Brevet FR2010332A1 — publié le 19700213

Dans les procédés de mesure des distances au moyen d'ondes électromagnétiques, d'ondes lumineuses par exemple, qui parcourent la distance à mesurer, il est de première importance de connaître l'indice de réfraction du milieu dans lequel ces ondes 5 se propagent. Il est possible, ainsi que le démontre l'article "Utilisation de la Dispersion Atmosphérique pour la détermination de la Correction de Réfraction en Mesure Optique des Distances" paru sous la double signature K.C. Thomson et L.E. Wood, page 1ê>5 et suivantes dans l'ouvrage "I-Iesure Electromagnétique des Distances 10 édité par Hilger & Watts Ltd., L0ndres, de déterminer la valeur moyenne de l'indice de réfraction du milieu atmosphérique traversé par mesure du déphasage relatif pris sur la distance à mesurer par deux rayons lumineux de couleurs différentes. La présente invention a pour objet -un appareillage de 15 mesure des distances du type décrit dans lequel deux rayons lumineux de couleurs différentes sont modulés à deux fréquences différentes, le déphasage relatif pris par ces deux rayons sur leur trajet étant mesuré à un poste récepteur. Chacun de ces rayons lumineux de couleurs différentes est alternativement modulé par 20 l'une et l'autre desdites deux fréquences, de sorte que, au poste récepteur, les signaux correspondant au déphasage des deux couleurs émises sont alternativement de polarités inverses, ce qui double la sensibilité de l'appareillage. La description qui va suivre, et les dessins annexés 25 donnés surtout à titre d'exemples non limitatifs, feront mieux comprendre comment la présente invention peut être réalisée. Sur les dessins annexés : - La figure 1, représente schématiquement un appareillage conforme à l'invention et comportant un poste émetteur ÏR et 50 un poste récepteur RE recevant les signaux émis par le poste émetteur après leur réflexion sur l'extrémité opposée de la distance à mesurer ; - La figure 2, représente un autre mode de réalisation du poste récepteur de l'appareillage de l'invention ; et 35 - La figure 5 représente un autre mode de réalisation du poste émetteur de cet appareillage. Dans son mode de réalisation représenté sur la figure 1, l'appareillage de l'invention comporte un poste émetteur TR 69 18044 2 2010332 comprenant un premier émetteur modulable E émettant un rayon de lumière rouge R et comportant une borne d'entrée K par laquelle un signal peut lui être appliqué en vue de moduler en amplitude le rayon qu'il émet. Un deuxième émetteur similaire S' émet un 5 rayon de lumière bleu B modulé par un signal que cet émetteur E1 reçoit sur une borne I-I'. Les deux rayons lumineux R et B sont rassemblés et forment le signal lumineux qui est envoyé vers l'extrémité opposée de la distance à mesurer, extrémité sur laquelle une surface réfléchissante (non représentée) le renvoie en direc-10 tion du poste récepte\ir. Le poste émetteur ÏR comprend aussi un premier générateur GE1 fonctionnant sur une première fréquence f^ et un deuxième générateur G-E2 fonctionnant sur une deuxième fréquence fg* Un commutateur inverseur SW, bipolaire et à deux direc-15 tions, monté entre les générateurs et les émetteurs, peut prendre une première position I pour laquelle le générateur G-E1 alimente la borne !■! et le générateur GE2 la borne H', et une deuxième position II pour laquelle, inversement, le générateur G-E1 alimente la borne M' et le générateur GE2 la borne H* Ce commutateur est ac-20 tionné à une certaine fréquence par un appareil de commande CU, de sorte que chacun des émetteurs est alternativement modulé par l'une et l'autre des fréquences modulatrices. L'appareil de commande CU fonctionne à une fréquence relativement basse qui peut être, par exemple, de" l'ordre de 10 Ha. Les fréquences modulatrices 25 f.j et fg sont de l'ordre de 30 KHz. Un dispositif retardateur DL à temps de retard réglable, représenté schématiquement en pointillé et monté sur la sortie de l'émetteur E', applique un certain retard au signal B„ Le poste récepteur SE de l'appareillage de l'invention 30 comprend un photomultiplicateur K-I qui reçoit sur sa eathoae les signaux R et B et les amplifie à la façon bien connue. Du fait de la non linéarité de réponse du-photomultiplicateur PIVI, celui-ci émet un signal hétérodyne provenant de la différence des fréquences modulatrices f-j et fg , ce signal hétérodyne étant séparé par Ton 35 filtre ï et appliqué ensuite sur un phasemètre PL. L'effet hétérodyne qui se produit" dans le photomultiplicateur Pii donne une composante de fréquence f^ - fg et de phase ^ 2 > 2 étant respectivement les phases des signaux reçus auxdit.es 69 18044 3 2010332 fréquences f^ et fg» La différence ^ \ ~ *?2 rePrésente le déphasage relatif subi par les deux signaux de couleurs différentes sur leur trajet aller et retour, et ce déphasage est mesuré par le phasemètre PD, lequel peut être de tout type classique, tel que, 5 par exemple, le discriminateur de phase "Foster-Seeley" bien connu. Les inversions périodiques effectuées par le commutateur SW ont pour effet que les fréquences reçues par le photomultipli-cateur PM se retrouvent alternativement et successivement dans le rayon bleu et dans le rayon rouge, et un deuxième déphasage rela-10 tif provenant de l'inversion des modulations est perçue par le phasemètre PD, ce déphasage^1^ "" ^'2 étant de sens opposé à celui du premier ^ ~ 2 ' ce ^onrie aU signal fourni par ce phasemètre la forme de l'onde rectangulaire RW représentée sur la figure 1. L'amplitude de cette onde rectangulaire représente la différence 15 entre le premier déphasage 9^ - ^2 correspondant à la position I du commutateur SW et le deuxième déphasage ^'.j 2 eorresPondant à la position il de ce commutateur. Un instrument de mesure Kl donne une indication visuelle de l'amplitude de l'onde RW. Dans l'article Thomson et Wood précité, il est expliqué 20 comment la détermination dé la différence des indices de réfraction pour deux rayons lumineux de couleurs différences permet de calculer l'indice de réfraction moyen du milieu traversé par ces rayons» Cet indice de réfraction moyen est de la forme 1 + N, N étant un terme correctif de l'ordre de 2 x 10~^ et qui est fonction 25 de la température et de la pression atmosphériques le long du trajet parcouru par les rayons lumineux, ^es valeurs de ÎT pour chacun des rayons de couleurs différentes seront désignées respectivement N.j et Ng dans les calculs qui suivent, la vitesse de propagation est égale à 0o/ (1 + N) et l'on peut écrire comme suit les 30 expressions donnant les valeurs des déphasages pour les deux fréquences f.j et fg sur une distance D : \ = l*-2 f, (1«,) (,) 35 C0 Le signal hétérodyne apparaissant au poste récepteur du fait de l'interférence des deux fréquences de modulation f^ et f2 est un signal de fréquence f^ -fg dont la» pha.se est : ©AD ORIGINE 18044 4 2010332 ^ - ^2 = 2jG D ^ r F2 + 'Vl ~ ^2M2} (3) Gc Le passage du commutateur 277 sur son autre position équivaut à l'interversion des couleurs des deux signaux respectivement modulés sur les fréquences f^ et f2, et le nouveau déphasage relatif 1 \ ~ ^*2 est donné par interversion dans la relation (3) des torr.es correctifs lï^ et ïïg* Oîi a ainéi : - f'2 = 2JO ifr? 2* > UÛ ^.i le eoi^-iutateur 3V passe de sa position ï sur sa position II, le signal fourni par le phasemètre PD subit une variation égale à la différence des deux valeurs données par les relations (3) et (4), et cette différence ( ^ f- ( ^'-j - ~ (fi -^'cL2/r D (^i+ ^2) (W (5) C0 Le commutateur inverseur SW étant actionné périodiquement, le signal ce sortie du phasemètre PS varie d'une période à l'autre entre les deux valeurs données par les relations (3)"et (4), et il en résulte que ce signal a la forme de l'onde rectangulaire RV dont l'auplitude représente la différence des déphasages exprimée ;ar la relation (5) et ^ui est indiquée par l'appareil de mesures ri « .X • Ainsi que le montre la relation (5), cette différence est proportionnelle à - Kg. La valeur de " est, ainsi qu'il a été indiqué plus haut, une certaiue fonction de- la pression et de la température atmosphériques et peut être exprimée par la relation : ÎT = îî . 0 dans laquelle est un paramètre variable dépendant de la pression et de la température et II est la valeur !T pour des conditions normalisées de température et de pression. En désignant par ^ et N 0 les valeurs de îT pour les deux couleurs précitées, on peut 02 0 écrire : ï, -H2;= (Ho1-Ho2).« ' (7) relation qui- permet de calculer °( -Ng étant connu. La relation (5) montre que la valeur des mesures faites est doubléë du fait de l'inversion périodique des fréquences de BAD ORIGINAL 69 18044 5 2010332 modulation. En l'absence de cette inversion périodique, et s'il n'était fait emploi que d'une seule fréquence de modulation f, les mesures effectuées correspondraient à un déphasage f-, - ?-2 dont la valeur est donnée par la relation (3) dans laquelle les 5 fréquences f^ et f^ sont remplacées par une seule et même fréquence f. On aurait alors : ^"l ~ ^M2 = 2Jl D (V (a) g O Un autre perfectionnement apporté par l'appareillage de 10 l'invention consiste en la présence du dispositif retardateur DL. Si ce dispositif est réglé de façon à compenser exactement le déphasage relatif subi par les deux rayons lumineux de couleurs différentes, ces deux rayons sont en concordance de phase à leur arrivée au poste récepteur. Dans ce cas, la mesure des distances s'ef-15 fectue en réglant le retard introduit par le dispositif retardateur Di de façon que l'amplitude de l'onde RW soit nulle, c'est-à-dire de façon que l'aiguille indicatrice de l'appareil de mesures Kl soit revenue sur le zéro de son échelle. la figure 2, représente avec plus de détails un mode de 20 réalisation du poste récepteur de l'appareillage de l'invention dans lequel un dispositif retardateur DL1 a été incorporé pour permettre d'égaliser les retards pris sur leur trajet par les deux rayons lumineux. Ce poste récepteur comporte un système optique OS qui peut être de tout type quelconque connu approprié et qui n'est 25 représenté que schsmatiquement. Un filtre bleu BP et un filtre rouge RE séparent le signal lumineux reçu par le dispositif optique OS en deux rayons monochromes B et R qui sont reçus par le photomultiplicateur PK. A titre d'exemple, il sera supposé que les fréquences modulatrices appliquées aux signaux émis sont respectivement 30 30.000 et 30.001 kHz. Un filtre E qui reçoit le signal de sortie du photomultiplicateur ne laisse passer que la fréquence liJtéz-cdyne de 1 kEIz désirée, laquelle est appliquée sur le phasemètre PD. 1-e signal émis par ce phasemètre est applique sur un filtre passe-bas LP et la composante continue transmise par ce filtre est .utilisée 35 pour commander un oscillateur auxiliaire AG qui applique une oscillation de référence sur le phasemètre. Les signaux émis par le photomultiplicateur PD sont aussi envoyés dans un filtre passe-bande BP réglé sur 10 Hz, cette fréquence étant celle à laquelle BAD ORIGINAL 69 18044 6 2010332 fonctionne le commutateur inverseur SW du poste émetteur. le signal émis par le filtre BP est appliqué sur l'appareil de mesures I-II. 1-e fonctionnement du circuit de la figure 2 est évident. Pour effectuer une mesure, il suffit de ramener au zéro l'aiguille 5 indicatrice de l'appareil de iresures MI, ce qui donne le même déphasage aux rayons lumineux rouge et bleu à leur arrivée au poste récepteur, et le retard introduit à ce moment par le dispositif D11 représente le déphasage relatif pris dans leur trajet par ces deux rayons de couleurs différentes. Le poste récepteur de la figu-10 re 2 peut être soit incorporé au poste émetteur de l'appareillage, soit en être séparé et installé sur l'autre extrémité de la"distance à mesurer. La figure 3, représente schématiquement un autre mode de réalisation du. poste émetteur de l'appareillage de l'invention. 15 Les éléments principaux du poste de la figure 3 sont les mêmes que ceux du poste émetteur de la figure 1, et sont désignés par les mêmes références. L'émetteur E, comprend une source lumineuse LS fournissant un rayon rouge qui traverse un modulateur optique IM dans lequel 20 il est modulé par un signal en provenance d'un amplifieateur A. Le système optique 032 de l'émetteur n'est représenté que schéma-tiquement car il peut être de tout type quelconque connu approprié. Le rayon rouge R est divisé en deux-parties, l'une qui est émise et l'autre qui est appliquée sur une cellule photo-électrique PT. 25 L'émetteux B' est similaire et comprend une source lumineuse LS', un modulateur optique IM' et un amplificateur a', et émet un rayon bleu B qui est divisé en une première partie qui est émise et une deuxième partie qui passe par un dispositif retardateur DL2 avant l'atteindre la cellule photo-électrique PT. Les signaux de sortie 30 de cette cellule photo-électrique sont appliqués sur l'une des entrées d'un phasemètre PD' dont la borne de sortie est reliée à un appareil de mesures MI'. La deuxième entrée du phasemètre PD' est branchée sur la borne de sertie d'un mélangeur H dont les deux entrées sont respectivement branchées sur la sortie du généra-35 teur G-1 et sur celle du générateur G-B2. Le commutateur inverseur SW et son dispositif de commande CU ont les mêmes fonctions que ceux du poste émetteur de la figure 1. bad original 18044 7 2010332 le fonctionnement au poste émetteur de la fijure 5 est similaire à celui du poste émetteur de la figure 1, mais le poste émetteur de la figure 3 comporte un dispositif supplémentaire percevant la différence de phase qui peut être présente à l'émission entre les rayons lumineux se!s si les deux émetteurs S et 3' ne sont pas parfaitement synchronisés. Oe défaut de synchronisme peut apparaître, par exemple, si les temps de retard appliqués aux signaux par les amplificateurs A et A' ne sont pas rigoureusement les mêmes pour les deux fréquences de r.iodiilation. Cette différence des temps de retard introduit à l'émission même un déphasage relatif des signaux émis. Ce déphasage initial peut être perçu à l'aide d'un récepteur placé au poste émetteur, ce récepteur indiquant la valeur de ce déphasage initial accidentel. En fait, les éléments PT, DL2, PD * ,Î-1I' et I-I constituent; un poste récepteur auxiliaire incorporé au poste émetteur, la cellule photo-électrique PT a la même fonction .rue le photomultiplicateur Kl de la figure 1, sépare le signal hétérodyne provenant de l'interférence des rayon? rou£e et bleu et fournit un signal de sortie sur 1 kHz. l'oscillation de référence appliquée sur le phasemètre PD' est prise sur le mélangeur II. Eien entendu, la présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits, mais s'étend à toutes les variantes conformes à son esprit. * BAD ORIGINAL 18044 8 2010332 'REVENDIC A'JI ON S 1 - Appareillage - de mesure de la réfraction subie par les rayons lumineux sur un trajet donné, cet appareillage comportant : - un premier émetteur (E) envoyant sur ledit trajet un premier rayon lumineux (Kj d'une première couleur, ce premier rayon étant modulé en amplitude par un signal modulateur appliqué sur une berne (ï!) de ce premiei* émetteur, - un deuxième émetteur (S') envoyant sur ledit trajet un deuxième rayon lumineux (B) d'une deuxième couleur, ce deuxième rayon étant modulé en amplitude par un signal modulateur appliqué sur une corne (H'j de ce deuxième émetteur, - un premier générateur (G-E1 ) fournissant une première onde modulatrice sur une première fréquence - un deuxième générateur (-G-E2) fournissant une deuxième onde mclulatrice sur une deuxième fréquence 13^ » - un commutateur inverseur- (SW j qui, lorsqu'il est sur une premere position (IJ, applique respectivement les si^aux "nodulateur.2 émis p?.r le premier (SE1 * et le deuxième (E') émetteur, et qui, lorsqu'il est sur une deuxième position (II), applique respectivement sur ces bornes modula-uiices les signaux émis par le deuxième (G22) et par le premier (GK31 ) générateur, - un poste récepteur recevant lesdits premier et deuxième rayons lumineux (R, B) sur l'autre extrémité dudit trajet, et - \3ii phasemètre (PD) incorporé à ce poste récepteur et mesurant le déphasage relatif des deux rayons lumineux à leur arrivée. 2 - Appareillage selon la revendication 1, caractérisé en es qu'il est incorporé au poste rioepteur un stage hétérodyne (PU) fournissant à partir desdits premier et deuxième rayons lumineux tua signal hétérodyne dont la fréquence est égale à la différence des fréquences modulatrices et jui est appliqué sur le phasemètre (P^). 3 - Appareillage selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit étage hétérodyne- comprend un photomultiplicateur (PI-i) auquel sont appliqués lesdits premier et deuxième rayons lumineux. BAD ORIGINAL 69 18044 9 2010332 4 - Appareillage selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif retardateur réglable (EL) appliquant un retard sur l'un desdits rayons luaiineux avant son émission sur son trajet. 5 5 - Appareillage selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un appareil de commande (CU) branché sur le commutateur (SW) et commandant les changemerrts de position de ce commutateur à une certaine fréquence. 6 - Appareillage selon la revendication 1, caractérisé 10 en ce qu'il comporte un appareil de mesure intégrateur (MI) branché sur la sortie du phasemètre (PD).