Temps de vol-lidar

Télémétrie par mesure du temps de vol: LIDAR

La télémétrie par mesure de temps de vol (télémétrie laser) est une méthode de mesure sans contact basée sur la mesure du temps de propagation aller et retour Δt de la lumière entre le capteur et la pièce à mesurer.

La distance mesurée est : D =c.Δt/2

Avec c= 300 000 km/s la vitesse de la lumière

Schéma d'un télémètre laser

Pour mesurer le temps propagation Δt qui peut être court (1 ns pour une distance à mesurer de 15 cm), deux méthodes sont utilisées. Pour les plus grandes distances, une impulsion lumineuse très courte est produite soit directement par une diode laser, soit à l'aide d'un modulateur optique et un tube laser. Un détecteur mesure l'écho lumineux, le temps entre l'émission et la réception est mesuré Pour les courtes distances l'amplitude du faisceau lumineux émis est modulée sinusoïdalement, le retard de phase de l'écho lumineux recueilli est mesuré. Cette mesure est parfois faite en réalisant un oscillateur dans lequel le temps de propagation de l'onde lumineuse est un retard variable qui module sa fréquence de résonance.

L'étendue de mesure est fonction de la méthode de mesure employée et surtout de la puissance de l'onde lumineuse utilisée ainsi que des caractéristiques optiques de la pièce mesurée. Un dispositif rétro-réfléchissant placé sur la pièce permet d'augmenter l'étendue de mesure. Les grandes distance de mesure ne peuvent être obtenues qu'avec des conditions de propagation de la lumière favorables (air stable, pas d'effet de mirage provoqués par les gradients thermiques verticaux dans l'air, pas de poussières ni de brouillard, de pluie ou de neige). Les surfaces blanches se mesurent plus facilement que les surface noires. Elle est aussi fonction de l'ouverture du dispositif de réception de l'onde renvoyée, il faut mesurer la plus grande quantité de lumière possible.

La justesse de mesure sur des cibles adaptées (coin de cube, œil de chat) peut être inférieure à 0,05 mm. Sur des surfaces non préparées, elle est fonction de la distance mesurée, pour les courtes distances il possible d’obtenir des erreurs inférieures au mm, pour les distances moyennes (10 à 30 m), la justesse est de l'ordre de 3 mm avec les dispositifs industriels commercialisés. Pour les plus grandes distances, elle est de l'ordre du centimètre dans de bonnes conditions atmosphériques. Elle est détériorée par une mauvaise réflectivité de la pièce.

Il n'y a pas d'hystérésis. Pour les courtes distances on obtient des répétabilités inférieures à 0,5 mm. Les fluctuations de mesure augmentent avec la distance mesurée car la puissance recueillie dans l'écho diminue rapidement, comme la puissance 4 de la distance. Pour diminuer l'amplitude de ces fluctuations il faut améliorer le rapport signal sur bruit à la réception en allongeant le temps de mesure, réduisant la bande passante, augmentant la puissance lumineuse émise, améliorant la réflectivité de la pièce mesurée.

Le temps de réponse est fonction de la distance mesurée, il ne peut être inférieur au temps de propagation de l'onde lumineuse (0,1 µs pour une distance de 15 m, 10 µs pour 1,5 km) mais pratiquement il est plus long car les mesures sont moyennées afin de réduire le bruit. Pour les courtes distances des capteurs ayant un temps de réponse de 20 µs sont disponibles mais leur caractéristiques nominales ne sont atteintes que pour une bande passante de 1 kHz. Pour les distances de l'ordre du kilomètre, les temps de réponse sont plus long (1 s).

Ces capteurs ne peuvent en général être utilisés que dans une plage de température allant de 0 °C à 50 °C, pour une utilisation militaire la plage est étendue (-35, +70 °C). Il ne doit pas y avoir de corps trop diffusant sur le parcours de l'onde lumineuse, il risque de créer des échos parasites ou d'atténuer trop fortement le signal lumineux recueilli. À grande distance, la propagation du faisceau laser peut être fortement perturbée par les gradients verticaux la vitesse de la lumière (effet de mirage). La surface mesuré sur la cible augmente avec la distance de mesure à cause de la divergence naturelle des faisceaux laser (un diamètre inférieur à 5 mm ne peut être conservé sur une distance supérieure à 30 m, un diamètre inférieur à 12,5 mm sur 200). Pour des questions de sécurité les systèmes industriels sont de portée limitée car des émissions de puissance lumineuse importante sont dangereuses, des appareils de classe 1 qui sont peu puissant peuvent être utilisés en toute sécurité, pour les appareils plus puissant des précautions d'emploi doivent être prises.

Cette méthode de mesure est utilisée pour faire des relevés dimensionnels sur des pièces de grandes dimensions. Des systèmes portables sont particulièrement adaptés pour réaliser des métrés pour le bâtiment. Monté sur un système goniométrique (tachéomètre), il permet de faire des relevés tridimensionnels sans contact dans les domaines du génie civil, de la construction navale, de la grosse chaudronnerie, des installations industrielles. Il est aussi utilisé la détection d'obstacles, l'assistance à la conduite autonome de véhicules, la mesure de distance de cible dans le domaine militaire.

Des industriels prédisent à cette méthode un grand avenir pour l'assistance à la conduite automobile, les capteurs industriels qui coûtent aujourd'hui 3500 € sont prévus à 300 € à brève échéance pour une production en quantité.