Brevet FR2763674A1 — publié le 19981127

"SYSTèME DE GUIDAGE D'UN MOBILE PAR FAISCEAU LUMINEUX1. La présente invention concerne un système de guidage d'un mobile au aoyen d'un faisceau de lumière conportant entre autres, une source émettant un faisceau laser suivant l'axe de guidage, des doyens de modulation selon un code dudit faisceau et un récepteur placé sur le mobile pour la détection et l'interprétation du faisceau modulé transformé en signal électrique pour la correction de trajectoire du iobile ainsi guidé. Un tel système est connu de la deaande de brevet européen n0 33 279. Dans cette demande de brevet le système éaet, au moyen d'une source, un faisceau laser suivant l'axe de guidage choisi, au travers d'au oins une aire de modulation qui tourne en balayant le chanp de guidage dans un plan perpendiculaire à l'axe de guidage, alors qu'est engendré un mouvement de rotation relatif entre la aire et le faisceau. Le mobile est équipé d'un récepteur comprenant au moins un détecteur et un circuit de calcul qui permet de déterminer les corrections de trajectoire. Dans ce système et plus généraleaent dans les systèmes de guidage par faisceau laser connus colportant une grille de modulation, seule la propriété de cohérence spatiale et donc la luminance très élevée du laser est utilisée alors qu'il n'est pas tiré avantage de sa propriété de cohérence temporelle. Ainsi dans le système connu, la fréquence moyenne de fonctionnement du récepteur est voisine de zéro ce qui a pour principal désavantage de présenter une médiocre inmunité aux bruits et aux brouillages. La présente invention propose un système du genre précité qui ne présente pas l'inconvénient du système connu. Pour cela, le système de guidage d'un mobile au moyen d'un faisceau de lumière mentionné dans le préambule est remarquable en ce que le code de modulation est produit de manière interférentielle au moyen d'un dispositif interférométrique, le faisceau de lumière reçu par le récepteur et donc le signal électrique traité étant modulé en fréquence assurant ainsi une immunité aux bruits et aux brouillages. Ainsi l'invention consiste à utiliser la propriété de cohérence temporelle du laser et de ce fait à réaliser un système de guidage interférentiel sans mire (ou grille) de modulation grâce auquel il est directement créé une modulation interférentielle permettant de réaliser l'écartométrie c'est-à-dire la mesure de la position du mobile en site et en gisement par rapport à une référence fixe qui est l'axe de guidage et donc la correction de la trajectoire dudit mobile pour le maintenir sur l'axe de guidage. Corrélativement et dans le but de lever une indétermination dans la position du mobile (copule e cela sera expliqué en détail dans la description qui suit), une modulation de fréquence est utilisée à l'émission ce qui a avantageusement pour effet d'assurer au système et plus particulièrement au récepteur une immunité aux bruits et aux brouillages puisque la fréquence moyenne d'utilisation n'est plus voisine de zéro. La description suivante en regard des dessins annexés, le tout donné à titre d'exemple, fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. Les figures 1 et 2 proposent de manière schématique le principe général du système de guidage d'un mobile conforme à l'invention. La figure 3 représente un schéma de principe d'un premier mode de réalisation du dispositif interférométrique du système de guidage selon l'invention. La figure 4 présente un schéma de principe d'un second mode de réalisation du dispositif interférométrique du système de guidage selon l'invention. Sur la figure 1 est schématiquement représenté le principe général du système de guidage d'un mobile au moyen d'un faisceau laser selon l'idée de l'invention. Une source de lumière 1 émet suivant un axe de guidage XX' un faisceau laser 2, dont les propriétés d'imagerie dues à sa cohérence sont avantageusement utilisées grâce à un dispositif interférométrique 3 remarquable en ce que pour créer directement une modulation interférentielle permettant de réaliser l'écartométrie, il comprend un organe changeur de fréquence pour changer la fréquence du laser en introduisant une modulation de fréquence et un interféromètre par exemple de type Michelson associé à des moyens de distribution des faisceaux pour défléchir lesdits faisceaux dans deux directions orthogonales. Le dispositif interférométrique 3 sera décrit plus en détail à l'aide des figures 3 et 4. Le faisceau laser incident 2 est diffracté par le dispositif interférométrique 3 en une pluralité de faisceaux élémentaires qui traversent une lentille de champ 4 faisant converger chacun de ces faisceaux élémentaires en un point lumineux sur la pupille d'un objectif de projection 5. Ainsi dans le plan de la pupille de l'objectif 5 se forme la figure de diffraction du dispositif interférométrique 3 qui est projetée vers le récepteur 6 du mobile (non représenté) et plus particulièrement dans le plan d'un détecteur 6a. Le détecteur 6a situé à l'arrière du mobile reçoit ainsi avantageusement un faisceau modulé en fréquence qui est converti en un signal électrique de ce fait également modulé en fréquence assurant de la sorte une grande immunité aux bruits et aux brouillages. Le signal électrique est traité par un organe de calcul et de commande 6b, le signal ainsi traité servant à commandeur le mobile pour le maintenir sur l'axe de guidage XX'. L'objectif de projection 5 est en fait une optique à focale variable c'est-à-dire un objectif zoom destiné à maintenir constantes les dimensions de l'image réalisée par le dispositif interférométrique 3 dans le plan du détecteur 6a au fur et à mesure que le mobile s'éloigne afin de conserver une précision constante quelle que soit la distance du mobile. L'image ainsi reçue dans le plan du détecteur est formée par un processus d'interférence des point; lumineux, après déviation par l'objectif de projection 5, les faisceaux se recombinent au niveau de l'image et interfèrent pour redonner une image dont le contraste (taux de modulation) est égal à l'unité pour toutes les fréquences spatiales qui ne sont pas arrêtées au niveau de la pupille de l'objectif de projection 5. Le détecteur 6a, de par sa position, ne voit que la pupille de sortie de l'objectif de projection 5, et pour réaliser un système de guidage du genre mentionné dans le préambule, tout en évitant d'avoir recours à une grille de modulation, il faut que les amplitudes et les positions de ces points lumineux répartis dans le plan de la pupille soient modulées dans le temps afin qu'en reconstituant la modulation en énergie au niveau du mobile, il soit alors possible de faire l'écartométrie. L'idée de l'invention qui consiste à imaginer un système de guidage interférentiel dans lequel est créée directement et donc sans grille de modulation, une modulation interférentielle, pourrait être étendue au cas où l'objectif de projection à focale variable est remplacé par des points lumineux mobiles engendrant des faisceaux d'ouverture variable dans les interférences desquels est guidé le mobile. L'explication suivante permettra de mieux appréhender le principe du système selon l'invention et ceci en se référant au schéma de la figure 2. A la place de la grille de modulation du système connu est disposé par exemple un interféromètre de Michelson 3a dont les miroirs Ml et M2 sont mobiles autour de deux axes perpendiculaires YY' et ZZ' tous les deux situés idéalement dans un plan perpendiculaire à l'axe de guidage XX'. Les deux miroirs M1 et M2 conjugués l'un de l'autre à travers une lame semi-transparente STP sont par exemple carrés et définissent un champ carré ABCD (dans le plan de YY' et ZZ', l'intersection de ces deux axes étant le centre du champ ABCD). Le miroir M1 est mobile autour de l'axe YY' et le miroir M2 est mobile autour de l'axe Z2'. Deux ondes planes PW1 et PW2 à section carrée émergent donc de l'interféromètre 3a, elles sont issues des deux bras de l'interféromètre et s'appuient sur le contour ABCD, la première tourne autour de l'axe YY', la seconde tourne autour de l'axe ZZ'. Il se forme ainsi dans le plan ABCD (ou dans l'image de celui-ci) une modulation d'intensité due aux interférences entre ces deux ondes et qui pour une rotation donnée 81 du miroir Ml et 82 du miroir M2 correspond à un système de franges rectilignes inclinées et équidistantes. A partir de cette modulation, il faut extraire l'abscisse z d'un point quelconque du champ ABCD où serait placé un détecteur photoélectrique mesurant cette modulation. Pour cela le miroir M2 est supposé fixe, par exemple dans la position 82 = 0 et le miroir Ml est animé d'un mouvement sinusoïdal de fréquence f et d'amplitude #0 ainsi 2 #1 = #0 sin (2#ft) 2 L'onde émergente PW1 réfléchie par Ml tourne donc autour de l'axe YY' d'un angle 28 = osin2Wft. Son interférence avec l'onde PW2 issue de l'autre bras de l'interféromètre produit donc une modulation d'intensité qui, exprimée dans le plan de ZZ' et YY' est égale à : sin (#0sin#t) E(z,y,t) = E(z,t) = 1+cos [2# # z] (1) avec w = 2 #f et A la longueur d'onde du faisceau laser. Dans l'hypothèse de #0 petit (sin #0##0) on obtient: E(z,t) = 1+cos (24 8 Z sin wt.) (2) A Cette dernière expression indique un signal modulé en fréquence en fonction de z, l'indice de modulation m étant 2lTBp égal à: m = A L'expression (1) traduit qu'à l'instant t il se forme dans le plan de ZZ' et YY' une modulation d'intensité correspondant à des franges d'interférences rectilignes équidistantes et parallèles à YY', le pas instantané de ce système interférentiel étant égal à p=A/2sin (epsintut), le pas le plus fin étant obtenu pour l'excursion maximale de Oo(sinwt = 1) soit Pmin= A/2sinOo, le pas le plus grand k# étant infini, aux instants t = o + # (sin wt=0), c'est à dire lorsque les deux ondes planes PW1 et PW2 sont parallèles. En outre pour z = 0, donc sur l'axe YY', l'éclairement est toujours constant quel que soit t. Ainsi, et dans le cas où le miroir M2 est supposé fixe et le miroir Ml mobile, dans le plan de la pupille de l'objectif de projection 5, un point lumineux s2 fixe est observé correspondant à la réflexion sur le miroir M2 alors qu'un second point S1 oscille de part et d'autre de S2. Le signal reçu par le détecteur 6a et donné par l'expression (2) doit être exploité pour en extraire la valeur de z qui donne la position du mobile dans le champ. Pour cela, deux possibilités sont ci-après exaainées, une première plus simple consiste à effectuer un comptage de franges, une seconde plus complexe mais autorisant à une précision supérieure repose sur l'analyse de Fourier du signal. Selon la première possibilité envisagée, le nombre de franges N défilant pendant une période To = 2g/w du mouvement sinusoïdal du miroir Ml est donné par N=m/W = 2#0z/# d'où z = #N/2#0 (avec N entier). Les mesures de z étant discrètes et espacées de #z=#/2#0, il est possible d'en déduire le nombre n de points dissociables selon y n = Zmax/az = 2Zmax#0/#, et sachant que - d'une part ZmaX=2fL/D où f est la distance entre l'interféromètre 3a et l'objectif de projection 5, D la distance entre l'objectif 5 et le plan du détecteur 6a et L le côté du champ carré au niveau du détecteur 6a. - d'autre part pour Bo petit (tg#0##0) Oo=/2f où est le diamètre de la pupille de l'objectif 5. Soit l'expression de n la plus aisément exploitable lorsque la pleine pupille de l'objectif 5 est utilisée, c'est à dire en inclinant le miroir M2 d'un angle fixe tel que le faisceau tombe en bord de pupille de l'objectif 5 n = 2IIhD. Selon la deuxième possibilité envisagée, le signal reçu par le détecteur 6a est un signal périodique à spectre de raies. L'exploitation de l'amplitude des raies spectrales permet d'extraire la valeur de z. Les raies de fréquence 0, w, 2w, 3w,... nw ont des amplitudes respectivement proportionnelles aux fonctions de Bessel JO(m), J1(m),...,Jn(m) où m est l'indice de modulation. L'allure des courbes Jn(m) est donnée dans "Compléments de mathématiques de A. Angot page 382 (collection technique et scientifique du Centre National d'Etudes des Télécommunications). Il est par exemple possible d'utiliser avantageusement le rapport R(m)=J1(m)/JO(m) pour mesurer , à partir du tracé de la courbe de la fonction R(m) et avec R(m) portée en ordonnée, et m en abscisse. Ainsi, connaissant ZaX=2fL/D et Bp=l2f, mmax est déduit : mmax=2ltOL/D et pour un choix de n points discriminables de m=0 à mmax, il faut pouvoir mesurer mmin=mmaxin. A min correspond sur la courbe le rapport R(m). La précision sur la mesure de R(m) dépend directement de la précision sur la mesure de JO(m) et J1(m). Des deux possibilités ci-dessus examinées, il est de même aisé de déduire qu'un mobile peut être ramené sur l'axe YY' par comptage du nombre de franges qui défilent et qu'une vérification est ensuite effectuée par analyse de Fourier en contrôlant que le rapport J1/J0 est nul. Cependant, il subsiste une indétermination sur la position du mobile par rapport à l'axe YY', car il est nécessaire de connaître le signe de z pour une position donnée du mobile afin de déterminer dans quel sens doit agir la commande pour le ramener sur l'axe désiré. Cette information peut être obtenue en introduisant un décalage en fréquence wo entre les deux ondes PW1 et PW2 issues de l'interféromètre 3a, ce qui conduit à introduire une fréquence porteuse wo sur le signal reçu par le détecteur 6a du mobile, soit E(z,t) ce signal 2UBp E(z,t)=1+cos (tuptI A zsintut) L'analyse de Fourier de ce signal fait apparaître les raies w0, wo+w, wo2w,...etc.... La raie w0+w est utilisable comme précédemment pour guider le mobile. En outre, il est possible d'exploiter la phase de cette raie à la comparant à la phase de la raie wo pour déterminer le signe de z. Une telle mesure sur le signe de z est rendue possible par ce moyen du fait que l'introduction d'une fréquence porteuse conduit à une dissymétrie dans la propagation des ondes PW1 et PW2. En effet si w correspond à la fréquence du laser, l'une des ondes (par exemple PW1) a pour fréquence w et l'autre (PW2) a pour fréquence w+w0. Les deux ondes interfèrent dans un plan P de YY' et ZZ', pour une position fixe ep du miroir M2 la modulation d'éclairement dans le champ au plan P est donnée par E(z,t)=1+cos(t"pt1 211e0 z), A ce qui correspond à un défilement des franges dans une direction z. - z > 0 correspond à une avance de phase - z Si à présent #0 varie - Pour z > 0, une avance de phase est introduite pour la raie w+wo relativement à la raie wg - pour z Ceci suppose que la phase entre le mouvement du miroir M2 et le modulateur laser soit fixe. L'introduction d'une modulation laser conduit à une complication du schéma. Cette modulation est de plus nécessaire afin que le détecteur de mobile ne travaille pas autour de la fréquence zéro, ce qui confère un avantage substantiel au système selon l'invention en lui assurant une importante immunité aux bruits et aux brouillages. A présent, le principe exposé ci-avant conduisant à la mesure selon une direction y est généralisé à la mesure du mobile selon les directions y et x afin d'obtenir l'écartométrie dans ces deux directions. Les deux miroirs sont ainsi simultanément mobiles, le miroir M1 étant mobile autour de l'axe YY' à la fréquence f1 = w2g et le miroir M2 étant 211 mobile autour de l'axe zz' à la fréquence f2 2 211 Soit O le centre du champ, D un point du champ, X est le vecteur OD, ki le vecteur d'onde de l'onde plane PW1 et k2 le vecteur d'onde de l'onde plane PW2. L'amplitude complexe résultante au point D est égale à AD = eiklX+eik2X et l'énergie reçue par le détecteur 6a résultant des interférences des deux ondes planes PW1 et PW2 est ED = ADAD*= 1+cos [(k1-k2)X] avec k1 X = 21/A sin (Bpsintuit)z k2 X = 2#/# sin (8osinw2t)y de plus les deux ondes PW1 et PW2 sont supposées décalées en fréquence de wo comme précédemment. Le signal reçu par le détecteur est alors donné par 2# E(z,y,t)=1+cos{wot+ # [zsin(80sinwlt)+ysin(80sinwzt)l) Cette expression montre que la mesure dans les deux directions est une extension de ce qui précède, l'écartométrie en y se fait en exploitant la composante du signal reçu par le détecteur 6a à la fréquence wl et l'écartométrie en x se fait en exploitant la composante du signal à la fréquence w2. Un tel traitement du signal complet est à la portée de l'homme de l'art, par exemple en prenant pour base le document "Fiber-optic interferometer using frequency-modulated laser diodes" paru le 1er octobre 1986 dans Applied Optics (Vol.25 n19). Sur la figure 3 est représenté un schéma de principe d'un premier mode de réalisation d'un dispositif interférométrique du système de guidage interférentiel pour lequel les éléments communs aux figures 1 et 2 sont identiquement référencés. Le faisceau laser 2 pénètre dans le dispositif interférométrique 3 dont les fonctions sont de défléchir les faisceaux dans les deux directions orthogonales et de changer la fréquence de l'un des faisceaux par rapport à l'autre en introduisant une modulation de fréquence. A la sortie du dispositif 3 les faisceaux passent par la lentille de champ 4 qui les focalise dans le plan de la pupille de l'objectif de projection 5, l'objectif 5 projetant lesdits faisceaux en direction du récepteur du mobile à guider. Pour la réalisation des fonctions du dispositif interférométrique 3 ainsi définies, les moyens de mise en oeuvre peuvent être par exemple mécaniques, acousto-optiques ou électro-optiques. Etant donné la fréquence relativement faible qu'il est possible d'adopter pour les mouvements de déflexion, les moyens mécaniques sont bien adaptés à cette fonction. L'organe changeur de fréquence du laser 3b, dans ce premier mode de réalisation du système selon l'invention est un réseau tournant dont les ordres +1 et -1 sont décalés en fréquence. Ainsi les ordres +1 et -1 d'un réseau radial tournant sont utilisés pour modifier la fréquence du laser. Le décalage en fréquence Iw est égal à : w=2ERQ/p. où R est le rayon du disque tournant, Q la vitesse de rotation et p le pas du réseau. Pour les ordres +1 et -1 du réseau les faisceaux diffractés ont pour fréquence w+6w et w-6w, le décalage en fréquence d'une onde par rapport à l'autre est donc de 2 w. La réalisation du disque par photo-gravure, ainsi que la stabilisation du mouvement de rotation à des vitesses de quelques dizaines de tours par seconde ne posent aucun problème. Sur le trajet des faisceaux ainsi diffractés sont disposés les moyens de distribution 3c desdits faisceaux arrangés de manière appropriée pour dévier la lumière vers les miroirs Ml et M2 de l'interféromètre de Michelson 3a, miroirs Ml mobile autour de YY' et M2 mobile autour de ZZ' conjugués l'un de l'autre à travers une lame semi-transparente STP. Dans ce mode de réalisation les moyens de distribution des faisceaux 3c sont constitués de deux séries de miroirs plans fixes, une première série de 3 miroirs pour dévier le faisceau diffracté d'un angle correspondant à l'ordre -1 du réseau 3b, un premier miroir M3 disposé sur le trajet du faisceau à -(45"+a) déviant le faisceau de -(900+a) vers un second miroir M4 déviant à son tour le faisceau de 90 vers un troisième miroir MS qui dévie enfin le faisceau de 90 vers le premier miroir mobile Ml de l'interféromètre de Michelson, une deuxième série de 2 miroirs pour dévier le faisceau diffracté d'un angle +a correspondant à l'ordre +1 du réseau 3b, un premier miroir M6 disposé sur le trajet du faisceau à (45m+ ) déviant le faisceau de (90+ti) vers un second miroir M7 déviant à son tour le faisceau de -90 vers le second miroir mobile M2 de l'interféromètre de Michelson. Sur la figure 4 est représenté un schéma de principe d'un second mode de réalisation d'un dispositif interférométrique du système de guidage interférentiel pour lequel les éléments communs aux figures 1 et 2 sont identiquement référencés. Dans ce mode de réalisation le système de guidage est remarquable en ce que pour créer directement une modulation interférentielle permettent de réaliser l'écartométrie, d'une part la source émettant le faisceau laser produit à l'intérieur de sa cavité par effet Zeeman deux modes distincts légèrement décalés en fréquence de tua polarisés linéairement et orthogonaux, d'autre part un interféromètre de Michelson muni d'un cube séparateur polarisant sépare les faisceaux par leur polarisation, lesdits faisceaux étant recombinés au moyen de deux lames quart-d'onde qui font tourner le plan de polarisation. Ainsi pour changer la fréquence du laser on utilise la polarisation de la lumière et un effet Zeeman à l'intérieur de la cavité. Le faisceau laser 2 est de la sorte émis selon deux modes de fréquences peu différentes w+6w et w-6w et comme montré sur la figure polarisés linéairement et orthogonaux. Le faisceau ainsi polarisé passe par le dispositif interférométrique 3. Il est dévié à 90 par un miroir M'3 l'interféromètre de Michelson muni d'un cube séparateur polarisant PSC qui différentie les faisceaux selon leur polarisation et les dévie alors après séparation vers les deux miroirs mobiles Ml et M2 de l'interféromètre. Les faisceaux sont recombinés sans perte d'énergie au moyen de deux lames quart-d'onde P1 et P2 qui font tourner leur plan de polarisation, les faisceaux passant par lesdites lames P1 et P2 avant et après réflexion par les miroirs MI et M2 puis de nouveau par le cube séparateur PSC. Le bilan global énergétique dans l'interféromètre est égal à l'unité. Les faisceaux réfléchis par les miroirs mobiles Ml et M2 sont polarisés par un polariseur POL puis passent par la lentille de champ 4 qui les focalise dans le plan de la pupille de l'objectif de projection 5 et sont projetés en direction du récepteur du mobile à guider. Le choix de ces deux modes de réalisations ci-avant décrits n'est pas, bien entendu, limitatif. Dans le premier mode de réalisation à réseau tournant, il est possible de remplacer le réseau par exemple par des modulateurs acousto-optiques ce qui apporte encore plus de souplesse au système. REVENDICATIONS : 1. Système de guidage d'un mobile dll moyen d'un faisceau de lumière comportant, entre autres, une source émettant un faisceau laser suivant l'axe de guidage, des moyens de modulation selon un code dudit faisceau et un récepteur placé sur le mobile pour la détection et l'interprétation du faisceau modulé transformé en signal électrique pour la correction de trajectoire du mobile ainsi guidé, caractérisé en ce que le code de modulation est produit de manière interférentielle au moyen d'un dispositif interférométrique, le faisceau de lumière reçu par le récepteur et donc le signal électrique traité étant modulé en fréquence assurant ainsi une immunité aux bruits et aux brouillages. 2. Système de guidage d'un mobile selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif interférométrique pour créer directement une modulation interférentielle permettant de réaliser l'écartométrie comprend un organe changeur de fréquence pour changer la fréquence du laser en introduisant une modulation de fréquence et un interféromètre de Michelson associé à des moyens de distribution des faisceaux pour défléchir lesdits faisceaux dans deux directions orthogonales. 3. Système de guidage d'un mobile selon l'une des revendications 1 à 2 caractérisé en ce que l'organe changeur de fréquence du laser est un réseau tournant dont les ordres +1 et -1 sont décalés en fréquence. 4. Système de guidage d'un mobile selon l'une des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que les moyens de distribution des faisceaux sont constitués de deux séries de miroirs plans fixes, une première série de 3 miroirs pour dévier le faisceau diffracté d'un angle - correspondant à l'ordre -1 du réseau, un premier miroir disposé sur le trajet du faisceau à -(45f+a) déviant le faisceau de -(90"+a) vers un second miroir déviant à son tour le faisceau de 90 vers un troisième miroir qui dévie enfin le faisceau de 900 vers le premier miroir mobile de l'interféromètre de Michelson, une deuxième série de 2 miroirs pour dévier le faisceau diffracté d'un angle + correspondant à l'ordre +1 du réseau, un premier miroir disposé sur le trajet du faisceau à (45"+a) déviant le faisceau de (90"+a) vers un second miroir déviant à son tour le faisceau de -90" vers le second miroir mobile de l'interféromètre de Michelson. 5.- Système de guidage d'un mobile selon la revendication 1 caractérisé en ce que pour créer directement une modulation interférentielle permettant de réaliser l'écartométrie d'une part, la source émettant le faisceau laser produit à l'intérieur de sa cavité par effet Zeeman deux modes distincts légèrement décalés en fréquence polarisés linéairement et orthogonaux, d'autre part un interféromètre de Michelson muni d'un cube séparateur polarisant sépare les faisceaux par leur polarisation, lesdits faisceaux étant ensuite recombinés au moyen de deux lames quart-d'onde qui font tourner le plan de polarisation.