Brevet FR2664062A1 — publié le 19920103

TELEMETRE LASER IMPULSIONNEL A EFFET LARSEN L'invention concerne la réalisation d'un télémètre laser pour la mesure de distances de quelques mètres à plusieurs kilomètres de cibles munies ou non de réflecteurs. Le dispositif met en ceuvre une mesure du temps de voi de la lumière aller et retour entre lo dispositif et la cible, ce temps de vol étant bien sûr proportionnel à la distance parcourue par la lumière. La relation entre le délai T et la distance L de la cible est: T = 2 L/C@ avec c la vitesse de la lumière On connait différents moyens de calculer ce temps de vol avec une grande précision: ces moyens constituen t l'état de l'art de la mesure radar.Ils consistent à générer une impulsion lumineuse dont on mesure le retard à la réception avec une précision médiocre, la précision augmentant avec le nombre d'essais successifs sur lesquels on effectue une moyenne des résuitats. Suivant l'invention on procede différemment. Un principe de mesure spécifique basé sur un effet Larsen est mis en ceuvre. Une première version de mise en ceuvre de ce procédé est décrite dans le brevei français " Télémètre à fréquence accordée" du mème auteur. Une mise en ceuvre différente constitue l'objet de la présente invention. On décrit ici les mises en ceuvre optique, optcélectronique et électronique. Le principe optique est proche de l'état de l'art. Il consiste à générer un faisceau laser parallèle mcdulable en intensité, en direction de la cible munie ou non d'un rétroréflecteur, et à recevoir une fraction de la lumière réfléchie par la cible sur un photorécepteur qui convertit l'intensité lumineuse en signai électrique et qui est placé au point image de l'impact du faisceau sur la cible par l'optique de réception. Suivant un exemple de mise en ceuvre optique présenté figure I, le faisceau est émis par une diode laser divergente 1(1). Il est rendu quasi parallèle par une optique 1(2) et va frapper une cible 1(3) à la distale L. Dans le cas de cet exemple, une partie de la lurmière diffusée par la citle 1(3) est concentrée par une optique de réception 1(4) sur un photorécepteur 1(5) qui convertit l'intensité lumineuse reçue en siggnal électrique.Le laser 1(1) > l'optique 1(4) et le photorécepteur 1(5) sont coaxiaux, ainsi quelque soit la distance de la cible 1(3) l'image de l'impact sur l'axe atteint le photorécepteur 1(5). La diode laser est placée sur l'axe à proximité du point focal, la position est ajustée de manière a minimiser le diamètre du faisceau entre 100 et 200 m. Le photorécepteur 1(5) est placé au point focal de l'optique 1(4) de réception. La surface de réception de l'optique 1(4) est annulaire: la partie centrale est occultée par l'émission La mise en ceuvre mécanique est réalioee suivant l'état de l'art de la mécanique précise. A grande distarè de la cible, au dela de 200 m, la fraction lumineuse diffusée par la cible et reçue par l'optique 1(4) est trop fable pour être discernée dans le bruit de fond de l'électronique, il est alors nécessaire de placer sur la cible un rétroréflecteur qui réfléchit la lumière reçue dans la direction de la source, donc vers les optiques 1(2) et 1(45. L'électronique faisant l'objet de l'invention met en oeuvre un effet Larsen. Un effet Larsen est, l'apparition d'un signal cyclique dans une cavité ou une boucle comportant un élément amplificateur et une ligne de propagation La caractéristique d'un effet Larsen est que la longueur d'onde du signal cyclique de exclusivement de la longueur de la cavité, la condition d'établissement de ce gnal étant que le in de l'amnlification compense l'ensemble des atténuations. Ce signal s'extrait du bruit dès que le gain remplit cette condition. Suivant un procédé original de l'invention, le principe de l'effet Larsen est adapté à la propagation et à la génération d'impulsions brèves. Une impulsion émise par la source laser est, diffusée par la cible, reçue par le photorécepteur, amplifiée et commande l'émission de l'impulsion suivante quand le gain de l'amplification compense les différentes sources d'atténuation. La fréquence de répétition des impulsions entretenues ne dépend que du délai de propagation de l'impulsion optique sur le trajet et de l'impulsion électrique dans l'électronique. Ce délai est proportionnel à la longueur du trajet. Suivant ce principes nous donnons un exemple de mise en ceuvre de l'électronique de mesure 9figure 2). Le photorécepteur 2(1) est constitué d'une photodiode à avalancyhe de grande largeur de bande et de grand gain, typiquement de 500 MHz à 1GHz et de 60 à 100 A/W sur une char@e de 50 # La (figure 3) 3(1) est polarisée à forts voltage Vc (plusieurs centaines de Volts continu). Une résiste 3(2) contrôle le courant dans la photodiode. Un filtre 3(3) élimine les basses fréquences, les très hautes fréquences et laisse passer la gamme des 10 à 500 Hz environ Le condensateur 3(4) découple l'alimentation Un préampli 2(2) amplifie le courant délivré par la photodiode. Cet ampli est caractérisé par son faible facteur de bruit et sa trés large dynamique et bande.Le circuit d'amplification décrit figure 4, comporte typiquement les fonctionnalités suivantes: ampli 4(1), filtre d'alimentation 4(2), découplage 4(3) et filtre d'entrée. La ligne d'amplification comporte un filtre pour limiter la bande de réception .Il est réalisé par la combinaison des éléments capacitifs 4(3) et 4(4). Un atténuateur commandable en tension 2(3) permet de controler le gain de la chaîne d'amplification par l'intermédiaire d'un courant Ic (figure 5). Le gain est proportionnel à lc. Remarquons que l'association 2(2), 2(3) existe intégrée dans des amplificateurs à contrôle de gain 2(4) et 2(5) sont réalisés pour les merles fonctions que 2(2) et 2(3). 2(7) est une ligne à retard. 2(8) constitue un amplificateur. Le système de détection à seuil 2(9) permet de sélectionner I'impulsion reçue parmi le bruit de fond grâce au dépassement de seuil de l'impulsion. Une mise en oeuvre simple de cette fonction, décrite figure 6, comporte une diode rapide shotky 6(1), avec les r6sistances d'évacuations des charges (polarisations). Un autre type de mise en oeuvre (voir figure 7) comporte un transistor 7(1) bloqué jusqu'au niveau du seuil et polarisé par 7(3) et 7(4). On utilise une diode laser 2(11) à impulsions courtes. Les impulsions sont d'une puissance de l'ordre du Watt et d'une durée de quelques nanosecondes. Ces ordres de grandeur, pouvant évoluer en fonction du marché, ils ne sont pas limitatifs. La diode laser se commande par 2(10) en courant par un transistor 8(1) suivit d'un tansformateur d'impédance (figure 8). Le transistor 8(1) reçoit une impulsion de commande du filtre 8(8) et génère une impulsion de courant à travers un transformateur 8(2) qui amplifie l'impulsion de courant sur le secondaire. L'implusion traverse le laser 8(5) et une résitance d'amortissement 8(4). La diode laser est polarisée par un courant continu délivré par 8(6).Un tel système d'alimentation permet de générer des pulses de courant de 1 à 2 A sur des durées de l'ordre de quelques nanosecondes. La commande est impulsionnelle en e. En 2(12), un détecteur d'enveloppe utilisé en élargisseur dtimpulsion (figure 9). Une impulsion rend passant le transistor 9(1) polarisé par le pont 9(2) à la limite du déclenchement, le transistor charge le condensateur pendant la durée de l'impulsion, cette charge se décharge lentement dans les résistances 9(4) et 9(5). Cette impulsion élargie peut être amplifiée par un détecteur à transistor 2(13) facultatif. L'impulsion amplifiée va commander l'entrée d'un compteur fréquencemètre 2(14), en TTL ou en faibles signaux en l'absence de 2(13). En 2(15) un autre extracteur d'enveloppe similaire à 2(12) dont les éléments 7,4,5 constituent un filtre passe bas de bande passante inférieure à 100 kHz. En 2(16), un amplificateur-filtre actif asservit le niveau de l'impulsion élargie par 2(12) et mesuré par 2(15) sur une consigne C continue. Cet amplificateur délivre un courant IC qui commande les atténuateurs commandables en courant 2(3) et 2(5) pour compenser les atténuations du parcours dans l'air. S'il est fait usage à la place de 2(4)-2(5J d'un amplificateur à contrôle de pin, l'amplificateur 2(16) commande directement le gain de l'amplificateur à contrôle de gain. 2(16) est mis en ceuvre à l'aide d'un amplificateur opérationnel (figure 10). Les éléments 2(1), 2(2), 2(3), 2(4), 2(5), 2(6), 2(7), 2(8), 2(9), 2(10), 2(11) constituent la boucle Larsen. Les éléments 2(12), 2(13) et 2(16) réalisent l'asservissement en gain condition de propa?tion d'un signal Larsen. Les éléments 2(12), 2(13) et 2(14) permettent la mesure de la fréquence. Les éléments 2(12) et 2(17) assistent la mise en route de l'oscillation et empêche la disparition de l'oscillation. L'élément 2(17) est un multivibrateur monostable retriggérable qui génère des oscillations à une fréquence fixe quand le télémetre ne reçoit pas d'impulsion, et qui ne génère rien quand le signal Larsen est établi. Si A=0 le dispositif émet des impulsions à une fréquence inverse du délai T du monostable. Ces impulsions commandent 2(10) et le laser 2(11). Quand Le in devient suffisant, une impulsion est reçue en 2(6), élargie en 2(12) et commande l'entrée A (figure 11). En ayant T# 2Lmax@C, l'impulsion est reçue en A avant la relation monostable, et q est maitenu en état bas, aussi longtemps que des impulsions sont reçues. En cas d'échec de la réception d'une impulsion de propagation, la propagation Larsen est interrompue, le monostable n'est pas comumndé et se relaxe en générant une impulsion de remplacement. Cette impulsion est émise par le laser, ce qui rétablit immédiatement l'oscillation Larsen, car l'impulsion manquante est remplacée. Ce dispositif 2(17) permet de détecter les impulsions reçues à l'aide d'un seuil proche du sommet de l'impulsion, sans craindre qu'un paraisite superpose à l'impulsion reçue empeche la détection de celle-ci et un échec de détection empêcherait la propagation de l'oscillation Larsen. Le principe et un exemple de mise en ceuvre de l'électronique de traitement de signal de ce tgpe de télémètre a été décrit, le dispositif comporte également les systèmes d'alimentation électrique, de calcul de la longueur, d'affichage de la mesure, de communication de calibrage de la mesure suivant l'état de l'art. Le télémètre décrit bénéficie d'une très grande stabilité de la mesure, ce qui se traduit, par une grande résolution, et une grande portée. Le calcul de la distance s'effectue à partir du résultat du compteur suivant une formule proche de: f(L)+2L+L0=C/f f(L) est une fonction polynômiale de L et 1/L à coefficients très faibles. REVENDICATIONS 1 ) Dispositif de mesure de distance du type optique émettant un faisceau lumineux en direction de la cible et relevant une fraction de la lumière diffusée par la cible ou réfléchie par un rétroréflecteur mettant en oeuvre une mesure de temps de parcours aller et retour de la lumière entre le dispositif et la cible à partir de la mesure par un compteur ou un fréquencemètre d'un signal se propageant dans une boucle comportant les éléments optiques et électroniques suivants:: - un émetteur de lumière modulable en intensité par un signal électrique, émettant en direction de la cible, - un récepteur photoélectrique de la lumière diffusée par la cible ou réfléchie par celle-ci, -un système d'amplification et de filtrage du signal électrique du récepteur, ce signal amplifié, filtré étant réémis par l'émetteur, le gain de l'amplificateur étant asservi ou ajusté pour maintenir constant le niveau de 'autoekcitation, caractérisé en ce que le dit signal est constitué d'impulsions, que les impulsions sont émises par une diode laser, reçues par le photorécepteur et indéfiniment réémises, et qu'un moyen est mis en ceuvre pour maintenir la propagation des impulsions. 2 ) Dispositif suivant la revendication i caractérisé en ce que la diode Ces d'émission est une diode pulsée. 3 ) Dispositif suivant la revendication 1 caractérisé en ce que le récepteur est constitué d'une diode à avalanche. 4 ) Dispositif suivant la revendication 1 caractérisé en ce que la chaîne d'amplification est constituée d'amplificateurs à contrôle de gain en cascade ou d'amplificateurs HF suivis d'atténuateurs commandables, étan t commandés à partir d'une comparaison du niveau de l'impulsion reçue. 5 ) Dispositif suivant la revendication I pour maintenir la propagation des impulsions, caractérise en ce qu'il émet une impulsion après la dernière impulsion reçue avec un retard t supérieur au temps de propagation maximum de l'impulsion. 6 ) Dispositif suivant les revendications 1 et 5 caractérisé en ce qu'il comporte un multivibrateur monostable retriggérable. 7 ) Dispositif suivant la revendication 1 caractérisé en ce que les optiques d'émission et de réception sont coaxiales, imbriquées et que la surface de l'optique d'émission est irifêrieure à la surface de l'optique de réception.