Brevet FR2757640A1 — publié le 19980626

SYSTEME OPTIQUE DE MESURE DE VITESSE ET/OU DE DISTANCE D'OBJET L'invention concerne un système optique de mesure de vitesse eticu de distance d'objet. La direction, la distance et la vitesse radiale de cibles mouvantes sont trois paramètres importants pour les dispositifs d'imagerie et de veille. Cependant, les systèmes LIDAR et RADAR permettant de les déterminer présentent chacun plusieurs points durs: - Dans le cas du RADAR, L'émission de l'onde est peu directive à l'exception des fréquences millimétriques. La plupart des cibles envisagées ne sont donc pas résolues angulairement, ce qui limite leur identification et parfois le traitement multicible. - Dans le cas du LIDAR, la technique la plus aboutie pour mesurer la vitesse radiale d'une cible est la détection hétérodyne. La réalisation de celle-ci est difficile (alignement optique critique et sensibilité très forte aux perturbations atmosphériques) et coûteuse (réalisation à 10,6 um, détecteur refroidi, optique en germanium...). La combinaison des avantages du LIDAR et du RADAR va permettre de réaliser une mesure associant résolution angulaire et résolution vitesse. L'idée de base de l'invention consiste à associer les avantages de l'optique et du traitement cohérent hyperfréquence. On se propose d'utiliser des impulsions optiques modulées en amplitude dans le domaine hyperfréquence, la détection optique directe de ces impulsions permet la télémétrie optique "conventionnelle" via leur enveloppe, et le traitement du signal électrique permet la mesure de vitesse par comparaison de la modulation à un oscillateur local hyperfréquence. L'invention concerne donc un système optique de mesure de vitesse et/ou de distance d'objet, caractérisé en ce qu'il comporte - un générateur optique émettant un faisceau optique modulé en hyperfréquence, - un premier détecteur optique capable de recevoir le faisceau optique émis par la source et réfléchi par un objet, et de fournir un signal électrique hyperfréquence; - des circuits électroniques de traitement détectant la fréquence de modulation contenue dans l'onde réfléchie par l'objet et la traitant avec la fréquence de modulation d'origine de façon à calculer la vitesse de l'objet. Les différents objets et caractéristiques de l'invention apparaîtront plus clairement dans la description qui va suivre et dans les figures annexées qui représentent: - la figure 1, un diagramme général du système de l'invention, - la figure 2, un exemple de réalisation du système de l'invention - la figure 3, un autre exemple de réalisation du système de l'invention; - la figure 4, une variante de réalisation du système de l'invention. Selon le diagramme général de la figure 1, le système de l'invention comporte: - un laser 1 qui émet une impulsion optique; - un modulateur 2 module cette impulsion et transmet une impulsion optique contenant une fréquence de modulation hyperfréquence. Cette impulsion est émise vers un objet OB dont on veut calculer la distance et/ou la vitesse - un dispositif de détection 4 détecte la lumière réfléchie par l'objet OB et notamment l'impulsion modulée qui lui a été transmise ; ce dispositif de détection peut se présenter sous la forme d'une matrice de photodétecteurs - un circuit de calcul de distance 9 calcule de manière connue le temps de transmission de l'impulsion optique et donc la distance de la cible; - un mélangeur 5 reçoit le signal électrique détecté par le détecteur 4 ainsi que la fréquence de modulation ayant servi à moduler l'onde émise par le modulateur 2. Le résultat du mélange est transmis à un circuit de traitement radar doppler 6 qui calcule la vitesse de l'objet. L'onde optique modulée en hyperfréquence, après réflexion sur l'objet dont on cherche à mesurer la vitesse, est démodulée par un photodétecteur qui fournit en sortie un signal électrique décalé en fréquence (effet doppler). Le mélangeur hyperfréquence effectue la différence entre le signal optique démodulé et le signal hyperfréquence de modulation utilisé comme référence (oscillateur local). En sortie du mélangeur hyperfréquence, le signal est transposé dans une bande (wo - os) après un filtrage adapté. Le signal contenant l'information de vitesse fournit après Transformée de Fourier et seuillage, la fréquence doppler de décalage en fréquence et par conséquent la vitesse de l'objet. En se reportant à la figure 2, on va donc décrire un exemple de réalisation du système de l'invention. Ce système comporte en partie émission une source optique 1 (source laser) émettant une onde optique monofréquence. Un modulateur optique 2, tel qu'un modulateur électrooptique, module l'onde optique à une fréquence hyperfréquence. La fréquence de modulation est par exemple de l'ordre du GHz ou de plusieurs dizaines de GHz. Cette fréquence de modulation est fournie par un générateur hyperfréquence 3 (oscillateur local radar). L'onde modulée est émise vers l'objet OB dont on veut mesurer la vitesse et/ou la distance. Par ailleurs, le système comporte, en partie réception, un détecteur optique D2 comportant principalement une diode photodétectrice. Ce détecteur reçoit l'onde modulée réfléchie par l'objet OB et fournit un signal électrique représentatif de l'onde optique reçue. Ce signal électrique est transmis à un mélangeur hyperfréquence 5 qui reçoit également le signal de modulation du générateur hyperfréquence 3. Ce générateur hyperfréquence est donc commun à la partie émission et à la partie réception du système. Le résultat du mélange du signal détecté et du signal d'oscillateur local radar est transmis à un circuit de traitement radar de type connu dans la technique radar et appelé circuit d'extraction radar qui calcule alors la vitesse et/ou la distance d'objet. Le calcul de la vitesse se fait par détection de l'effet doppler. En effet, I'onde optique modulée réfléchie par un objet mobile est soumise à un effet doppler. Après détection par le détecteur D2, le signal électrique contient la fréquence de modulation affectée d'un doppler. Le traitement radar dans l'extracteur 6 permet de calculer cet effet doppler et donc la vitesse de l'objet. L'émission optique peut se faire sous forme d'impulsions courtes, par exemple de l'ordre de la nanoseconde ou de quelques dizaines de nanosecondes, ce qui permet de façon classique de mesurer la distance de l'objet. II est également possible pour mesurer la distance de prévoir une variation de la modulation de fréquence de façon à avoir une largeur de spectre hyperfréquence non nulle. La figure 3 représente une variante de réalisation du système de l'invention. II comporte une source laser émettant une onde monofréquence oo. Une partie de cette onde est fournie à un translateur de fréquence 8 qui fournit une onde décalée en fréquence oO + Q (Q étant de l'ordre du GHz ou de plusieurs dizaines de GHz). Ce déca leur de fréquence peut être réalisé de manière connue à l'aide d'un modulateur acousto-optique ou à l'aide d'une cellule Brillouin. L'onde émise par la source à la fréquence oo et l'onde décalée en fréquence (oO + Q sont rendues colinéaires et émises vers l'objet OB dont on veut mesurer la vitesse et/ou la distance. Le détecteur D2 détecte l'onde réfléchie par l'objet et fournit un signal de battement résultant de la combinaison sur le détecteur des fréquences oo et oO + Q toutes deux affectées de l'effet doppler dû au déplacement de l'objet OB. Par ailleurs une partie de l'onde émise contenant les fréquences xO et oo + Q, est prélevée par un séparateur de faisceau Ml et est transmise à une photodiode D1 qui fournit un signal de battement hyperfréquence. Les signaux électriques fournis par les détecteurs D1 et D2 sont transmis à un mélangeur et à un circuit d'extraction radar 6 de type connu qui détectent la fréquence doppler contenue dans le signal réfléchi par l'objet et qui calcule la vitesse de l'objet. Le fréquencemètre 7 permet de détecter la fréquence Q transmise au détecteur D1, la valeur de cette fréquence Q est communiquée à l'extracteur 6. Sur les figures 2 et 3, on a prévu en supplément un amplificateur optique 10 pour amplifier, si besoin est, le signal optique reçu. II est également un filtre spatial Il placé en entrée du système pour sélectionner les directions des faisceaux incidents. De plus, comme cela est représenté en figure 2, on peut prévoir un déflecteur optique 11 placé sur le trajet du faisceau Fl émis par le générateur optique de façon à réaliser un balayage angulaire du faisceau émis. Selon une variante de réalisation représentée en figure 4, le système comporte, en réception, une ligne à retard optique LAR qui transmet avec retard le signal optique réfléchi par l'objet OB. Le signal optique, modulé en hyperfréquence, après réflexion sur l'objet est séparé en deux faisceaux F2, F3 par le séparateur M2. Le faisceau F2 après détection par le détecteur D1 passe dans le bloc de télémétrie LIDAR qui fournit l'information de distance au bloc DR de désignation RADAR lequel fournit le signal d'oscillateur local retardé du temps t correspondant à la distance mesurée par le LIDAR. Le faisceau F3 est retardé par une ligne à retard optique LAR d'un temps T égal au temps nécessaire pour caler le système de désignation RADAR. L'oscillateur local retardé et ie signal reçu retardé sont mélangés et traités par filtrage doppler pour calculer la vitesse de l'objet. II est à noter que le générateur optique constitué par la source 1 et le modulateur 2 peuvent émettre en continu. Ce générateur peut comporter un oscillateur paramétrique optique fonctionnant près de la dégénérescence de telle sorte que l'espacement fréquentiel entre l'onde signal et l'onde idler soit Q. REVENDICATIONS 1. Système optique de mesure de vitesse et/ou de distance d'objet, caractérisé en ce qu'il comporte: - un générateur optique émettant un faisceau optique modulé en hyperfréquence (Q); - un premier détecteur optique (D2) capable de recevoir le faisceau optique émis par la source et réfléchi par un objet, et de fournir un signal électrique hyperfréquence dont le retard donne la distance; - des circuits électroniques de traitement détectant les fréquences contenues dans l'onde réfléchie par l'objet et les traitants avec la fréquence de modulation d'origine de façon à calculer la vitesse et/ou la distance de l'objet. 2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que le générateur optique comporte un modulateur électrooptique (2) et en ce que les circuits électroniques de traitement comportent un mélangeur hyperfréquence (5) recevant le signal électrique hyperfréquence fourni par le détecteur et en ce qu'un générateur hyperfréquence (3) émet un signal hyperfréquence qui est transmis, d'une part, au modulateur électrooptique pour moduler l'onde optique et, d'autre part, au mélangeur hyperfréquence, un circuit d'extraction radar (6) recevant le signal fournit par le mélangeur hyperfréquence. 3. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que: - le générateur optique comporte une source laser émettant une première onde optique (oo) et un translateur de fréquence émettant une deuxième onde optique (oo + Q) décalée en fréquence et colinéaire avec la première onde optique; - un deuxième détecteur (D1) reçoit directement une partie de ces deux ondes optiques; - les circuits électroniques de traitement comportent un mélangeur recevant les signaux électroniques de battement fournis par le premier et le deuxième détecteurs (D1 et D2) et fournissant ces signaux mélangés à un circuit d'extraction radar (6); - un fréquencemètre (7) mesurant la fréquence de battement du signal fourni par le deuxième détecteur et la fournissant au circuit d'extraction radar (6). 4. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que le générateur optique émet un signal modulé en amplitude. 5. Système selon la revendication 2, caractérisé en ce que le générateur optique comporte un laser émettant en continu. 6. Système selon la revendication 2, caractérisé en ce que le générateur optique comporte un laser émettant des impulsions permettant une mesure directe de la distance de l'objet par télémétrie en mesurant le temps de vol des impulsions. 7. Système selon la revendication 6, caractérisé en ce que la modulation hyperfréquence est effectuée à une fréquence de l'ordre du GHz ou de plusieurs dizaines de GHz. 8. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que le générateur optique comporte un oscillateur paramétrique optique fonctionnant près de la dégénérescence de telle sorte que l'espacement fréquentiel entre l'onde signal et l'onde idler soit n. 9. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que le détecteur optique (D2) comporte une matrice de détecteurs. 10. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un amplificateur (AL) optique recevant le faisceau réfléchi par l'objet et transmettant le faisceau amplifié au premier détecteur (D2). 11. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un filtre spatial (11) placé sur le trajet du faisceau réfléchi par l'objet (OB). 12. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un déflecteur optique (DO) placé sur le trajet du faisceau (F1) émis par le générateur optique de façon à réaliser un balayage angulaire du faisceau émis. 13. Système selon la revendication 3, caractérisé en ce que le déca leur de fréquence est basé sur un modulateur acousto-optique. 14. Système selon la revendication 3, caractérisé en ce que le décaleur de fréquence est basé sur l'effet Brillouin. 15. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que le générateur optique comporte un laser à deux modes dont l'espacement correspond à la fréquence de modulation hyperfréquence désirée. 16. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte: - un dispositif de prélèvement de l'énergie optique émise, I'énergie prélevée étant détectée par un deuxième photodétecteur (D1) qui fournit un signal de référence à la fréquence de modulation pour les circuits électroniques de traitement; - un circuit multiplicateur recevant les signaux électriques fournis par les deux détecteurs (D1, D2) effectuant le produit de ces deux signaux, et fournissant un courant dont la fréquence est proportionnelle à la vitesse de l'objet (v), à la fréquence de modulation du faisceau optique émis par le générateur optique, et inversement proportionnel à la vitesse de la lumière. 17. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un système de télémétrie LIDAR recevant le signal détecté par le premier détecteur (D2) ainsi qu'une ligne à retard optique (LAR) recevant le signal réfléchi par l'objet (OB) et le fournissant à un troisième détecteur (D3) qui fournit donc un signal retardé qui est traité avec un signal de l'oscillateur local lui-même retardé par le système de télémétrie LIDAR.