Brevet FR2350582A1 — publié le 19771202

La présente invention concerne un procédé et un appareil de détermination de la distance séparant un point d'une surface. La distance entre un point et une surface mobiles l'un par rapport à l'autre doit etre connue dans de nombreux cas, par exemple pour la détermination de la hauteur de liquide s'écoulant dans un canal, par mesure de la hauteur de la surface de liquide, ou pour la détermination de la hauteur d'un aéronef au-dessus d'une piste lors d'un décollage ou d'un atterrissage. Les procédés déjà utilisés présentent des inconvénients car ils nécessitent des capteurs qui doivent être immergés dans le liquide ou les instruments d'un aéronef doivent être étalonnés souvent. L'invention concerne un procédé absolu et sans contact de détermination d'une telle distance Plus précisément, l'invention concerne un procédé de détection de la distance comprise entre un point donné et une surface sensiblement plane, le point et la surface étant mobiles l'un par rapport à l'autre avec une composante de vitesse parallèle à la surface, le procédé comprenant la détection des fluctuations des radiations reçues à partir de la surface, le long de paires différentes de droites fixes par rapport au point donné et disposées dans un plan sersiblement parallèle à ladite composante de vitesse, les droites d'une paire au moins se recoupant, puis la détermination, par auto-corrélation des fluctuations détectées, des temps respectifs de propagation depuis les irrégularités de surface qui provoquent les fluctuations entre les paires de points auxquelles les paires de droites recoupent la surface, et la formation, à partir des temps de propagation, compte tenu de paramètres géométriques connus du système, d'un signal représentatif de la distance voulue. Le procédé d'auto-corrélation des signaux de bruit est bien connu et on l'a utilisé dans la mesure de la vitesse et des paramètres reliés à la vitesse dans de nombreux cas. Cependant, cette technique n'a pas été encore utilise pour la détermination de la distance d'une surface. Lorsque l'angle d'inclinaison de la surface dans le plan dans lequel se trouvent les droites est connu, la distance peut être tirée de deux temps de propagation déterminés à partir de deux paires de droites choisies parmi trois ou quatre droites, une droite étant commune aux paires le cas échéant. Lorsque l'angle d'inclinaison n'est pas connu, la distance peut être déterminée à partir de trois temps de propagation obtenus avec trois paires de droites choisies parmi quatre droites au moins, une ou plusieurs droites pouvant être communes à au moins deux paires le cas échéant. Dans tous les cas, il est essentiel qu'un temps de propagation au moins comprenne le temps qui serait obtenu à partir de la paire de droites qui recoupent. Un appareil destiné à la mise en oeuvre du procédé selon l'invention comprend au moins trois détecteurs de radiations qui, en cours d'utilisation,peuvent recevoir des radiations le long de droites coplanaires qui sont fixes par rapport à un point donné, deux au moins des droites se recoupant, et un circuit destiné à déterminer au moins deux temps de propagation par auto-corrélation des fluctuations des radiations reçues par les paires respectives de détecteurs. Les détecteurs peuvent par exemple relever les fluctuations de l'intensité de la lumière visible, infrarouge ou ultraviolette, ou les fluctuations de l'amplitude ou de la phase de radiations ultrasonores ou acoustiques. Les radiations sont habituellement réfléchies par la surface, et les radiations infrarouges peuvent être émises par celles-ci. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre, faite en référence aux dessins annexés sur lesquels - la figure 1 représente un schéma d'un appareil de mesure de la vitesse relative et de la distance d'une surface horizontale - la figure 2 représente deux exemples de fonctions d'auto-corrélation,variant avec un retard temporel - les figures 3a à 3d représentent diverses relations géométriques simplifiées dans un appareil selon l'invention - la figure 4 représente la disposition géométrique relative de l'appareil selon l'invention - la figure 5 est un schéma d'appareil de mesure de la vitesse relative et de la distance ainsi que de l'inclinaison relative d'une surface ; et - la figure 6 est un schéma géométrique simplifié de l'appareil représenté sur la figure 4. La figure 1 représente une surface horizontale 10 éclairée par la lumière du jour et se déplaçant horizontalement à une vitesse V par rapport à trois détecteurs fixes 1, 2, 3, par exemple des photodiodes au silicium BPX42, espacés horizontalement et parallèlement au sens de déplacement audessus de la surface. Les détecteurs 1, 2 sont disposés afin que leurs lignes de visée soient verticales et séparées par une distance 1, si bien qu'ils voient les points A et C respectivement à la surface 10, par l'intermédiaire de lentilles 18, 20 de focalisation qui sont distantes des détecteurs d'une longueur b.Le détecteur 3 est placé près du détecteur 2 afin qu'il voie un point B de la surface 10 par l'intermédiaire de la lentille 20, la ligne de visée du détecteur 3 faisant un angle aigu z avec la ligne de visée du détecteur 2 et les lignes de visée des détecteurs 1, 2 sont séparées par une distance a au niveau des détecteurs et se recoupent en un point M au centre de la lentille 20. Les détecteurs sont reliés par des filtres 22, 24, 26 et des amplificateurs 28, 30, 32 à deux dispositifs 34, 36 d'auto-corrélation qui peuvent être des auto-corrélateurs du type décrit dans le brevet britannique nO 1 401 009 ou dans la demande de brevet britannique nO 40 266/73. La composante alternative des signaux provenant de la paire de détecteurs 1, 2 parvient au corrélateur 34 et la composante alternative des signaux de la paire de détecteurs 2, 3 parvient au dispositif 36 de corrélation. Les signaux des dispositifs de corrélation parviennent à un circuit 38 de calcul. La figure 1 représente une surface 10 extrêmement irrégulière bien qu'en pratique les irrégularités puissent être faibles. Lorsque la surface se déplace par rapport aux détecteurs,l'intensite de la lumière réfléchie varie avec les irrégularités et le même dessin de fluctuations parvient à chaque détecteur à son tour, si bien que les signaux des détecteurs présentent des fluctuations correspondantes, La détermi nation du retard entre les signaux variables d'une paire de détecteurs permet la détermination du temps de propagation de la lumière des irrégularités entre les positions observées par les détecteurs de la paire.La détermination des retards par auto-corrélation nécessite le calcul des fonctions dans lesquelles les composantes alternatives des signaux des détecteurs 1, 2 et 3 sont respectivement xl(t), x2(t) et x3(t), T étant la période d'intégration. Les fonctions doivent être calculées pour plusieurs valeurs possibles du paramètre La figure 3a représente une forme simplifiée de l'arrangement géométrique de la figure 1. La distance AC est connue et égale à 1, si bien que la mesure du temps de propagation de A à C, appelée 12 permet le calcul de la vitesse de la surface par rapport aux détecteurs. La vitesse et le temps de propagation de C à B appelé t23 permet le calcul de la distance CB qui est la base du triangle BCN, sur la figure 1. L'angle Y au sommet est connu et on peut donc calculer la hauteur MC. Lorsque la distance de la surface aux détecteurs h est nécessaire, la constante b peut être ajoutée. Dans l'appareil, les auto-corrélateurs 34, 35 calcu lent les temps de propagation t12 et t23 aux maxima et le circuit 38 détermine la hauteur h. La vitesse V peut aussi être déterminée le cas échéant. Un exemple d'application de l'arrangement de la figure 3a est la mesure de la vitesse de la surface et de la hauteur d'un liquide. Lorsque la hauteur du détecteur audessus de la face inférieure du liquide est connue, la soustraction de la hauteur du détecteur au-dessus de la face supérieure donne la hauteur de liquide. Dans une variante et avantageusement, lorsque les lignes de visée des détecteurs 2 et 3 se recoupent au niveau de la face inférieure E, la hauteur de liquide peut être déterminée directement d'après le triangle CBE et non sous forme d'une petite différence entre deux quantités importantes. Lorsque la vitesse est aussi mesurée et lorsque la section du canal est connue, le débit volumique peut être déterminé. I1 faut noter que tout type de fluctuations provenant de la surface 10 peut être utilisé pour le calcul, que les radiations à toute longueur d'onde convenable peuvent être détectées à l'aide d'une source de radiations le cas échéant, et que les auto-corrélateurs 34, 36 peuvent être remplacés par descalculateurs ou microprocesseurs qui calculent les fonctions et les paramètres de retard aux maxima. En outre, un seul auto-corrélateur peut être nécessaire s'il peut assurer simultamment ou successivement deux auto-corrélations. I1 est aussi évident que la surface peut être fixe et que les détecteurs peuvent se déplacer par rapport à elle. Les figures 1 et 3a représentent la disposition géométrique qui permet le calcul le plus simple de la vitesse et de la hauteur, c'est-à-dire que deux détecteurs ont des lignes de visée perpendiculaires à la surface. De nombreux autres arrangements sont possibles. Par exemple, comme indiqué sur la figure 3b, lorsque la surface se déplace suivant un angle e par rapport à l'horizontale, le calcul doit comprendre le cosinus de l'angle. Comme indiqué sur la figure 3c, il n'est pas nécessaire que les lignes de visée des détecteurs 1 et 2 soient verticales pourvu qu'elles soient parallèles. Les calculs sont plus complexes lors de l'utilisation de l'arrangement de la figure 3d, les lignes de visée des trois détecteurs faisant des angles différents mais connus avec la surface. Le temps de propagation t12 ntest donc pas une mesure directe de la vitesse V puisque la distance AC dépend de la hauteur h et n'est pas connue. En fait, les deux temps de propagation dépendent de la vitesse et de la hauteur si bien que la résolution de deux équations simultanées en V et h est nécessaire, sous la forme rl2 = pV + qh t23 = rV + sh p, q, r et s étant des constantes. Les figures 3a à 3d indiquent aussi clairement qu'il n'est pas nécessaire que les détecteurs soient disposés horizontalement et meme soient alignés pourvu que leurs lignes de visée se trouvent dans un plan et forment des angles relatifs connus. L'utilisation de deux paires de lignes de visée est limitée aux arrangements dans lesquels les angles formés par les lignes de visée des détecteurs et la surface sont connus, c'est-à-dire, dans la figure 3b, que l'angle e est connu et, dans la figure 3a, 3c ou 3d, l'angle e est nul. I1 y a deux inconnues V et h et deux temps de propagation sont déterminés. L'utilisation d'une troisième paire de lignes de visée permet la détermination de l'angle d'inclinaison de la surface comme l'indique la dérivation des équations générales établies en référence à la figure 4 qui représente l'arrangement géométrique de façon générale, à la figure 5 qui représente un arrangement de quatre détecteurs, et a la figure 6 qui est une forme simplifiée d'appareil du type représenté sur la figure 5. Sur la figure 4, deux droites A'B'P et ABCD font un angle e. Deux droites parallèles transversales AA' et BB' font un angle > avec la droite A'B'P, et deux droites transversales divergent partir du point P et forment un angle inclus &gamma; . PM est la perpendiculaire en P à la droite ABCD. Des relations géométriques simples montrent que A'B' sin &alpha; AB - sin(o PM = CD sin(&alpha; + #) sin(&alpha; + # + &gamma;) (2) sin &gamma; Sur la figure 5, quatre détecteurs 1, 2, 3, 4 sont disposés le long d'une horizontale et voient une surface mobile 12-qui fait un angle e avec l'horizontale. Les lignes de visée des détecteurs 1 et 3 sont parallèles et font un angle e avec l'horizontale.Les lignes de visée des détecteurs I et 2, d'une part, et 3 et 4 d'autre part délimitent des angles inclus Y et se recoupent à une distance connue 1. Les constituants électriques sont analogues à ceux qu'on a repré sentés sur la figure 1, le détecteur supplémentaire 4 étant relié par un filtre 46 et un amplificateur 48 à un autocorrélateur supplémentaire 50. La paire des détecteurs 1, 2 est reliée à l'auto-corrélateur 34, la paire des détecteurs 1 et 3 à l'auto-corrélateur 36 et la paire des détecteurs 2 et 4 à llauto-corrélateur 50. Le circuit 32 de la figure 1 est remplacé par un circuit 38 qui peut calculer h à partir de trois temps de propagation. V et e peuvent être aussi obtenus le cas échéant. L'utilisation des équations (1) et (2), dans le cas de la figure 5, permet le calcul des paramètres suivants 1 sin &alpha; distance FK - sin(&alpha; - #) (3) 1 sin(180 - &alpha;) distance EG = 1 sin(180 - &alpha;) (4) EF sin(&alpha; + #) sin(&alpha; + # + &gamma;) (5) sin &gamma; Les distances sont égales au produit des temps de propagation et de la vitesse relative, si bien que FK = V #13 EG = V #24 EF = V #12 Lorsque les lignes de visée des détecteurs sont disposées symétriquement par rapport à la verticale, on a = = 180 - et on peut écrire les équations sous la forme V #13 = 1 sin &alpha; (6) sin( &alpha; - #) 1 sin &alpha; V #24 = sin(&alpha; + #) (7) V#12sin(&alpha; - #) sin(&alpha; + #) MN = sin 2&alpha; (8) La résolution de ces équations donne les résultats suivants Comme 1 et d sont connus, les trois inconnues V, h et e sont fonction des trois temps de propagation sl2 t13 et #24 qui peuvent être déterminés par les auto-corrélateurs 34, 36 et 50 respectivement. Le circuit 52 peut alors calculer les valeurs des parametres inconnus. Un exemple d'application de l'appareil à quatre détecteurs est la détermination de l'un au moins des paramètres choisis parmi la vitesse relative, la hauteur et l'angle de montée d'un aéronef lors d'un décollage ou d'un atterrissage. Tous les exemples qui précèdent supposent l'intersection de deux lignes de visée en un point connu placé d'un côté particulier de la surface, pour toutes les mesures nécessaires de distance. Lorsque la distance varie suffisamment pour que le point connu se trouve d'un côté ou de l'autre de la surface suivant la distance, il faut que les autocorrélateurs puissent indiquer un coefficient positif ou négatif d'auto-corrélation. On a supposé jusqu'à présent que le mouvement relatif s'effectuait dans un plan parallèle au plan contenant les deux ou trois paires de lignes de visée. Lorsque le mouvement relatif fait un angle (d'azimut) avec ce plan, l'angle d'azimut peut être déterminé à l'aide d'une quatrième paire de lignes de visée, espacées dans un plan qui recoupe le plan parallèle, pourvu que des signaux convenables soient encore disponibles. Des avantages de l'appareil selon l'invention sont que les mesures de V, h et e sont absolues et qu'aucun étalonnage n'est nécessaire puisque h est proportionnel à un rapport de temps de propagation, et les erreurs de détermination sont réduites. En outre, aucun contact mécanique n'est nécessaire entre la surface et l'appareil de mesure. REVENDICATIONS 1. Appareil de détermination de la distance comprise entre un point donné et une surface sensiblement plane, la surface et le point donné se déplaçant l'un par rapport à l'autre avec une composante de vitesse parallèle à la surface, ledit procédé étant caractérisé en ce qutil comprend la détection des fluctuations des radiations reçues à partir de la surface, suivant des paires différentes de droites, celles-ci étant fixes par rapport au point donné et se trouvant dans un plan sensiblement parallèle à ladite composante de vitesse, les droites d'une paire au moins se recoupant, la détermination,par auto-corrélation des fluctuations détectées, des temps respectifs de propagation à partir des irrégularités de surface qui créent des fluctuations entre les paires de points auxquelles les paires de droites recoupent la surface, et la dérivation, à partir des temps de propagation et compte tenu de paramètres géométriques connus de l'appareil, d'un premier signal représentatif de la distance voulue. 2. Procédé selon la revendication 1, du type dans lequel l'angle d'inclinaison de la surface dans le plan qui contient les droites, est connu, ledit procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend la détermination de deux temps de propagation entre deux paires de points auxquelles deux paires de droites recoupent la surface, les deux paires de droites étant choisies parmi trois droites au moins, un temps de propagation au moins comprenant le temps qui serait obtenu à partir de la paire de droites qui se recoupent. 3. Procédé selon la revendication 1, selon lequel l'angle dtinclinaison de la surface dans le plan qui comprend les droites n'est pas connu, ledit procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend la détermination de trois temps de propagation entre trois paires de points auxquelles trois paires de droites recoupent la surface, les trois paires de droites étant choisies parmi au moins quatre droites, l'un des temps de propagation au moins comprenant le temps qui serait dérivé de la paire de droites qui se recoupent. 4. Appareil destiné à la mise en oeuvre d7un procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend au moins trois détecteurs de radiations 1, 2, 3 qui, lors de l'utilisation, peuvent recevoir des radiations suivant des droites coplanaires fixes par rapport à un point donné, deux au moins des droites se recoupant, et un circuit 34, 36 de détermination d'au moins deux temps de propagation par auto-corrélation des fluctuations des radiations reçues par des paires de détecteurs, l'un au moins des temps de propagation comprenant le temps qui serait dérivé des deux droites qui se recoupent. 5. Appareil de détection de la distance comprise entre un point donné et une surface sensiblement plane, la surface et le point donné ayant un mouvement relatif avec une composante de vitesse parallèle à la surface, ledit appareil étant caractérisé en ce qui comprend au moins trois détecteurs 1, 2, 3 de radiations destinés à recevoir des radiations suivant des droites qui sont fixes par rapport au point donné, dans un plan sensiblement parallèle à ladite composante de vitesse, deux au moins des droites se recoupant, et un circuit 34, 36 destiné à déterminer,par auto-corrélation des fluctuations des radiations détectées par les détecteurs, les temps respectifs de propagation à partir des irrégularités de la surface qui provoquent des fluctuations entre les paires de points auxquelles les droites recoupent la surface, un temps de propagation au moins comprenant le temps qui serait dérivé des deux droites qui se recoupent. 6. Appareil selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comprend trois détecteurs 1, 2, 3 de radiations destinés à recevoir les radiations d'une surface faisant un angle connu dans le plan des droites coplanaires, et le circuit 34, 36 est destiné à déterminer deux temps de propagation. 7. Appareil selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comprend quatre détecteurs de radiations 1, 2, 3, 4 des tinés à recevoir les radiations d'une surface faisant un angle inconnu dans le plan des droites coplanaires, et le circuit 34, 36, 50 est destiné à déterminer trois temps de propagation.