Brevet FR2694415A1 — publié le 19940204

L'invention a pour objet un procédé de balayage pour le faisceau optique d'un détecteur du type lidar à modulation de fréquence obtenue en modulant l-intensité du courant de polarisation du laser émetteur tel par exemple que celui décrit dans la demande de brevet N"9204359 déposée le 4 Avril 1992 au nom des demanderesses. L'invention a également pour objet un dispositif de détection d'obstacles, utilisant ce procédé, destiné notamment à être embarqué sur un véhicule automobile terrestre pour détecter des cibles mobiles et pour mesurer leur distance et leur vitesse par rapport au véhicule équipé. Dans ce cas le balayage de la route par le faisceau du lidar peut être obtenu, de façon connue, en utilisant un miroir oscillant déviant le faisceau. Du fait de l-inertie mécanique, le balayage est lent ce qui conduit à un retard dans la détection des cibles incompatible avec les temps de réaction courts qu'exige la conduite automobile. De plus ce mode de balayage conduit à un dispositif fragile et insuffisamment compact pour être embarqué sur véhicule. Selon un autre procédé connu, on utilise un modulateur électro-optique ou bien acousto-optique pour faire varier I'indice de réfraction d'un milieu traversé par le faisceau du lidar de façon à modifier périodiquement la déviation du faisceau réfracté. Ce procédé conduit à des dispositifs optiques compliqués et onéreux dont le rendement est faible. Le but de l-invention est obtenir un procédé de balayage pour un faisceau lidar sans aucun dispositif optique en mouvement et ne présentant pas les inconvénients ci-dessus de manière à permettre notamment son utilisation dans un dispositif de détection d'obstacles embarqué sur un véhicule automobile. Le procédé de balayage selon l-invention se caractérise en ce que - on utilise un laser accordable sur plusieurs longueurs diode voisines; - on module le courant de polarisation du laser de façon à émettre périodiquement sur chacune des longueurs d'ondes d'accord; - on dévie le faisceau suivant un angle fonction de la longueur diode d'émission en interposant sur son trajet un moyen dispersif constitué par un réseau plan de dif fraction orienté de manière fixe pour obtenir un seul ordre diffracté. Selon une caractéristique importante du procédé, la position angulaire du réseau par rapport au faisceau émis par le laser est choisie de manière à ce que le spectre de diffraction ordre K de la région spectrale centrée autour de la longueur diode \ d'rémission se forme sur le maximum principal de diffraction et que simultanément les spectres des autres ordres soient supprimés. De préférence les caractéristiques du réseau sont choisies de manière à obtenir le spectre de diffraction ordre + 1. Avantageusement, le réseau de diffraction est un réseau de phase. De préférence, dans un dispositif de détection d obstacles de type lidar à modulation de fréquence utilisant le procédé de balayage ci-dessus les longueurs dindes choisies pour le laser sont telles que l écart Xi+1 - Xi entre deux longueurs d'onde successives obtenues par la modulation correspondent à une variation de l angle de déviation sensiblement égale à l'angle d'ouverture horizontale du faisceau. D'autres caractéristiques et avantages de l-invention apparaîtront mieux dans la description détaillée qui suit et se réfère aux dessins annexés donnés uniquement à titre d exemple, et dans lesquels La figure 1 est un schéma de principe du dispositif de détection de type lidar utilisant le procédé de balayage conforme à l-invention; La figure 2 montre l ouverture verticale du faisceau émis par le dispositif embarqué sur un véhicule; La figure 3 montre l-ouverture horizontale et le balayage horizontal du faisceau de la figure 2. Le dispositif de type lidar utilisant le procédé, schématisé sous la référence 1, comporte essentiellement un lidar L et un réseau de diffraction 2. Le faisceau Si émis par le lidar L est intercepté par un réseau plan 2 de diffraction par réflexion qui dévie le signal selon un faisceau S12 orienté dans la direction des cibles à détecter. De préférence le réseau 2 est un réseau de phase. Le lidar L est du type modulé en fréquence par variation de l intensité du courant de polarisation de la diode laser 3 qu il comporte. Le rayonnement de la face avant de la diode laser 3 est focalisé par une lentille 4 du type cylindrique à gradiant d indice connue par exemple sous l-appellation commerciale "Selfoc" dont les caractéristiques peuvent être choisies pour obtenir un faisceau d ouvertures verticale et horizontale différentes, l ouverture verticale étant de préférence plus grande que l ouverture horizontale. Pour plus de détails sur ce lidar on pourra se référer à la demande de brevet français N" 9204359 déjà mentionnée. On sait qu-il est possible (condition de BRAG) de trouver une inclinaison O des rayons incidents sur la normale N au plan du réseau pour laquelle le spectre de diffraction d ordre +K de la région spectrale centrée autour dune longueur d onde donnée X se forme sur le maximum principal de diffraction et que simultanément les spectres des autres ordres, y compris limage centrale d'ordre K = 0, soient supprimés. Or la déviation angulaire du spectre d ordre + K est fonction de la longueur diode. Le procédé selon Invention utilise cette propriété pour obtenir une variation périodique de angle du faisceau dévié S12 en faisant varier cycliquement par sauts la longueur diode X du faisceau S1 émis par le lidar. il faut pour cela choisir un laser accordable dans une bande suffisamment large pour que la variation totale de longueur diode en combinaison avec un réseau 2 de caractéristiques convenablement choisies permette obtenir un angle de balayage, fonction des longueurs d'ondes extrêmes de la bande, correspondant à I'objectif souhaité. A l avant du véhicule A1 (figure 3) est placé un détecteur d'obstacles 1 équipé dun dispositif de balayage utilisant le procédé de l invention. La route sur laquelle circule le véhicule Al comporte 3 voies chacune de largeur habituelle égale à 3,75 m. Le lidar embarqué doit pouvoir balayer successivement les 3 voies avec une portée de 150m Pour discriminer la voie dans laquelle sont situés des véhicules tels que A2 ou A3, il est avantageux de prévoir un faisceau angle d ouver- ture horizontale voisin de 1 > 5 prenant périodiquement cinq orientations F1 à F5 symétriquement réparties par rapport à 1fixe du véhicule Al. L'ouverture de 1 > 5 correspond sensiblement à angle sous lequel est vue la largeur d'une voie à 150m Les cinq orientations du faisceau permettent de couvrir les trois voies quelle que soit la position du véhicule A1 par rapport à 1~axe de la route. Tel que montré en figure 2, I'ouverture verticale plus grande du faisceau (2 ) permet sans balayage vertical de détecter les obstacles même si la route est ondulée. Si on affecte une longueur diode Xi à chaque position Fi du faisceau, il faut que l-écart Xi+l - Xi soit choisi de manière telle qu'il lui corresponde une variation de angle maximum de diffraction de ordre t K choisi sensiblement égale à l ou- verture horizontale du faisceau, soit 1,5* Une telle condition peut être obtenue par exemple de la manière suivante:: - Utilisation dans le dispositif 1 d-un laser DFL multi-électrodes, accordable sur une plage de 5nm (nanomètres) dans le proche infra-rouge; - Choix sur cette plage de cinq longueurs d'onde Xi telles que Xi+l - Xi > = lnm; - Le faisceau est focalisé horizontalement selon un angle d-ouverture de 1,5 par un dispositif optique 4 tel qu'unie lentille cylindrique à gradiant d indice et intercepté par un réseau de phase dont le pas est de 1800 traits par millimètre. Dans ces conditions il est aisé de trouver expérimentalement la condition de BRAG pour laquelle le faisceau dévié ordre f I restitue 90% de l-énergie incidente. On pourrait bien entendu au lieu d utiliser un réseau de phase, utiliser un réseau de diffraction d'amplitude, mais dans ce cas le rendement serait moins bon. Le balayage s'effectue par sauts successifs et brusques de înm alors que la modulation décrite dans la demande de brevet N" 9204359 n'a pratiquement pas d-influence sur la déviation du faisceau car 1 ordre de grandeur de la variation de longueur d onde qu'elle entraîne est beaucoup plus faible. Les deux modulations sont donc superposables sans inconvénient pour la précision des mesures effectuées. On notera que la fréquence de balayage peut être choisie sans aucune contrainte et que la compacité du lidar est préservée, ce qui permet de le loger facilement à lavant d'un véhicule automobile où l espace disponible est toujours très limité. On notera également que la lentille 4 au lieu être disposée sur le trajet faisceau S1 entre le lidar L et le réseau 2 pourrait être disposée sur celui du faisceau 512. REVENDICATIONS 1 - Procédé de balayage pour le faisceau optique d un détecteur de type lidar (L) à modulation de fréquence, caractérisé en ce que : - on utilise un laser accordable (3) sur plusieurs lon gueurs diode voisines; - on module le courant de polarisation du laser (3) de façon à émettre périodiquement sur chacune des longueurs d ondes d'accord; - on dévie le faisceau (S1) suivant un angle fonction de la longueur diode d émission en interposant sur son trajet un moyen dispersif constitué par un réseau plan de diffraction (2) orienté de manière fixe pour obtenir un seul ordre diffracté. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la position angulaire du réseau (2) par rapport au faisceau (S1) émis par le laser (3) est choisie de manière à ce que le spectre de diffraction ordre + K de la région spectrale centrée autour de la longueur d onde d'émission se forme sur le maximum principal de diffraction et que simultanément les spectres des autres ordres soient supprimes. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que les caractéristiques du réseau (2) sont choisies de manière à obtenir le spectre de diffraction d'ordre + 1. 4. Procédé selon l-une quelconques des revendications précédentes, caractérisé en ce que le réseau de diffraction (2) est un réseau de phase. 5. Dispositif de détection d obstacles de type lidar à modulation de fréquence caractérisé en ce qu il utilise le procédé de balayage conforme à l une quelconque des revendications 1 à 3. 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que les longueurs d ondes choisies pour le laser (3) sont telles que I'écart \i + 1 - Xi entre deux longueurs d onde successives obtenues par la modulation correspondent à une variation de l angle de déviation sensiblement égale à angle d ouverture horizontale du faisceau. 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens (4) de focalisation du faisceau du lidar (L) permettant une ouverture verticale plus grande que l-ouverture horizontale. 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que les moyens de focalisation (4) sont constitués par une lentille à gradiant d indice