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
2Etude et réalisation d’un télémètre laser par temps de vol
Vincent DELAYE, 7 septembre 2000
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
3Etude et réalisation d’un télémètre laser par temps de vol
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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
4Etude et réalisation d’un télémètre laser par temps de vol
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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
5Etude et réalisation d’un télémètre laser par temps de vol
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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
6Etude et réalisation d’un télémètre laser par temps de vol
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Télémètre laser temps de vol compactTélémètre laser temps de vol compactIntroductionIntroduction
Télémètre utilisant un microlaser déclenché passivement, développé au LETI
Réception
Emission
Chronométrie
7Etude et réalisation d’un télémètre laser par temps de vol
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Partie IPartie I
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
8Etude et réalisation d’un télémètre laser par temps de vol
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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+
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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
10Etude et réalisation d’un télémètre laser par temps de vol
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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
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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
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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
13Etude et réalisation d’un télémètre laser par temps de vol
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Partie IIPartie II
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 - Application à l’imagerie 3D
14Etude et réalisation d’un télémètre laser par temps de vol
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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
15Etude et réalisation d’un télémètre laser par temps de vol
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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
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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
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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 = − ⋅
18Etude et réalisation d’un télémètre laser par temps de vol
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Partie IIIPartie III
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 3
Conclusion
Conclusion et perspectives - Application à l’imagerie 3D
19Etude et réalisation d’un télémètre laser par temps de vol
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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
Partie IIIPartie III
20Etude et réalisation d’un télémètre laser par temps de vol
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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 IIIPartie III
21Etude et réalisation d’un télémètre laser par temps de vol
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Partie IVPartie IV
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
22Etude et réalisation d’un télémètre laser par temps de vol
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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)
23Etude et réalisation d’un télémètre laser par temps de vol
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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
points expérimentaux
(écart-type sur 100 mesures)
24Etude et réalisation d’un télémètre laser par temps de vol
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Variation théorique et expérimentale de l’écart-type de la mesure en fonction de l’amplitude
Résultats expérimentauxRésultats expérimentauxPartie IVPartie IV
0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1A (V)
0
0.005
0.01
0.015
σ z(m
)
variation théorique
points expérimentaux
(écart-type sur 100 mesures)
25Etude et réalisation d’un télémètre laser par temps de vol
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Erreur absolue sur la distance mesurée en fonction de la distance
Résultats expérimentauxRésultats expérimentauxPartie IVPartie IV
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 %
points expérimentaux
(moyenne de 100 mesures)
saturation
26Etude et réalisation d’un télémètre laser par temps de vol
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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
Résultats expérimentauxRésultats expérimentauxPartie IVPartie IV
27Etude et réalisation d’un télémètre laser par temps de vol
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Résultats expérimentauxRésultats expérimentauxPartie IVPartie IV
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
28Etude et réalisation d’un télémètre laser par temps de vol
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Stratégie de mesureStratégie de mesurePartie IVPartie IV
Acquisitiondu signal
seuillage(détection)
signal brut
cumulantseuillage(détection)
+
NON
NON
OUI
OUI
Régression NLMesure précise
Mesure
Accumulation
29Etude et réalisation d’un télémètre laser par temps de vol
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Numérisation 3DNumérisation 3DApplication à l’imagerie en 3 dimensions
Sculpture photographiée Sculpture numérisée
Partie IVPartie IV
30Etude et réalisation d’un télémètre laser par temps de vol
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ConclusionConclusion
Performances expérimentales obtenues conformes à la théorie et aux simulations
Comparaison avec la télémétrie «analogique»
ConclusionConclusion
; 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
31Etude et réalisation d’un télémètre laser par temps de vol
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« 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
ConclusionConclusion