Brevet FR2532417A1 — publié le 19840302

La présente invention concerne la disposition interférométrique pour la-mesure de distances opto-électriques au moyen du rayon laser. Les appareils modernes de mesure des distances reposent en général sur la mesure du temps de parcours des impulsions lumineuses ou sur la comparaison des phases d'ondes lumineuses opto-électriques modulées. Tous les pro- cédés de ce type utilisent la lumière seulement en tant que porteur.de modulation de sorte que les longueurs d'onde actuellement mesurables sont de 11 ordre de grandeur de 1 mètre. Un procédé très précis de mesure opto-électrique est décrit par le brevet américain 4 o68 951. Les dispositions interférométriques sont plus précises que ces appareils. Un rayon laser est séparé en un rayon de mesure et un rayon de référence. Le rayon de mesure est réunifié au rayon de référence apres avoir parcouru le trajet à mesurer et effectué la réflexion sur le réflecteur de mesure.Des signaux clairs-foncés se produisent au point d t interSérence en déplaçant le réflecteur de mesure, sui- vant la position correspondante dBangle de phase entre le rayon de mesure et le rayon de référence. kpaddition de différentes impulsions de comptage donne, en relation avec la valeur de la longueur d'onde du laser, le décalage total du réflecteur de sorte que les longueurs et les distances ayant des limites de résolution dans l'ordre de grandeur des longueurs d'onde et en interpolation appropriée ne peuvent être mesurées de cette manière qutà des grandeurs inférieures. Des dispositions interférométriques de ce genre ne sont cependant appropriées que sous certaines conditions à la mesure de distances car aucune interruption du rayon n'est admissible en raison-de l'addition nécessaire des pas de progression de sorte que le réflecteur de mesure doit être lié à une glissière le long du trajet, afin d'éviter des pertes de rayon. Dans le brevet américain 4 005 936, une méthode interférométrique est décrite qui contient une source lumineuse cohérente émettant deux fréquences différentes fi et f2. Chaque rayon de sortie est séparé en deux parties dont chaque composante de rayon est soumise par une installation spéciale à un décalage de fréquence dfl ou df2. Les parts de rayon aux fréquences inchangées fl et f2 sont amenées sur la distance intéressée et réfléchies par le réflecteur de mesure. Un photodétecteur reçoit la lumière de toutes les parties de rayon de sorte que la composante de rayon de la fréquence f1 interfère avec la part f1 + dfl changée en sa fréquence et la part de rayon de la fréquence F2 avec la composante f2 + df2,et ce, de façon cohérente. Un signal de la fréquence (dfl - df2) est dévié du détec teur, fréquence dont la phase correspond à la différence des deux angles de phase9 et constitue une mesure pour la distance parcourue. Cette méthode interférométrique nécessite une installation supplémentaire pour changer la fréquence de sortie en composantes partielles du rayonnement laser. De plus, l'utilisation de seulement deux fréquences laser ne permet d'obtenir qu'un domaine très petit de mesure de distance avec une limite de résolution acceptable. Des dispositions interférométriques qui disposent d'un grand domaine de mesure de distances (par exemple 100 m) ne sont pas connues. La présente invention a pour objet de développer une disposition interférométrique pour mesurer les distances opto-électriques qui peut être obtenue en modifiant les systèmes connus de trajet de mesure au- laser, et qui donne la possibilité d'ouvrir de nouveaux domaines techniques d'application aux méthodes de mesure interférométrique. L'invention a pour objet la réalisation d'une disposition pour la mesure de distances opto-électriques sur un grand domaine de procédé en se basant sur l'interférométrie, car les dispositions interférométriques connues actuellement ne permettent que de mesurer des longueurs ou tout au mieux de mesurer la distance de petits domaines de procédé. Le problème exposé ci-dessus est résolu en choisissant une disposition qui est constituée dtune ou plusieurs sources de lumière laser, qui émettent ~chacune deux ondes lumineuses à polarisation linéaire de fréquence f1 et f2 différentes, de préférence deux modes laser avec un plan de polarisation différent de 900, le décalage entre les modes des différents laser ne variera alors que très peu en raison des décalages différents des miroirs-laser. De plus, la disposition est constituée d'un interféromètre connu destiné aux mesures de longueur qui émet plusieurs signaux d'interférence à phase décalée, qui résultent d'une superposition d'un rayon de mesure et d'un rayon de référence. Le bloc d'interférométrie contient à côté de l'unité de transformateur, composée de photodétecteur, une deuxieme unité de transformateur de type semblable et un ou plusieurs séparateurs de polarisation qui ont pour effet quten fonction de l'orientation du plan de polarisation du rayon laser, les signaux d'interférence émis à l'intérieur du bloc interférométrique tombent soit sur 1 t une ou l'autre unité de transformateur. La partie électronique, suivant l'invention, de la disposition est constituée par des installations pour le traitement analogique préalable des signaux et 1'enregis- trement temporaire, un convertisseur analogique numérique ainsi qu'une unité calculatrice avec un indicateur de données. Le faisceau de'rayon formé par le laser contient deux modes à polarisation linéaire, qui se différencient dans l'orientation de leur plan de polarisation de 903. Les deux fréquences lumineuses mesurent simultanément l'ensemble de la trajectoire optique, y compris le trajet interférométrique. Les signaux d'interférence émis dans le bloc interférométrique sont séparés dans l'espace par les séparateurs de polarisation disposés de manière adéquate selon ltorien- tation de la polarisation de chaque composante de fréquence et orientés vers les deux unités de transformateur séparée-s-. Une étape de traitement électronique préalable est jointe à chacune des unités de transformateur pour éliminer les influences néfastes.Les signaux électroniques étant alors émis par les unités de transformateur sont simultanément, et de façon électronique, enregistrés temporairement avec des temps d'enregistrement qui sont beaucoup plus courts que les temps durant lesquels des changements mesurables du milieu optique balayé par le rayon se produisent en raison de turbulences. Les signaux analogiques temporairement enregistrés -sont traités au moyen dlun convertisseur analogique numérique et transmis à une unité calculatrice, dans laquelle le calcul, à l'aide de relation fonctionnelle connue des angles de phase des deux fréquences laser, est effectué selon les signaux d'interférece, La La différence des deux angles de phase donne, comme pour diantres procédés de mesure de phase, une valeur proportionnelle à la distance à mesurer, valeur multipliée par une constante connue. Une échelle de distance- produite à partir de deux modes laser ne peut avoir qutune longueur de l'ordre de grandeur de 0,1 m en raison dé la limitation physique produite par le décalage de-fréquence des deux modes, de sorte que des mesures de distances précises ne sont possibles que dans ce domaine. Par la combinaison de plusieurs échelles qui, dans leur longueur, ne se distinguent que très peu, on peut atteindre des domaines de mesure de distances beaucoup plus grands.L'utilisation de plusieurs sources de lumière laser, dont le décalage de mode est très petit en raison des changements faibles des décalages différents des miroirs-laser, permet de ce fait avec un mesurage successif de chaque source de lumière laser et avec une combinaison des différentes valeurs de distances, une détermination exacte des distances sur un domaine de procédé relativement étendu. Diverses autres caractéristiques de l'invention ressortent d'ailleurs de la description détaillée qui suit. Une forme de réalisation de l'objet de lflinvention est représentée, à titre d'exemple non limitatif, au dessin annexé. La figure unique est une représentation schématique de la construction de la disposition, selon l'invention. Comme l'illustre le dessin et selon l'inventionX la disposition est constituée de sources lumineuses de laser de meme type (la, b, c) qui chacune émet deux ondes lumineuses de fréquence différente fl et f2 sous forme de modes laser à plan de polarisation en quadrature, le déca- lage- des modes entre les lasers est alors différent en raison de faibles changements des décalages des miroirslaser. Tous les rayons laser sont réunis en une intensité égale par un miroir (3),une lame séparatrice à 50 o/a et une lame à 33 1/3 * de capacité de réflexion (4a, 4b) et sont dirigés sur la trajectoire de l'interféromètre.Des fermetures optiques (2a, b9 c) font en sorte qu'à chaque fois la lumière d'une seule source de laser mesure le trajet optique. Le rayon laser parvient dans le bloc interféromé trique par un prisme (5) à réfléchissement unique où est effectuée une séparation en rayon de mesure et de référence. Le rayon de référence parvient au réflecteur de référence (7) fixe, d"où il est réfléchi en retour au bloc interférométrique. Le rayon de mesure subit de la meme manière une réflexion sur le réflecteur de mesure (8) mobile. Les deu rayons sont amenés à interférence dans le bloc interférométrique, 4 signaux d'interférence en quadrature sont alors émis grâce à une disposition connue de plusieurs couches partielles. Au niveau d'un séparateur de polarisation (9),- la séparation des composantes de rayon est effectuée suivant l'orientation du plan de polarisation des deux fréquences laser fl et f2.Deux unités de transformateur (10a, b) opto-électriques réceptionnent les 4 signaux, dont les valeurs moyennes de temps sont comme suit 2 Ao désigne l'intensité de la lumière laser émise, m le degré de l'intensité de modulation durant le parcours du trajet interférométrique, dont la dépendance de durée est fonction des turbulences atmosphériques et de la différence du temps de parcours entre le rayon de mesure et le rayon de référence. Chacune des deux unités de transformateur est associée à un formateur de différence (11a, b) et (11c, d) de sorte qu'à la sortie de chacune se présentent deux signaux # B13 = B1 - B3 - 2 A2 m cos #1 # o nB24 = B2 - B4 = 2 A2 m sin L'enregistrement simultané des 4 signaux de différence s'effectue à l'aide de deux membres palpeurs (12a, b) et (12c, d). Un commutateur multiplexe (13) envoie, après l'o- pération d'enregistrement, les signaux analogues, un à un, vers un convertisseur analogique numérique (14), suivi de l'enregistrement des valeurs numérisées à l'unité calculatrice (15). Le calcul des deux angles de phase s'effectue dans le calculateur au moyen d'algorithmes appropriés 2L est le trajet aller-retour entre le réflecteur de mesure et le bloc interférométrique et c est la vitesse de propagation de la lumière. Un formateur de différence L #1 - #2 = 4 ##f c fournit alors la valeur de mesure de distance calculée qui est combinée avec les résultats de toutes les autres opérations de mesure, réalisées en déclenchant l'une après l'autre les sources de lumière laser, par l'intermédiaire d'un domaine plus grand de mesure de distances en une indi- cation de distance précise, effectuée par un indicateur de données (16). REVENDICATIONS 1 - Système interférométrique au laser disposant d'une source de lumière laser et d'un interféromètre comprenant des transformateurs opto-électriques pour la production de 4 signaux d'interférence en quadrature qui résultent d'une superposition d'un rayon de mesure cohérent et d'un rayon de référence, système particulièrement approprié aux mesures de distances, caractérisé en ce qu'à côté de l'une té de transformateur constituée de 4 photodétecteurs, une deuxième unité de transformateur de type semblable et un ou plusieurs séparateurs de polarisation sont disposés de sorte que les signaux d'interférence, émis à la suite du passage d'un rayon laser à polarisation linéaire sur le trajet d'interférométrie, frappent soit l'une ou l'autre des unités de transformateur après un tour du plan de polarisation de 900. 2 - Disposition selon la revendication 1, caractérisée en ce que la source même de lumière laser remet, ou au itoyen d'un accessoire approprié, deux ondes lumineuses à polarisation linéaire de fréquence différente avec une orientation orthogonale de polarisation, de préférence deux modes laser, qui parcourent ensemble le meme trajet optique et dont les dif férents signaux d'interférence, séparés par le séparateur de polarisation monté dans le bloc interférométrique, sont orientés vers les deux unités de transformateur. 3 - Disposition selon les revendications 1 et 2, caractérisée en ce que les signaux électriques produits dans les unités de transformateurs opto-électriques sont enregistrés simultanément après un traitement analogique préalable approprié et avec des temps d'enregistrement qui sont très inférieurs aux temps durant lesquels des changements mesurables du milieu optique balayé par le rayon peuvent se produire à la suite de turbulences. 4 - Disposition selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que les valeurs des signaux enregistrées sont introduites par un transformateur analogique numérique, dans l'unité calculatrice, dans laquelle au moyen d'algorithmes connus s'effectue le calcul de l'angle de phase entre le rayon de mesure et le rayon de référence de chacun des rayons laser polarisés orthogonalement l'un à l'autre ainsi que la formation de leur différence, qui, multipliée par une constante connue, est indiquée. 5 = Disposition selon lBune des revendications 1 à 4, caractérisée en ce qu'à la place deux seul laser, on utilise plusieurs sources de lumières laser les unes après les autres qui, en raison de décalages différents de miroiralaser,présentent de faibles variations de leur déca lage de mode. 6 - Disposition selon lBune des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que les valeurs de mesure obtenues les unes après les autres sont combinées de sorte qu 9une déter- mination de distance précise est possible sur un grand domaine d'opération.