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1Etude et réalisation d’un télémètre laser par temps de vol

Vincent DELAYE, 7 septembre 2000

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TitreTitre

THESE

pour obtenir le grade de

Docteur de l’INPG

Spécialité : Optique, Optoélectronique et Micro-ondes

Préparée au Département Systèmes du LETI - CEA Grenoble

Titre :

Directeur de thèse : Germain CHARTIERResponsable CEA : Pierre LABEYE

Présentée et soutenue publiquement par :

Vincent DELAYE



Plan de la présentationPlan de la présentation

Introduction

Télémétrie laser - Télémétrie laser par temps de vol

I - Eléments et performances d’un télémètre laser temps de vol

Emission - Réception - Dynamique du signal - Traitement

Résumé des performances

II - Amélioration des performances, choix de techniques adaptées

Choix - Précision - Portée

III - Mise en œuvre expérimentale

IV - Résultats

Dynamique - Précision - Portée - Stratégie de mesure - Application à l’imagerie 3D

Conclusion

Conclusion et perspectives

PlanPlan



Télémétrie laser, méthodes et applicationsTélémétrie laser, méthodes et applications

METHODEMETHODE portéeportée précisionprécision cadencecadence

Mesure de phase 50 m > mm 1 Hz

RMCW km m -

FMCW 10 m < mm 10 kHz

Temps de vol > 100 m > cm 10 kHz

automobile, militaire

géologie, topographie

aeronautique, aerospatiale

sports (golf),

aide à la navigation

imagerie 3D...

Méthodes et performances

IntroductionIntroduction

Domaines d’application

Application et spécifications :Imagerie 3Dportée : > 100 mprécision : cmcadence : 10 kHz

Méthode :Télémétrie laser par temps de vol

pour une puissance laser émise donnée



Principe de la télémétrie laser temps de volPrincipe de la télémétrie laser temps de volIntroductionIntroduction

Schéma de principe d’un télémètre

distance z

photo

- detecteur

BLOC DE RECEPTION

BLOC D'EMISSION

BLOCDETRAITEMENT

chronometrie

faisceau laser

lumière diffusee par la cible

cible

diffusante

source laser

pulseeSTART

STOP

Détection de signaux optiques de l’ordre de 100 nW - 10 µW



mesure de distance z

( )temps de vol2

cz = ⋅

IntroductionIntroduction

seuils de détection

c : vitesse de la lumière

Principe de la mesure de distance

Principe de la télémétrie laser temps de volPrincipe de la télémétrie laser temps de vol

tSTART

tSTOP

seuil de detection du signal START

seuil de detection du signal STOP

Emission laser

Reception

temps de vol

Exemple pour 100 m : temps de vol = 600 nsPrécision de 1 cm : mesure du temps à 60 ps près



Télémètre laser temps de vol compactTélémètre laser temps de vol compactIntroductionIntroduction

Télémètre utilisant un microlaser déclenché passivement, développé au LETI

Réception

Emission

Chronométrie



Partie IPartie I


Introduction








IV - Résultats


Conclusion




Partie émission laserPartie émission laser

Structure d’un microlaser déclenché passivement

Points clés :Puissance crête (kW) Largeur (ns)Fréquence de récurrence (kHz) Divergence (mrad)

Partie IPartie I

Sécurité Oculaire

Faisceau de pompe continu Faisceau laser impulsionnel

miroir d'entree miroir de sortie

808 nm 1064 nm

milieu amplificateur

Nd:YAG

750 - 1500 µm

absorbant saturable

Cr :YAG

30 -100 µm

4+



photodiode à avalanche (InGaAs) etamplificateur transimpédance

Partie réceptionPartie réceptionCircuit électronique de réception

Points clés :GainBande passanteBruits (RSB)CEMDynamique (100)

Partie IPartie I

G

ZcSignal Optique

Signal Electrique

+

-

+E

amplificateur

transimpédance

intégré

PDA

( ) signal

thermique ampli obscurité quantique parasite

B PRSB

B P P P P P

η ⋅=

′ ′ ′ ′ ′ ⋅ + + + +

Rapport signal sur bruit des puissances électriques



Dynamique du signalDynamique du signalConfiguration optique et géométrique

Points clés :Focale de l’optique de réception, Entre-axe, angle entre les axesDiamètre du photodétecteur...

Puissance optique reçue ( Distance )

Partie IPartie I

Emission

ReceptionRp

ωi

φreception

φemission

Rp+φreception z

ω (z)

δ

fe

fp

A0 (z)

zcible

0 200 400 600 800 1000

z (m)

0.01

0.1

1

10

100

Pren

microW

equation des lidars classique

equation des lidars modifiee

seuil de detection

dynamique de

l'electronique

de reception



Electronique compacte de mesure de temps de vol

résolution : 60 ps (1 cm)

cadence : 10 µs/mesure

faible consommation

sortie de la distance digitale

Partie traitement, ASIC de chronométriePartie traitement, ASIC de chronométrie

Partie IPartie I



Performances d’un télémètre laser par temps de volPerformances d’un télémètre laser par temps de vol

précision : ± 3 cmécart-type : 1 cmerreur systématique : 2 à 3 cm

Partie IPartie I

PrécisionLargeur de l’impulsion Ô

Rapport signal sur bruit Ò

Position du seuil Optimum

PortéeRapport signal sur bruit Ò

Puissance crête laser Ò

Ouverture réception Ò

Gain du détecteur Optimum

portée : > 100 m

Performances typiques destélémètres développé au LETI :

Paramètres principaux influant sur lesperformances d’un télémètre

CadenceFréquence de récurrence Ò

cadence : 10 kHz



Partie IIPartie II


Introduction








IV - Résultats


Conclusion

Conclusion et perspectives - Application à l’imagerie 3D



Améliorations des performancesAméliorations des performances

précision

portée

rapport signal sur bruit(distance, bande passante)

Première approche : amplification optique(ampli à fibre optique par exemple)

Deuxième approche : traitement numérique du signal� recherche et mise en œuvre des techniques adaptées

en vue d’une application de type imagerie 3D

Partie IIPartie II

Un seul détecteurFréquence d’échantillonnageBruit de numérisationCadence des mesures

Optimisation desperformances d’un télémètre temps de vol



Traitements numériques, amélioration de la précisionTraitements numériques, amélioration de la précision

Méthodes

gain d’un facteur 3 par rapport à la télémétrie «analogique»

Partie IIPartie II

0 4 8 12 16 20

0

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

0.12

0.14

Am

plitu

de (

V)

t (ns)

temps référence

Régression linéaire (1ms)Régression non-linéaire (10 ms)

gaussienne

gaussienne asymétriquedouble sigmoïde asymétriquegausienne amortie...

Corrélation (50 ms)

Régression non-linéaire : fonction gaussienne

Exemple



Mesure différentielle du temps de volMesure différentielle du temps de vol

tSTART

tSTOP

seuil de détection

du signal STOPEmission laser

Réception APD

recherche du

maximum de

l'impulsion

START

IoR,T

R Io

RnT 2 Io

lame déphasante

microlaser polarisé

Rα

lameinclinée

de

α

Mesure différentielleDispositif de prélèvement d’une trèsfaible partie du faisceau à l’émission

réponse identique pour les deux impulsions

Partie IIPartie II



Exemple de simulation :impulsion d’amplitude 2,5 mVécart-type du bruit de 1 mV

Cumulant d’ordre 4 (SOS)

Traitements numériques, amélioration de la portéeTraitements numériques, amélioration de la portéePartie IIPartie II

Statistiques d’ordre supérieur : cumulant d’ordre 4

0 20 40 60 80 100 120

temps (ech)

- 0.002

- 0.001

0

0.001

0.002

Amplitude(V

)

impulsion

0 20 40 60 80 100 120

temps (ech)

- 0.006

- 0.004

- 0.002

0

0.002

Cum

4

position de l'impulsion

détection d’un signal noyé dans le bruit augmentation de la portée

24 24 ( ) 3Cum x E x E x = − ⋅



Partie IIIPartie III


Introduction








IV - Résultats

Dynamique - Précision - Portée - Stratégie de mesure - Application à l’imagerie 3

Conclusion

Conclusion et perspectives - Application à l’imagerie 3D



Montage optique expérimentalMontage optique expérimentalDiaphragme Optique de

réception

Miroirs derenvoi

Optiques d’émission Microlaser monté

Photodiode àavalanche

KTP

Lameépaisse

Lamedemi-onde

Densités

Miroir

Caractéristiques : réceptionouverture = 50 mmfocale = 200 mm∆φ = 1,6 mrad

émission laserdivergence = 0,5 mradPé = réglable (1 kW max)FWHM = 2,5 ns




Chaîne de mesure Chaîne de mesure

Schéma de principe :

Emission

Réception

Mesures

GPIB

Base de données

(signaux)traitements

PC

START et STOP

Oscilloscope numérique rapidetête de mesure

(banc optique)




Partie IVPartie IV


Introduction








IV - Résultats


Conclusion




Résultats expérimentauxRésultats expérimentauxVariation théorique et expérimentale de l’amplitude du signal STOP en fonction de la distance,

dynamique du signal

Partie IVPartie IV

17 27 37 47 57z (m)

0.1

0.150.2

0.3

0.5

0.7

1

Amplituderelative

0.1

0.150.2

0.3

0.5

0.7

1

courbe théorique

points expérimentaux

(moyenne de 100 mesures)



Variation expérimentale de l’écart-type de la mesure en fonction de la distance

Résultats expérimentauxRésultats expérimentauxPartie IVPartie IV

20 25 30 35 40 45 50 55z (m)

0

0.005

0.01

0.015

σ z(m

)

0.0017 m


(écart-type sur 100 mesures)



Variation théorique et expérimentale de l’écart-type de la mesure en fonction de l’amplitude


0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1A (V)

0

0.005

0.01

0.015

σ z(m

)

variation théorique


(écart-type sur 100 mesures)



Erreur absolue sur la distance mesurée en fonction de la distance


20 25 30 35 40 45 50 55z (m)

- 0.04

- 0.02

0

0.02

0.04Erreu

rab

solue(m

)

intervalle de confiance à 95 %


(moyenne de 100 mesures)

saturation



y = 0,1067x - 0,0035

-0,02

-0,01

0

0,01

0,02

0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12

y = 0,0347x + 0,0005

-0,02

-0,01

0

0,01

0,02

0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12

y = 0,0348x - 0,0014

-0,02

-0,01

0

0,01

0,02

0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12

amplitude (V)

(m)

30 m

40 m

50 m

Effet de la variation de l’amplitude sur l’erreur absolue : non-linéarités





Comparaison de techniques d’augmentation du rapport signal sur bruit

Exemple :Amplitude du signal : 2,5 mVEcart-type du bruit : 800 µV

seuil à 15 dB

Signal analogique Signal numérique Filtre passe bas Filtre adapté CumulantRSB = 13,7 dB RSB = 10,1 dB RSB = 12,7 dB RSB = 13,84 dB RSB = 21,6 dB

Technique

5

10

15

20

25Analogique Brute Filtre PB Filtre A Cumulant

SignalA

nalogique

SignalBrut

numérisé

Filtre

Passe-bas

(350MHz)

Filtrageadapté

Cumulantd'ordre

4

Rap

portsignal

surbruit(dB)

taux de fausse alarme de 10-9



Stratégie de mesureStratégie de mesurePartie IVPartie IV

Acquisitiondu signal

seuillage(détection)

signal brut

cumulantseuillage(détection)

+

NON

NON

OUI

OUI

Régression NLMesure précise

Mesure

Accumulation



Numérisation 3DNumérisation 3DApplication à l’imagerie en 3 dimensions

Sculpture photographiée Sculpture numérisée

Partie IVPartie IV



ConclusionConclusion

Performances expérimentales obtenues conformes à la théorie et aux simulations

Comparaison avec la télémétrie «analogique»


; le seuil de détection est dissocié de la mesure du temps de vol

optimisation de la portée et de la précision simultanée possible

; possibilité d’accumulation des signaux

augmentation du RSB (portée, précision)

� amélioration des performances en terme de précision d’un facteur 3 à 5

� amélioration des performances en terme de portée (100 m)

� outils théoriques pour la conception d’un télémètre laser temps de vol



« Perspectives »« Perspectives »

: augmenter la dynamique de l’électronique: carte d’acquisition rapide: implémentation des algorithmes sur une architecture dédiée

Electronique

Traitements

: compenser les non-linéarités de l’électronique: prendre en compte la réponse impulsionnelle de l’électronique

Optique: microlaser à cavité stable (faible puissance de pompe)

: microlaser à 1,55 µm (contraintes de sécurité oculaire moins importantes)

: système de balayage du faisceau laser


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