FR3018924A1 - Dispositif optique de determination de vitesse d'une cible et procede associe - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un dispositif (1) optique pour la détermination d'une vitesse VT(t) d'une cible comportant : - un capteur interférométrique à rétro-injection optique (10) pour générer un signal interférométrique, ledit signal interférométrique SM(t) comportant l'information sur la vitesse de la cible, - des moyens de traitement (15) du signal interférométrique, reliés au capteur interférométrique à rétro-injection optique (10), comportant : - des moyens de conversion (16) pour convertir le signal interférométrique SM(t) en un signal logique à deux états, - des moyens de calcul (17), en sortie des moyens de conversion (16), pour déterminer la vitesse VT(t) de la cible à partir du signal logique. L'invention est également relative au procédé associé.

Description

Domaine de l'invention La présente invention est relative au domaine des dispositifs de mesure optoélectroniques. L'invention concerne notamment un dispositif optique pour la détermination d'une vitesse d'une cible en mouvement et un procédé associé. Le dispositif et le procédé sont utilisables autant pour la détermination de vitesse d'écoulement de fluides que pour la détermination de vitesse de corps solides en mouvement, avantageusement en temps réel. L'invention est basée principalement sur le phénomène de rétro-injection optique.

Etat de la technique Il existe à l'heure actuelle différents types de dispositifs optiques permettant de déterminer optiquement soit la vitesse d'un corps solide en mouvement, soit la vitesse d'écoulement d'un fluide. Parmi les dispositifs optiques existants, on peut citer le vélocimètre laser de surface, pour la détermination de vitesse de corps solides en mouvement, ou encore le vélocimètre Doppler laser, pour la détermination d'une vitesse d'écoulement d'un fluide, à partir d'un(des) élément(s) représentatif(s), apte(s) à rétrodiffuser au moins partiellement un faisceau lumineux, dits élément(s) représentatif(s), entrainé(s) par l'écoulement dudit fluide. Ces dispositifs optiques sont basés sur le principe de l'effet Doppler, autrement dit la mesure du décalage de fréquence d'une lumière rétrodiffusée soit par le corps solide en mouvement soit par l'(les) élément(s) représentatif(s) entrainé(s) par l'écoulement du fluide. Cependant, pour ces types de dispositifs optiques, l'utilisation de 25 nombreux composants optiques est nécessaire, ce qui rend difficile la réalisation de dispositifs compacts, simples d'utilisation et de faible coût. Les dispositifs optiques basés sur le phénomène de rétro-injection optique, généralement connu sous le nom anglo-saxon de self-mixing, offrent en comparaison un système de réalisation compact et flexible, à faible coût. 30 Ces dispositifs sont simples à réaliser et ne nécessitent qu'une source lumineuse laser émettant un faisceau lumineux de mesure sur la cible en mouvement dont la vitesse est à déterminer. Une portion du faisceau de mesure est réfléchie par la cible et réinjectée dans une cavité active de la source laser, produisant des interférences dans ladite cavité active. Lorsqu'un chemin optique parcouru par le faisceau de mesure issu de la source lumineuse laser et rencontrant la cible en mouvement varie, en fonction de la vitesse de ladite cible, des fluctuations, notamment de la puissance optique émise, se produisent, causées par ces interférences. Ces fluctuations sont détectées soit par un photo-détecteur, tel que par exemple une photodiode située sur une face arrière de la source lumineuse laser, soit directement via une tension de jonction de la source lumineuse laser. Les signaux interférométriques issus de la photodiode ou de la tension de jonction de la source lumineuse laser sont traités par des moyens de traitement adaptés et l'information relative à la vitesse de la cible en mouvement en est déduite. Ainsi la source lumineuse laser joue à la fois le rôle d'une source lumineuse et d'un micro-interféromètre, sans nécessiter de composants optiques externes. La principale différence avec des interférences classiques réside dans le fait que les interférences dites de type "self-mixing" ont lieu dans un milieu actif (une cavité semi-conducteur ou une cavité à gaz) alors que les interférences classiques sont généralement observées en espace libre ou diélectrique, c'est à dire dans un milieu passif. Cette différence notable se traduit par une forme non sinusoïdale de la modulation d'intensité générée par les interférences dans le cas du "self-mixing", contrairement aux interférences classiques. De tels dispositifs de mesure par rétro-injection optique présentent ainsi l'avantage d'être auto-alignés, compacts et moins coûteux que par interférométrie traditionnelle.

Quelque soit le dispositif optique utilisé, le signal interférométrique obtenu doit être traité pour déterminer la fréquence Doppler et ensuite déduire la vitesse de la cible en mouvement. Actuellement, les procédés de traitement du signal interférométrique présentent le désavantage majeur d'être adaptés et spécifiques à un type de cible donné. Parmi les procédés existants les plus utilisés, on peut citer, la transformée de Fourier (FFT). Cependant, un tel procédé présente un certain nombre d'inconvénients.

Un premier inconvénient est lié à la nécessité d'avoir recours à un convertisseur analogique/numérique et donc à un circuit dédié. Le signal ainsi converti est échantillonné, ce qui rend le traitement très coûteux en termes de puissance et de temps de calcul.

Un autre inconvénient réside dans sa difficulté d'utilisation pour la détermination de la vitesse d'écoulement d'un fluide. En effet, contrairement à un corps solide où la transformée de Fourier du signal intedérométrique obtenu se présente sous la forme d'un pic de fréquence Doppler, plus ou moins bruité, la transformée de Fourier du signal intedérométrique obtenu pour un fluide présente une distribution de fréquences liées à l'effet Doppler et un spectre en forme de patatoïde ou de plateau est observé. Cette distribution de fréquences est due aux éléments représentatifs entraînés par l'écoulement du fluide à des vitesses/fréquences sensiblement différentes. Un post-traitement de ce spectre est nécessaire pour en ressortir l'information vitesse d'écoulement du fluide, par exemple à l'aide d'un logiciel de type Matlab®. Il s'avère donc impossible de déterminer la vitesse d'écoulement d'un fluide en temps réel, avec un tel procédé. On peut également citer, comme procédé de traitement existant, la méthode autorégressive de deuxième ordre.

Une telle méthode présente l'inconvénient de recourir à une étape d'étalonnage du dispositif optique pour initialiser ledit dispositif optique. Généralement, une mesure par transformée de Fourier est préalablement effectuée pour l'étalonnage. Une telle méthode fonctionne donc difficilement pour la détermination de la vitesse d'écoulement d'un fluide. Un inconvénient commun aux deux procédés de traitement de signal précités réside dans le fait que le temps de calcul entraine une diminution de la gamme des vitesses mesurées en temps réel. Exposé de l'invention L'invention a donc pour but de proposer un dispositif optique et un procédé de détermination d'une vitesse VT(t) d'une cible, qui s'adapte à tout type de cible, sur une plage de mesure de vitesse importante, et ce, en temps réel. L'invention a également pour but de proposer un dispositif optique basé sur le phénomène de rétro-injection optique répondant à des contraintes de taille, de performance et de coût rendant son utilisation réaliste en milieu industriel. A cet effet, la présente invention vise sous un premier aspect un dispositif optique pour la détermination d'une vitesse VT(t) d'une cible en mouvement. Le dispositif optique comporte : - un capteur interférométrique à rétro-injection optique pour générer un signal interférométrique SM(t), ledit signal interférométrique SM(t) comportant l'information sur la vitesse VT(t) de la cible, - des moyens de traitement du signal interférométrique SM(t), reliés au capteur interférométrique à rétro-injection optique, comportant : - des moyens de conversion pour convertir le signal interférométrique SM(t) en un signal logique à deux états, - des moyens de calcul, en sortie des moyens de conversion, pour déterminer la vitesse VT(t) de la cible à partir du signal logique à deux états, lesdits moyens de calcul comportant un fréquencemètre.

Le capteur interférométrique à rétro-injection optique est un capteur optique comportant : - une source lumineuse laser apte à générer et émettre un faisceau lumineux, dit faisceau émis, en direction de la cible en mouvement, - un moyen de détection du signal interférométrique SM(t), ledit signal interférométrique SM(t) étant généré par une interférence entre le faisceau émis et un faisceau lumineux réfléchi par la cible en mouvement. Les moyens de traitement sont reliés au moyen de détection du capteur interférométrique à rétro-injection optique.

Le signal interférométrique SM(t) obtenu est un signal typique d'une rétro-injection optique et se différentie des signaux interférométriques, dit classiques, en ce qu'il représente des franges intedérométriques non sinusoïdales, présentant une forme spécifique en dents de scie asymétriques plus ou moins prononcée. Le signal interférométrique SM(t) obtenu, quel que soit le type de cible, est un signal à caractère périodique. Le signal interférométrique SM(t) comporte un signal plus ou moins bruité qui est fonction du type de cible et de son état de surface. Les moyens de conversion permettent avantageusement de s'affranchir du bruit affectant le signal interférométrique. Lesdits moyens de conversion permettent de convertir et de mettre en forme le signal interférométrique SM(t) de telle sorte que le signal logique à deux états présente la même période que le signal interférométrique. De tels moyens de conversion sont aptes et destinés à mettre en exergue la périodicité du signal interférométrique. Le signal interférométrique SM(t) est transformé en un signal logique à deux états, c'est-à-dire un signal à deux niveaux, un premier niveau dit haut et un second niveau dit bas. Chaque donnée du signal interférométrique SM(t) est convertie soit en niveau haut soit en niveau bas. Dans un exemple de réalisation, le niveau haut équivaut à 1 et le niveau bas équivaut à O.

La conversion du signal interférométrique SM(t) en un signal logique à deux états peut nécessiter le recours au calcul d'une dérivée du signal interférométrique, d'une dérivée seconde, d'un moment, ... Un signal logique à deux états est un signal numérique codé sur N bits, N étant supérieur ou égal à 1.

Préférentiellement, le signal logique à deux états est un signal numérique codé sur un bit. Le fait d'avoir un signal numérique codé sur un bit est encore plus avantageux en termes de bande passante. De plus, le traitement du signal interférométrique est plus rapide car il n'est pas nécessaire d'avoir recours à un convertisseur analogique-numérique (désigné communément sous l'acronyme français CAN ou l'acronyme anglais ADC pour analog-to-digital converter), ce qui amène une bande passante importante pour le dispositif optique. Par fréquencemètre, on entend un appareil de mesure qui permet de mesurer la fréquence à laquelle un phénomène répétitif se reproduit dans un intervalle de temps donné. Un tel dispositif optique permet avantageusement la détermination de la vitesse d'une cible en mouvement sans condition sur le type de cible, que ladite cible soit un corps solide ou un fluide, et sans condition sur l'allure du signal interférométrique, c'est-à-dire sans condition sur l'état de surface de la cible et/ou sans condition sur le taux de rétro-injection optique. Comme exposé précédemment, la cible en mouvement dont le dispositif selon la présente invention permet de déterminer la vitesse peut aussi bien être un corps solide qu'un fluide. Par fluide, on entend un liquide ou un gaz. Le fluide est préférentiellement transparent à(aux) longueur(s) d'onde(s) du faisceau émis par la source lumineuse laser. Dans le cas d'un fluide, le dispositif selon l'invention permet de déterminer la vitesse d'écoulement du fluide à partir d'un ou plusieurs élément(s) représentatif(s) entrainé(s) par l'écoulement dudit fluide. Par élément représentatif, on entend ici tout élément pouvant se trouver en suspension dans le fluide, y compris de petite taille, notamment de l'ordre de quelques microns, par exemple une poussière ou une gouttelette en suspension dans le fluide, ou toute autre variation locale de l'indice de réfraction au sein du fluide. L'interface entre deux fluides non miscibles entraîne par exemple une variation locale de l'indice de réfraction du fluide, qui est mesurable. Cet élément représentatif peut résulter dans certains cas, d'un 25 ensemencement naturel, par exemple par des poussières. Dans d'autres cas, cet élément représentatif, qui est préférentiellement alors de taille contrôlée, résulte d'un ensemencement non naturel, et a été ajouté au fluide. Lorsque le fluide s'écoule entre des parois, les parois sont préférentiellement transparentes à(aux) longueur(s) d'onde(s) du faisceau émis 30 par la source lumineuse laser. A titre d'exemple, le fluide peut être un fluide biologique du corps humain ou animal, par exemple du sang, notamment en circulation dans un vaisseau sanguin. Le dispositif selon la présente invention permet alors de déterminer la vitesse d'écoulement du sang, c'est-à-dire la vitesse du flux sanguin, à partir d'éléments représentatifs contenus dans le sang, tels que des cellules, en particulier des globules, et notamment des globules rouges, des caillots de sang, qui présentent une masse semi-solide et visqueuse composée de plusieurs cellules sanguines, ou encore tout agglomérat de tels éléments représentatifs. Dans ce cas, le vaisseau sanguin est préférentiellement transparent à(aux) longueur(s) d'onde(s) du faisceau émis par la source lumineuse laser. Un tel dispositif optique selon la présente invention présente en outre 10 des performances non négligeables en termes de temps de calcul, permettant avantageusement l'utilisation dudit dispositif optique en temps réel. Un tel dispositif optique présente en outre l'avantage d'être peu consommateur de ressources (charge de calcul, mémoire, ... entre autres), principalement dû au fait qu'il ne soit pas nécessaire, contrairement au 15 dispositifs optiques existants, d'avoir recours à un convertisseur analogique- numérique dans les moyens de traitement. L'absence d'un convertisseur analogique-numérique dans le dispositif optique de l'invention permet avantageusement d'augmenter la gamme de vitesses mesurables par rapport aux dispositifs optiques existants, car la 20 gamme de fréquences mesurables liées à l'effet Doppler est augmentée du fait d'une importante bande passante. Dans un mode de réalisation, dans le cas d'un corps solide, les moyens de calculs permettent avantageusement de déterminer, à partir du signal logique à deux états, la fréquence Doppler du corps solide, et par 25 extension la vitesse, celle-ci étant proportionnelle à la fréquence Doppler, de façon connue en soi. Dans un autre mode de réalisation, dans le cas d'un fluide, le faisceau émis est focalisé dans le fluide et réfléchi par un ensemble d'éléments représentatifs entrainés par l'écoulement du fluide. Le signal interférométrique 30 SM(t) comporte une distribution de fréquences liées à l'effet Doppler et non une fréquence unique, du fait des éléments représentatifs entrainés par l'écoulement du fluide à des vitesses/fréquence sensiblement différentes. Les moyens de calcul permettent, dans ce cas, de calculer une grandeur (fréquence) liée à cette distribution de fréquences. La grandeur caractéristique est liée à la vitesse de l'écoulement du fluide dans un volume de mesure par un abaque (relation linéaire entre la grandeur et la vitesse d'écoulement du fluide).

Ainsi, la vitesse d'écoulement du fluide est déterminée à partir de ladite grandeur, grâce à l'abaque. La vitesse d'écoulement du fluide déterminée est telle qu'observée sur une période d'acquisition et dans un volume donné. La grandeur obtenue est donc une moyenne de la vitesse d'écoulement dans le temps et dans l'espace.

Suivant des modes de réalisation préférés, l'invention répond en outre aux caractéristiques suivantes, mises en oeuvre séparément ou en chacune de leurs combinaisons techniquement opérantes. Dans des modes de réalisation particuliers, les moyens de conversion comportent un comparateur à seuil.

Dans un mode de réalisation d'un comparateur à seuil, ledit comparateur est un comparateur à seuil unique. Un tel comparateur à seuil est de préférence utilisé lorsque le signal interférométrique SM(t) est faiblement bruité, c'est-à-dire lorsque la valeur efficace du bruit est inférieure à la valeur efficace du signal interférométrique.

Le signal interférométrique SM(t) est converti en signal logique à deux états de façon telle que : - pour toute donnée du signal interférométrique SM(t) supérieure à un seuil prédéfini, le signal logique est au niveau haut, et - pour toute donnée du signal interférométrique SM(t) inférieure audit seuil, le signal logique est au niveau bas. Dans un exemple de réalisation, lorsque le signal interférométrique SM(t) est centré autour de zéro, le seuil prédéfini est zéro. Dans un autre exemple de réalisation, lorsque le signal interférométrique SM(t) est centré autour d'une valeur de composante continue non nulle, le seuil prédéfini équivaut à ladite valeur de composante continue. Dans des modes de réalisation particuliers du comparateur à seuil, ledit comparateur à seuil est un comparateur à double seuil. Un tel comparateur à double seuil est de préférence utilisé lorsque le signal interférométrique SM(t) est bruité à fortement bruité, c'est-à-dire lorsque la valeur efficace du bruit est supérieure à celle du signal interférométrique. Un tel comparateur à double seuil permet avantageusement d'éviter les multiples basculements du comparateur à seuil unique autour du seuil dus au bruit sur le signal interférométrique. Dans un exemple de réalisation, le comparateur à double seuil est un comparateur à hystérésis. Un tel comparateur à hystérésis est dénommé trigger de Schmitt, de type connu en soi. Dans un exemple de réalisation, le comparateur à double seuil est un comparateur à fenêtre, de type connu en tant que tel. Dans des modes de réalisation particulier, les moyens de conversion comportent un filtre passe haut, en amont du comparateur à seuil. De tels moyens permettent avantageusement de supprimer les signaux à basse fréquence du signal interférométrique. Un tel filtre passe haut permet de recentrer le signal interférométrique SM(t) autour de zéro. Ainsi, dans le cas du comparateur à seuil unique, les données négatives du signal interférométrique SM(t) sont transformées en niveau bas et les données positives du signal interférométrique SM(t) sont transformées en niveau haut.

En sortie des moyens de conversion, le signal logique présente une forme d'onde périodique avec une alternance de niveau haut et de niveau bas reliés par des fronts montants et des fronts descendants. Par front montant, on entend une transition du signal logique du niveau bas au niveau haut.

Par front descendant, on entend une transition du signal logique du niveau haut au niveau bas. Dans des exemples de réalisation de fréquencemètre, le nombre de fronts montants, et/ou le nombre de fronts descendants, est décompté pendant un intervalle de temps prédéfini. Dans le cas d'un corps solide en mouvement, la fréquence du signal logique, et par conséquent la fréquence Doppler du corps solide, en est déduite. Dans le cas d'un fluide, une grandeur liée à la distribution de fréquences liées à l'effet Doppler, du fait des éléments représentatifs entrainés par l'écoulement du fluide à des fréquences/vitesses sensiblement différentes, est déterminée. Dans un modèle de réalisation particulier, pour améliorer la résolution du dispositif optique, le fréquencemètre est un compteur réciproque, de type connu en soi.

Dans des modes de réalisation particuliers, lorsque le signal interférométrique SM(t) est très fortement bruité, voir noyé dans un bruit aléatoire, les moyens de traitement comportent, en amont des moyens de conversion, des moyens d'extraction du signal interférométrique noyé dans un bruit aléatoire. Un tel signal interférométrique SM(t) bruité est en particulier obtenu lorsqu'une détermination de vitesse d'écoulement d'un fluide est réalisée. Lesdits moyens d'extraction mettent avantageusement en exergue l'aspect périodique du signal interférométrique SM(t) par rapport aux aspects non périodiques du bruit.

Les moyens d'extraction du signal interférométrique SM(t) sont de préférence situés en sortie du capteur interférométrique et avant les moyens de conversion. Dans un exemple de réalisation des moyens d'extraction, lesdits moyens d'extraction sont un filtre d'auto-corrélation. Ledit filtre d'auto- corrélation permet de multiplier le signal interférométrique SM(t) temporel par son image décalée temporellement. Dans des modes de réalisation particuliers, le dispositif optique ne comporte pas de moyens de calibrage de la source lumineuse laser. Le dispositif optique est auto-calibré.

Dans des modes de réalisation particuliers, le dispositif optique ne comporte pas de composants extérieurs. Eventuellement, le dispositif optique comporte au moins une lentille de focalisation lorsque la cible est placée au-delà de quelques centimètres. Un tel dispositif optique présente un avantage non négligeable en termes d'encombrement et d'installation, donc de facilité de mise en oeuvre, et rend donc son utilisation réaliste en milieu industriel. L'invention est également relative à un procédé pour la détermination de vitesse VT d'une cible en mouvement. Le procédé comporte : - une étape d'acquisition d'un signal interférométrique SM(t) obtenu par rétro-injection optique, ledit signal interférométrique SM(t) comportant l'information sur la vitesse VT de la cible et étant généré par une interférence entre un faisceau émis par une source lumineuse laser d'un capteur interférométrique à rétro-injection optique en direction de la cible et un faisceau lumineux réfléchi par ladite cible, - une étape de conversion du signal interférométrique SM(t) en un signal logique à deux états, - une étape de détermination de la vitesse VT de la cible à partir du signal logique à deux états. L'étape de conversion du signal interférométrique SM(t) en un signal logique à deux états permet de supprimer les phénomènes d'altération aléatoires du signal d'interférence, dus à des perturbations quelconques.

Toutes les formes de signaux interférométriques obtenues par rétro-injection optique, issues de cibles quelconques, peuvent être traitées et converties en un signal logique à deux états. La cible en mouvement peut être un corps solide ou un fluide. Un tel procédé de mesure permet ainsi, via l'étape de conversion, la détermination de vitesse d'une cible quelconque, tout en étant insensible au phénomène d'altération aléatoire du signal d'interférence. Un tel procédé de mesure apporte également un degré supérieur d'efficacité dans le traitement des signaux interférométriques, car il peut être réalisé en temps réel.

Suivant des modes de mise en oeuvre préférés, l'invention répond en outre aux caractéristiques suivantes, mises en oeuvre séparément ou en chacune de leurs combinaisons techniquement opérantes. Dans des modes de mise en oeuvre particuliers, l'étape de détermination de la vitesse de la cible comporte une étape de comptage du 30 nombre de fronts montants ou/et fronts descendants du signal logique à deux états, par le fréquencemètre, pendant un intervalle de temps prédéfini. Ainsi, un tel procédé de traitement présente un intérêt particulier lorsqu'il est associé à un dispositif optique tel que précédemment décrit dans au moins l'un de ses modes de réalisation, pour la détermination sur des cibles de type solides, préférentiellement rugueuses, ou sur des cibles fluides. Dans des modes de mise en oeuvre particuliers, le procédé comporte, préalablement à l'étape de conversion du signal interférométrique SM(t) en un signal logique à deux états, une étape d'extraction du signal intedérométrique noyé dans un bruit aléatoire. Avantageusement, le procédé ne comporte pas d'étape de calibrage préalable de la source lumineuse laser. Ainsi, l'affranchissement d'une étape de calibrage, quelle qu'elle soit, permet une implémentation temps réel. En effet, une erreur lors d'une étape de calibrage empêche le déterminisme ou la répétabilité des mesures du dispositif optique associé au procédé. De plus, la réalisation d'une étape de calibrage nécessite le plus souvent d'avoir recours à des spécialistes techniques.

Le procédé de l'invention, ne nécessitant pas d'étape de calibrage de la source lumineuse laser, permet ainsi de rendre accessible l'utilisation du procédé par des personnes non spécialisées, ce qui rend son utilisation réaliste en milieu industriel. Dans des modes de mise en oeuvre préférés de l'invention, la cible est 20 du sang circulant dans une partie du corps humain ou animal, notamment dans un vaisseau cutané ou sous-cutané du corps humain ou animal. Dans un tel mode de mise en oeuvre particulièrement avantageux du procédé selon l'invention, la longueur d'onde du faisceau émis est en particulier choisie de sorte à ce que ce faisceau émis soit ciblé sur une zone 25 prédéterminée située sous l'épiderme, et pénètre notamment à travers la paroi du vaisseau sanguin, de sorte à atteindre les éléments représentatifs s'écoulant dans le sang qui y circule, tels par exemple que des globules rouges ou tout agglomérat de cellules sanguines. Un autre aspect de la présente invention est l'utilisation d'un dispositif 30 optique selon l'invention, répondant à l'une ou plusieurs des caractéristiques ci- avant, pour la détermination de la vitesse du flux sanguin dans une partie du corps humain ou animal, notamment dans un vaisseau cutané ou sous-cutané. La détermination de cette vitesse par le dispositif optique selon l'invention peut aussi bien consister en une détermination absolue de la vitesse du flux sanguin, qu'en une détermination relative. Le dispositif optique et le procédé selon la présente invention trouvent de nombreuses applications.

Une application particulièrement avantageuse en est la détection, en particulier la détection précoce, de lésions tumorales cutanées sur le corps d'un individu humain ou animal, par détection d'éventuelles variations de vitesse du flux sanguin au niveau de la peau dudit individu, de telles variations étant liées à une modification de la vascularisation survenant au niveau des lésions tumorales cutanées, par rapport à la peau saine. Présentation des figures La description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple d'un mode de réalisation de l'invention, est faite en se référant aux figures annexées dans lesquelles : Figure 1, illustre schématiquement un exemple de dispositif optique de détermination de vitesse d'une cible solide, basé sur le phénomène de rétro-injection optique, Figure 2, illustre un diagramme d'un mode de réalisation des moyens de traitement d'un signal intedérométrique obtenu par un dispositif optique de 20 détermination de la vitesse d'un corps en mouvement, Figure 3 illustre une comparaison entre les déterminations de fréquence obtenues dans un mode de mise en oeuvre d'un procédé de l'invention et un procédé de l'art antérieur pour un corps solide en cuivre, Figure 4 illustre une comparaison entre les déterminations de 25 fréquence obtenues dans un mode de mise en oeuvre d'un procédé de l'invention et un procédé de l'art antérieur pour un corps solide en cuivre recouvert d'un papier de verre, Figure 5 illustre une comparaison entre les déterminations de fréquence obtenues dans un mode de mise en oeuvre d'un procédé de 30 l'invention et un procédé de l'art antérieur pour un corps solide en cuivre sur lequel est collée une plaque de verre, Figure 6a illustre, pour un liquide, un tracé des fréquences mesurées à partir d'un mode de mise en oeuvre d'un procédé de l'invention en fonction de la vitesse d'écoulement du liquide, Figure 6b illustre une comparaison entre les déterminations de fréquence obtenues dans un mode de mise en oeuvre d'un procédé de l'invention et un procédé de l'art antérieur pour le liquide. Description détaillée de l'invention Un dispositif optique de détermination de la vitesse d'une cible en mouvement, suivant des modes de réalisation, est à présent décrit de manière détaillée et illustrée par les figures 1 à 6b.

La figure 1 illustre schématiquement un dispositif optique 1 pour la détermination de vitesse VT(t) d'une cible 20 en mouvement, de type corps solide, selon un mode particulier de réalisation de l'invention, et basé sur le phénomène de rétro-injection optique, précédemment exposé. Le dispositif optique 1 comporte un capteur interférométrique à rétro-15 injection optique 10 et des moyens de traitement 15 d'un signal interférométrique SM(t) obtenu en sortie du capteur interférométrique à rétro-injection optique 10. Ledit capteur interférométrique 10 comporte une source lumineuse laser 11, une lentille 12, un moyen de détection 13. 20 Le signal interférométrique SM(t) est obtenu en sortie du moyen de détection 13. La source lumineuse laser 11, la lentille 12 et la cible 20 sont placées sur un axe optique commun 30. La source lumineuse laser 11 est sensible à la rétro-injection optique. 25 Elle comporte une cavité optique (non représentée) et est adaptée pour émettre un faisceau optique de mesure, de longueur d'onde X, selon l'axe optique 30 en direction de la cible 20 et pour recevoir le faisceau de mesure réfléchi par ladite cible. De préférence, la source lumineuse laser 11 est une diode laser 30 monomode, mais l'utilisation de tout autre type de source lumineuse, telle que par exemple un laser à gaz, est possible. La diode laser 11 est alimentée avec un courant à valeur sensiblement stable dans le temps. Au contraire des interféromètres classiques, il n'est pas obligatoire de stabiliser la diode laser en longueur d'onde au moyen de systèmes d'asservissement entraînant un surcoût, la précision atteignable sans asservissement étant suffisante pour de nombreuses applications nécessitant un dispositif à faible coût. La diode laser 11 est placée à une distance Lext de la cible. La lentille 12 est placée sur un chemin optique parcouru par le faisceau optique de mesure et interposée entre la diode laser 11 et la cible 20.

De préférence, la lentille 12 est présente pour des distances Lext de la cible supérieures à quelques centimètres. Elle n'est généralement pas nécessaire pour des distances Lext inférieures à quelques centimètres. La lentille 12 est choisie d'une part de sorte à recevoir un faisceau de mesure issu de la diode laser 11, dit faisceau émis, et à collimater/focaliser ledit faisceau émis en direction de la cible et d'autre part pour recevoir une fraction du faisceau émis réfléchi par la cible et pour le collimater/focaliser vers la cavité interne de la diode laser 11. Dans un mode de réalisation, le dispositif optique 1 comporte deux lentilles, en série, de sorte à focaliser le faisceau de mesure sur la cible avec un spot de dimension réduite par rapport à la dimension du spot obtenu avec le dispositif optique à une seule lentille. La détermination de vitesse de cibles de dimensions plus petites sont ainsi envisageables. La cible 20 est en mouvement à une vitesse VT(t). La cible 20 est inclinée par rapport à l'axe optique 30. La cible 20 n'est pas perpendiculaire à l'axe optique 30 mais présente une normale N formant un angle y avec l'axe optique 30. La cible 20 est adaptée pour recevoir au moins une partie du faisceau émis par la diode laser et présente une surface 21 apte à réfléchir tout ou partie dudit faisceau de mesure émis.

Dans un exemple de réalisation, la cible 20 peut être une partie d'un objet pour lequel la vitesse doit être mesurée. Alternativement, la cible 20 peut être séparée de l'objet mais attachée à l'objet, de sorte que la détermination de vitesse de la cible est équivalente à la détermination de vitesse de l'objet. La surface 21 de la cible 20 peut être sensiblement plane ou présenter un état de surface rugueux. Le faisceau de mesure, non collimaté, émis par la diode laser 11, se dirige vers la lentille 12 qui le collimate/focalise vers la cible 20. La cible 20 en réfléchit une fraction. Le faisceau de mesure réfléchi, après passage par la lentille 12, est réinjecté dans la cavité optique de la diode laser 11 créant avec le faisceau de mesure émis par la diode laser des interférences.

Lorsque la cible 20 est en mouvement, le faisceau réfléchi est décalé en fréquence par rapport au faisceau émis par effet Doppler. Les interférences dépendantes de la vitesse de la cible génèrent une variation de la puissance optique du faisceau de mesure émis par la diode laser 11. Le moyen de détection 13 détecte la variation de la puissance optique du faisceau de mesure émis par la diode laser et la convertit en un signal, dit signal interférométrique SM(t), comportant les interférences dépendantes de la vitesse VT(t) de la cible au cours du temps. Ce signal interférométrique SM(t) peut être par exemple, un signal d'intensité de courant, de tension, de puissance ou encore un signal numérique.

Le moyen de détection est préférentiellement une photodiode 13. Dans un exemple préféré de réalisation, la photodiode 13 est une photodiode intégrée dans un même boîtier que la diode laser 11 et située sur une face arrière de ladite diode laser. Cette photodiode, servant habituellement à asservir la puissance d'émission de la diode laser, est mise à contribution pour détecter les variations de la puissance optique de la diode laser, induites par le phénomène de rétro-injection optique. En sortie de ladite photodiode, les moyens de traitement 15 traitent le signal interférométrique SM(t) issu de la photodiode 13 et déterminent la vitesse VT(t) de la cible 20 en mouvement.

Un signal interférométrique SM(t) est représenté par des franges interférométriques non sinusoïdales, présentant une forme spécifique en dents de scie asymétriques plus ou moins prononcée. Le signal interférométrique SM(t) obtenu en sortie du moyen de détection 13 est périodique. Les moyens de traitement 15, détaillés à la figure 2, comportent : - des moyens de conversion 16 pour convertir le signal interférométrique SM(t) en un signal logique à deux états, - des moyens de calcul 17, en sortie des moyens de conversion 16, pour déterminer la vitesse VT(t) de la cible 20 à partir du signal logique. Ces moyens de traitement 15 peuvent être analogiques et/ou numériques.

Les moyens de conversion 16 comportent un comparateur à seuil 161. Dans un mode préféré de réalisation du comparateur à seuil, ledit comparateur à seuil est un comparateur à double seuil, préférentiellement de type trigger de Schmitt. Un tel comparateur à double seuil permet de s'affranchir des bruits parasites présents sur le signal interférométrique.

En sortie du comparateur à seuil 161, le signal interférométrique SM(t) est converti en un signal logique à deux états, présentant une forme avec un niveau haut, un niveau bas, des fronts montants et des fronts descendants reliant les niveaux bas et haut. Un tel signal logique à deux états est exempt de bruit parasite et conserve la périodicité du signal interférométrique. L'obtention d'un signal logique permet de ne recourir avantageusement qu'à un unique algorithme de traitement de signal, quelque soit le type de cible, dont on cherche à déterminer la vitesse, et son état de surface.

Dans un mode de réalisation, lesdits moyens de conversion comportent des moyens de suppression 162 d'une composante continue du signal interférométrique. Lesdits moyens de suppression 162 sont préférentiellement situés en amont du comparateur à seuil 161.

Dans un exemple de réalisation, les moyens de suppression 162 comportent un couplage capacitif réalisant un filtre passe-haut dont la fréquence de coupure est inférieure à une limite inférieure des fréquences à déterminer. Dans un mode de réalisation, lorsque le signal interférométrique SM(t) est fortement bruité, le moyen de traitement 15 comporte en outre des moyens d'extraction 18 du signal interférométrique, en amont du moyen de conversion 16, c'est-à-dire avant le comparateur à seuil 161 ou avant les moyens de suppression 162, lorsque ceux-ci sont présents. Dans un mode amélioré du mode de réalisation précédent, le moyen de traitement 15 comporte un deuxième comparateur à seuil 19, en amont des moyens d'extraction 18 du signal interférométrique.

Dans un exemple préféré de réalisation du deuxième comparateur à seuil 19, ledit deuxième comparateur à seuil est un comparateur à double seuil, préférentiellement de type trigger de Schmitt. Les moyens de calcul 17 comportent : - un fréquencemètre 171, pour déterminer la fréquence du signal logique, - un moyen de mesure 172 pour déterminer la vitesse VT(t) de la cible à partir de la fréquence obtenue en sortie du fréquencemètre. Le fréquencemètre est relié en sortie du comparateur à seuil 161 et reçoit en entrée le signal logique périodique à deux états.

Le moyen de mesure 172 est relié en sortie du fréquencemètre et reçoit en entrée la fréquence du signal logique, et par conséquent la fréquence du signal interférométrique SM(t), mesurée par le fréquencemètre 171. Dans un exemple de réalisation de fréquencemètre, le nombre de fronts montants, ou/et le nombre de fronts descendants, est décompté pendant un intervalle de temps prédéfini. La fréquence du signal logique, et par conséquent la fréquence Doppler de la cible solide, en est déduite. Dans un modèle de réalisation particulier, pour améliorer la résolution du dispositif optique, le fréquencemètre 171 est un compteur réciproque, de type connu en soi.

Le dispositif optique 1 présente l'avantage de ne pas requérir de moyens de calibrage du capteur interférométrique à rétro-injection optique 10, en particulier des moyens de calibrage de la diode laser. Le dispositif optique est auto-calibré. Un procédé pour la détermination de vitesse VT(t) d'une cible à partir du dispositif optique selon un de ses modes de réalisation comporte les étapes successives : - d'acquisition du signal interférométrique SM(t) obtenu par rétro- injection optique par le capteur interférométrique à rétro-injection optique 10, - de conversion, par le comparateur à seuil 161, du signal interférométrique SM(t) en un signal logique à deux états, signal qui est périodique, - de détermination, par les moyens de calcul 17, de la vitesse VT(t) de la cible 20 à partir du signal logique à deux états. L'étape de détermination de la vitesse VT(t) se décompose de préférence en deux sous-étapes successives : - une étape de détermination de la fréquence du signal logique périodique, par le fréquencemètre 171, - une étape de calcul de la vitesse VT(t) de la cible en mouvement à partir de la fréquence obtenue à la sous-étape précédente, par le moyen de mesure 172.

Un tel procédé de détermination permet de traiter des signaux interférométriques en temps réel. Dans un mode de mise en oeuvre du procédé, le procédé comporte, en amont de l'étape de conversion, par le comparateur à seuil 161, du signal interférométrique SM(t) en un signal logique à deux états, une étape de suppression de la composante continue du signal interférométrique SM(t) réalisée par les moyens de suppression 162, par exemple un filtre passe-haut. Une telle étape permet avantageusement de supprimer le phénomène d'enveloppe pouvant apparaître sur le signal interférométrique SM(t), de fréquence variable dans le temps. Cette fréquence variable dans le temps est généralement très éloignée de la fréquence de la cible en mouvement à mesurer, et il est possible de s'en affranchir sans perturber la mesure de la fréquence de la cible. Cette étape recentre ainsi le signal interférométrique SM(t) autour de zéro. Dans un mode de mise en oeuvre du procédé, lorsque le signal interférométrique SM(t) est très fortement bruité, voir noyé dans un bruit aléatoire, le procédé comporte une étape d'extraction du signal interférométrique noyé dans le bruit aléatoire. Cette étape est en amont de l'étape de conversion du signal interférométrique SM(t) en un signal logique à deux états par le comparateur à seuil 161 et en amont de l'étape de suppression de la composante continue du signal interférométrique SM(t) lorsque celle-ci existe.

Le dispositif optique et le procédé associé précédemment décrit est décrit dans le cadre de la détermination de la vitesse d'un corps solide. Le dispositif optique et le procédé associé est également applicable à la détermination de la vitesse d'écoulement d'un fluide. Dans ce cas, la fréquence du signal logique, déterminée par le fréquencemètre, correspond à une grandeur liée à la distribution de fréquences liées à l'effet Doppler. En effet, de part la dimension de son spot, le faisceau émis se focalise, dans le fluide, sur une pluralité d'éléments représentatifs, de fréquences généralement non similaires, et non un seul élément représentatif. La distribution de fréquences correspond aux fréquences associées à chaque élément représentatif visé par le faisceau émis et réfléchis par chaque élément représentatif. Partant de ladite grandeur, la vitesse de l'écoulement du fluide est déduite grâce à un abaque de référence. A titre représentatif de l'invention, afin d'illustrer les performances du dispositif optique et du procédé associé quant à la détermination de vitesse de corps solides et de fluide, quatre exemples, illustrés par les figures 3 à 6b, sont décrits. Les figures 3 à 5 illustrent trois exemple de détermination réelles de vitesse de trois cibles de type corps solides.

Pour toutes les expériences sur les corps solides : - la source lumineuse laser est une diode laser de type HL 7851G LD d'Hitachi® émettant à une longueur d'onde X de 785nm avec photodiode intégrée. La diode laser est alimentée par un courant d'injection constant de 80mA, et a une puissance de sortie maximale de 50mW. Le faisceau émis est collimaté à travers une lentille de focale 8mm et est focalisé sur une cible de diamètre 110mm, - la cible est en mouvement de rotation entrainant une vitesse VT constante, elle est positionnée à une distance de 27 cm de la diode laser, et le mouvement de celle-ci est généré par un moteur à courant continu, la normale N de la cible fait un angle de 100 avec l'axe optique 30. La photodiode convertit le signal optique à la sortie de la diode laser en un signal interférométrique SM(t) électrique qui est visualisé et enregistré via un amplificateur transimpédance et un oscilloscope de type HRO 66Zi de LeCroe.

Les signaux interférométriques sont traités pour reconstruire la vitesse de la cible. Le signal logique à deux états obtenu est un signal numérique codé sur un bit. Pour chaque exemple, le procédé selon un mode de mise en oeuvre de l'invention est comparé avec un procédé d'estimation spectrale comportant un algorithme calculant la transformée de Fourier du signal interférométrique SM(t) échantillonné. Un tel procédé est un procédé connu en tant que tel et nécessite des moyens de traitement complexes et coûteux pour obtenir un traitement du signal interférométrique SM(t) en temps réel. Pour information, ledit procédé comporte les étapes suivantes : - le signal interférométrique SM(t) est divisé en des segments de P points chacun, - chaque segment est fenêtré avec une fenêtre de Hamming, - le segment fenêtré est complété par des zéros pour former un vecteur de L points, afin d'avoir un nombre de points multiple d'une puissance de 2, - la transformée de Fourier du vecteur de L points est calculée, - la fréquence Doppler correspondant au pic du module complexe de la transformée de Fourier est estimée.

Exemple 1 : la cible 20 est un disque en cuivre. Le dispositif optique comporte, pour ce premier exemple : - un fréquencemètre 171 sous la forme d'un compteur conventionnel, - des moyens de conversion 16 utilisés pour la mise en forme du signal interférométrique SM(t) comportant : o un comparateur simple 161, o un filtre passe-haut 162 de fréquence de coupure égale à 5kHz. Le mode de mise en oeuvre du procédé choisi comporte les étapes suivantes : - acquisition du signal interférométrique SM(t) obtenu par rétro-injection optique par le capteur interférométrique à rétro-injection optique 10, - suppression de la composante continue du signal interférométrique SM(t) réalisée par le filtre passe-haut 162, - conversion du signal interférométrique SM(t) en un signal logique à deux états par le comparateur simple 161, - détermination de la fréquence du signal logique à deux états, - détermination de la vitesse VT(t) du disque en cuivre 20 à partir de la fréquence du signal logique. Le disque en cuivre tourne à vitesse de rotation constante. Le faisceau lumineux laser illumine un point dudit disque en cuivre. Les essais sur le disque en cuivre sont réalisés avec dix vitesses de rotation différentes, c'est à dire à dix fréquences différentes.

Pour chaque vitesse de rotation, cent mesures de fréquence sont déterminées à partir du procédé suivant le mode de mise en oeuvre choisi et le procédé d'estimation spectrale précédemment décrit. La durée de chaque mesure de fréquence est de 10ms pour les deux procédés de mesure.

Les signaux intedérométriques acquis ont un rapport signal sur bruit de l'ordre de 50dB. La fréquence d'échantillonnage utilisée est de 1 MHz. Les fréquences déterminées par les deux procédés sont illustrées sur la figure 3. L'écart-type avec un intervalle de confiance de 95% pour chaque fréquence y est également représenté. Les fréquences déterminées à partir du procédé selon le mode de mise en oeuvre choisi sont représentées sur la figure 3 par une croix et les fréquences déterminées à partir du procédé d'estimation spectrale sont représentées par un rond. Le trait 1 représentant l'écart-type avec un intervalle de confiance de 95% de chaque fréquence déterminée par le procédé selon le mode de mise en oeuvre choisi est plus foncé et large que le trait 2 représentant l'écart-type avec un intervalle de confiance de 95% de chaque fréquence déterminée par le procédé d'estimation spectrale. Les tableaux ci-après répertorient les biais et écart-type obtenus pour le disque en cuivre : procédé selon le mode de mise en oeuvre choisi biais écart-type moyenne absolu relatif moyenne absolu relatif (Hz) (kHz) (0A) (Hz) (kHz) (0A) -2.6 [-1.710.83] [-0.55;0.52] 1.86 [1.44;2.42] [0.67;3.14] procédé d'estimation spectrale biais écart-type moyenne absolu relatif moyenne absolu relatif (Hz) (kHz) (0A) (Hz) (kHz) (0A) 245.6 [-0.487;1.2] [-0.46;0.57] 1.86 [1.56;2.6] [0.59;2.91] On constate que les résultats obtenus à partir des deux procédés de mesure sont quasi-similaires, tant au niveau des biais (différence entre la valeur exacte et la valeur estimée) que des écart-types.

L'écart-type moyen des mesures est sensiblement constant, de l'ordre de 1.86kHz, quelque soit la fréquence du signal interférométrique. A titre informatif, pour les deux procédés, le biais et l'écart-type maximaux sont de respectivement 0.6% et 3% pour la fréquence à 57kHz. L'écart-type relatif des mesures décroit lorsque la fréquence augmente. Il est cependant inférieur à 0.8% pour la fréquence de 311kHz.

Exemple 2: la cible est le disque en cuivre de l'exemple 1 recouvert d'un papier de verre de type Norton P40 et tournant à vitesse de rotation constante. Le dispositif optique et le procédé utilisés sont identiques à l'exemple 1 Le disque tourne à vitesse de rotation constante. Le faisceau lumineux laser illumine un point dudit disque. Les essais sur le disque en cuivre recouvert d'un papier de verre sont réalisés avec dix vitesses de rotation différentes, c'est à dire à dix fréquences différentes. Ces dix vitesses de rotation sont sensiblement différentes de celles de l'exemple 1 avec une cible en cuivre. Pour chacune des dix vitesses de rotation, quatre cent mesures de fréquence sont déterminées à partir du procédé suivant le mode de mise en oeuvre choisi et le procédé d'estimation spectrale précédemment décrit. La durée de chaque mesure de fréquence est de 10ms pour les deux 20 procédés de mesure. Les signaux intedérométriques acquis ont un rapport signal sur bruit de l'ordre de 50dB. La fréquence d'échantillonnage utilisée est de 2.5 MHz. Les fréquences déterminées par les deux méthodes sont illustrées sur 25 la figure 4. L'écart-type avec un intervalle de confiance de 95% y est également représenté. Les fréquences déterminées à partir du procédé selon le mode de mise en oeuvre choisi sont représentées sur la figure 4 par une croix et les fréquences déterminées à partir du procédé d'estimation spectrale sont représentées par un rond. Le trait 1 représentant l'écart-type avec un intervalle 30 de confiance de 95% de chaque fréquence déterminée par le procédé selon le mode de mise en oeuvre choisi est plus foncé et large que le trait 2 représentant l' écart-type avec un intervalle de confiance de 95% de chaque fréquence déterminée par le procédé d'estimation spectrale. Les tableaux ci-après répertorient les biais et écart-type obtenus pour le disque en cuivre recouvert d'un papier de verre : procédé selon le mode de mise en oeuvre choisi biais écart-type moyenne absolu relatif moyenne absolu relatif (Hz) (kHz) (0A) (Hz) (kHz) (0A) 54.6 [-0.78;0.73] [-0.25;0.37] 1.5 [1.09;2.05] [0.55;2.35] procédé d'estimation spectrale biais écart-type moyenne absolu (kHz) relatif moyenne absolu relatif (Hz) (0A) (Hz) (kHz) (0A) 8 [-0.795;0.71] [-0.48;0.35] 1.67 [1.19;2.51] [0.64;2.29] On constate que les résultats obtenus à partir des deux procédés de mesure sont quasi-similaires, tant au niveau des biais que des écart-types. Pour les deux procédés, le biais moyen est respectivement de 8 et 55Hz. En aucun cas, le biais ne dépasse 0.5% de la valeur exacte. De même, l'écart-type moyen des mesures est de 1.67kHz pour la FFT et 1.5kHz pour le fréquencemètre. A titre informatif, pour les deux procédés, l'écart-type relatif est maximal (2.3%) à la basse fréquence (56kHz) puis décroit quand la fréquence du signal à mesurer augmente pour atteindre 0.55 et 0.7% à la plus haute fréquence mesurée (364kHz).

Exemple 3: la cible est le disque en cuivre de l'exemple 1 sur lequel est collée, via une colle thermique, une plaque de verre. Le disque tourne à vitesse de rotation constante. Le dispositif optique comporte, pour ce troisième exemple : - un fréquencemètre 171 sous la forme d'un compteur conventionnel, - des moyens de conversion 16 utilisés pour la mise en forme du signal interférométrique SM(t) comportant : o un comparateur simple 161, o un filtre passe-haut 162 de fréquence de coupure égale à 5 kHz, - un deuxième comparateur simple 19, - des moyens d'extraction 18 utilisés pour extraire le signal interférométrique noyé dans un bruit aléatoire, sous la forme d'un filtre d'auto-corrélation. Le mode de mise en oeuvre du procédé choisi comporte les étapes successives suivantes : - acquisition du signal interférométrique SM(t) obtenu par rétro-injection optique par le capteur interférométrique à rétro-injection optique 10, - conversion du signal interférométrique SM(t) en un signal logique avec le deuxième comparateur simple 19, - extraction du signal obtenu noyé dans un bruit aléatoire, par un filtre d'auto-corrélation, - suppression de la composante continue du signal obtenu en sortie du filtre d'auto-corrélation, étape réalisée par le filtre passe-haut 162, - conversion du signal obtenu en sortie de l'étape précédente en un signal logique à deux états par le comparateur simple 161, - détermination de la fréquence du signal logique à deux états, - détermination de la vitesse VT(t) du disque 20 à partir de la fréquence du signal logique. Le disque tourne à vitesse de rotation constante. Le faisceau lumineux laser illumine un point dudit disque. Les essais sur le disque en cuivre sur lequel est collée la plaque de verre sont réalisés avec dix vitesses de rotation différentes, c'est à dire à dix 30 fréquences différentes. Ces dix vitesses de rotation sont sensiblement différentes de celles des exemples 1 et 2. Pour chacune des dix vitesses de rotation, quatre cent mesures de fréquence sont déterminées à partir du procédé suivant le mode de mise en oeuvre choisi et le procédé d'estimation spectrale précédemment décrit. La durée de chaque mesure de fréquence est de 10ms pour les deux procédés de mesure. Les signaux intedérométriques acquis ont un rapport signal sur bruit de l'ordre de 30dB. Les signaux intedérométriques présentent une distorsion. La fréquence d'échantillonnage utilisée est de 2.5MHz. Les fréquences déterminées par les deux méthodes sont illustrées sur la figure 5. L'écart-type avec un intervalle de confiance de 95% pour chaque fréquence y est également représenté. Les fréquences déterminées à partir du procédé selon le mode de mise en oeuvre choisi sont représentées sur la figure 5 par une croix et les fréquences déterminées à partir du procédé d'estimation spectrale sont représentées par un rond. Le trait 1 représentant l'écart-type avec un intervalle de confiance de 95% de chaque fréquence déterminée par le procédé selon le mode de mise en oeuvre choisi est plus foncé et large que le trait 2 représentant l'écart-type avec un intervalle de confiance de 95% de chaque fréquence déterminée par le procédé d'estimation spectrale. Les tableaux ci-après répertorient les biais et écart-type obtenus pour le disque en cuivre recouvert d'une plaque de verre : procédé selon le mode de mise en oeuvre choisi biais écart-type moyenne absolu relatif moyenne absolu relatif (Hz) (kHz) (0A) (Hz) (kHz) (0A) -858.9 [-3.3;1.29] [-1.1;1.1] 3.18 [2.24;4.5] [1.03;3.2] procédé d'estimation spectrale biais écart-type moyenne absolu relatif moyenne absolu relatif (Hz) (kHz) (0A) (Hz) (kHz) (0A) -1004.7 [-3.2;1.75] [-1.511] 3.45 [-2.314.66] [1.2;3.33] On constate que les résultats obtenus par les deux procédés de mesure sont quasi-similaires, tant au niveau des biais que des écart-types. Pour les deux procédés, le biais moyen est respectivement de 1005 et 858.9Hz en valeur absolue. A titre informatif, le biais absolu maximal observé est égal à -3.3kHz correspondant à la fréquence 356kHz du signal interférométrique. Le biais relatif maximal égal à 1.5% correspond à la fréquence du signal interférométrique SM(t) la plus basse (80kHz). De même, l'écart-type absolu moyen des mesures est de 3.45kHz et 3.18kHz pour les deux procédés. L'écart-type relatif maximal est égal à 3.325%. correspond à la fréquence 134.5kHz. L'écart-type relatif des mesures décroit lorsque la fréquence augmente pour atteindre entre 1 et 1.5% aux plus hautes fréquences mesurées. Notons que les signaux acquis sur le verre ont une large bande passante, ce qui explique les valeurs élevées de l'écart-type des mesures. Ces exemples confirment clairement la robustesse du dispositif optique et du procédé associé pour la détermination de vitesse de corps solides présentant différents états de surface. L'exemple 4 suivant illustre les performances du dispositif optique et du procédé associé quant à la détermination d'une vitesse d'écoulement d'un liquide.

Pour cette expérience : la source lumineuse laser est un laser VCSEL de type VCTF85A32-1S-V2 de Lasermate® émettant à une longueur d'onde X de 850nm avec photodiode intégrée. La diode laser est alimentée par un courant d'injection constante de 5,5 mA, et a une puissance de sortie maximale de 2mW. Un système à double lentille (lentille de collimation et lentille de focalisation) est utilisé. Le diamètre du spot de focalisation est sensiblement de 32,26pm. Le faisceau émis est focalisé au centre d'un canal microfluidique, le canal microfluidique est réalisé dans un matériau en polydiméthylsiloxane (connu sous l'acronyme PDMS) d'indice de réfraction 1,4, et présente une section transversale circulaire de diamètre interne 320 pm. La normale N du canal microfluidique (et donc la normale à la direction d'écoulement du liquide) fait un angle de 110 avec l'axe optique du laser. Le canal microfluidique est transparent à la longueur d'onde X, - le liquide traversant le canal microfluidique est un liquide composé de 2% de lait et 98% d'eau en masse. Son indice de réfraction est de 1.33. Le liquide est injecté dans le canal microfluidique à l'aide d'une pousse seringue avec un contrôle de débit de marque HARVARD®. La photodiode convertit le signal optique à la sortie de la diode laser en un signal interférométrique SM(t) électrique qui est visualisé et enregistré via un amplificateur transimpédance et une carte d'acquisition NI 6125 de NI Instruments® pilotée par le logiciel Labview®. La carte d'acquisition NI 6125 est utilisée uniquement pour la détermination de la vitesse d'écoulement du liquide avec le procédé d'estimation spectrale. Elle n'est pas utilisée pour la détermination de la vitesse d'écoulement du liquide avec le mode de mise en oeuvre du procédé suivant l'invention choisi. Les signaux intedérométriques sont traités pour déterminer la grandeur liée à la distribution de fréquences, puis la vitesse d'écoulement du liquide. Le dispositif optique comporte, pour ce quatrième exemple : - un fréquencemètre 171 sous la forme d'un compteur conventionnel, - des moyens de conversion utilisés pour la mise en forme du signal interférométrique SM(t) comportant : o un comparateur simple 161, o un filtre passe-haut 162 de fréquence de coupure égale à 0.5 kHz. Le mode de mise en oeuvre du procédé choisi comporte les étapes suivantes : - acquisition du signal interférométrique SM(t) obtenu par rétro-injection optique par le capteur interférométrique à rétro-injection optique 10, - suppression de la composante continue du signal interférométrique SM(t) réalisée par le filtre passe-haut 162, - conversion du signal interférométrique SM(t) en un signal logique périodique par le comparateur simple 161, - détermination d'une grandeur liée à la distribution de fréquences du signal logique à deux états, - détermination de la vitesse d'écoulement du liquide à partir de la grandeur déterminée.

Le faisceau lumineux laser illumine un point dans le liquide. Les essais sont réalisés pour dix vitesses d'écoulement différentes. Pour chacune des dix vitesses d'écoulement, cinquante mesures de fréquence sont déterminées à partir du procédé suivant le mode de mise en oeuvre choisi et le procédé d'estimation spectrale précédemment décrit.

La durée de chaque mesure de fréquence est de 40 ms pour les deux procédés de mesure. Les signaux intedérométriques acquis ont un rapport signal sur bruit de l'ordre de 10dB. La fréquence d'échantillonnage utilisée est de 500 kHz.

La figure 6a illustre les fréquences déterminées par le procédé suivant le mode de mise en oeuvre choisi pour les dix vitesses d'écoulement du liquide. L'écart-type avec un intervalle de confiance de 95% pour chaque fréquence y est également représenté. La relation linéaire entre la fréquence et la vitesse d'écoulement du liquide y est également représenté.

Une comparaison avec le procédé d'estimation spectrale et le procédé suivant le mode de mise en oeuvre choisi, pour les dix vitesses d'écoulement du liquide, est illustrée sur la figure 6b. L'écart-type avec un intervalle de confiance de 95% pour chaque fréquence y est également représenté. Les fréquences déterminées à partir du procédé selon le mode de mise en oeuvre choisi sont représentées sur la figure 6b par une croix et les fréquences déterminées à partir du procédé d'estimation spectrale sont représentées par un rond. Le trait 1 représentant l'écart-type avec un intervalle de confiance de 95% de chaque fréquence déterminée par le procédé d'estimation spectrale est plus foncé et large que le trait 2 représentant l'écart-type avec un intervalle de confiance de 95% de chaque fréquence déterminée par le procédé selon le mode de mise en oeuvre choisi. On constate que les fréquences déterminées par le procédé d'estimation spectrale sont très imprécises au contraires des fréquences déterminées par le procédé selon le mode de mise en oeuvre choisi. Le procédé d'estimation spectrale n'est donc pas pertinent pour la détermination de vitesse d'écoulement d'un fluide. Le dispositif optique suivant l'invention ainsi que le procédé associé permet avantageusement de déterminer la vitesse d'une cible en mouvement. Le dispositif optique permet, via un traitement de signal en temps réel adapté, de traiter toutes les allures de signaux intedérométriques suivant tout type de cible, quelle soit un corps solide ou un fluide. Le dispositif optique suivant l'invention est un dispositif simple à réaliser, peu encombrant (sans composants externes de type optiques, mécaniques ou électroniques supplémentaires à la configuration de base), auto-aligné et robuste pour la détermination de vitesse quelque soit le type de cible utilisée. Il présente également l'avantage d'être d'un coût abordable et transportable en milieu industriel.

Claims (12)

1. REVENDICATIONS1 - Dispositif (1) optique pour la détermination d'une vitesse VT(t) d'une cible (20) caractérisé en ce qu'il comporte : - un capteur interférométrique à rétro-injection optique (10) pour générer un signal interférométrique SM(t), ledit signal interférométrique SM(t) comportant l'information sur la vitesse VT(t) de la cible, - des moyens de traitement (15) du signal interférométrique SM(t), reliés au capteur interférométrique à rétro-injection optique (10), comportant : - des moyens de conversion (16) pour convertir le signal interférométrique SM(t) en un signal logique à deux états, - des moyens de calcul (17), en sortie des moyens de conversion (16), pour déterminer la vitesse VT(t) de la cible (20) à partir du signal logique à deux états, lesdits moyens de calcul (17) comportant un fréquencemètre (171).
2. 2 - Dispositif (1) optique selon la revendication 1 dans lequel le fréquencemètre (171) est un compteur réciproque.
3. 3- Dispositif (1) optique selon l'une des revendications précédentes dans lequel les moyens de conversion (16) comportent un comparateur à seuil (161).
4. 4- Dispositif (1) optique selon la revendication 3 dans lequel le comparateur à seuil (161) est un comparateur à hystérésis.
5. 5- Dispositif (1) optique selon l'une des revendications précédentes comportant des moyens d'extraction (18) du signal interférométrique noyé dans un bruit aléatoire, en amont des moyens de conversion (16).
6. 6- Dispositif (1) optique selon l'une des revendications précédentes ne comportant pas de moyens de calibrage du capteur interférométrique à rétro-injection optique (10).
7. 7 - Procédé pour la détermination d'une vitesse VT(t) d'une cible (20), caractérisé en ce qu'il comporte :- une étape d'acquisition d'un signal interférométrique SM(t) obtenu par rétro-injection optique, ledit signal interférométrique SM(t) comportant l'information sur la vitesse VT(t) de la cible (20) et étant généré par une interférence entre un faisceau émis par une source lumineuse laser (11) d'un capteur interférométrique à rétro-injection optique (10) en direction de la cible (20) et un faisceau lumineux réfléchi par ladite cible, - une étape de conversion du signal interférométrique SM(t) en un signal logique à deux états, - une étape de détermination de la vitesse VT(t) de la cible (20) à partir du signal logique à deux états.
8. 8 - Procédé selon la revendication 7 dans lequel l'étape de détermination de la vitesse VT(t) de la cible comporte une étape de comptage du nombre de fronts montants et/ou de fronts descendants du signal logique à deux états pendant un intervalle de temps prédéfini.
9. 9 - Procédé selon l'une des revendications 7 ou 8 ne comportant pas d'étape de calibrage de la source lumineuse laser (11).
10. 10- Procédé selon l'une des revendications 7 à 9 comportant, préalablement à l'étape de conversion du signal interférométrique SM(t) en un signal logique à deux états, une étape d'extraction du signal interférométrique noyé dans un bruit aléatoire.
11. 11 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 7 à 10, selon lequel la cible est du sang circulant dans une partie du corps humain ou animal, notamment dans un vaisseau cutané ou sous-cutané.
12. 12 - Utilisation d'un dispositif optique selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 pour la détermination de la vitesse du flux sanguin dans une partie du corps humain ou animal, notamment dans un vaisseau cutané ou sous-cutané.