FR3051560B1 - Systeme de telemetrie optique - Google Patents
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Abstract
La présente invention concerne un système de télémétrie optique comprenant un premier ensemble optoélectronique formé par une source lumineuse SL et un capteur photosensible CPs orientés en direction d'une cible (4) caractérisé en ce que la source lumineuse est modulée par un signal de fréquence Fs, un second ensemble optoélectronique formé par une source lumineuse SLc (6) et un capteur photosensible CPc (5) étant solidaire de la cible (4), ladite source lumineuse SLc (6) de la cible (4) étant modulée par une horloge de fréquence pilotée par le signal électrique délivré par ledit capteur photosensible CPc (5), ledit premier ensemble optoélectronique comprenant en outre un circuit de mesure du déphasage entre le signal électrique délivré par ledit capteur photosensible CPS (5) et le signal de modulation de la source lumineuse SLs (6) accouplée, ledit système comprenant en outre un calculateur pour déterminer la distance en fonction de la fréquence F et du déphasage mesuré. Elle concerne aussi un ensemble optoélectronique pour un système de télémétrie optique.
Description
Domaine de l'invention
La présente invention concerne le domaine de la télémétrie optique, pour l'évaluation de distances comprises entre quelques dizaines de centimètres et quelques dizaines de mètres, et plus particulièrement un système de mesure de distance entre deux objets, par exemple par la lumière naturelle, l'éclairage artificielle de la chaussée ou la lumière émise par les phares ou feux de circulation, par exemple l'évaluation de la distance entre deux engins dont l'un au moins est mobile tels que des robots ou des véhicules automobiles. L'invention concerne notamment un système de mesure de distance entre deux objets, plus spécifiquement entre deux véhicules qui se suivent. Ce système pourrait venir en complément aux technologies radar FMCW déjà déployées (mais sensibles aux interférences) ou LIDAR (encore au stade de prototype) pour des applications courtes distance et trafic dense comme par exemple le groupement de véhicules par pelotons convoi routier (en anglais platooning) ou encore le LEDDAR exploitant des diodes électroluminescentes.
Toutefois, le principe peut être étendu à des domaines d'application autre que l'automobile.
Etat de la technique
On connaît dans l'état de la technique de nombreuses solutions de télémétrie, basées sur l'emploi d'ondes sonores ou ultrasonores, d'ondes électromagnétiques radioélectriques ou lumineuses.
Dans cette dernière catégorie, on connaît des télémètres mettant en œuvre une source laser.
Deux techniques de mesure de distance sont généralement utilisées dans l'automobile :
La détection cohérente.
La détection directe par mesure de temps de vol.
La méthode de détection cohérente est utilisée dans des systèmes radar de type FMCW (Frequency-Modulation Continuous-Wave) dont le principe est le suivant : un signal dont la fréquence est modulée en dent de scie est émis par le système. Ce signal est ensuite réfléchi par la cible dont on veut mesurer la distance vers le système. L'écho reçu par le système a subi un décalage en fréquence proportionnel à la distance système/cible. Ce type de radar utilise des ondes radio cohérentes.
La détection directe par mesure de temps de vol est utilisée dans des systèmes de type LIDAR. Cette fois ci l'onde émise n'est plus une onde radio mais une onde lumineuse, généralement monochromatique, infrarouge et cohérente. Elle peut aussi être utilisée avec des ondes (ultra)sonore (pour les capteurs de recul par exemple). Deux méthodes sont utilisées pour la mesure de temps de vol :
La mesure directe de temps de vol, dont le principe est simple : lorsque l'onde est émise par le système, un compteur est déclenché. Lorsque l'écho réfléchi par la cible est reçu, ce compteur est arrêté. Le temps ainsi mesuré correspond au temps d'aller-retour de l'onde émise et est donc proportionnel à la distance système/cible.
La mesure indirecte par mesure de déphasage, dont le principe est similaire : un signal périodique est émis à une fréquence fixe. L'écho réfléchi par la cible est reçu par le système avec un déphasage directement proportionnel à la distance système/cible.
On connaît en particulier la demande de brevet européen EP2962127 concernant un procédé de détermination d'une distance d'un objet par rapport à un véhicule à moteur en utilisant un capteur PMD, comprenant les étapes suivantes : - dans un cycle de mesure, mesure d'un déphasage d'un signal de mesure réfléchi par l'objet pour au moins une fréquence de modulation, - ladite fréquence de modulation étant choisie de façon à permettre à partir de ce déphasage une détermination univoque d'une distance dans une plage de portée commençant au niveau du véhicule à moteur, et mesure du temps de propagation d'un signal individuel réfléchi par l'objet pendant un intervalle de temps qui commence avec l'émission du signal individuel et se termine à un point du temps correspondant à deux fois le parcours de la plage de portée - si un signal individuel réfléchi a été mesuré pendant l'intervalle de temps, détermination d'une distance à partir du déphasage ; - si aucun signal individuel réfléchi n'a été mesuré pendant l'intervalle de temps, rejet du déphasage sans détermination de distance.
Le brevet européen EP0300663 décrit un autre exemple de télémètre optique mettant en œuvre une source lumineuse modulée par modulation d'amplitude continue, un capteur pour recueillir une partie de l'énergie optique renvoyée par un objet, et des moyens pour mesurer la distance à l'objet en détectant la différence de phase entre la modulation de l'énergie optique rayonnée et la modulation de l'énergie optique renvoyée, comportant un moyen pour compenser les variations du niveau de l'énergie optique renvoyée.
Inconvénients de l'art antérieur
Les solutions de l'art antérieur présentent l'inconvénient d'être sensibles aux perturbations extérieures : le signal réfléchi est fortement bruité et pour des mesures dépassant quelques mètres, le rapport signal sur bruit est tellement dégradé que la mesure n'est possible qu'épisodiquement. L'utilisation de lumière monochromatique permet de réduire cette difficulté, mais implique l'utilisation de sources de lumière très directive.
Solution apportée par l'invention
Afin de remédier à ces inconvénients, l'invention concerne selon son acception la plus générale un système de télémétrie optique comprenant un premier ensemble optoélectronique formé par une source lumineuse SLs et un capteur photosensible CPs orientés en direction d'une cible caractérisé en ce que la source lumineuse est modulée par un signal de fréquence Fs, un second ensemble optoélectronique formé par une source lumineuse SLc et un capteur photosensible CP étant solidaire de la cible, ladite source lumineuse SL de la cible étant pilotée par le signal électrique délivré par ledit capteur photosensible CPc, ledit premier ensemble optoélectronique comprenant en outre un circuit de mesure du déphasage entre le signal électrique délivré par ledit capteur photosensible CPS et le signal de modulation de la source lumineuse SLs accouplée, ledit système comprenant en outre un calculateur pour déterminer la distance en fonction de la fréquence Fs et du déphasage mesuré.
Avantageusement, ladite source lumineuse SLc de la cible étant modulée par une horloge de fréquence commandée par une boucle à verrouillage de phase pilotée par le signal électrique délivré par ledit capteur photosensible CPc
Selon une variante, le signal de modulation est un signal rectangulaire ou un signal sinusoïdale.
Selon une variante, l'un au moins des ensembles optoélectroniques comprend un circuit de traitement du signal pour la reconstruction d'un signal correspondant à la forme nominale à partir du signal lumineux reçu par le capteur photosensible.
Avantageusement, la mesure du déphasage est réalisée par un circuit hétérodyne.
De préférence, les ensembles optoélectroniques comportent un cache opaque ou un dispositif d'isolation empêchant la transmission directe entre la source lumineuse et le capteur photosensible.
Selon une variante, la source lumineuse SL de la cible est modulée par une horloge de fréquence Fc, l'une des fréquences Fs, Fc étant multiple de l'autre, le premier ensemble optoélectronique comprenant un circuit pour filtrer le signal délivré par le capteur photosensible CPs par un filtre réduisant l'amplitude des signaux de fréquence Fs.
Selon un mode de réalisation particulier, l'un au moins desdits ensembles optoélectroniques comporte un circuit de codage du signal modulé.
Selon une application particulière, la source lumineuse SLs est un phare de voiture, ou un feu de signalisation du véhicule. L'invention concerne aussi un ensemble optoélectronique pour un système de télémétrie optique selon l'une au moins des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comprend une source lumineuse SLs modulée par un signal de fréquence Fs et un capteur photosensible CPs ainsi qu'un circuit de mesure du déphasage entre le signal électrique délivré par ledit capteur photosensible CPS et le signal de modulation de la source lumineuse SLs accouplée, ledit système comprenant en outre un calculateur pour déterminer la distance en fonction de la fréquence Fs et du déphasage mesuré. L'invention concerne encore un ensemble optoélectronique pour un système de télémétrie optique selon l'une au moins des revendications 1 à 8 caractérisé en ce qu'il comprend une source lumineuse SLc et un capteur photosensible CPc, ladite source lumineuse SLc de la cible étant modulée par une horloge de fréquence commandée par une boucle à verrouillage de phase pilotée par le signal électrique délivré par ledit capteur photosensible CPc.
Description détaillée d'un exemple non limitatif de 1'invention
La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée d'un exemple non limitatif de l'invention qui suit, se référant aux dessins annexés où : la figure 1 représente une vue schématique d'un système selon l'invention la figure 2 représente le schéma de principe des ensembles optoélectroniques les figures 3 et 4 représentent les signaux mesurés à différents points du système.
Principe général de l'invention
La figure 1 représente une vue schématique d'un système selon l'invention. Le véhicule suiveur (1) est équipé d'un phare à diodes électroluminescentes (2) émettant un faisceau (3) en direction d'un véhicule suivi (4).
Ce véhicule est équipé d'un capteur (5) et d'une source lumineuse (6) à diodes électroluminescentes émettant un faisceau (7) en direction du véhicule suiveur (1), équipé d'un capteur (8).
Schéma de principe des ensembles optoélectroniques
Le véhicule suiveur (1) est équipé d'un ensemble optoélectronique comprenant une source lumineuse (2) à LED alimenté par un circuit d'alimentation - driver en anglais -(10). Ce circuit d'alimentation (10) est piloté par un générateur de signaux carrés (11) délivrant un signal de modulation à une fréquence de lMhz, dans l'exemple décrit. Cette fréquence de modulation est de préférence comprise entre 0,5 et 10 Mhz.
Le signal lumineux transmis est atténué et entaché de bruit.
Le capteur (5) du véhicule suivi (4) délivre un signal électrique bruité à un circuit de traitement (12) comprenant un étage d'amplification et un étage de filtrage du signal reçu pour reconstruire le signal carré émis. Ce signal carré est transmis à une boucle de verrouillage de phase (Phase Lock Loop) permettant d'asservir un oscillateur (13) dont la phase est identique à celle du signal reconstruit. La fréquence de cet oscillateur (13) est identique à celle de l'oscillateur (11), ou un multiple ou sous-multiple de cette fréquence.
Le signal réémis (14, 6) est reçu par le capteur (8) du véhicule suiveur (1) puis traité par un circuit (15) pour être reconstruit en signal carré. Ce signal reconstruit est alors transposé à une fréquence intermédiaire plus basse par un circuit mélangeur hétérodyne (16).
La sortie du circuit (16) est utilisée comme entrée d'un microcalculateur (17) commandé par un algorithme de mesure de déphasage. Le signal émis en premier lieu est lui aussi transposé à la fréquence intermédiaire pour être comparé, lors de la mesure de déphasage, au signal reçu par le véhicule suiveur et hétérodyné.
Contrairement aux radars FMCW ou aux LIDAR/capteurs ultrason, le système selon l'exemple de l'invention décrit à titre non limitatif repose sur l'utilisation de la lumière blanche produite par des phares à LED de véhicules, ou de couleur pour la lumière produite par d'autres feux de signalisation.
Cette lumière est polychromatique et non cohérente. Par conséquent, l'onde réfléchie par la cible sera beaucoup plus atténuée que dans le cas d'une onde cohérente si bien qu'il est impossible pour le système de travailler directement avec l'onde réfléchie.
Son principe, résumé sur la figure 3, est le suivant : on a ici deux capteurs A et B. Le capteur A émet un signal sinusoïdal à la fréquence fi . Ce signal est reçu par le capteur B avec un délai tAB. B se verrouille alors en fréquence et en phase sur le signal, et génère grâce à une PLL un signal de même déphasage mais de fréquence f2 proportionnelle à fi puis l'émet. Ce signal peut éventuellement présenter un retard dû à l'électronique de traitement. Ce nouveau signal est reçu par A avec un délai tAB qui vient s'ajouter au déphasage déjà présent. A se verrouille alors en fréquence et en phase et peut comparer la phase du signal qu'il a émis avec celle de celui sur lequel il est verrouillé : le déphasage et donc la distance sont ainsi récupérés.
Une fois le déphasage récupéré, il faut le mesurer pour remonter à la donnée de distance. La méthode utilisée pour mesurer le déphasage est donnée à titre indicatif.
La méthode décrite est basée sur un compteur de coup d'horloge. Le principe de cette méthode est illustré par la figure 4. Le signal émis par le système est sur cette figure noté E'pm et le signal réfléchi et reçu par le système est noté E'pr. On note que ces deux signaux sont déphasés et que le signal de déphasage correspondant est noté Epd . Une horloge de fréquence fcp largement supérieure à la fréquence du signal émis est alors utilisée dans une porte logique AND avec le signal Epd pour obtenir le signal présenté sur la dernière ligne. En comptant le nombre de fronts montants de ce signal, il est ainsi possible de mesurer la largeur de chaque état haut du signal Epd et donc de mesurer la valeur du déphasage.
Cette approche introduit cependant un compromis : plus la fréquence du signal émis est élevée et plus la résolution théorique de la mesure de distance est bonne. Cependant, pour une fréquence fcp fixe, plus la fréquence du signal émis est élevée et moins la résolution de la mesure de déphasage par compteur de coup d'horloge est bonne. Pour remédier à ce problème, une technique classique (utilisée dans [2]) consiste à émettre le signal à une fréquence élevée puis à transposer l'écho reçu à une fréquence plus basse avant de la traiter, selon le principe de traitement hétérodyne reposant sur la multiplication de plusieurs fréquences combinées par un mélangeur.
Variantes
Le signal commandant la source lumineuse de l'un et/ou de l'autre véhicule peut faire en outre l'objet d'un codage pour transmettre une information telle que la vitesse du véhicule, ou une identité ou une information de freinage, ou éventuellement la date et l'heure, ou encore une information relative à la distance, par comparaison d'horloges.
Ce codage peut être un codage de type Manchester, également appelé codage biphasé ou PE (pour Phase Encode), introduisant une transition au milieu de chaque intervalle. Il consiste à faire un OU exclusif (XOR) entre le signal et le signal d'horloge, ce qui se traduit par un front montant lorsque le bit est à zéro, un front descendant dans le cas contraire.
Il peut également être un codage de type « codage de paires de valeurs à quatre bits en paires de symboles à six bits » tel que décrit par exemple dans le brevet européen EP0629067.
Claims (9)
- Revendications1 - Système de télémétrie optique comprenant un premier ensemble optoélectronique formé par une source lumineuse SLs et un capteur photosensible CPs orientés en direction d'une cible (4) caractérisé en ce que ladite source lumineuse SLe est constituée par un phare à LED d'un véhicule émettant une lumière blanche, ou par un feux de signalisation d'un véhicule émettant une lumière colorée, la source lumineuse étant modulée par un signal de fréquence Fs, le système comportant en outre un second ensemble optoélectronique formé par une source lumineuse SL, (6) et un capteur photosensible CPO (5) solidaire de la cible (4), ladite source lumineuse SL„ (6) de la cible (4) étant modulée par une horloge de fréquence commandée par une boucle à verrouillage de phase pilotée par le signal électrique délivré par ledit capteur photosensible CPc, ledit premier ensemble optoélectronique comprenant en outre un circuit de mesure du déphasage entre le signal électrique délivré par ledit capteur photosensible CPS (5) et le signal de modulation de la source lumineuse SLs (6) accouplée, ledit système comprenant en outre un calculateur pour déterminer la distance en fonction de la fréquence Fs et. le déphasage mesuré.
- 2 - Système de télémétrie optique selon la revendication 1 caractérisé en ce que le signal de modulation est un signal rectangulaire.
- 3 - Système de télémétrie optique selon la revendication 1 caractérisé en ce que le signal de modulation est un signal sinusoïdal.
- 4 - Système de télémétrie optique selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'un au moins des ensembles optoélectroniques comprend un circuit, de traitement du signal pour la reconstruction d'un signal correspondant à la forme nominale à partir du signal lumineux, reçu par le capteur photosensible.
- 5 - Système de télémétrie optique selon la revendication 1 caractérisé en ce que la mesure du déphasage est réalisée par un circuit hétérodyne.
- 6 - Système de télémétrie optique selon la revendication 1 caractérisé en ce que les ensembles optoélectroniques comportent, un cache opaque empêchant la transmission directe entre la source lumineuse et le capteur photosensible.
- 7 - Système de télémétrie optique selon la revendication 1 caractérisé en ce que ladite source lumineuse SLc de la cible est modulée par une horloge de fréquence Fc, l'une des fréquences Fs, Fc étant multiple de l'autre, le premier ensemble optoélectronique comprenant un circuit pour filtrer le signal délivré par le capteur photovoltaïque CPs par un filtre réduisant l'amplitude des signaux de fréquence Fs. 8 ~ Système de télémétrie optique selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'un au moins desdits ensembles optoélectroniques comporte un circuit de codage du signai modulé. 9 · Système de télémétrie optique selon l'une au moins des revendications précédentes caractérisé en ce que la source lumineuse SLe est un phare de voiture.
- 10 - Ensemble optoélectronique pour un système de télémétrie optique selon l'une au moins des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comprend une source lumineuse SLs modulée par un signal de fréquence F_ et un capteur photosensible CPS ainsi qu'un circuit de mesure du déphasage entre le signal électrique délivré par ledit capteur photosensible CP„ et le signal de modulation de la source lumineuse SLs accouplée, ledit système comprenant en outre un calculateur pour déterminer la distance en fonction de la fréquence F et le déphasage mesuré.
- 11 - Ensemble optoélectronique pour un système de télémétrie optique selon l'une au moins des revendications 1 à 8 caractérisé en ce qu'il comprend une source lumineuse SLc et un capteur photosensible CPc, ladite source lumineuse SLc de la cible étant modulée par une horloge de fréquence commandée par une boucle à verrouillage de phase pilotée par le signal électrique délivré par ledit capteur photosensible CPr,.
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