Brevet FR2640051A1 — publié le 19900608

DISPOSITIF DE MESURE DE LA DISTANCE D'UN OBSTACLE VISUEL QUI PERMET DE DIFFERENCIER A PARTIR D'ECHOS LIDAR LES SIGNAUX PROVENANT DE BROUILLARDS DENSES DE CEUX PROVENANT D'AUTRES PHENOMENES ATMOSPHERIQUES L'invention concerne un dispositif de mesure de la distance d'un obstacle visuel, qui permet de différencier, à partir d'échos LIDAR, les signaux provenant de brouillards denses de ceux provenant d'autres phénomènes atmosphériques tels que pluie, neige etc. Il est connu, qu'au moyen d'un LIDAR, on peut effectuer des mesures de la transmission, la rétrodiffusion et extinction atmosphérique, ainsi que la détection de la présence de particules et la détermination de leur concen- tration et de leur distance par rapport au capteur. A titre d'exemple on peut citer les publications de V. E. Derr, "estimation of the extinction coefficient of clouds from multiwavelength lidar backscatter measurements", Appl. opt., Vol. 19, N' 14, pp. 2310-2314 pour l'étude de nuages, de J.S. Randhawa et AI, "lidar observations during dusty infrared test-l", Appl. Opt.; vol. 19, N' 14, pp. 2291-2297 pour des mesures de transmission et de rétrodiffusion, à l'aide d'un LASER à rubis ou à C02, sur des nuages dûs à des explosions de TNT, et de D. K; Kreld, "atmospheric visibility measure- ment by a modulated cw LIDAR" Appl. Opt., vol. 15, N' 7, pp. 1823-1831. D'autres équipes de recherche, tels que, à titre d'exemple, les groupes 2- DE-OS 23 51 972 et DE-OS 23 28 092, travaillent actuellement sur les problèmes de la mesure de l'absorption et/ou la diffusion de la lumière dans l'atmosphère. Dans ces publications on décrit un LIDAR, dont un faisceau LASER est émis à travers une optique, et est ensuite absorbé ou diffusé par l'atmosphère. La lumière diffusée est mesurée à travers une optique réceptrice, dont l'angle d'ouverture est approximativement le même que celui de l'optique émettrice. De l'intensité de la lumière diffusée, du diamètre diffusant connu des gaz ou des particules, ainsi que de l'absorption spectrale, puisque la longueur d'onde du LASER est connue, on peut déduire le coefficient d'extinction de l'atmosphère ainsi que la densité des gaz et particules. Un autre dispositif LIDAR utilise 2 faisceaux LASER dont leurs longueurs d'onde sont proches. Une de ces longueur d'onde est fortement absorbée ou diffusée par le gaz, alors que l'autre est peu influencée. Le faisceau rétrodiffusé non influencé sert de référence pour déterminer l'absorption par le gaz dans l'atmosphère. La diminution de l'intensité lumineuse rétrodiffusée étant supérieure au carré de la distance entre le volume diffusant et le LIDAR, on travaille avec des circuits à portes électroniques qui n'explorent chaque fois qu'une tranche d'atmosphère se trouvant à une distance déterminée du LIDAR. En généraI le LASER envoie des trains d'impulsions de courte durée. de l'ordre de quelques dizaines de nanosecondes, mais on peut également travailler en continu avec des faisceaux LASER modulés. Ces dispositifs LIDAR sont adaptés à la mesure des coefficients d'extinction de l'atmosphère ou de gaz et particules mélangées à l'atmosphère. Ils ne permettent toutefois pas de différencier les types de troubles atmosphé- riques, tels que pluie, neige ou obstacles fixes. Le but de l'invention est de permettre de déterminer la nature des phénomènes réduisant la transmissivité atmosphérique et de réaliser un dispositif qui permet de différencier sûrement et rapidement ces différents types de troubles atmosphériques. Selon l'invention, ce dispositif de mesure de la distance d'un obstacle visuel, permet de différencier, à partir d'échos LIDAR, les signaux provenant de brouillards denses de ceux provenant d'autres phénomènes atmosphériques tels que pluie, neige etc. Grâce à ce dispositif, on peut détecter, à l'aide de signaux LIDAR, la pré- sence d'obstacles visuels, leur distance par rapport au capteur, et déterminer s'il s'agit d'un obstacle fixe ou d'un phénomène météorologique, brouillard, pluie ou neige, et de différencier ces phénomènes météorologiques. L'invention a également pour but de réaliser une alarme de proximité desti- née à équiper des véhicules automobiles. A cet effet, l'invention prévoit une visualisation qui permet d'afficher la distance de l'obstacle par rapport au véhicule, et une unité de traitement des données affichant une vitesse maximale du véhicule en fonction de la distance de l'obstacle et de sa nature, et/ou pouvant agir sur sa vitesse par l'intermédiaire de son alimentation et/ou son freinage. Les caraetéristiques et avantages de l'invention sont décrits ci-dessous à l'aide de dessins La figure 1 représente schématiquement un LIDAR conforme à l'invention. La figure-2 représente un signal LIDAR idéalisé, corrigé en fonction de la distance, rétrodiffusé par un banc de brouillard. La figure 3 représente un signal LIDAR idéalisé, non corrigé en fonction de la distance, rétrodiffusé par un banc de brouillard. La figure 4 représente un signal LIDAR idéalisé, corrigé en fonction de la distance, rétrodiffusé par un mur de neige. La figure 5 représente un signal LIDAR idéalisé. corrigé en fonction de la distance, rétrodlffusé par un mur de pluie. -4- 2640051 La figure 6 représente un signal LIDAR idéalisé, non corrigé en fonction de la distance, rétrodiffusé par un obstacle visuel fixe. La figure 7 représente un schéma synoptique de composants supplémentaires pour la régulation de la vitesse d'un véhicule automobile. Le LIDAR I, représenté en figure 1, comprend un émetteur 3, un récepteur 5 et un dispositif de traitement 7. L'émetteur 3 est un LASER 9, qui émet un faisceau de lumière pulsée, à polarisation Iinéaire, dans la partie infrarouge du spectre, d'une longueur d'onde supérieure à 1,4 Hum, rayonnement non dangereux pour l'oeil humain. Le vecteur de champ électrique du faisceau polarisé linéairement du LASER 9 se trouve dans le plan du dessin. Le faisceau 12 émis, est rendu divergeant par l'optique émettrice 11 qui a un angle d'ouverture de 10 mrad. Devant le LIDAR 1, à une distance "d", se trouve un banc de brouillard 14. Le faisceau de lumière 12 pénètre dans ce nuage et un faisceau 15 est rétrodiffusé par les gouttelettes de ce brouillard. Une partie du faisceau 12 subit une diffusion multiple essentiellement vers un faisceau de forme conique 17 ayant un angle d'ouverture de 10 à 30 mrad. Dans la figure 1 les angles de ces faisceau 12, 15 et 17, sont représentés très agrandis. Un premier dispositif de réception du faisceau 15 a une optique Cassegrain 19 (miroir principal 20 avec un trou 21 dans l'axe optique et un miroir collecteur 22 au dessus de ce trou), un diaphragme 23, un système optique 24 qui transforme les faisceaux 15 et 17 venant du diaphragme 23 en faisceaux parallèles et qui comprend un filtre à bande passante étroite 26 qui ne laisse passer que la lumière qui correspond au spectre émis par le LASER 3, un prisme Wollaston 25 qui divise les faisceaux 15 et 17 en deux faisceaux 15a/17a et 15b/17b qui sont focalisés par les lentilles 27a et 27b sur les photodiodes 29a et 29b. Le prisme Wollaston 25 est conçu de sorte, que le faisceau 15, polarisé linéairement et dont le vecteur de champ électrique est parallèle au vecteur de champ électrique du faisceau 12, et -s- 2640051 est donc dans le plan du dessin, le quitte comme faisceau 15a. La partie du faisceau 15 polarisée verticalement quitte le prisme Woliaston comme faisceau 15b. Un deuxième dispositif de réception sert à la détection du faisceau 17. Il comprend, comme le premier dispositif, un système optique Cassegrain 19, le diaphragme 23, le système optique 24 et le prisme Wollaston 25, qui divise le faisceau 17 en un faisceau polarisé linéairement 17a, dont le vecteur de champ électrique est dans le plan du dessin, et un faisceau polarisé linéairement 17b, dont le plan de polarisation est vertical par rapport au faisceau 17a. Il comprend en plus 2 lentilles de focalisation 31a et 31b, qui focalisent respectivement les faisceaux 17a et 17b sur les photodiodes 33a -ou 33b qui servent de détecteurs. Pour ne pas surcharger la figure 1 on n'a représenté que les "délimitations" des faisceaux 12, 15, 15a, 15b, 17, 17a, et 17b. Les impulsions électriques produites par les photodiodes 29a, 29b, 33a, 33b et qui sont fonctions de l'intensité des faisceaux 1511, hIsl, It!t et 17L sont amplifiées par les amplificateurs 34a, 34b, 34c et 34d, dont l'amplifi- cation est variable comme décrit ci-dessous. Une petite partie du faisceau 12 émis par le LASER 9 est dérivée par un conducteur de lumière 35 vers une photodiode 36, qui est reliée à un élément retardateur 37. La sortie 37a de cet élément retardateur 37 est reliée à un élément de traitement du signal 41 et les 4 autres sorties sont reliées aux amplificateurs 34a, 34b, 34c et 34d. Quatre dispositifs d'affichage 43a, 43b, 43c et 43d délivrent respectivement les informations "obstacle fixe", "brouillard", "neige" ou "pluie" et sont reliés électriquement à l'élément de traitement du signal 41, dont le dispositif d'affichage 44 correspondant, indique la distance "d" entre le LIDAR 1 et l'obstacle, sur la figure 1 un banc de brouillard 14. -6- 2640051 Le LASER 9 émet des impulsions ayant une largeur de quelques dizaines de nanosecondes à une fréquence de quelques centaines de Hertz. Le faisceau 12 est rendu légèrement divergeant par l'optique émettrice 11 qui a une ouverture d'environ 10 mrad. A une distance "d" (dans l'exemple 200 m) du LIDAR I se trouve un banc de brouillard 14. Une partie de la lumière de l'impulsion LASER arrive par le conducteur de lumière 35 vers la photodiode 36, qui pilote l'élément retardateur 37. Cet élément de retard 37 est conçu de sorte, qu'après la première impulsion LASER, se produit à ses sorties 37a à 37e, après 60 ns, une information numérique codée "90, 0", qui correspond à un temps de parcours de la lumière de 60 ns, pour un trajet aller-retour de 180 m, soit une distance d'un obstacle éventuel de 90 m. Par l'intermédiaire de cette information numérique codée, les amplificateurs 34a à 34d, sont réglés pendant environ 10 ns, à une sensibilité qui corres- pondrait au signal électrique d'une rétrodiffusion sur les photodiodes 29a, 29b respectivement 33a, 33b, provenant d'un obstacle visuel situé à 90 m., et l'amplifieraient donc suffisamment. Après environ 1 milliseconde-(temps fonction de la fréquence de récurrence du LASER) une autre impulsion est émise, et l'élément retardateur 37 délivre après environ. 70 na une information numérique codée "91,5" vers les amplificateurs 34a à 34d et le dispositif de traitement du signal 41, correspondant à une distance de 91,5 m entre le LIDAR 1 et l'obstacle visuel. Cette opération se reproduit ensuite pas par pas pour balayer toute la distance de mesure. La diminution de l'intensité de la lumière rétrodiffusée, faisceaux 15 et 17., est supérieure à la loi du carré de la distance. A cet effet, on travaille avec une "fenêtre" électronique, qui divise le trajet sur lequel on mesure en petits échantillons, et après chaque impulsion LASER on explore l'échantillon suivant. On supprime ainsi la diffusion provenant de la zone plus proche du LIDAR que celle explorée, et l'amplification du signal reçu est réglée de telle sorte que la hauteur du signal est corrigée en fonction de la distance. La distance de l'échantillon exploré est fixée par la "fenêtre" électronique et la largeur de cet échantillon est déterminée par la largeur de cette "fenêtre" (10 ns _ 1,5 m). Dans l'exemple le banc de brouillard 14 se trouve à 200 m, et aucun signal n'est détecté au début, et, c'est seulement après 1340 ns, quand l'élément retardateur 37 aura délivré l'information numérique codée "201" vers les amplificateurs 34a à 34d et l'unité de traitement du signal 41, que les photodiodes 29a et 33a, 33b reçoivent un signal. La photodiode 29a ne peut recevoir que la lumière diffusée du faisceau 15, dont le plan de polarisation est parallèle au plan de polarisation du faisceau LASER 12, et les photodiodes 33a et 33b reçoivent un signal provenant de la diffusion multiple du faisceau 17. Avec les impulsions LASER suivantes, le signal détecté provient des échantillons suivants, distants chaque fois de 1,5 m de plus. Ce signal électrique traité, provenant de la rétrodlffusion polarisée parallèlement du faisceau I5, s'accroît jusqu'à une valeur maximale Imax et diminue ensuite. La courbe de l'ampleur de ces signaux, corrigés en fonction de la distance, est représentée en figure 2a (signal électrique hIjll de la photodiode 29a après amplification par 34a) avec axes de coordonnées logarithmiques pour la représentation du signal I5sl. Ce signal électrique traité, de la lumière rétrodlffusée polarisée parallèlement, s'accroît avec la distance (abscisse) jusqu'à une valeur maximale Imax pour décroître ensuite. Les signaux corrigés en fonction de la distance 17 1 [et It7. du faisceau 17 reçus par les photodiodes 33a et 33b sont représentés en figures 2c et 2d. La représentation est logarithmique par rapport à la distance linéaire "d" du LIDAR 1. En figure 2b est représentée l'intensité de la lumière diffusée InL,, polarisée verticalement, et corrigée en fonction de la distance, du faisceau 15. La représentation est logarithmique par rapport à la distance linéaire "d" du LIDAR 1. Ces signaux Ivlr? et It7.L croissent également jusqu'à une valeur maximale et chutent ensuite. Le signal Ia.L n'atteint aucune valeur située au dessus du bruit de fond. En figure 3 est représenté, pour une meilleure compréhension du dispositif, le signal non corrigé en fonction de la distance, reçu par la photodiode 29a, jusqu'à une distance de 500 m, le banc de brouillard dense 14 se trouvant à une distance "d" de 200 m. Si les mêmes mesures sont faites avec de la pluie ou de la neige, on obtient les résultats représentés en figures 4a à 4d pour la neige, et en figures Sa à 5d pour la pluie. La disposition des représentations par rapport aux photodiodes 29a, 29b, 33a et 33b est analogue à celle des figures 2a à 2d. Pour différencier les résultats de la mesure des Intensités idéalisées et corrigées en fonction de la distance Ihal, Iha. h117 et I17.L, on a ajouté un index supplémentaire, N pour le brouillard, R pour la pluie et S pour la neige. En procédant à des mesures suivant la méthode décrite ci- dessus on a obtenu les résultats suivants: Avec un banc de brouillard 14 on obtient un signal corrigé en fonction de la distance pour I15iiN, 1h711N et ItJ.N; le signal li5.LN n'était pas présent. Pour la neige (non représentée), on obtient un signal corrigé en fonction de la distance pour h1sos, Issis, hI7?s et Ii7.Ls. Pour la pluie (non représentée), on obtient un signal corrigé en fonction de la distance pour Iî5iR; les signaux ItasR, IhltIR et I171R sont négligeables. Pour un obstacle fixe (non représenté), dont le signal de la photodiode 29a, corrigé en fonction de la distance, est représenté en figure 6, on détecte un signal hIsUn, en forme de pic à front de montée raide. Suivant la nature de la surface (réfléchissante ou mate) on peut trouver une partie du signal Iuh. Suivant les critères énumérés ci-dessus, l'unité de traitement du signal 41 permet de déterminer avec certitude si l'obstacle visuel détecté est constitué par un phénomène météorologique (brouillard, pluie, neige) ou par un 9_g_ 2640051 -9- obstacle fixe. Pour les phénomènes météorologiques, l'unité de traitement 41 avec l'élément retardateur 37, délivre, avec la valeur numérique codée, une information de distance "d". Cette valeur "d" se trouve à peu près au milieu du front de montée de la courbe IIIN, I511s ou hI511R respectivement. Pour un obstacle fixe, le signal I5IlE en forme de pic permet de donner directement, par l'intermédiaire de l'affichage 44, une distance "d" en mètre. Les lampes témoins 43a, 43b, 43c ou 43d signalent s'il s'agit de brouillard, de neige, de pluie ou d'un obstacle fixe. Si à l'intérieur du signal d'un des phénomènes atmosphériques se trouve un obstacle fixe, le signal en forme de pic se superpose sur l'un des autres signaux représentés sur les figures 2a, 2b, 4a, 4b, 5a, 5b, et l'information 43d est indiquée en même temps que l'une des autres informations 43a, 43b ou 43c, et l'unité d'affichage 44 donne la distance "d" de l'obstacle fixe. Le LIDAR décrit dans l'invention peut être incorporé dans un véhicule automobile. (montage non représenté dans les figures). Les informations 43a, 43b, 43c et 43d peuvent constituées une aide précieuse pour la sécurité routière. Si les valeurs délivrées par l'unité de traitement du signal 41 sont transmises vers une unité de traitement des informations 47, comme représenté en figure 7, il est possible de piloter automatiquement la vitesse des véhicules par l'intermédiaire d'un tachymètre 49, en agissant sur l'alimentation 50 ou en actionnant les freins 51. L'affichage 43c, pluie, est également activé par l'eau projetée par les autres véhicules. Comme il résulte des mesures ci-dessus, les résultats donnés par les photo- diodes 33a et 33b sont très proches, et on peut se passer d'une des photodiodes 33a ou 33b et de son amplificateur correspondant 34b ou 34d. Dans certaines conditions d'environnement les informations sont toutefois plus précises avec les deux photodiodes. -lO- 2640051 Suivant les distances à explorer, les valeurs initiales et finales de l'élé- ment retardateur 37 peuvent être modifiées, de même il est possible de modifier la fréquence de récurrence du LASER 9 pour obtenir une autre résolution que les 10 ns correspondant à une largeur de l'échantillon de mesure de 1,5 m. -11- REVENDICATIONS 1. Dispositif de mesure de la distance d'un obstacle visuel, qui permet de différencier, à partir d'échos LIDAR, les signaux provenant de brouillards denses de ceux provenant d'autres phénomènes atmosphé- riques tels que pluie, neige etc., caractérisé en ce qu'il comprend un émetteur (3) émettant un faisceau lumineux (I2) avec un angle d'ouverture déterminé, un récepteur (5) équipé de deux moyens de réception, et destiné à mesurer l'intensité des faisceaux rétrodiffusés (15, 17), un dispositif optique associé à chacun de ces moyens de réception, conçu de sorte que les volumes de réception des faisceaux ne se recoupent pas ainsi qu'une unité de traitement (7) destinée à analyser les signaux électriques des deux dispositifs de réception, pour déterminer la nature de l'obstacle visuel à I'origine de la rétrodiffusion. 2. Dispositif de mesure selon la revendication 1 caractérisé en ce que - -l'émetteur (3) émet des impulsions lumineuses dans le spectre infra- rouge, polarisées linéairement et non dangereuses pour l'oeil humain. 3. Disposltlf de mesure selon les revendications 1 ou 2 caractérisé en ce que chaque dispositif optique des moyens de réception comprend deux récepteurs dont l'un dit "premier" est situé essentiellement dans la zone de réception du faisceau émis (12) tandis que l'autre dit "deuxième" est situé en dehors de cette zone. 4. Dispositif de mesure selon la revendication 3 caractérisé en ce que l'optique du deuxième moyen de réception ne peut recevoir que la lumière située autour du volume de réception du premier dispositif de réception, et est équipé avec un premier détecteur (33a) pour la détection de la diffusion multiple (17) du faisceau (12). 5. Dispositif de mesure selon les revendications 3 ou 4 caractérisé en ce que le deuxième dispositif de réception est équipé avec un deuxième détecteur (33b) et que devant les détecteurs (33a, 33b) se trouvent des analyseurs de polarisation (25) pour déterminer la direction de la -12- 2640051 polarisation, parallèle ou verticale, par rapport au plan de polarisation du faisceau (12), de la rétrodiffusion multiple du faisceau (12). 6. Dispositif de mesure selon les revendications I à 5 caractérisé en ce que le premier dispositif de réception est équipé d'analyseurs de polarisation (25) qui sont situés devant les deux détecteurs (29a, 29b) pour déterminer la direction de la polarisation de l'intensité lumineuse rétrodiffusée, parallèle ou verticale, par rapport au plan de polarisation du faisceau (12). 7. Dispositif de mesure selon l'une quelconque des revendications précé- dentes caractérisé en ce que l'unité de traitement (7) comprend une première visualisation (43d) qui affiche la distance d'un obstacle fixe quand cette unité (7) reçoit du premier et/ou du deuxième détecteur (29a, 29b) du premier dispositif de réception, une impulsion en forme de pic; une deuxième visualisation (43a) pour l'affichage des bancs de brouillard (14), quand cette unité (7) du premier dispositif de réception, reçoit du deuxième détecteur (29b) un signal négligeable par rapport à celui du premier détecteur (29a) et du détecteur (33a) ou des détecteurs (33a, 33b) du deuxième dispositif de réception un signal corrigé en fonction de la distance (II7N, I1.71N) à flanc de montée et de chute lent; une troisième visualisation (43c) pour l'affichage des diminutions de visibilité dues à la pluie ou à l'eau projetée par les voitures quand cette unité (7) du premier dispositif de réception reçoit du deuxième détecteur (29b) du premier dispositif de réception un signal (IihLR) négligeable par rapport au signal (I5IIR) du premier détecteur (29a) et du détecteur (33a) ou des détecteurs (33a, 33b) du deuxième dispositif de réception un signal corrigé en fonction de la distance de faible amplitude et à flanc de montée et de chute lent (II7h1R, 171R), ainsi qu'une quatrième visualisation (43b) pour l'affichage des diminutions des visibilités dues à la neige quand cette unité (7) du premier dispositif de réception, reçoit du premier et du deuxième détecteur (29a, 29b) du premier dispositif de réception des signaux (Iwis, Is.Js) à peu près similaires et du détecteur (33a) ou -13- 2640051 des détecteurs (33a, 33b) du deuxième dispositif de réception un signal corrigé en fonction de la distance et à flanc de montée et de chute lent (It7?ls, hI7.Ls). 8. Dispositif d'alarme pour véhicules automobiles comprenant un dispositif de mesure selon revendication 7 caractérisé en ce que l'unité de traitement (7) est équipé avec une cinquième visuallsation (44) affichant la distance (d) de l'obstacle visuel par rapport au véhicule équipé avec le dispositif. Cette distance (d) est déterminée par le premier dispositif de réception, par mesure du temps de parcours de la lumière du LIDAR (1) vers l'obstacle (14) et le retour. 9. Dispositif d'alarme pour véhicules automobiles selon la revendication 8 caractérisé en ce que l'unité de traitement des données (47) permet d'afficher une vitesse maximale du véhicule en fonction de la distance (d) de l'obstacle et de sa nature et/ou peut agir sur sa vitesse par l'intermédiaire de son alimentation et/ou son freinage (50, 51). 10. Dispositif de mesure pour déterminer la nature des obstacles visuels, caractérisé en ce que l'émetteur (3S émet un faisceau (12) de lumière polarisée linéairement et que le récepteur est équipé d'un premier dispositif de réception avec un premier détecteur (29a) pour le faisceau (15) de lumière rétrodiffusée polarisée parallèlement au plan de polarisation de l'émetteur (3) et un deuxième détecteur (29b) pour le faisceau (15) de lumière polarisée verticalement. Un dispositif de traitement des données (7) permet de déterminer le rapport des signaux électriques des deux détecteurs (29a, 29b). 11. Dispositif de mesure selon la revendication 10 caractérisé -en ce que le récepteur est équipé avec un deuxième dispositif de réception avec un 14- détecteur (33a, 33b) pour la lumière rétrodiffusée du faisceau (17) de l'émetteur (3) se trouvant en dehors du faisceau (12). Le dispositif de traitement (7) détermine de plus le rapport entre le signal de sortie électrique du détecteur (33a, 33b) du deuxième dispositif de réception et celui du premier détecteur (29a) et/ou du deuxième détecteur (29b) du premier dispositif de réception. Les deux détecteurs (29a, 29b) sont réalisés de sorte qu'ils ne peuvent recevoir que la lumière rétrodiffusée du faisceau (15) située à l'intérieur du faisceau émis (12).