FR3131004A1 - Lidar à grand champ de vue amélioré - Google Patents

Lidar à grand champ de vue amélioré Download PDF

Info

Publication number
FR3131004A1
FR3131004A1 FR2114176A FR2114176A FR3131004A1 FR 3131004 A1 FR3131004 A1 FR 3131004A1 FR 2114176 A FR2114176 A FR 2114176A FR 2114176 A FR2114176 A FR 2114176A FR 3131004 A1 FR3131004 A1 FR 3131004A1
Authority
FR
France
Prior art keywords
primary
transformer
lidar system
electrical signal
inductance
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
FR2114176A
Other languages
English (en)
Other versions
FR3131004B1 (fr
Inventor
Jean-Paul CROMIERES
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Universite Paris Saclay
Original Assignee
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Universite Paris Saclay
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Centre National de la Recherche Scientifique CNRS, Universite Paris Saclay filed Critical Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Priority to FR2114176A priority Critical patent/FR3131004B1/fr
Priority to PCT/EP2022/086515 priority patent/WO2023117816A1/fr
Publication of FR3131004A1 publication Critical patent/FR3131004A1/fr
Application granted granted Critical
Publication of FR3131004B1 publication Critical patent/FR3131004B1/fr
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
    • G01S7/481—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements
    • G01S7/4816—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements of receivers alone
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/02—Systems using the reflection of electromagnetic waves other than radio waves
    • G01S17/06—Systems determining position data of a target
    • G01S17/08—Systems determining position data of a target for measuring distance only
    • G01S17/10—Systems determining position data of a target for measuring distance only using transmission of interrupted, pulse-modulated waves
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/88—Lidar systems specially adapted for specific applications
    • G01S17/93—Lidar systems specially adapted for specific applications for anti-collision purposes
    • G01S17/931—Lidar systems specially adapted for specific applications for anti-collision purposes of land vehicles
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
    • G01S7/481—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements
    • G01S7/4814—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements of transmitters alone
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
    • G01S7/483—Details of pulse systems
    • G01S7/486—Receivers
    • G01S7/4861—Circuits for detection, sampling, integration or read-out
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/88—Lidar systems specially adapted for specific applications
    • G01S17/93—Lidar systems specially adapted for specific applications for anti-collision purposes

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Optical Radar Systems And Details Thereof (AREA)

Abstract

L’invention concerne un système lidar (10) par mesure d’un temps de vol comprenant : un dispositif d’émission (DE) configuré pour émettre des impulsions lumineuses en direction d’une scène selon un angle supérieur ou égal à 5 °un dispositif de réception (DR) comprenant :un photo-détecteur (PD) configuré pour recevoir des impulsions réfléchies (Ir) ou rétrodiffusée par au moins un élément (Ei) de la scène et pour convertir lesdites impulsions en signal électrique,un circuit d’amplification (CA) configuré pour amplifier ledit signal électrique,une unité de traitement (UT) dudit signal électrique amplifié configurée pour numériser le signal électrique amplifié et déterminer une distance (di) dudit au moins un élément (Ei) à partir dudit signal électrique amplifié numérisé.le circuit d’amplification (CA) comprenant un amplificateur transimpédance (TIA), un transformateur (T) comprenant un primaire (P) et un secondaire S), une capacité (C) et une inductance (L) disposée en série avec ladite capacité, le primaire du transformateur étant connecté à une anode du photo-détecteur, le secondaire étant connecté à ladite capacité, ladite capacité étant connectée à une entrée dudit amplificateur transimpédance. Figure à publier : Figure 5

Description

Lidar à grand champ de vue amélioré
DOMAINE DE L’INVENTION
La présente invention concerne le domaine des lidars réalisant une mesure par temps de vol (« time of fligth » en anglais ou TOF), et plus particulièrement des lidars présentant un champ de vue supérieur à 5°. On s’intéresse ici aux lidars statiques (sans pièces mécaniques en mouvement) faible consommation, petites dimensions et bas coût. Ce type de lidar trouve par exemple des applications dans la détection d’obstacles.
ETAT DE LA TECHNIQUE
Un lidar (Light Detection And Ranging) est un appareil servant à la mesure de distance par mesure de temps de vol d’une impulsion lumineuse.
Il émet pour cela une impulsion lumineuse de forte puissance et de courte durée (typiquement quelques ns), et récupère un temps plus tard une impulsion réfléchie/rétrodiffusée sur un obstacle. Connaissant la vitesse de propagation de la lumière, la distance est déduite de ce retard, appelé temps de vol. Elle est calculée selon la formule : dans laquelle est la vitesse de la lumière, le retard lié à la distance entre l’émetteur et l’obstacle. Ainsi, pour un obstacle distant de 1m, il est admis que le retard est de 6.67 ns.
Le lidar est constitué :
-d’un émetteur d’impulsions optiques (diode laser ou diode électroluminescente), contrôlé par un composant logique de type microprocesseur, microcontrôleur ou FPGA
-d’un récepteur optoélectronique dont le rôle est la conversion de l’impulsion réfléchie en signal électrique dans le respect de qualité de mesure, en particulier en maximisant le rapport signal à bruit de mesure, noté S/N
-d’un organe de traitement du signal électrique fourni par le récepteur pour en déduire la distance de l’obstacle. Cet organe peut être un convertisseur temps-distance, ou «Time to Distance Convert» (TDC), ou un système de traitement numérique du signal à base de microprocesseur, microcontrôleur ou FPGA.
Typiquement dans le cas de l’utilisation d’un émetteur à diode laser, la puissance optique émise peut aller jusqu’à quelques dizaines de watts sur une durée de quelques nanosecondes. Les ordres de grandeurs de puissances reçues issues des échos sont typiquement de quelques nanowatts à quelques centaines de milliwatts. Le fond lumineux peut varier de la puissance nulle pour le noir complet jusqu’à 1kW/m² (120klux) en cas de plein soleil. Ainsi, un éclairement de 10W/m² correspondant à un éclairage artificiel moyen éclairant une photodiode silicium de 5x5mm² engendrera un courant de photo génération d’environ , le plein soleil un courant d’environ (en prenant en compte tout le spectre solaire).
Les lidars sont utilisés pour mesurer des distances, cartographier des surfaces, détecter des objets. On distingue plusieurs types de lidars :
Le lidar 1D à champ étroit présente un faisceau lumineux impulsionnel émis de faible ouverture (lidar faible champ de vision - Field Of View – FOV). Il mesure la distance d’un point précis, où est situé l’objet. Les composants optoélectroniques (diode d’émission de faisceau, photodiode de réception) sont alors associés à des composants optiques (lentilles, filtres) pour la collimation et la focalisation des faisceaux.
La illustre un lidar 1D L0 selon l’état de l’art. Il comprend un dispositif d’émission DE0 pour émettre des impulsions lumineuses en direction d’une scène selon un angle (FOV) faible, typiquement inférieur à 3°. L’élément émissif EL0 est par exemple une diode laser ou une diode électroluminescente. Typiquement une optique de collimation (non représentée) est couplée à l’émetteur pour obtenir une faible divergence du faisceau d’éclairement.
Le lidar L0 comprend également un dispositif de réception DR0 (ou récepteur) comprenant un photo-détecteur PD0 qui peut recevoir des impulsions réfléchies ou rétrodiffusée par au moins un élément (Ei i indice de l’élément) de la scène et pour convertir les impulsions réfléchies en signal électrique et un circuit d’amplification CA0 qui amplifie le signal électrique. De manière classique le récepteur (photo-détecteur et circuit d’amplification) présente une réponse impulsionnelle hr(t) que l’on peut mesurer et/ou déterminer par le calcul. Typiquement une optique de réception (non représentée) est couplée au photodétecteur pour obtenir un faible angle solide de réception, et ainsi récupérer prioritairement la lumière utile
Une unité de traitement UT0 contrôle l’émission, typiquement via un composant logique de type microprocesseur, microcontrôleur ou FPGA, numérise le signal électrique amplifié, et le traite de manière à en extraire l’information utile, c’est-à-dire la présence des éléments dans le champ de détection et leur distance respective.
Les composants optoélectroniques (diode d’émission de faisceau, photodiode de réception) sont alors souvent associés à des composants optiques (lentilles, filtres) pour la collimation et la focalisation des faisceaux. Ces lidars 1D à champ étroit (typiquement moins de 3°) et courte portée sont commercialisés pour des applications de détection d’obstacles dans les applications légères d’objets à déplacement autonome ou semi autonome tels que les drones ou robots au sens large (aspirateurs et tondeuses autonomes, véhicules radiocommandés à détection d’obstacles). Ils ont supplanté les traditionnels télémètres à ultrasons dont le champ est beaucoup plus large et dont on ne sait pas exactement quel objet va constituer son premier obstacle détecté.
Les lidars 1D ont l’avantage d’être relativement peu encombrants et faible cout mais présentent un inconvénient majeur qui est un champ de vision étroit, inférieur à 3° (Safran LRF3013, Benewake TF02). La illustre un drone D muni d’un lidar 1D L0 selon l’état de la technique en action de descente sur un terrain accidenté : la détection d’obstacle est incertaine du fait du champ étroit.
Le besoin de détection d’obstacle nécessite un champ d’observation large, tel qu’illustré dans laquelle le drone D est équipé d’un lidar 3D lui permettant de détecter les obstacles lors de son atterrissage.
Pour l’obtention d’un champ large on utilise aujourd’hui des lidars 3D à technologie scan. Le faisceau impulsionnel est également de faible ouverture, mais couplé à un système de balayage mécanique pour irradier toute une portion de l’espace: plusieurs tirs dirigés vers plusieurs endroits sont nécessaires pour réaliser une cartographie. Les lidars 3D permettent d’établir une cartographie précise de l’environnement par l’utilisation de systèmes mécaniques plus ou moins complexes ou encore par l’utilisation de MEMS (Micro Electro Mechanic Systems). Ils sont efficaces mais possèdent l’inconvénient d’être surdimensionnés au regard des applications légères, en termes de :
-Volume de données : une cartographie précise nécessite un traitement lourd de données dont il est possible d’imaginer que toutes ne sont pas à traiter
-Encombrement physique important
-Consommation importante (supérieure au W dans la plupart des cas)
-Fréquence de rafraîchissement des mesures faible (quelques dizaines de Hz)
C’est pourquoi dans le domaine des radars de recul nécessitant de détecter des obstacles dans un grand champ de vue, ce sont des dispositifs à caméra et non pas des lidars qui ont supplanté ou complété les capteurs à ultrasons. En effet pour la protection anticollision le champ large d’un capteur à ultrasons est un avantage sur le lidar traditionnel 3D, qui pour balayer un champ large nécessite d’être monté sur une platine tournante. En outre les capteurs à ultrason sont à priori plus faciles d’utilisation de par la faible vitesse de propagation des ondes acoustiques en regard de celle des ondes électromagnétiques, avec pour conséquence des temps d’échos beaucoup plus longs et simples à mesurer. Ces derniers sont notamment retrouvés dans de nombreuses applications telles anticollision véhicules, la robotique, la détection de présence d’objets ou d’êtres vivant.
Cependant les caractéristiques de longueur d’onde et de vitesses de propagation des ondes acoustiques font que les capteurs à ultrasons ont des défauts fondamentaux :
-la forte sensibilité aux conditions atmosphériques et environnementales : humidité, pluie, température, bruit, et il est difficile d’obtenir des portées au-delà du mètre avec une sensibilité raisonnable dans ces conditions climatiques,
-la présence de lobes secondaires parasites dans le champ de mesure avec risque de fausses détections,
-l’insensibilité aux surfaces de faible rugosité (inférieure au mm) vues sous une incidence forte (phénomène de réflexion totale empêchant leur détection),
-la difficulté de détection d’objets fins, de petites dimensions ou surface,
-la lenteur de mesure est une limite à la détection d’obstacles en mouvement relatif par rapport au capteur.
Un lidar ayant les propriétés de champ large des capteurs à ultrasons, qui éclairerait une scène selon un cône supérieur à 5°, voir 10° ou 20°, permettrait de scruter une large portion de l’espace et de détecter des échos provenant de différents éléments/obstacles présents dans la scène ou champ d’observation, avec une possibilité d’impulsion unique (plus besoin de balayage). De plus un lidar large FOV, quasi insensible à une forte humidité et/ou à la pluie et ayant la possibilité de détecter une surface peinte lisse sous forte incidence, aurait un avantage concurrentiel dans les domaines de l’anticollision encore réservés aux ultrasons. Il pourrait également être utilisé pour le déplacement autonome de robots ou de drones.
Mais le champ large n’est pas le domaine naturel du lidar. En effet le flux optique rétrodiffusé décroît avec la distance (d) en d-4pour les petits objets au lieu de décroître en d-2pour un champ étroit, ce qui en limite la portée. En effet la différence se fait sur la densité d’intensité lumineuse incidente. En champ dit « étroit », il est considéré que toute l’énergie incidente est incluse sur la surface de l’obstacle (autrement exprimé, la surface de l’obstacle est supérieure à la surface éclairée suivant l’angle solide) : l’obstacle reçoit l’intégralité de l’énergie de l’émetteur. Chaque point de l’obstacle rétrodiffuse alors de l’énergie vers le récepteur suivant une loi en d-2. Dans le cas d’un champ large, l’obstacle est totalement inclus dans le cône d’éclairement : l’obstacle ne reçoit qu’une partie de l’énergie de l’émetteur suivant une loi en d-2, et rétrodiffuse cette énergie vers le récepteur également suivant une loi en d-2, avec au global une énergie sur récepteur en d-4de l’énergie de l’émetteur. En outre les gros objets en arrière-plan masquent les petits en premier plan. La résolution centimétrique est plus difficile à obtenir, les coûts sont à priori plus élevés que pour un capteur à ultrasons.
En outre un large champ de vue pose des problèmes au niveau du dispositif de réception.
Le montage récepteur le plus adapté et le plus usité est appelé amplificateur de transimpédance (« Trans Impedance Amplifier », ou TIA) associé à une photodiode PD0. Ces éléments sont connus des professionnels. Le circuit TIA, à base d’amplificateurs opérationnels, peut être complexe. Il est configuré pour transformer le courant issu du photodétecteur en tension électrique.
Dans sa version la plus basique, le circuit d’amplification CA0 de type TIA est constitué d’une résistance R0 et d’un amplificateur opérationnel Amp0. Sa structure est illustrée .
En considérant les composants idéaux :
-La photodiode PD0 transforme le flux lumineux en courant de photo génération -Le TIA transforme le courant en tension suivant la relation :
La valeur de la résistance fixe le gain de l’amplificateur. La sensibilité du TIA est liée à cette valeur.
Le photodétecteur le plus utilisé est une photodiode de type PIN, plus fiable et plus simple à mettre en œuvre qu’une photodiode à avalanche.
Le courant issu de la photodiode peut être décrit par la relation : dans laquelle : est la sensibilité de la photodiode, de l’ordre de 0.6A/W, est la puissance lumineuse reçue, est la somme des courants statiques inverses de la photodiode (courant de saturation, courant de noir), représente la somme des bruits intrinsèques de la photodiode (principalement bruit de grenaille).
La puissance lumineuse captée peut elle aussi être constituée d’une partie dynamique telle l’impulsion réfléchie et d’une partie statique causée par un fond lumineux , provoquée par le soleil par exemple. La relation s’écrit alors :
A titre d’exemple une photodiode PIN au silicium génère environ 600mA/W. La photodiode est habituellement suivie d’un amplificateur de transimpédance dont le gain est en général un compromis entre la bande passante désirée et la sensibilité (capacité de détection) du capteur. Il peut être également limité par l’intensité des courants statiques inverses de la photodiode.
En réalité, l’amplificateur opérationnel Amp0 et la résistance sont des sources de bruit. La technologie FET est la plus souvent utilisée pour l’amplificateur opérationnel en raison de ses caractéristiques intéressantes de très faible courant de bruit, de l’ordre du femtoA/ .
Dans ces conditions, il est connu que le bruit en courant ajouté par le TIA a principalement pour origine la résistance , dont la densité spectrale de bruit vaut : où est la constante de Boltzmann, et la température en Kelvins.
Cela conduit à une source de courant de bruit parallélisée à la source de signal . Le rapport signal à bruit S/N est alors proportionnel à (voir par exemple Wikipedia : « Transimpedance noise considerations »).
Il convient donc, en termes de sensibilité de capteur et de rapport signal à bruit de mesure S/N, d’utiliser une résistance élevée, conduisant à un gain élevé.
Lors de la détection la luminosité ambiante est amplifiée de la même manière que les signaux optiques des échos. Il a été mentionné précédemment des ordres de grandeurs très différents entre les courants générés par les impulsions échos (quelques pour un écho de quelques ) et celui induit par la luminosité ambiante (quelques dizaines de mA pour une photodiode silicium de 5x5mm² détectant tout le spectre solaire).
Afin de limiter le courant de photogénération induit typiquement par le soleil, pouvant conduire à une saturation du TIA, il est possible de placer un filtre optique juste en surface de photodiode. Il peut être le filtre coloré intégré à la photodiode proposé par les fabricants (spectre large de l’ordre de 300nm), ou encore un filtre interférentiel (spectre étroit de l’ordre de 10nm et tolérance angulaire inférieure à 3°, ce qui présente un inconvénient majeur de directivité).
En considérant typiquement une puissance solaire moyenne de autour d’une longueur d’onde de travail de 900nm illuminant une photodiode PIN de dimensions 5mmx5mm, un rapide calcul donne les valeurs de la tension de sortie du TIA (voir tableau I ci-dessous) pour deux valeurs de :
- 10kΩ correspondant à une valeur classique dans les TIA utilisé pour les Lidars de l’état de la technique, réalisant un compromis sensibilité/bruit/bande passante.
- 1 MΩ
tension de sortie pour signal écho 1 Vs0 théorique pour soleil
filtre de bande passante 300nm		 Vs0 théorique pour soleil – filtre de bande passante 10nm
10kΩ 10mV 70V 2.1V
1MΩ 1V 6920V 2100V
Tableau I
Une tension d’alimentation du TIA typique est de 3 à 5V. Toute tension de sortie Vs0 théorique supérieure aura pour effet la saturation de celui-ci. Il en découle que :
-La tenue au plein soleil n’est envisageable en l’état qu’avec l’utilisation du TIA en basse sensibilité équipé d’une résistance et d’un filtre interférentiel très fin positionné en amont de la photodiode.
-La tenue au plein soleil n’est pas envisageable en l’état dans le cas de l’utilisation du TIA bas bruit haute sensibilité équipé d’une résistance .
Ainsi la tenue du capteur en plein soleil est antagoniste à l’utilisation d’un TIA à forte sensibilité. C’est une limitation majeure pour les lidars utilisés en extérieur (lidar « outdoor »). Par ailleurs pour un lidar à large champ de vue l’ajout d’un filtre interférentiel ne peut pas être envisagé à cause de ses difficultés de mise en œuvre, en particulier son faible angle d’ouverture.
Des solutions de compensation de courant moyen de photodiodes sont proposées dans la littérature et par les fabricants de composants spécialisés dans la détection de temps de vol.
L’une d’elles souvent consiste à retrancher le courant moyen issu de l’éclairement ambiant. Un exemple de composant, le MAX40658 produit par la société Maxim Integrated, illustre cette méthode. Son efficacité est limitée par la saturation du circuit de compensation et conduit à minima à l’utilisation d’un filtre optique à bande étroite (filtre interférentiel) pour minimiser la puissance du soleil sur la photodiode, sans garantie de fonctionnement pour les plus fortes luminosités. Mais le filtre interférentiel n’est pas compatible avec la détection champ large, car il ne fonctionne que sur une zone angulaire proche de la normale.
Une autre solution a été proposée en 2020 par Juha Kostamovaara & Al dans la publication « A wide dynamic range laser radar receiver based on Input Pulse-shaping technique », IEEE transactions on circuits and systems-I : regular papers, Vol 67, n°8, 2020. Les auteurs utilisent une inductance venant court-circuiter le courant moyen généré par l’éclairement ambiant. Cette méthode présente cependant l’inconvénient de limiter drastiquement les capacités de gain de l’amplificateur par le détournement réalisé du courant de photogénération.
Un but de la présente invention est de palier certains des inconvénients précités en proposant un Lidar à grand champ de vue présentant une sensibilité améliorée et rendu insensible à l’éclairement ambiant, ceci étant obtenu par l’ajout d’un composant dans le dispositif de réception.
DESCRIPTION DE L’INVENTION
La présente invention a pour objet un système lidar par mesure d’un temps de vol comprenant :
-un dispositif d’émission configuré pour émettre des impulsions lumineuses en direction d’une scène selon un angle supérieur ou égal à 5 °
-un dispositif de réception comprenant :
*un photo-détecteur configuré pour recevoir des impulsions réfléchies ou rétrodiffusée par au moins un élément (Ei) de la scène et pour convertir lesdites impulsions en signal électrique,
*un circuit d’amplification configuré pour amplifier ledit signal électrique,
-une unité de traitement dudit signal électrique amplifié configurée pour numériser le signal électrique amplifié et déterminer une distance (di) dudit au moins un élément à partir dudit signal électrique amplifié numérisé.
Le circuit d’amplification comprend un amplificateur transimpédance, un transformateur comprenant un primaire et un secondaire, et une capacité, le primaire du transformateur étant connecté à une anode du photo-détecteur, le secondaire étant connecté à ladite capacité, ladite capacité étant connectée à une entrée dudit amplificateur transimpédance.
Selon un mode de réalisation plage de fonctionnement en fréquence du transformateur inclut la bande [10 MHz; 350 MHz].
Selon un mode de réalisation un rapport de transformation égal au ratio du nombre de spires du secondaire sur le nombre de spires du primaire est strictement supérieur à 1.
Selon un mode de réalisation le circuit d’amplification comprend en outre une inductance disposée en série avec ladite capacité.
Selon un mode de réalisation la capacité C et l’inductance L vérifient la relation : avec inductance du primaire du transformateur, la capacité de transition de la photodiode, n rapport de transformation définit par : avec npet nsnombre de spires respectivement du primaire et du secondaire.
Selon un mode de réalisation l’inductance vérifie la relation : avec : npet nsnombre de spires respectivement du primaire et du secondaire, inductance du primaire du transformateur, capacité de transition de la photodiode, fi_bfréquence d’intérêt minimale.
Selon un mode de réalisation ladite inductance vérifie la relation :
0.5 Ls <L< 2 Ls
L inductance et Ls inductance du secondaire du transformateur
Selon un mode de réalisation la capacité C vérifie la relation
avec Cph capacité de transition de la photodiode.
Selon un mode de réalisation le dispositif de réception comprend en outre une résistance dite résistance d’amortissement entre le photodétecteur et le primaire du transformateur.
La description suivante présente plusieurs exemples de réalisation du dispositif de l’invention : ces exemples sont non limitatifs de la portée de l’invention. Ces exemples de réalisation présentent à la fois les caractéristiques essentielles de l’invention ainsi que des caractéristiques additionnelles liées aux modes de réalisation considérés.
L’invention sera mieux comprise et d’autres caractéristiques, buts et avantages de celle-ci apparaîtront au cours de la description détaillée qui va suivre et en regard des dessins annexés donnés à titre d’exemples non limitatifs et sur lesquels :
La déjà citée illustre un lidar faible champ de vue selon l’état de la technique.
La déjà citée illustre un drone muni d’un lidar 1D selon l’état de la technique en action de descente sur un terrain accidenté.
La déjà citée illustre l’avantage d’un lidar grand champ pour la détection d’obstacles lors de l’atterrissage d’un drone.
La déjà citée illustre un circuit d’amplification simplifié pour lidar selon l’état de la technique.
La illustre un lidar TOF large champ de vue selon l’invention.
La illustre un circuit d’amplification selon l’invention.
La illustre un mode de réalisation du dispositif de réception du lidar selon l’invention avec un circuit amplificateur transimpédance basique.
La illustre le schéma équivalent d’une photodiode.
La illustre un circuit illustrant la notion de gain de bruit.
La illustre le schéma équivalent du dispositif de réception selon l’invention comprenant une photodiode, un transformateur, une impédance additionnelle Z et un amplificateur transimpédance.
La représente le schéma équivalent de la avec les éléments branchés au primaire rapportés au secondaire du transformateur.
La illustre un mode de réalisation du circuit d’amplification selon l’invention dans lequel on ajoute une inductance L placée en série avec la capacité C.
La illustre un schéma global avec une impédance Z comprenant une capacité C et inductance L.
La illustre le diagramme asymptotique de gain de signal (A) et de gain de bruit (B) du circuit de la .
La illustre le diagramme asymptotique de gain de signal (A) et de gain de bruit (B) pour trois valeurs de fM(fM1, fM2, fM3).
La illustre le schéma équivalent du circuit de la dans lequel a été volontairement omise la source de tension de bruit.
La illustre illustre un mode de réalisation du dispositif de réception selon l’invention comprenant une résistance en série avec la photodiode.
La illustre différents signaux simulés.

Claims (9)

  1. Système lidar (10) par mesure d’un temps de vol comprenant :
    • un dispositif d’émission (DE) configuré pour émettre des impulsions lumineuses en direction d’une scène selon un angle supérieur ou égal à 5 °
    • un dispositif de réception (DR) comprenant :
      • un photo-détecteur (PD) configuré pour recevoir des impulsions réfléchies (Ir) ou rétrodiffusée par au moins un élément (Ei) de la scène et pour convertir lesdites impulsions en signal électrique,
      • un circuit d’amplification (CA) configuré pour amplifier ledit signal électrique.
    • une unité de traitement (UT) dudit signal électrique amplifié configurée pour numériser le signal électrique amplifié et déterminer une distance (di) dudit au moins un élément (Ei) à partir dudit signal électrique amplifié numérisé,
    • le circuit d’amplification (CA) comprenant un amplificateur transimpédance (TIA), un transformateur (T) comprenant un primaire (P) et un secondaire (S), et une capacité (C), le primaire du transformateur étant connecté à une anode du photo-détecteur, le secondaire étant connecté à ladite capacité, ladite capacité étant connectée à une entrée dudit amplificateur transimpédance.
  2. Système lidar selon la revendication précédente dans lequel une plage de fonctionnement en fréquence du transformateur inclut la bande [10 MHz; 350 MHz].
  3. Système lidar selon l’une des revendications précédentes dans lequel un rapport de transformation (n) égal au ratio du nombre de spires du secondaire (ns) sur le nombre de spires du primaire (np) est strictement supérieur à 1.
  4. Système lidar selon l’une des revendications précédentes dans lequel le circuit d’amplification comprend en outre une inductance (L) disposée en série avec ladite capacité (C).
  5. Système lidar selon la revendication 4 dans lequel la capacité C et l’inductance L vérifient la relation :

    avec inductance du primaire du transformateur, la capacité de transition de la photodiode, n rapport de transformation définit par :
    avec npet nsnombre de spires respectivement du primaire et du secondaire.
  6. Système lidar selon l’une des revendications 4 ou 5 dans lequel ladite inductance (L) vérifie la relation :

    avec :
    npet nsnombre de spires respectivement du primaire et du secondaire,
    inductance du primaire du transformateur, capacité de transition de la photodiode, fi_bfréquence d’intérêt minimale.
  7. Système lidar selon l’une des revendications 4 à 6 dans lequel ladite inductance (L) vérifie la relation :
    0.5 Ls <L< 2 Ls
    L inductance et Ls inductance du secondaire du transformateur
  8. Système lidar selon la revendication précédente dans lequel la capacité C vérifie la relation

    avec Cph capacité de transition de la photodiode.
  9. Système lidar selon l’une des revendications précédentes dans lequel le dispositif de réception comprend en outre une résistance dite résistance d’amortissement (Rph) entre le photodétecteur et le primaire du transformateur.
FR2114176A 2021-12-21 2021-12-21 Lidar à grand champ de vue amélioré Active FR3131004B1 (fr)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FR2114176A FR3131004B1 (fr) 2021-12-21 2021-12-21 Lidar à grand champ de vue amélioré
PCT/EP2022/086515 WO2023117816A1 (fr) 2021-12-21 2022-12-16 Lidar à grand champ de vue amélioré

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FR2114176 2021-12-21
FR2114176A FR3131004B1 (fr) 2021-12-21 2021-12-21 Lidar à grand champ de vue amélioré

Publications (2)

Publication Number Publication Date
FR3131004A1 true FR3131004A1 (fr) 2023-06-23
FR3131004B1 FR3131004B1 (fr) 2024-04-19

Family

ID=81448465

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
FR2114176A Active FR3131004B1 (fr) 2021-12-21 2021-12-21 Lidar à grand champ de vue amélioré

Country Status (2)

Country Link
FR (1) FR3131004B1 (fr)
WO (1) WO2023117816A1 (fr)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20160226456A1 (en) * 2015-02-02 2016-08-04 International Business Machines Corporation Implementing enhanced cmos inverter based optical transimpedence amplifer
US20170242136A1 (en) * 2016-02-19 2017-08-24 Sensl Technologies Ltd. Semiconductor photomultiplier with baseline restoration for a fast terminal signal output
WO2021100644A1 (fr) * 2019-11-18 2021-05-27 ソニー株式会社 Élément électroluminescent déclenché à semi-conducteur et dispositif de mesure de distance

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20160226456A1 (en) * 2015-02-02 2016-08-04 International Business Machines Corporation Implementing enhanced cmos inverter based optical transimpedence amplifer
US20170242136A1 (en) * 2016-02-19 2017-08-24 Sensl Technologies Ltd. Semiconductor photomultiplier with baseline restoration for a fast terminal signal output
WO2021100644A1 (fr) * 2019-11-18 2021-05-27 ソニー株式会社 Élément électroluminescent déclenché à semi-conducteur et dispositif de mesure de distance

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
JUHA KOSTAMOVAARAAL: "A wide dynamic range laser radar receiver based on Input Pulse-shaping technique", IEEE TRANSACTIONS ON CIRCUITS AND SYSTEMS-I : REGULAR PAPERS, vol. 67, no. 8, 2020, XP011801565, DOI: 10.1109/TCSI.2020.2983834

Also Published As

Publication number Publication date
WO2023117816A1 (fr) 2023-06-29
FR3131004B1 (fr) 2024-04-19

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN109725320B (zh) 一种激光雷达
US10739445B2 (en) Parallel photon counting
US10775507B2 (en) Adaptive transmission power control for a LIDAR
EP2202538B1 (fr) Système d&#39;imagerie passive equipé d&#39;un télémètre
US9069060B1 (en) Circuit architecture for optical receiver with increased dynamic range
WO2019104679A1 (fr) Procédé d&#39;ajustement de puissance, et dispositif de mesurage laser
CN211014630U (zh) 激光雷达设备及机动车系统
JP2020515812A (ja) ライダー装置
US20210333371A1 (en) Lidar system with fog detection and adaptive response
US20220373690A1 (en) Atmospheric sensor using programmable time-gated detection aperture
Liebe et al. Distance measurement utilizing image-based triangulation
CN107356914B (zh) 一种星载激光雷达探测器校准系统
WO2020107250A1 (fr) Circuit de réception laser, dispositif de mesure de distance et plateforme mobile
JP2024056743A (ja) リアルタイムｌｉｄａｒ距離校正のためのシステムおよび方法
FR3131004A1 (fr) Lidar à grand champ de vue amélioré
EP2056126B1 (fr) Procédé de détection d&#39;une impulsion lumineuse réfléchie sur un objet pour déterminer la distance de l&#39;objet, capteur et dispositif de mise en oeuvre
US20230375678A1 (en) Photoreceiver having thresholded detection
WO2012080372A1 (fr) Dispositif actif d&#39;observation d&#39;une scène à travers un milieu diffusant, utilisation de ce dispositif et procédé d&#39;observation
FR3131005A1 (fr) Lidar statique à grand champ de vue
US20230007979A1 (en) Lidar with photon-resolving detector
EP2364455B1 (fr) Télémètre
CN111684300B (zh) 一种信号放大方法及装置、测距装置
WO2020142921A1 (fr) Module de détection optique et dispositif de mesure de distance
US20150280046A1 (en) Phototransistor capable of detecting photon flux below photon shot noise
US20240007061A1 (en) Photodetector current sensing

Legal Events

Date Code Title Description
PLFP Fee payment

Year of fee payment: 2

PLSC Publication of the preliminary search report

Effective date: 20230623

PLFP Fee payment

Year of fee payment: 3