Résumé : La mesure de distance par laser comprend trois méthodes : le télémètre à impulsion, le télémètre laser à phase et le télémètre laser à impulsion-phase. Les principes structurels d'un télémètre laser simple englobent l'équation de mesure, le réflecteur laser et l'interface laser. Équiper les véhicules de télémètres laser améliore non seulement la sécurité, mais offre également des possibilités pour l'instrumentation intelligente des véhicules.
Mots-clés : mesure de distance laser ; télémètre laser ; système de télémétrie laser
- Introduction
Avec le développement rapide de l'industrie automobile et des transports publics, des instruments scientifiques avancés sont équipés dans les véhicules, une pratique déjà en phase expérimentale dans les pays développés. Que ce soit pour développer des systèmes d'avertissement de collision, des systèmes de contrôle de vitesse automatique ou des systèmes de guidage autonome de véhicules, des informations en temps réel, y compris les distances routières et les vitesses relatives, doivent être obtenues. Cet article présente l'utilisation du laser pour la mesure de distance et les principes structurels d'un télémètre laser simple.
- Principes et Mécanismes
La mesure de distance par laser comprend trois méthodes : le télémètre à impulsion, le télémètre laser à phase et le télémètre laser à impulsion-phase. Le télémètre à impulsion est une technique basée sur la mesure du temps de propagation d'un faisceau laser pulsé pour déterminer la distance. Si le faisceau laser pulsé rencontre un objet le long de son chemin de propagation, il se réfléchit. En mesurant le temps t depuis le moment d'émission jusqu'à la réflexion retournant au point d'émission, la distance L vers l'objet peut être calculée à l'aide de la formule : L = ct/2, où c est la vitesse de la lumière (c = 2.9991x108 mètres/seconde). Les méthodes pour convertir directement le temps t en lectures de distance incluent : (a) une méthode numérique qui compte la fréquence de battement de 150 MHZ (chaque lecture correspondant à 1 mètre) ; (b) une méthode analogique qui convertit le temps t en affichage d'une quantité électrique. La précision finale de mesure avec ces deux méthodes est d'environ cτ/2 (où τ est la largeur d'impulsion du laser). Lorsque t est de 10 ns, la tolérance est d'environ 15 mètres. De plus, le compteur a un certain niveau de déclenchement, et l'amplitude de l'impulsion de retour n'est pas constante, ce qui fait que le point de déclenchement du compteur tombe à différentes positions sur le front de l'impulsion, ce qui introduit également des erreurs de temps de mesure et affecte la précision de mesure. On peut voir que le télémètre à impulsion présente des erreurs significatives et n'est pas adapté aux mesures à courte distance.
Le télémètre laser à phase, également connu sous le nom de télémétrie de précision, nécessite de placer un réflecteur de coin (rétro-réflecteur) au point de mesure, ce qui n'est également pas adapté aux mesures de distance entre véhicules en mouvement.
La télémétrie à impulsion-phase fait référence à une technique qui utilise à la fois un laser pulsé et des signaux d'onde oscillante haute fréquence, strictement synchronisés, pour réaliser une mesure de précision. La résolution de la distance mesurée est déterminée par la longueur d'onde de l'onde oscillante haute fréquence et la précision de la mesure de phase.
Un oscillateur maître haute fréquence génère un signal oscillant haute fréquence avec une période T et une longueur d'onde λ, qui est ensuite divisé en fréquence pour contrôler de manière synchrone l'émission de l'impulsion.
L'intervalle de temps entre l'impulsion d'émission et le signal d'impulsion de retour est t, qui est également le temps pour que l'impulsion laser parcoure la distance L à mesurer. Pendant ce temps, la phase de l'oscillation haute fréquence change également d'un montant ψ. Il existe une correspondance entre distance, temps et phase. La valeur comprend deux parties : un multiple entier de 2π, correspondant à une distance de kλ/2 (où λ est la longueur d'onde de l'oscillateur) ; et une fraction inférieure à π, correspondant à une distance ΔL (qui est inférieure à λ), calculée comme ΔL = λΔψ/(4π). La distance correspondant à kπ est mesurée à l'aide de la méthode de télémétrie à impulsion, tandis que la distance correspondant à Δψ est mesurée à l'aide de la méthode de phase.
- Instrumentation et Équipement
Le fonctionnement de base d'un télémètre laser est illustré dans la Figure 1.
Figure 1. Principes de base des télémètres laser
3.1 Équations de Mesure
La performance la plus importante d'un télémètre laser est sa capacité à mesurer la distance. L'équation de mesure pratique est :
où R est la capacité de mesure du télémètre et K est un coefficient qui prend en compte la forme du champ lointain du laser émis et toutes les erreurs de suivi et de visée.
Ce système peut mesurer des distances allant de 30 à 70 mètres avec une précision de ±2 mètres. Lorsqu'il est installé dans un véhicule, il affiche la distance entre le véhicule et le véhicule précédent, garantissant la sécurité. Couplé à des systèmes de freinage automatique et d'alarme, il maintient une distance de sécurité minimale en tout temps. Lorsqu'il est appliqué sur des routes montagneuses ou d'autres routes accidentées, en raison de son angle de couverture de signal supérieur à 30 degrés, il peut même détecter des obstacles courbés devant le véhicule.
Ce système peut également guider le véhicule en toute sécurité autour de tout obstacle invisible. Pendant la nuit ou par mauvais temps, associé aux phares, le système peut détecter des obstacles invisibles à l'œil humain. Le délai de temps de réponse pour l'affichage des informations ou le contrôle automatique de la vitesse est de 0,2 seconde. Ce court laps de temps est suffisant pour prévenir les collisions.