FR2604796A1

FR2604796A1 - Optical system for determining distance between two bodies

Info

Publication number: FR2604796A1
Application number: FR8713674A
Authority: FR
Inventors: Reinhard Czichy
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1986-10-03
Filing date: 1987-10-02
Publication date: 1988-04-08
Also published as: JPS63145910A; DE3633681C2; DE3633681A1

Abstract

The individual reflectors of the retro-reflector unit can be imaged by an objective (6), such that the dia. of their images is larger than the dia. of a sensor element. A control unit is provided which detects the centres of the reflector images, and the distance between the two bodies is determined from the centre to centre distances. The individual reflectors of the retroreflector unit, reflect light of different wavelengths. The lighting system transmits lights of different wavelengths at time successive intervals, each of which is reflected from a retroreflector. The control unit determines the distance from the incident images of the retroreflectors separated in time. For the additional determination of the relative position of the two bodies, one of the bodies has at least three mutually spaced retroreflector, their spacing and/or reflection ability being variable.

Description

DISPOSITIF DE DETERMINATION DE LA DISTANCE ENTRE
DEUX CORPS
L'invention se rapporte à un dispositif de détermination de la distance entre deux corps dont l'un comprend un ensemble de rétroréf lecteurs comportant au moins deux réflecteurs disposés à distance les uns des autres, et l'autre un dispositif d'éclairage pour l'ensemble de rétroréflecteurs, un système de détecteurs sur lequel les différents réflecteurs de l'ensemble de rétroréflecteurs peuvent être reproduits au moyen d'un objectif de telle sorte que le diamètre de leurs images soit plus grand que le diamètre d'un capteur, et une unité de commande qui définit le centre de gravité des images des réflecteurs et détermine la distance à partir de l'écart entre les centres de gravité des images.DEVICE FOR DETERMINING THE DISTANCE BETWEEN
TWO BODIES
The invention relates to a device for determining the distance between two bodies, one of which comprises a set of retro-readers, comprising at least two reflectors placed at a distance from each other, and the other a lighting device for the 'retroreflector assembly', a detector system on which the different reflectors of the retroreflector assembly can be reproduced by means of a lens so that the diameter of their images is greater than the diameter of a sensor, and a control unit which defines the center of gravity of the images of the reflectors and determines the distance from the difference between the centers of gravity of the images.

Les dispositifs du type mentionné ci-dessus sont fondés sur le fait connu que, par interpolation, on peut déterminer le centre de gravité d'un spot lumineux apparaissant sur un système de détecteurs avec une précision qui est sensiblement plus petite que le diamètre d'un capteur, dans la mesure où le diamètre du spot lumineux est plus grand que le diamètre d'un capteur. Pour donner un ordre d'idée, le centre de gravité peut être déterminé avec une définition de 10% à 2% du diamètre d'un capteur. Une "extension appropriée du spot lumineux sur plusieurs capteurs" peut par exemple être obtenue par une reproduction correspondante, par défocalisations et/ou par introduction volontaire d'aberrations. The devices of the type mentioned above are based on the known fact that, by interpolation, it is possible to determine the center of gravity of a light spot appearing on a detector system with an accuracy which is substantially smaller than the diameter of a sensor, insofar as the diameter of the light spot is larger than the diameter of a sensor. To give an idea, the center of gravity can be determined with a definition of 10% to 2% of the diameter of a sensor. An "appropriate extension of the light spot on several sensors" can for example be obtained by a corresponding reproduction, by defocusing and / or by voluntary introduction of aberrations.

Lors de la détermination du centre de gravité de plusieurs spots lumineux, il est bien entendu nécessaire que les différents spots lumineux ne se chevauchent pas en cas de chevauchement de plusieurs spots lumineux, en effet, on ne déterminerait pas les différents centres de gravité des spots lumineux, mais le centre de gravité commun des spots lumineux se chevauchant. When determining the center of gravity of several light spots, it is of course necessary that the different light spots do not overlap in the event of overlapping of several light spots, in fact, the different centers of gravity of the spots are not determined bright, but the common center of gravity of the overlapping light spots.

Par conséquent, dans les dispositifs de détermination de la distance entre deux corps du type précité, le fait que les différentes images des rétroréf lecteurs ne doivent absolument pas se chevaucher limite la distance maximale à déterminer pour un champ optique donné du système de détecteurs et un écartement donné entre les différents réflecteurs. Ainsi, par exemple, avec un système de détecteurs comprenant 385 x 288 capteurs ayant chacun une dimension de 22 pm x 22 zm et un champ optique de 0,67 x 0,5 , la distance maximale susceptible d'être déterminée entre les corps ne peut pas dépasser 4400 m avec un écartement de 0,8 m entre les rétroréflecteurs. De plus grandes distances ne peuvent plus être définies, attendu que les images des rétroréflecteurs se chevaucheraient alors. Consequently, in the devices for determining the distance between two bodies of the aforementioned type, the fact that the different images of the retro-readers must absolutely not overlap limits the maximum distance to be determined for a given optical field of the detector system and a spacing given between the different reflectors. Thus, for example, with a detector system comprising 385 x 288 sensors each having a dimension of 22 pm x 22 zm and an optical field of 0.67 x 0.5, the maximum distance that can be determined between the bodies does not cannot exceed 4400 m with a 0.8 m spacing between the retroreflectors. Larger distances can no longer be defined, since the images of the retroreflectors would then overlap.

Pour la détermination de la distance entre deux corps, l'invention a pour objet d mettre au point un
s dispositif qui permette la détermination de plus grandes distances qu'avec les dispositifs du type mentionné au début.The object of the invention for determining the distance between two bodies is to develop a
s device which allows the determination of greater distances than with devices of the type mentioned at the beginning.

Ce résultat est atteint selon l'invention par le fait que les différents rétroréflecteurs réfléchissent de la lumière de longueurs d'ondes différentes, que le dispositif d'éclairage émet successivement dans le temps de la lumière de longueurs d'ondes différentes qui est respectivement réfléchie par l'un des rétroréflecteurs, et que l'unité de commande détermine la distance à partir des images, arrivant séparément dans le temps, des rétroréf lecteurs. This result is achieved according to the invention by the fact that the different retroreflectors reflect light of different wavelengths, that the lighting device successively emits light of different wavelengths in time which is respectively reflected. by one of the retro-reflectors, and that the control unit determines the distance from the images, arriving separately in time, from the retro-reflectors.

L'idée maitraisse de l'invention est de différencier par un codage optique des images de rétroréf lecteurs qui ne seraient plus définissables angulairement avec une configuration donnée du système de détecteurs. The main idea of the invention is to differentiate by optical coding images of retro-readers which would no longer be angularly definable with a given configuration of the detector system.

Avec un dispositif du type précité, ce codage optique peut être réalisé par le fait que le dispositif d'éclairage éclaire l'ensemble de rétroréflecteurs successivement avec de la lumière de différentes longueurs d'ondes et que chacun des rétroréflecteurs ne réfléchit que de la lumière d'une seule longueur d'onde. With a device of the aforementioned type, this optical coding can be carried out by the fact that the lighting device illuminates the set of retroreflectors successively with light of different wavelengths and that each of the retroreflectors reflects only light single wavelength.

De cette façon, les images des différents rétroréflecteurs apparaissent les unes après les autres sur le système de détecteurs. Aucune des images ne pouvant ainsi se chevaucher, le centre de gravité de chaque image peut être déterminé sans difficulté avec la définition maximale possible, même en cas de grande distance entre les objets. La distance maximale mesurable n'est donc plus limitée que par le pouvoir de résolution du système de détecteurs pour le centre de gravité d'un spot lumineux ou, exprimé en d'autres termes, par les différences de position des images des rétroréflecteurs qui peuvent encore être définies. A titre indicatif, avec le système de détecteurs précédemment pris comme exemple et les mêmes données concernant les angles optiques et les écartements des rétroréflecteurs, on obtient une distance limite de 132 km avec un dispositif selon l'invention.La distance maximale encore déterminable doit donc être multipliée par le facteur 30 par rapport aux dispositifs du type mentionné au début.In this way, the images of the various retroreflectors appear one after the other on the detector system. None of the images can thus overlap, the center of gravity of each image can be determined without difficulty with the maximum possible definition, even in the event of great distance between the objects. The maximum measurable distance is therefore no longer limited except by the resolving power of the detector system for the center of gravity of a light spot or, expressed in other words, by the differences in position of the images of the retro-reflectors which can yet to be defined. As an indication, with the detector system previously taken as an example and the same data concerning the optical angles and the spacings of the retroreflectors, a limit distance of 132 km is obtained with a device according to the invention. The maximum distance which can still be determined must therefore be multiplied by the factor 30 compared to the devices of the type mentioned at the beginning.

Dans le dispositif selon l'invention, pour la détermination supplémentaire de la position relative des deux corps, l'un des corps comporte au moins trois rétroréflecteurs disposés à distance les uns des autres et dont la distance et/ou le pouvoir de réflexion sont différents. En utilisant, par exemple, au moins trois rétroréflecteurs qui sont réalisés de façon à pouvoir être facilement identifiés, il est possible de déterminer non seulement la distance entre les deux corps, mais aussi leur position relative. In the device according to the invention, for the additional determination of the relative position of the two bodies, one of the bodies comprises at least three retroreflectors arranged at a distance from each other and whose distance and / or the power of reflection are different . By using, for example, at least three retroreflectors which are made so that they can be easily identified, it is possible to determine not only the distance between the two bodies, but also their relative position.

L'identification des différents rétroréflecteurs peut par exemple se faire en les disposant avec des écartements différents entre eux et/ou en leur conférant un pouvoir de réflexion différent pour la lumière incidente.The identification of the different retroreflectors can for example be done by arranging them with different spacings between them and / or by giving them a different power of reflection for the incident light.

Le codage optique selon l'invention peut être utilisé non seulement pour différencier les différents rétroréf lecteurs de l'ensemble de rétroréflecteurs, mais aussi pour identifier différents corps. Pour l'identification de différents corps, chaque corps peut comporter, par exemple, moins de rétroréflecteurs que le dispositif d'éclairage n'émet de la lumière de longueurs d'ondes différentes. Bien entendu, d'autres possibilités d'identification peuvent aussi être utilisées en se basant sur les principes mêmes de l'invention qui permettent une détermination extrêmement précise des centres de gravité des images des différents rétroréf lecteurs. On peut, par exemple, recourir à des configurations déterminées des rétroréf lecteurs pour l'identification. The optical coding according to the invention can be used not only to differentiate the different retro-readers from the set of retro-reflectors, but also to identify different bodies. For the identification of different bodies, each body can comprise, for example, fewer retroreflectors than the lighting device emits light of different wavelengths. Of course, other identification possibilities can also be used based on the very principles of the invention which allow an extremely precise determination of the centers of gravity of the images of the different retro-readers. One can, for example, use specific configurations of retro readers for identification.

Selon une autre particularité avantageuse de l'invention, le 'codage optique peut aussi être obtenu de façon simple en plaçant devant chaque rétroréflecteur un filtre dont la transmission spectrale n'autorise que la réflexion de lumière d'une gamme d'onde déterminée. According to another advantageous feature of the invention, the optical coding can also be obtained in a simple manner by placing a filter in front of each retroreflector, the spectral transmission of which only allows the reflection of light of a determined wave range.

L'idée maitraîsse de l'invention du codage optique peut être avantageusement perfectionnée par l'emploi d'une optique à focale variable, par exemple d'un zoom ou d'une optique de commutation ; avec une telle optique, on peut adapter l'angle optique du capteur à la distance à mesurer de façon à pouvoir procéder à la mesure avec une résolution particulièrement élevée dans une plage de distances déterminée. The main idea of the invention of optical coding can be advantageously perfected by the use of a variable focal length optic, for example a zoom lens or a switching optic; with such an optic, it is possible to adapt the optical angle of the sensor to the distance to be measured so as to be able to carry out the measurement with a particularly high resolution within a determined distance range.

L'invention peut avantageusement servir à déterminer la distance et la position relative de corps dans l'espace. Elle peut permettre ainsi non seulement la détermination de la distance entre deux satellites, mais aussi de leur position relative, ainsi que la différenciation de plusieurs corps différents. The invention can advantageously be used to determine the distance and the relative position of bodies in space. It can thus allow not only the determination of the distance between two satellites, but also of their relative position, as well as the differentiation of several different bodies.

L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description d'un mode de réalisation pris comme exemple, mais non limitatif, et illustré par le dessin annexé, sur lequel
la figure d est une coupe d'un dispositif d'éclairage et d'un capteur réalisés selon l'invention ;
la figure 2a représente la disposition des rétroréflecteurs ;
la figure 2b représente la caractéristique de longueur d'onde du dispositif d'éclairage
la figure 2c représente la caractéristique de longueur d'onde des rétroréflecteurs ;
les figures 3a, 3b représentent différentes images des rétroréflecteurs sur le système de détecteurs.The invention will be better understood using the description of an embodiment taken as an example, but not limiting, and illustrated by the appended drawing, in which
FIG. d is a section through a lighting device and a sensor produced according to the invention;
Figure 2a shows the arrangement of the retroreflectors;
Figure 2b shows the wavelength characteristic of the lighting device
FIG. 2c represents the wavelength characteristic of the retroreflectors;
Figures 3a, 3b show different images of the retroreflectors on the detector system.

La figure 1 représente une coupe d'un dispositif d'éclairage, réalise selon l'invention, pour des rétroréflecteurs non représentés à la figure 1, ainsi que d'un capteur pour la lumière réfléchie par les rétroréflecteurs. FIG. 1 represents a section of a lighting device, produced according to the invention, for retroreflectors not shown in FIG. 1, as well as a sensor for the light reflected by the retroreflectors.

Le dispositif d'éclairage comprend quatre sources lumineuses 11, 12, 13 et 14 dont la lumière est réunie en un rayon commun 4 par un groupe de prismes 2 et un objectif de projection 3. Le rayon 4 est dirigé sur un ensemble de rétroréflecteurs qui est installé sur un autre corps. La lumière 5 réfléchie par l'ensemble de rétroréf lecteurs est reproduite sur un système de détecteurs 7 au moyen d'un objectif 6 seulement représenté schématiquement à la figure 1. The lighting device comprises four light sources 11, 12, 13 and 14, the light of which is united in a common ray 4 by a group of prisms 2 and a projection objective 3. The ray 4 is directed on a set of retroreflectors which is installed on another body. The light 5 reflected by the set of retro-readers is reproduced on a detector system 7 by means of an objective 6 only shown schematically in FIG. 1.

Le système de détecteurs 7 et les différentes sources lumineuses 11 à 14 sont raccordés par des lignes 81, 82, 83, 84 et 85 à une unité de commande non représentée. The detector system 7 and the various light sources 11 to 14 are connected by lines 81, 82, 83, 84 and 85 to a control unit not shown.

La figure 2a représente la disposition de trois rétroréflecteurs 91, 92 et 93. Les rétroréflecteurs sont disposés à différentes distances xi et xn sur les sommets d'un triangle rectangle. Devant les rétroréf lecteurs se trouvent des filtres, non représentés en détail, qui ont une caractéristique de transmission qui confère aux différentes unités rétroflecteur/filtre la caractéristique de réflexionTi (X) reproduite à la figure 2c. FIG. 2a represents the arrangement of three retroreflectors 91, 92 and 93. The retroreflectors are arranged at different distances xi and xn on the vertices of a right triangle. In front of the retro-readers are filters, not shown in detail, which have a transmission characteristic which gives the different retroflector / filter units the reflection characteristic Ti (X) reproduced in FIG. 2c.

Le mode de fonctionnement du dispositif illustré aux figures 1 et 2a-2c est décrit ci-après en référence aux figures 3a, 3b. The operating mode of the device illustrated in Figures 1 and 2a-2c is described below with reference to Figures 3a, 3b.

L'unité de commande, non représentée, active les sources lumineuses 11 à 14 par l'intermédiaire des lignes 81 à 84 de manière que les sources lumineuses émettent de la lumière successivement les unes après les autres. Les flux lumineux I des différentes sources lumineuses ayant des longueurs d'ondes différentes comme illustré à la figure 2b - la lumière de la source lumineuse 11 n'est réfléchie que par le rétroréflecteur 91, celle de la source lumineuse 12 que par le rétroréflecteur 92 et celle de la source lumineuse 13 que par le rétroréflecteur 93. La lumière de la source lumineuse 14 n'est pas réfléchie du tout. The control unit, not shown, activates the light sources 11 to 14 through the lines 81 to 84 so that the light sources emit light successively one after the other. The light fluxes I of the different light sources having different wavelengths as illustrated in FIG. 2b - the light of the light source 11 is only reflected by the retroreflector 91, that of the light source 12 only by the retroreflector 92 and that of the light source 13 only by the retroreflector 93. The light from the light source 14 is not reflected at all.

Selon la distance de l'unité éclairage/capteur, représentée à la figure 1, par rapport à l'ensemble de rétroréflecteurs, représenté à la figure 2a, on obtient les images, illustrées sur les figures 3a, 3b, des rétroréflecteurs sur le système de détecteurs 7. Les images 91', 92' et 93' des rétroréflecteurs 91, 92 et 93 apparaissent successivement les unes après les autres conformément aux émissions de lumière des sources lumineuses 11 à 13.De cette façon, non seulement en cas de petites distances pour lesquelles les différentes images sont séparées (figure 3a), mais aussi en cas de grandes distances pour lesquelles les différentes images se chevauchent - comme illustré à la figure 3b - il est possible de déterminer au moyen de l'unité de commande non représentée, les centres de gravité, symbolisés par "x", des spots lumineux sur le système de détecteurs 7. Depending on the distance of the lighting / sensor unit, shown in Figure 1, from the set of retroreflectors, shown in Figure 2a, we get the images, illustrated in Figures 3a, 3b, of the retroreflectors on the system of detectors 7. The images 91 ′, 92 ′ and 93 ′ of the retroreflectors 91, 92 and 93 appear successively one after the other in accordance with the light emissions from the light sources 11 to 13. In this way, not only in the case of small distances for which the different images are separated (FIG. 3a), but also in the case of large distances for which the different images overlap - as illustrated in FIG. 3b - it is possible to determine by means of the control unit not shown , the centers of gravity, symbolized by "x", light spots on the detector system 7.

La détermination du centre de gravité des différents spots lumineux s'effectue ici d'après les formules d'interpolation connues qui sont analogues aux formules utilisées en mécanique pour la détermination du centre de gravité massique, si bien qu'il n'est pas nécessaire d'y revenir en détail ici. The center of gravity of the various light spots is determined here according to known interpolation formulas which are analogous to the formulas used in mechanics for the determination of the mass center of gravity, so that it is not necessary to come back to it in detail here.

A partir des positions déterminées des centres de gravité des images des rétroréf lecteurs, l'unité de commande, non représentée, - par exemple un microordinateur ou un circuit calculateur incorporé - pour une distance entre rétroréflecteurs et une distance focale donnée de l'objectif de reproduction, peut calculer par les lois de la géométrie la distance entre le capteur et l'ensemble de rétroréf lecteurs : par exemple avec un système de détecteurs comptant 385 x 288 capteurs d'une dimension de 22 mm x 22 zm chacun et un angle optique de 0,67 x 0,5" et avec une distance de 0,8 m entre les rétroréflecteurs, il est possible de déterminer la distance de corps jusqu'à un maximum de 132 km. From the determined positions of the centers of gravity of the images of the retro-readers, the control unit, not shown, - for example a microcomputer or an incorporated calculator circuit - for a distance between retro-reflectors and a given focal distance from the objective of reproduction, can calculate by the laws of geometry the distance between the sensor and the set of retro readers: for example with a system of detectors counting 385 x 288 sensors with a dimension of 22 mm x 22 zm each and an optical angle of 0.67 x 0.5 "and with a distance of 0.8 m between the retroreflectors, it is possible to determine the body distance up to a maximum of 132 km.

Par ailleurs, en interprétant la forme géométrique de la disposition des rétroréflecteurs en cas d'utilisation de plus de deux réflecteurs et/ou en interprétant la caractéristique de réflexion de ceux-ci, il est possible d'identifier le corps dont la distance est mesurée
Les différents rétroréflecteurs 91 à 93 peuvent être identifiés sans aucun doute sur la base du codage optique, ou en d'autres termes, par l'instant de leur réponse à un rayon lumineux incident.In addition, by interpreting the geometric shape of the arrangement of the retroreflectors when using more than two reflectors and / or by interpreting the reflection characteristic of these, it is possible to identify the body whose distance is measured
The various retroreflectors 91 to 93 can be identified without any doubt on the basis of optical coding, or in other words, by the instant of their response to an incident light ray.

Ainsi, par exemple, en cas d'utilisation de quatre sources lumineuses de différentes longueurs d'ondes et de trois rétroréflecteurs sur chaque corps dont on veut déterminer la distance et l'identité, il est possible d'identifier quatre corps différents, par exemple en cas de rendez-vous spatial, pour un satellite. Thus, for example, when using four light sources of different wavelengths and three retroreflectors on each body whose distance and identity are to be determined, it is possible to identify four different bodies, for example in the case of a space meeting, for a satellite.

Par une évaluation supplémentaire du degré de réflexion et/ou de la disposition géométrique, on peut identifier un nombre encore plus important de corps : la figure 2c représente schématiquement le pouvoir de réflexion différent des rétroréf lecteurs. By an additional evaluation of the degree of reflection and / or of the geometrical arrangement, one can identify an even greater number of bodies: FIG. 2c schematically represents the power of reflection different from the retro-readers.

Dans ce qui précède, on a représenté l'invention à l'aide d'un exemple de réalisation schématique. Dans la réalisation pratique on peut, bien entendu, apporter les modifications les plus diverses
Par exemple, l'objectif 6 peut être un objectif à distance focale variable, par exemple un zoom ou un objectif avec organes formant lentilles interposés pour obtenir une plus grande résolution dans une plage de de distances à mesurer déterminée.In the foregoing, the invention is shown using a schematic embodiment. In practical implementation, we can, of course, make the most diverse modifications
For example, the objective 6 can be a variable focal length objective, for example a zoom lens or a lens with members forming interposed lenses in order to obtain greater resolution within a determined range of distances to be measured.

Comme sources lumineuses, on peut utiliser les sources lumineuses les plus diverses, par exemple un laser. Il est, en outre, aussi possible d'utiliser une source lumineuse devant laquelle sont montés différents filtres. The most diverse light sources can be used as light sources, for example a laser. It is also possible to use a light source in front of which different filters are mounted.

Le nombre des sources lumineuses et celui des rétroréflecteurs n'est pas non plus limité à ceux de l'exemple de réalisation. The number of light sources and that of retroreflectors is also not limited to those of the exemplary embodiment.

Comme système de détecteurs, on peut utiliser, par exemple, les composants semi-conducteurs les plus divers. The most diverse semiconductor components can be used as the detector system, for example.

Claims

1. Device for determining the distance between two bodies, one of which comprises a set of retroreflectors comprising at least two reflectors (91, 92, 93), arranged at a distance from each other, and the other a lighting device (11, 12, 13, 14, 2, 3) for the retroreflector assembly, a detector system 7 on which the different reflectors of the retroreflector assembly can be reproduced by means of an objective (6) of such so that the diameter of their images is larger than the diameter of a sensor, and a control unit which defines the center of gravity of the images of the reflectors and determines the distance from the gap between the centers of gravity of the images , characterized in that the various retroreflectors (91, 92, 93) reflect light of different wavelengths, which the lighting device successively emits light of different wavelengths over time which is respectively reflected by l 'one of the retroreflectors, and that the control unit determines the distance from the images, arriving separately in time, of the retroreflectors.

2. Device according to claim 1, characterized in that for the additional determination of the relative position of the two bodies, one of the bodies comprises at least three retroreflectors (91, 92, 93) arranged at a distance from each other and whose distance and / or power of reflection are different.

3. Device according to claim 1 or 2, characterized in that for the identification of different bodies, each body has fewer retroreflectors than the lighting device emits light of different wavelengths.

4. Device according to any one of claims 1 to 3, characterized in that in front of each retroreflector is placed a filter whose spectral transmission allows only the reflection of light of a determined wave range.

5. Device according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the focal distance of the lens system can be modified to adapt the optical field of the sensor to different distances to be measured.

6. Use of a device according to one of claims 1 to 5 to determine the distance and the relative position of the body in space.