FR2689980A1 - Moving object detector for vehicles - has modulated laser rays for reflection which are amplified and demodulated and the doppler offset extracted - Google Patents
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Abstract
Description
L invention a pour objet un procédé de détection d'obstacles, destiné notamment à mesurer la distance et la vitesse de cibles mobiles, du type utilisant l~homodynage optique d'un faisceau laser modulé en fréquence.The subject of the invention is a method for detecting obstacles, intended in particular for measuring the distance and the speed of moving targets, of the type using optical homodyning of a frequency modulated laser beam.
L'invention a également pour objet un dispositif de détection d'obstacles, utilisant le procédé conforme à I'invention, destiné notamment à être embarqué sur un véhicule automobile, pour détecter des cibles mobiles et mesurer leur distance et leur vitesse par rapport au véhicule équipé.The subject of the invention is also an obstacle detection device, using the method according to the invention, intended in particular to be installed on a motor vehicle, for detecting moving targets and measuring their distance and their speed relative to the vehicle team.
Les radars optiques ou lidars actuellement connus utilisent soit la détection directe ou incohérente, soit la détection indirecte ou cohérente.Currently known optical radars or lidars use either direct or inconsistent detection, or indirect or coherent detection.
Dans le premier cas, on mesure la distance de la cible en modulant la puissance du laser par un train d-impulsions dont on mesure le retard. Cette technique conduit à une distance aveugle importante si l?on ne réduit pas la longueur de l im- pulsion, ce qui exige des circuits de modulatipn rapides. En outre se pose le problème d'ambiguïté de la position de la cible si celle-ci a un pouvoir de réflexion élevé et est située à une distance plus grande que la distance maximale déterminée par le choix de la fréquence de récurrence des impulsions. De plus, le lidar à détection directe est très sensible au bruit ambiant et à celui du traitement électronique. La puissance des impulsions émises doit donc être importante et malgré cela, le lidar risque d'être ébloui par le soleil.Enfin, la vitesse de la cible ne peut être mesurée.In the first case, the distance from the target is measured by modulating the power of the laser by a train of pulses whose delay is measured. This technique leads to a large blind distance if the pulse length is not reduced, which requires rapid modulating circuits. In addition, there is the problem of ambiguity of the position of the target if the latter has a high reflection power and is located at a distance greater than the maximum distance determined by the choice of the frequency of recurrence of the pulses. In addition, the direct detection lidar is very sensitive to ambient noise and that of electronic processing. The power of the pulses emitted must therefore be high and despite this, the lidar may be dazzled by the sun.Finally, the speed of the target cannot be measured.
Dans le cas d-un lidar à detection coherente de type homodyne, le faisceau émis par le laser est partagé en deux, généralement par une lame séparatrice. Une partie de I'onde est dirigée vers la cible, I'autre partie vers un dispositif de détection, par exemple une photodiode, pour être mélangée avec I'onde diffusée en retour par la cible. In the case of a homodyne-type coherent detection lidar, the beam emitted by the laser is split in two, generally by a separating blade. Part of the wave is directed towards the target, the other part towards a detection device, for example a photodiode, to be mixed with the wave diffused back by the target.
De ce fait, le courant délivré par la photodiode porte toutes les informations de I'onde émise tant en amplitude qu'en fréquence et en phase. La vitesse de la cible peut donc être directement détectée par ce type de lidar.As a result, the current delivered by the photodiode carries all the information of the wave emitted both in amplitude, in frequency and in phase. The target speed can therefore be directly detected by this type of lidar.
Pour mesurer la distance et la vitesse des cibles, on peut adopter soit la modulation en impulsion, soit la modulation en fréquence.To measure the distance and the speed of the targets, one can adopt either pulse modulation or frequency modulation.
Dans le cas de la modulation en impulsion, la distance est mesurée, comme dans le cas des lidars à détection directe, par le retard de I'impulsion reçue par rapport à I'impulsion émise, alors que la vitesse est mesurée par la fréquence Doppler à I'intérieur de I'impulsion reçue. Pour cette mesure, I'élec- tronique de traitement doit être très rapide puisque la longueur d'impulsion doit être courte.In the case of pulse modulation, the distance is measured, as in the case of direct detection lidars, by the delay of the received pulse compared to the transmitted pulse, while the speed is measured by the Doppler frequency within the received pulse. For this measurement, the processing electronics must be very fast since the pulse length must be short.
Dans le cas de la modulation de fréquence, on emploie habituellement une modulation indirecte du laser avec recours à un modulateur extérieur acousto-optique ou électro-optique intercalé entre le laser et la lame séparatrice. On complique alors la réalisation optique et électronique.In the case of frequency modulation, an indirect modulation of the laser is usually used with the use of an external acousto-optical or electro-optical modulator interposed between the laser and the separating plate. This complicates the optical and electronic production.
Les procédés et dispositifs de détection directe connus ne permettent pas de détecter des puissances très faibles diffusées en retour par les cibles. On doit donc recourir à des puissances démission incompatibles avec les normes de sécurité. De plus, dans I'utilisation sur véhicule automobile, ils ne permettent pas d'obtenir une grande sélectivité et leur capacité de détection peut être troublée par la présence des rayons solaires ou des phares des véhicules circulant dans le sens oppose.The known direct detection methods and devices do not make it possible to detect very low powers scattered back by the targets. We must therefore have recourse to powers of resignation incompatible with security standards. In addition, in use on a motor vehicle, they do not make it possible to obtain high selectivity and their detection capacity can be disturbed by the presence of solar rays or of the headlights of vehicles traveling in the opposite direction.
L'invention a pour but de remédier à ces inconvénients et de permettre en outre la détection de cibles même peu réfléchissantes telles que celles que I'on peut rencontrer dans la circulation automobile. The object of the invention is to remedy these drawbacks and also to allow the detection of even poorly reflecting targets such as those which may be encountered in motor traffic.
L'invention a également pour but d'utiliser à cet effet un composant opto-électronique très compact dans lequel une diode laser et une photodiode réceptrice constituent un seul composant.The invention also aims to use for this purpose a very compact opto-electronic component in which a laser diode and a receiving photodiode constitute a single component.
Le procédé, selon I'invention, est donc du type utilisant I'homodynage optique d'un faisceau laser modulé en fréquence et il se caractérise en ce qu'on détecte les battements entre I'onde émise par le laser et I'écho de cette onde diffusé par la cible, cet écho étant préalablement amplifié par le passage à travers la cavité du laser avant d'hêtre mélangé avec I'onde émise.The method according to the invention is therefore of the type using the optical homodyning of a frequency modulated laser beam and it is characterized in that the beats between the wave emitted by the laser and the echo of this wave diffused by the target, this echo being amplified beforehand by the passage through the cavity of the laser before being mixed with the emitted wave.
De cette façon, on combine à I'homodynage optique une amplification optique de I'écho, ce qui permet d'obtenir un rapport signal sur bruit très favorable et donc de détecter des cibles peu réfléchissantes.In this way, optical amplification of the echo is combined with optical homodyning, which makes it possible to obtain a very favorable signal to noise ratio and therefore to detect poorly reflecting targets.
De préférence, le faisceau laser émis est modulé selon une loi à double rampe, chaque rampe étant linéaire et de pente opposée à la rampe associée.Preferably, the emitted laser beam is modulated according to a double ramp law, each ramp being linear and of slope opposite to the associated ramp.
Dans ce cas, la loi de modulation peut comporter des portions à fréquence constante interposées entre les doubles rampes.In this case, the modulation law may include portions at constant frequency interposed between the double ramps.
Un dispositif pour mettre en oeuvre le procédé selon l-inven- tion se caractérise essentiellement en ce qu'il comporte un laser émettant par ses deux faces et des moyens modulant en fréquence le courant du laser.A device for implementing the method according to the invention is essentially characterized in that it comprises a laser emitting by its two faces and means modulating in frequency the laser current.
Il est particulièrement avantageux d'utiliser la photodiode de contrôle d'une diode laser pour détecter les battements entre l'onde émise par la face arrière du laser et I'écho, renvoyé par la cible, de l'onde émise par la face avant du laser.It is particularly advantageous to use the photodiode for controlling a laser diode to detect the beats between the wave emitted by the rear face of the laser and the echo, returned by the target, of the wave emitted by the front face. of the laser.
Le dispositif se caractérise donc également en ce qu'il comporte un seul composant électronique pour I'émission et la réception, ce composant comportant dans le même boîtier une diode laser et une photodiode, la diode laser émettant par sa face avant en direction de la cible et par sa face arrière en direction de la photodiode.The device is therefore also characterized in that it comprises a single electronic component for transmission and reception, this component comprising in the same housing a laser diode and a photodiode, the laser diode emitting from its front face in the direction of the target and by its rear face towards the photodiode.
Le dispositif peut ne comporter q'une seule lentille, par exemple à gradient d'indice, collimatant vers la cible I'onde émise par la face avant de la diode laser et vers la cavité de la diode laser l-onde diffusée en retour par la cible.The device may comprise only a single lens, for example with an index gradient, collimating towards the target the wave emitted by the front face of the laser diode and towards the cavity of the wave laser diode diffused in return by target.
Il est également important de prévoir un dispositif de régulation en température.It is also important to provide a temperature regulation device.
Ce dispositif de régulation en température peut comporter un radiateur relié par des éléments thermo-électriques utilisant effet Peltier à une plaque support du laser, le courant de - ces éléments étant asservi à I'écart entre la température de la plaque support et une température de consigne.This temperature regulation device may include a radiator connected by thermoelectric elements using the Peltier effect to a laser support plate, the current of - these elements being controlled by the difference between the temperature of the support plate and a temperature of instructions.
D'autres caractéristiques et avantages de lînvention apparaîtront mieux dans la description détaillée qui suit et se réfère aux dessins annexés donnés uniquement à titre d'exemple, et dans lesquels
- la figure 1 est une vue schématique d'un dispositif
conforme à l-invention;
- la figure 2a montre la loi de modulation du courant du
laser en fonction du temps t;
- la figure 2b montre la loi de modulation correspondante
de la longueur diode d'émission;
- la figure 3 montre le montage de la diode laser sur un
dispositif de régulation thermique. Other characteristics and advantages of the invention will appear more clearly in the detailed description which follows and refers to the appended drawings given solely by way of example, and in which
- Figure 1 is a schematic view of a device
according to the invention;
- Figure 2a shows the law of modulation of the current of the
laser as a function of time t;
- Figure 2b shows the corresponding modulation law
the length of the emission diode;
- Figure 3 shows the mounting of the laser diode on a
thermal regulation device.
Tel que schématisé en figure 1, le dispositif conforme à l invention comporte une diode laser 1 monomode dont la longueur d onde se situe dans le proche infrarouge. La diode 1 émet en continu et par ses deux faces des signaux S1 et S2 de même longueur d'onde, la face avant étant dirigée vers une cible 2 et la face arrière vers une photodiode réceptrice 3.As shown diagrammatically in FIG. 1, the device according to the invention comprises a single-mode laser diode 1, the wavelength of which is in the near infrared. The diode 1 transmits continuously and by its two faces signals S1 and S2 of the same wavelength, the front face being directed towards a target 2 and the rear face towards a receiving photodiode 3.
La diode laser 1 et la photodiode 3 sont intégrées au sein d'un même composant de type connu dans lequel la photodiode est habituellement utilisée pour asservir la puissance d émission de la diode laser.The laser diode 1 and the photodiode 3 are integrated within the same component of known type in which the photodiode is usually used to control the emission power of the laser diode.
Londe S1 émise par la face avant de la diode 1 et l onde El diffusée en retour par la cible sont collimatées par une lentille 4 à gradient dindice du type connu par exemple sous l~appellation commerciale "Selfoc"
La diode laser 1 est commandée en courant par un dispositif de modulation 5 selon un principe de modulation à double rampe qui sera explicité plus loin.The wave S1 emitted by the front face of the diode 1 and the El wave scattered back by the target are collimated by a lens 4 with an index gradient of the type known for example under the trade name "Selfoc"
The laser diode 1 is current controlled by a modulation device 5 according to a double ramp modulation principle which will be explained later.
Selon loinvention, I'écho El de la cible 2 est amplifié en traversant la cavité de la diode laser 1. La photodiode 3 détecte le battement de I'onde S2 émise par la face arrière du laser et de I'écho amplifié E2.According to the invention, the echo El of the target 2 is amplified by crossing the cavity of the laser diode 1. The photodiode 3 detects the beat of the wave S2 emitted by the rear face of the laser and of the amplified echo E2.
La tension prélevée en 6 à la base de la diode reliée à une tension de polarisation par une résistance R est traitée par un filtre passe-haut 7, un circuit de mise en forme 8 et un calculateur 9 délivrant les signaux D et V représentant respectivement la distance et la vitesse de la cible par rapport au véhicule.The voltage taken at 6 at the base of the diode connected to a bias voltage by a resistor R is processed by a high-pass filter 7, a shaping circuit 8 and a computer 9 delivering the signals D and V representing respectively distance and speed of the target from the vehicle.
On va maintenant décrire le procédé de modulation et le fonctionnement du dispositif. We will now describe the modulation process and the operation of the device.
On sait que les diodes laser présentent à la fois une variation de la puissance émise et une variation du spectre démission en fonction de l intensite du courant de fonctionnement.It is known that the laser diodes exhibit both a variation in the emitted power and a variation in the emission spectrum as a function of the intensity of the operating current.
Quel que soit le laser, il existe une zone du spectre de l-onde émise ne présentant pas de saut de mode et dans laquelle la variation de la longueur d onde est une fonction linéaire de l intensité du courant de fonctionnement.Whatever the laser, there is an area of the spectrum of the emitted wave that does not have a mode jump and in which the variation of the wavelength is a linear function of the intensity of the operating current.
Le courant de la photodiode 3 et donc la tension prélevée en 6 auront donc deux composantes:
- L'une, due à la modulation de la puissance, est sans
utilité pour la détection d'obstacles. Elle est éliminée
par le filtre passe-haut 7 dont la fréquence de coupure
est supérieure à la fréquence de modulation.The current of photodiode 3 and therefore the voltage taken at 6 will therefore have two components:
- One, due to the modulation of the power, is without
useful for obstacle detection. She is eliminated
by the high-pass filter 7 whose cut-off frequency
is greater than the modulation frequency.
- L'autre, due à la modulation de fréquence de la diode
laser, contient les informations vitesse et distance entre
la cible et le véhicule équipé.- The other, due to the frequency modulation of the diode
laser, contains speed and distance information between
the target and the equipped vehicle.
On module le courant du laser par une partie plate P et une double rampe r1,r2 comme représenté à la figure 2a, ce qui induit une modulation en longueur diode X de même forme représentée à la figure 2b.The laser current is modulated by a flat part P and a double ramp r1, r2 as shown in FIG. 2a, which induces a diode length modulation X of the same shape shown in FIG. 2b.
A la réception, on détecte les fréquences de battement suivantes:
Partie plate: tdoppler
rampe montante:
Qdis - pdoppler (lorsque la cible s"éloigne) =
redis + pdoppler (lorsque la cible se rapproche)
rampe descendante:
pdis + doppler (lorsque la cible s'éloigne)
=
idis - doppler (lorsque la cible se rapproche)
avec:
Qdoppler = 2V/# dis = 2D#/C où::
D = distance diode laser/cible
V = vitesse de la cible dans l'axe du laser
D = pente de la modulation de fréquence du laser
= longueur d onde du laser
C = vitesse de la lumière
# dis = fréquence distance
Le calculateur 9 à partir de , O+ ou Q- ou # doppler peut déterminer la distance et la vitesse de la cible dans tous les cas. Ainsi lorsque la vitesse de la cible est très faible, on ne peut pas mesurer la fréquence doppler sur la partie plate.On reception, the following beat frequencies are detected:
Flat part: tdoppler
rising ramp:
Qdis - pdoppler (when the target moves away) =
redis + pdoppler (when the target approaches)
descending ramp:
pdis + doppler (when the target moves away)
=
idis - doppler (when the target approaches)
with:
Qdoppler = 2V / # dis = 2D # / C where ::
D = laser diode / target distance
V = speed of the target in the axis of the laser
D = slope of the laser frequency modulation
= laser wavelength
C = speed of light
# dis = distance frequency
The computer 9 from, O + or Q- or # doppler can determine the distance and the speed of the target in all cases. So when the target speed is very low, we cannot measure the Doppler frequency on the flat part.
On déduit alors la fréquence doppler des mesures de t+ et
Lorsque la fréquence doppler est voisine de la fréquence distance #dis, on peut accéder soit à $+ soit à #- selon le sens de déplacement de la cible par rapport au laser.The Doppler frequency is then deduced from the measurements of t + and
When the Doppler frequency is close to the distance frequency #dis, you can access either $ + or # - depending on the direction of movement of the target relative to the laser.
Ce procédé permet donc d obtenir directement la vitesse et la distance relative entre le laser et la cible. This process therefore makes it possible to directly obtain the speed and the relative distance between the laser and the target.
On sait par ailleurs que le spectre des diodes laser évolue en fonction de la température. Cette évolution est nuisible au traitement du signal recueilli par le photodétecteur. C'est pourquoi, il est nécessaire pour une grande précision de mesure d'assureur une régulation de la température de la diode laser de façon à obtenir une rampe de courant produisant des rampes de longueur d'onde d émission aussi linéaires que possible.We also know that the spectrum of laser diodes evolves as a function of temperature. This development is detrimental to the processing of the signal collected by the photodetector. For this reason, it is necessary for high measurement accuracy to regulate the temperature of the laser diode so as to obtain a current ramp producing ramps of emission wavelength as linear as possible.
Comme représenté à la figure 3, où les circuits de la figure 1 sont schématisés par le rectangle C, le dispositif de régulation thermique comporte, de façon classique, deux éléments thermo-électriques Peltier Il et 12 reliant un radiateur en aluminium 13 à une plaque de cuivre 14 sur laquelle est fixé, par exemple par des vis non représentées, le socle 10â du boîtier 10 contenant la diode laser 1 et la photodiode 3. Le boîtier 10 est de révolution autour de I'axe optique XX du laser.As shown in Figure 3, where the circuits of Figure 1 are shown schematically by the rectangle C, the thermal regulation device comprises, in a conventional manner, two thermoelectric elements Peltier II and 12 connecting an aluminum radiator 13 to a plate of copper 14 on which is fixed, for example by screws not shown, the base 10a of the housing 10 containing the laser diode 1 and the photodiode 3. The housing 10 is of revolution around the optical axis XX of the laser.
Deux thermistances 15a, 15b noyées dans la plaque 14 de façon symétrique par rapport à I'axe du boîtier 10 fournissent un signal représentatif' de la température du laser.Two thermistors 15a, 15b embedded in the plate 14 symmetrically with respect to the axis of the housing 10 provide a signal representative of the temperature of the laser.
Un circuit électronique 16 élabore de façon connue un signal d erreur par comparaison de la température mesurée avec une valeur de consigne et utilise ce signal pour régler le courant traversant les éléments Peltier Il et 12 pour réchauffer ou refroidir la plaque 14 selon le signe du signal d'erreur. An electronic circuit 16 elaborates in an known manner an error signal by comparison of the measured temperature with a set value and uses this signal to regulate the current passing through the Peltier elements II and 12 to heat or cool the plate 14 according to the sign of the signal error.
Le procédé et le dispositif conformes à l-invention ont été expérimentés avec les lasers ci-dessous:
- la diode laser HL7806 de HITACHI avec laquelle la
distance maximale mesurable est de 1 mètre;
- la diode laser SDL5400 de SPECTRA DIODE LABS qui con
vient pour une distance maximale de 50 mètres;
- un laser DFB multi-électrodes, de longueur diode égale
à 1500 nm et de largeur de raie voisine de 1 MHZ, per
mettant de mesurer des distances supérieures à 100 mètres.The method and the device according to the invention have been tested with the lasers below:
- the HITACHI HL7806 laser diode with which the
maximum measurable distance is 1 meter;
- the SDL5400 laser diode from SPECTRA DIODE LABS which
comes for a maximum distance of 50 meters;
- a multi-electrode DFB laser, of equal diode length
at 1500 nm and a line width close to 1 MHz, per
putting to measure distances greater than 100 meters.
Ce dernier laser a I'avantage de présenter une zone où la longueur d'onde est accordable sans que la puissance démission ne varie. De ce fait, le courant de la photodiode détectrice n'est plus affecté par limage de la modulation du courant laser.This latter laser has the advantage of presenting an area where the wavelength is tunable without the emission power varying. Therefore, the current of the detector photodiode is no longer affected by the image of the modulation of the laser current.
La précision de mesure peut atteindre le micromètre pour la distance-et 0,5 mm/s pour la vitesse. Ces précisions de mesure sont indépendantes de la distance absolue mesurée.The measurement accuracy can reach the micrometer for distance - and 0.5 mm / s for speed. These measurement accuracies are independent of the absolute distance measured.
Les expériences ci-dessus montrent que la mise en oeuvre du dispositif est indépendante de la structure du laser et qu'une distance maximale mesurable supérieure à 100 mètres peut être atteinte avec des lasers de longueur de raie inférieure à 1 MHZ. The above experiments show that the implementation of the device is independent of the structure of the laser and that a maximum measurable distance greater than 100 meters can be reached with lasers with a line length less than 1 MHz.
Claims (10)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR9204359A FR2689980A1 (en) | 1992-04-09 | 1992-04-09 | Moving object detector for vehicles - has modulated laser rays for reflection which are amplified and demodulated and the doppler offset extracted |
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| FR9204359A FR2689980A1 (en) | 1992-04-09 | 1992-04-09 | Moving object detector for vehicles - has modulated laser rays for reflection which are amplified and demodulated and the doppler offset extracted |
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ID=9428684
Family Applications (1)
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| FR9204359A Pending FR2689980A1 (en) | 1992-04-09 | 1992-04-09 | Moving object detector for vehicles - has modulated laser rays for reflection which are amplified and demodulated and the doppler offset extracted |
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| FR (1) | FR2689980A1 (en) |
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