Brevet FR2590682A1 — publié le 19870529

PROCEDE ET DISPOSITIF DE MESURE DES DISTANCES L'invention se rapporte à un dispositif pour mesurer la distance par rapport à un objet suivant le principe du temps de parcours des impulsions d'un radar à laser, procédé dans lequel on n'utilise qu'un seul élément détecteur aussi bien pour produire les signaux de marche que pour produire les signaux d'arrêt pour la mesure des intervalles de temps. Dans les télémètres à laser on détermine la dis- tance par rapport à un objectif à partir du temps de parcours d'un signal laser modulé allant de l'appareil de mesure à l'objectif et revenant de l'objectif à l'ap- pareil de mesure. La différence de temps AT entre l'émis- sion du signal laser et la réception du signal réflechi par l'objectif constitue une mesure directe de la dis- tance D par rapport à l'objectif: D = 2c AT D-2n o c étant la vitesse de la lumière dans le vide, n l'in- dice de réfraction de l'agent de transmission (c = 299793 km/s, n - 1,0003 pour l'atmosphère normale). O La détermination exacte de la distance nécessite une mesure précise de l'intervalle de temps. Ainsi par exemple, une variation de la distance de l'objectif de -2- 1 mm correspond à une variation du temps de parcours de seulement 6.7 ps. G6néralement,on prend des dispositions pour transformer les grandeurs mesurées afin de pouvoir obtenir le pouvoir de résolution nécessaire dans le temps Soit,on allonge l'intervalle de temps à mesurer par des / procédés électroniques,soit on le transforme en une au- tre grandeur de mesure plus facile à déterminer. Quel- ques procédés connus sont indiqués ci-après: en cas de sources derayonnement continuellement modulées, on compare la position de phase du signal émis à la posi- tion de phase du signal reçu. La dilatation du temps s'effectue par mélange des deux signaux à un signal d'un oscillateur local dont la fréquence est légèrement déca- lée par rapport à la fréquence d'émission. Les fréquences intermédiaires du signal émis et du signal reçu présen- tent la même différence de phases que les fréquences originales. A l'aide du mélange de fréquenceson obtient ainsi une dilatation du temps correspondant au 'rapport fréquence d'émission/fréquence intermédiaire. - En cas de mesure d'impulsionsindividuelles, la détermination du temps de parcours s'effectue fréquem- ment en chargeant un condensateur avec un courant constant pendant l'intervalle de temps à mesurer. A la fin du temps de charge,on mesure la charge,soit directement au moyen de la tension appliquée (TAC = time-toamplitude conversion = conversion temps-amplitude),soit.ondécharge ensuite le condensateur avec un courant constant, mais sen- siblement plus faible, le temps de décharge correspon- dant à une dilatation du temps de charge et par consé- quent à un allongement de l'intervalle de temps à mesu- rer (TTC = time-to-time conversion = conversion temps- temps). Dans tous les procédés qui ont pour objet une détermination précise de la distance, on utilise un seul détecteur et un seul préamplificateur aussi bien pour le 3 - signal émis (signal de référence ou signal-marche) que pour le signal réfléchi par l'objectif (signal de mesure ou signal -arrêt), afin que les retards électroniques dans le détecteur et le préamplificateur soient égaux pour les deux signaux. Pour plus de détails, on peut par exemple se référer au EP-A1 0057447. Les procédés connus présentent toutefois quel- ques défauts. Ainsi, en cas de modulation continue des signaux il faut commuter entre deux lignes de mesure optiques, à savoir la ligne de mesure de l'objectif et la ligne de mesure de référence. La commutation, qui s'ef- fectue mécaniquement ou électro-optiquementaffecte la fiabilité et la durée de vie. Par ailleurs, une mesure exacte des phases nécessite des temps de mesures relati- vement longs. Pour la mesure du temps de parcours des impul- sions, la commutation mécanique ou électro-optique des canaux de mesure est suppriméeattendu que le signal de référence et le signal réfléchi par l'objectif arrivent à des instants différents sur le détecteur et que la com- mutation peut s'effectuer de façon purement électronique par mise en place d'une porte ou de plusieurs portes tem- porisées directement dans le circuit d'interprétation des signaux. L'intervalle de temps entre le signal de référence et le signal de l'objectif peut maintenant - comme expliqué ci-dessus - être mesuré de différentes façons, soit par conversion temps-amplitude (TAC) soit par un circuit de dilatation du temps (TTC). L'interprétation-TAC est inexacte en raison du manque de constance du courant de charge, de la capacité du condensateur dépendant de la température, du courant de fuite du condensateur et de l'instabilité des seuils de commutation du comparateur. L'exactitude de l'interprétation TTC est limitée en raison du caractère imprécis du courant de charge et - 4- de décharge et par les seuils de commutation dépendant de la température. Par ailleurs, pour la mesure de l'in- tervalle de temps allongé il est nécessaire d'avoir une base de temps exacte qui est généralement déterminée par un oscillateur à quartz. La fréquence des oscilla- teurs à quartz ne peut toutefois être augmentée que de façon limitée, si bien que le défaut de quantification se fait notablement sentir lors de la numérisation de l'in- tervalle de mesure. Une fréquence d'oscillateur très élevée serait avantageuse; la stabilisation des oscillateurs haute fréquence entraine cependant une mise en oeuvre de moyens de commutation non négligeables; une vérifica- tion permanente de l'étalonnage de la fréquence est indis- pensable pour des mesures plus précises. L'invention a pour objet d'éliminer les défauts précités et de mettre au point un procédé et un disposi- tif de mesure desdistances qui permettent d'augmenter la précision de la mesure tout en diminuant les risques de défaillance et sans recourir à des appareils compliqués. Selon l'invention, ce résultat est atteint par le fait, - qu'on applique directement une première frac- tion du signal émis au détecteur de réception par l'intermédiaire d'une première ligne de retard optique (première ligne de référence) et qu'on lui applique en même temps une se- conde fraction du signal émis par l'intermé- diaire d'une seconde ligne de retard optique plus longue (seconde ligne de référence), et qu'on utilise le reste du signal émis pour produire le signal de l'objectif; - qu'on utilise la différence de temps entre le premier signal de référence et le signal de l'objectif comme mesure de la distance de l'ob- - 5- jectif et la différence de temps entre le premier signal de référence et le second si- gnal de référence comme étalon et, - qu'on détermine la distance effective de l'objectif à partir du rapport des deux in- tervalles de temps. Grâce à la longueur différente des-lignes de retard, les signaux correspondants arrivent au détec- teur en des temps différents. Un intervalle de temps fixe, correspondant à la différence des longueurs des trajets optiques des deux lignes de retard, est donc déterminé à chaque mesure par les deux signaux de rëfé- rence. L'intervalle de temps fixe entre les deux signaux de référence correspond exactement à une ligne d'étalon- nage formée par la différence des trajets optiques en- tre les deux lignes de référence; une base de temps exacte et stable n'est donc plus nécessaire. A cet égard, une ligne de retard supplémen- taire peut être insérée soit, c6t4 émetteur, entre les coupleurs pour les deux signaux de référenee et l'opti- que d'émission, Boit c8té réception# entre l'optique de réception et les coupleurs de manière que le signal de l'objectif parvienne au détecteur toujours plus tard que les deux signaux de référence. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description d'un mode de réalisation pris comme exem- ple, mais non limitatif, et illustré par le dessin an- nexé, sur lequel: - la figure 1 est une vue schématique de la structure d'un dispositif selon l'invention; - la figure 2 est un diagramme des signaux pro- duits pendant le fonctionnement; - la figure 3 est un schéma synoptique du mon- tage destiné à produire l'impulsion d'horloge et des portes temporisées de l'objet selon la figure 1; - 6 - - Za figure 4 est une vue schématique d'un exemple de réalisation. La figure 1 représente schématiquement la structure d'un dispositif selon l'invention. Les si- gnaux produits pendant son fonctionnement sont repré- sentés à la figure 2. Le signal émis par un émetteur laser 10 conformément au rythme d'une horloge 16 est appliqué par une fibre optique 11 à un élément d'ac- couplement 12 das lequel une petite fraction du signal émis est détachée et parvient à un détecteur 30 par l'intermédiaire d'une ligne de retard correspondante 22, d'un élément d'accouplement 32 et d'une fibre optique 31. La plus grande partie du signal émis franchit l'élé- ment d'accouplement 12 et arrive à un autre élément d'accouplement 13 dans lequel une petite partie du si- gnal est à nouveau détachée et parvient au détecteur 30 par l'intermédiaire d'une autre ligne de retard plus longue 23, d'un élément d'accouplement 33 et d'une autre fibre optique 31. Le reste du signal émis parvient par ure ligoe de retard 14 à une optique d'émission 15 qui focalise le faisceau laser en direction de l'objectif (on représenté). le signal réfléchi par l'objectif par- vient par une optique de réception 35 et la fibre opti- que 31 également au détecteur 30. Pour chaque mesure, on obtient donc trois si- gnaux successifs, à savoir le premier signal de réfé- rence ref 1 arrivant par la fibre optique 22, le second signal de référence ref 2 arrivant par la fibre optique 23 et le signal ZS de l'objectif. Selon la longueur des lignes de retard 22, 23 et 14, le signal ZS de l'objectif apparaît, soit entre les deux signaux de référence ref 1 et ref 2, soit après les deux signaux de référence. L'intervalle de temps entre ref 1 et le signal de l'objectif constitue une mesure pour la distance de l'objectif; l'intervalle - 7 - de temps entre ref 1 et ref 2 constitue, par contre, une mesure pour la ligne d'étalonnage optique. La distance de l'objectif est obtenue en for- mant le rapport entre l'intervalle de l'objectif et l'intervalle d'étalonnage. Pour la réalisation de la mesure, on dérive des créneaux de l'horloge 16. Deux discriminateurs d'impulsions 41 et 42 sont activés par les créneaux pour la discrimination des signaux néces- saires du détecteur. Le discriminateur 41 réagit tou- jours au signal ref 1, le discriminateur 42 alternati- vement au signal ZS de l'objectif et au signal ref 2. A la figure 3, on a représenté un exemple de réalisation pour la constitution de la porte temporisée du discriminateur d'impulsions 41 pour l'interprétation de ref 1 et pour la constitution de la porte temporisée, commutant alternativement sur ref 2 et la mesure de l'objectif, du second discriminateur d'impulsions 42. Par FF, on a désigné ici une bascule bistable, et, par MF1, MF2 et MF3, des bascules monostables. Les constan- tes de temps des trois dernières sont réglées indépen- damment les unes des autres conformément aux conditions des mesures à chaque fois exigées. Au niveau de la bascule astable 43 montée en aval à la figure 1 est ainsi produit un signal de temps qui correspond alternativement à la ligne de mesure et à la ligne d'étalonnage interne. Après traversée d'un circuit de dilatation d'objectif 44, les intervalles sont comptés à l'aide d'un oscillateur haute fréquence 46, pas nécessairement stabilisé par cristal et conser- vés sous une forme appropriée dans le compteur 45. On obtient ainsi selon la figure 2, une valeur nZ pour la mesure de l'objectif et une valeur nR pour la mesure de référence. Pour les distances relatives correspondan- tes, on a: -8- D cn 1 et Z 2n f k fo nR DR = c R 2n f k fo On détermine ensuite la distance absolue D de l'objectif en divisant la valeur numérique nZ de l'objectif par la valeur nR, également numérique, de la référence et en multipliant le résultat par la valeur de la ligne d'étalonnage optique Do: DZ nZ D=. D --. D DR o o DR nR Grâce à cet étalonnage permanent sur une ligne optique fixe, on élimine les erreurs systématiques, sinon inévitables, provoquées par les variations du courant dans le circuit de dilatation du temps et par les instabilités de la base de temps. La commutation des créneaux pour le discrimi- nateur 42 s'effectue par voie purement électronique. Les discriminateurs dans le cas le plus simple sont réa- lisés, pour des niveaux de signaux élevés, sous la for- me de discriminateurs à seuils ou sous la forme de dis- criminateurs à "zéro crossing" ou à "constant fraction". On va maintenant expliquer l'invention plus en détail à l'aide d'un exemple chiffré. Pour les valeurs suivantes: fréquence de répétition des 10 kHz '- impulsions laser largeur des impulsions laser 1 ns ligne de retard 22 L22 1 m fibre optique (n=1,5) ligne de retard 23 L23 49 m fibre optique (n=1, 5) ligne d'étalonnage optique L = 36 m -9- Lo 2 (L23 - L22). n ligne de retard 14:114 5 m fibre optique (n=1,5), on obtient une disjonction selon la figure 4 pour la plage des mesures. Avec cette disjonction, on peut mesu- rer une distance de l'objectif de 0 à 30 m; l'interval- le de temps fixe ref 1 - ref 2 sert de ligne d'étalon- nage de 36 m de longueur. Si, pour l'interprétation, on utilise un cir- cuit de dilatation du temps ayant un facteur de dilata- tion K = 300 (courant de charge du condensateur 3 mA, courant de décharge 10 gA) et un oscillateur de fo = 500 MHz, l'exactitude du calcul de la mesure individuel- le est de: AD = 2C f = 1 mm 2n f k-1xx En raison des variations statistiques interve- nant dans les discriminateurs d'impulsions, dans la bas- cule bistable et dans le circuit de dilatation du temps, la stabilité de la mesure individuelle est limitée à environ 30 ps avec les composants actuellement disponi- bles, si bien, qu'en réalité, l'exactitude de chaque me- sure individuelle ne dépasse pas 5 mm. Comme les erreurs systématiques sont pratiquement éliminées par l'inven- tion, en formant des valeurs moyennes sur par exemple mesures, on peut réduire les erreurs statistiques de telle sorte qu'après un temps de mesure de 10 ms, on puisse obtenir une valeur de mesure exacte à un milli- mètre près. En insérant un interrupteur optique dans la ligne de retard 23, on peut, pour d'assez grandes dis- tances, mettre le signal ref 2 hors circuit et effectuer de façon classique la mesure de l'intervalle du temps de parcours entre le signal ref 1 et le signal ZS de l'ob- jectif. Pour augmenter l'exactitude de la mesure, on - 10 - peut à cet effet raccorder l'oscillateur à un système de référence à quarts. Le procédé selon l'invention peut aussi être utilisé pour de grandes distances à mesurer. En pareil cas, il est avantageux de choisir la ligne de retard 14 plus longue que 22 et 23. Les signaux ref 1 et ref 2 apparaissent alors avant le signal ZS de l'objectif sur le détecteur 30 et ce, même en cas d'une distance zéro de l'objectif. - 11 - REVENDICATIONS 1. Procédé pour mesurer la distance par rapport à un objet suivant le principe du temps de parcours des impulsions d'un radar à laser, procédé dans lequel on n'utilise qu'un seul élément détecteur aussi bien pour produire les signaux de marche que pour produire les si- gnaux d'arrêt pour la mesure des intervalles de temps, caractérisé par le fait, - qu'on applique directement une première frac- tion du signal émis au détecteur de réception (30)par l'intermédiaire d'une première ligne de retard optique(22)(première ligne de réfé- rence) et qu'on lui applique en même temps une seconde fraction du signal émis par l'in- termédiaire d'une seconde ligne de retard op- tique plus longue(23)(seconde ligne de réfé- rence) et qu'on utilise le reste du signal émis pour produire le signal(ZS)de l'objectif; - qu'on utilise la différence de temps entre le premier signal de référence (ref 1) et le si- gnal (ZS) de l'objectif comme mesure de la dis- tance de l'objectif et la différence de temps entre le premier signal de référence (ref 1) et le second signal de référence (ref 2) comme étalon et - qu'on détermine la distance effective de l'ob- jectif à partir du rapport des deux interval- les de temps. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'on n'utilise qu'un canal d'interprétation du temps, que l'on mesure successivement l'intervalle ob- jectif et l'intervalle étalon et que pour distinguer le signal (ZS) de l'objectif du second signal de référence (ref 2), on utilise un dispositif de commutation rapide. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé - 12- par le fait qu'en utilisant deux canaux d'interprétation du temps, on mesure en même temps l'intervalle objectif et l'intervalle étalon et que la coordination univoque est assurée par différents créneaux. 4. Procédé selon la revendication 3, caractéri- sé par le fait que pour éviter les erreurs systématiques, les deux canaux d'interprétation déterminent alternati- vement l'intervalle objectif et l'intervalle étalon par commutation des créneaux. 5. Procédé selon la revendication 2 ou 3, caractérisé par le fait que la commutation rapide ou la production des créneaux s'effectue par voie purement élec- tronique par montage d'une porte temporisée. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendi- cations précédentes, caractérisé par le fait que les intervalles de temps à mesurer sont comptés à l'aide d'un oscillateur haute fréquence (46) pas nécessaire- ment stabilisé par cristal. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendi- cations 1 à 5, caractérisé par le fait que les interval- les de temps à mesurer sont interprétés par des procédés de mesure et de dilatation du temps connus (TAC, TTC entre autres) et que les courants ou les tensions de ré- férence mis en oeuvre ne sont pas stabilisés. 8. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les deux lignes de retard (22; 23) sont constituées par des guides d'ondes lumineuses de différentes longueurs. 9. Dispositif selon la revendication 8, carac- térisé par le fait que la première ligne de retard opti- que (22) est courte mais que la seconde (23) est optique- ment plus longue que deux fois la distance de l'objectif de manière que le signal (ZS) de l'objectif se situe dans le temps toujours entre les deux signaux (ref 1; ref 2) qui parviennent au détecteur par les lignes de - 13 - retard (22; 23). 10. Dispositif selon la revendication 8, carac- térisé par le fait qu'une ligne de retard supplémentaire (14) est insérée, côté émetteur, entre les coupleurs (12; 13) pour les deux signaux de référence (ref 1, ref 2) et l'optique d'émission (15) de manière que le signal (ZS) de l'objectif pour chaque distance de celui- ci parvienne au détecteur toujours plus tard que les deux signaux de référence (ref 1, ref 2). 11. Dispositif selon la revendication 8, carac- térisé par le fait qu'une ligne de retard supplémentaire est insérée, côté réception, entre l'optique de récep- tion (35) et les coupleurs (32; 33) de manière que le signal (ZS) de l'objectif pour n'importe quelle distance de celui-ci parvienne au détecteur toujours plus tard que les deux signaux de référence (ref 1, ref 2).