FR2757640A1 - Optical measurement system for speed or distance of object - Google Patents
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Abstract
Description
SYSTEME OPTIQUE DE MESURE DE VITESSE ET/OU DE DISTANCE
D'OBJET
L'invention concerne un système optique de mesure de vitesse eticu de distance d'objet.OPTICAL SPEED AND / OR DISTANCE MEASUREMENT SYSTEM
OBJECT
The invention relates to an optical system for measuring speed and object distance.
La direction, la distance et la vitesse radiale de cibles mouvantes sont trois paramètres importants pour les dispositifs d'imagerie et de veille. The direction, distance and radial speed of moving targets are three important parameters for imaging and monitoring devices.
Cependant, les systèmes LIDAR et RADAR permettant de les déterminer présentent chacun plusieurs points durs:
- Dans le cas du RADAR, L'émission de l'onde est peu directive à
l'exception des fréquences millimétriques. La plupart des cibles
envisagées ne sont donc pas résolues angulairement, ce qui
limite leur identification et parfois le traitement multicible.However, the LIDAR and RADAR systems used to determine them each have several hard points:
- In the case of RADAR, the emission of the wave is not very directive to
except for millimeter frequencies. Most targets
therefore are not resolved angularly, which
limits their identification and sometimes multi-target processing.
- Dans le cas du LIDAR, la technique la plus aboutie pour
mesurer la vitesse radiale d'une cible est la détection
hétérodyne. La réalisation de celle-ci est difficile (alignement
optique critique et sensibilité très forte aux perturbations
atmosphériques) et coûteuse (réalisation à 10,6 um, détecteur
refroidi, optique en germanium...).- In the case of LIDAR, the most successful technique for
measuring the radial velocity of a target is the detection
heterodyne. The realization of this one is difficult (alignment
critical optics and very high sensitivity to disturbances
atmospheric) and expensive (production at 10.6 µm, detector
cooled, germanium optics ...).
La combinaison des avantages du LIDAR et du RADAR va permettre de réaliser une mesure associant résolution angulaire et résolution vitesse. The combination of the advantages of LIDAR and RADAR will make it possible to perform a measurement associating angular resolution and speed resolution.
L'idée de base de l'invention consiste à associer les avantages de l'optique et du traitement cohérent hyperfréquence. On se propose d'utiliser des impulsions optiques modulées en amplitude dans le domaine hyperfréquence, la détection optique directe de ces impulsions permet la télémétrie optique "conventionnelle" via leur enveloppe, et le traitement du signal électrique permet la mesure de vitesse par comparaison de la modulation à un oscillateur local hyperfréquence. The basic idea of the invention consists in combining the advantages of optics and coherent microwave processing. It is proposed to use amplitude modulated optical pulses in the microwave domain, the direct optical detection of these pulses allows "conventional" optical telemetry via their envelope, and the processing of the electrical signal allows the measurement of speed by comparison of the modulation to a local microwave oscillator.
L'invention concerne donc un système optique de mesure de vitesse et/ou de distance d'objet, caractérisé en ce qu'il comporte
- un générateur optique émettant un faisceau optique modulé en
hyperfréquence,
- un premier détecteur optique capable de recevoir le faisceau
optique émis par la source et réfléchi par un objet, et de fournir
un signal électrique hyperfréquence;
- des circuits électroniques de traitement détectant la fréquence
de modulation contenue dans l'onde réfléchie par l'objet et la
traitant avec la fréquence de modulation d'origine de façon à
calculer la vitesse de l'objet.The invention therefore relates to an optical system for measuring object speed and / or distance, characterized in that it comprises
- an optical generator emitting an optical beam modulated in
microwave,
- a first optical detector capable of receiving the beam
optics emitted by the source and reflected by an object, and provide
a microwave electrical signal;
- electronic processing circuits detecting the frequency
of modulation contained in the wave reflected by the object and the
dealing with the original modulation frequency so as to
calculate the speed of the object.
Les différents objets et caractéristiques de l'invention apparaîtront plus clairement dans la description qui va suivre et dans les figures annexées qui représentent:
- la figure 1, un diagramme général du système de l'invention,
- la figure 2, un exemple de réalisation du système de l'invention
- la figure 3, un autre exemple de réalisation du système de
l'invention;
- la figure 4, une variante de réalisation du système de
l'invention.The various objects and characteristics of the invention will appear more clearly in the description which follows and in the appended figures which represent:
FIG. 1, a general diagram of the system of the invention,
- Figure 2, an embodiment of the system of the invention
- Figure 3, another embodiment of the system
the invention;
- Figure 4, an alternative embodiment of the system
the invention.
Selon le diagramme général de la figure 1, le système de l'invention comporte:
- un laser 1 qui émet une impulsion optique;
- un modulateur 2 module cette impulsion et transmet une
impulsion optique contenant une fréquence de modulation
hyperfréquence. Cette impulsion est émise vers un objet OB
dont on veut calculer la distance et/ou la vitesse
- un dispositif de détection 4 détecte la lumière réfléchie par
l'objet OB et notamment l'impulsion modulée qui lui a été
transmise ; ce dispositif de détection peut se présenter sous la
forme d'une matrice de photodétecteurs
- un circuit de calcul de distance 9 calcule de manière connue le
temps de transmission de l'impulsion optique et donc la
distance de la cible;
- un mélangeur 5 reçoit le signal électrique détecté par le
détecteur 4 ainsi que la fréquence de modulation ayant servi à
moduler l'onde émise par le modulateur 2. Le résultat du
mélange est transmis à un circuit de traitement radar doppler 6
qui calcule la vitesse de l'objet.According to the general diagram of FIG. 1, the system of the invention comprises:
- A laser 1 which emits an optical pulse;
- a modulator 2 modulates this pulse and transmits a
optical pulse containing a modulation frequency
microwave. This pulse is sent to an OB object
whose distance and / or speed we want to calculate
a detection device 4 detects the light reflected by
the OB object and in particular the modulated pulse which was given to it
transmitted; this detection device can be presented under the
form of an array of photodetectors
a distance calculation circuit 9 calculates in a known manner the
transmission time of the optical pulse and therefore the
distance from target;
- a mixer 5 receives the electrical signal detected by the
detector 4 and the modulation frequency used to
modulate the wave emitted by modulator 2. The result of
mixture is transmitted to a doppler 6 radar processing circuit
which calculates the speed of the object.
L'onde optique modulée en hyperfréquence, après réflexion sur l'objet dont on cherche à mesurer la vitesse, est démodulée par un photodétecteur qui fournit en sortie un signal électrique décalé en fréquence (effet doppler). The microwave-modulated optical wave, after reflection on the object whose speed is to be measured, is demodulated by a photodetector which outputs an electrical signal shifted in frequency (Doppler effect).
Le mélangeur hyperfréquence effectue la différence entre le signal optique démodulé et le signal hyperfréquence de modulation utilisé comme référence (oscillateur local). The microwave mixer differentiates between the demodulated optical signal and the modulation microwave signal used as a reference (local oscillator).
En sortie du mélangeur hyperfréquence, le signal est transposé dans une bande (wo - os) après un filtrage adapté. Le signal contenant l'information de vitesse fournit après Transformée de Fourier et seuillage, la fréquence doppler de décalage en fréquence et par conséquent la vitesse de l'objet. At the output of the microwave mixer, the signal is transposed into a band (wo - os) after suitable filtering. The signal containing the speed information provides, after Fourier transform and thresholding, the frequency shift Doppler frequency and therefore the speed of the object.
En se reportant à la figure 2, on va donc décrire un exemple de réalisation du système de l'invention. Referring to Figure 2, we will therefore describe an embodiment of the system of the invention.
Ce système comporte en partie émission une source optique 1 (source laser) émettant une onde optique monofréquence. Un modulateur optique 2, tel qu'un modulateur électrooptique, module l'onde optique à une fréquence hyperfréquence. La fréquence de modulation est par exemple de l'ordre du GHz ou de plusieurs dizaines de GHz. Cette fréquence de modulation est fournie par un générateur hyperfréquence 3 (oscillateur local radar). L'onde modulée est émise vers l'objet OB dont on veut mesurer la vitesse et/ou la distance. This system comprises in part emission an optical source 1 (laser source) emitting a single frequency optical wave. An optical modulator 2, such as an electrooptic modulator, modulates the optical wave at a microwave frequency. The modulation frequency is for example of the order of GHz or several tens of GHz. This modulation frequency is provided by a microwave generator 3 (local radar oscillator). The modulated wave is transmitted to the OB object whose speed and / or distance is to be measured.
Par ailleurs, le système comporte, en partie réception, un détecteur optique D2 comportant principalement une diode photodétectrice. Furthermore, the system comprises, in part reception, an optical detector D2 mainly comprising a photodetector diode.
Ce détecteur reçoit l'onde modulée réfléchie par l'objet OB et fournit un signal électrique représentatif de l'onde optique reçue. Ce signal électrique est transmis à un mélangeur hyperfréquence 5 qui reçoit également le signal de modulation du générateur hyperfréquence 3. Ce générateur hyperfréquence est donc commun à la partie émission et à la partie réception du système.This detector receives the modulated wave reflected by the object OB and provides an electrical signal representative of the received optical wave. This electrical signal is transmitted to a microwave mixer 5 which also receives the modulation signal from the microwave generator 3. This microwave generator is therefore common to the transmission part and to the reception part of the system.
Le résultat du mélange du signal détecté et du signal d'oscillateur local radar est transmis à un circuit de traitement radar de type connu dans la technique radar et appelé circuit d'extraction radar qui calcule alors la vitesse et/ou la distance d'objet. The result of the mixture of the detected signal and the local radar oscillator signal is transmitted to a radar processing circuit of a type known in the radar technique and called a radar extraction circuit which then calculates the speed and / or the distance of the object. .
Le calcul de la vitesse se fait par détection de l'effet doppler. En effet, I'onde optique modulée réfléchie par un objet mobile est soumise à un effet doppler. Après détection par le détecteur D2, le signal électrique contient la fréquence de modulation affectée d'un doppler. Le traitement radar dans l'extracteur 6 permet de calculer cet effet doppler et donc la vitesse de l'objet. The speed is calculated by detecting the doppler effect. Indeed, the modulated optical wave reflected by a moving object is subjected to a Doppler effect. After detection by the detector D2, the electrical signal contains the modulation frequency affected by a doppler. The radar processing in the extractor 6 makes it possible to calculate this Doppler effect and therefore the speed of the object.
L'émission optique peut se faire sous forme d'impulsions courtes, par exemple de l'ordre de la nanoseconde ou de quelques dizaines de nanosecondes, ce qui permet de façon classique de mesurer la distance de l'objet. The optical emission can be in the form of short pulses, for example of the order of a nanosecond or a few tens of nanoseconds, which conventionally makes it possible to measure the distance from the object.
II est également possible pour mesurer la distance de prévoir une variation de la modulation de fréquence de façon à avoir une largeur de spectre hyperfréquence non nulle. It is also possible to measure the distance to provide for a variation of the frequency modulation so as to have a non-zero microwave spectrum width.
La figure 3 représente une variante de réalisation du système de l'invention. FIG. 3 represents an alternative embodiment of the system of the invention.
II comporte une source laser émettant une onde monofréquence oo. Une partie de cette onde est fournie à un translateur de fréquence 8 qui fournit une onde décalée en fréquence oO + Q (Q étant de l'ordre du GHz ou de plusieurs dizaines de GHz). Ce déca leur de fréquence peut être réalisé de manière connue à l'aide d'un modulateur acousto-optique ou à l'aide d'une cellule Brillouin. It includes a laser source emitting a single frequency wave oo. Part of this wave is supplied to a frequency translator 8 which provides a frequency-shifted wave oO + Q (Q being of the order of GHz or several tens of GHz). This frequency shift can be achieved in a known manner using an acousto-optical modulator or using a Brillouin cell.
L'onde émise par la source à la fréquence oo et l'onde décalée en fréquence (oO + Q sont rendues colinéaires et émises vers l'objet OB dont on veut mesurer la vitesse et/ou la distance. The wave emitted by the source at the frequency oo and the frequency-shifted wave (oO + Q are made collinear and transmitted to the object OB whose speed and / or distance is to be measured.
Le détecteur D2 détecte l'onde réfléchie par l'objet et fournit un signal de battement résultant de la combinaison sur le détecteur des fréquences oo et oO + Q toutes deux affectées de l'effet doppler dû au déplacement de l'objet OB. The detector D2 detects the wave reflected by the object and provides a beat signal resulting from the combination on the detector of the frequencies oo and oO + Q both affected by the doppler effect due to the displacement of the object OB.
Par ailleurs une partie de l'onde émise contenant les fréquences xO et oo + Q, est prélevée par un séparateur de faisceau Ml et est transmise à une photodiode D1 qui fournit un signal de battement hyperfréquence. Les signaux électriques fournis par les détecteurs D1 et D2 sont transmis à un mélangeur et à un circuit d'extraction radar 6 de type connu qui détectent la fréquence doppler contenue dans le signal réfléchi par l'objet et qui calcule la vitesse de l'objet. Furthermore, part of the transmitted wave containing the frequencies xO and oo + Q, is sampled by a beam splitter Ml and is transmitted to a photodiode D1 which provides a microwave beat signal. The electrical signals supplied by the detectors D1 and D2 are transmitted to a mixer and to a radar extraction circuit 6 of known type which detect the Doppler frequency contained in the signal reflected by the object and which calculates the speed of the object .
Le fréquencemètre 7 permet de détecter la fréquence Q transmise au détecteur D1, la valeur de cette fréquence Q est communiquée à l'extracteur 6. The frequency meter 7 makes it possible to detect the frequency Q transmitted to the detector D1, the value of this frequency Q is communicated to the extractor 6.
Sur les figures 2 et 3, on a prévu en supplément un amplificateur optique 10 pour amplifier, si besoin est, le signal optique reçu. In FIGS. 2 and 3, an optical amplifier 10 is additionally provided to amplify, if necessary, the received optical signal.
II est également un filtre spatial Il placé en entrée du système pour sélectionner les directions des faisceaux incidents. It is also a spatial filter II placed at the input of the system to select the directions of the incident beams.
De plus, comme cela est représenté en figure 2, on peut prévoir un déflecteur optique 11 placé sur le trajet du faisceau Fl émis par le générateur optique de façon à réaliser un balayage angulaire du faisceau émis. In addition, as shown in FIG. 2, an optical deflector 11 can be provided placed on the path of the beam F1 emitted by the optical generator so as to perform an angular scanning of the emitted beam.
Selon une variante de réalisation représentée en figure 4, le système comporte, en réception, une ligne à retard optique LAR qui transmet avec retard le signal optique réfléchi par l'objet OB. According to an alternative embodiment represented in FIG. 4, the system comprises, on reception, an optical delay line LAR which transmits with delay the optical signal reflected by the object OB.
Le signal optique, modulé en hyperfréquence, après réflexion sur l'objet est séparé en deux faisceaux F2, F3 par le séparateur M2. Le faisceau F2 après détection par le détecteur D1 passe dans le bloc de télémétrie LIDAR qui fournit l'information de distance au bloc DR de désignation RADAR lequel fournit le signal d'oscillateur local retardé du temps t correspondant à la distance mesurée par le LIDAR. Le faisceau F3 est retardé par une ligne à retard optique LAR d'un temps T égal au temps nécessaire pour caler le système de désignation RADAR. The optical signal, modulated in microwave, after reflection on the object is separated into two beams F2, F3 by the separator M2. The beam F2 after detection by the detector D1 passes into the telemetry block LIDAR which supplies the distance information to the block DR of RADAR designation which supplies the local oscillator signal delayed by time t corresponding to the distance measured by the LIDAR. The beam F3 is delayed by an optical delay line LAR by a time T equal to the time necessary to set the RADAR designation system.
L'oscillateur local retardé et ie signal reçu retardé sont mélangés et traités par filtrage doppler pour calculer la vitesse de l'objet. The delayed local oscillator and the delayed received signal are mixed and processed by doppler filtering to calculate the speed of the object.
II est à noter que le générateur optique constitué par la source 1 et le modulateur 2 peuvent émettre en continu. Ce générateur peut comporter un oscillateur paramétrique optique fonctionnant près de la dégénérescence de telle sorte que l'espacement fréquentiel entre l'onde signal et l'onde idler soit Q. It should be noted that the optical generator constituted by the source 1 and the modulator 2 can transmit continuously. This generator may include an optical parametric oscillator operating near degeneration so that the frequency spacing between the signal wave and the idler wave is Q.
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FR2757640B1 FR2757640B1 (en) | 1999-04-09 |
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ID=9499070
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