FR3138205A1 - Télémètre optique multi-cibles - Google Patents

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Abstract

Télémètre optique multi-cibles Télémètre (1) optique comprenant : une source de lumière (6) apte à délivrer des impulsions lumineuses (PF) ; un détecteur de lumière (7) ; un premier système de collimation (10) et au moins un deuxième système de collimation (20), chaque système de collimation (10, 20) comprenant un port d’entrée (11, 21), un port de sortie (12, 22) ; et un dispositif de liaison par fibres optiques (130) qui relie les ports d’entrée respectifs des différents systèmes de collimation à la source de lumière, et qui relie les ports de sortie respectifs de ces systèmes de collimation audit détecteur, le dispositif de liaison étant agencé de sorte qu’une impulsion (PR1), émise puis collectée par le premier système de collimation, et une autre impulsion (PR2) émise puis collectée par le deuxième système de collimation atteignent ledit détecteur à des instants différents. Figure à publier avec l’abrégé : Figure 1

Description

Télémètre optique multi-cibles
Le domaine technique est celui de la télémétrie optique.
 ARRIERE-PLAN TECHNOLOGIQUE
La détection d’objet et la mesure de distance par télémétrie optique sont de plus en plus répandues. Un télémètre optique, permettant de mesurer la distance à laquelle est située une cible, comprend typiquement une source lumineuse, par exemple une diode laser, un détecteur de lumière tel qu’une photodiode, et un système optique pour mettre en forme le faisceau lumineux produit par la source, et pour collecter la lumière rétroréfléchie (ou rétrodiffusée) par la cible afin de la focaliser sur le détecteur. Ce système optique peut comprendre une optique de collimation pour collimater le faisceau émis par la source, une autre optique de collimation pour focaliser la lumière collectée sur le détecteur.
La distance à laquelle se trouve la cible peut par exemple être déterminée par une mesure de temps de vol d’une impulsion lumineuse, jusqu’à la cible, aller et retour. Elle peut aussi être déterminée par une mesure d’un déphasage du signal lumineux rétroréfléchi, lorsque la source émet un signal lumineux modulé.
Quoiqu’il en soit, un tel télémètre optique fournit seulement une indication d’une distance moyenne à laquelle se trouve un objet, ce qui peut s’avérer insuffisant pour certaines applications de télémétrie (pluralité d’objets à suivre, ou objet complexe comprenant plusieurs parties dont on veut connaitre les positions). La plupart des télémètres optiques actuels sont par ailleurs assez encombrants.
RESUME
Pour remédier au moins en partie aux limites de l’art antérieur, la présente technologie concerne alors un télémètre optique multi-cibles comprenant :
  • une source de lumière, apte à délivrer des impulsions lumineuses,
  • un détecteur de lumière,
  • un premier système de collimation, et au moins un deuxième système de collimation, chaque système de collimation comprenant un port d’entrée, un port de sortie, et un système optique agencé pour émettre une impulsion aller reçue par le port d’entrée, vers une zone de mesure du système de collimation, et pour collecter une impulsion retour provenant de cette zone de mesure et transmettre l’impulsion retour par le port de du système de collimation, et
  • un dispositif de liaison par fibres optiques qui relie les ports d’entrée respectifs des différents systèmes de collimation à la source de lumière, et qui relie les ports de sortie respectifs de ces systèmes de collimation au détecteur, le dispositif de liaison étant agencé de sorte que les impulsions retour atteignent ledit détecteur à des instants différents.
Le caractère fibré du télémètre permet de déporter les systèmes de collimation, qui jouent un rôle de têtes de mesure, à distance de la partie électronique du télémètre, partie qui comprend notamment la source et le détecteur de lumière. Cette configuration est intéressante car elle permet de réduire l’encombrement du système au niveau de chaque tête de mesure, par rapport à un télémètre monolithique. Par ailleurs, chaque tête de mesure peut alors être dépourvue d’électronique, ce qui la rend compatible avec des environnements sévères en termes de perturbations électromagnétiques ou de température.
Par ailleurs, dans ce dispositif, les positions de plusieurs cibles peuvent être déterminées avec une seule source et un seul détecteur, grâce à la forme de multiplexage temporel mise en œuvre dans ce télémètre. En effet, comme le dispositif de liaison par fibres optiques est agencé pour que les différentes impulsions retour atteignent le détecteur à des instants différents, ces différentes impulsions peuvent être distinguées l’une de l’autre, dans le signal électrique délivré par ce détecteur, ce qui permet de réaliser une mesure de distance pour la première tête de mesure, et pour la deuxième tête de mesure, de manière indépendante, avec un seul détecteur.
Pouvoir utiliser une seule source et un seul détecteur permet de réduire la quantité de matériel nécessaire pour réaliser ce télémètre, ainsi que sa consommation électrique. Cela permet aussi de s’affranchir d’une éventuelle disparité entre sources, ou entre détecteurs (disparité de temps de réponse par exemple). Enfin, cela facilite un pilotage coordonné, par exemple synchronisé, de ces différentes mesures de distances.
Les différentes cibles, détectées par le télémètre, peuvent correspondre à plusieurs objets différents (par exemple plusieurs éléments d’un aéronef ; à titre d’exemples non exhaustifs, un train d’atterrissage, un ou des éléments de translation de l’inverseur de poussée – ou slider en anglais -, les volets, ou encore les ailerons) dont on veut suivre les positions. Ces différentes cibles peuvent aussi correspondre à différentes parties d’un même objet.
La présente technologie concerne en particulier un télémètre multi-cibles, comprenant :
  • une source de lumière, apte à délivrer des impulsions lumineuses de durée Δt,
  • un détecteur de lumière,
  • un premier système de collimation, et au moins un deuxième système de collimation, chaque système de collimation comprenant un port d’entrée et un port de sortie, et
  • un dispositif de liaison par fibres optiques comprenant :
    • une première fibre optique aller et une deuxième fibre optique aller connectées respectivement au port d’entrée du premier et du deuxième système de collimation, et reliées toutes deux à la source de lumière, et
    • une première fibre optique retour, et une deuxième fibre optique retour connectées respectivement au port de sortie du premier et du deuxième système de collimation, et reliées toutes deux au détecteur de lumière,
  • et dans lequel la différence de temps de parcours est supérieure à la durée , étant la somme des longueurs respectives L1,Aet L1,Bde la première fibre aller et de la première fibre retour, étant la somme des longueurs respectives L2,Aet L2,Bde la deuxième fibre aller et de la deuxième fibre retour, etvétant la vitesse de propagation de la lumière dans lesdites fibres.
Outre les caractéristiques mentionnées ci-dessus, le télémètre qui vient d’être présenté peut comporter une ou plusieurs des caractéristiques optionnelles suivantes, considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement envisageables :
  • dans lequel le dispositif de liaison comprend :
    • une première fibre optique aller et une deuxième fibre optique aller connectées respectivement au port d’entrée du premier système de collimation et au port d’entrée du deuxième système de collimation, et reliées toutes deux à la source de lumière, et
    • une première fibre optique retour et une deuxième fibre optique retour connectées respectivement au port de sortie du premier système de collimation et au port de sortie du deuxième système de collimation, et reliées toutes deux au détecteur de lumière ;
  • la différence de temps de parcours est supérieure à la durée de l’une quelconque des impulsions lumineuses émises par la source, étant la somme des longueurs respectives L1,Aet L1,Bde la première fibre aller et de la première fibre retour, étant la somme des longueurs respectives L2,Aet L2,Bde la deuxième fibre aller et de la deuxième fibre retour, etvétant la vitesse de propagation de la lumière dans lesdites fibres ;
  • le télémètre est destiné à et configuré pour déterminer des positions de cibles situées, pour chaque système de collimation, dans une zone de mesure nominale, cette zone de mesure nominale ayant une profondeur do, et dans lequel les longueurs desdites fibres sont telles que la différence de temps de parcours est supérieure à la quantité , coétant la vitesse de propagation de la lumière dans l’air ;
  • la différence de longueurs est supérieure à 3 mètres, ou même supérieure à 20 mètres, étant la somme des longueurs respectives L1,Aet L1,Bde la première fibre aller et de la première fibre retour, et étant la somme des longueurs respectives L2,Aet L2,Bde la deuxième fibre aller et de la deuxième fibre retour ;
  • le télémètre est destiné à et configuré pour déterminer une position d’une première cible située dans une première zone de mesure nominale du premier système de collimation, et pour déterminer une position d’une deuxième cible située dans une deuxième zone de mesure nominale du deuxième système de collimation, les première et deuxième zones de mesure nominales étant disjointes l’une de l’autre, et dans lequel les longueurs totales L1et L2sont sensiblement identiques, étant la somme des longueurs respectives L1,Aet L1,Bde la première fibre aller et de la première fibre retour, et étant la somme des longueurs respectives L2,Aet L2,Bde la deuxième fibre aller et de la deuxième fibre retour ; dans le présent document, par « sensiblement identiques », on entend par exemple égales à mieux que 10% ou même 3%. Plus particulièrement, « sensiblement identique » peut signifier ici que la différence de longueurs entre les deux fibres considérées induit une différence de temps de parcours, qui est soit nulle, soit, tout au moins, inférieure à un quart, ou même un dixième de la durée de l’une quelconque des impulsions lumineuses émises par la source.
  • le télémètre est destiné à et configuré pour déterminer une position d’une première cible située dans une première zone de mesure nominale du premier système de collimation, et pour déterminer une position d’une deuxième cible située dans une deuxième zone de mesure nominale du deuxième système de collimation, dans lequel les longueurs desdites fibres sont telles que la différence de temps vol est supérieure à la durée de l’une quelconque des impulsions lumineuses émises par la source, quelle que soit la position de la première cible dans la première zone de mesure nominale et quelle que soit la position de la deuxième cible dans la deuxième zone de mesure nominale, étant le temps de parcours d’une impulsion lumineuse, depuis la source jusqu’au détecteur, en passant par le premier système de collimation et en se réfléchissant sur la première cible, étant le temps de parcours d’une impulsion lumineuse, depuis la source jusqu’au détecteur, en passant par le deuxième système de collimation et en se réfléchissant sur la deuxième cible ;
  • le dispositif de liaison comprend un commutateur, par exemple de type électro-optique, ayant un port commun, et au moins deux ports de distribution, le commutateur étant configuré pour coupler optiquement le port commun, sélectivement à l’un ou à l’autre des ports de distribution, en fonction d’un signal électrique de commande dudit commutateur, le port commun du commutateur étant connecté à la source tandis que ses deux ports de distribution sont connectés respectivement à la première et à la deuxième fibre aller, ou alors, le port commun du commutateur est connecté au détecteur tandis que ses deux ports de distribution sont connectés respectivement à la première et à la deuxième fibre retour.
La présente technologie et ses différentes applications seront mieux comprises à la lecture de la description qui suit et à l’examen des figures qui l’accompagnent.
 BREVE DESCRIPTION DES FIGURES
Les figures sont présentées à titre indicatif et nullement limitatif.
représente schématiquement un télémètre optique multi-cibles selon un premier mode de réalisation.
représente schématiquement un télémètre optique multi-cibles selon un deuxième mode de réalisation.
représente schématiquement un télémètre optique multi-cibles selon un troisième mode de réalisation.
représente schématiquement un télémètre optique multi-cibles selon un quatrième mode de réalisation.
représente schématiquement, de manière synoptique, un système de collimation de l’un quelconque des modes de réalisation en question.
représente schématiquement un exemple de réalisation d’un tel système de collimation.
représente schématiquement un premier agencement permettant de transmettre, à un même détecteur, de la lumière provenant de deux fibres de mesure différentes, dans un tel télémètre.
représente schématiquement un deuxième agencement permettant de transmettre au détecteur la lumière transportée par ces deux fibres.
 DESCRIPTION DETAILLEE
Quatre modes de réalisation d’un télémètre multi-cibles, numérotés respectivement 1, 2, 3 et 4, sont représentés schématiquement sur les figures 1, 2, 3 et 4, respectivement.
Quel que soit le mode de réalisation considéré, le télémètre en question, 1 ; 2 ; 3 ; 4 comprend :
  • une source de lumière 6, apte à délivrer des impulsions lumineuses PF; PF1, PF2,
  • un détecteur de lumière 7,
  • un premier système de collimation 10, et au moins un deuxième système de collimation 20, chaque système de collimation 10, 20 comprenant un port d’entrée 11, 21, un port de sortie 12, 22, et un système optique 13, 23 agencé pour émettre une impulsion aller PF1, PF2reçue par le port d’entrée, vers une zone de mesure Z du système de collimation (figures 5 et 6), et pour collecter une impulsion retour PR1, PR2provenant de cette zone de mesure et transmettre l’impulsion retour par le port de sortie 12, 22 du système de collimation, et
  • un dispositif de liaison par fibres optiques 130 ; 230 ; 330 ; 430 qui relie les ports d’entrée 11, 21 respectifs des différents systèmes de collimation à la source de lumière 6, et qui relie les ports de sortie 12, 22 respectifs de ces systèmes de collimation au détecteur 7.
De manière remarquable, le dispositif de liaison est agencé de sorte que les impulsions retour PR1, PR2atteignent le détecteur 7 à des instants différents.
Pour les modes de réalisation 1, 2 et 3, cette forme de multiplexage est obtenue grâce à des longueurs de fibres particulières (obtenues éventuellement par l’ajout d’une fibre retardatrice sur l’une des voies), ou grâce à un positionnement particulier de zones de mesure. Le mode de réalisation 4 est basé quant à lui sur un commutateur 60, par exemple électro-optique, permettant de sélectionner l’une ou l’autre des voies de mesure.
Malgré ces différences, ces quatre modes de réalisation présentent de nombreux éléments et caractéristiques communs. Aussi, d’un mode de réalisation à l’autre, les éléments identiques ou correspondant seront autant que possible repérés par les mêmes numéros de référence, et ne seront pas nécessairement décrits à chaque fois.
Dans ces différents modes de réalisation, la source 6 est apte à émettre des impulsions lumineuses dans le domaine du visible ou du proche infrarouge. La durée Δt de chacune de ces impulsions est par exemple inférieure à 300 ns, voire inférieure à 50 ns ou même à 20 ns. Cette durée Δt est par exemple de 10 ns (ce qui correspond à une longueur de l’impulsion de 3 m environ, dans l’air, et de 2m environ dans une fibre optique usuelle). La durée Δt correspond par exemple à la durée totale de l’impulsion considérée, prise à mi-hauteur du maximum de puissance de cette impulsion. La source 6 peut être un laser, typiquement à semi-conducteur, ou une diode électroluminescente. Quant au détecteur 7, il s’agit d’un détecteur photo-électrique, typiquement une photodiode, ayant un temps de réponse court.
La représente schématiquement, de manière synoptique (fonctionnelle) le système de collimation 10, tandis que la représente plus en détail un exemple de réalisation de ce système pouvant être implémenté dans l’un quelconque des modes de réalisation du télémètre 1 ; 2 ; 3 ; 4. Dans l’exemple de la , le système optique 13 du système de collimation 10 comprend une optique aller 14, et un optique retour 15. L’optique aller 14 comprend au moins une lentille ou un miroir convergent, et elle est globalement convergente (vergence totale positive). Elle est associée optiquement au port d’entrée 11 (par exemple placée en vis-à-vis, sur le même axe) ; elle met en forme le faisceau lumineux reçu par le port d’entrée 11 et elle le dirige vers la zone de mesure Z du système de collimation. Cette mise en forme consiste par exemple à collimater le faisceau lumineux reçu par ce port, c’est-à-dire à le rendre parallèle, ou tout au moins à le rendre peu divergent (divergence inférieure à 2 ou 3 degrés par exemple). Ici, l’optique aller est ainsi configurée (en termes de vergence et de distance au port d’entrée 11) pour collimater le faisceau reçu par le port d’entrée 11, faisceau qui, en pratique, sort d’une première fibre optique aller 101 connectée à ce port, et qui est très divergent (en sortie de fibre).
La zone de mesure Z mentionnée plus haut désigne ici la zone éclairée par ce faisceau (c’est-à-dire le champ de ce système de collimation). Il s’agit de la zone dans laquelle une mesure de distance pourrait potentiellement être réalisée, avec ce système (une zone de mesure nominale, moins étendue que cette zone de mesure totale, peut néanmoins être prévue pour ce système de collimation, pour tenir compte de la portée limitée du télémètre ou pour tenir compte de l’application visée, par exemple).
Quant à l’optique retour 15, elle est associée au port de sortie 12, et elle collecte une impulsion lumineuse appelée impulsion retour PR1, provenant de la zone de mesure Z, pour la transmettre par le port de sortie. En pratique, l’impulsion retour PR1est reçue en réponse à l’émission de l’impulsion aller PF1par le système de collimation 10 (émission via l’optique aller 14). L’impulsion retour correspond à une partie de l’impulsion aller, rétroréfléchie, éventuellement de manière diffuse, par une première cible 16 présente dans cette zone de mesure. L’optique retour 15 comprend au moins une lentille ou un miroir convergent, et elle est globalement convergente. Elle est configurée (en termes de vergence et de distance au port 12) pour focaliser l’impulsion retour sur le port de sortie 12, afin de la coupler dans une première fibre retour 102 connectée à ce port.
Les ports d’entrée et de sortie 11 et 12 sont par exemple pourvus chacun d’un connecteur pour une jarretière de fibre optique (i.e : pour un cordon à fibre optique), connecteur qui est par exemple de type férule à pas de vis, à cliquet ou autre. Le corps du système de collimation présente une ouverture, au niveau du port d’entrée et du port de sortie.
Dans l’exemple de la , l’optique aller 14 et l’optique retour 15 du système optique 13 sont distinctes l’une de l’autre. En variante, ces deux optiques pourraient toutefois être confondues ; dans ce cas, la même optique (par exemple, le même objectif) sert à la fois à l’émission de l’impulsion aller et à la collection de l’impulsion retour. Dans ce cas, la séparation entre les voies aller et retour (i.e. : entre l’impulsion aller et l’impulsion retour) peut être réalisée dans le système de collimation, à l’aide d’un séparateur de faisceau (lame semi-réfléchissante, cube séparateur ou autre) disposé entre le port d’entrée et cette optique de collimation.
La structure du deuxième système de collimation 20 est ici identique, ou tout au moins similaire à la structure du premier système de collimation 10 décrite ci-dessus. Le port d’entrée 21 et le port de sortie 22 du deuxième système de collimation 20 sont connectés respectivement à une deuxième fibre optique aller 201 et à une deuxième fibre optique retour 202.
Dans ces différents modes de réalisation, le dispositif de liaison 130 ; 230 ; 330 ; 430 comprend donc au moins la première et la deuxième fibre aller, 101 et 102, qui sont reliées toutes deux à la source 6, ainsi que la première et la deuxième fibre retour, 201 et 202, qui sont reliées toutes deux au détecteur 7.
Dans le présent document, les expressions « fibre optique » et « fibre » sont employées indifféremment. Par ailleurs, l’expression « fibre optique » peut désigner aussi bien une fibre optique d’un seul tenant qu’un ensemble de plusieurs fibres optiques individuelles raccordées en série l’une à la suite de l’autre. Par exemple, dans le cas de la , la deuxième fibre aller 201 peut prendre la forme d’un ensemble formé par : une fibre individuelle, de même longueur que la première fibre aller 101, cette fibre individuelle étant raccordée, en série, avec une fibre supplémentaire, appelée fibre retardatrice, pour obtenir une longueur plus grande pour la deuxième fibre aller 201 que pour la première fibre aller 101.
Pour le télémètre 1 ; 2 ; 3 des trois premiers modes de réalisation, la première et la deuxième fibres aller 101, 201 sont reliées à la source 6, commune, par l’intermédiaire d’un coupleur 40 un vers deux, par exemple un coupleur fibré. Ce coupleur 40 a un port commun 43, relié à la source 6, ainsi qu’un premier et un deuxième port de distribution 41, 42, connectés respectivement à la première fibre aller 101 et à la deuxième fibre aller 201. Dans le coupleur 40, le port commun 43 est couplé optiquement à la fois au premier et au deuxième port de distribution 41 et 42. Une impulsion PFinitialement émise par la source 6 est donc divisée en deux dans ce coupleur, pour donner une première et une deuxième impulsion aller, PF1et PF2.
Pour le télémètre 4 du quatrième mode de réalisation ( ), la première et la deuxième fibres aller 101, 201 sont reliées à la source 6, commune, par l’intermédiaire du commutateur 60 déjà mentionné. Ce commutateur 60 a un port commun 63 et deux ports de distribution 61, 62 connectés respectivement à la première fibre aller 101 et la deuxième fibre aller 201. Le commutateur 60 couple optiquement le port commun 63, sélectivement à l’un ou à l’autre des ports de distribution 61, 62, en fonction d’un signal électrique de commande du commutateur.
Dans ces quatre modes de réalisation, le télémètre 1 ; 2 ; 3 ; 4 comprend un interrogateur 8, qui intègre une unité électronique (non représentée), en plus de la source 6 et du détecteur 7.
Cette unité électronique est reliée électriquement à la source 6 et au détecteur 7. Elle est configurée pour commander à la source d’émettre une, ou éventuellement plusieurs (cas du télémètre 4 de la ) impulsions lumineuses initiales. Elle est configurée par ailleurs pour déterminer :
  • une distance à laquelle est située la première cible 16 (détectée avec le premier système de collimation 10), et une distance à laquelle est située une deuxième cible 26 (détectée avec le deuxième système de collimation 20),
  • à partir du signal électrique délivré par le détecteur 7 lors de la réception de la première et de la deuxième impulsion retour PR1, PR2, reçues par le détecteur en réponse à l’émission d’une impulsion lumineuse initiale PFpar la source 6 (ou, dans le cas du quatrième mode de réalisation, en réponse à l’émission de deux impulsions lumineuses initiales successives PF1, et PF2).
L’unité électronique est configurée ici pour déterminer ces deux distances à partir de décalages temporels entre les deux impulsions électriques correspondant respectivement à la première et à la deuxième impulsions retour d’une part, et un signal de référence qui repère par exemple l’instant d’émission de l’impulsion initiale PFd’autre part.
L’unité électronique comprend un circuit électronique incluant une interface pour recevoir le signal électrique produit par le détecteur, ainsi qu’un calculateur électronique (microprocesseur, ou circuit programmable à la volée, par exemple, …) configuré (par exemple programmé) pour déterminer les distances en question.
Dansle télémètre 1 ; 2 selon les deux premiers modes de réalisation, l’ensemble comprenant la première fibre aller 101 et la première fibre retour 102 a une longueur totale L1qui est différente de la longueur totale L2de l’ensemble comprenant la deuxième fibre aller 201 et la deuxième fibre retour 202. Cela permet que les deux impulsions retour PR1et PR2atteignent le détecteur 7 à des instants différents.
La longueur totale est la somme des longueurs respectives L1,Aet L1,Bde la première fibre aller 101 et de la première fibre retour 102. De même, la longueur totale étant la somme des longueurs respectives L2,Aet L2,Bde la deuxième fibre aller 201 et de la deuxième fibre retour 202. Dans l’exemple de la , L2est supérieure à L1.
Pour le télémètre 1 de la figure 1, la différence de longueur totale est due au fait que la deuxième fibre aller 201 est plus longue que la première fibre aller 101, les deux fibres retour 102, 202 ayant par exemple des longueurs proches (sensiblement identiques), voire identiques. Au contraire, pour le télémètre 2 de la , la même différence de longueur totale ΔL est due au fait la deuxième fibre retour 202 est plus longue que la première fibre retour 102, deux fibres aller 101, 201 ayant quant à elles des longueurs pouvant être proches (sensiblement identiques), voire identiques. Mise à part cette différence, qui concerne la manière de répartir la différence de longueur totale ΔL, ces deux modes de réalisation sont identiques. On notera d’ailleurs qu’il y a encore bien d’autre manières pour répartir une différence de longueur totale ΔL donnée entre les différentes fibres optiques du dispositif de liaison (à titre d’exemple, les deuxièmes fibres aller et retour pourraient toutes deux être plus longues que les premières fibres, aller et retour).
Pour le télémètre 1 ; 2 selon ces deux modes de réalisation, la différence de longueur totale ΔL peut être telle que la différence de temps de parcours soit supérieure à la durée de l’une quelconque des impulsions lumineuses émises par la source, soit : .
v est la vitesse de propagation de la lumière dans ces fibres (pour les impulsions lumineuses en question ; à titre d’exemple, cette vitesse peut être de l’ordre de 0,7 fois la vitesse de la lumière dans le vide). La différence de longueur totale ΔL peut même être telle que la différence de temps de parcours Δtpsoit supérieure à trois fois , pour obtenir un écart temporel plus grand entre les deux impulsions retour (afin de les distinguer/séparer l’une de l’autre plus facilement).
Dimensionner de cette manière les longueurs des fibres permet, dans la plupart des cas, d’obtenir des temps d’arrivée au détecteur différents pour les deux impulsions retour PR1et PR2, lorsque la première cible 16 et la deuxième cible 26 sont situées toutes les deux à peu près à la même distance de leur système de collimation respectif 10, 20 (i.e. : de leur tête de mesure respective). En effet, dans ce cas, le temps de vol de l’impulsion, entre la tête de mesure et la cible, et retour, est environ le même pour les deux cibles, et n’ajoute pas de décalage temporel notable entre les deux voies de mesure. En pratique, ce type de situation concerne par exemple des mesures de distance pour différentes parties d’un même objet (par exemple pour différente parties d’un aéronef, dont on veut déterminer à la fois la position et l’attitude, ou même dont on veut déterminer la forme, ou bien si l’on souhaite avoir une redondance sur la mesure).
Dans certaines applications, les positions des deux cibles 16 et 26 peuvent toutefois être nettement différentes, par exemple lorsque ces deux cibles correspondent à deux objets distincts (par exemple deux véhicules différents dont on souhaite suivre les positions). Ces différences de position peuvent alors induire des différences de temps de vol assez importantes, entre les première et deuxième cibles. Dans ce cas, les longueurs des fibres 101, 102, 201, 202 peuvent être choisies de sorte que la différence de temps de parcours soit supérieure à la somme de : la durée de l’une quelconque des impulsions lumineuses émises par la source, et de la quantité , soit : .
coest la vitesse de propagation de la lumière dans l’air et doest la profondeur d’une zone de mesure nominale Zode chaque système de collimation du télémètre (voir les figures 1 et 2).
Pour ce type d’application (typiquement : télémétrie multi-objets), la condition portant sur la différence de longueur est en effet un peu plus stricte que la condition donnée plus haut. Satisfaire cette condition permet, même si l’une des cibles est complètement à l’avant de la zone de mesure nominale Zotandis que l’autre est complètement à l’arrière de cette zone, permet que les deux impulsions retour PR1et PR2atteignent le détecteur 7 à des instants différents (et décalés de plus de Δt), ce qui permet de les distinguer l’une de l’autre, et de réaliser ces deux mesures de distances avec un même détecteur.
Par zone de mesure nominale, on désigne une zone que le télémètre est destiné à sonder, pour laquelle le télémètre est opérationnel (bien adapté). L’étendue de cette zone de mesure est par exemple déterminée par la portée du télémètre (portée qui est limitée en pratique par la sensibilité du détecteur, la puissance de la source, les dimensions des optiques de collimation, ou d’autres paramètres). L’étendue de cette zone de mesure nominale est par exemple indiquée sur la fiche de spécifications du télémètre (fiche technique fournie par le constructeur du télémètre). De manière optionnelle, l’unité électronique peut d’ailleurs être programmée pour ne pas délivrer de résultat de mesure, ou pour délivrer un message d’erreur lorsque l’une des distances déterminées par l’unité électronique est située hors de cette zone de mesure nominale.
Dans l’exemple des figures 1 et 2, la zone de mesure nominale Zoest la même pour les deux systèmes de collimation 10 et 20. C’est-à-dire que pour ces deux systèmes de collimation, le télémètre est apte et destiné à réaliser des mesures pour des distances comprises entre une distance minimale do,min, et une distance maximale (un éloignement maximal) do,min+doqui sont les mêmes pour les deux systèmes de collimation 10 et 20. La profondeur dode la zone de mesure nominale Zoest égale à la différence entre la distance maximale de mesure, do,min+do, et la distance minimale de mesure do,min.
Dans d’autres modes de réalisation, le télémètre peut néanmoins être destiné à, et configuré pour réaliser des mesures de positions de cibles dans des zones de mesure nominales qui sont différentes pour le premier système de collimation 10 et pour le deuxième système de collimation 20 ( ). C’est le cas par exemple pourle télémètre 3 du troisième mode de réalisation.
Ce télémètre 3 est destiné à et configuré pour déterminer :
  • une position de la première cible 16, cette cible étant située dans une première zone de mesure nominale Z1, du premier système de collimation 10, et pour déterminer
  • une position de la deuxième cible 26, cette cible étant située dans une deuxième zone de mesure nominale Z2, du deuxième système de collimation 20,
  • les première et deuxième zones de mesure nominales Z1, Z2étant disjointes l’une de l’autre, c’est-à-dire correspondant à des gammes de distance de mesure différentes.
Dans ce cas, les fibres optiques 101, 102, 201, 202 des deux voies de mesure peuvent avoir des longueurs totales L1et L2identiques (c’est d’ailleurs le cas, dans ce mode de réalisation), soit ΔL=0. En effet, le temps de vol entre le premier système de collimation 10 et la première cible 16 est alors suffisamment différent du temps de vol entre le deuxième système de collimation 20 et la deuxième cible 26 pour que les deux impulsions retour PR1et PR2atteignent le détecteur 7 à des instants différents (et cela quelles que soient les positions des cibles 16 et 26 dans leurs zones de mesure nominales respectives).
Dans ce mode de réalisation, la première zone de mesure nominale Z1s’étend d’une distance minimale de mesure d1,minà une distance maximale de mesure d1,m ax. La deuxième zone de mesure nominale Z2s’étend quant à elle d’une distance minimale de mesure d2 ,minà une distance maximale de mesure d2 ,m ax. Ces deux zones, Z1et Z2, sont disjointes en ce sens que la distance minimale de mesure de l’une des deux zones est supérieure à la distance maximale de mesure de l’autre zone. Dans le cas de la , par exemple, d2,minest supérieure à d1 ,max. On notera que, par zones de mesure disjointes, on entend ici gammes de distances à mesurer disjointes (et non pas zones disjointes sur un plan géométrique, car correspondant par exemple à des directions de visée différentes).
A titre d’exemple, la première zone de mesure nominale Z1pourrait s’étendre de 10 à 50 mètres, tandis que la deuxième zone de mesure nominale Z2s’étendrait de 70 à 200 mètres, par exemple. d2,minpeut d’ailleurs être supérieure à d1 ,maxplus la longueur de l’une quelconque des impulsions lumineuses (longueur dans l’air, soit environ 3 mètres pour des impulsions de 10 ns). Dans ce cas, les deux impulsions retour atteignent en effet le détecteur 7 avec un décalage temporel supérieur à Δt, ce qui permet de bien les distinguer l’une de l’autre.
Pour les modes de réalisation 1 et 2, les longueurs totales L1et L2sont bien différentes l’une de l’autre tandis que les zones de mesure nominales sont identiques pour les deux têtes de mesure 10 et 20. Au contraire, pour le mode de réalisation 3, les longueurs totales L1et L2sont identiques et ce sont les zones de mesure nominales Z1et Z2qui sont différentes. D’autre situations, intermédiaires entre ces deux cas, sont aussi envisageables.
Ainsi, on peut prévoir plus généralement que le télémètre soit destiné à et configuré pour déterminer une position d’une première cible 16 située dans une première zone de mesure nominale du premier système de collimation 10, et pour déterminer une position d’une deuxième cible 26 située dans une deuxième zone de mesure nominale du deuxième système de collimation 20 (zones disjointes ou non), dans lequel les longueurs desdites fibres sont telles que la différence de temps vol est supérieure à la durée ∆t de l’une quelconque des impulsions lumineuses émises par la source 6, quelle que soit la position de la première cible 16 dans la première zone de mesure nominale et quelle que soit la position de la deuxième cible 26 dans la deuxième zone de mesure nominale, étant le temps de parcours d’une impulsion lumineuse, depuis la source 6 jusqu’au détecteur 7, en passant par le premier système de collimation 10 et en se réfléchissant sur la première cible 16, étant le temps de parcours d’une impulsion lumineuse, depuis la source 6 jusqu’au détecteur 7, en passant par le deuxième système de collimation 20 et en se réfléchissant sur la deuxième cible 26.
Pour ce qui est maintenant dutélémètre 4 du quatrième mode de réalisation( ), il est basé sur une distribution successive des impulsions, entre la voie de mesure 1 et la voie de mesure 2, grâce au commutateur 60.
L’unité électronique du télémètre 4 est alors configurée pour commander à la source 6 d’émettre deux impulsions lumineuses successives PF1et PF2, et pour commander conjointement au commutateur 60 de diriger la première impulsion PF1vers la première fibre aller 101, puis de diriger la deuxième impulsion PF2vers la deuxième fibre aller 201. Ces deux impulsions, émises initialement à des dates différentes, atteignent donc le détecteur commun 7 à des instants différents, même si les temps de parcours des deux voies de mesure sont, comme ici, identiques (c’est-à-dire même si L1=L2).
Dans une variante de ce quatrième mode de réalisation, le commutateur pourrait être connecté entre le détecteur 7 et les deux fibres retour 102 et 202, au lieu d’être connecté entre la source 6 et les deux fibres aller 101, 201.
Dans ces différents modes de réalisation, différents agencements sont envisageables pour transmettre, au même détecteur 7, les impulsions provenant des deux fibres retour 102 et 202.
A titre d’exemple, une lentille 50 ou un ensemble de lentilles, convergent, peut être employé pour diriger les impulsions sortant de ces deux fibres sur le détecteur 7 ( ). Les deux faces de sortie de ces deux fibres pourraient aussi être placées directement en vis à vis du détecteur, sans lentille intermédiaire.
Une fibre agrégative 52 pourrait aussi être connectée entre ces deux fibres 102, 202 et le détecteur 7. Un coupleur un vers deux, tel que le coupleur 40, pourrait aussi être employé, à la place de cette fibre agrégative.
La présente technologie concerne non seulement les télémètres décrits ci-dessus, mais aussi les méthodes de mesures correspondantes (à détecteur et source uniques, et multiplexage temporel), mises en œuvre par ces télémètres.
Différentes variantes peuvent être apportée au télémètre des différents modes de réalisation décrit ci-dessus, en plus de celles déjà mentionnées.
Ainsi, le télémètre pourrait par exemple comprendre plus de deux systèmes de collimation (plus de deux têtes de mesure), avec, à chaque fois, d’un système de collimation à l’autre, une différence entre les instants d’arrivée des impulsions retour correspondantes qui est supérieure à Δt.

Claims (8)

  1. Télémètre (1 ; 2 ; 3 ; 4) optique multi-cibles comprenant :
    • une source de lumière (6), apte à délivrer des impulsions lumineuses (PF; PF1, PF2),
    • un détecteur de lumière (7),
    • un premier système de collimation (10), et au moins un deuxième système de collimation (20), chaque système de collimation (10, 20) comprenant un port d’entrée (11, 21), un port de sortie (12, 22), et un système optique (13, 23) agencé pour émettre une impulsion aller (PF1, PF2) reçue par le port d’entrée, vers une zone de mesure du système de collimation, et pour collecter une impulsion retour (PR1, PR2) provenant de cette zone de mesure et transmettre l’impulsion retour par le port de sortie (12, 22) du système de collimation, et
    • un dispositif de liaison par fibres optiques (130 ; 230 ; 330 ; 430) qui relie les ports d’entrée (11, 21) respectifs des différents systèmes de collimation à la source de lumière (6), et qui relie les ports de sortie (12, 22) respectifs de ces systèmes de collimation au détecteur (7), le dispositif de liaison étant agencé de sorte que les impulsions retour (PR1, PR2) atteignent ledit détecteur (7) à des instants différents.
  2. Télémètre (1 ; 2 ; 3 ; 4) selon la revendication précédente, dans lequel le dispositif de liaison (130 ; 230 ; 330 ; 430) comprend :
    • une première fibre optique aller (101) et une deuxième fibre optique aller (201) connectées respectivement au port d’entrée (11) du premier système de collimation (10) et au port d’entrée (21) du deuxième système de collimation (20), et reliées toutes deux à la source de lumière (6), et
    • une première fibre optique retour (102) et une deuxième fibre optique retour (202) connectées respectivement au port de sortie (12) du premier système de collimation (10) et au port de sortie (22) du deuxième système de collimation (20), et reliées toutes deux au détecteur de lumière (7).
  3. Télémètre (1 ; 2 ; 4) selon la revendication 2, dans lequel la différence de temps de parcours est supérieure à la durée de l’une quelconque des impulsions lumineuses (PF) émises par la source,
    • étant la somme des longueurs respectives L1,Aet L1,Bde la première fibre aller (101) et de la première fibre retour (102),
    • étant la somme des longueurs respectives L2 ,Aet L2 ,Bde la deuxième fibre aller (201) et de la deuxième fibre retour (202), et
    • v étant la vitesse de propagation de la lumière dans lesdites fibres.
  4. Télémètre (1 ; 2 ; 4) selon la revendication 3, dans lequel le télémètre est destiné à et configuré pour déterminer des positions de cibles (16 , 26) situées, pour chaque système de collimation (10, 20), dans une zone de mesure nominale (Zo), cette zone de mesure nominale ayant une profondeur do, et dans lequel les longueurs desdites fibres sont telles que la différence de temps de parcours est supérieure à la quantité , coétant la vitesse de propagation de la lumière dans l’air.
  5. Télémètre (1 ; 2 ; 4) selon l’une des revendications 2 à 4, dans lequel la différence de longueurs est supérieure à 3 mètres, ou même supérieure à 20 mètres, étant la somme des longueurs respectives L1,Aet L1,Bde la première fibre aller (101) et de la première fibre retour (102), et étant la somme des longueurs respectives L2,Aet L2,Bde la deuxième fibre aller (201) et de la deuxième fibre retour (202).
  6. Télémètre (3 ; 4) selon la revendication 2, dans lequel le télémètre est destiné à et configuré pour déterminer une position d’une première cible (16) située dans une première zone de mesure nominale (Z1) du premier système de collimation (10), et pour déterminer une position d’une deuxième cible (26) située dans une deuxième zone de mesure nominale (Z2) du deuxième système de collimation (20), les première et deuxième zones de mesure nominales (Z1, Z2) étant disjointes l’une de l’autre, et dans lequel les longueurs totales L1et L2sont sensiblement identiques, étant la somme des longueurs respectives L1,Aet L1,Bde la première fibre aller (101) et de la première fibre retour (102), et étant la somme des longueurs respectives L2,Aet L2,Bde la deuxième fibre aller (201) et de la deuxième fibre retour (202).
  7. Télémètre (1 ; 2 ; 3 ; 4) selon l’une des revendications 2 à 6, dans lequel le télémètre est destiné à et configuré pour déterminer une position d’une première cible (16) située dans une première zone de mesure nominale (Zo ; Z1) du premier système de collimation (10), et pour déterminer une position d’une deuxième cible (26) située dans une deuxième zone de mesure nominale (Zo ; Z2) du deuxième système de collimation (20), dans lequel les longueurs desdites fibres (101, 102, 201, 202) sont telles que la différence de temps vol est supérieure à la durée de l’une quelconque des impulsions lumineuses (PF) émises par la source, quelle que soit la position de la première cible (16) dans la première zone de mesure nominale et quelle que soit la position de la deuxième cible (26) dans la deuxième zone de mesure nominale, étant le temps de parcours d’une impulsion lumineuse, depuis la source (6) jusqu’au détecteur (7), en passant par le premier système de collimation (10) et en se réfléchissant sur la première cible (16), étant le temps de parcours d’une impulsion lumineuse, depuis la source (6) jusqu’au détecteur (7), en passant par le deuxième système de collimation (20) et en se réfléchissant sur la deuxième cible (26).
  8. Télémètre (4) selon l’une des revendications 2 à 7, dans lequel :
    • le dispositif de liaison (430) comprend un commutateur (60), par exemple de type électro-optique, ayant un port commun (63), et au moins deux ports de distribution (61, 62), le commutateur étant configuré pour coupler optiquement le port commun (63), sélectivement à l’un ou à l’autre des ports de distribution (61, 62), en fonction d’un signal électrique de commande dudit commutateur, et dans lequel
    • le port commun (63) du commutateur est connecté à la source (6) tandis que ses deux ports de distribution (61, 62) sont connectés respectivement à la première et à la deuxième fibre aller (101, 201), ou dans lequel le port commun du commutateur est connecté au détecteur tandis que ses deux ports de distribution sont connectés respectivement à la première et à la deuxième fibre retour.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US20150234039A1 (en) * 2014-02-19 2015-08-20 Raytheon Company Portable programmable ladar test target
WO2020219145A1 (fr) * 2019-04-22 2020-10-29 Blackmore Sensors & Analytics, Inc Fourniture de déplacement spatial de modes d'émission et de réception dans un système lidar
WO2021199027A1 (fr) * 2020-04-02 2021-10-07 Lidwave Ltd. Procédé et appareil de cartographie et de télémétrie basés sur une comparaison de cohérence temporelle

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