Télémétrie Optique

En télémétrie optique, le système utilisé est la télémétrie laser. Un rayon laser est projeté sur une cible qui renvoie à son tour le rayon lumineux. Le boîtier électronique calcule le déphasage entre l’émission et la réception.

Télémétrie Acoustique

En télémétrie acoustique, on utilise des appareils utilisant les propriétés particulières de la propagation du son pour mesurer la distance avec l’objet ciblé. L’onde sonore est projetée dans le milieu et l’écho du son sera traité pour déterminer la distance de la cible.

Télémétrie Radioélectrique

En télémétrie Radioélectrique, les ondes électromagnétiques de faible énergie sont propagées par les systèmes de télémétrie et sont réfléchies par la cible. La distance est obtenu e grâce au temps aller/retour du signal.

LES TECHNOLOGIES

Technologie Sonar

Un système SONAR ou SOund Navigation And Ranging émet généralement des impulsions ultrasonores grâce à un appareil situé sur la coque et reçoit les ondes réfléchies par les obstacles à l’aide d’un capteur sensible. La détection et la localisation d’une cible par un système SONAR sont basées sur la réception soit de l’écho d’un signal émis par le système et réfléchi sur la cible (SONAR actif) soit directement du bruit rayonné par la cible (SONAR passif).

Principe et architecture du sonar

Le système SONAR est une interface entre monde acoustique et électrique. Utilisant les propriétés de certains cristaux naturels ou céramiques, les transducteurs électroacoustiques sous-marins transforment l’énergie électrique en énergie acoustique et vice-versa.
En réception, la conversion des données acoustiques (pression acoustique incidente) en données électriques (tension en sortie) est effectuée par un ou plusieurs capteurs ou hydrophones.
A l’émission, les projecteurs ou bases acoustiques émettent des impulsions dans une direction oblique vers le fond de la mer et quand un objet passe devant le capteur, une portion de l’onde sonore émise est réfléchie vers le récepteur. Tout dépend ensuite de l’analyse du signal réfléchi.
On en déduira ensuite, soit la distance de cet objet par rapport au capteur, soit la vitesse de déplacement. Nous allons voir dans la figure 1.6 ci-dessous la technique d’acquisition des systèmes SONAR [4].

Caractérisation d’un sonar

L’équation SONAR doit tenir compte de la puissance de la source sonore (niveau de la source), de la propagation et de l’atténuation du son lorsque l’impulsion sonore se déplace du sonar vers la cible (perte de transmission), de la quantité de son réfléchie vers le sonar par la cible (force de la cible), de la propagation et de l’atténuation du son lorsque l’impulsion réfléchie se déplace vers le récepteur (perte de transmission), du bruit de fond au niveau du récepteur (niveau de bruit) et des caractéristiques du récepteur (gain du réseau).
Le sonar transmet un signal avec un niveau de source SL, donné en dB sous l’eau à un mètre de la source. Le son s’affaiblit au fur et à mesure qu’il se déplace vers la cible. La réduction totale de l’intensité du signal est appelée perte de transmission TL, exprimée en décibels.
L’intensité sonore à la cible est alors (SL-TL) décibels. Seule une partie du son qui atteint la cible, qu’il s’agisse d’un banc de poissons, du fond marin ou d’un sous-marin, est réfléchie vers le sonar. L’intensité de l’écho à un mètre de la cible par rapport à l’intensité du son frappant la cible est appelée la puissance cible TS, exprimée en décibels.
L’écho à un mètre de la cible ressemble essentiellement au signal d’une source avec un niveau de source de :

SONAR passif

Le SONAR passif est une méthode pour détecter les signaux acoustiques dans un environnement sous-marin, habituellement l’océan. La différence entre le SONAR passif et actif est qu’un système passif de sonar n’émet aucun signal. Son but est de détecter les signaux acoustiques émanant des sources extérieures. Le SONAR passif est le premier type de SONAR a être mise en œuvre, l’analyse des échos des impulsions déjà présent dans le milieu lui en valut une utilisation primordiale dans la détection sous-marine. Il est notamment utilisé aux ports pour l’écoute des navires, par les biologistes et les pêcheurs pour la détection de la faune et la flore sous-marines.
Dans le SONAR passif, un capteur (système d’hydrophones) immergé écoute les ondes acoustiques dans sa zone de détection. Un ensemble d’hydrophone ponctuel permet de former une antenne de détection que l’on puisse s’appuyer sur ses caractéristiques géométriques pour palier certains problèmes. Un système de réception traite le signal reçu et l’affiche sur unmoniteur pour être observé par un observateur humain.

SONAR actif

Un sonar actif émet une impulsion sonore et écoute l’écho de celui-ci émanant des obstacles qu’elle rencontre. Les bases d’émission et réception des signaux sont des antennes et sont formées de plusieurs hydrophones. Les antennes utilisées sont : soit directionnelle à orientation mécanique, soit fixe et omnidirectionnelle. A la réception, la direction de l’écho est également déterminée par la mesure des déphasages sur chaque hydrophone.

Technologie radar

Le mot RADAR provient de l’acronyme anglais Radio Détection And Ranging, adopté par la marine américaine en 1940, que l’on peut traduire par détection et estimation de la distance par ondes radioélectriques. Cette technologie de détection et de localisation est appelée successivement Détection Electromagnétique (France), Radio Location (Grande Bretagne) et enfin RADAR (nom du projet aux Etats-Unis, vulgarisé en 1945).

Principe et architecture

Un radar est un système qui utilise la propriété des ondes électromagnétiques via la réflexion totale ou partielle sur tout obstacle, permettant ainsi de détecter des objets (cibles) qui sont situés à l’intérieur de sa zone de couverture pour en extraire des informations comme la position, la vitesse et la forme.
Au sens large du terme, une cible, target en anglais, est tout objet qui interfère avec l’onde émise et réfléchit une partie de l’énergie vers le radar. On fait la distinction entre une cible qui est l’objet qu’on veut détecter et le « clutter » qui représente les objets non désirées (réflexions de la mer, de la terre, pluie, oiseaux, insectes, météorites, etc) qui interceptent aussi l’énergie et la renvoient.
Le RADAR est généralement constitué d’un émetteur engendrant le signal, d’une antenne le focalisant dans l’espace, d’un récepteur recueillant l’onde de retour et d’un système d’exploitation ou d’un calculateur traitant l’information recueillie.

Emission continue ou pulsée

Une émission continue confine la mesure au point de focalisation, elle a une portée limitée puisque le faisceau ne peut être focalisé au -delà d’une certaine distance. Cependant, sa précision est meilleure que celle d’une émission pulsée, car la totalité de sa puissance est utilisée pour sonder un volume donné. Une émission pulsée permet d’obtenir une information spatialement résolue et d’atteindre des portées importantes.

Emission/réception mono ou bistatique

En monostatique, les axes de réception et d’émission sont confondus. L’avantage est l’obtention d’un recouvrement spatial plus rapide et la compacité de l’instrument. Mais cela nécessite l’insertion d’un système de séparation des voies aller et retour. En bistatique, les axes sont différents (éventuellement parallèles), ce qui permet d’avoir une architecture plus simple. Mais le télescope ne « voit » pas le faisceau laser à courte portée, il y a donc une zone dans laquelle aucune mesure n’est réalisable.
Le mode de fonctionnement d’un système radar est illustré dans la Fig1.8 suivantes [5].

Technologie lidar

Principe de fonctionnement

La télédétection par laser ou LIDAR (Light Detection and Ranging) est une technologie de télédétection ou de mesure optique basée sur l’analyse des propriétés d’une lumière laser renvoyée vers son émetteur. Il utilise la lumière comme support de l’information au lieu d’ondes radio pour le cas du radar et d’ondes sonores pour le sonar. Le lidar est l’équivalent optique du radar. Il est même parfois désigné sous le nom de radar optique.
Le principe du lidar consiste à émettre une impulsion laser en direction de l’objet de l’étude. Quand l’onde rencontre sur son trajet un quelconque objet, deux phénomènes se produisent : l’absorption d’une partie de l’énergie incidente par l’objet et la diffusion de la lumière suivant toutes les directions.
Une partie de la lumière revient vers l’instrument : c’est le processus de rétrodiffusion.
Cette énergie lumineuse est captée grâce à un photorécepteur et est convertie en signal électrique.

Architecture

Le LIDAR comporte un émetteur et un récepteur. L’émetteur est un LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) d’impulsion émettant dans le domaine du spectre de lumière allant de l’ultraviolet à l’infrarouge, en passant par la lumière visible.
Différentes sortes de lasers sont utilisées, en fonction de la puissance et de la longueur d’onde requise. Les lasers peuvent être à émission continue ou pulsée.
Les éléments essentiels d’un LIDAR peuvent être séparés en module d’émission, en module de réception et en module de détection [6].

Module d’émission

Le module d’émission est constitué d’un émetteur LASER et d’un dispositif optomécanique. L’émetteur LASER génère soit des impulsions lumineuses soit un faisceau continu. Le choix des paramètres du LASER dépend du milieu de propagation et des caractéristiques de la cible. Les dispositifs optomécaniques sont utilisés pour diriger ou amplifier l’impulsion laser vers la cible pour améliorer ainsi le signal reçu par les récepteurs.

Module de réception

Le module de réception est constitué d’un système optique collectant le signal rétrodiffusé et d’un système optique de traitement. Le système collecte la lumière rétrodiffusée et la focalise en un point. Sa taille est importante pour déterminer l’efficacité du système.
Le module de réception peut aller de quelques dizaines de centimètres à quelques mètres. Puis la lumière est traitée par un filtrage en longueur d’onde, en polarisation ou en « altitude » selon le sujet de l’étude.
Un filtrage en longueur d’onde permet de s’affranchir d’une partie du bruit de fond ou de cibler une longueur d’onde particulière. Le filtrage en polarisation permet d’étudier le taux de dépolarisation de la lumière au moment de la rétrodiffusion et d’acquérir ainsi une information sur la forme des diffuseurs. Le filtrage en altitude est utilisé pour protéger les lidars hautes puissances de la lumière rétrodiffusée en champ proche.
Cette dernière, trop puissante, risque d’empêcher le système de détection d’enregistrer des signaux avec une bonne précision. Ce filtrage est réalisé à l’aide d’un « chopper » qui obstrue le chemin optique pendant et juste après le tir d’une impulsion.

Le module de détection

Le module de détection convertit le signal lumineux en signal électrique. Pour les lidars incohérents, la détection se fait généralement à l’aide de photomultiplicateurs, mais d’autres détecteurs peuvent convenir tels que les photodiodes à avalanche, les photomultiplicateurs à multi anodes ou les capteurs CCD (Charge-Coupled Device).
En sortie des détecteurs, des impulsions électriques sont produites à la fois par les photons entrant sur le détecteur et par la production d’électrons due à l’émission thermique à l’intérieur du détecteur ; ce phénomène est appelé courant d’obscurité. Ces impulsions sont enregistrées. Il existe deux méthodes per mettant de le faire : le photocomptage ou la détection analogique. Le premier est plus précis, mais sature lorsque le flux lumineux détecté est élevé, le second est moins sensible, mais admet une dynamique plus importante [7].
Les télescopes utilisés comme récepteurs peuvent être de différents types, selon l’optique (forme géométrique, miroirs ou lentilles) et les matériaux (solides ou liquides) utilisés, ainsi que selon leur taille. Plus un télescope a un grand diamètre, plus il peut collecter de la lumière, ce qui est important pour détecter des processus physiques qui ont une très faible section efficace. L’inconvénient d’un grand diamètre est la détection de plus de lumière provenant du reste de l’atmosphère, mais il est possible de limiter cela par l’utilisation de filtres interférométriques par exemple.

LIDAR à rétrodiffusion

Pour ce type de LIDAR, le facteur important est le coefficient de rétrodiffusion ρ qui contient les informations sur la densité des éléments diffusants. On en distingue deux sous catégories selon le mode de rétrodiffusion.
– Le LIDAR à rétrodiffusion élastique, également appelé LIDAR Rayleigh-Mi, est basé sur la diffusion élastique de la lumière [7]. Quand la diffusion se fait principalement sur les molécules d’air, on parle de LIDAR Rayleigh. Ces LIDARS sont utilisés pour la mesure de la densité de l’atmosphère stratosphérique et le calcul de profil de la températ ure. Et dans le cas où la diffusion se fait principalement sur les particules, on parle de LIDAR Mie, qui permet de localiser et de mesurer la concentration de couches nuageuses ou de particules dispersées dans l’atmosphère.
– Le LIDAR à rétrodiffusion inélastique ou LIDAR Raman utilisent comme leur nom l’indique un processus de diffusion inélastique, c’est -à-dire avec échange d’énergie entre le rayonnement laser et les cibles, entrainant un glissement en fréquence de la radiation diffusée [7]. Ces LIDARS travaillent sur une molécule spécifique. La longueur d’onde du rayonnement diffusé par la molécule est décalée par rapport à celle du rayonnement incident. La valeur de ce décalage étant caractéristique de la cible, elle peut fournir des informations, sur celle-ci. Cette technique est largement appliquée aux mesures des vapeurs d’eau.

Lidar DIAL

Pour ce type de LIDAR, c’est le coefficient d’absorption atmosphérique qui est intéressant. Ces LIDARS travaillent sur des composés gazeux spécifiques et utilisent d es raies ou des bandes d’absorption de ces gaz.
Deux faisceaux de deux longueurs d’ondes différentes sont émis, l’un est centré sur une raie d’absorption et l’autre proche sert de référence. Leurs coefficients d’absorption respectifs sont déterminés et la différence entre les deux permet de déduire la quantité de gaz présent.

Lidar Doppler cohérent

Contrairement aux LIDARS incohérents décrit précédemment, ce LIDAR fait appel à la cohérence temporelle des sources laser. Dans ce cas, on utilise une source monomode et stabilisée en fréquence. Le signal détecté est fourni par un interféromètre qui effectue le mélange cohérent entre l’amplitude du faisceau rétrodiffusé à distance et une petite fraction du faisceau laser émis.
Les systèmes de détection et de localisation n’ont pas cessé d’évoluer, pour aider l’homme à améliorer ses capacités naturelles. En utilisant les propriétés de l’onde électromagnétique pour les radars, de l’onde sonore pour les sonars et de l’onde lumineuse pourles lidars, l’homme améliore sa maitrise de son environnement. Dans ce premier chapitre, les propriétés des ondes et les différentes technologies découlant ont été abordées. Parmi les différentes technologies évoquées, on a constaté que le lidar est devenu de plus en plus accessible, suite à l’évolution exceptionnelle des micros et nanotechnologies. Ainsi dans le second chapitre, nous allons orienter nos études vers l’analyse et le traitement des signaux lidars.

Table des matières

TENY FISAORANA
REMERCIEMENTS
RESUME 
ABSTRACT 
LISTE DES ABREVIATIONS
LISTE DES FIGURES
LISTE DES TABLEAUX 
INTRODUCTION 
CHAPITRE 1. GENERALITE SUR LES SYSTEMES DE DETECTION ET DE LOCALISATION
1.1. EVOLUTION DES SYSTEMES DE DETECTION ET DE LOCALISATION
1.2. QUELQUES SPECIFICATIONS
1.2.1. Télédétection
1.2.2. Radiolocalisation
1.2.3. Télémétrie
1.3. LES TECHNOLOGIES
1.3.1. Technologie Sonar
1.3.2. Technologie radar
1.3.3. Technologie lidar
CHAPITRE 2. ANALYSE ET TRAITEMENT DES SIGNAUX LIDAR 
2.1. GENERALITE SUR LA TECHNOLOGIE LASER
2.1.1. Principe du Laser
2.1.2. Les Différents types de Laser
2.1.3. Propagation de l’onde optique
2.2. SYSTEME DE RECEPTION
2.2.1. Photorécepteur
2.2.2. Mode de détection
2.3. DOMAINES D’APPLICATION DU LIDAR
2.3.1. Topographie
2.3.2. Géoscience
2.3.3. Science de l’environnement
2.3.4. Domaine Militaire
2.3.5. Infrastructure du transport
CHAPITRE 3. EXPLOITATION DU LIDAR DANS LE TRANSPORT TERRESTRE 
3.1. DESCRIPTION DU PROJET
3.1.1. Architecture du système de télémesure de la vitesse par lidar
3.1.2. Méthode de mesure lidar
3.1.3. Objectif du projet
3.2. MODELISATION MATHEMATIQUE
3.2.1. Modélisation du module d’émission
3.2.2. Modélisation de l’environnement de propagation
3.2.3. Modélisation du faisceau laser et de sa propagation dans l’air
3.2.4. Modélisation de la cible
3.2.5. Modèle du module de réception
3.3. SIMULATION D’UN CINEMOMETRE LIDAR
3.3.1. Simulateur d’un lidar détecteur de distance
3.3.2. Application JAVA d’un lidar gun ou cinémomètre lidar
3.4. RESULTATS DE LA SIMULATION
3.4.1 Analyse et interprétation de la simulation
3.4.2. Interprétation
3.4.3. Comparaison avec les cas existants
CONCLUSION 
ANNEXE 1 : Rappels sur le traitement numérique du signal 
ANNEXE 2 : Historique des lasers 
ANNEXE 3. EXTRAIT DUCODE JAVA CINEMOMETRE
ANNEXE 4 : Extrait de code en langage MATLAB de la pro pagation dans un milieu non
atténuant 
REFERENCES