LIDAR ET CONVERTISSEUR NUMÉRIQUE DE TEMPS

Cela semble une certitude : dans l’Industrie du futur, l’homme va travailler au plus près de machines de nouvelle génération comme les robots collaboratifs. Les machines en mouvement vont aussi collaborer entre elles, voire interagir avec leur environnement en pleine autonomie. Pour en arriver là, il est indispensable de disposer de systèmes réactifs permettant de mesurer les distances… à l’instar des télémètres à laser, les LiDAR.


Dans un nombre croissant d’applications industrielles, il n’est pas envisageable de mesurer la distance à une cible par contact direct. C’est le cas par exemple lorsqu’il s’agit de mesurer la présence d’objets sur un tapis transporteur ou d’apprécier les distances de sécurité autour du ou des bras d’un robot industriel. Les solutions les plus répandues pour mesurer une distance sans contact sont les courants de Foucault, les ultrasons et la lumière. Les systèmes de télémétrie par laser ou LiDAR (Light Detection And Ranging) reposent sur le temps que met la lumière à accomplir un allerretour entre l’émetteur-récepteur et la cible puisque la vitesse de propagation des ondes électromagnétiques est évidemment connue1. Un système de type LiDAR peut être construit en se basant sur un convertisseur analogiquenumérique (ou ADC pour Analog-Digital Converter ) à haute vitesse ou un convertisseur numérique de temps (ou TDC pour Time Digital Converter ).

Un convertisseur numérique de temps peut prendre la forme d’un timer dans un microcontrôleur ou un microprocesseur, d’un composant FPGA (Field-Programmable Gate Array ) ou plus simplement encore, d’un circuit intégré spécialisé.

CONSIDÉRATIONS OPTIQUES

Pour concevoir l’étage électronique d’un télémètre à laser, il est nécessaire de tenir compte des propriétés optiques qui ont une incidence sur le système. Ainsi, les champs de vision des lentilles d’émission et de réception doivent se chevaucher. Cette exigence définit la distance minimale de détection.

Il peut être nécessaire de corriger l’astigmatisme de la diode-laser afin de collimater le faisceau émis. Sans cette précaution, le rayon diverge, ce qui réduit la distance maximale de détection. Des éléments optiques complémentaires peuvent encore être nécessaires pour concentrer l’énergie reçue par la photodiode sur sa zone active.

La structure mécanique des diodes laser oblige la lumière à diffracter en sortant du substrat semi-conducteur puisque la fente est plus large dans le sens horizontal (voir schéma). Les diodes laser étant le plus souvent empilées verticalement, la fente horizontale crée un faisceau diffractant ayant un angle vertical plus large que l’angle horizontal. Cette différence de divergence entre l’axe vertical et l’axe horizontal, conduit à la nécessité de corriger l’astigmatisme.

En s’appuyant sur ce qui précède, on peut appliquer l’équation modélisant un radar en l’adaptant à un système LiDAR tel que : PRX est la puissance reçue par l’élément de détection du système LiDAR quand PTX est la puissance transmise par l’élément actif du LiDAR.

GTX est l’efficacité de l’élément de transmission et GRX est l’efficacité de l’élément récepteur. R est le rayon de l’élément récepteur optique et partant, лR² est donc sa surface. 2л est l’angle solide auquel la lumière est diffractée par la cible et D est la distance entre la cible et l’élément de détection. L’hypothèse ici, est que toute l’énergie émise atteint la cible. En l’absence de lentilles corrigeant la divergence du faisceau, la puissance reçue PRX serait alors fonction de 1/ D4 et non plus, 1/D2.

LUMIÈRE AMBIANTE, LONGUEUR D'ONDE ET PLAGE DE DÉTECTION MAXIMALE

A la surface de la terre, la lumière du soleil a une densité de puissance de 0,62913 W/ m² à une longueur d’onde de 905 nm qui correspond à la lumière infrarouge émise par les diodes laser. Si l’on prend pour référence, un capteur équipé d’une lentille réceptrice d’un diamètre de 15 mm, ce dernier recevra 1,4 μW s’il est face au soleil, sachant qu’il s’agit de la pire situation possible.

Bien qu’il faille tenir compte de la lumière ambiante pour évaluer le seuil de saturation du récepteur, il faut encore considérer la réflexion et les diffractions causées par la cible.

Si l’on s’appuie sur l’équation précédente, il est possible d’évaluer la puissance reçue par le capteur en fonction de la distance en assumant les valeurs suivantes : GTX = 1 si la lumière est parfaitement collimatée, ce qui revient à dire que la totalité de la puissance émise atteint la cible. GRX = 0,5 A/W ce qui correspond à une valeur moyenne permettant de caractériser la sensibilité de l’élément photorécepteur. PTX = 70 W en se basant sur les fiches techniques des diodes laser déjà utilisées dans les systèmes LiDAR. R = 15 mm en tant que valeur de rayon pour l’objectif du récepteur.

Une photodiode génère un faible courant proportionnel à la puissance reçue qui atteint typiquement un demi-ampère par watt (0,5 A/W). En se basant sur le tableau des puissances, on peut considérer qu’un courant de seulement 0,4 μA sera généré pour une cible éloignée d’une centaine de mètres.

Pour disposer d’une grandeur utilisable tout au long de la chaîne d’exploitation du signal, il faut relier la sortie du photorécepteur à un amplificateur de transimpédance qui avec un gain élevé, va transformer le faible courant généré en tension. Par exemple, un circuit intégré tel que l’OPA857 de Texas Instruments présente un gain de 5 000 ou 20 000, selon le mode sélectionné. En appliquant le gain maximal avec une cible située à 100 mètres, la tension de sortie peut atteindre 8 mV.

PRÉCISION DES MESURES ET TRAITEMENT DU SIGNAL

Au-delà du bruit sur le signal d’entrée, du bruit électronique et de la fluctuation du signal (gigue), il existe aussi une erreur de précision spécifique à la mesure du temps d’impulsion.

Il faut considérer que, comme le temps de montée du signal transmis est fini, le temps de montée du signal reçu sera lui aussi fini. Cela signifie que ce dernier passera par une tension de seuil matérialisant la détection, avec un temps de retard qui sera proportionnel à la différence d’amplitude existant avec le signal émis. Cet effet de seuil est montré par la Figure 2 au temps t1 et t2 des signaux émis et reçu.

Un système basé sur la conversion numérique du temps, repose sur l’enregistrement des instants où les fronts montants et les fronts descendants traversent le seuil de détection. Cette seule information suffit à réaliser un traitement numérique pour le calcul du temps de vol.

Différentes possibilités peuvent être envisagées afin d’accroître la précision et la robustesse des signaux dans le cadre d’une conversion numérique de temps. Constituant le principe central du convertisseur numérique de temps, le traitement appelé corrélation de domaine temporel, conduit à dégager des informations à partir des fronts montants et descendants du signal.

La corrélation du domaine temporel est similaire à une corrélation classique en ce sens qu’il devient possible de calculer le temps de vol, même en présence de bruit.

L’unité centrale lit les valeurs de cycle délivrées par le circuit convertisseur numérique de temps qui ne changent qu’en présence d’un changement d’état de 0 à 1 ou de 1 à 0. Le seuil de déclenchement du comparateur devra être au moins trois fois supérieur au niveau de bruit pour espérer s’affranchir des faux positifs et des faux négatifs.

La mise au point de systèmes de mesure des distances, basés sur le temps de vol de la lumière comporte des difficultés mais le domaine d’application, qui s’ouvre aux expérimentateurs est l’un des plus vastes existant actuellement, spécialement dans le domaine de l’automatisation industrielle.