Brevet FR2579766A1 — publié le 19861003

La présente invention concerne un procédé et un appareil de mesure de distance ou télémétrie à l'aide d'un faisceau laser. On a déjà proposé diverses techniques de mesure de distance à l'aide d'un faisceau laser. Dans une techni- que, un objet dont la distance doit être déterminée est éclairé par un faisceau laser et renvoie un- *faisceau réfléchi.. Le faisceau laser est alors renvoyé sur un réflec- teur classique placé à une distance déterminée afin qu'il forme un autre faisceau réfléchi qui est superposé au premier. La fréquence du faisceau laser est modulée, si bien que les faisceaux réfléchis superposés forment une onde de battement permettant une mesure, la fréquence de cette onde pouvant être déterminée afin que la distance de l'objet soit calculée. Lors de l'utilisation de la technique précédente pour la détermination de la distance d'un objet, on a dQ déterminer, suivant les procédés classiques, un écart de fréquence. Cependant, l'écart de fréquence est soumis aux variations de température si bien qu'une erreur importante peut exister dans les résultats de la mesure. Lors de la détermination de la fréquence de l'onde de battement afin que la distance d'un objet soit déter- minée, la précision de la détermination d'une fréquence a une influence directe sur la précision de la mesure de distance. Dans les procédés connus, la fréquence de batte- ment est déterminée par utilisation d'un analyseur de spectre ou d'un oscilloscope. De tels dispositifs ne con- viennent pas à l'obtention de la précision voulue pour la détermination de la phase en moins d'une période. Il est très souhaitable que la phase en moins d'une période ou l11 nombre d'ondes inférieur à une fraction décimale puisse au moins être déterminé avec une grande précision. L'invention concerne un système de mesure optique dans lequel l'onde de battement précitée est formée par combinaison dans un système optique de référence qui crée une oltdu de battement de référence. De cette manière, la distance à déterminer d'un objet peut être calculée sans que la valeur de l'écart de fréquence introduise une erreur. Plus précisément, selon l'invention, un faisceau laser est utilisé pour l'irradiation d'un objet dont la distance dbit être déterminée, afin qu'un faisceau réfléchi soit renvoyé, et ce faisceau laser renvoyé parvient sur un réflecteur normal placé à une distance donnée, formant un autre faisceau réfléchi qui est superposé au premier faisceau réfléchi. La fréquence du faisceau laser est modu- lée afin qu'une onde de battement permettant la mesure soit formée à partir des faisceaux réfléchis superposés. D'autre part, le faisceau laser éclaire un premier réflec- teur de référence qui se trouve à une distance déterminée, et qui forme un faisceau réfléchi, et éclaire aussi un second réflecteur de référence qui est placé à une autre distance et qui forme un faisceau réfléchi, les deux fais- ceaux réfléchis étant superposés afin que, lorsque la fréquence du faisceau laser est modulée, une onde de batte- ment de référence soit aussi formée par les faisceaux réfléchis superposés. Le rapport du nombre d'ondes de l'onde de battement de mesure et du nombre d'ondes de l'onde de battement de référence est déterminé, et ce rapport, com- biné aux distances connues des réflecteurs, permet la déter- mination de la distance d'un objet par le calcul. Selon cet arrangement, la formule qui est utilisée pour le calcul de la distance à déterminer d'un objet ne contient pas une valeur de l'écart de fréquence qui repré- sente un élément d'incertitude si bien que la distance peut être déterminée avec une grande précision. Selon l'invention, lorsque le nombre d'ondes de l'onde de battement de mesure et le nombre d'ondes de l'onde de battement de référence sont déterminés, une horloge qui forme un signal à une fréquence supérieure à celle de l'une des ondes de battement, forme un signal d'horloge sous forme d'impulsions qui sont comptées par un compteur. La formation du rapport du nombre du compteur atteint pendant un intervalle donné de mesure au nombre correspon- dant à une période, permet la détermination du nombre d'on- des de l'onde de battement avec une précision meilleure qu'une fraction décimale. Ainsi, lorsque la fréquence d'horloge est choisie à une valeur suffisamment supérieure à la fréquence de battement, le nombre d'ondes qui correspond à une valeur inférieure à la fraction décimale peut être déterminé avec une précision élevée, permettant ainsi la détermination de distance avec une grande précision. D'autres caractéristiques et avantages de l'inven- tion ressortiront mieux de la description qui va suivre, faite en référence aux dessins annexés sur lesquels: la figure 1 est un diagramme synoptique d'un arran- gement destiné à la mise en oeuvre du procédé selon un mode de réalisation de l'invention; la figure 2 est, un diagramme synoptique d'un appa- reil de mesure tel que représenté sur la figure 1; la figure 3 est un schéma illustrant, la mise en oeuvre d'une technique classique; et la figure 4 représente graphiquement une forme d'onde de courant appliquée à un laser -à semi-conducteur. Avant la description de l'invention, on considère le principe mis en oeuvre dans un procédé classique, en référence à la figure 3. Un laser 1 à semi-conducteur utilisé comme oscil- lateur laser, est alimenté par une source 2 de courant continu afin qu'il oscille suivant un seul mode et forme un faisceau laser. En outre, la fréquence d'oscillation du laser 1 est modulée par l'intensité du courant de pilo- tage. LIe faisceau laser produit par le laser 1 à semi- conducteur est transmis par une lentille convexe 3, un répartiteur de faisceau 4 et un groupe 5 de lentilles com- prenant une lentille concave et une lentille convexe avant de parvenir sur un objet 6 dont la distance doit être déterminée et qui a une surface rugueuse. Le faisceau réfléchi par l'objet 6 est d'abord réfléchi par le réparti- teur de faisceau 4 et passe ensuite dans une lentille convexe 7 avant de parvenir sur un élément photorécepteur 8 tel qu'une photodiode qui crée un signal destiné à parvenir à un appareil 9 de mesure. D'autre part, une partie du faisceaulaser provenant du laser 1 à semi-conducteur est réfléchie par le répar- titeur 4 afin qu'elle vienne sur un réflecteur- normal 10 tel qu'un miroir ou un prisme placé à une distance déter- minée L1. Le faisceau réfléchi par le réflecteur 10 est transmis par le répartiteur 4 afin qu'il se superpose au faisceau réfléchi par l'objet 6, et le faisceau combiné est transmis par la lentille convexe 7 afin qu'il parvien- ne sur l'élément 8. On note qu'il existe une différence de phase entre les deux faisceaux réfléchis, introduits dans l'appareil 9 de mesure, étant donné le retard dû à la différence de longueur des chemins optiques. Plus précisément, le retard correspond au double de la différence entre la distance L1 mesurée entre le répartiteur 4 et le réflecteur 10 et une distance L2 mesurée entre le même répartiteur 4 et l'objet 6. Dans ces conditions, l'intensité d'un courant de pilotage transmis au laser 1 à semi-conducteur par l'alimen- tation 2 en courant continu est réglée par un modulateur 11 de manière qu'un courant de modulation ayant une forme d'onde linéaire telle que représentée sur la figure 4 soit appliqué au laser 1 et assure une modulation linéaire de la fréquence d'oscillation, correspondant à l'intensité du courant de modulation. Ainsi, la différence de phase varie d'une manière qui correspond à la variation de fréquence du faisceau laser et forme ainsi une onde de battement. Le rôle de l'appareil de mesure 9 est la détermi- nation du nombre d'ondes Nb de l'onde de battement de mesure, et la fréquence Nb de battement déterminée permet le calcul de la distance de l'objet 6. Ainsi, si l'on appelle t la différence de temps comprise entre les faisceaux réfléchis superposés, R la différence entre les distances L1 et 12 et c la vitesse de la lumière, la diffé- rence de temps T est donnée par la relation suivante: T = 2R/c (1) Si l'on appelle 6 l'écart de fréquence par lequel le laser 1 est modulé, le nombre d'ondes Nb de l'onde de 4- battement peut être exprimé sous la forme: Nb = d.T (2) Ainsi, la combinaison des équations (1) et (2) donne R = c.Nb/(26) (3) L'écart de fréquence 6 peut être déterminé préalablement lors de la modulation du laser 1 et le nombre Nb de l'onde de battement qui est déterminé par l'appareil de mesure permet ainsi le calcul de la différence R et en conséquence de la distance L2 de l'objet 6, avec cette équation. Cependant, comme indiqué précédemment, bien que l'écart S de fréquence doive être déterminé afin qu'il permette la mesure de la distance de l'objet 6, cet écart 6 risque beaucoup de varier sous l'action des variations de température si bien que la mesure peut présenter une erreur importante. Pour cette raison, selon l'invention, un système optique de référence qui crée une onde de battement de référence, est incorporé ou combiné au système de mesure optique qui donne l'onde de battement de mesure indiquée précédemment afin que la distance L2 de l'objet 6 puisse être calculée sans être influencée par l'écart de fréquence 6. Plus précisément, dans le procédé selon l'invention, l'équation (3) est appliquée avec le système de mesure optique. De même, le système de référence optique donne la relation suivante: Rr = c.Nr/(2ô) (4) dans laquelle Rr représente la différence entre les dis- tances d'un premier et d'un second réflecteur de référence du système optique de référence, ayant une valeur connue. Nr représente un nombre d'ondes de l'onde de battement 257976i de référence. La combinaison des équations (3) et (4) donne la relation suivante: R = Rr.Nb/Nr (5) Cette équation permet le calcul de la différence R des distances. On note que l'équation utilisée pour le calcul ne comprend pas l'écart de fréquence 6 qui représente un élément d'incertitude si bien que la détermination de la distance peut être réalisée avec une grande précision. On se réfère maintenant à la figure 1 sur laquelle les éléments analogues à ceux qu'on a décrit précédemment en référence à la figure 3 portent des références identiques, cette figure représentant un mode de réalisation de l'in- vention. Comme représenté, le système optique 15 de mesure représenté sur la figure 3 et qui est utilisé pour la formation d'une onde de battement de mesure est combiné à un système optique 16 de référence qui forme une onde de battement de référence. Un faisceau laser qui est introduit dads le système optique 16 de référence -comprend une partie du rayonnement laser du laser à semiconducteur 1 indiqué précédemment, cette partie étant transmise par un répartiteur de faisceau 17 placé entre la lentille convexe 3 et le répartiteur de faisceau 4 utilisé dans le système optique de mesure 15. Une partie de ce faisceau est réfléchie par un répar- titeur 18 de faisceau et parvient sur un premier réflecteur 19 de référence, par exemple un miroir ou un prisme, placé à une distance prédéterminée. Le reste du faisceau laser est transmis par le répartiteur 18 et parvient sur un second réflecteur de référence 20 tel qu'un miroir ou un prisme, qui en est espacé d'une seconde distance prédéterminée. Il faut noter que la distance comprise entre le premier réflecteur 19 et le répartiteur 18 est différente de la distance comprise entre le second réflecteur 20 et le répar- titeur 18. Le faisceau qui est réfléchi par le premier réflec- teur 19 de référence est transmis par le répartiteur 18 et une lentille convexe 21 afin qu'il parvienne sur un élément photorécepteur 22. D'autre part, le faisceau réflé- chi par le second réflecteur de référence 20 est réfléchi par le répartiteur 18 et se superpose au faisceau réfléchi par le premier réflecteur 19, si bien qu'il est alors transmis par la lentille convexe 21 et parvient sur l'élé- ment 22. Un signal produit par l'élément 22 est appliqué à un appareil de mesure 23 qui est aussi utilisé pour la réception du signal de l'élément photorécepteur 8 associé au système optique 15 de mesure. Ainsi, lorsque le modulateur 11 est utilisé pour la modulation du faisceau laser transmis par le laser 1 à semi-conducteur avec une intensité de modulation ayant une forme d'onde linéaire, un signal représentant une onde de battement de mesure est transmis au système optique de mesure et à l'appareil 23 de mesure en même temps qu'une onde de battement de référence provenant du système optique 16 de référence est transmise à l'appareil 23 de mesure. Dans le mode de réalisation considéré, l'appareil 23 de mesure est réalisé de manière qu'il assure la modula- tion du faisceau laser pendant un intervalle donné de temps de mesure par le modulateur 11, c'est-à-dire un intervalle de temps nécessaire pour qu'un nombre donné d'ondes complètes du signal de battement de mesure soit détecté. Ainsi, comme la fréquence du signal de battement de mesure dépend de la distance L2 de l'objet 6, l'intervalle de temps de mesure varie dc manière correspondant à la distance L2. Cependant, de toute manière, le nombre d'ondes contenues dans l'onde de battement de mesure qui correspond à un temps inconnu de mesure est choisi de manière qu'il soit une constante prédéterminée. D'autre part, '.'appareil 23 de mesure commence à compter le nombre d'ondes contenues dans le signal de battement de référence en même temps qu'il commence à comp- ter le nombre d'ondes de l'onde de battement de mesure et, lorsqu'il a compté un nombre entier donné d'ondes com- plète:. des ondes de battement de mesure ou lozsque le temps inconnu de mesure s'est écoulé, il cesse de compter le nombre d'ondes de l'onde de battement de référence. Habi- tuellement, ce nombre d'ondes du signal de battement de référence 'n'est pas égal à un nombre entier, mais l'appa- reil 23 de mesure est réalisé de manière qu'il détermine le nombre d'ondes du signal de battement de référence avec une précision meilleure qu'une fraction décimale. Lorsque le nombre d'ondes du signal de battement de mesure et le nombre d'ondes du signal de battement de référence, comptées pendant le temps inconnu de mesure et en conséquence le rapport des deux nombres d'ondes est obtenu, la distance L2 de l'objet 6 peut être calculée suivant l'équation (5) lorsque le temps de mesure reste inconnu. La figure 2 est un diagramme synoptique représentant un arr; iiijllgclllent particulier de l'appareil 23 de mesure. Plus précisément, l'appareil 23 comporte une paire de circuits , 31 de conformation d'onde qui reçoit le signial de batte- ment de référence et le signal de battement. de mesure des éléments photorécepteurs respectifs 8, 22 et assure leur conformation. Les signaux conformés sont transmis à deux compteurs correspondants 32, 33 d'ondes complètes assurant chacun le comptage du nombre d'ondes complètes de chaque onde de battement. Le compteur 32 qui reçoit le signal de battement de mesure est connecté à un circuit 34 de préréglage d'un nombre entier et, lorsque le compteur 34 a compté un nombre entier d'ondes complètes dans le signal de battement de mesure, égal au nombre préréglé par le circuit 34, le comp- teur 32 transmet alors un signal 35 d'ordre de comptage qui est appliqué au compteur 33 associé au système de réfé- rence, et interrompt ure opération de comptage du nombre d'ondes du signal de battement de référence par le compteur 33. On note que le compteur 33 a alors pu compter uni- quement un nombre entier d'ondes complètes de l'onde de battement de référence. Un générateur 36 de signaux d'hor- loge est utilisé pour la détermination d'un nombre d'ondes inférieur à une fraction décimale. Le générateur 36 crée un signal d'horloge à une fréquence bien supérieure à la fréquence de l'onde de battement de référence, et les impul- sions de ce signal d'horloge sont comptées par un compteur 37. Chaque fois que le compteur 33 compte une onde complète de l'onde de battement de référence, il transmet un signal 38 de remise à zéro qui est ramené au compteur 37 qui est ainsi remis à zéro. Lorsque le compteur 32 asso- cié au système de mesure a transmis le signal 35 de commande d'arrêt de comptage, ce signal parvient aussi au compteur 37 d'horloge et interrompt son opération de comptage. Dans ces conditions, on note que le compteur 37 d'horloge con- tient un nombre qui correspond à un nombre d'ondes contenu dans une perioce ou un nombre d'ondes inférieur à une frac- tion décimale. Les distances des réflecteurs de référence 19 et 20 sont maintenues constantes si bien que la fréquence du signal de battement ne peut pas présenter de variation. Ainsi, le compteur 37 d'horloge a un nombre déterminé pour une période du signal de battement de référence. En consé- quence, un nombre contenu dans le compteur 37 d'horloge qui est obtenu lorsque le signal 35 de commande d'arrêt de comptage est transmis peut être comparé au nombre corres- pondant à une période, et il permet ainsi la détermination d'un nombre d'ondes inférieur à une fraction décimale pour le signal de battement de référence. Ce calcul destiné à déterminer un nombre d'ondes inférieur à une fraction décimale est réalisé par un circuit 39 de calcul. Ce der- nier peut alors calculer la distance L2 de l'objet 6 par transmission du nombre du compteur 33 et du nombre du comp- teur 37 à ce circuit 39 de calcul, et cette distance peut être affichée sur un dispositif 40. Ainsi, le dispositif d'affichage 40 peut indiquer le nombre d'ondes de l'onde de battement de référence ainsi calculé avec une précision meille.ure qu'une fraction décimale. Dans le mode de réalisation décrit, le compteur 33 assure la remise à zéro du compteur 37 chaque fols qu'il a compté une onde entière dans l'onde de battement de réfé- rence. Cependant, dans une variante, il peut assurer le comptage d'un nombre total d'ondes pendant le temps de mesure. Dans le mode de réalisation décrit, les deux nom- bres d'ondes du signal de battement de mesure et du signal de battement de référence sont déterminés directement pour la formation de leur rapport. Cependant, la fréquence du signal de battement de mesure et la fréquence du signal de battement de référence peuvent être toutes deux déter- minées par un circuit convenable de mesure de fréquence destiné à former le rapport des deux fréquences qui peut être utilisé pour la dérivation d'un rapport des nombres d'ondes du signal de battement de mesure et du signal de battement de référence, indirectement. En outre, une configuration tridimensionnelle d'un objet étudié peut être déterminée par balayage dimensionnel de points à mesu- rer dans des directions X-Y afin que les distances de ces points soient calculées. REVENDICATIONS 1. Procédé de détermination d'une distance à l'aide d'un faisceau laser, caractérisé en ce qu'il comprend la transmission d'un faisceau d'un laser (1) afin qu'il soit réfléchi par un objet (6) dont la distance doit être déter- minée ct qu'un premier faisceau réfléchi soit formé, et la transmission du faisceau laser afin qu'il soit réflé- chi par un réflecteur normal (10) qui est placé à une dis- tance déterminée et qu'il forme un second faisceau réflé- chi, et la superposition du premier et du second faisceau réfléchi l'un sur l'autre, la modulation de la fréquence du faisceau laser afin que les faisceaux réfléchissuperposés forment une onde de battement de mesure, la réflexion du faisceau laser par un premier réflecteur de référence (19) placé à une autre distance connue et destiné à former un troi- sième faisceau réfléchi, et la réflexion du faisceau laser par un second réflecteur de référence (20) séparé par une autre distance connue afin qu'il forme un quatrième faisceau réfléchi et la superposition du troisième et du quatrième faisceau réfléchi l'un à l'autre, une onde. de battement de référence étant formée par le troisième et le quatrième faisceau réfléchi qui sont superposés lorsque la fréquence du faisceau laser est modulée, la détermination du rapport du nombre d'ondes de l'onde de battement de mesure au nom- bre d'ondes de l'onde de battement de référence, et l'uti- lisation du rapport des nombres d'ondes et des distances connues des réflecteurs de référence (19, 20) pour le calcul de la distance à déterminer de l'objet. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte en outre la création d'un signal d'horloge à une fréquence supérieure à la fréquence d'une première onde de battement qui représente l'une des ondes de battement de mesure et de référence, le comptage des impulsions d'horloge avec un compteur d'horloge (37), la détermination du rapport du nombre se trouvant dans le comp- teur d'horloge (37) atteint pendant un intervalle déter- miné de temps de mesure correspondant à la première onde 12 - de i;t ement et d'un nombre correspondant à une période de ce signal, si bien quce le rapport des ondes de -la première onde de battement est calculé avec une précision meilleure qu'une fraction décimale. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'intervalle de temps de mesure est choisi de manière qu'il soit égal à un intervalle de temps nécessaire au comptage de nombres entiers d'ondes complètes dans une seconde onde de battement qui représente l'autre des ondes de battement de mesure et de référence. 4. Appareil de détermination d'une distance à l'aide d'un faisceau laser, caractérisé en ce qu'il comporte un oscillateur laser (1) ayant une fréquence d'oscillation qui peut être modulée, un système optique de mesure (15) destiné à provoquer la réflexion du faisceau laser par l'objet (6) dont la distance doit être déterminée et qui forme un premier faisceau réfléchi, et la réflexion du faisceau laser par un réflecteur normal (10) placé à une distance déterminée et destiné à former un second faisceau réfléchi, le premier et le second faisceau réfléchi étant superposés l'un à l'autre afin qu'ils forment une onde de battement de mesure, un système optique de référence (16) destiné à provoquer la réflexion du faisceau laser par un premier et un second réflecteur de référence (19, 20) qui sont placés à des distances prédéterminées afin qu'un troisième et un quatrième faisceau réfléchi soient formés, ces troi- sième et quatrième faisceaux réfléchis étant superposés afin qu'ils forment une onde de battement de référence, et un appareil de mesure (23) destiné à déterminer le nombre d'ondes de chacune des ondes de battement de mesure et de référence, obtenues par les systèmes optiques respectifs, et la formation du rapport des nombres d'ondes afin que la distance de l'objet soit calculée d'après ce rapport et les distances connues des réflecteurs. 5. Appareil selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'appareil de mesure comporte un compteur (32, 33) d'ondes completes destiné à compter un nombre entier d'ondes complè:es contenues dans la seconde onde de batte- ment et qui représente au moins l'une des ondes de battement de mesure et de référence, un générateur d'horloge (36) destiné à former un signal d'horloge dont la fréquence est supérieure à celle de la première onde de battement qui représente l'autre des ondes de battement de mesure et de référence, et un compteur d'horloge (37) destiné à compter le signal d'horloge formé par le générateur d'horloge, le compteur d'ondes complètes (33) assurant, lorsqu'il a compté un nombre donné d'ondes complètes de la seconde onde de battement, l'interruption de l'opération de comptage par le compteur d'horloge (37), un nombre con- tenu dans le compteur d'horloge, obtenu au moment o son opération de comptage est interrompue, par rapport à un nombre contenu dans le compteur d'horloge qui correspond à une période de la première onde de battement, étant utili- sé pour le calcul du nombre d'ondes contenues dans la première onde de battement. 6. Appareil selon la revendication 5,. caractérisé en *ce que l'appareil de mesure (23) comporte deux compteurs d'ondes complètes (32,33), assurant chacun le comptage du nombre d'ondes complètes de l'une des ondes de battement de mesure de référence respectivement, le compteur qui compte le nombre d'ondes complètes de la première onde de battement assurant la remise à zéro du compteur d'horloge (37) chaque fois qu'il compte une onde complète dans la première onde de battement, le compteur d'horloge commen- çant ensuite à compter à nouveau le signal d'horloge, un nombre donné d'ondes complètes de la seconde onde de batte- ment compté par le compteur d'ondes complètes (33) associées à la seconde onde de battement assurant l'interruption de l'opération de comptage du compteur d'horloge (37), un nombre conservé par le compteur d'ondes complètes (32) associé à la première onde de battement et le nombre contenu par le compteur d'horloge (37) conservé lorsque son opération de comptage est interrompue, et le nombre contenu dans le compteur d'horloge (37) qui correspond 257976i a une période de la première onde de battement, étant utilisés pour le calcul du nombre d'ondes dans la première onde de battement. 7. Appareil selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'oscillateur laser (1) est un laser à semi- conducteur.