FR2694415A1 - Sweeping optical beam of frequency modulated LIDAR detector on vehicle - using tuned laser operating on several adjacent wavelengths, modulating polarisation, and deviating beam first order diffraction line - Google Patents
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Abstract
Description
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.The subject of the invention is a scanning method for the optical beam of a detector of the frequency modulation lidar type obtained by modulating the intensity of the polarization current of the emitting laser such as that described in patent application N "9204359 filed April 4, 1992 in the name of the plaintiffs.
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.The invention also relates to an obstacle detection device, using this method, intended in particular to be on board a land motor vehicle to detect moving targets and to measure their distance and their speed relative to the equipped vehicle.
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.In this case, the scanning of the road by the beam of the lidar can be obtained, in a known manner, by using an oscillating mirror deflecting the beam. Due to the mechanical inertia, the scanning is slow which leads to a delay in the detection of targets incompatible with the short reaction times required by driving a car. In addition, this scanning mode leads to a fragile device which is insufficiently compact to be carried on the vehicle.
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.According to another known method, an electro-optical or acousto-optical modulator is used to vary the refractive index of a medium traversed by the beam of the lidar so as to periodically modify the deflection of the refracted beam. This process leads to complicated and expensive optical devices whose performance is low.
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.The object of the invention is to obtain a scanning method for a lidar beam without any moving optical device and not having the above drawbacks so as to allow in particular its use in an obstacle detection device on board a vehicle. 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.The scanning method according to the invention is characterized in that
- a laser tunable over several lengths is used
neighboring diode;
- the laser bias current is modulated so as to
periodically transmit on each of the tuning wavelengths;
- the beam is deflected at an angle depending on the
length of emission diode by interposing on its path
a dispersive means constituted by a planar network of diff
fraction fixedly oriented to obtain a single
diffracted order.
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.According to an important characteristic of the method, the angular position of the grating relative to the beam emitted by the laser is chosen so that the K-order diffraction spectrum of the spectral region centered around the length of the emitting diode \ is formed on the main diffraction maximum and that simultaneously the spectra of the other orders are suppressed.
De préférence les caractéristiques du réseau sont choisies de manière à obtenir le spectre de diffraction ordre + 1. Preferably, the characteristics of the grating are chosen so as to obtain the order + 1 diffraction spectrum.
Avantageusement, le réseau de diffraction est un réseau de phase.Advantageously, the diffraction grating is a phase grating.
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.Preferably, in a frequency modulation lidar type obstacle detection device using the scanning method above, the turkey lengths chosen for the laser are such that the difference Xi + 1 - Xi between two successive wavelengths obtained by the modulation correspond to a variation of the deflection angle substantially equal to the horizontal beam opening angle.
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.Other characteristics and advantages of the invention will appear better in the detailed description which follows and refers to the appended drawings given solely by way of example, and in which
Figure 1 is a block diagram of the
lidar type detection using the scanning process
according to the invention;
Figure 2 shows the vertical opening of the emitted beam
by the device on board a vehicle;
Figure 3 shows horizontal opening and scanning
horizontal of the beam of 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.The lidar type device using the method, shown diagrammatically under the reference 1, essentially comprises a lidar L and a diffraction grating 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.The beam Si emitted by the lidar L is intercepted by a plane grating 2 of diffraction by reflection which deflects the signal according to a beam S12 oriented in the direction of the targets to be detected. Preferably network 2 is a phase network.
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.Lidar L is of the frequency modulated type by variation of the intensity of the bias current of the laser diode 3 which it comprises. The radiation from the front face of the laser diode 3 is focused by a lens 4 of the cylindrical type with gradient of index known for example under the trade name "Selfoc" whose characteristics can be chosen to obtain a beam of vertical and horizontal openings different, the vertical opening preferably being larger than the horizontal opening. For more details on this lidar, reference may be made to the French patent application No. 9204359 already mentioned.
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. We know that it is possible (BRAG condition) to find an inclination O of the incident rays on the normal N to the lattice plane for which the diffraction spectrum of order + K of the spectral region centered around a given wavelength X is formed on the principal diffraction maximum and that simultaneously the spectra of the other orders, including the central image of order K = 0, are suppressed. Now the angular deviation of the spectrum of order + K is a function of the diode length.
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.The method according to the invention uses this property to obtain a periodic variation of the angle of the deflected beam S12 by varying the diode length X of the beam S1 emitted by the lidar cyclically by jumps.
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.for this, it is necessary to choose a laser tunable in a sufficiently wide band so that the total variation in diode length in combination with an array 2 of suitably chosen characteristics makes it possible to obtain a scanning angle, corresponding to the extreme wavelengths of the band, corresponding to the desired goal.
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.At the front of the vehicle A1 (FIG. 3) is placed an obstacle detector 1 equipped with a scanning device using the method of the invention. The road on which the vehicle Al travels has 3 lanes each of the usual width equal to 3.75 m. The on-board lidar must be able to sweep successively the 3 lanes with a range of 150m To discriminate the lane in which vehicles such as A2 or
A3, it is advantageous to provide a beam with a horizontal opening angle close to 1> 5 periodically taking five orientations F1 to F5 symmetrically distributed with respect to the fixed length of the vehicle A1. The opening of 1> 5 corresponds substantially to the angle at which is seen the width of a lane at 150m The five orientations of the beam make it possible to cover the three lanes whatever the position of the vehicle A1 relative to 1 ~ axis of the road.
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.As shown in Figure 2, the larger vertical opening of the beam (2) allows without vertical scanning to detect obstacles even if the road is undulating.
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.If a diode length Xi is assigned to each position Fi of the beam, the deviation Xi + l - Xi must be chosen in such a way that it corresponds to a variation in maximum diffraction angle of order t K chosen substantially equal to horizontal opening of the beam, i.e. 1.5 *
Such a condition can be obtained for example as follows:
- Use in device 1 of a DFL laser
multi-electrode, tunable over a range of 5nm
(nanometers) in the near infrared;
- Choice over this range of five wavelengths Xi such
that Xi + 1 - Xi> = lnm;
- The beam is focused horizontally at an angle
opening 1.5 by an optical device 4 such as plain
cylindrical lens with index gradient and intercepted by
a phase network with a pitch of 1800 lines per
millimeter.
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. Under these conditions it is easy to find experimentally the BRAG condition for which the deflected beam order f I restores 90% of the incident energy.
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.One could of course instead of using a phase grating, use an amplitude diffraction grating, but in this case the efficiency would be worse.
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.The scanning is carried out by successive and abrupt jumps of nm while the modulation described in patent application No. 9204359 has practically no influence on the deflection of the beam because 1 order of magnitude of the variation in wavelength that it entails is much lower. The two modulations can therefore be superimposed without any drawback for the accuracy of the measurements carried out.
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.It will be noted that the scanning frequency can be chosen without any constraint and that the compactness of the lidar is preserved, which allows it to be easily housed in front of a motor vehicle where the available space is always very limited.
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. It will also be noted that the lens 4 instead of being placed on the beam path S1 between the lidar L and the array 2 could be placed on that of the beam 512.
Claims (8)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR929209468A FR2694415B1 (en) | 1992-07-30 | 1992-07-30 | Scanning method for the optical beam of a frequency modulation lidar type detector and key obstacle detection device using this method. |
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