Brevet FR2608284A1 — publié le 19880617

TELEMETRE OPTIQUE A ILLUMINATEUR COHERENT, INSENSIBLE AUX VIBRATIONS ET AUX VARIATIONS THERMIQUES La présente invention concerne un télémètre optique à illuminateur cohérent, insensible aux vibrations et aux variations thermiques. Il est connu dans le cas d'un laser continu de prélever une fraction de l'onde laser par une optique séparatrice de voies, généralement un miroir partiellement transparent, interposée sur le trajet optique pour constituer une onde d'oscillation locale. Le prélèvement peut s'effectuer avant ou après la modulation et dépend du type de modulation utilisé. Par exemple, en modulation de fréquence dite FM-CW en anglo-saxon, l'onde d'oscillation locale peut être prélevée après modulation tandis que, dans le cas de modulation avec compression d'impulsions, l'onde locale sera prélevée avant modulation. Une autre technique consiste à utiliser, outre un laser de puissance, un deuxième laser du type à émission continue pour créer l'onde locale. Ce deuxième laser présente la même longueur d'onde que le laser d'émission. Sa fréquence peut être asservie par une boucle à la longueur d'onde d'émission, ou vice-versa. Une solution de ce genre est décrite, par exemple, dans le brevet français 2 519 771 relatif à un lidar à compression d'impulsions. Pour ces montages conventionnels de réception à détection cohérente, il est nécessaire que la surface photosensible utile du détecteur sur laquelle est focalisé le rayonnement de réception soit adaptée aux dimensions prévues de la tache utile résultant d'un écho. En effet, la mise en oeuvre de la détection cohérente (ou hétérodyne) nécessite une adaptation en phase des ondes optiques correspondant au signal echo et à l'oscillateur local. Cette adaptation est en général obtenue en focalisant ces ondes sur un détecteur de petite dimension. Le diamètre des taches est alors en général lié aux phénomènes de diffraction et la surface de photodétection est choisie de façon à correspondre à la dimension de la tache écho, ce qui permet d'optiminer la réception.Si cette surface est plus grande que la tache utile, il faut néanmoins illuminer intégralement la surface de détection par le faisceau oscillateur local pour produire le battement avec la tache utile dont la position peut être décentrée ; la surface de photodétection en dehors de la tache utile est génératrice de signaux de bruit Shottky par suite de l'éclairement par l'onde locale. Il en résulte une dégradation très importante du rapport signal à bruit en puissance du signal électrique hétérodyne fourni par le détecteur. Cette dégradation s exprime approximativement comme le rapport de la surface totale de photodétection et de la surface de la tache écho laser.Par contre, si la surface photodétectrice est bien adaptée au diamètre de la tache utile, les déplacements de l'optique séparatrice en présence de vibrations ou de variations thermiques sont génératrice d'un décentrage du faisceau oscillateur local par rapport au centre de la surface détectrice ; il en résulte des perturbations du fonctionnement du récepteur cohérent, en particulier, une baisse du signal hétérodyne. Ces techniques connues présentent donc des inconvénients non négligeables lorsque ces matériels sont utilisés dans un environnement sévère. Le but de l'invention est d'obtenir un télémètre à détection cohérente qui remédie aux inconvénients précités. Suivant l'invention il est réalisé un télémètre optique à illuminateur cohérent équipé d'un séparateur optique pour séparer la voie coaxiale d'émission-réception selon une voie d'émission ayant au moins un illuminateur et une voie de réception ayant un détecteur sensible au rayonnement d'émission, ledit séparateur dirigeant une partie d'un rayonnement d'émission vers la voie d'émission-réception. Une voie d'oscillation locale est produite avec un dispositif rétroréflecteur - disposé sur le trajet de la partie restante dudit rayonnement et qui opère en conjonction avec le séparateur optique pour prélever une fraction de cette partie restante et la diriger vers le détecteur pour y constituer l'onde d'oscillation locale, ledit rayonnement résultant d'une émission continue. Les particularités et avantages de l'invention apparaîtront dans la description qui suit donnée à titre d'exemple à l'aide des figures annexées qui représentent - figure 1, un schéma d'un télémètre optique équipé d'une voie d'oscillation locale conforme à l'invention - figure 2, un schéma partiel montrant l'élaboration de l'onde d'oscillation locale à partir du rayonnement d'émission par les éléments optiques mis en jeu - figure 3, un schéma d'un télémètre laser utilisant un illuminateur de puissance du type laser à impulsions et équipé d'un dispositif oscillateur local conforme à l'invention;; - figure 4, un schéma partiel d'un télémètre optique conforme à l'invention, montrant un dispositif de réglage automatique du niveau de l'onde d'oscillation locale - figure 5, un schéma relatif à l'aspect dimensionnel du détecteur pouvant être utilisé avantageusement dans un télémètre conforme à l'invention. Sur la figure 1 on distingue un émetteur 1 d'axe X1 selon la voie d'émission VE, un récepteur 2 qui reçoit le rayonnement de réception selon la voie VR de réception et d'axe X2. De manière connue, un séparateur optique 3 généralement constitué par un miroir partiellement transparent, est utilisé pour former la voie d'émission-réception VE/R d'axe X3 commun à l'émission et à la réception. Dans le cas représenté la voie d'émission est réfléchie par le miroir 3 et la voie de réception est transmise à travers ce miroir; à noter qu'une disposition inverse est tout aussi bien réalisable. L'fllumlnateur 1 comporte un émetteur optique 11 qui est utilisé dans cette réalisation pour constituer également l'onde d'oscillation locale. En conséquence, l'émetteur 11 est à émission continue constitué généralement par un laser de ce type. Le bloc 12 représente un modulateur pour moduler le faisceau continu émis par le laser 11 de manière à pouvoir extraire ensuite à la réception, l'information distance. La modulation utilisée est généralement une modulation de fréquence pour constituer un illuminateur 1 du type FM-CW, ou à compression d'impulsions. Le modulateur 12 peut, dans certains cas, être intégré à la cavité laser (modulateur intracavité). Côté récepteur, on distingue un dispositif détecteur 21 groupant une optique focalisatrice 210 et le détecteur proprement dit 211 qui est sensible dans une bande correspondant au rayonnement d'émission. A titre indicatif, pour un laser à 10,6 inn le détecteur devra être sensible aux infrarouges, par exemple dans la bande 8 à 12 Cun. Le bloc 22 représente les circuits de traitement pour exploitation du signal électrique détecté SV. Le séparateur optique 3 introduit un certain coefficient de pertes à la réflexion pour le rayonnement d'émission VE. En se reportant à la figure 2 où la voie optique d'oscillation locale est représentée par des pointillés, il est indiqué que pour une puissance P émise et en appelant K le coefficient de réflexion (K inférieur à 1), la partie KP du rayonnement est réfléchie selon la direction X3 vers la sortie du télémètre et la partie restante (1-K)P est transmise à travers le miroir séparateur 3. Pour former l'onde locale on utilise un dispositif catadioptre 4, symbolisé par un dispositif rétroréflecteur en forme de coin de cube, qui permet de renvoyer ce rayonnement perdu d'illumination selon la même direction X1, c'est-s-dire à nouveau vers le miroir séparateur 3. On considère que l'élément 4 n'apporte pratiquement pas de pertes à la transmission optique. La partie (1-K)P rétroréfiéchie est ensuite partiellement réfléchie vers détecteur 21 selon la direction X2 ; le reste est transmis à travers le miroir 3 vers l'illuminateur 1 et est perdu. La fraction utile K(1-K)P ainsi reçue par le détecteur 211, constitue l'onde d'oscillation locale désirée. Le coefficient de réflexion K est choisi assez élevé pour ne pas trop altérer la puissance P émise par l'illuminateur 1. En conséquence, le facteur de transmission (l-K) introduit lors de la traversée de la glace 3, puis celui de réflexion K lors de la réflexion sur cette glace, introduisent des pertes énergétiques importantes sur le trajet optique de formation de l'onde d'oscillation locale. Il y a lieu cependant d'atténuer encore le niveau de ce signal lumineux oscillateur local pour éviter de saturer le détecteur 211. A cette fin on utilise un atténuateur optique 5, dit densité optique, qui est avantageusement constitué par une lame de transparence déterminée interposée sur le trajet lumineux correspondant, entre le miroir 3 et le coin de cube 4. Cette densité optique 5 agit deux fois, lors du trajet aller du miroir 3 au coin de cube 4 et lors du trajet retour après rétroréflexion par le coin de cube.Une autre solution consisterait à opacifier le milieu transparent qui peut former le coin de cube ; dans ce cas on ne peut guère modifier l'atténuation de - la voie d'oscillation locale ssuf changement du coin de cube lui-même. La solution à lame est plus simple pour régler ~ l'atténuation comme on le verra par la suite. Comme représenté sur la figure I le coin de cube 4 est positionné en sorte que son sommet se trouve sur l'axe du faisceau d'émission à renvoyer vers le séparateur optique 3; dans le cas de la figure cet axe correspond à l'axe X1 de l'illuminateur 1. Il est positionné symétriquement par rapport à cet axe et constitue un invariant optique en présence de vibrations mécaniques ou de variations thermiques. De même, la densité optique 5 se comporte comme un invariant optique. Le dispositif catadioptre 4 peut être constitué différemment, par exemple selon un montage connu d'un ou plusieurs éléments juxtaposés, chacun d'eux combinant un dioptre sphérique de focalisation et un plan focal réfléchissant. Dans le cas de la figure 3 on retrouve sensiblement les mêmes éléments, à la différence toutefois que l'illuminateur y est constitué par un laser à impulsions 13 et qu'il est équipé, en outre, d'un deuxième laser 14, de moindre puissance qui est utilisé pour constituer l'onde d'oscillstion locale, ce laser 14 étant du type à émission continue. Un deuxième miroir partiellement transparent 15 est utilisé en mélangeur pour regrouper selon la même direction X1 les axes d'émission du laser de puissance 13 et du laser oscillateur local 14. On retrouve à la partie supérieure les éléments 3 à 5 déjà mentionnés et le récepteur 2.Les trajets optiques des différentes voles ont été différenciés sur ce schéma en utilisant une flèche pour l'émission relative à l'onde d'oscillation locale, deux flèches pour l'émission laser à impulsions et trois flèches pour la réception de cette émission laser à impulsions réfléchie par une cible illuminée. L'émission continue du laser oscillateur local 14 ainsi que l'onde d'émission à impulsions sont dirigées en sortie du mélangeur 15 vers la lame semi-transparente 3, cette lame 3 étant utilisée selon la représentation faite, à la transmission pour l'onde d'émission et à la réflexion pour l'onde d'oscillation locale. Elle présente donc un coefficient de transmission élevé pour éviter des pertes de tonde du laser de puissance 13 (dans la version figure 1, l'onde d'émission VE étant réfléchie c'est le coefficient de réflexion K qui est choisi élevé). L'onde du laser 14 après réflexion partielle sur le miroir 3 subit les mêmes effets que précédemment par les éléments 5 et 4 et ensuite c'est la fraction rétroréfléchie et transmise à travers la glace 3 qui est dirigée vers le le détecteur 21 pour former l'onde d'oscillation locale. Les lasers 13 et 14 peuvent être des lasers C02 dont la longueur d'onde se situe à 10,6 pn environ, le détecteur 21 étant sensible à ces rayonnements. L'atténuation de la voie d'oscillation locale est déterminée comme il a été décrit par les coefficients de transmission (1-K) et de réflexion K du séparateur 3 (fig. 2) et par l'atténuation complémentaire apportée par la densité optique 5. L'optimisation de la réception hétérodyne au niveau du détecteur 211 suppose l'illumination de celui-ci avec une onde osciliateur locale de puissance déterminée. A cet effet et pour pallier à d'éventuelles variations de la puissance émise par le laser d'émission 11 (Fig. 1) ou par le laser oscillateur local 14 (Fig 3), il y a lieu de contrôler le niveau de la puissance d'oscillation locale reçue par le détecteur en s'assurant, au moins périodiquement, que l'atténuation globale de la voie d'oscillation lves st correcte.L'utilisation d'une lame 5 permet de modifier aisément ee paramètre d'atténuation globale et de l'ajuster en changeant la lame dans le cas d'une intervention manuelle, ou par une commande appropriée dans le cas d'une intervention automatique ou semi-automatique. Ceci suppose l'utilisation d'un élément 5 commandable, par exemple un élément dont la transparence est réglable par application d'un signal électrique ou bien, selon un autre exemple, avec une densité optique non-uniforme que l'on déplace transversalement au trajet optique correspondant. La figure 4 représente une solution de ce dernier type où un asservissement de position 50 commande un moteur 51 qui déplace la lame 5 en fonction du niveau présenté par le signal détecté SV. Selon des réalisations connues la lame 5 peut être de forme circulaire ou linéaire ayant une densité optique variable.Cette solution est aisément réalisable du fait que l'émission laser continue polarise le détecteur à une tension négative de quelques centaines de mlllivolts, et que le niveau du signal utile modulé qui vient se superposer à cette tension de polarisation n'a guère d'influence car il n'est au plus que un à quelques microvolts. On peut donc directement comparer le signal détecté SV à une tension de seuil - VS correspondant A la valeur de référence de polarisation désirée dans un comparateur 52 dont la sortie allmente un amplificateur de puissance 53. L'action de l'organe moteur 51 sur la lame atténuatrice 5 permet de maintenir la tension de polarisation du détecteur à la valeur de référence voulue et d'assurer les conditions optimales d'oscillation locale sur le détecteur. I1 n'est pas exclu, à titre de variante, d'avoir une lame 5 de transparence donnée à laquelle est associé un élément atténuateur complémentaire 55 de transparence variable indiqué en pointillé sur la figure. Cet élément 55 peut être, comme précédemment, commandé en position par le moteur 51, ou d'un type à atténuation variable sur réception d'une commande électrique, cette commande pouvant être fournie par la sortie de l'amplificateur 53 pour l'obtention d'un même effet technique.L'élément 55 peut être par exemple une cuve électrolytique, une lame quart d'onde, ou autre En présence de vibrations ou de variations thermiques, comme on l'a vu les éléments optiques 4 et 5 sont des invariants pour la direction du faisceau oscillateur local et les effets au niveau de l'ensemble en incluant la glace partiellement réfléchissante 3, l'iliuminateur 1 et le récepteur 2 ne peuvent se traduire que par un décentrage sans nuire à la colinéarité du faisceau écho et du faisceau oscillateur local aboutissant au détecteur 211. La figure 5 illustre un effet de décentrage de l'axe X2 correspondant réfléchi vers le détecteur. Les faisceaux colinéaires correspondent à la tache écho TE et à la tache oscillateur local TOL centrées en C. La tache oscillateur local TOL suit parfaitement les mouvements de la tache écho TE et peut donc avoir une surface du même ordre au niveau de la surface photodétectrice 211S. Ceci assure une efficacité optimale de la détection hétérodyne même lorsque le détecteur est sensiblement plus grand que la tache laser. D'autre part, la taille du détecteur est choisie en fonction des amplitudes des mouvements possibles des taches laser dans les cas plus sévères de vibrations et de déformations thermiques internes au télémètre pour assurer un rendement optimum du détecteur. Le point C est dépointé des quantités dx, dy par rapport au centre O de la surface 211S du détecteur. Du fait de la colinéarité ces taches TE et TOL sont produites sensiblement de même dimension. Comme représenté, le détecteur est choisi pour présenter une surface 211S plus grande que le diamètre de la tache TE ou TOL en sorte de remédier aux faibles dépointages pouvant encore subsister pour un tel équipement utilisé dans un environnement sévère et de préserver le bon fonctionnement avec une fiabilité optimisée. REVENDICATIONS 1 Télémètre optique à illuminateur cohérent équipé d'un séparateur optique pour séparer la voie coaxiale d'émission-réception du télémètre selon une voie d'émission ayant au moins un illuminateur et une voie de réception ayant un détecteur sensible au rayonnement d'émission, ledit séparateur dirigeant une partie d'un rayonnement d'émission vers la voie d'émission-réception, caractérisé en ce qu'une voie d'oscillation locale est produite avec un dispositif catadioptre (4) disposé sur le trajet de la partie restante dudit rayonnement et qui opère en conjonction avec le séparateur optique (3) pour prélever une fraction de cette partie restante et la diriger vers le détecteur (21) pour y constituer l'onde d'oscillation locale, ledit rayonnement résultant d'une émission continue. 2. Télémètre selon la revendication 1, caractérisé en ce que la voie d'émission comporte un illuminateur de puissance du type laser continu (11) procurant à la fois l'émission de télémétrie et ledit rayonnement pour constituer ladite onded'oscillation locale. 3. Télémètre selon la revendication 2, caractérisé en ce que la voie d'émission est constituée par ledit laser continu (11) et de moyens de modulation (12) pour produire une onde modulée qui est ensuite réfléchie par le séparateur optique (3) et transmise en ce qui concerne ladite partie restante vers le dispositif catadioptre (4), l'onde laser reçue en retour par le télémètre étant transmise à travers le séparateur (3) vers le détecteur (21). 4. Télémètre selon la revendication 1, caractérisé en ce que la voie d'émission comporte deux illuminateurs, un premier illuminateur (13) de puissance du type laser à impulsions pour produire une émission pulsée de télémétrie et un deuxième illuminateur (14) de puissance plus modérée, formé par un laser continu destiné à constituer ladite onde d'oscillation locale, et un mélangeur optique (15) pour mélanger les deux ondes émises et les transmettre selon ladite voie d'émission. 5. Télémètre selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'émission pulsée est transmise A travers le séparateur optique (3) et l'émission continue est réfléchie par ce dernier vers le dispositif catadioptre (4) puis renvoyée vers le détecteur (21) par transmission à travers le séparateur optique (3). 6. Télémètre selon l'unequelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif catadioptre(4) du type coin de cube réflecteur, ou à dioptre sphérique de focalisation et plan focal réflecteur. 7. Télémètre selon l'une quelconque des revendications 1 å 6, caractérisé en ce qu'il comporte > en outre, un moyen d'atténuation optique (5) placé entre le séparateur optique (3) et le dispositif catadloptre (4), sur le trajet de ladite fraction de rayonnement d'émission continue, pour atténuer ce rayonnement lors des parcours aller et retour entre ces deux éléments optiques. 8. Télémètre selon la revendication 7, caractérisé en ce que le moyen d'atténuation optique est une densité optique sous forme d'une lame (5). 9. Télémètre selon la revendication 8, caractérisée en ce que la lame (5) est une densité optique variable. 10. Télémètre selon la revendication 9, caractérisé en ce que la lame présente une transparence variable et est commandée en position par un asservissement (50,51) en fonction du niveau du signal détecté (SV) pour maintenir constant le niveau du signal oscillateur local. 11. Télémètre selon la revendication 7, caractérisé en ce que le moyen d'atténuation optique est constitué par une lame (5) de transparence déterminée et par un élément atténuateur complémentaire (55) de transparence variable et commandé électriquement. 12. Télémètre selon la revendication 11, caractérisé en ce que l'élément atténuateur complémentaire (55) présente une atténuation.variabile sur réception d'un signal électrique. 13. Télémètre selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le diamètre de la tache utile correspondant à une cible illuminée (TE) et celui de la tache correspondant au rayonnement d'oscillation locale (TOL) sont du même ordre de grandeur et concentriques, les dimensions de la surface photodétectrice (211S) du détecteur étant déterminées supérieures à ce diamètre de manière à absorber des dépointages résiduels desdites taches.