Brevet FR2567274A1 — publié le 19860110

PROCEDE ET DISPOSITIF D'ACQUISITION, DE TELEMETRIE ET DE REPRESENTATION D'OBJETS SITUES DANS DES MILIEUX TROUBLES, EN UTILISANT DES LASERS L'invention concerne un procédé et un dispositif d'acquisition, de télémétrie et de représentation d'objets, fortement absorbants ou réfléchissants, situés au sein d'un milieu créant une forte déperdition par dispersion de lumière, ce procédé et ce dispositif utilisant comme source de rayonnement un laser pulsé. Il s'agit donc d'un procédé dans lequel les signaux lumineux significatifs subissent, par dispersion, un fort affaiblissement sur leur trajet de transmission et sont eux-mêmes accompagnés de signaux de diffusion perturbateurs provenant du milieu. Par le brevet DE 26 34 627, ainsi que par les demandes de brevet DE 31 03 567 et DE 32 19 452, on connait des systèmes de télémétrie qui déterminent l'intervalle de temps entre une brève impulsion laser de référence et une impulsion de mesure, quasiment identique, provenant de la lumière dispersée renvoyée par l'objet-cible. Dans ce cas, l'erreur de mesure lors de la détermination de l'intervalle de temps doit être aussi faible que possible. On sait que les procédés de mesure de distance dans l'atmosphère ou dans l'eau de mer, par exemple les procédés Radar, Lidar et télémétrie utilisant le laser, ont une portée qui dépend de la turbidité du milieu de transmission, cela dans une une mesure beaucoup plus importante que ce n'est le cas avec les radars à micro-ondes ou radars millimétriques, ou bien avec les procédés de sondage acoustique par échos. Cela constitue un inconvénient surtout dans le domaine militaire dans lequel des cibles adverses doivent généralement être acquises, de manière rapide et précise, avec un faisceau laser explorateur, dans des conditions de visibilité souvent difficiles. On ne considère ici que les systèmes habituels reposant sur le principe de l'écho ou du temps de parcours d'impulsion, dans lesquels un émetteur laser émet de courtes impulsions ou suites d'impulsions dans la direction de la cible, et un dispositif récepteur est agencé coaxialement ou parallèlement à l'axe d'émission et reçoit l'impulsion réfléchie, la réponse renvoyée étant traitée selon l'application, soit en tant que point d'image dans les systèmes balayant une surface, soit en tant que distance dans les systèmes avec axe rigide, par un dispositif de mesure de temps de parcours. Deux effets contribuent à rendre difficile la détection de signaux d'écho laser après propagation en milieu trouble: d'une part, la forte atténuation ou décroissance exponentielle du signal au cours de son trajet d'aller et retour, due au milieu, exige la maîtrise d'une forte dynamique de signal; et d'autre part, -une forte rétrodiffusion au sein du milieu engendre, du fait de son évolution inhomogène dans le temps, des signaux qui sont souvent difficiles à distinguer des signaux d'écho dûs à la surface de la cible. L'invention a pour but d'améliorer sensiblement la probabilité de détection et la suppression de la probabilité d'alarme erronée dans les systèmes radar à laser d'exploration, tels que ceux utilisés pour la recherche de sous-marins à partir d'avions, ou pour la recherche de cibles en atmosphèrefortement troublée, au sol. L'invention a en outre pour but de parvenir à une saisie complète non seulement de la réflexion habituellement faible de l'objet mais aussi de la variation souvent sensiblement plus forte de la rétrodiffusion produite par le milieu, c'est-à-dire par l'eau ou l'air. 3-- : [ E v _ Selon l'invention, ces buts sont atteints par le -fait que signal rétrodiffusé provenant du milieu exploré par un-faisceau laser pulsé est enregistré de façon que la totalité de l'évolution de la rétrodiffision au cours du temps soit prise en compte pour détecter un objet se trouvant dans le milieu et- que le système de détection ne réponde qu'à une discontinuité -de signal significative pour l'objet. Dans le dispositif. de mise en oeuvre -de ce procédé, le signal défini dans le temps provenant du photorécepteur est transmis à -un amplificateur logarithmique électronique puis acheminé par deux volies distinctes dans la première desquelles une ligne à retard lui confère un retard défini par rapport au signal non retardé acheminé par la deuxième voie, et ces- deux signaux sont amenés à un amplificateur différentiel formant la différence des deux signaux logarithmés, suivi d'un amplificateur antilogarithmique qui forme le quotient des deux signaux. Parmi les différents modes de mise- en oeuvre possibles, l'invention prévoit notamment que-::- - le signal rétrodiffusé reçu est divisé en deux signaux dont l'un est retardé, et l'on forme le quotient du signal de mesure retardé et du signal de mesure non retardé, la valeur du retard pouvant- être variable et adaptée aux valeurs de déperdition du milieu et à la durée d'impulsion du laser; - un dispositif soustracteur est -intercalé entre le photorécepteur et l'amplificateur logarithmique, on commande alternativement deux commutateurs analogiques sur deux voies de signal, le premier de ces commutateurs assurant, avec un intervalle de temps défini avant l'émission de l'impulsion d'exploration laser, tla transmission du courant de signal dû au fond optique, lequel est acheminé par une ligne à retard conçue de façon que, pendant la durée de -la mesure d'impulsion, déclenchée par commande du deuxième commutateur analogique, les deux signaux, à savoir le signal d'impulsion et le signal de fond, puissent être soustraits l'un de l'autre à l'aide d'un amplificateur différentiel; et - le signal de fond est supprimé au moyen d'un filtre interférentiel dont le domaine d'arrêt est situé- en dehors de la longueur d'onde du laser. Les caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront plus complètement dans la description présentée ci-après, à titre d'exemple non limitatif, et complétée par le dessin annexé, sur lequel, - la figure la est un graphique relatif aux signaux diffusés par le milieu et par l'objet; - la figure lb est un graphique montrant, en fonction du temps, l'évolution du signal diffusé total; - la figure 2 est un graphique de la dérivée normalisée du signal par-rapport au temps; - la figure 3 est un schéma par blocs de l'ensemble de traitement de signaux, servant à former le quotient du signal retardé et du signal direct; - la figure 4a est un graphique relatif au signal direct et au signal retardé; - la figure 4b est un graphique montrant l'évolution, au cours du temps, du quotient du signal retardé et du signal direct; et - la figure 5 est un schéma par blocs de l'ensemble de traitement de signaux utilisé pour soustraire le fond optique du signal utile. Afin d'expliquer le mode de fonctionnement du procédé et ses avantages par rapport aux méthodes classiques, on va d'abord considérer les signaux rétrodiffusés, dépendant du temps, d'un système radar à laser, ces signaux provenant d'un milieu trouble et étant tels que représentés sur la figure lb. A l'instant to pour lequel on pose ici t = 0, le début du signal de rétrodiffusion des flancs montants de la brève impulsion de l'émetteur laser par la délimitation du milieu trouble (surface de la mer, banc de brouillard) est détecté par le récepteur laser. Pendant le temps o l'impulsion pénètre dans le milieu, la rétrodiffusion issue du milieu a pour effet -que le signal croît de manière continue jusqu'à un maximum pour lequel la totalité de l'impulsion a pénétré dans le milieu. Au cours du temps qui suit, le signal décroît exponentiellement avec le temps, soit S (t) - e-fC't (1) Dans cette expression, r est le coefficient de déperdition du milieu et C' est la vitesse de la lumière dans le milieu. A l'instant 2 D tD 2 D (considéré depuis le récepteur), le flanc montant de l'impulsion a atteint un objet à la profondeur D et, au cours du temps qui suit, deux phénomènes se produisent: d'une part, la rétrodiffusion provenant du milieu décroît jusqu'à zéro en un temps correspondant à la largeur d'impulsion t* (voir figure la) et, d'autre part, la surface de l'objet réfléchit ou rétrodiffuse une partie de l'énergie impulsionnelle, ce signal ayant au cours temps une forme exactement identique à celle de l'impulsion émise, comme représenté sur la figure la. Les deux variations de signaux donnent ensemble l'évolution représentée sur la figure lb, s milieu(TD) ( [erC't 1 (2) ú(tD) f= s bjet(t D) 2fp B( il) désignant le coefficient de rétrodiffusion et p le facteur de réflexion de l'objet. Une évaluation de ce rapport par le calcul, en utilisant des données connues concernant 3B(j) et r pour différents types de milieu trouble, montre que la variation du signal due à la rétrodiffusion est significativement plus grande que celle due à la réflexion par l'objet dans les milieux ayant une déperdition r> 0,1 m-1, avec un rapport B(J)/r 10-2sr-1 et une durée d'impulsion t*.5 ns. Il convient ici de remarquer que le reflet d'un objet est, dans la plupart des cas, dispersé de manière isotrope dans toutes les directions de l'espace, seule une petite partie parvenant dans le champ de vision du récepteur. Il en va tout autrement pour ce qui est de la rétrodiffusion par le milieu, laquelle présente dans la plupart des cas, dans la direction rétrograde, un lobe marqué ayant un angle d'ouverture de quelques degrés seulement, et une partie d'importance correspondante de la lumière diffusée du milieu tombe dans le champ de vision du récepteur. Une comparaison avec les données connues pour eau de mer trouble et brouillard artificiel (dans le domaine militaire) montre que, pour des longeurs d'onde dans le domaine du visible et du proche infrarouge, ce rapport est nettement supérieur à 1. A titre d'exemple, des données typiques pour eaux côtières en mer baltique sont Il= 0,25 m et B(X) = 10m- sr-1. Pour une longueur d'impulsion laser de t*. = 30 ns et un facteur de réflexion de l'objet recherché de p= 0,1, on a D = 33. Ce résultat montre clairement que l'utilisation d'impulsions laser relativement longues et d'un dispositif d'interprétation de signaux conçu pour saisir des variations de signal s'étendant sur des durées correspondant à la longueur de l'impulsion laser permet d'obtenir des échos d'objets notablement plus nets qu'avec le procédé par impulsions brèves. On comprend que cette amélioration de la détection d'objets, proportionnnelle à la durée de l'impulsion laser, est réalisée au détriment de la précision de détermination de la distance entre objet et récepteur. Toutefois, la précision de distance peut être rétablie en effectuant la moyenne -de plusieurs mesures individuelles, sur une suite d'impulsions. Comme les dispositifs habituellement utilisés pour le traitement d'interprétation des signaux sont conçus pour l'emploi d'impulsions aussi courtes que possible, ayant une grande puissance de crête, et pour de brèves réflexions de celles-ci sur des objets, l'invention propose un dispositif adapté de manière optimale à la détection, décrite ci-avant, des signaux diffusés relativement longs. De manière surprenante, cela peut être réalisé en formant le quotient du signal de mesure retardé et du signal de mesure direct, le retard devant être adapté aux valeurs de déperdition du milieu et à la durée d'impulsion du laser. La manière la plus simple d'expliquer ce nouveau procédé est de le comparer au procédé usuel. Du fait de la dynamique élevée des signaux reçus, l'amplification des signaux est habituellement, après l'émission d'une impulsion laser, régulée de façon à passer d'une faible valeur à des valeurs toujours croissantes en fonction du temps de parcours d'impulsion. Cette opération est habituellement effectuée à l'aide d'un amplificateur ayant une caractéristique logarithmique, c'est-à-dire que l'on forme log S(t), logarithme naturel du signal reçu S(t) dépendant du temps. Cette opération a pour effet de linéariser le signal initial, décroissant exponentiellement dans le milieu dispersif, c'est-à-dire_ À À -rc't. qu'à partir de la décroissance e c ton obtient -rc't. Ceci étant, pour détecter la réflexion ou la décroissance rapide du signal sur l'objet, le signal est en outre différentié, le signal obtenu suivant alors une évolution linéaire lorsqu'il provient du milieu dispersif tandis que, sur un objet, il accuse une allure transitoire, comme représenté sur la figure 2. La relation d log S(t) S'(t) (3) dt (3) montre que le signal résultant représente la dérivée par rapport au temps, normalisée, du signal reçu (c'est-à-dire la pente instantanée de la courbe du signal). La perturbation du signal par l'objet est finalement détectée par enregistrement du passage du signal par zéro, -ou du passage du signal audessus d'un niveau de discrimination fixe. On comprend que ce type de traitement d'interprétation du signal convient pour détecter des variations,- c'est-à-dire montée ou descente, du signal très rapides, et ne réagit que de manière presque indifférente aux variations relativement lentes du signal. Si -l'on considère maintenant l'évolution habituelle du signal sur un objet au sein d'un milieu fortement dispersif, telle que représentée sur la figure lb, il s'avère que la variation de la pente de la courbe du signal, à l'instant o le flanc montant de l'impulsion atteint l'objet, est relativement faible par rapport à la variation survenant pendant que le flanc descendant rencontre la surface, le signal passant de la valeur de crête à zéro. Cela signifie que, dans le procédé d'interprétation de signal décrit, c'est principalement le flanc descendant de l'impulsion laser qui est exploité et qu'il est alors essentiel que cette décroissance s'effectue aussi brièvement que possible, autrement dit que la puissance de crête de l'impulsion soit aussi grande que possible. Pour des raisons concernant le bilan énergétique, cet état de fait est toutefois insatisfaisant puisque seule la moitié de l'impulsion laser contribue au signal utilisable pour la réception. Un autre inconvénient de ce procédé est qu'il réagit à toutes les variations brèves du signal, de sorte que, lorsqu'il y a de petites inhomogénéités de dispersion sur le trajet allant à l'objet, on détecte des signaux parasites supplémentaires qui ne peuvent être que difficilement distingués du signal dû à l'objet. Afin d'éviter ces inconvénients ou, en d'autres termes, afin de rendre exploitable dans toute la mesure du possible la totalité de la composante du signal tout en ayant une faible probabilité de parasitage, l'invention propose un dispositif de traitement du signal,.tel que représenté sur la figure 3. Le signal du détecteur 11 est d'abord, comme d'habitude, transmis à un amplificateur logarithmique 12. Après cela, il est acheminé par deux voies de signal distinctes dans l'une desquelles il passe par un dispositif retardateur 13 afin de subir un retard fixe At par rapport au signal direct dans la deuxième voie. Les deux signaux, log S(t+At-) et log S(t), sont alors soustraits l'un de l'autre par un amplificateur différentiel 14. Cette opération forme le logarithme du quotient des deux signaux. La fonction inverse suivante, d'un amplificateur anti-logarithmique 15, forme le quotient: ú(t) = 1og-1 log S(t+dt) S(t+lt) (4) s (t) (4)t-Y =s(t) Le signal direct et le signal retardé sont représentés tous les deux sur la figure 4a, et leur rapport E(t) est -représenté sur la figure 4b. Comme on peut le voir sur la figure 4b, ú(t) part de zéro et croît, en passant par 1 (o les deux signaux s'intersectent), jusqu'à une valeur constante erc'At avant que l'impulsion laser rencontre la surface de l'objet. Au cours de la durée de la rencontre de l'impulsion laser et de la surface de l'objet, il y a d'abord, en général, un léger accroissement du signal direct du fait de la contribution supplémentaire de la dispersion sur l'objet. Toutefois, au même moment, le signal retardé est encore en cours de décroissance, c'est-à-dire que le rapport croît jusqu'à un maximum. Les deux signaux décroissent ensuite jusqu'à zéro, et le rapport jusqu'à 1. Ceci étant, on comprend que, si le retard At est choisi de, façon a être à peu près égal à la longueur d'impulsion t*, l'ensemble de la variation du signal sur l'objet se répercute alors dans la variation transitoire du quotient. Pour fixer un instant de référence o l'impulsion rencontre l'objet, on peut utiliser tous les procédés usuels tels que détection de maximum de signal, hauteur d'impulsion, discrimination, détermination du centre de gravité de l'impulsion, etc.. Une comparaison exacte entre ce procédé et la méthode mentionnée plus haut peut être obtenue en soustrayant 1 du rapport e(t), ce qui ne change pas l'allure de variation de la courbe du signal: il ú(t) -1 =S(t+At) S( t+t)-s(t) (5) S(t) S(t) Cette expression montre que l'allure de variation de la courbe représente la différence normalisée du signal retardé et du signal direct, la dérivée normalisée de cette expression pouvant être obtenue par: lim (t)-i] S'(t) (6) à0 t-- 0t AAt- 0t S(t) Par rapport aux méthodes habituelles, l'avantage essentiel de ce procédé consiste en ce que, moyennant un réglage correct du retard, ce procédé est applicable aussi bien avec des impulsions courtes qu'avec des impulsions longues, en tirant parti de l'ensemble de la variation de signal par réflexion sur l'objet et exposition à la rétrodiffusion dans le milieu. Un autre avantage réside dans le fait qu'en adaptant correctement le retard At, on peut réaliser une moyenne des signaux parasites dûs aux inhomogénéités. au sein -du milieu dispersif. Comme tous les procédés de télémétrie laser pour utilisation de jour dans l'atmosphère, ce 'procédé est, lui aussi, perturbé par ce fond. C'est pourquoi l'invention prévoit une suppression optique efficace de ce fond par un filtre interférentiel ayant un domaine d'arrêt situé en dehors de la longueur d'onde du laser. L'invention prévoit en outre une élimination électronique du niveau de fond au moyen d'un dispositif soustracteur de signal, tel que représenté sur la figure 5. Avec ce circuit, des périodes supplémentaires de mesure du rayonnement dû au fond sont insérées dans les intervalles compris entre les périodes de mesure qui succèdent aux impulsions laser, et le courant de signal: 1 2 dû au fond est acheminé par une ligne à retard -17 et soustrait à chaque fois du signal de mesure de la période suivante. Ce circuit, dans lequel deux commutateurs analogiques 16 et 18 sont prévus pour mettre en circuit alternativement l'une ou l'autre ligne de mesure, est intercalé entre le photorécepteur 11 et l'amplificateur logarithmique 12, c'est-à-dire entre A et B sur la figure 3. La commande dans le temps du laser et des commutateurs analogiques 16,18 est faite par une horloge commune. Le symbole X désigne le retard entre mesure de signal dû au fond et mesure du signal utile,' et la référence 19 désigne l'amplificateur différentiel soustrayant l'un de l'autre les signaux d'impulsion et de fond. REVENDICATIONS 1. Procédé d'acquisition, de télémétrie et de représentation d'objets, absorbants ou réfléchissants, situés au sein d'un milieu créant une forte déperdition par dispersion de lumière, ce procédé utilisant comme source de rayonnement un laser pulsé et étant caractérisé en ce que le signal rétrodiffusé provenant du milieu exploré par un faisceau laser pulsé est enregistré de façon que la totalité de l'évolution de la rétrodiffusion au cours du temps soit prise en compte pour détecter un objet se trouvant dans le milieu et que le système de détection ne réponde qu'à une discontinuité de signal significative pour l'objet. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le signal rétrodiffusé est divisé en deux signaux dont l'un est retardé, et l'on forme le quotient du signal de mesure retardé et du signal de mesure non retardé, la valeur du retard pouvant être variable et adaptée aux valeurs de déperdition du milieu et à la durée d'impulsion du laser. 3. Dispositif de mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le signal défini dans le temps provenant du photorécepteur (11) est transmis à un amplificateur logarithmique électronique (12) puis acheminé par deux voies distinctes dans la première desquelles une ligne à retard (13) lui confère un retard défini par rapport au signal non retardé acheminé par la deuxième voie, et ces deux signaux sont amenés à un amplificateur différentiel (14) formant la différence des deux signaux logarithmes, suivi d'un amplificateur antilogarithimique (15) qui forme le quotient des deux signaux. 4. Dispositif selon la revendication 3. caractérisé en ce qu'un dispositif soustracteur (fig. 5) est intercalé entre le photorécepteur (11) et l'amplificateur logarithmique (12), en ce que l'on commande alternativement deux commutateurs analogiques sur deux voies de signal, le premier (16) de ces commutateurs assurant, avec un intervalle de temps défini avant l'émission de l'impulsion d'exploration laser, la transmission du courant de signal dû au fond optique, lequel est acheminé par une ligne à retard (17) conçue de façon que, pendant la durée de la mesure d'impulsion, déclenchée par commande du deuxième commutateur analogique (18), les deux signaux, à savoir le signal d'impulsion et le signal de fond, puissent être soustraits l'un de l'autre à l'aide d'un amplificateur différentiel (19). 5. Dispositif selon les revendications 3 et 4, caractérisé en ce que le signal de fond est supprimé au moyen d'un filtre interférentiel dont le domaine d'arrêt est situé en dehors de la longueur d'onde du laser.