Un drone pourra également prendre des mesures sur des parois inclinées ou verticales peu ou non accessibles par d'autres moyens. Dans le présent texte, on désigne par « drone » tout aéronef piloté à distance circulant sans aucune personne à bord, et généralement apte à embarquer une charge. Pour certaines applications de proximité, le vol peut se faire en vue directe par un opérateur au sol (le pilote à distance), via le système de commande et de contrôle au sol. Pour des explorations hors vue, le drone évolue de préférence de manière « automatique », c'est-à-dire que son évolution en vol a été programmée par quelque moyen que ce soit avant le début du vol, et/ou est mise à jour pendant le vol, et que tout ou partie du vol s'effectue sans intervention directe de l'opérateur, sauf exception ou mode de commande de secours. Pour réaliser des mesures en vol, le drone présente une capacité de vol stationnaire, c'est-à-dire peut être contrôlé de manière à conserver une position de vol sensiblement immobile par rapport au sol.
La combinaison drone / dispositif d'analyse LIBS permet une couverture suffisante à l'échelle de sites intéressants sur le plan géologique, que ce soit sur notre planète ou sur une autre, et répond aux critères suivants : - accès rapide ;
- mobilité importante ;
- capacité à accéder à des zones peu ou pas accessibles pour l'homme, ou bien dangereuses pour lui ;
- capacité de couvrir de multiples zones ou des zones de taille importante, dans une même campagne d'analyse terrain, pour tenir compte de la variabilité des terrains ;
- une flexibilité permettant de couvrir tous types de terrains (sol, air, terrains accidentés, etc.).
Selon un autre aspect, l'invention propose donc un drone embarquant le présent dispositif d'analyse LIBS, ce qui permet de démultiplier les capacités d'analyses in-situ et la quantité de cibles et/ou d'échantillons sélectionnés et analysés, le drone étant capable d'effectuer des missions de reconnaissance, exploration et analyses géologiques in-situ sur des terrains plus grands que ceux couverts par un géologue humain ou un rover classique, voire plus accidentés ou difficiles d'accès.
De préférence, pour réaliser une campagne de mesure, l'ensemble drone /analyseur LIBS est équipé de moyens pour lui permettre :
- de réaliser (de façon automatique ou semi-automatique) un repérage visuel à large échelle pour analyser un site et déterminer des zones d'intérêt, en utilisant par exemple une caméra à grand champ ;
- puis de réaliser (de façon automatique ou semi-automatique) un repérage plus focalisé, pour analyser des zones du site et des cibles d'intérêt, en utilisant par exemple une caméra à champ plus réduit mais à plus haute résolution ; - puis d'effectuer (de façon automatique ou semi-automatique) des analyses de composition du sol ou des cibles choisies ;
- et éventuellement de collecter quelques échantillons intéressants pour les ramener à la base ou en laboratoire, pour des analyses plus poussées, par d'autres techniques.
Pour certaines campagnes de mesures, on pourra prévoir un montage du présent dispositif d'analyse LIBS sur le drone, de sorte à autoriser son découplage, afin de déposer le dispositif d'analyse LIBS sur un site de mesure. Dans un tel cas, le dispositif d'analyse LIBS peut être monté sur un mini-robot mobile (type rover), transporté par le drone.
Le drone permet le déplacement aérien sur Terre, sur Mars ou autre. Après atterrissage, le mini-robot mobile équipé du présent dispositif d'analyse se sépare du drone pour une exploration au sol, et revient au drone à l'issue de la campagne. Le robot est de préférence autonome, et dans le cadre d'une exploration en plusieurs phases, peut rentrer au drone (pour se recharger, communiquer des informations ou ses données collectées) entre chaque phase, ou simplement enchaîner les différentes phases et retourner au drone après la dernière phase.
Dans le cadre d'une exploration planétaire robotique (comme l'exploration de Mars par exemple), avec un rover d'envergure (type Curiosity), on peut envisager l'association d'un rover principal équipé d'instruments d'analyse géologique pointus, et d'un drone équipé de caméras de reconnaissance et d'un mini instrument LIBS installé à son bord ou détachable via un mini- atterrisseur ou rover (annexe). Cette association permettrait une exploration plus large autour du rover principal, et d'accroître ainsi la zone couverte par la mission, et la capacité à sélectionner les zones les plus intéressantes avant de faire intervenir le rover principal/laboratoire. Ceci permettrait d'accroître sensiblement l'efficacité et la durée de vie de la mission. Le rover principal d'exploration sert à : - transporter le drone sur le site d'exploration via un autre véhicule pour les très longues distances (transnationales, transcontinentales, transo- céaniques, ou pour l'exploration d'une autre planète),
- stocker et recharger le drone lors des phases de non-utilisation
- transmettre les données collectées par le drone vers la terre, transmettre au drone des données, commandes ou programmes envoyés par la Terre
- et faire des analyses plus approfondies du site ou des échantillons éventuellement rapportés par le drone.
Dans ce cas, le drone est un assistant, plus léger et beaucoup plus mobile, du rover d'exploration, mais contenant moins d'instruments (seulement imageurs de reconnaissance et exploration, spectromètre LIBS ou Raman, et éventuellement une pince pour la collecte d'échantillons, en vue d'une analyse plus approfondie par le rover). Ceci peut être éventuellement combiné avec le cas précédent, d'un drone portant un mini-robot. Des dispositifs miniatures, utilisés en téléphonie mobiles et pour les mini-drones d'imagerie terrestre, peuvent être utilisés pour les équipements nécessaires au drone (alimentation, motorisation, localisation, navigation et imagerie notamment...).
Outre les exemples de géologie terrestre ou spatiale, la combinaison du présent dispositif d'analyse LIBS avec un robot mobile (roulant ou aérien par exemple) peut trouver application dans une variété de circonstances, par exemple :
- restauration de monuments historiques : l'exploration du chantier par un robot autonome (ex. quadri-rotor) équipé du présent analyseur évite les échafaudages, et à un humain de porter l'appareil ou le pistolet LIBS à la main pour faire des analyses. Cela permet une couverture complète, régu- lière et précise de la surface entière du monument (cartographie + analyse) dans des délais plus courts.
- sites industriels ou zones de transport ou stockage à risques : analyse automatique de fuite ou évacuations de liquides ou de gaz, de déchets, etc. Exemples : inspection automatique de sites contenant des canalisa- tions de gaz, ou de zones de stockage de produits dangereux, analyse de sites d'exploitation d'hydrocarbures... analyse de rivières, pollution atmosphérique ou marine, etc. analyse de sites propices à l'exploration pétrolière ou minière.
Description des Figures
D'autres particularités et caractéristiques de l'invention ressortiront de la description détaillée d'au moins un mode de réalisation avantageux présenté ci- dessous, à titre d'illustration, avec référence aux dessins annexés. Ceux-ci montrent: Fig.1 : un schéma de principe du dispositif d'analyse LIBS selon l'invention ; Fig.2 : un schéma de principe du motif des points de mesure ; Fig.3 : un schéma d'une variante de la tête de mesure ;
Fig. 4 : un schéma de principe de la construction interne de la tête de mesure de la Fig.3 ; Fig. 5 : un schéma d'une autre variante du présent dispositif d'analyse;
Fig. 6 : un schéma illustrant le dispositif de la Fig.5 dans une version portable sac à dos ;
Fig. 7 : un schéma du présent dispositif d'analyse LIBS monté dans un drone ;
Fig. 8 : une vue de dessus du présent dispositif d'analyse LIBS monté sur un quadri-rotor ;
Fig. 9 : une vue de face de la Fig.8 ;
Fig. 10 : un diagramme d'une variante de processus de mesure du présent dispositif d'analyse LIBS associé à un drone ;
Fig.1 1 : a) schéma de principe d'une tête de mesure conformément à un autre mode de réalisation, et b) motif des points de mesure correspondants sur la cible. Description détaillée d'au moins un mode de réalisation
1. Principe général du présent dispositif d'analyse
La figure 1 illustre un schéma de principe d'une variante du présent dispositif d'analyse 10, lequel comprend : une source de rayonnement laser 12 ; une tête de mesure, désignée généralement 14, comprenant :
- des moyens optiques d'illumination (ou d'irradiation) aptes à diriger le rayonnement laser sur un objet 15 à analyser selon la technique LIBS ; et - des moyens optiques de collecte pour recevoir/capter le rayonnement
(la lumière du plasma) émis par la cible suite aux tirs laser.
Le signe de référence 18 désigne un système d'analyse spectroscopique des signaux optiques captés. Un premier câble de transmission 20 à fibre optique est prévu pour transmettre le rayonnement laser de la source 12 vers la tête de mesure 14. Un deuxième câble de transmission 22 à fibre optique est prévu pour transmettre la lumière collectée par les moyens optiques de collecte vers ledit système d'analyse spectroscopique 18.
On appréciera que les moyens optiques d'illumination sont conçus pour diriger, et préférablement focaliser, au moins deux faisceaux laser 24 séparés vers la cible, de sorte à former au moins deux points d'analyse 26 séparés spatialement celle-ci, positionnés (répartis) selon un motif prédéfini. Les au moins deux points d'analyse 26 sont positionnés dans le champ de vision des moyens de collecte (c'est-à-dire dans la zone qui tombe dans l'angle d'ouverture des moyens de collecte). Sur les Figs. 1 et 2 le champ de vision est matérialisé par le cercle en pointillés indiqué 28. La Fig.2 montre par exemple un motif à 2 points de mesure à la surface de la cible 16, obtenus par les deux faisceaux laser 24. Mais on pourrait également prévoir 3 faisceaux laser séparés, et le troisième point de mesure correspondant serait par ex. le point indiqué 26' sur la Fig.2. Les caractéristiques (notamment longueur d'onde et densité d'énergie) des faisceaux laser 24 sont adaptées pour chauffer la matière, vaporiser une petite quantité de matière et créer un plasma à chacun des points d'analyse 22. L'analyse spectroscopique de la lumière de ce plasma permettant l'identification des éléments chimiques constituant la matière de la cible, conformément à la technique LIBS.
La lumière émise par le plasma produit par les impulsions laser à la surface de la cible, au niveau de chaque point d'analyse 26, est donc captée par les moyens optiques de collecte et transmise vers le système d'analyse spec- troscopique 18 (comprenant en général au moins un spectromètre associé à un détecteur). Le spectre obtenu (spectre LIBS) décrit les espèces chimiques qui composaient le petit morceau de cible sublimé. Le spectre LIBS, ou une partie de celui-ci, peut être comparé à des valeurs de référence dans une base de données pour identifier ces espèces. La source laser peut être toute source adaptée pour fournir un ou des faisceaux laser, dont la densité de puissance pour chaque point de mesure permet de vaporiser et ioniser une portion de matière à la surface de la cible (il faut typiquement une densité de 1 GigaWatt/cm2 à une longueur d'onde voisine de 1064 nm, avec des impulsions courtes de 5 à 8 ns). Un exemple de laser approprié est un laser à solide puisé, pompé par diodes, tel qu'un laser Nd :YAG émettant à 1064 nm.
Un autre type de source laser possible est une source laser à solide Nd : KGW telle que fabriquée la société Thalès Laser (France) en collaboration avec le CNES, pour l'instrument ChemCam installé sur le rover Curiosity pour la mission martienne Mars Science Laboratory (MSL). Il s'agit d'une source laser stable sur une large plage de température (-30/+30°C), qui ne nécessite pas de refroidissement actif, et apte à produire une énergie de l'ordre de 30 à 40 mJ à 1067 nm, avec des impulsions de 5 à 8 ns, et une cadence allant de 1 à 10 Hz.
Le laser Chemcam est résistant aux vibrations, aux chocs, aux cyclages thermiques journaliers et saisonniers, et aux radiations de la mission MSL. Pour plus de détails sur ChemCam, son laser, les moyens optiques d'illumination et de collecte, et l'électronique associée, on peut se référer à l'article paru dans le périodique Space Science Reviews, no. 170, 2012 : The ChemCam Instrument suite on the Mars Science Laboratory (MSL) Rover: Science objectives and Mast Unit par Maurice, S., Wiens, R., Saccoccio, M. La technique d'analyse LIBS, qu'il s'agisse du choix du laser, de l'analyse spectrale de la lumière du plasma, du traitement des données spectrales, et de la calibration, est largement connue et ne sera donc pas décrite plus avant ici. L'homme du métier est à même de sélectionner les composants et méthodes appropriés pour la mettre en œuvre dans le cadre de la présente invention. De manière générale, le dispositif inclut une unité de commande, indiquée
17 en Fig .1 , qui permet de mettre en œuvre la mesure LIBS et commande par ailleurs le fonctionnement du dispositif 10. Comme on l'aura compris, le présent principe de mesure implique une pluralité de tirs sur différents points de mesures. Au niveau de l'unité de commande, cette méthode multi-tirs est mise en œuvre par le dispositif de manière automatisée (que se soit en séquentiel ou parallèle), alors que l'utilisateur ne donne qu'une seule instruction de procéder à une mesure (et non pas autant d'instructions de mesure que de faisceaux lasers).
De préférence, la source laser 12 et le spectromètre 18 sont réunis dans un même caisson, boîtier ou support, avec l'unité de commande 17, que l'on appellera ci-après groupe laser/spectromètre 19, ou encore groupe L/S 19.
2. Variantes de réalisation de la tête de mesure
La tête de mesure 14 est illustrée en perspective en Fig.3, dans une va- riante comprenant un boîtier parallélépipédique. Sur la face avant 30, on a symbolisé :
- les zones d'émission des faisceaux laser 24, à partir desquelles émergent les faisceaux laser, qui sont indiquées par les cercles 32.
- les moyens de collecte qui sont matérialisés par le cercle 34. La tête 14 comporte ici deux capteurs d'imagerie indiqués 36 et un cap- teur de distance 38 (télémètre). L'un des capteurs d'imagerie peut être un capteur couleur haute résolution (ou HD) et l'autre un capteur d'imagerie grand champ.
Le rayonnement laser est transmis par le premier câble 20 depuis la source 18 à la tête de mesure 14. Le rayonnement laser est guidé, orienté et/ou distribué dans la tête de mesure 34, de sorte à faire émerger de celle-ci plusieurs faisceaux laser selon des directions respectives prédéfinies, pour fournir des points d'analyse spatialement séparés sur l'échantillon, selon le motif prédéfini. Ainsi, la tête de mesure comprend des éléments optiques internes pour diriger le rayonnement laser sur différentes voies, chaque voie permettant la formation d'un faisceau laser suivant, à la sortie de la tête de mesure, un chemin optique propre pour irradier l'échantillon au niveau du point de mesure désiré, selon le motif. Les faisceaux laser peuvent avoir des directions parallèles les uns aux autres, ou pas. De préférence, le premier câble de transmission 20 comprend une fibre optique pour chacun des faisceaux laser 24 émis par la tête 14. On travaille avantageusement avec une source laser unique, en série avec un diviseur de faisceau, à partir duquel les faisceaux indépendants sont envoyés dans les fibres respectives. Cette solution est préférée pour des raisons de compacité, de poids et de simplicité.
Alternativement, on pourrait avoir une source laser par faisceau laser à émettre au niveau de la tête de mesure 14.
Alternativement encore, on pourrait employer une seule fibre optique qui envoie le rayonnement vers la tête de mesure, et diviser le rayonnement dans la tête de mesure. Le montage de la source est alors très simple, mais il faut intégrer davantage d'éléments optiques dans la tête de mesure.
Dans les variantes représentées, le premier câble 20 comprend donc deux fibres optiques portant chacune le rayonnement laser pour former le faisceau 24 respectif. Le câble 20 arrive par exemple à l'arrière 38 de la tête 34 et les fibres sont raccordées aux moyens d'illumination.
Les moyens d'illumination peuvent être conçus de toute manière appro- priée pour guider le rayonnement laser, depuis la fibre optique à la face avant de la tête, et faire émerger les faisceaux laser 24 dans les directions voulues. On utilisera de préférence des moyens d'illumination sans pièces mobiles.
Un exemple de réalisation de la tête de mesure 14 est illustré schémati- quement à la Fig.4. Le premier câble 20 comprenant deux fibres optiques 20a, 20b arrive à l'arrière de la tête de mesure 14 ; les extrémités des fibres optiques 20a, 20b sont connectées à l'arrière de la structure optique de manière appropriée. Plutôt qu'une arrivée avec deux fibres 20a, 20b, on pourrait utiliser une fibre unique arrivant à l'entrée de la tête 14 sur un coupleur (utilisé en diviseur) de faisceaux à fibres optiques, ou en optique intégrée. Un jeu de fibres optiques internes 23 (ou d'autres éléments optiques) est agencé de sorte à définir un chemin optique menant le rayonnement laser issu de chaque fibre 20a, 20b, à l'intérieur de la tête 14, et faire émerger par la face 30 un faisceau laser 24 selon une direction prédéterminée avec l'écartement choisi entre faisceaux 24. Les rayonnements laser apportés par les fibres optiques 23 sortent donc par la face avant 30 de la tête de mesure 14, selon des directions prédéterminées, formant les faisceaux 24, afin de frapper l'échantillon 15 au niveau des deux points de mesure 26 dans une zone coïncidant avec le champ de vision 28 des moyens de collecte 34. Sur la Fig.4, les extrémités des fibres internes 23 sont matérialisées par des rectangles 23i qui englobent les moyens de fixation de ces fibres à l'arrière de la face avant et, le cas échéant, des éléments optiques de focalisation.
Les moyens de collecte 34 sont, de préférence, simplifiés au maximum en amenant l'extrémité du deuxième câble 22 à fibre optique au plus près de la face avant 30 de la tête de mesure 14.
Le câble 22 peut comprendre une ou plusieurs fibres optiques. Une seule fibre optique est suffisante pour une discrimination purement spectrale de la lumière collectée ; dans cette solution les signaux en réponse sont moyennés mais permettent l'identification des différentes raies spectrales, et donc l'analyse élémentaire de l'échantillon.
On peut alternativement utiliser un câble multifibre, ce qui permet en outre une discrimination spatiale des rayonnements collectés (une fibre par point de mesure).
Des fibres monomodes ou multi-modes peuvent être employées.
Il est fortement souhaitable que la lumière du plasma à capter soit focali- sée sur les moyens de collecte 34. On pourra par exemple adjoindre des lentilles à l'extrémité de la/des fibre(s), par exemple un doublet de lentilles. Alternativement, on peut employer des fibres lentillées, si la distance de travail est appropriée, et selon l'agencement souhaité. Comme on le sait, une fibre lentillée est une fibre dont l'extrémité est sphérique, formant ainsi une lentille permettant une focalisation de faisceau (au lieu de le laisser naturellement diverger). Elle peut aussi, inversement être utilisée pour l'illumination, à condition que sa distance de travail ne soit pas une gêne pour l'illumination laser et/ou l'imagerie.
A la Fig.4, le signe de référence 40 symbolise le doublet de lentilles qui permet de focaliser la lumière plasma sur la zone de cœur de l'extrémité de fibre 42.
Selon les variantes, on pourra combiner la technique LIBS au Raman. On pourra par exemple prévoir l'émission d'un faisceau laser supplémentaire à partir de la tête (exemple faisceau laser LIBS doublé en fréquence) pour une interrogation Raman de la cible. Ce faisceau laser additionnel est séparé des autres, et frappe la cible en un point d'analyse spatialement séparé des autres, prévu dans le motif des points d'analyse.
La collecte du rayonnement issu de l'interrogation Raman se fait par les moyens de collecte 34, mais l'analyse spectrale est normalement réalisée dans un spectromètre dédié.
En référence aux Figs.1 -3, si l'on travaille avec 2 faisceaux laser en LIBS, l'interrogation Raman peut se faire par le 3eme faisceau laser 24, qui frappe l'échantillon à 26'. Le rayonnement laser pour le Raman peut provenir de la même source 12, en prenant par exemple la 2e harmonique à 532 nm dans le cas d'une source à 1064 nm. Le rayonnement à 532 nm peut être extrait au niveau de la source par un assemblage optique approprié, comprenant par exemple un diviseur de faisceau et un miroir à 532 nm.
La technique Raman est bien connue, ainsi que sa combinaison avec la technique LIBS. L'homme du métier est à même de conditionner le rayonnement laser de manière appropriée, ainsi que d'analyser le rayonnement mesu- ré.
Une autre variante de réalisation de la tête de mesure est présentée à la Fig .1 1 a). Cette tête de mesure 60 comprend 4 voies d'irradiation (3 pour l'analyse LIBS, notées 62, et une pour le Raman, notée 62') et une voie de collecte centrale 64. Les 4 voies d'irradiation 62, 62' sont disposées en carré. Les 3 voies laser 62 sont formées de manière similaire à la variante de la Fig 4. Le rayonnement laser arrive par fibre optique et est réparti sur 3 chemins optiques internes formés par des fibres optiques qui constituent les voies d'illumination laser pour l'interrogation LIBS. Le rayonnement laser requis pour l'analyse Raman (dont la longueur d'onde est différente - ex. 532 nm) est de préférence amené directement par fibre optique depuis la source laser. Les voies d'illumination 62, 62' sont préférablement positionnées pour des faisceaux laser dans des directions parallèles, formant alors sur l'objet à analyser un motif matriciel de 4 points de mesure dont l'espacement est le même que celui des faisceaux émergeant de la tête de mesure. La Fig. 1 1 b) montre donc les 4 points de mesure obtenus sur l'échantillon : 3 points de mesure pour l'interrogation LIBS, indiqués 66, et un point correspondant à l'interrogation Raman, indiqué 66'. Tous les points de mesure sont localisés dans le champ de vision 68 des moyens de collecte.
La collecte peut se faire de manière simple avec une seule fibre optique en position centrale, et en opérant les tirs de manière séquentielle sur les différentes voies, ce qui permet de discriminer les points de mesure simplement sur base temporelle, à condition que la collecte soit bien focalisée sur les points de mesure.
Toutefois, dans la présente variante la voie de collecte centrale est con- çue pour permettre la discrimination spatiale de la lumière collectée lors de tirs simultanés sur l'ensemble des voies 62, 62'. Pour ce faire, la voie de collecte centrale 64 comprend un assemblage de 4 fibres optiques 64i ...644 qui permettent ainsi la segmentation du champ de vision 68 en quatre régions 68i ...684 couvrant chacune un point de mesure respectif.
3. Exemple de réalisation du présent dispositif dans une version autonome et portable
Un mode de réalisation du présent dispositif d'analyse autonome et portatif 200 est illustré à la figure 5. La tête de mesure 14 est conçue telle que décrit section 2 ci-dessus, en relation avec la Fig.4, et est donc couplée à une source laser 212, installée dans un groupe L/S 219, au moyen d'un premier câble à fibres optiques 220. La tête de mesure 14 est apte à générer deux (ou plus) faisceaux laser 24 séparés spatialement et focalisés sur l'échantillon 15 à analyser, de sorte à former plusieurs points d'analyse.
La source laser 212 est adaptée au système optique de sorte que sa puis- sance soit suffisante pour chauffer la matière au point d'incidence de chacun des faisceaux laser 24, vaporiser la matière et créer un plasma pour permettre une analyse élémentaire par la technique LIBS.
Comme expliqué ci-avant, la lumière des plasmas créés au niveau des points de mesure est collectée par les moyens de collecte 34 et transférée vers le groupe L/S 219 via le deuxième câble 222, en vue de l'analyse spectrale au moyen d'un spectromètre LIBS 218. Le spectromètre LIBS 218 peut être basé sur toute technologie appropriée, en particulier un prisme ou un réseau de diffraction. Le spectromètre LIBS réalise la dispersion spectrale du rayonnement plasma récolté, l'acquisition de celui-ci étant effectuée au moyen d'un détecteur 250 de photons vectoriel ou matriciel, par exemple un détecteur CCD ou iCCD (intensified Charge Couple Device). Le groupe L/S peut contenir plusieurs spectromètres dans le but d'analyser plusieurs gammes de longueurs d'onde et accéder ainsi à une gamme d'éléments chimiques plus étendue.
Le signe de référence 252 désigne un spectromètre Raman recevant éga- lement le rayonnement issu de l'échantillon suite à une interrogation de celui-ci avec le rayonnement laser à une longueur d'onde appropriée (comme expliqué au 2), ou avec une autre source lumineuse. Le spectromètre Raman 252 peut être basé sur toute technologie appropriée. Le spectromètre Raman réalise la dispersion spectrale du rayonnement plasma récolté, l'acquisition de celui-ci étant effectuée au moyen d'un détecteur de photons 254 vectoriel ou matriciel, par exemple un détecteur CCD ou iCCD.
Les capteurs d'imagerie 36 équipant la tête de mesure 14 permettent l'acquisition d'images de la zone d'analyse courante de la cible avant et/ou après l'impact laser ou la captation vidéo de la séquence d'analyse. Un câble 258 relie les capteurs d'imagerie 36 au groupe L/S, par exemple à un proces- seur d'image 260.
Le télémètre 38 de la tête de mesure 14 permet de déterminer la distance à la cible, et peut en outre servir dans une boucle de pilotage automatique lorsque la tête est montée mobile, ou bien d'entrée dans le système de réglage automatique de la focalisation des imageurs ou de l'appareil de mesure (LIBS ou Raman). En particulier, la distance mesurée par le télémètre peut être utilisée comme élément déclencheur de la mesure, lorsque la tête de mesure est à la bonne distance.
Une unité de contrôle informatique 226 comprenant un microprocesseur est prévue pour gérer le dispositif 200, en particulier mettre en œuvre la mesure conformément à la technique LIBS, essentiellement opérer les tirs laser, collecter le rayonnement suite à l'interrogation laser, acquérir les spectres et les images. L'analyse des spectres peut se faire dans le dispositif, ou bien ceux-ci peuvent être stockés (DATA 261 ) et/ou transmis pour une analyse dans un autre système informatique plus puissant. Le signe de référence 262 indique un module de communication pour la communication à distance avec le dispositif 200, avec l'interface séparée 254', et l'échange de données.
Une interface utilisateur 254, 254' communique (avec ou sans fil) avec l'unité de contrôle 226 pour permettre à un utilisateur de commander le dispositif d'analyse 200. Un module de refroidissement 256 est prévu, en particulier pour le refroidissement de la source laser 212, pour assurer son fonctionnement optimal et sa stabilité (besoin dépendant de la source laser choisie).
Un module d'alimentation 258 fournit l'énergie nécessaire au fonctionnement du dispositif 200. Il comprend de préférence une batterie qui peut être rechargée par raccordement au réseau ou à un générateur. Dans des missions d'exploration spatiale ou autres où la fourniture en énergie électrique est limitée, le générateur peut comprendre des panneaux solaires.
Selon les variantes et surtout selon les applications désirées, on pourra prévoir dans le dispositif 200:
- un télémètre 264 ; - un capteur GPS 266 utilisé par l'unité de contrôle pour la recherche, la localisation et le ciblage.
Une caméra vidéo 268 fournit des images couleur dynamiques en temps réel de la zone à analyser, ou plus généralement des zones qui présentent un intérêt. Une telle caméra 268 peut aussi être utilisée pour catégoriser les cibles observées en fonction de leur morphologie, couleur, forme ou hétérogénéité par exemple. La caméra vidéo 268 peut utiliser la lumière ambiante ou une lumière artificielle, par exemple celle du laser, pour éclairer la zone cible. On peut envisager d'embarquer une caméra grand champ pour la reconnaissance du site et une caméra à haute résolution et champ plus réduit pour l'identification de cibles et de la zone d'analyse.
4. Exemples d'applications - unité portable
Comme expliqué ci-dessus, le présent dispositif a été conçu pour un usage sur site/sur terrain. Le dispositif peut être monté à bord d'un véhicule (terrestre, aérien, ...) conduit par un utilisateur (voiture, chariot, etc.) ou commandé à distance (véhicule roulant radiocommandé, drone...).
Le groupe L/S 19 est généralement installé en sécurité dans le véhicule, alors que la tête de mesure 14 peut être par ex. positionnée sur un bras fixe ou mobile (robotisé), grâce à la facilité apportée par la fibre optique assurant la communication entre le groupe laser/spectromètre et la tête de mesure, ainsi qu'à la compacité et légèreté de cette dernière.
On peut aussi envisager des versions simplement portatives, puisque le groupe laser / spectromètre est peu volumineux, et la tête de mesure peut être intégrée dans une sorte de pistolet qui est tenu à la main par l'utilisateur. Le groupe laser peut être installé dans un caisson commun, muni par ex de poignées. On pourra également l'installer dans une valise ou un sac.
La Fig.6 illustre un exemple de réalisation, dans lequel le groupe laser / spectromètre 19 (de la Fig.1 ) est installé dans un sac à dos 300, et la tête de mesure 14 est intégrée dans un pistolet 302. Un câble 304 regroupe les fibres optiques transportant le rayonnement laser et la lumière collectée, et les autres câbles nécessaires pour l'imagerie et la télémétrie le cas échéant.
Un autre intérêt du format pistolet est de pouvoir définir une distance de mesure. Dans l'exemple illustré, la tête de mesure est en fait installée dans le boîtier 306 en forme de pistolet, et la face avant 14i de la tête de mesure 14 est tournée vers l'ouverture 308 du boîtier. Par conception, on peut fixer la distance D entre la face avant de la tête de mesure et le bord avant 310 du pistolet (il s'agit donc d'un bord avant de profondeur D). Dans ce contexte, pour faciliter la mesure, on peut faire coïncider sensiblement la distance focale des moyens d'illumination et/ou de collecte avec cette distance D. Ainsi, en plaquant le bord avant 310 du pistolet 302 contre l'objet à analyser, on se place directement à la distance focale, optimisant l'énergie laser appliquée à l'objet analysé ainsi que la collecte de la lumière des plasmas générés.
5. Exemples d'application avec des drones
En référence à la Fig. 7, le dispositif d'analyse LIBS 200 décrit ci-avant (section 3) est combiné à un drone (aérodyne télécommandé ou se déplaçant de façon pré-programmée ou « intelligente »), pour réaliser des mesures le long d'une falaise rocheuse, d'une façade de monument historique ou dans un site industriel ou d'exploration ou exploitation pétrolière. Le dispositif d'analyse 200 est donc embarqué par le drone 400, qui permet de positionner rapidement le dispositif d'analyse 200 le long de la falaise 402, à tout endroit souhaité. Pour chaque mesure, le drone 400 est opéré en mode stationnaire.
Les drones multi-rotors sont de plus utilisés car ils présentent l'avantage combiné d'une grande simplicité de conception, d'une grande facilité d'utilisation et d'application, et surtout sont à coûts qui restent abordables, en utilisant des technologies miniatures et modernes notamment utilisées dans la téléphonie mobile.
Les zones de mesure peuvent être décidées par un opérateur dans un mode à vue. Alternativement, l'ensemble des zones de mesure peuvent être décidées à l'avance, et le drone suit alors un plan de vol, en mode automatique, ce dernier évoluant vers chacune des zones de mesure prédéfinies. Dans une version encore plus élaborée, le drone peut se mouvoir de façon « intelligente », c'est-à-dire auto-adaptative, à l'aide de ses divers capteurs embarqués et lois de vol prédéfinies.
Pour optimiser la campagne de mesure, on peut procéder à une reconnaissance préalable par le drone, qui va acquérir des images des différentes parties de la falaise, et faire une sélection humaine et/ou par traitement d'image, des différentes zones d'analyse à couvrir ensuite par l'analyse LIBS avec le drone.
Dans la variante de la Figure 7, le drone est du type hélicoptère. Le groupe L/S 219 est installé centralement dans le drone 400, pour les besoins d'équilibre. La tête de mesure 14 est déportée au moyen d'un bras 404 qui est fixé sous le corps/carénage 406 du drone 400 et s'étend horizontalement, au-delà du périmètre du carénage du drone et des pales. Cela permet au drone 400 d'approcher la tête de mesure 14 très près de la paroi. On peut envisager de mettre deux têtes de mesure en positions symétriques de part et d'autre du drone pour équilibrer celui-ci, doubler le nombre de points de mesures et/ou constituer une voie de mesure redondante en cas de dysfonctionnement de la première.
Outre les moyens de navigation habituels à bord du drone, on utilisera par ex. un télémètre pour positionner le drone 400 à une distance prédéfinie de la paroi 402 pour effectuer les mesures. Ceci notamment dans un cas sans autofocus, ou à course de refocalisation limitée.
En pratique, le drone est préférablement opéré pour que, au moment de la mesure, la tête de mesure 14 soit au plus près de la paroi, par exemple entre 1 et 20 cm, voire en contact avec celle-ci. Ceci dépend des capacités de focalisa- tion de la tête de mesure.
La Figure 8 illustre une variante dans laquelle le drone est un quadri-rotor 500. Il comprend classiquement quatre rotors de sustentation 502 portés par des bras 504 s'étendant à partir d'un corps central 503, les bras formant ainsi une croix. Afin d'éviter à l'appareil de tourner sur lui-même sur son axe de lacet, deux rotors 502 tournent dans un sens, et les deux autres dans l'autre sens, les rotors tournant dans le même sens étant placées aux extrémités opposées d'une branche de la croix. Un carénage 506 est fixé au corps central 503 et entour les rotors 502 (hélice+moteur).
Pour faire décoller un multi-rotor, il suffit d'appliquer une tension identique à chaque moteur (ils tournent alors tous à la même vitesse). L'augmentation de la vitesse permet le décollage et le positionnement en altitude.
Comme on le sait, les mouvements (lacet, roulis, tangage) sont ensuite obtenus en faisant varier les vitesses. Ainsi le nombre de paramètres de commande est dépendant du nombre de moteurs. Ces aspects de commande des drones multi-rotors sont largement connus par l'homme du métier et ne nécessitent pas davantage de développement ici.
Pour les mesures LIBS, le groupe laser/spectromètre 219 est installé dans le corps central 503, ou fixé sous celui-ci. La tête de mesure 14, peu volumineuse et de faible poids, peut quant-à-elle être fixée sur un côté extérieur du carénage 506. Si nécessaire, un contre poids peut être positionné à l'opposé, ou bien une seconde tête de mesure pour équilibrer le drone, tout en offrant soit un doublement des points de mesure, soit une redondance à la tête de mesure.
Les exemples de drones présentés ci-avant ne sont pas limitatifs. Divers types de drones peuvent être employés, et seront sélectionnés selon la capacité de charge et l'autonomie désirées. Des drones multi-rotors capables d'emporter une charge utile entre 6 et 10 kg, et ayant une autonomie entre 10 et 20 min sont déjà utilisés pour diverses applications, telles que pose de lignes haute-tension, sauvetage côtier... De tels drones sont tout à fait appropriés pour une utilisation dans le cadre de la présente invention. En outre, le drone peut être équipé d'une pince au bout d'un bras robotisé, pour la collecte d'échantillons à analyser plus finement sur une base amenée sur site ou en laboratoire.
Dans certaines applications telles que la restauration de monuments, des mesures LIBS sont pratiquées pour analyser des revêtements. Des drones peuvent alors être employés pour prendre des mesures sur des façades, des voûtes de cathédrales, ou des parois internes de bâtiments, sans l'usage d'échafaudage. A nouveau, la tête de mesure peut être placée sur le carénage ou au bout d'un bras ou d'une perche.
Dans ce genre d'application, pour s'affranchir du problème d'autonomie, on pourra tout à fait envisager un drone (électrique) alimenté par fil.
6. Exemple de séquence de mesure
De manière générale, le présent dispositif est opéré par une unité de commande, telle l'unité de commande 226 qui, gère en particulier la séquence de mesure / d'acquisition, c'est-à-dire le déclenchement du tir, la collecte du rayonnement plasma - LIBS, et l'acquisition d'images.
Une variante préférée d'un processus de mesure est illustrée à la Fig.10, dans le cadre de l'utilisation avec un drone.
L'étape 600 fait référence à la phase d'approche, pendant laquelle le drone s'approche de la zone à analyser. Le positionnement dans cette zone d'analyse peut se faire à vue, ou par une information de caméra vidéo, ou bien sur la base d'un système de positionnement.
Tant que la zone d'analyse n'est pas atteinte, le processus reboucle sur l'étape 600, pendant le déplacement du drone.
La prise d'image (étape 602) avant le tir laser est facultative, mais elle peut être utile pour comparer la cible, avant/après tir laser, définir le contexte de l'analyse, et localiser précisément celle-ci.
Une fois la position atteinte (étape 604, « OUI »), la commande donne son ok pour procéder à une phase de tir. Avantageusement, la phase de tir comprend une phase de positionnement fin, qui vise à s'assurer de la focalisation de la tête de mesure 14. Pour un système à optique fixe de la tête de mesure, la position du drone est ajustée pour positionner la zone à analyser dans le plan focal du système optique, de sorte à optimiser la collecte du rayonnement plasma qui sera créé par l'interrogation laser. Cela peut se faire par une mesure de distance ou par télémétrie. Une fois la distance focale atteinte (symbolisé par un drapeau Focus=OK à l'étape 606), le tir est déclenché (étape 608).
Dans le cas d'un bloc autofocus, il n'est pas forcément nécessaire de mesurer la distance, mais le passage à l'étape de tir 608 peut être autorisé par un drapeau FOCUS=OK donné par le bloc autofocus.
Le système de collecte connecté au(x) spectromètre(s) entre en jeu pour collecter et acquérir les spectres du rayonnement plasma créé par le tir laser. L'unité de commande déclenche également l'acquisition d'une image post-tir (étape 612), de préférence au moyen des capteurs d'imagerie indiqués 36. On prévoira généralement un faible décalage entre le tir laser et l'acquisition, pour tenir compte du délai entre excitation et émission de la cible.
Il est clair que le tir comprend l'émission (en parallèle ou séquentiel) des aux moins deux faisceaux laser pour l'interrogation LIBS, et/ou le cas échéant le tir laser pour l'interrogation Raman. Si un tir Raman est effectué, la phase d'acquisition comprend alors l'acquisition du spectre Raman. Comme indiqué plus haut, selon que le tir est séquentiel ou en parallèle, on sépare de préfé- rence les acquisitions relatives aux points de mesure, soit de façon temporelle (émission et collecte décalées sur les différents points), soit de façon spatiale (une voie de collecte distincte par point de mesure).
On notera encore que pour chaque point de mesure, les tirs laser et l'acquisition de la lumière plasma sont en pratique répétées un certain nombre de fois, par ex. quelques dizaines ou centaines de fois (tirs en rafale générant un spectre par tir). La lumière collectée est envoyée vers les spectromètres et moyens de traitement pour analyse. Selon les modes opératoires, chaque tir laser fournit un spectre, ou plusieurs tirs peuvent aboutir à une acquisition spectrale intégrée ou moyennée. On peut aussi accroître le nombre de tirs laser jusqu'à plusieurs milliers, afin de pénétrer plus profondément dans la cible et réaliser une analyse spectrale en fonction de la profondeur. Ceci peut permettre d'identifier des propriétés/compositions variables entre la surface et l'intérieur de la cible. Ce type d'utilisation nécessite une stabilité accrue des lignes de visée illumination/collecte.
Conformément à l'étape 614, les données relatives au tir, par ex. heure, date, coordonnées, spectres, images, sont alors transmises au sol ou à la base, pour dépouillement et analyse.

Claims

Revendications
Dispositif d'analyse LIBS comprenant
- une source de rayonnement laser (12 ; 212)
- une tête de mesure (14 ; 60) avec:
- des moyens optiques d'illumination aptes à diriger au moins deux faisceaux laser (24) séparés vers une cible à analyser (15), de sorte à former au moins deux points de mesure (26 ; 66) séparés spatialement sur la cible, selon un motif prédéfini ; et
- des moyens optiques de collecte de la lumière émise par interaction du rayonnement laser incident avec la cible, lesdits moyens optiques de collecte ayant un champ de vision (28 ; 68) dans lequel se trouvent lesdits au moins deux points de mesure (26 : 66) ;
- au moins un spectromètre (218) pour analyser la lumière transmise par les moyens optiques de collecte et générer des données spectrales LIBS ;
- un premier câble (20 ; 220) de transmission à fibre optique pour transmettre le rayonnement laser de la source de rayonnement laser vers la tête de mesure ;
- un deuxième câble (22 ; 222) de transmission à fibre optique pour transmettre le rayonnement collecté par les moyens optiques de collecte vers ledit spectromètre.
Dispositif d'analyse LIBS selon la revendication 1 , dans lequel les moyens optiques de collecte comprennent une voie de collecte (34) dont le champ de vision englobe les différents points de mesure créés par les faisceaux laser.
Dispositif d'analyse LIBS selon la revendication 1 ou 2, dans lequel les moyens optiques de collecte sont réalisés par une portion de fibre optique 42 fixée dans la tête de mesure à laquelle on associe préférablement une optique de focalisation (40) pour focaliser la lumière collectée sur la face d'entrée de la portion de fibre optique.
4. Dispositif d'analyse LIBS selon la revendication 1 , dans lequel les moyens optiques de collecte comprennent au moins deux voies de collecte (64,) dont les champs de vision (68,) sont appropriés pour couvrir l'ensemble de points de mesure (66), en particulier les moyens de collecte comprennent une voie de collecte ayant un champ de vision respectif par point de mesure, les voies de collecte étant de préférence regroupées centralement.
5. Dispositif d'analyse LIBS selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant une unité de commande (17) configurée pour gérer l'analyse LIBS en opérant conjointement ou séquentiellement les tirs laser avec lesdits au moins deux faisceaux laser.
6. Dispositif d'analyse LIBS selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la tête de mesure (14) comprend au moins un module d'imagerie (36).
7. Dispositif d'analyse LIBS selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la tête de mesure (14) comprend au moins un moyen de mesure de distance (38) entre la tête de mesure et la cible afin de régler la distance de travail et optimiser la focalisation. 8. Dispositif d'analyse LIBS selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les moyens optiques d'illumination comprennent des moyens de guidage optique configurés pour guider le rayonnement laser issu du premier câble de transmission, et former et faire émerger de la tête de mesure lesdits faisceaux laser (24) séparés, de sorte à former sur la cible lesdits points d'analyse (26, 66) selon ledit motif prédéfini.
9. Dispositif d'analyse LIBS selon la revendication 8, les moyens de guidage optique comprennent un guide d'onde (23) par faisceau laser à acheminer pour générer un point de mesure respectif.
10. Dispositif d'analyse LIBS selon la revendication 9, dans lequel les guides d'ondes sont à base d'éléments optiques fixes, de préférence conçus à par- tir d'un ou plusieurs éléments choisis parmi : fibres optiques, coupleurs à fibres optiques, miroirs, lentilles, lames dichroïques, cubes séparateurs, et guides planaires.
1 1 . Dispositif d'analyse LIBS selon la revendication 8, 9 ou 10, dans lequel les moyens optiques d'illumination comprennent des moyens de focalisation pour focaliser les faisceaux laser sur la cible.
12. Système d'analyse LIBS mobile caractérisé en ce qu'il comprend un robot mobile et un dispositif d'analyse LIBS selon l'une quelconque des revendications précédentes embarqué sur ce robot mobile. 13. Système d'analyse LIBS mobile selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le robot mobile est piloté à distance par un opérateur au moyen d'une unité de commande et de contrôle ; et/ou configuré pour se mouvoir de façon pré-programmée et/ou auto-adaptative.
14. Système d'analyse LIBS mobile selon la revendication 13, dans lequel le robot mobile est un drone (400, 500) ayant une capacité de vol stationnaire.
15. Système d'analyse LIBS mobile selon la revendication 12, 13 ou 14, dans lequel la tête de mesure (14) est installée à l'extrémité d'un bras de mesure (404) s'étendant latéralement, la source laser et le(s) spectromètre(s) étant positionnés centralement dans le robot mobile, respectivement le drone. 16. Système d'analyse LIBS mobile selon l'une quelconque des revendications 12 à 15, dans lequel le robot mobile, respectivement le drone, comprend une pince de prélèvement.
17. Système d'analyse LIBS mobile selon l'une quelconque des revendications 12 à 16, dans lequel - le robot mobile est apte à se déplacer au sol ; et
- le robot mobile est associé à un drone convoyeur, configuré pour transporter le robot mobile et permettant son découplage lorsqu'il est au sol.
18. Système d'analyse LIBS selon l'une quelconque des revendications 12 à 16, dans lequel le robot mobile est associé à un dispositif d'accueil, en particulier un robot principal, pour le transport, stockage et/ou rechargement du robot mobile, et pour le transfert de données vers la base.
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