Brevet FR2580391A1 — publié le 19861017

Procédé et dispositif de détection hétérodyne, à l'aide d'une photodiode à avalanche, d'un rayonnement lumineux modulé en amplitude, et application à la télémétrie. La présente invention concerne un procédé et un dispositif de détection hétérodyne, à l'aide d'une photodiode à avalanche, d'un rayonnement lumineux modulé en amplitude et elle concerne également l'application desdits procédé et dispositif à la télémétrie. L'invention a essentiellement pour but de per mettre d'effectuer une détection hétérodyne de façon simple et facile à mettre en oeuvre, et qui autorise la réalisation de dispositifs peu coûteux et robustes. L'invention a également pour but, dans le cadre d'une des applications possibles de l'invention qui est la télémétrie, de proposer un procédé de détermination de la distance séparant deux objets, qui puisse être mis en oeuvre de façon particulièrement efficace, aussi bien pour ce qui concerne la précision que la dynamique de la mesure, à l'aide d'un dispositif de mesure original particulièrement robuste et susceptible dsêtre utilisé dans des envi rayonnements difficiles et dans des conditions d'utilisations sévères. Selon un premier aspect de l'invention) un procédé de détection hétérodyne d'au moins un rayonnement lumineux, modulé en amplitude à la fréquence (fl), est caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à - diriger sur un photorécepteur, constitué par une photodiode à avalanche incluse dans un circuit électrique de polarisation, simultanément le susdit rayonnement à détecter et un autre rayonnement lumineux modulé en amplitude à une fréquence connue (fO) relativement voisine de la fréquence (fl), - et détecter, sur une borne de la photodiode à avalanche, le signal électrique de battement ayant la fréquence intermédiaire (fl - fO). Pour déterminer la distance d entre au moins deux sources lumineuses émettant respectivement deux rayonnements lumineux modulés en amplitude aux fréquences respectives (fl) et (fi), on met en oeuvre les étapes du procédé précédent et, ensuite, on traite le signal électrique de battement recueilli sur la borne de la photodiode à avalanche pour en extraire un signal de sortie représentatif de la susdite distance d. En particulier, pour déterminer la distance d entre deux objets, on associe aux deux objets respectivement deux sources lumineuses émettant des rayonnements lumineux modulés en amplitude et on procède ensuite à la détermination de la distance entre les deux sources lumineuses comme indiqué ci-dessus. Dans l'un ou l'autre cas, pour traiter le signal électrique de battement, on mélange les signaux de modulation en amplitude, de fréquences respectives (fl) et (fi), des deux sources lumineuses, on détecte le signal de.battement ayant la fréquence intermédiaire (fl - fO) servant de référence, on compare la phase du signal de battement de référence et la phase du signal de battement détecté sur la borne de la photodiode à avalanche, et on en déduit la distance à mesurer de la différence de ces phases. Un tel procédé peut être étendu à un nombre quelconque (au moins trois) de sources lumineuses en détectant des signaux électriques de battement concernant des couples de sources lumineuses combinées deux à deux il est ainsi possible de déterminer les distances mutuelles entre les différentes sources lumineuses, et donc les distances mutuelles entre les objets auxquelles peuvent être associés les différentes sources lumineuses. Selon un second aspect, l'invention porte sur un dispositif de détection hétérodyne d'un rayonnement lumineux modulé en amplitude à la fréquence (fil) qui se caractérise en ce qu'il comprend en combinaison - un photorécepteur constitué par une photodiode à avalanche incluse dans un circuit électrique de polarisation, - au moins deux sources de lumière émettant simultanément, en direction de la photodiode à avalanche, respectivement, deux rayonnements lumineux modulés en amplitude à la fréquence (fl) et (fi), - et des moyens de détection connectés à une borne de la photodiode à avalanche pour détecter le signal électrique de battement ayant la fréquence intermédiaire (f1-f0) présent sur ladite borne de la photodiode. De préférence, chaque source lumineuse comprend une diode laser et un oscillateur électrique dont la sortie est connectée à la source lumineuse correspondante pour moduler en amplitude le rayonnement émis. Dans une application préférée de ce dispositif cpncernant la télémétrie, -du fait que le signal électrique de battement présent sur la borne de la photodiode à avalanche contient une information relative à la distance d séparant les deux sources de lumière- aux susdits moyens de détection sont connectés des moyens de traitement du signal électrique de battement détecté, agencés pour fournir un signal de sortie représentatif de ladite distance d. Avantageusement, les moyens de traitement comprennent - un circuit mélangeur pour mélanger les signaux de modulation des sources de lumière, de fréquences respectives (fl) et (fi), - un premier circuit de filtrage connecté à la sortie du circuit mélangeur et agencé pour sélectionner le signal de battement de fréquence intermédiaire (fl- fO), servant de référence, - un circuit comparateur de phase dont les entrées sont connectées respectivement aux moyens de détection du signal de battement délivré par la photodiode et au premier circuit de filtrage, et agencé pour fournir un signal de sortie représentatif de ia différence de phase entre les deux signaux d'entrée, elle-même représentative de la distance séparant les deux sources lumineuses, - et un circuit récepteur connecté à la sortie du circuit comparateur de phase et agencé pour traiter ledit signal de sortie du circuit comparateur de phase et en extraire l'information de distance d. De façon préférée, le dispositif comporte deux oscillateurs électriques de fréquences respectives (fil) et (fO) dont les sorties sont respectivement connectées aux sources lumineuses et lue circuit mélangeur comporte deux entrées connectées respectivement aux sorties desdits oscillateurs. Un tel dispositif peut alors servir à mesurer la distance entre deux objets, les deux sources lumineuses précitées étant associées respectivement aux deux objets. I1 est également possible de constituer un dispositif pour mesurer les distances mutuelles entre plusieurs sources de lumière modulées en amplitude, plusieurs moyens de détection étant-connectés à la borne de la photodiode à avalanche, pour détecter les fréquences de battement corres- pondant respectivement à des couples de sources de lumière et plusieurs moyens de traitement de signal électrique étant connectés respectivement auxdits moyens de détection pour fournir respectivement des signaux de sortie représentatifs des distances séparant les sources lumineuses des couples de sources lumineuses respectifs. Grâce aux dispositions prévues selon l'invention dans le cadre de l'application particulière à la télémétrie, il est possible de réaliser un dispositif de télémétrie capable par exemple d'assurer la mesure d'une gamme de distances de l'ordre de 10 cm à 1 m (dynamique en distance de 10) avec une erreur d'au plus 10 % et une dynamique du courant de la photodiode qui n'est que de 3. I1 est ainsi possible, grâce à l'invention de réaliser des mesures de distances absolues ou relatives. I1 est également possible d'effectuer les mesures simultanées de plusieurs distances. Dans ce contexte, la mise en oeuvre de l'invention peut s'étendre à tous les domaines de positionnement relatif de deux, ou plus de deux, objets notamment dans le domaine des machines automatiques et des robots, par exemple pour le positionnement mutuel d'outils et/ou pour le positionnement d'outils par rapport à des pièces à usiner et/ou à traiter et/ou à manipuler, dans-le domaine de l'aéronautique, par exemple pour constituer des altimètres, dans le domaine spatial, etc. Bien entendu, d'autres applications sont envisageables calquées sur celles usant de la détection hétérodyne avec oscillateur local électrique, comme par exemple la caractérisation d'émetteurs par la phase, etc. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui suit de certains de ses modes de réalisation donnés uniquemént à titre d'exemples illustratifs ; dans cette description, on se réfère aux dessins annexés sur lesquels - La figure 1 est un schéma illustrant un dispositif de détection hétérodyne agencé conformément à l'invention - La figure 2 est un schéma illustrant un dispositif agencé conformément à l'invention pour mesurer la distance séparant deux sources lumineuses modulées en amplitude à ses fréquences différentes - La figure 3 est un schéma illustrant un dispositif agencé conformément à l'invention pour mesurer les distances mutuelles entre plusieurs sources lumineuses modulées en amplitude, et - la'figure 4 est un schéma illustrant un dispositif télémétrique à rétroréflecteur agencé conformément à l'invention. En se référant tout d'abord à la figure 1, le dispositif de détection hétérodyne conforme à l'invention comprend un photorécepteur constitué par une photodiode à avalanche 1 incluse dans un circuit de polarisation. Par exemple, sa cathode est portée à un potentiel + VB tandis que son anode est reliée à la masse par l'intermédiaire d'une résistance de charge 2. Une première source lumineuse 3, qui de façon avantageuse peut être une diode laser, émet un rayonnement lumineux modulé en amplitude à la fréquence fl, en direction de la photodiode à avalanche 1. La fréquence fl constitue, par exemple, la fréquence du rayonnement à détecter. Une seconde source lumineuse 4, qui de façon avan,tageuse peut également être une diode laser émet, elle aussi, un rayonnement lumineux modulé en amplitude à la fréquence f03 en direction de la photodio'de à avalanche 1. La fréquence f0 constitue, par exemple, la fréquence du rayonnement de référence. Les fréquences fl et f0 ne sont pas trop voisines afin d'éviter un'battement optique entre les deux rayonne- ments lumineux. Lorsque les deux sources lumineuses émettent simultanément les rayonnements de fréquences fl et fO, le demandeur a pu constater qu'il apparait'sur l'anode (dans le cas du montage représenté) de la photodiode à avalanche 1 un signal électrique de fréquence (fl 'fi), lequel constitue donc le signal électrique de battement des deux rayonnements optiques de fréquences' fl et fO. Ce signal de battement est détecté par des moyens de détection 5. Le circuit qui vient d'être décrit est le circuit de base qui peut donner lieu à de nombreuses applications. Parmi celles-ci, une qui semble particulièrement intéressante concerne la télémétrie et repose sur le fait que la phase du signal de battement recueilli en 5 contient l'information de distance d séparant les deux courses lumineuses. La figure 2 représertte un circuit, incluant le circuit de la figure 1, permettant de déterminer la distance d sus-indiquée. Sur la figure 2, les éléments identiques à ceux de la figure 1, sont désignés par les mêmes références numériques. Les moyens de détection 5 sont constitués par un filtre passe-bande filtrant la fréquence (f1-f0) du signal de battement recueilli sur l'anode de la photodiode 1. La sortie du filtre-passe-bande 5 est connectée à une en trée d'un comparateur de phase 6. Dans l'exemple représenté, les sources lumineuses 3 et 4 sont supposées être des diodes lasers excitées par des oscillateurs électriques respectifs 7 et 8, fournissant des signaux électriques de modulation calés respectivement sur les fréquences f0 et fl. Deux coupleurs 9, connectés sur les sorties respectives des générateurs 7 et 8, sont reliés à deux entrées d'un circuit mélangeur 10 dont le signal de sortie contient notamment la fréquence (fl-f o La sortie du mélangeur 10 est donc connectée à l'entrée d'un filtre passe -bande lladestiné à isoler la fréquence (f1-f0) et la sortie du filtre 11 est connectée à une seconde entrée du comparateur de phase 6. Le signal de fréquence (l-fO) appliqué sur la seconde entrée du comparateur de phase 6 constitue une référence de phase à laquelle est comparée la phase du signal de même fréquence (f1-f0) constitué par le signal de battement issu de la photodiode 1, ce dernier signal ayant subi une variation de phase qui est fonction de la distance d séparant les deux sources lumineuses 3 et 4. Le comparateur de phase 6 fournit donc un signal de sortie représentant la différence de phase entre les deux signaux présents sur ses entrées, lequel signal est appliqué à l'entrée d'un circuit d'utilisation ou d'affichage 12 quiet étalonné pour afficher directement la valeur d à mesurer. L'intérêt du dispositif télémétrique qui vient d'être décrit est d'être capable d'effectuer une mesure continue de la distance d, ce qui procure une grande pré cision sur la localisation mutuelle des deux sources lumi neuses 3 et 4, par exemple lorsqu'unne d'elle est mobile. Un autre intérêt de ce circuit est qu'il se prête aisément à des mesures simultanées de plusieurs dis tances, par multiplication du nombre des sources lumineuses. Un tel circuit est représenté à la figure 3-sur laquelle les éléments identiques à ceux de la figure 2 sont désignés par les mêmes références numériques. Ce circuit comporte une pluralité de sources lumineuses, ici au nombre de quatre, respectivement : la source 4 émet un rayonnement modulé en amplitude à la fré quence (fO) et les sources 31 32, 33, émettent des rayon nements modulés en amplitude aux fréquences respectives (f1, f2, f3) les sources 4 et 31, 32, 33 étant excitées par des oscillateurs électriques respectivement 8 et 7 73. Les fréquences (f0, f1, f2, f3) des oscillateurs 8, 71, 72, 73 sont, par exemple, choisies pour que fO > f1 > f2 > f3' -Ce montage peut donner lieu aux mesures des six distances séparant les sources luminéuses prises deux à deux, soit dl entre les sources 32 et 33 d2 entre les sources 31 et 33 d3 entre les sources 4 et 33 d4 entre les sources 33 et 32 d5 entre les sources 4- et d6 entre les soruces 4 et 31. Bien entendu, dans le caste n sources lumineuses, le nombre des distances pouvant être mesurées est donné-par le nombre Cn2 des combinaisons des n sources prises deux à deux, soit Pour la mesure de chacune de ces distances, on utilise un circuit de mesure de déphasaqe tel que celui repk~sente à la fgure i. Autrement ditj on utilise six circuits mélangeurs 101 à 10 connectés par des coupleurs aux sorties correspondantes des oscillateurs 3 et 71 à 73. Les sorties des mélangeurs 10 1 à 10 sont connectées à l'entrée de filtres passe-bandes 111 à 116 accordés sur la fréquence de battement à isoler , les sorties de ces filtres sont connectées aux entrées respectives de comparateurs de phase 6là 66 dont les secondes entrées sont raccordées, par l'intermédiaire de filtres passe-banes 51à 55 eux aussi accordés sur la fréquence de battement à isoler, à l'anode de la photodiode à avalanche 1. Les comparateurs de phase 61 à 66 fournissent un signal de sortie représentatif des distances dl à d6, respectivement. Les circuits représentés aux figures 2 et 3 permettent de mesurer la distance entre deux objets quelconques en fixant sur chacun des objets une source de lumière. Un autre montage possible pour mesurer la distance entre deux objets consiste à disposer l'ensemble du circuit conforme à l'invention sur l'un des objets et à opérer par rétroréflexion sur l'autre objet. Un tel montage est représenté à la figure 4, sur laquelle les éléments identiques à ceux de la figure l sont désignés par les mêmes références numériques. La distance d à mesurer sépare un objet 13 (schémitisé par un rectangle en tirets) dans lequel est disposé l'ensemble du circuit de mesure, et un objet 14 qui est munid'un rétroréflecteur 15. La référence de fréquence est constituée par la fréquences (fO) fournie par la source lumineuse 4 (diode laser par exemple) le signal lumineux étant acheminé en regard de la photodiode 1 par un conduit à fibre optique 16. Eventuellement, un filtre 17 est disposé en regard de la photodiode 1 pour éliminer les rayonnements-para situes Le signal lumineux de mesure, de fréquence f1 est émis par la source lumineuse 3, par l'intermédiaire d'une optique de focalisation 18, en direction du rétroréflecteur 15 où il est renvoyé vers la photodiode 1. On notera que le filtre 17 et l'optique 18 sont situés dans le plan d'une face de l'objet, laquelle constitue par exemple l'origine de la distance d mesurée. Bien entendu, dans ce cas, le comparateur de phase 6 fournit un signal représentatif du double de la distance d à mesurer et le circuit 12 est conformé pour afficher la valeur d. En associant trois ou quatre circuits tels que celui de la figure 4 (la source lumineuse 4 fournissant la fréquence f0 étant commune à ces circuits), il est possible de localiser la position de l'objet 14 dans l'es- pace (par exemple pour une application dans le domaine des robots). Dans un exemple de réalisation typique, les sources lumineuses sont constituées par des diodes laser C 86030 E commercialisées par la firme RCA ; le photodétecteur est constitué par une photodiode à avalanche C 30872 également de la firme RCA, polarisée sous une tension-constante stabilisée de l'ordre de 360 à 390 volts avec un courant de bruit de fond de' 5 p A ; la fréquence fl à détecter est par exemple de 100 MHz, le courant dans la photodiode à avalanche étan't de 68 p A A ; la fréquence locale f0 (par exemple 100,003 MHz) est alors choisie de manière que la fréquence du signal de battement ou fréquence intermédiaire recueillie soit de quelques kilohertz (en l'occurence 3 KHz), le courant dans la photodiode à avalanche étant de 146 p A à 10 cm. Une distance d comprise entre 10 cm et environ 2 m a pu être mesurée avec une erreur inférieure à 10 % sur la totalité de la plage, l'erreur étant inférieure à 5 % entre 50 cm et 2 m et inférieure ou égale à 1 % entre 1,10 m et 2 m, le courant dans la photodiode à avalanche variant de 231 A (à 210 cm) à 449 A (à 10 cm), la température amabiante étant de 20 C. REVENDICATIONS 1. Procédé de détection hétérodyne d'au moins un rayonnement lumineux modulé en amplitude, à la fréquence (fui), caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à - diriger sur un photorécepteur, constitué par une photodiode à avalanche incluse dans un circuit électrique de polarisation, simultanément le susdit rayonnement à détecter et un autre rayonnement lumineux modulé en amplitude à une fréquence connue (f0) relativement voisine de la fréquence (fl), - et détecter, sur une borne de la photodiode à avalanche, le signal électrique de battement ayant la fréquence intermédiaire (fl - f0). 2. Procédé pour déterminer la distance d ent.re au moins deux sources lumineuses émettant respectivement deux rayonnements lumineux modulés en amplitude aux fréquences respectives (fl) et (f0), caractérisé en ce qu'il comprend les étapes du procédé selon la revendication 1 et en ce qu'ensuite on traite le sinal-électrique de battement recueilli sur la borne de la photodiode à avalanche pour en extraire un signal de sortie représentatif de la susdite distance d. 3. Procédé pour déterminer la distance d entre au moins deux objets, caractérisé en ce qu'on associe aux deux objets respectivements deux sources lumineuses émet tant des rayonnements lumineux modulés en amplitude à des fréquences différentes et en ce qu'on met ensuite en oeuvre le procédé selon la revendication 2. 4. Procédé selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en coque, pour traiter le signal électrique de battement, on mélange les signaux de modulation, de fréquences respectives (fil) et (f (fr), des deux sources lumineuses, en ce qu'on détecte le siqnal de battement ayant la fréquence intermédiaire (fl-0) ser vant de référence, en ce qu'on compare la phase du signal de battement de référence et la phase du signal de battement détecté sur la borne de la photodiode à avalanche, et en ce qu'on déduit la distance d à mesurer de la différence de ces phases. 5. Procédé selon la revendication 4, dans lequel les sources lumineuses sont commandées respectivement par des oscillateurs électriques de fréquences (fl) et (fi).' caractérisé en ce qu'on mélange les signaux électriques de sortie des oscillateurs. 6. Procédé de détermination des distances séparant plusieurs (au moins trois) sources lumineuses, caractérisé en ce qu'on détecte des signaux électriques de battement concernant des couples de sources lumineuses combinées deux à deux en mettant en oeuvre, dans chaque cas, le procédé selon l'une quelconque des revendications 2à 5. 7. Dispositif de détection hétérodyne d'un rayonnement lumineux modulé en amplitude à la fréquence (fl), caractérisé en ce qu'il comprend en combinaison - un photorécepteur (1) constitué par une photodiode à avalanche incluse dans un circuit électrique de polarisation, - au moins deux sources de lumière (3, 4) émettant, si multanément en direction de la photodiode à avalanche (1), respectivement deux rayonnements lumineux modulés en amplitude aux fréquences (fl) et (f0)', - et des moyens 8. Dispositif selon lå revendication 7,;caracté- risé en ce que chaque source lumineuse (3, 4) comprend une diode laser et un oscillateur électrique (7, 8) dont la sortie est connectée à la source lumineuse correspondante (respectivement 3, 4). 9. Dispositif selon la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce que -le signal électrique de battement pré sent sur la borne de la photodiode à avalanche (1) contenant une information relative à la distance d séparant les deux sources de lumière (3, 4)- aux susdits moyens dedétection (6) sont connectés des moyens (6, 9, 10, 11, 12) de traitement du signal électrique de battement détecté, agencés pour fournir un signal de sortie représentatif de ladite distance d. 10. Dispositif selon la revendication 9, carac térisé en ce que les moyens de traitement comprennent - un circuit mélangeur (10) pour mélanger les signaux de modulation (fl) et (fi), - un premier circuit de filtrage (11) connecté à la sortie du circuit mélangeur et agencé pour sélectionner le signal de battement de fréquence intermédiaire (fl - fi)' servant de référence, - un circuit comparateur de phase'(6) dont les entrées sont conenctées respectivement aux moyens de détection du signal de battement (5) et au premier circuit de fil trage (11), et agencé pour fournir un signal de sortie représentatif de 'la différence de phase entre les deux signaux d'entrée, elle-même représentative de la distance, séparant les deux sources'lumineuses, - et un circuit récepteur (12) connecté à la sortie du circuit comparateur de phase (6) et agencé pour traiter ledit signal de sortie du circuit comparateur de phase et'en extraire l'information de distance d. 11. Dispositif selon la revendication 10, carac térisé en ce qu'il-comporte deux oscillateurs'électriques (7, 8) de fréquence respectives (fil) et (f) et dont les sorties sontrespectivement connectées aux sources lu mineuses (3, 4) et en'ce que le circúit-mélangeur comporte deux entrées connectées respectivement aux sorties desdits 'oscillateurs (7, 8). 12. Dispositif pour mesurer la distance entre deux objets, caractérisé en ce qu'il est constitué selon l'une quelconque des revendications 7 à 11 et en ce que les deux susdites sources lumineuses sont solidarisées respectivement aux deux objets écartés de la distance d à mesurer. 13. Dispositif pour mesurer les distances mutuelles entre plusieurs sources de lumière modulées en amplitude (4, 31' 32' 33), caractérisé en ce qu'il. est constitué selon la revendication 7 ou 8, plusieurs moyens de détection (51- 56) étant connectés à la borne de la photodiode à avalanche (1) pour détecter les fréquences de battement correspondant respectivement à des couples de sources de lumière combinées deux à deux et en ce que plusieurs moyens de traitement de signal électrique sont connectés respectivement auxdits moyens de détection pour fournir respectivement des signaux de sortie représentatifs des distances séparant les sources lumineuses des couples de-sources lumineuses respectifs.