«Etude et réalisation d un télémètre laser par temps de vol»

Titre 1 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 : «Etude et réalisation d un télémètre laser par temps de vol» Présentée et soutenue publiquement par : Vincent DELAYE Directeur de thèse : Germain CHARTIER Responsable CEA : Pierre LABEYE

Introduction Plan de la présentation Télémétrie laser - Télémétrie laser par temps de vol Plan 2 I - Eléments et performances d un télémètre laser temps de vol Emission - Réception - Dynamique du signal - Traitement Résumé des performances II - III - Amélioration des performances, choix de techniques adaptées Choix - Précision - Portée Mise en œuvre expérimentale IV - Résultats Dynamique - Précision - Portée - Stratégie de mesure - Application à l imagerie 3D Conclusion Conclusion et perspectives

Introduction Télémétrie laser, méthodes et applications 3 Méthodes et performances Domaines d application METHODE portée précision cadence 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 pour une puissance laser émise donnée Méthode : Télémétrie laser par temps de vol automobile, militaire géologie, topographie aeronautique, aerospatiale sports (golf), aide à la navigation imagerie 3D... Application et spécifications : Imagerie 3D portée : précision : cadence : > 100 m cm 10 khz

BLOC DE TRAITEMENT chronometrie Etude et réalisation d un télémètre laser par temps de vol Introduction Principe de la télémétrie laser temps de vol Schéma de principe d un télémètre 4 START source laser pulsee faisceau laser STOP BLOC D'EMISSION photo - detecteur BLOC DE RECEPTION lumière diffusee par la cible cible diffusante distance z Détection de signaux optiques de l ordre de 100 nw - 10 µw

Introduction Principe de la télémétrie laser temps de vol Principe de la mesure de distance 5 seuil de detection du signal START seuils de détection Emission laser mesure de distance z Reception t START seuil de detection du signal STOP temps de vol t STOP z c = 2 ( temps de vol) c : vitesse de la lumière Exemple pour 100 m : temps de vol = 600 ns Précision de 1 cm : mesure du temps à 60 ps près

Télémètre laser temps de vol compact Introduction 6 Chronométrie Réception Emission Télémètre utilisant un microlaser déclenché passivement, développé au LETI

Introduction Plan de la présentation Télémétrie laser - Télémétrie laser par temps de vol Partie I 7 I - Eléments et performances d un télémètre laser temps de vol Emission - Réception - Dynamique du signal - Traitement Résumé des performances II - III - Amélioration des performances, choix de techniques adaptées Choix - Précision - Portée Mise en œuvre expérimentale IV - Résultats Dynamique - Précision - Portée - Stratégie de mesure - Application à l imagerie 3D Conclusion Conclusion et perspectives

Partie émission laser Structure d un microlaser déclenché passivement Partie I 8 milieu amplificateur Nd:YAG 750-1500 µm absorbant saturable 4+ Cr :YAG 30-100 µm Faisceau de pompe continu Faisceau laser impulsionnel 808 nm 1064 nm miroir d'entree miroir de sortie Points clés : Puissance crête (kw) Fréquence de récurrence (khz) Largeur (ns) Divergence (mrad) Sécurité Oculaire

Partie réception Circuit électronique de réception Partie I 9 Signal Optique PDA +E - + Z c G amplificateur transimpédance intégré Signal Electrique photodiode à avalanche (InGaAs) et amplificateur transimpédance Points clés : Gain Bande passante Bruits (RSB) CEM Dynamique (100) Rapport signal sur bruit des puissances électriques RSB = η ( B) Psignal B P + P + P + P + P thermique ampli obscurité quantique parasite

cible P r en microw Etude et réalisation d un télémètre laser par temps de vol Configuration optique et géométrique Dynamique du signal Partie I Puissance optique reçue ( Distance ) 10 100 equation des lidars classique equation des lidars modifiee A 0 (z) ω (z) δ φ emission ω i f e Emission 10 1 dynamique de l'electronique de reception R p +φ reception z φ reception z R p f p Reception 0.1 0.01 seuil de detection 0 200 400 600 800 1000 z (m) Points clés : Focale de l optique de réception, Entre-axe, angle entre les axes Diamètre du photodétecteur...

Partie traitement, ASIC de chronométrie Partie I 11 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 I 12 Performances d un télémètre laser par temps de vol Paramètres principaux influant sur les performances d un télémètre Performances typiques des télémètres développé au LETI : Précision Largeur de l impulsion Rapport signal sur bruit Position du seuil Portée Rapport signal sur bruit Puissance crête laser Ouverture réception Gain du détecteur Cadence Fréquence de récurrence Ô Ò Optimum Ò Ò Ò Optimum Ò précision : ± 3 cm écart-type : 1 cm erreur systématique : 2 à 3 cm portée : > 100 m cadence : 10 khz

Introduction Plan de la présentation Télémétrie laser - Télémétrie laser par temps de vol Partie II 13 I - Eléments et performances d un télémètre laser temps de vol Emission - Réception - Dynamique du signal - Traitement Résumé des performances II - III - Amélioration des performances, choix de techniques adaptées Choix - Précision - Portée 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

Améliorations des performances Partie II précision 14 Optimisation des performances d un télémètre temps de vol en vue d une application de type imagerie 3D Première approche : amplification optique (ampli à fibre optique par exemple) rapport signal sur bruit (distance, bande passante) portée Deuxième approche : traitement numérique du signal recherche et mise en œuvre des techniques adaptées Un seul détecteur Fréquence d échantillonnage Bruit de numérisation Cadence des mesures

Partie II Traitements numériques, amélioration de la précision 15 Méthodes Exemple temps référence Régression linéaire (1ms) Régression non-linéaire (10 ms) gaussienne gaussienne asymétrique double sigmoïde asymétrique gausienne amortie... Corrélation (50 ms) Amplitude (V) 0.14 0.12 0.1 0.08 0.06 0.04 0.02 0 0 4 8 12 16 20 t (ns) Régression non-linéaire : fonction gaussienne gain d un facteur 3 par rapport à la télémétrie «analogique»

Partie II 16 Mesure différentielle du temps de vol Mesure différentielle Dispositif de prélèvement d une très faible partie du faisceau à l émission R n T 2 I o recherche du maximum de l'impulsion START RI o Emission laser seuil de détection du signal STOP I o R,T Réception APD t START t STOP réponse identique pour les deux impulsions microlaser polarisé lame déphasante R α lame inclinée de α

Amplitude (V) Cum 4 Etude et réalisation d un télémètre laser par temps de vol Partie II Traitements numériques, amélioration de la portée 17 Statistiques d ordre supérieur : cumulant d ordre 4 0.002 0.001 0-0.001-0.002 impulsion 0 20 40 60 80 100 120 temps (ech) Exemple de simulation : impulsion d amplitude 2,5 mv écart-type du bruit de 1 mv détection d un signal noyé dans le bruit 0.002 0-0.002-0.004-0.006 0 20 40 60 80 100 120 temps (ech) Cumulant d ordre 4 (SOS) 4 2 2 Cum ( x) = E x 3 E x 4 position de l'impulsion augmentation de la portée

Introduction Plan de la présentation Télémétrie laser - Télémétrie laser par temps de vol Partie III 18 I - Eléments et performances d un télémètre laser temps de vol Emission - Réception - Dynamique du signal - Traitement Résumé des performances II - III - Amélioration des performances, choix de techniques adaptées Choix - Précision - Portée 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

Montage optique expérimental Partie III 19 Diaphragme Optique de réception Photodiode à avalanche Densités Miroir Miroirs de renvoi KTP Lame épaisse Optiques d émission Lame demi-onde Microlaser monté Caractéristiques : émission laser divergence = 0,5 mrad P é = réglable (1 kw max) FWHM = 2,5 ns réception ouverture = 50 mm focale = 200 mm φ = 1,6 mrad

Schéma de principe : Chaîne de mesure Partie III 20 PC tête de mesure (banc optique) Oscilloscope numérique rapide Emission Réception GPIB START et STOP Mesures traitements Base de données (signaux)

Introduction Plan de la présentation Télémétrie laser - Télémétrie laser par temps de vol Partie IV 21 I - Eléments et performances d un télémètre laser temps de vol Emission - Réception - Dynamique du signal - Traitement Résumé des performances II - III - Amélioration des performances, choix de techniques adaptées Choix - Précision - Portée Mise en œuvre expérimentale IV - Résultats Dynamique - Précision - Portée - Stratégie de mesure - Application à l imagerie 3D Conclusion Conclusion et perspectives

Amplitude relative Etude et réalisation d un télémètre laser par temps de vol Résultats expérimentaux Partie IV 22 Variation théorique et expérimentale de l amplitude du signal STOP en fonction de la distance, dynamique du signal 1 0.7 0.5 0.3 0.2 0.15 0.1 courbe théorique points expérimentaux (moyenne de 100 mesures) 1 0.7 0.5 0.3 0.2 0.15 0.1 17 27 37 47 57 z (m)

Résultats expérimentaux Partie IV 23 Variation expérimentale de l écart-type de la mesure en fonction de la distance 0.015 points expérimentaux (écart-type sur 100 mesures) σz (m) 0.01 0.005 0.0017 m 0 20 25 30 35 40 45 50 55 z (m)

Résultats expérimentaux Partie IV 24 Variation théorique et expérimentale de l écart-type de la mesure en fonction de l amplitude 0.015 variation théorique points expérimentaux (écart-type sur 100 mesures) σz (m) 0.01 0.005 0 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 A (V)

Erreur absolue (m) Etude et réalisation d un télémètre laser par temps de vol Résultats expérimentaux Partie IV 25 Erreur absolue sur la distance mesurée en fonction de la distance 0.04 0.02 0-0.02-0.04 intervalle de confiance à 95 % points expérimentaux (moyenne de 100 mesures) saturation 20 25 30 35 40 45 50 55 z (m)

Résultats expérimentaux Partie IV 26 Effet de la variation de l amplitude sur l erreur absolue : non-linéarités 0,02 y = 0,1067x - 0,0035 0,01 0 0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12-0,01 30 m -0,02 (m) 0,02 y = 0,0347x + 0,0005 0,01 0 0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12-0,01-0,02 40 m 0,02 y = 0,0348x - 0,0014 0,01 0 0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12-0,01-0,02 amplitude (V) 50 m

Rapport signal sur bruit (db) Signal Analogique Brut Signal numérisé Passe-bas Filtre MHz) (350 Filtrage adapté Cumulant d'ordre 4 Etude et réalisation d un télémètre laser par temps de vol Résultats expérimentaux Partie IV 27 Comparaison de techniques d augmentation du rapport signal sur bruit 25 Analogique Brute Filtre PB Filtre A Cumulant Exemple : Amplitude du signal : 2,5 mv Ecart-type du bruit : 800 µv seuil à 15 db taux de fausse alarme de 10-9 20 15 10 5 Technique Signal analogique Signal numérique Filtre passe bas Filtre adapté Cumulant RSB = 13,7 db RSB = 10,1 db RSB = 12,7 db RSB = 13,84 db RSB = 21,6 db

Stratégie de mesure Partie IV 28 Accumulation + Acquisition du signal seuillage (détection) signal brut NON OUI Régression NL Mesure précise cumulant seuillage (détection) OUI Mesure NON

Numérisation 3D Application à l imagerie en 3 dimensions Partie IV 29 Sculpture photographiée Sculpture numérisée

Conclusion Comparaison avec la télémétrie «analogique» Conclusion 30 ; 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) Performances expérimentales obtenues conformes à la théorie et aux simulations outils théoriques pour la conception d un télémètre laser temps de vol

«Perspectives» Conclusion 31 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 Electronique : augmenter la dynamique de l électronique : carte d acquisition rapide : implémentation des algorithmes sur une architecture dédiée Traitements : compenser les non-linéarités de l électronique : prendre en compte la réponse impulsionnelle de l électronique