FR2716978A1

FR2716978A1 - Three=dimensional laser imager for mobile robotic vehicles

Info

Publication number: FR2716978A1
Application number: FR9402388A
Authority: FR
Inventors: Audren Jean Thierry
Original assignee: SFIM Industries SA
Current assignee: Sagem SA
Priority date: 1994-03-02
Filing date: 1994-03-02
Publication date: 1995-09-08
Anticipated expiration: 2014-03-02
Also published as: FR2716978B1

Abstract

The mobile robotic vehicle (1) has a 3-D imager (3) mounted on the front of its chassis. The vehicle is travelling over undulating ground (2). The imager has a laser transmitter operating with monochromatic modulated radiation in an atmospheric absorption band. The laser sweeps over a coverage zone (4), and an optical galvanometer measures Azimuth and elevation position. The receiver has a photodetector, measuring amplitude and phase of returns from reflecting objects (Ta, Tb,Tc) and produces video signals for standard monitors. Range is limited by atmospheric absorption to the outer coverage zone (dB).

Description

La présente invention est relative à un dispositif d'observation par émission et réception d'un rayonnement. The present invention relates to a device for observation by emission and reception of radiation.

L'invention trouve avantageusement application pour le guidage de robots mobiles évoluant dans un milieu non préparé, tels que des robots mobiles militaires destinés à se déplacer en tout terrain. The invention advantageously finds application for guiding mobile robots moving in an unprepared environment, such as military mobile robots intended to move in any terrain.

I1 a déjà été proposé d'équiper de tels robots d'imageurs télémétriques à balayage leur permettant une perception tridimensionnelle de l'environnement dans lequel ils se déplacent. I1 has already been proposed to equip such robots with telemetric scanning imagers allowing them a three-dimensional perception of the environment in which they move.

Les imageurs télémétriques utilisés à ce jour émettent à des longueurs d'onde (0,83 ou 1,064 pm par exemple), qui assurent une bonne définition de la scène observée. The rangefinder imagers used to date emit at wavelengths (0.83 or 1.064 µm for example), which ensure a good definition of the scene observed.

Ils présentent néanmoins l'inconvénient d'être facilement détectables à des distances importantes et donc de compromètre la discrétion de ces robots mobiles. They nevertheless have the disadvantage of being easily detectable at large distances and therefore of compromising the discretion of these mobile robots.

Le but principal de l'invention est de pallier cet inconvénient. The main object of the invention is to overcome this drawback.

A cet effet, l'invention propose principalement un dispositif d'observation du type comportant des moyens pour l'émission d'un rayonnement et des moyens pour la réception et le traitement de ce rayonnement après réflexion dans l'environnement à observer, caractérisé en ce que ce rayonnement est d'une longueur d'onde à laquelle il est atténué dans l'atmosphère, l'atténuation atmosphérique à cette longueur d'onde étant telle que ledit rayonnement est discret à une distance optique du dispositif à laquelle il est souhaitable que ledit rayonnement ne soit pas détectable. To this end, the invention mainly proposes an observation device of the type comprising means for emitting radiation and means for receiving and processing this radiation after reflection in the environment to be observed, characterized in what this radiation is of a wavelength at which it is attenuated in the atmosphere, the atmospheric attenuation at this wavelength being such that said radiation is discrete at an optical distance from the device at which it is desirable that said radiation is not detectable.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront encore de la description qui suit de celle-ci. Cette description est purement illustrative et non limitative. Elle doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels
. la figure 1 illustre schématiquement les trajets des rayonnements de détection d'un robot mobile se déplaçant sur un terrain accidenté ;
les figures 2a à 2f représentent pour une distance donnée des pourcentages de transmission atmosphérique en fonction de la longueur d'onde du rayonnement
. la figure 3 est un graphe représentant la puissance détectable en fonction de la distance parcourue par le rayonnement, pour les différents trajets lumineux représentés sur la figure 1, dans le cas d'un rayonnement dont la longueur d'onde est telle qu'il n'est pas atténué dans l'atmosphère
. la figure 4 est un graphe analogue à celui de la figure 3 représentant la puissance détectée pour les mêmes trajets lumineux, dans le cas d'un rayonnement dont la longueur d'onde est telle que ledit rayonnement subit une forte atténuation atmosphérique.Other characteristics and advantages of the invention will emerge from the description which follows. This description is purely illustrative and not limiting. It should be read in conjunction with the accompanying drawings on which
. Figure 1 schematically illustrates the paths of detection radiation from a mobile robot moving over rough terrain;
FIGS. 2a to 2f represent for a given distance percentages of atmospheric transmission as a function of the wavelength of the radiation
. FIG. 3 is a graph representing the detectable power as a function of the distance traveled by the radiation, for the different light paths represented in FIG. 1, in the case of radiation of which the wavelength is such that n is not attenuated in the atmosphere
. FIG. 4 is a graph similar to that of FIG. 3 representing the power detected for the same light paths, in the case of radiation whose wavelength is such that said radiation undergoes strong atmospheric attenuation.

On a représenté sur la figure 1 un mobile 1 se déplaçant sur un terrain accidenté 2. Ce mobile 1 porte à l'avant un imageur tridimensionnel 3 par lequel il observe son environnement. Les informations relevées par cet imageur 3 sont transmises à des moyens de gestion, par lesquels il est guidé sur le terrain 2, par exemple en direction d'une cible. There is shown in Figure 1 a mobile 1 moving over uneven terrain 2. This mobile 1 carries at the front a three-dimensional imager 3 by which it observes its environment. The information noted by this imager 3 is transmitted to management means, by which it is guided on the ground 2, for example in the direction of a target.

Cet imageur tridimensionnel 3 comporte une caméra télémétrique à balayage dont la structure est classiquement connue. Cette caméra 3 comprend un module pour l'émission d'un rayonnement monochromatique modulé, une optique galvanométrique de balayage en site et azimut, ainsi qu'un module optique et électronique de réception et de traitement du rayonnement réfléchi. Ce module de réception et de traitement comporte en particulier un photorécepteur dont le signal de sortie subit, d'une part, un traitement de démodulation et, d'autre part, un traitement de mesure de phase. Ces deux traitements fournissent respectivement un signal de réflectance et un signal de distance, qui sont numdrisds et conditionnés en signaux vidéo présentés sur des moniteurs standards. This three-dimensional imager 3 comprises a telemetric scanning camera whose structure is conventionally known. This camera 3 comprises a module for the emission of modulated monochromatic radiation, a galvanometric optic for scanning in elevation and azimuth, as well as an optical and electronic module for receiving and processing the reflected radiation. This reception and processing module comprises in particular a photoreceptor whose output signal undergoes, on the one hand, a demodulation processing and, on the other hand, a phase measurement processing. These two treatments respectively provide a reflectance signal and a distance signal, which are digitized and conditioned into video signals presented on standard monitors.

On a représenté sur la figure 1 par des traits pointillés 4 les limites du balayage en azimut que réalise l'imageur tridimensionnel 3. On a également représenté sur cette figure des trajets TA, TB et TC du rayonnement émis par ledit imageur 3. Les trajets TA et TB correspondent à des trajets (émis ou réfléchis) entre l'imageur 3 et des points situés l'un dans l'environnement du mobile 1 (point
A), l'autre dans une zone où le mobile 1 ne doit pas être détecté (point B).FIG. 1 shows by dashed lines 4 the limits of the azimuth scanning carried out by the three-dimensional imager 3. Also shown in this figure are paths TA, TB and TC of the radiation emitted by said imager 3. The paths TA and TB correspond to paths (emitted or reflected) between the imager 3 and points located one in the environment of the mobile 1 (point
A), the other in an area where the mobile 1 should not be detected (point B).

Conformément à l'invention, la source laser de limageur 3 émet à une longueur d'onde où le rayonnement est partiellement absorbé dans l'atmosphère. According to the invention, the laser source of the limiter 3 emits at a wavelength where the radiation is partially absorbed in the atmosphere.

Cette longueur d'onde est par exemple avantageusement comprise entre 1,36 et 1,43 pm ou entre 1,77 et 2,05 pm, ce qui correspond à des fenêtres d'absorption de la vapeur d'eau et du gaz carbonique composant 1 'atmosphère. This wavelength is for example advantageously between 1.36 and 1.43 μm or between 1.77 and 2.05 μm, which corresponds to windows for absorbing water vapor and the component carbon dioxide. 1 atmosphere.

On notera que ces fenêtres correspondent à des longueurs d'onde de sécurité oculaire. It will be noted that these windows correspond to wavelengths of ocular safety.

Pour une longueur d'onde dans cette fenêtre, la transmission du rayonnement est d'environ 25 % sur 200 m et de 10-6 sur 2 Km. Une atténuation de 75 % est envisageable pour ce type d'application, de sorte que ces longeurs d'onde autorisent des portées d'environ 100 m et assurent la non détectabilité de l'imageur 3 à des distances de celui-ci de l'ordre du Km. For a wavelength in this window, the radiation transmission is about 25% over 200 m and 10-6 over 2 km. Attenuation of 75% is possible for this type of application, so that these wavelengths allow ranges of about 100 m and ensure the non-detectability of imager 3 at distances from it of the order of Km.

De façon générale, la longueur d'onde du rayonnement émis est choisie en fonction - du bilan de transmission de puissance entre la source
et le détecteur de l'imageur ; - de l'atténuation de la lumière en fonction de la
distance - de la largeur de la raie de la source et de la stabilité
de sa fréquence centrale - de la sensibilité de l'atténuation aux variations de
condition atmosphérique - de la sécurité oculaire - des moyens de détection à longue distance envisageables; - des conditions d'utilisation (fond terrestre; éclairage
solaire, etc.).Generally, the wavelength of the emitted radiation is chosen according to - the balance of power transmission between the source
and the imager detector; - attenuation of light as a function of
distance - source line width and stability
its central frequency - the sensitivity of the attenuation to variations in
atmospheric condition - eye safety - possible long-range detection means; - conditions of use (ground floor; lighting
solar, etc.).

En particulier, on utilise avantageusement, pour la détermination de la longueur d'onde appropriée, des courbes préalablement établies du type de celles qui ont eté représentees sur les figures 2a à 2f, sur lesquelles sont portées, pour une distance optique donnée, des pourcentages de transmission atmosphérique en fonction de la longueur d'onde du rayonnement émis. In particular, it is advantageous to use, for the determination of the appropriate wavelength, previously established curves of the type of those which have been represented in FIGS. 2a to 2f, on which are given, for a given optical distance, percentages of atmospheric transmission as a function of the wavelength of the radiation emitted.

Les graphes des figures 2a à 2f correspondent à une distance optique de 0,3 Km ; les fenêtres de longueur d'onde balayée vont respectivement de 0,5 à 1,7 ym (figure 2a), de 1,7 à 3,0 m (figure 2b), de 3,0 à 4,2 pum (figure 2c), de 4,2 à 5,518 Ktm (figure 2d), de 5,5 à 7,0 m (figure 2e) et de 7,0 à 8,5 stm (figure 2f). The graphs in Figures 2a to 2f correspond to an optical distance of 0.3 km; the wavelength windows scanned range respectively from 0.5 to 1.7 µm (Figure 2a), 1.7 to 3.0 m (Figure 2b), 3.0 to 4.2 µm (Figure 2c ), from 4.2 to 5.518 Ktm (figure 2d), from 5.5 to 7.0 m (figure 2e) and from 7.0 to 8.5 stm (figure 2f).

On va maintenant détailler un exemple de critère de choix de la longueur d'onde de l'imageur 3. We will now detail an example of a criterion for choosing the wavelength of the imager 3.

Au point A, la puissance Pr rétrodiffusée a pour valeur
Pr = AA PO e -a dA, ou
P0 est la puissance émise par le télémètre de l'imageur tridimensionnel 3,
AA est l'albédo du point A, a est le coefficient d'absorption de l'atmosphère, dA est la distance séparant l'imageur 3 du point A.At point A, the power Pr backscattered has the value
Pr = AA PO e -a dA, or
P0 is the power emitted by the rangefinder of the three-dimensional imager 3,
AA is the albedo of point A, a is the absorption coefficient of the atmosphere, dA is the distance separating the imager 3 from point A.

La puissance du rayonnement réfléchi au point A, reçue par un détecteur de surface S situé à la distance dd du point A, a pour valeur
Pd = Pr S/(2 x dd2) e (- a dd), où S/(2 z dd2) correspond à l'effet de la rétrodiffusion omnidirectionnelle.The power of the radiation reflected at point A, received by a surface detector S located at distance dd from point A, has the value
Pd = Pr S / (2 x dd2) e (- a dd), where S / (2 z dd2) corresponds to the effect of omnidirectional backscatter.

Par conséquent, la puissance Pdt reçue par le détecteur du télémètre de l'imageur 3 s'écrit
Pdt = PO AA St/(2 x dA2) e (-2 a dA), où St est la surface de détection du télémètre.Consequently, the power Pdt received by the detector of the rangefinder of the imager 3 is written
Pdt = PO AA St / (2 x dA2) e (-2 a dA), where St is the rangefinder detection area.

De la même façon, pour un détecteur situé au point
C, recevant le rayonnement rétrodiffusé au point B et ayant suivi les trajets TB et Tc, la puissance reçue s'écrit
Pde = PO AB Se/(2 z dc2) e - a (dg+ dc), où AB est l'albédo du point B, et où Se est la surface du détecteur ennemi situé au point
C et dont on cherche à ne pas être vu.Similarly, for a detector located at the point
C, receiving the backscattered radiation at point B and having followed the paths TB and Tc, the power received is written
Pde = PO AB Se / (2 z dc2) e - a (dg + dc), where AB is the albedo of point B, and where Se is the surface of the enemy detector located at point
C and which we try not to be seen.

Le rapport entre la puissance incidente sur l'imageur tridimensionnel 3 et la puissance incidente sur le détecteur situé au point C s'écrit
- adA [(dB + dC)/dA -2] R=Pde/Pdt=(ABsedA2)(AAstdc2) e
Dans le cas maintenant où le détecteur ennemi est atteint directement, le rapport R s'écrit
- < xdA (dg/dA - 2)
R = Pde/Pdt = (Se 8 dA2)/(AA St 6 dB2) e où 6 est la divergence du faisceau laser émis. The relationship between the incident power on the three-dimensional imager 3 and the incident power on the detector located at point C is written
- adA [(dB + dC) / dA -2] R = Pde / Pdt = (ABsedA2) (AAstdc2) e
In the case now where the enemy detector is directly reached, the report R is written
- <xdA (dg / dA - 2)
R = Pde / Pdt = (Se 8 dA2) / (AA St 6 dB2) e where 6 is the divergence of the emitted laser beam.

On se place dans l'hypothèse où les deux détecteurs (celui de l'imager 3 et celui situé au point
B) sont de même sensibilité. Il s'agit là d'une hypothèse pessimiste. On peut en effet supposer que le détecteur de l'imageur 3 est plus sensible, étant donné qu'il connait la longueur d'onde et la modulation qu'il recherche.We assume that the two detectors (that of imager 3 and that located at the point
B) are of the same sensitivity. This is a pessimistic hypothesis. We can indeed assume that the detector of the imager 3 is more sensitive, given that it knows the wavelength and the modulation that it seeks.

Si dA est la portée que présente l'imageur 3, dB la distance à laquelle il ne doit pas être détectable, la longueur d'onde du rayonnement émis est choisie, de façon que le rapport R soit inférieur à 1. If dA is the range presented by the imager 3, dB the distance at which it must not be detectable, the wavelength of the emitted radiation is chosen, so that the ratio R is less than 1.

Le rayonnement est notamment choisi d'une longueur d'onde à laquelle il présente un coefficient a d'absorption atmosphérique vérifiant l'équation 8 (dA2/A b dB2) e - [adA (dB/dA - 2)] < 1 où dA est la portée du dispositif, dB est la distance à partir de laquelle le rayonnement ne doit plus être détectable,
A est l'albédo moyen de l'atmosphère environnante, 6 est la divergence du faisceau émis.The radiation is notably chosen from a wavelength at which it has a coefficient of atmospheric absorption verifying the equation 8 (dA2 / A b dB2) e - [adA (dB / dA - 2)] <1 where dA is the range of the device, dB is the distance from which the radiation must no longer be detectable,
A is the average albedo of the surrounding atmosphere, 6 is the divergence of the emitted beam.

On a représenté sur les figures 3 et 4 les puissances détectables en fonction de la distance à l'imageur 3, dans le cas d'un rayonnement à une longueur d'onde à laquelle son atténuation atmosphérique est négligeable (Figure 3) et à laquelle son atténuation atmosphérique est importante (Figure 4). On voit sur ces figures qu'en choisissant pour le faisceau une longueur d'onde correspondant à une forte atténuation atmosphérique (figure 4), la puissance détectable diminue fortement avec la distance par rapport à l'imageur 3. Figures 3 and 4 show the powers detectable as a function of the distance to the imager 3, in the case of radiation at a wavelength at which its atmospheric attenuation is negligible (Figure 3) and at which its atmospheric attenuation is important (Figure 4). It can be seen in these figures that by choosing a wavelength for the beam corresponding to a strong atmospheric attenuation (FIG. 4), the detectable power decreases sharply with the distance relative to the imager 3.

Un exemple d'ajustement de longueurs d'onde est le suivant. An example of wavelength adjustment is as follows.

On se place dans l'hypothèse des valeurs de paramètres suivantes
AB =AA = , 1 = valeur moyenne d'albédo de l'atmosphère environnante
Se/St = 1 6 = 10-3
dA = 100 m
dB = 1000 m
Pour que l'imageur 3 ne soit pas détectable à 1 km, l'imageur 3 ayant une portée maximale de 100 m, il est nécessaire que la transmission atmosphérique e -adA soit inférieure à 43 % sur 100 m. La longueur d'onde de 1,38 Ltm convient.We assume the following parameter values
AB = AA =, 1 = average albedo value of the surrounding atmosphere
Se / St = 1 6 = 10-3
dA = 100 m
dB = 1000 m
So that the imager 3 cannot be detected at 1 km, the imager 3 having a maximum range of 100 m, it is necessary that the atmospheric transmission e -adA is less than 43% over 100 m. The wavelength of 1.38 Ltm is suitable.

Avec une transmission atmosphérique de 100 %, l'imager 3 pourrait être détecté à 26 km. With a 100% atmospheric transmission, imager 3 could be detected at 26 km.

Claims

RgVgNDICATIOls

1. Observation device (3) of the type comprising means for emitting radiation and means for receiving and processing this radiation after reflection in the environment to be observed, characterized in that this radiation is of a wavelength at which it is attenuated in the atmosphere, the atmospheric attenuation at this wavelength being such that said radiation is discrete at an optical distance (dB) from the device at which it is desirable that said radiation is not detectable.

2. Device according to claim 1, characterized in that the radiation has a wavelength at which it has a coefficient of atmospheric absorption verifying the equation 8 dA2 / A 6 dB2 e - adA (dg / dA - 2) <1 where dA is the range of the device, dB is the distance from which the radiation must no longer be detectable,

A is the mean albedo of the surrounding atmosphere, est is the divergence of the emitted beam.

3. Device according to one of claims 1 or 2, characterized in that the wavelength of the radiation is between 1.36 and 1.43 pm.

4. Device according to one of claims 1 or 2, characterized in that the wavelength of the radiation is between 1.77 and 2.05 µm.

5. Telemetry device (3) according to one of the preceding claims.

6. Three-dimensional imager comprising a telemetric scanning device according to claim 5.

7. Mobile robot (1) comprising the remote control means, characterized in that these remote control means comprise a three-dimensional imager (3) according to claim 6.