CONCEPTION ET REALISATION D'UN TELEMETRE LASER HAUTE RESOLUTION. APPLICATION EN ROBOTIQUE A LA PERCEPTION DE L'ENVIRONNEMENT PDF Download
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LA MESURE DE DISTANCE SANS CONTACT TROUVE SES APPLICATIONS INDUSTRIELLES PRINCIPALEMENT DANS LE DOMAINE MONODIMENSIONNEL AVEC FREQUEMMENT UNE ORIENTATION METROLOGIE DE PRECISION. LE DOMAINE MULTIDIMENSIONNEL EST PAR CONTRE SOUVENT DU DOMAINE DU LABORATOIRE. IL DOIT SACRIFIER LA PRECISION AU PROFIT DE LA RAPIDITE QUI RESTE LIMITEE, SELON LA METHODE CHOISIE, SOIT PAR LES TRAITEMENTS D'IMAGES LOURDS SOIT PAR UN SYSTEME DE DEVIATION MECANIQUE LENT. UNE PRESENTATION DES PROCEDES OPTIQUES DE MESURE DE DISTANCE POSE LE CADRE D'UNE SYNTHESE ORIGINALE DES LIMITATIONS THEORIQUES DES PROCEDES PAR TRIANGULATION, MESURE D'INTENSITE, MESURE DIRECTE DE TEMPS DE VOL, INTERFEROMETRIE ET MESURE DE DEPHASAGE SUR MODULATION SINUSOIDALE UHF. CE DERNIER EST AINSI MIS EN AVANT COMME UN BON COMPROMIS. CE PROCEDE EST ANALYSE EN DETAIL AINSI QUE SES LIMITATIONS SUR UNE REALISATION A 300 MHZ. LE COMPROMIS DE BASE OPPOSE LA PRECISION (PROPORTIONNELLE A LA FREQUENCE) AU MODULO INDUIT SUR LA DISTANCE (INVERSEMENT PROPORTIONNEL). A FAIBLE SIGNAL, LES LIMITATIONS PRATIQUES SONT ESSENTIELLEMENT DUES AUX COUPLAGES ENTRE VOIES ET ENTRE OSCILLATEURS. POUR ACCROITRE LES PERFORMANCES, UNE ETUDE EST FAITE ET POSE LES BASES DE LA CONCEPTION DE SYSTEMES TELEMETRIQUES HAUTE RESOLUTION. LA MESURE DE PHASE N'EST PAS REMISE EN QUESTION ET UNE DEUXIEME FREQUENCE DE MODULATION EST UTILISEE POUR LEVER L'INDETERMINATION JUSQU'A 10 M, LA PRECISION ETANT ALORS PRESERVEE. LES RESULTATS DES REALISATIONS INDUSTRIELLES DEVELOPPEES SONT PRESENTES DANS DES ARTICLES. LES PERFORMANCES DE CE CAPTEUR EN FONT LA BASE IDEALE D'UN SYSTEME DE PERCEPTION MULTIDIMENSIONNELLE. L'ADJONCTION D'UN SYSTEME DE DEVIATION AUTORISE LA REALISATION D'UN TELEMETRE POLAIRE OU SPHERIQUE. UN MODELE D'UNIVERS PRESQUE VERTICAL(2D) ET UN MODELE FIDELE DU SYSTEME DE PERCEPTION ONT PERMIS D'ABORDER DES APPLICATIONS DANS LE DOMAINE DE LA ROBOTIQUE MOBILE. L'INFORMATION INTENSITE LUMINEUSE RECUE PERMET UN TRAITEMENT OPTIMISE D'UNE COUPE DE L'ENVIRONNEMENT. UNE APPROCHE DE LA TEXTURE GRACE A LA FUSION DE L'IMAGE D'INTENSITE ET DE CELLE DE DISTANCE EST AMORCEE (TOUJOURS EN 2D). ELLE PERMET DE DONNER A LA MACHINE DEUX SENS SUPPLEMENTAIRES ISSUS DE CE MEME CAPTEUR
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LA MESURE DE DISTANCE SANS CONTACT TROUVE SES APPLICATIONS INDUSTRIELLES PRINCIPALEMENT DANS LE DOMAINE MONODIMENSIONNEL AVEC FREQUEMMENT UNE ORIENTATION METROLOGIE DE PRECISION. LE DOMAINE MULTIDIMENSIONNEL EST PAR CONTRE SOUVENT DU DOMAINE DU LABORATOIRE. IL DOIT SACRIFIER LA PRECISION AU PROFIT DE LA RAPIDITE QUI RESTE LIMITEE, SELON LA METHODE CHOISIE, SOIT PAR LES TRAITEMENTS D'IMAGES LOURDS SOIT PAR UN SYSTEME DE DEVIATION MECANIQUE LENT. UNE PRESENTATION DES PROCEDES OPTIQUES DE MESURE DE DISTANCE POSE LE CADRE D'UNE SYNTHESE ORIGINALE DES LIMITATIONS THEORIQUES DES PROCEDES PAR TRIANGULATION, MESURE D'INTENSITE, MESURE DIRECTE DE TEMPS DE VOL, INTERFEROMETRIE ET MESURE DE DEPHASAGE SUR MODULATION SINUSOIDALE UHF. CE DERNIER EST AINSI MIS EN AVANT COMME UN BON COMPROMIS. CE PROCEDE EST ANALYSE EN DETAIL AINSI QUE SES LIMITATIONS SUR UNE REALISATION A 300 MHZ. LE COMPROMIS DE BASE OPPOSE LA PRECISION (PROPORTIONNELLE A LA FREQUENCE) AU MODULO INDUIT SUR LA DISTANCE (INVERSEMENT PROPORTIONNEL). A FAIBLE SIGNAL, LES LIMITATIONS PRATIQUES SONT ESSENTIELLEMENT DUES AUX COUPLAGES ENTRE VOIES ET ENTRE OSCILLATEURS. POUR ACCROITRE LES PERFORMANCES, UNE ETUDE EST FAITE ET POSE LES BASES DE LA CONCEPTION DE SYSTEMES TELEMETRIQUES HAUTE RESOLUTION. LA MESURE DE PHASE N'EST PAS REMISE EN QUESTION ET UNE DEUXIEME FREQUENCE DE MODULATION EST UTILISEE POUR LEVER L'INDETERMINATION JUSQU'A 10 M, LA PRECISION ETANT ALORS PRESERVEE. LES RESULTATS DES REALISATIONS INDUSTRIELLES DEVELOPPEES SONT PRESENTES DANS DES ARTICLES. LES PERFORMANCES DE CE CAPTEUR EN FONT LA BASE IDEALE D'UN SYSTEME DE PERCEPTION MULTIDIMENSIONNELLE. L'ADJONCTION D'UN SYSTEME DE DEVIATION AUTORISE LA REALISATION D'UN TELEMETRE POLAIRE OU SPHERIQUE. UN MODELE D'UNIVERS PRESQUE VERTICAL(2D) ET UN MODELE FIDELE DU SYSTEME DE PERCEPTION ONT PERMIS D'ABORDER DES APPLICATIONS DANS LE DOMAINE DE LA ROBOTIQUE MOBILE. L'INFORMATION INTENSITE LUMINEUSE RECUE PERMET UN TRAITEMENT OPTIMISE D'UNE COUPE DE L'ENVIRONNEMENT. UNE APPROCHE DE LA TEXTURE GRACE A LA FUSION DE L'IMAGE D'INTENSITE ET DE CELLE DE DISTANCE EST AMORCEE (TOUJOURS EN 2D). ELLE PERMET DE DONNER A LA MACHINE DEUX SENS SUPPLEMENTAIRES ISSUS DE CE MEME CAPTEUR
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Si les performances des instruments d’exploration de l’Univers continuent de s’améliorer, c’est souvent au prix d’une augmentation de leurs dimensions. Pour le développement de nouveaux télescopes spatiaux, le vol en formation de satellites avec une exactitude de l’ordre de quelques dizaines de microns est alors une nécessité pour l’exploitation des données obtenues avec de tels systèmes. Elle est aussi au cœur d’expériences de physique fondamentale. Mon travail de thèse a porté sur le développement de deux télémètres, T2M et Iliade pouvant répondre à ces besoins. La difficulté dans le développement de ces deux systèmes est de concilier un grand intervalle de mesure de distances avec une grande sensibilité tout en gardant une certaine simplicité et ainsi permettre que ces instruments puissent être embarqués. La performance visée est une mesure de distance de l’ordre du kilomètre exacte à mieux d’un micron. La différence entre T2M et Iliade réside dans leurs conceptions mais aussi dans leurs complexités et les performances visées en termes de résolution. Le télémètre T2M exploite la différence de phase d’une onde modulée en amplitude séparée entre une voie de mesure et une voie de référence. La résolution visée avec ce système est la dizaine de nanomètres. Ce système est capable d’atteindre une grande exactitude du fait que la mesure de distance est déduite d’une mesure de fréquence. Les problèmes d’erreurs cycliques inhérentes à l’utilisation de ce type de techniques sont éliminés par un système d’aiguillage optique permettant d’échanger les faisceaux propres aux deux voies de télémétrie en regard des deux voies de détection. Après la stabilisation du battement de fréquences des deux lasers, mon travail a porté sur l’amélioration de la résolution et sur l’élimination des diverses sources d’erreurs affectant l’exactitude. Les objectifs fixés semblent être atteints et les résultats obtenus sont très encourageants pour les futurs tests et développement à réaliser. Le télémètre Iliade combine une mesure de temps de vol d’impulsions laser et une mesure interférométrique à deux longueurs d’onde. Au prix d’une sophistication un peu plus importante que T2M, la résolution visée est inférieure au nanomètre. La caractérisation de la source d’impulsions d’Iliade présentant un taux de répétition de 20 GHz, a permis de montrer que la gigue temporelle de 65 fs à sa sortie est principalement due au bruit de phase du battement initial de deux lasers monomodes. J’ai travaillé sur une cavité Fabry Perot fibrée pour pré-stabiliser le rayonnement d’un laser monomode. J’ai démontré une technique permettent d’obtenir un signal d’erreur de type dispersif, sans recourir à une modulation. Enfin, j’ai étudie une méthode numérique basée sur l’analyse harmonique permettant d’assurer une mesure de différence de phase avec une exactitude de 10 [puissance]-5 radian, Le télémètre Iliade est actuellement en cours de développement.
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Cette thèse se situe dans la lignée d’un projet de télémètre à balayage de longueur d’onde de grande précision sur une grande plage de distances, et capable de mesurer simultanément deux cibles, voire plus, avec la même performance. Les objectifs de cette thèse étaient l’amélioration de la résolution pour atteindre une Incertitude Relative à 1σ de 10-6, puis le test du système avec deux cibles simultanées dans diverses configurations, notamment pour déterminer la séparabilité. Les limitations possibles sur la résolution finale d’un tel système sont principalement les turbulences et vibrations sur la différence de marche (ddm) cible au cours d’une mesure, ainsi que le choix du traitement, pour la résolution ; la stabilité thermique et la dispersion dans l’interféromètre de référence pour la précision et la répétabilité.L’interféromètre de référence est un Mach-Zehnder avec deux fibres optiques dont les revêtements ont un comportement thermique différent (acrylate et cuivre). Le Mach-Zehnder athermal réalisé présente une ddm de 1m et une variation relative de l’ordre de quelques 10-7 par degré sur une plage de 10 à 40°C, soit un gain d’un facteur 30 par rapport à un Mach-Zehnder entièrement en fibre à revêtement en acrylate.L’analyse du balayage en longueur d’onde a fait apparaître la présence de non-linéarités d’amplitude assez importante mais quasi – périodiques, que nous avons simulé par une somme de sinusoïdes. Nous avons souligné ainsi l’importance de plusieurs paramètres pour un traitement par Transformée de Fourier (TTF), comme la largeur du filtre fréquentiel, l’amplitude et la fréquence des non-linéarités, et la ddm de référence.Expérimentalement, nous avons pu obtenir des Incertitudes Relatives à 1σ de l’ordre de 10-6 pour des distances de 1 à 20m, pour une ou deux cibles simultanées, par TTF. Cependant les non-linéarités limitent sérieusement la séparabilité de deux cibles avec ce traitement. Un échantillonnage non-uniforme sur les passages à zéro du signal référence permet de décorréler les spectres de deux cibles séparées de 1mm, avec une Incertitude Relative à 1σ de l’ordre de 10-6 par TTF, c’est-à-dire sans dégradation de la résolution pour chaque distance. Il permet aussi d’améliorer la résolution d’une méthode paramétrique autorégressive, mais celle-ci reste inférieure à la TTF. En contrepartie, il limite les distances mesurables en fonction de la différence de marche du Mach-Zehnder de référence.
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CETTE THESE PREND EN COMPTE LES CONDITIONS DE REALISATIONS D'UNE ELECTRONIQUE DE RECEPTION D'UN TELEMETRE LASER PAR MESURE DU DEPHASAGE A HAUTE RESOLUTION ET A GRANDE DYNAMIQUE. LA PREMIERE PARTIE PORTE SUR LA MODELISATION DES SOURCES D'ERREUR DU DEPHASAGE EN FONCTION DE L'AMPLITUDE DU SIGNAL PHOTOELECTRIQUE ET DE LA STABILITE EN FREQUENCE DES OSCILLATEURS. ON MODELISE LE CIRCUIT DIFFERENTIEL A EMETTEURS COUPLES EN HAUTE FREQUENCE ET A FORTS NIVEAUX AVEC DEGENERESCENCE SUR LES EMETTEURS. L'ANALYSE EST APPLIQUEE AUX CIRCUITS ECRETEURS, AUX AMPLIFICATEURS A GAIN CONTROLE, PUIS AUX CIRCUITS MELANGEURS. ON DEFINIT LES CONDITIONS POUR QUE L'ERREUR DU DEPHASAGE SOIT INFERIEURE A 0.1 A LA FREQUENCE DE 16.66MHZ. EN PARTICULIER, ON PROPOSE UNE COMPENSATION HARMONIQUE PERMETTANT DE RECUPERER EN SORTIE DU CIRCUIT MELANGEUR, TOUTES LES COMPOSANTES DU SIGNAL ECRETE A UNE FREQUENCE BEAUCOUP PLUS BASSE, ALORS QUE LA TECHNIQUE HETERODYNE CLASSIQUE NE CONSERVE QUE LE FONDAMENTAL DU SIGNAL D'ENTREE. AFIN D'EVITER DES ERREURS DE PHASE LIEES AUX DERIVES EN FREQUENCE DES OSCILLATEURS, UN CIRCUIT STABILISATEUR EST PROPOSE, A BASE D'UNE BOUCLE A VERROUILLAGE DE PHASE ET D'UN ASSERVISSEMENT THERMIQUE DES OSCILLATEURS A QUARTZ. ENFIN, ON DEMONTRE ICI LA FAISABILITE D'UN CIRCUIT EXPANSEUR DE PHASE, PERMETTANT DE MULTIPLIER LA DIFFERENCE DE PHASE ENTRE LE SIGNAL PHOTOELECTRIQUE ET LA REFERENCE PAR UN ENTIER CONNU. CE CIRCUIT, DERIVE DES SYNTHETISEURS DE FREQUENCE PERMET D'OBTENIR DE TRES HAUTES RESOLUTIONS DANS LA MESURE DE DISTANCE. DES ECARTS TEMPORELS DE L'ORDRE DE LA PICO SECONDE DEVIENNENT ALORS MESURABLES A LA FREQUENCE DE 16.66MHZ. LES SOURCES D'ERREURS SONT QUALIFIEES ET DES TECHNIQUES PERMETTANT L'AMELIORATION DE LA RESOLUTION SONT PROPOSEES. L'ENSEMBLE DE L'ETUDE ABOUTIT A LA CONCEPTION GLOBALE D'UNE ELECTRONIQUE DE RECEPTION DU TELEMETRE, PERMETTANT LA MESURE SUR UNE GRANDE PLAGE DE DISTANCE ET AVEC UNE GRANDE RESOLUTION.
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La mesure de distance et la détection d'objets sont devenues essentielles dans de nombreux domaines tels que l'automobile ou la robotique, les applications médicales, les procédés industriels et agricoles, les systèmes de surveillance et de sécurité, etc. Dans le but d'améliorer les performances des dispositifs de télémétrie laser en terme de bruit et de diaphonie, une technique hétérodyne par mélange optoélectronique doit être utilisée. Par ailleurs, l'aspect système embarqué nécessite une réduction de l'encombrement et de la consommation à performances égales. L'intégration de mélangeurs optoélectroniques en technologie CMOS apporte donc une solution optimale à cette approche grâce à ses multiples avantages (intégration du circuit d'instrumentation sur la même puce, modèles bien connus, coût raisonnable, performances élevées,...). Ainsi cette thèse traitera de l'étude de mélangeurs optoélectroniques en technologie CMOS pour la télémétrie embarquée haute résolution. Le premier chapitre de ce manuscrit présente les diverses technique de mesure de distance par télémétrie laser par et justifie le choix de la télémétrie laser par déphasage ainsi que le gain en performances lié à l'hétérodynage. Le second chapitre décrit les mélangeurs électriques et optoélectroniques ainsi que les propriétés nécessaires à leur réalisation. Quelques photodétecteurs y sont présentés au vu de la possibilité de les utiliser en mélangeurs optoélectroniques et d'une intégration potentielle en technologie CMOS. Les principales contraintes liées à l'intégration en technologie CMOS de photocapteurs utilisables en mélangeurs optoélectroniques, sont exposés dans la troisième partie. Les travaux de conception et d'optimisation des structures ainsi que les phases de simulations et de test y sont détaillés. Enfin, pour valider expérimentalement les études précédentes, le dernier chapitre présente la conception d'une chaîne de mesure multivoies pour une tête de photoréception CMOS matricée pour un télémètre laser embarqué haute résolution.
Author: Vincent Delaye Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 183
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CE TRAVAIL EST CONSACRE A L'ETUDE THEORIQUE ET EXPERIMENTALE D'UN SYSTEME DE TELEMETRIE LASER UTILISANT LA MESURE DU TEMPS DE VOL. CETTE TECHNIQUE CONSISTE A EMETTRE, EN DIRECTION D'UNE CIBLE, UNE IMPULSION DE LUMIERE INTENSE ET TRES COURTE, PUIS A CHRONOMETRER LE TRAJET ALLER-RETOUR DE CETTE IMPULSION. LES IMPULSIONS DETECTEES PAR UNE PHOTODIODE A AVALANCHE SONT CONVERTIES EN UN SIGNAL NUMERIQUE. CONTRAIREMENT A UNE TECHNIQUE CLASSIQUE DE SEUILLAGE, C'EST LA POSITION DU SOMMET DES IMPULSIONS QUI EST EXPLOITEE POUR LA MESURE DU TEMPS DE VOL. CETTE METHODE PERMET D'ATTEINDRE DES PRECISIONS SUR LA MESURE DE DISTANCE DE L'ORDRE DU CENTIMETRE JUSQU'A UNE CENTAINE DE METRE. L'UTILISATION DE TECHNIQUES DE TRAITEMENT DU SIGNAL, COMME LES STATISTIQUES D'ORDRE SUPERIEUR, PERMET D'AMELIORER LA PORTEE DU DISPOSITIF D'ENVIRON 100 METRES SUR UNE MESURE UNIQUE. IL EST EGALEMENT POSSIBLE DE DOUBLER LA PORTEE EN ACCUMULANT PLUSIEURS SIGNAUX, LA CADENCE DES MESURES ETANT ALORS REDUITE.
Author: GILLES.. ALLEGRE
Author: GILLES.. ALLEGRE
Author: Gilles Allegre (enseignant-chercheur en physique).)
Author: Armando Albertazzi
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Author: Luc Perret
Author: Guillaume Perchet
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Author: Emmanuel Moutaye
Author: Vincent Delaye