[0001] O domínio da invenção é aquele da telemetria.
[0002] Um telémetro permite a medida da distância que o separa de um alvo. Um telémetro óptico utiliza a propagação da luz como meio de medida. O telémetro é composto de um emissor e de um receptor. Ele emite luz em direção ao alvo e detecta uma fração dessa luz retornada pelo alvo. A distância é obtida a partir do tempo de propagação ida e volta da luz, a partir do emissor até o receptor. A emis-são é modulada temporalmente. A luz emitida transporta essa modulação até o alvo. O alvo reflete ou retropropaga essa luz. Uma fração dessa luz retornada transporta a modulação até o receptor do telémetro. Essa modulação temporal permite identificar a partida do impulso e a identificação de seu retorno pelo receptor. O tempo decorrido entre esses dois acontecimentos permite calcular a distância entre o telémetro e o alvo a partir da velocidade de propagação da luz nos meios atravessados.
[0003] De acordo com as diversas situações, a concepção de telémetro busca o melhor compromisso. Numerosos parâmetros técnicos devem ser otimizados: o(s) comprimento(s) de onda de emissão e suas larguras espectrais, a geometria da emissão (diâmetro e divergência), a geometria do recebimento (diâmetro da pupila e campo de recebimento), e o perfil de modulação temporal. Os compromissos consideram também os meios de apontar a emissão e o recebimento em direção do alvo, e as perturbações geradas pelos meios ambientes térmicos e mecânicos. Em certos casos, a emissão e o recebimento dividem a mesma pupila óptica.
[0004] O esquema típico de um telémetro compreende: um dispositivo de emissão que compreende um emissor e sua óptica de enformação do feixe; um dispositivo de recebimento mostrado na figura 1 que compreende uma óptica 10 de coleta e de focalização do fluxo que vem do alvo e um detector 4. A limitação do campo do receptor é feita no plano de focalização pela dimensão da zona sensível do detector dita zona de detecção ou por um sistema óptico de transporte da luz até o detector (por fibra 2, por exemplo). Uma filtragem espectral é incorporada no trajeto.
[0005] A fração de luz emitida, coletada pela óptica do dispositivo de recebimento é muito baixa. As vias de aumento de desempenho são: seja capaz de detectar sinais mais fracos; seja aumentar a iluminação do alvo.
[0006] As soluções atualmente propostas para detectar um fluxo baixo se destacam de uma das seguintes categorias baseadas em: um aumento da cadência de repetição dos impulsos emitidos que permite utilizar a pós-integração, mas cujos principais problemas são um aumento do tamanho do laser, de seu consumo elétrico e da duração de medida; um aumento da superfície da pupila de recebimento, este sendo limitado por um problema de volume; uma redução das fontes de ruído. Para uma mesma tecnologia de detecção, a detecção de sinais mais baixa é possível. As fontes de ruído são externas ou internas ao telémetro. O ruído externo é o ruído cuja fonte é a luz (iluminação ambiente solar, por exemplo) atingindo o detector, mas que não foi emitida pelo emissor. Essa fonte de ruído pode ser reduzida por uma diminuição da largura espectral do filtro em detrimento de sua transmissão e de seus desempenhos em função da temperatura. As fontes internas são principalmente ligadas às dimensões de cada detector e da largura de banda necessária à detecção da modulação temporal. A dimensão da zona de detecção determina o campo de recebimento. Essa dimensão pode ser reduzida com, por conseguinte, uma redução do campo de recebimento com o risco de não ver o alvo; um aumento da iluminação do alvo. Esse aumento pode ser obtido por aumento da potência da energia fornecida pelo emissor, mas essa energia é colocada no teto pelas dificuldades de segurança ocular, e esse aumento da energia necessita de um dispositivo de emissão mais volumoso; uma redução da divergência da emissão aumenta a fração do fluxo interceptado por um alvo menor do que a mancha de iluminação em seu nível. Isto intervém também quando uma parte somente do alvo tem uma contribuição significativa. Mas a contrapartida é a necessidade de apontar com precisão a emissão do laser sobre o alvo em particular quando de telemetria de alvo menor isolado (aéreo, por exemplo). A linha de visada do telémetro é mais frequentemente orientada com o auxílio de uma câmera, que permite a manutenção do alvo sobre a linha de visada, quando do prosseguimento do alvo. No caso de um feixe com baixa divergência que abrange apenas uma parte do alvo, pode-se estar confrontado com um outro problema. A linha de visada do telémetro raramente está em direção da parte do alvo, a mais contribuinte para o sentido da telemetria. Essa zona volta a maior fração da emissão por reflexo ou retro-difusão para o recebimento. Essa parte não é facilmente identificável em uma imagem que não utiliza a iluminação do alvo pela emissão de telémetro. Então, para evitar uma perda dramática de desempenho, desde que a linha de visada não esteja exatamente no melhor lugar, o menor mal é de repartir suficientemente a emissão sobre o alvo, isto é, aumentar a divergência do feixe, em detrimento do alcance.
[0007] Finalmente, o desempenho da detecção é geralmente obtida em detrimento do alcance de detecção.
[0008] Em consequência, permanece até hoje uma necessidade para um sistema que satisfaz simultaneamente o conjunto das exigências pré-citadas, a saber: detecção de um baixo fluxo e longo alcance de detecção.
[0009] O princípio da invenção se baseia na possibilidade fornecida ao dispositivo de recebimento de ter vários modos de funcionamento selecionáveis: um modo dito modo de localização que permite a detecção do alvo com uma grande sensibilidade em detrimento da medida de distância; um outro modo dito modo telemetria que permite a detecção temporal, para a medida de distância.
[00010] A detecção temporal tem necessidade de um nível eco mais importante que a localização. A detecção temporal é perturbada tanto pelo ruído luminoso da cena quanto pelo ruído associado à largura de banda necessária para a precisão temporal e, portanto, para a precisão de distância. A localização prévia do alvo pelo primeiro modo facilita a detecção temporal do alvo em um campo menor ou com uma iluminação mais considerável do alvo por uma divergência menor.
[00011] A invenção permite telemedir um alvo, notadamente um pequeno alvo; ele permite também localizar a parte a mais eficaz de um alvo importante e telemedir essa parte.
[00012] Mais precisamente, a invenção tem por objeto um telémetro que compreendendo um dispositivo de emissão de um feixe laser e um dispositivo de recebimento dos ecos laser retrorrefletidos por um alvo, comportando uma óptica frontal, que focaliza os ecos sobre uma zona de detecção que comporta pelo menos uma zona de detecção elementar associada a um detector individual com grande faixa passante dito um fotodiodo acoplado a um circuito transimpedância, dito detector individual temporal, e meios de transporte da zona de detecção elementar para esse detector individual temporal. É principalmente caracterizado pelo fato de essa zona elementar é, além disso, associada a um detector individual de baixo ruído, isto é, um fotodiodo em integrador dito detector individual espacial, e pelo fato de o dispositivo de recebimento compreender, além disso, ligado aos meios de transporte, meios para orientar o fluxo recebido por essa zona de detecção ele-mentar para o detector temporal e/ou para o detector espacial.
[00013] Assim, a qualquer momento é possível escolher, para cada zona elementar, seja o modo de localização do eco, seja o modo de medida de distância ou os dois.
[00014] De acordo com uma característica da invenção, os meios de transporte são uma fibra óptica, cuja entrada fica situada sobre a zona de detecção elementar e a saída é ligada em entrada aos meios de comutação e compreende na saída meios de comutação, duas novas fibras ópticas, respectivamente acopladas ao detector espacial e ao detector temporal.
[00015] Esses meios de comutação podem ser meios de comutação alternados ou meios de repartição de uma fração do fluxo recebido para o detector temporal e da fração complementar do fluxo para o detector espacial.
[00016] O dispositivo de recebimento compreende eventualmente uma matriz de microlentes colocada na zona de recebimento, de maneira a desviar essa zona de recebimento das fibras ópticas sobre a entrada das fibras ópticas para melhorar o acoplamento do feixe de fibras ópticas com os ecos retrorrefletidos.
[00017] De acordo com a variante da invenção, os meios de transporte são um microespelho situado sobre a zona de detecção elementar e o comutador é um comando da orientação desse micro espelho, de maneira a enviar os ecos da zona elementar para o detector espacial ou para o detector temporal. O fotodiodo do detector temporal é, por exemplo, um fotodiodo PIN ou APD.
[00018] O dispositivo de emissão laser é um dispositivo de emissão contínua modulada em amplitude e/ou em frequência ou um dispositivo de emissão de um ou vários impulsos laser.
[00019] A invenção tem também por objeto um processo de telemetria de um alvo por meio de um telémetro, tal como descrito, caracterizado pelo fato de compreender: uma etapa de localização do alvo que compreende as seguintes sub-etapas: emissão de um feixe laser; detecção dos ecos laser retro-refletidos pelo alvo, por meio dos detectores espaciais; reiteração dos subespaços precedentes tanto quanto o alvo não for localizado; uma etapa de telemetria do alvo localizado que compreende as seguintes subetapas: emissão de um feixe laser; detecção dos ecos laser retro-refletidos pelo alvo, por meio dos detectores espaciais.
[00020] De acordo com uma característica da invenção, previamente à emissão do feixe laser da etapa de telemetria do alvo localizado, o campo do feixe é reduzido.
[00021] Eventualmente, em consequência de uma etapa de localização, ele compreende uma etapa de orientação da linha de visada do dispositivo de emissão laser sobre o alvo localizado, previamente à etapa de telemetria.
[00022] De acordo com uma característica da invenção, previamente à subetapa de detecção da etapa de telemetria do alvo localizado, ele compreende uma etapa de comutação de detectores espaciais para detectores espaciais.
[00023] Outras características e vantagens da invenção aparecerão com a leitura da descrição detalhada que se segue, feita a título de exemplo não limitativo e com referência aos desenhos anexados nos quais: a figura 1 já descrita representa esquematicamente em corte, um dispositivo de detecção de um telémetro, segundo o estado da técnica; a figura 2 representa esquematicamente em corte, um exemplo de telémetro, de acordo com a invenção.
[00024] De uma figura a outra, os mesmos elementos são marcados pelas mesmas referências.
[00025] O telémetro, de acordo com a invenção, permite localizar finamente a direção de emissão do telémetro. Ele permite também localizar a parte a mais eficaz do alvo e de telemedir essa parte.
[00026] Ele compreende um dispositivo de emissão de um feixe laser e um dispositivo de detecção das emissões retrorrefletidas pelo alvo. Esse dispositivo de detecção, do qual um exemplo é mostrado na figura 2, compreende uma óptica frontal 10 que focaliza os ecos laser retrorrefletidos pelo alvo sobre uma zona de detecção 5. Essa zona de detecção é decomposta em zonas de detecção elementares 51. De acordo com a invenção, uma ou várias dessas zonas elementares 51 (até mesmo todas) são associadas via um comutador 3 a um detector temporal 42 e a um detector espacial 41. Para permitir que a mesma zona elementar 51 possa a pedido estar em modo localização ou em modo telemetria um desvio dos detectores é efetuado.
[00027] O desvio da zona de detecção em direção aos detectores individuais pode ser feito por microespelhos. Esses microespelhos controla cada zona elementar 51 em direção aos seus detectores dedicados 41, 42. Microespelhos individualmente aptos a serem comandados (eventualmente ligados em matriz) são dispostos na zona de detecção 5 para permitir a pedido orientá-los, de maneira a enviar a luz de cada zona elementar 51 para uma detecção, seja de telemetria, seja de localização.
[00028] O desvio da zona de detecção em direção aos detectores individuais pode também ser feito por fibras ópticas 2, dos quais a entrada fica situada no nível da zona de detecção 5. Cada fibra 2 é acoplada a um detector espacial 41 ou a um detector temporal 42. O acoplamento, em direção aos detectores, de cada fibra pode ser estático ou em certos casos, um comutador 3 a pedido controla principalmente o fluxo transportado pela fibra em direção ao detector espacial ou o detector temporal. O comutador pode também ser fibrado: a fibra 2 se divide então em duas fibras 21,22 que são respectivamente acopladas a um detector espacial 41 e um detector temporal 42.
[00029] Pode-se prever posicionar no foco da óptica frontal 10, uma matriz de microlente, no passo do feixe de fibras, para maximizar o fluxo de cada zona elementar 51 acoplado em cada fibra: uma microlente é então associada a uma fibra óptica 2.
[00030] Apesar de uma ligeira limitação dos desempenhos, para determinadas ou para cada zona elementar, a comutação alternativa entre os dois modos de detecção pode ser substituída por uma repartição estática. Esta consiste, por exemplo, em controlar uma fração fixa do fluxo em direção à localização e a fração complementar em direção à detecção de telemetria. Isto é realizado por meio de uma lâmina semirrefletora ou por acoplador óptica. O valor dessa fração fixa pode não ser a mesma segundo a posição da zona elementar 51 na zona de detecção 5.
[00031] Finalmente, o fluxo recebido pela zona de detecção elementar 51 pode ser: controlado alternativamente em direção espacial ou ao detector temporal por comutação; ou controlado por um repartidor, ao mesmo tempo, em direção ao detector espacial que dele recebe uma fração e em direção ao detector temporal que recebe a fração complementar.
[00032] Na sequência, escolhem-se as fibras ópticas como meios de transporte e se situa, no caso particular da comutação alternativa, mas o exemplo se aplica também a outros meios de transporte, assim como a repartição estática.
[00033] De acordo com a invenção, há na outra extremidade da fibra óptica de pelo menos uma zona elementar, a possibilidade de escolher, seja uma detecção com ruído muito baixo para a localização espacial do alvo, seja uma detecção temporal com grande largura de banda, permitindo, medir a distância do alvo. Para isso, a fibra 2 é conectada a um comutador 3 (também designado controlador comandável) para uma fibra 22 acoplada a um fotodiodo otimizado para a medida de distância 42 e/ou em direção a uma outra fibra 21 acoplada a um fotodiodo otimizado para a localização 41.
[00034] Um fotodiodo otimizado para a localização, também designada como detector espacial, é tipicamente um fotodiodo montado em um circuito integrador. A montagem é de ruído muito fraco. Durante o período de integração as cargas criadas são armazenadas, depois, após o período de integração, o circuito de leitura converte essas cargas em um sinal proporcional ao número de cargas coletadas. A duração da integração é adaptada ao domínio de distância, no qual pode se achar o alvo. A detecção de um sinal muito fraco é possível, tal como um sinal de uma dezena de fótons.
[00035] Para a medida de distância, o detector deve permitir marcar temporalmente a chegada do eco. O detector temporal converte também o fluxo de fótons em uma corrente. Essa corrente é lida em contínuo por intermédio de um circuito transimpedância. Um fotodiodo, cuja montagem é otimizada para a medida de distância também designada detector temporal, é tipicamente um fotodiodo de tipo PIN ou APD, fotodiodo de grande largura de banda. Seu desempenho é limitado pelo ruído próprio do detector e do circuito transimpedância associado. A resolução da modulação temporal permite uma medida precisa da distância. Um fotodiodo com avalanche permite melhorar a relação sinal corrido. Algumas centenas de milhares de fótons são necessárias para uma relação sinal com ruído suficiente para limitar a probabilidade de falso alarme.
[00036] O nível do sinal detectável pelo detector temporal é muito mais elevado do que aquele detectado pelo detector espacial. A relação pode ser superior a 100.
[00037] Assim, a qualquer momento é possível escolher, para cada zona elementar, seja um modo localização do eco, seja o modo medida de distância. Assim, quando da telemetria de alvo pequeno, uma única fibra, por exemplo, é afetada na telemetria, enquanto que os outros controlam a centragem sobre o alvo. De uma edição laser à outra, a escolha da zona elementar associada à telemetria pode ser modificada. Por outro lado, para alvos estendidos, é possível afetar na telemetria várias zonas elementares para aumentar a sensibilidade.
[00038] A invenção permite também localizar precisamente as partes as mais contribuintes do alvo para ter uma telemetria ainda eficaz a maior distância. Graças a essa localização precisa com o mesmo nível de energia por impulso, uma divergência de emissão menor é utilizável. Assim, a iluminação das partes as mais interessantes do alvo pode ser aumentada, graças à diminuição da divergência. Uma orientação fina da direção de emissão é possível a partir das informações de localização.
[00039] Essa disposição permite também se livrar do desvio relativo da direção de emissão do laser relativamente ao campo do recebimento. A informação de alinhamento da direção da emissão com o meio de apontado e de prosseguimento do sistema está disponível a qualquer momento.
[00040] Vai-se atualmente descrever o funcionamento desse telémetro.
[00041] A emissão do feixe laser pode ser uma emissão contínua modulada em amplitude e/ou em frequência ou um impulso isolado ou um trem de impulsos.
[00042] Para a emissão da etapa de localização, todas as zonas elementares 51 são associadas a seu detector com ruído muito baixo 41 (detector espacial). Uma imagem da zona de detecção 5 é formada. A localização da zona elementar que tem mais eco é feita, por comparação dos níveis de energia recebida pelos detectores de baixo ruído; essa comparação é, por exemplo, feita por uma unidade de cálculo. A medida de desvio entre uma zona e a direção de emissão pode ser fornecida.
[00043] Essa informação é transmitida ao sistema optrônico, no qual é integrado o telémetro, para lhe permitir reorientar a direção de emissão do telémetro para a emissão seguinte. No nível sistema, o comando da linha de visada é afinado. A parte de campo, onde ocorre a telemetria é selecionada a detecção por telemetria sobre a zona elementar correspondente. As outras zonas elementares continuam acopladas a seu detector para localização 41 para continuar a assegurar sua função de observação espacial e permitir ao sistema corrigir a orientação da linha de visada do telémetro para as seguintes emissões.
[00044] A detecção da etapa de telémetro do alvo localizada vai permitir detectar a chegada do eco e, portanto, medir a distância do alvo. As detecções de localização pelas outras elementares vão permitir seguir a direção do alvo.
[00045] A invenção permite assim telemedir em uma parte do campo do telémetro, enquanto que o resto do campo está em observação para poder fornecer uma correção de orientação da linha de visada para emissão seguinte.
[00046] Vai ser descrito mais detalhadamente um exemplo de realização de um telémetro, de acordo com a invenção.
[00047] A descrição é feita no âmbito de um telémetro que emite impulsos laser da ordem de 10 ns de largura e cujo comprimento de onda é, por exemplo, igual a aproximadamente 1.5 pm. A zona de detecção é dividida em várias zonas elementares, por exemplo, 4 x 4 zonas elementares.
[00048] No foco da óptica frontal de colimação, isto é, no nível da zona de detecção é instalada uma pequena matriz de lente 4x4, por exemplo, de subcampos de aproximadamente 100 prad, nos quais são coletados os fótons. Os fótons são em seguida orientados em direção aos detectores por 4x4 fibras ópticas.
[00049] A cada zona elementar é associada uma detecção otimizada para a medida de distância por meio, por exemplo, de um fotodiodo APD e uma detecção otimizada para a localização, por exemplo, um fotodiodo PIN em integrador.
[00050] Para evitar uma alimentação pelo ruído de dia o campo de vista de cada detector de localização é pequeno, tipicamente inferior a 100 prad e a largura espectral é pequeno tipicamente inferior a 20 nm. O tempo de integração não é superior a 500 ps: é adaptado à profundidade de pesquisa em distância desejada que é da ordem de 80 km. O campo de vista de cada detector de telemetria é o mesmo que aquele dos detectores de localização.
[00051] A direção de emissão do laser é conhecida ou já calibrada por uma sequência de telemetria sobre um alvo de oportunidade suficientemente uniforme (um campo cultivado), por exemplo.
[00052] Inicialmente para a emissão laser da etapa de localização, todas as zonas elementares estão em modo localização. A posição a mais eficaz é calculada por detecção e pesagem relativa das zonas elementares. Uma medida de desviometria é fornecida ao sistema que integram esse telémetro, para recentrar sobre o alvo a direção de emissão, assim como os detectores associados às zonas centrais, ditos detectores centrais.
[00053] Para a emissão laser da etapa de telemetria do alvo localizado, o ou os detectores apontados sobre a detecção a mais eficaz, isto é, sobre a direção de emissão do telémetro (no caso, os detectores centrais), são comandados em detecção temporal, os outros detectores (na ocorrência os detectores periféricos), permanecendo em modo localização. A telemetria é obtida. A associação dos dados dos detectores centrais em telemetria e dos detectores periféricos em localização permite também elaborar uma nova desviometria.
[00054] As quantidades de fótons a receber para detectar em telemetria ou para localizar são tão diferentes que o prosseguimento pode ser mantido mesmo, quando não há nível suficiente para a telemetria.