Brevet FR2769992A1 — publié le 19990423

La présente invention concerne un dispositif optique pour la mesure de distance et/ou de vitesse d'objet. Elle concerne le domaine de la télémétrie, c'est à dire la mesure de la distance d'un objet à une position de référence o se trouve la station de mesure. L'invention s'applique plus particulièrement à l'acquisition d'objets mobiles, par la mesure de leur distance et de leur vitesse de déplacement relatif. La plupart des dispositifs de télémétrie sont réalisés sur le principe de la mesure de temps de propagation ou temps de vol d'une impulsion laser, émise par la station de mesure et rétrodiffusée par l'objet vers la position de référence o l'impulsion est détectée. Ces dispositifs nécessitent des lasers de forte puissance, parfois encombrants et souvent en dehors des normes de sécurité oculaire. Une alternative à l'utilisation des sources impulsionnelles est l'utilisation de sources laser continues, modulées en amplitude. On sait calculer, notamment dans la technique radar, à partir du signal de modulation et du signal représentatif de l'onde modulée rétrodiffusée par l'objet, la distance et/ou la vitesse de l'objet. Des études sont menées sur ce type de dispositifs, dans des domaines ne nécessitant pas de très longues portées, par exemple dans le domaine de la vision robotique ou dans celui du secteur automobile pour le contrôle de la distance et de la vitesse des véhicules. Ces dispositifs présentent l'avantage de fonctionner avec des sources laser continues, de faible puissance, compactes, par exemple des diodes laser. Cependant, un inconvénient majeur de ces types de dispositifs réside dans le fait qu'ils emploient pour l'un des impulsions lumineuses brèves (d'environ quelques dizaines de nanosecondes), pour l'autre des modulations d'amplitude rapides (supérieures au mégaherz), qui sont aisément détectées par des dispositifs d'alerte laser (en abrégé DAL). Un DAL permet en effet de détecter dans son champ d'observation des points lumineux dont l'intensité varie rapidement en comparaison des variations temporelles habituellement détectées dans une scène. La présente invention vise à remplacer la modulation d'amplitude de l'onde émise par la source laser par une modulation de polarisation, qui est difficilement détectée par un dispositif d'alerte laser. A la réception, la modulation de polarisation de l'onde rétrodiffusée par l'objet peut être transformée en modulation d'amplitude, I'onde rétrodiffusée pouvant alors être détectée par des moyens de détection optoélectroniques classiques. Le traitement du signal permettant d'extraire la distance et/ou la vitesse de l'objet est alors le même que celui mis en oeuvre dans les dispositifs à modulation d'amplitude. Plus précisément, la présente invention a pour objet un dispositif optique pour la mesure de la distance et/ou de la vitesse d'un objet caractérisé en ce qu'il comporte des moyens d'émission continue ou quasi- continue d'un faisceau lumineux polarisé permettant d'éclairer l'objet, un modulateur de polarisation recevant d'un boîtier de commande un signal de commande, modulant la polarisation du faisceau selon une loi déterminée par le signal de commande, des moyens de détection de la partie du faisceau qui est rétrodiffusée par l'objet, délivrant un signal électrique dont la modulation en amplitude correspond à la modulation de la polarisation du faisceau rétrodiffusé, des moyens de traitement du signal recevant le signal électrique et le signal de commande et délivrant la distance et/ou la vitesse de l'objet. Pour que l'onde modulée en polarisation et dirigée vers l'objet soit la moins visible possible par un éventuel détecteur d'alerte laser, sa polarisation peut être, de manière avantageuse, isotrope, en alternant par exemple polarisations circulaires gauche et droite. Outre sa discrétion par rapport aux détecteurs d'alerte laser, le dispositif de mesure de distance et/ou d'objet selon l'invention présente l'avantage d'être simple à mettre en oeuvre, compact, bas coût et d'utiliser des sources laser continues de faible puissance, compatibles avec les normes de sécurité oculaire. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description qui suit, accompagnée des figures annexées qui représentent respectivement: - la figure 1, une vue schématique d'un exemple de réalisation du dispositif selon l'invention, - les figures 2a, 2b, 2c, 2d, les états de polarisation de l'onde émise par la source laser puis rétrodiffusée par l'objet dans un mode de fonctionnement particulier du dispositif selon l'invention, - la figure 3, la courbe donnant en fonction du degré de polarisation d'un objet le taux de modulation du signal représentatif de l'onde rétrodiffusée par la cible dans un mode de fonctionnement particulier du dispositif selon l'invention, - la figure 4, un autre exemple de réalisation du dispositif selon l'invention, illustrant un mode particulier de mise en oeuvre. Sur ces différentes figures, les mêmes références se rapportent aux mêmes éléments. Un exemple de réalisation du dispositif selon l'invention est illustré sur la figure 1. Il représente le cas général d'un dispositif bistatique, c'est à dire que l'optique d'émission du faisceau éclairant l'objet et l'optique de collection du flux rétrodiffusé vers la station de mesure sont distinctes. Le cas particulier d'un dispositif monostatique, c'est à dire que les optiques d'émission et de collection sont confondues, sera traité plus loin. Dans l'exemple de réalisation illustré sur la figure 1, les moyens d'émission ME comportent une source LAS continue ou quasi-continue, émettant un faisceau lumineux permettant d'éclairer l'objet. On appelle ici faisceau lumineux un faisceau émis à une longueur d'onde visible ou infrarouge. D'autre part, on appelle ici source quasi- continue une source délivrant des impulsions de durée supérieure à la microseconde. Par la suite, sources continues et quasi-continues seront appelées simplement 'sources continues'. A la sortie de la source est éventuellement placé un polariseur P1 afin d'obtenir un faisceau polarisé si tel n'est pas le cas directement en sortie de celle-ci. La source est avantageusement une source laser dont la directivité permet d'obtenir de plus grandes portées en télémétrie. On peut par exemple utiliser un laser solide de type Erbium (Er3+), pompé diode, dont la sortie est connectée à une fibre optique, qui émet en continu un faisceau E polarisé linéairement, d'une puissance par exemple égale à 200 mW, à la longueur d'onde 1.54 Ilm, longueur d'onde dite de sécurité oculaire car l'oeil est peu vulnérable à cette longueur d'onde. Nous supposons ici, pour illustrer un mode de fonctionnement particulier du dispositif selon l'invention, que la polarisation est horizontale. Cet état de polarisation est matérialisé, en pointillé, sur la figure 2a. Les axes x et y sont respectivement les axes horizontal et vertical, perpendiculaires à l'axe de propagation du faisceau. Le faisceau E traverse un modulateur de polarisation MP qui est connecté au laser par une fibre à maintien de polarisation 11. Le modulateur de polarisation MP permet de moduler la polarisation du faisceau selon une loi déterminée par un signal de commande électrique s(t) délivré par un boîtier de commande COM. Le modulateur MP peut être constitué par un cristal électro-optique, par exemple du type Niobate de Lithium. Un retard de phase entre les axes propres du cristal électro- optique permet de modifier la polarisation du faisceau E incident. Ce retard est généré par l'application d'une tension électrique sur le cristal. Dans le cadre de l'invention, on peut moduler la polarisation du faisceau E de différentes façons. La configuration choisie ici permet de générer une polarisation circulaire gauche ou droite en fonction de la tension appliquée. Pour cela, les axes propres du cristal électro- optique, axe rapide 21 et axe lent 22, sont placés à 45 des axes x et y, comme cela est représenté sur la figure 2b. La tension V = + V,/2 appliquée sur le cristal est choisie de telle sorte que le déphasage généré entre les axes propres du cristal soit (=+ n/2. Ainsi, le signal s(t) peut être selon le mode de réalisation décrit, un signal d'amplitude maximale + V,/2, modulé en amplitude à une fréquence f, égale par exemple à 100 Mhz. La polarisation linéaire selon x devient dans cet exemple une polarisation circulaire gauche (en pointillé, notée g, sur la figure 2b) ou circulaire droite (en pointillé, notée d, sur la figure 2b) en fonction du signe de la tension appliquée. L'avantage de cette configuration réside dans le fait que l'onde qui parvient sur l'objet, que sa polarisation soit circulaire gauche ou circulaire droite, est isotrope. La modulation de l'onde n'est donc plus détectable par un détecteur d'alerte laser (ou DAL) qui peut parfois être sensible à l'anisotropie de l'onde incidente, et ce, même si ce dernier comporte un polariseur linéaire; dans ce cas, le flux lumineux qui parvient sur le DAL est réduit de moitié mais il reste constant et donc, demeure invisible pour le DAL. Le faisceau E est ensuite mis en forme par un système optique COL, par exemple un système optique afocal, appelé collimateur, qui permet d'adapter la taille du faisceau et sa divergence au champ que l'on veut couvrir. Le système optique COL est relié au modulateur de polarisation par une fibre optique 12. Le faisceau E se propage ensuite dans l'espace libre jusqu'à l'objet OB dont on cherche à déterminer la distance d à la station de mesure et la vitesse de déplacement relatif v, puis il est diffusé ou réfléchi par l'objet. La partie E' du flux qui est diffusée ou réfléchie en direction de la station de mesure, que l'on appelle simplement ici 'rétrodiffusée', est collectée grâce à un objectif 13. Des moyens de détection MD délivrent un photocourant r(t) modulé en amplitude, représentatif du faisceau E' rétrodiffusé par l'objet. Ces moyens de détection peuvent être constitués d'un système d'analyse de la polarisation APO et d'un détecteur DET du type photodiode, par exemple une photodiode InGaAs. Le système d'analyse de la polarisation est par exemple constitué d'une lame quart d'onde dont les axes 23 et 24 sont à 45 des axes x et y, comme cela est représenté sur la figure 2c, et d'un polariseur linéaire dont la direction de transmission 25 est horizontale (selon x), comme cela est représenté sur la figure 2d. Après traversée de la lame quart d'onde, qui génère un déphasage de n/2 entre ses axes propres, la polarisation du faisceau qui était circulaire, devient linéaire, passant d'une polarisation linéaire horizontale à une polarisation linéaire verticale selon le sens de la polarisation circulaire avant le passage à travers la lame quart d'onde (les états de polarisation sont matérialisés en pointillé sur la figure 2c). La modulation de la polarisation correspond à la modulation du signal de commande. La direction de transmission du polariseur étant horizontale dans l'exemple choisi, seule la composante horizontale du faisceau E' est transmise, comme cela est représenté (en pointillé) sur la figure 2d; le flux qui parvient sur le détecteur DET passe donc d'une valeur maximale à une valeur minimale selon l'état de la polarisation du faisceau avant son passage à travers l'analyseur APO. Ainsi, le photocourant délivré par le détecteur r(t) constitue un signal électrique, modulé en amplitude, qui peut être traité avec le signal électrique s(t) issu du boîtier de commande COM grâce à un module de traitement du signal TS, afin d'extraire la distance d et/ou la vitesse v de l'objet de façon classique. La portée du dispositif selon l'invention est liée au taux de modulation du signal électrique modulé r(t) représentatif du faisceau E' rétrodiffusé par l'objet. Ce taux de modulation dépend d'un coefficient propre à l'objet, appelé coefficient de polarisation et noté Dp. Le calcul montre que cette dépendance est linéaire, comme cela est représenté sur la figure 3. Dp vaut 0% pour un objet complètement dépolarisant, c'est à dire qu'il y a une perte de cohérence totale entre les composantes 0 orthogonales du champ électrique correspondant au faisceau lumineux E une fois que celui-ci est diffusé par l'objet. Toutefois, ce type d'objet se rencontre très rarement. Le coefficient de polarisation mesuré le plus faible est d'environ 10% (pour le sable). On observe que les objets présentant les coefficients de polarisation les plus faibles sont les objets naturels alors que les objets 'faits par l'homme', qui sont les plus intéressants a priori pour les applications mettant en oeuvre le dispositif selon l'invention, sont peu dépolarisants. Un autre exemple de réalisation du dispositif selon l'invention, monostatique, est représenté sur la figure 4. Les dispositifs usuels de télémétrie utilisent une technique classique de discrimination de la polarisation du faisceau émis et du faisceau collecté après rétrodiffusion sur l'objet pour faire passer les deux faisceaux par la même optique. Ces dispositifs, monostatiques, sont moins encombrants et présentent moins de difficultés d'alignement que les dispositifs bistatiques dans lesquels il y a un décalage spatial entre les faisceaux. Cette technique ne peut être utilisée dans le dispositif selon l'invention du fait que le principe même de la détection est basé sur les états de polarisation des faisceaux émis et collecté. Une autre façon de rendre le dispositif monostatique consiste à utiliser un système optique (41), qui peut être par exemple un télescope de Newton, assurant l'émission du faisceau E et la collection du flux E'. Il comporte une lame réfléchissante 42 et un miroir concave 43, par exemple un miroir sphérique, la lame 42 étant approximativement centrée sur l'axe principal SC du miroir, positionnée entre le sommet S du miroir et son foyer, inclinée par rapport à l'axe SC, par exemple avec un angle de 45 , de telle sorte à réfléchir le faisceau E issu du système optique COL vers l'objet tout en permettant de renvoyer vers l'analyseur de polarisation APO et le détecteur DET le flux E' rétrodiffusé par l'objet et collecté par le miroir 43. La lame 42 est choisie de dimension minimale pour occulter une partie du flux rétrodiffusée E' la plus petite possible. Le dispositif selon l'invention peut également comporter un élément optique 44 amovible permettant de transformer la modulation de polarisation en modulation d'amplitude pour la mesure de distance et/ou d'objet dont le coefficient de polarisation serait trop faible pour pouvoir effectuer la mesure à partir de la modulation de polarisation du faisceau rétrodiffusé E'. Le dispositif peut alors fonctionner selon deux modes, soit en modulation de polarisation (sans l'élément 44), soit en modulation d'amplitude (avec l'élément 44). Cet élément optique 44 peut être un analyseur de polarisation du type de celui décrit précédemment, comportant une lame quart d'onde et un polariseur linéaire dont la direction de transmission est à 45 des axes propres de la lame. Dans ce cas, un signal de commande s(t) tel que décrit dans l'exemple de réalisation précédent, permet de moduler la polarisation du faisceau E, la faisant passer de polarisation circulaire gauche à polarisation circulaire droite et l'élément 44 transforme la modulation de polarisation en modulation d'amplitude. L'élément optique 44 peut également être constitué d'un polariseur linéaire, le polariseur Pl, mis en place, étant lui- même un polariseur linéaire dont la direction de transmission est parallèle ou perpendiculaire à celle de l'élément 44. Dans ce cas, le signal s(t) peut être constitué d'un signal modulé en amplitude dont l'amplitude maximale vaut V = + V= de telle sorte que le déphasage induit entre les axes propres du cristal électro-optique dont est par exemple constitué le modulateur de polarisation et qui sont placés à 45 de la direction du polariseur P1, soit 4= 7r. Ainsi, le modulateur de polarisation se comporte comme une lame demi-onde, faisant passer la polarisation du faisceau E de polarisation linéaire horizontale à polarisation linéaire verticale. Après passage à travers l'élément 44, le faisceau E est modulé en amplitude. L'analyseur de polarisation APO peut être mobile pour être éventuellement retiré si le dispositif travaille selon ce mode de fonctionnement. REVENDICATIONS 1 - Dispositif optique pour la mesure de la distance et/ou de la vitesse d'un objet, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens d'émission (ME) continue ou quasi-continue d'un faisceau lumineux polarisé permettant d'éclairer l'objet (OB), un modulateur de polarisation (MP) recevant d'un boîtier de commande (COM) un signal de commande, modulant la polarisation du faisceau selon une loi déterminée par le signal de commande, des moyens de détection (MD) de la partie du faisceau qui est rétrodiffusée par l'objet, délivrant un signal électrique dont la modulation en amplitude correspond à la modulation de la polarisation du faisceau rétrodiffusé, des moyens de traitement du signal (TS) recevant le signal électrique et le signal de commande et délivrant la distance et/ou la vitesse de Il'objet. 2 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens d'émission comportent une source laser. 3 - Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que la source laser émet à 1,54 ptm. 4 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens d'émission comportent un polariseur (Pl) permettant de polariser le faisceau lumineux. - Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la loi de modulation de la polarisation du faisceau émis (E) fait passer alternativement la polarisation de circulaire gauche à circulaire droite. 6 - Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le modulateur de polarisation comporte un cristal électro-optique dont le déphasage entre les axes propres est généré par un signal de commande modulé en amplitude. 7 - Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'amplitude maximale du signal de commande vaut + V,/2, soit la tension nécessaire pour générer un déphasage de n/2 entre les axes propres du cristal électro-optique, que les moyens d'émission délivrent un faisceau dont la polarisation est linéaire et que les axes du cristal sont placés à de la direction de polarisation, de transformer cette polarisation en polarisation circulaire gauche ou droite, selon le signe de la tension. 8 - Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un système optique (COL) de mise en forme du faisceau lumineux émis (E). 9 - Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une optique de collection (13) de la partie du faisceau rétrodiffusée par l'objet (E') à travers laquelle ne passe pas le faisceau émis (E). 10 - Dispositif selon les revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un dispositif optique (41) à travers lequel passent le faisceau émis (E) et le faisceau rétrodiffusée (E'). I 1 - Dispositif selon la revendication 10 caractérisé en ce que le dispositif optique est du type télescope de Newton. 1 5 1 2 - Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens de détection comportent un analyseur de polarisation (APO), permettant de transformer la modulation de polarisation du faisceau rétrodiffusé en modulation d'amplitude, et un détecteur. 13 - Dispositif selon la revendication 12, caractérisé en ce que l'analyseur de polarisation comporte une lame quart d'onde et un polariseur linéaire dont la direction de transmission est à 45 des axes propres de la lame. 14 - Dispositif selon la revendication 12, caractérisé en ce que le détecteur est une photodiode. - Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un élément optique (44) amovible, placé après le modulateur de polarisation (MP), et permettant de transformer la modulation de polarisation en modulation d'amplitude.