Brevet FR2971343A1 — publié le 20120810

Dispositif aéroporté de télémétrie par laser, à division d'impulsions, et système de relevé topographique correspondant 1. Domaine de l'invention Le domaine de l'invention est celui de la télémétrie en général, et de la topographie en particulier. Plus précisément, l'invention concerne un dispositif de télémétrie par laser destiné à être embarqué dans un aéronef, et un système de relevé topographique correspondant. L'invention trouve notamment, mais non exclusivement, une application en topographie, et peut également s'appliquer à la bathymétrie ou à la mesure de biomasse, par exemple. 2. Etat de la technique Les relevés topographiques de haute résolution sont largement utilisés par exemple dans la gestion de l'urbanisme, pour surveiller des zones inondables ou plus généralement dans la prévention des risques liés aux événements naturels. Une technique connue permettant de procéder de jour ou de nuit à des relevés topographiques directs du relief naturel, en l'absence ou non de zones boisées, et des constructions humaines est la technique de télédétection par laser aéroporté, communément désignée sous le terme LIDAR (acronyme en anglais de "LIght Detection And Ranging") aéroporté. La technique de LIDAR aéroporté consiste à survoler une zone géographique avec un aéronef, dans lequel est embarquée une plateforme LIDAR, dont le laser émet à intervalle régulier une impulsion de lumière en direction d'un point de la zone à topographier. La distance séparant l'aéronef du point cible est déterminée en mesurant la durée du trajet aller-retour de l'impulsion de lumière, entre le laser et un détecteur de lumière monté sur la plateforme qui intercepte la fraction de l'impulsion réfléchie par la surface du sol. Classiquement, une nouvelle impulsion n'est émise par le laser des LIDAR aéroportés de type connu que lorsque la fraction réfléchie de l'impulsion précédente est détectée, afin d'éviter de confondre des fractions de lumière issues d'impulsions consécutives. Ceci a pour conséquence de limiter sensiblement la fréquence impulsionnelle maximale du laser, notamment dans le cas où l'aéronef vole à moyenne ou à haute altitude. Par exemple, compte-tenu de la vitesse de la lumière, cette fréquence maximale est inférieure à 30 kHz, si l'aéronef vole à une hauteur supérieure à 4000 mètres au dessus de la surface du sol. Ainsi, la mise en oeuvre des techniques de LIDAR connus nécessite de faire voler l'aéronef d'une part à très basse altitude, et par exemple au dessous de 500 mètres au-dessus du sol où la fréquence d'émission peut dépasser 150kHz, et d'autre part à faible vitesse, pour pouvoir réaliser des relevés topographiques avec une résolution inférieure au mètre. L'utilisation de ces techniques de LIDAR aéroportés pour obtenir des relevés avec une résolution élevée, et ainsi répondre à la demande actuelle, engendre donc des risques accrus pour le pilote de l'aéronef, ce qui n'est pas satisfaisant. 3. Obiectifs de l'invention L'invention a donc notamment pour objectif de pallier les inconvénients de l'état de la technique cités ci-dessus. Plus précisément l'invention a pour objectif de fournir une technique de télémétrie par laser aéroporté qui permette de réaliser des mesures dans des conditions de vol sécurisées, et notamment qui ne nécessite pas de voler à très basse altitude et/ou avec une vitesse faible. Un objectif de l'invention est également de fournir une telle technique qui permette de réaliser des relevés topographiques avec une résolution convenable. Un autre objectif de l'invention est de fournir une telle technique de télémétrie qui soit faible, et précise. L'invention a également pour objectif de proposer une telle technique de télémétrie qui soit simple à mettre en oeuvre. Encore un objectif de l'invention est de fournir une telle technique qui soit d'un coût de revient réduit. 4. Exposé de l'invention Ces objectifs, ainsi que d'autres qui apparaitront par la suite sont atteints à l'aide d'un dispositif de télémétrie apte à être aéroporté, comprenant un laser configuré pour émettre au moins une impulsion de lumière. Selon l'invention, un tel dispositif de télémétrie comprend : - des moyens de division de ladite impulsion émise en une pluralité d'impulsions secondaires ; - des moyens de détection de la fraction réfléchie de chacune desdits impulsions secondaires ; - des moyens de mesure, pour chacune desdites impulsions secondaires, d'une donnée représentative de la durée du trajet de la lumière entre l'émission de ladite impulsion émise par ledit laser et la réception de ladite fraction réfléchie de ladite impulsion secondaire par lesdits moyens de détection ; - des moyens de détermination, pour chacune desdites impulsions secondaires, d'une information représentative de la distance entre ledit dispositif et la position de réflexion de ladite impulsion secondaire sur la surface du sol, à partir de ladite donnée représentative de la durée du trajet de la lumière associée à ladite impulsion secondaire. Ainsi, de façon inédite, l'invention propose de diviser l'impulsion émise par le laser en une pluralité d'impulsions secondaires, afin de pouvoir augmenter la vitesse et/ou l'altitude de l'aéronef tout en conservant une résolution convenable. Préférentiellement, un tel dispositif de télémétrie comprend des moyens de différenciation de chacun desdites impulsions secondaires transmises. L'identification des fractions réfléchies détectée est ainsi plus aisée. Selon un aspect particulier de l'invention, lesdits moyens de différenciation comprennent au moins un élément appartenant au groupe comprenant : - polarisateur ; - modulateur. Dans un mode de réalisation particulier de l'invention, il peut également être envisagé de modifier la bande de fréquence d'au moins une desdites impulsions secondaires, par exemple par filtrage ou par couplage non linéaire. Dans des modes de réalisations particuliers de l'invention, ladite pluralité d'impulsions secondaires présente quatre, six ou huit impulsions secondaires. De façon avantageuse, l'intensité desdites impulsions secondaires est sensiblement identique. On facilite ainsi la détection de l'ensemble des fractions réfléchies de ces impulsions secondaires. Selon un mode de réalisation avantageux de l'invention, lesdits moyens de détection comprennent une pluralité de détecteurs associés chacun à l'une desdites impulsions secondaires. L'identification de la fraction réfléchie de chacune desdits impulsions secondaires reçue par les moyens de détection est ainsi facilitée. Par ailleurs, le niveau de bruit est réduit au niveau de chacun des récepteurs, ce qui simplifie le traitement. Dans un mode de réalisation particulier de l'invention, il peut également être envisagé de prévoir un détecteur optique plan unique permettant de distinguer les fractions réfléchies entre elles en fonction de leur point d'impact sur sa surface. De façon préférentielle, lesdits moyens de division comprennent des moyens de déviation de chacune desdites impulsions secondaires dans des directions distinctes prédéterminées. Ainsi, on peut couvrir, à chaque nouvelle impulsion émise, une zone plus étendue au sol, pouvant par exemple présenter un contour régulier ou un contour plus prononcé dans une direction privilégiée. Dans au moins un mode de réalisation particulier de l'invention, il peut également être envisagé de prévoir des moyens de variation des directions d'incidence des impulsions secondaires entre deux impulsions émises. Selon un aspect particulier de l'invention, au moins trois desdites directions distinctes prédéterminées sont coplanaires. Avantageusement, ledit laser est un laser à fibre. Il peut notamment s'agir d'un laser à fibre à double gaine co-dopée Erbium-Ytterbium. L'invention concerne également un système de relevé topographique d'au moins une zone prédéterminée de la surface du sol apte à être aéroporté par un aéronef, comprenant : - un dispositif de télémétrie tel que l'un de ceux décrits précédemment, configuré de sorte à pouvoir émettre une pluralité d'impulsions secondaires en direction de ladite zone ; - des moyens de mesure de l'orientation dudit dispositif de télémétrie, comprenant préférentiellement une centrale inertielle, aptes à fournir une information représentative de l'orientation dudit dispositif de télémétrie ; - des moyens de géolocalisation dudit dispositif de télémétrie, comprenant préférentiellement un récepteur GPS embarqué sur ledit aéronef, aptes à fournir une information représentative de la position dudit dispositif de télémétrie ; - des moyens de traitement desdites informations représentatives des distances entre ledit dispositif de télémétrie et les positions de réflexion desdites impulsions secondaires sur ladite zone, de ladite information représentative de l'orientation dudit dispositif de télémétrie, et de ladite information représentative de la position dudit dispositif de télémétrie, destinés à fournir une représentation spatiale de ladite zone prédéterminée de la surface du sol. Dans au moins un mode de réalisation de l'invention, les moyens de mesure de l'orientation sont prévus pour évaluer les variations de l'angle de roulis, de l'angle de tangage, et de l'angle de lacet de l'aéronef. Un récepteur GPS (acronyme de "Global positioning system" en anglais) peut également être implanté au sol pour augmenter la précision de mesure de la position de l'aéronef et du dispositif de télémétrie. L'invention a également pour objet un procédé de télémétrie par laser comprenant les étapes consistant à : - émettre une impulsion de lumière à partir dudit laser ; - diviser ladite impulsion émise en une pluralité d'impulsions secondaires ; - détecter la fraction réfléchie de chacune desdits impulsions secondaires ; - mesurer, pour chacune desdites impulsions secondaires, une donnée représentative de la durée du trajet de la lumière entre l'émission de ladite impulsion émise par ledit laser et la réception de ladite fraction réfléchie de ladite impulsion secondaire par lesdits moyens de détection ; - déterminer, pour chacune desdites impulsions secondaires, une information représentative de la distance entre ledit dispositif et la position de réflexion de ladite impulsion secondaire sur la surface du sol, à partir de ladite donnée représentative de la durée du trajet de la lumière associée à ladite impulsion secondaire. 5. Liste des fiqures D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaitront plus clairement à la lecture de la description suivante d'un mode de réalisation de l'invention, donné à titre de simple exemple illustratif et non limitatif, et des dessins annexés parmi lesquels : - la figure 1 représente un avion dans lequel on a embarqué un exemple de dispositif de télémétrie par laser selon l'invention ; - la figure 2 est une vue de détail du dispositif de télémétrie présenté en référence à la figure 1. 6. Description détaillée de l'invention 6.1. Exemple de mode de réalisation de l'invention On a illustré sur la figure 1, un exemple de mode de réalisation d'un dispositif de télémétrie directe par laser 11 embarqué dans un avion 12. Dans ce mode de réalisation de l'invention, l'avion 12 est en outre équipé d'un récepteur GPS 13 communiquant avec une pluralité de satellites, et d'une centrale inertielle 14, afin d'évaluer la position et l'orientation de l'avion 12. Un récepteur GPS 15 est également prévu au sol, pour corriger la position de l'avion évaluée par le récepteur GPS 13. Comme on peut le voir en détail sur la figure 2, le dispositif de télémétrie 11 comprend une plateforme LIDAR 22 sur laquelle est monté un laser à fibre à impulsions 23 émettant des impulsions de lumière 24 à une fréquence de 50kHz, et une unité de détection optique 25 équipée de quatre photodiodes à avalanche 26. Dans une variante de ce mode de réalisation de l'invention, l'unité de détection optique peut comprendre des photodiodes PIN, un photomultiplicateur, ou tout autre photo-détecteur de type connu. Un système optique connu en soi 27, permettant de diviser le faisceau de l'impulsion 24 émise par le laser 23 en quatre impulsions secondaires d'intensité identique 18 et 19, tel que par exemple une plaque semi-réflective, ou un diviseur de faisceau polarisant couplé à une plaque quart d'onde, est monté dans l'alignement du laser 23. Il convient de noter que sur la figure 1, seules deux impulsions secondaires 18 et 19 sont représentées pour des raisons de clarté, à la sortie de l'avion 12. Dans ce mode de réalisation de l'invention, les impulsions secondaires 18 et 19 sont transmises avec une incidence oblique en direction de la surface du sol 110, faisant un angle d'environ 80° par rapport au plan horizontal de l'avion 12, dont la valeur est mesurée par un capteur. Elles se répartissent sur des trajectoires incidentes parallèles distantes de 0,4 mètre deux à deux, grâce à un agencement de miroirs et de prismes (non représenté sur les figures 1 et 2). Un miroir 214 permet de diriger la fraction de lumière 112 de l'impulsion secondaire 18 réfléchie sur une portion de la surface du sol 110 vers une première photodiode prédéterminée de l'unité de détection 25 associé à l'impulsion secondaire 18, et la fraction de lumière 113 de l'impulsion secondaire 19 réfléchie sur une autre portion de la surface du sol 110 vers une deuxième photodiode prédéterminée de l'unité de détection 25 associée à l'impulsion secondaire 19. Le laser 23 et l'unité de détection optique 25 sont reliés à un module électronique 211 d'acquisition, qui échantillonne des signaux correspondant à l'intensité de la lumière émise par le laser et aux intensités de lumière reçues par les photodiodes 26. Un traitement de ces signaux est réalisé par un micro-processeur intégré au module électronique 211, afin de déterminer la durée du trajet aller-retour de la lumière issue de l'une ou l'autre des impulsions secondaires 18 et 19. Ce micro-processeur calcule également une information représentative de la distance du dispositif 11 à la position de la portion de surface du sol visée, à partir d'une modélisation basée sur une reconstruction géométrique du trajet de la lumière, prenant en compte notamment l'angle d'incidence de l'impulsion secondaire, et la durée du trajet aller-retour de la lumière. Dans le cas où une fraction de lumière est déviée hors du champ de l'unité de détection, et donc qu'aucun pic de lumière correspondant à une fraction de lumière issue d'une des impulsions secondaires n'est décelable au sein du signal parvenant à la photodiode associée à cette impulsion secondaire, le module électronique 211 est avantageusement configuré pour arrêter l'enregistrement du signal correspondant après une durée maximale évaluée en fonction d'une durée estimative du trajet de la lumière de cette impulsion secondaire. Un ordinateur 212 enregistre en continu les informations représentatives des distances entre l'avion et la surface du sol transmises par le module électronique 211. Une application logicielle hébergée sur l'ordinateur 212 corrèle ces informations avec les mesures de la position et de l'orientation de l'avion, et fournit une représentation spatiale de la surface de sol topographiée regroupant des millions de données collectées, stockées dans une mémoire de l'ordinateur 212, ou retransmise par voie satellitaire vers un terminal informatique situé au sol. 6.2. Autres caractéristiques optionnelles et avantages de l'invention Dans des variantes du mode de réalisation de l'invention détaillé ci-dessus, il peut également être prévu : - des moyens de différenciation des impulsions secondaires transmises, comprenant par exemple un polarisateur ou un modulateur de phase, afin de pouvoir mettre en oeuvre une unité de détection équipée d'un unique détecteur de lumière ; - de diviser le faisceau de l'impulsion émise par le laser de la plateforme LIDAR en six ou huit impulsions secondaires ; - d'enregistrer l'intensité des fractions de lumière détectées, dans le but par exemple d'en déduire une information concernant la surface du sol topographié. Dans une autre variante, il peut être envisagé, sans sortir du cadre de l'invention, de dévier les impulsions secondaires dans des directions distinctes prédéterminées, et/ou de faire varier la direction des impulsions secondaires entre deux impulsions émises par le laser. REVENDICATIONS1. Dispositif de télémétrie apte à être aéroporté, comprenant un laser configuré pour émettre au moins une impulsion de lumière, caractérisé en ce qu'il comprend : - des moyens de division de ladite impulsion émise en une pluralité d'impulsions secondaires ; - des moyens de détection de la fraction réfléchie de chacune desdits impulsions secondaires ; - des moyens de mesure, pour chacune desdites impulsions secondaires, d'une donnée représentative de la durée du trajet de la lumière entre l'émission de ladite impulsion émise par ledit laser et la réception de ladite fraction réfléchie de ladite impulsion secondaire par lesdits moyens de détection ; - des moyens de détermination, pour chacune desdites impulsions secondaires, d'une information représentative de la distance entre ledit dispositif et la position de réflexion de ladite impulsion secondaire sur la surface du sol, à partir de ladite donnée représentative de la durée du trajet de la lumière associée à ladite impulsion secondaire. 2. Dispositif de télémétrie selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de différenciation de chacun desdites impulsions secondaires transmises. 3. Dispositif de télémétrie selon la revendication 2, caractérisé en ce que lesdits moyens de différenciation comprennent au moins un élément appartenant au groupe comprenant : - polarisateur ; - modulateur. 4. Dispositif de télémétrie selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ladite pluralité d'impulsions secondaires présente quatre, six ou huit impulsions secondaires. 5. Dispositif de télémétrie selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'intensité desdites impulsions secondaires est sensiblement identique. 6. Dispositif de télémétrie selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que lesdits moyens de détection comprennent une pluralité de détecteurs associés chacun à l'une desdites impulsions secondaires. 7. Dispositif de télémétrie selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que lesdits moyens de division comprennent des moyens de déviation de chacune desdites impulsions secondaires dans des directions distinctes prédéterminées. 8. Dispositif de télémétrie selon l'une des revendications 7, caractérisé en ce qu'au moins trois desdites directions distinctes prédéterminées sont coplanaires. 9. Dispositif de télémétrie selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que ledit laser est un laser à fibre. 10. Système de relevé topographique d'au moins une zone prédéterminée de la surface du sol apte à être aéroporté par un aéronef, caractérisé en ce qu'il comprend : - un dispositif de télémétrie selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, configuré de sorte à pouvoir émettre une pluralité d'impulsions secondaires en direction de ladite zone ; - des moyens de mesure de l'orientation dudit dispositif de télémétrie, comprenant préférentiellement une centrale inertielle, aptes à fournir une information représentative de l'orientation dudit dispositif de télémétrie ; - des moyens de géolocalisation dudit dispositif de télémétrie, comprenant préférentiellement un récepteur GPS embarqué sur ledit aéronef, aptes à fournir une information représentative de la position dudit dispositif de télémétrie ; - des moyens de traitement desdites informations représentatives des distances entre ledit dispositif de télémétrie et les positions de réflexion desdites impulsions secondaires sur ladite zone, de ladite informationreprésentative de l'orientation dudit dispositif de télémétrie, et de ladite information représentative de la position dudit dispositif de télémétrie, destinés à fournir une représentation spatiale de ladite zone prédéterminée de la surface du sol.5