Brevet FR2182643A1 — publié le 19731214

La présente invention concerne un procédé de détection de rayonnements optiques permettant de compter des objets qui défilent, de provoquer le fonctionnement d'une machine à l'entrée d'un objet ou de déterminer l'instant de passage d'un objet. La présente invention concerne en outre un dispositif de mise en oeuvre du procédé, comportant notamment au moins un dispositif optique objectif, un capteur placé au foyer du dispositif optique et un circuit d'exploitation du gnal fourni par le capteur. On sait que lorsqu'on désire procéder à la détection de rayonnements optiques, un certain nombre de difficultés apparaissent, une difficulté provient notamment souvent du fait que le rayonnement disponible est faible et variable, c'est le cas en particulier des objets éloignés qu'on ne peut pas éclairer et qui sont lumineux par leur émission propre ou par réflexion du rayonnement ambiant ; il est alors nécessaire d'exploiter un signal faible et pour améliorer la sécurité de fonctionnement on choisit alors la bande de fréquences temporelles qui permet d'obtenir le meilleur rapport signal/bruit. Une autre difficulté rencontrée lors de la détection de rayonnements optiques apparat lorsque la vitesse de passage de ltob- jet, vue par le dispositif détecteur, est variable : en effet, la bande de fréquences optimale dépend de cette vitesse et la construction du dispositif détecteur devient très compliquée et les performances en sont amoindries. Un exemple, notamment de ce problème, est celui des senseurs de traversée d'horizon dont sont équipés certains véhicules spatiaux tels que les fusées sondes, et les satellites artificiels dont l'attitude est stabilisée par effet gyroscopique (attitude de l'axe de rotation) lorsqu'on veut connattre l'attitude instantanée du satellite par rapport à la terre. Parmi les dispositifs conhus utilisés à bord de tels satellites, il est possible de citer un équipement comprenant un ou plusieurs viseurs infra-rouge qui comportent une lentille (ou un miroir) et un capteur infra-rouge, généralement un bolomètre, placé au foyer de celle-ci ; lorsqu'au cours de la rotation du satellite, le faisceau étroit défini par l'objectif et l'image à l'infini du capteur traverse horizon, ledit capteur voit la radiation qutil reçoit augmenter d'intensité et, au contraire, lorsqu'il quitte la terre en traversant à nouveau horizon en une autre région du disque terrestre, cette intensité diminue. I1 en résulte un signal qui permet d'élaborer par traitement, l'information temporelle correspondant à la rencontre de l'horizon terrestre par le champ de vue du capteur, tant à l'entrée qu'à la sortie de la terre dans ce champ de vue. Pour obtenir cette information, le signal délivré par le capteur est comparé à une référence.La comparaison de ce signal unique à une référence électrique est une cause d'erreur,compte tenu des variations de luminance de la terre qui déforment ce signal unique. On procède alors, dans les dispositifs classiques connus, à une dérivation électrique du signal, ce qui donne une impulsion positive et une impulsion négative que l'on compare à des seuils eux-mêmes positifs et négatifs dont le niveau est fonction de 'amplitude crête des impulsions, ce qui implique une mémorisation des valeurs crêtes des impulsions. Ces deux opérations dérivation et mémorisation font appel à une fonction du temps. Pour la dérivation, il est nécessaire d'optimisw une constante de temps fqui tienne compte de la constante de temps du bolomètre, de la vitesse de rotation du satellite et du bruit superposé du signal utile ; en outre, pour les mémoires des valeurs crêtes des impulsions, la constante de temps t' doit être supérieure à plusieurs fois la période de révolution du satellite. Un tel senseur ne peut donc être utilisé que pour la vitesse de rotation qui a servi de base au calcul de l'optimisation ou dans une gamme de vitesse étroite autour de celle-ci. La présente invention a pour but de pallier cet inconvénient, et elle est basée sur la considération selon laquelle il est souhaitable de traiter le signal élaboré par le capteur à l'aide d'un processus ne faisant pas appel à une fonction du temps. La présente invention concerne un procédé de détection de rayonnements optiques permettant de compter des objets qui défilent, de provoquer le fonctionnement d'une machine à l'entrée d'un objet ou de déterminer l'instant de passage d'un objet, et elle est remarquable en ce qu'on réalise une dérivation optique du signal unique donné par le système détecteur. Le procédé objet de la présente lnvention est en outre remarquable en ce que 1 on considère comme point de repère de traversée d'horizon le point d'intersection au zéro de la dérivée optique du signal avec un seuil rendu variable et comportant trois niveaux, respectivement positif, nul et négatif. La présente invention concerne. en outre, in dispositif de mise en oeuvre @@ proeédé, compoftant notamment au moins un dis- @@sitif obtique @@eilf. in @@tteur placé au @eyer du dispositif optique et un circuit d'exp@@ltation du signal fourni par le capteur remarquaule en ce que @@it capteur comporte quatre aires sensibles juxtaposées, situées dans le plan fecal du dispositif optique objectif et désignées respectivement par Bi, B2, B7 et par exemple, reliées entre elles et connectées aux circuits de polarisation et d'utilisation par l'intermédiaire de cinq électrodes désignées successivement par a, b, c, d et e et disposées de telle sorte que l'aire B1 est placée entre l'électrode a et l'électrode b, l'aire B2 entre l'électrode b et c, l'aire entre l'électrode c et l'électrode d et l'aire B4 entre l'électrode d et l'électrode e, et que les électrodes a et e sont réunies entre elles par des connexions équipotentielles pour former une électrode unique aboutissant à l'une des bornes d'une source de tension dont la borne médiane est le point de rencontre de l'électrode c c et d'une électrode f aboutissant à l'un des pôles d'un amplificateur et que les électrodes b et d sont réunies entre elles par des connexions équipotentielles pour former une électrode unique aboutissant au second pôle de l'amplificateur. Le signal fourni par le capteur est analysé par un circuit comprenant, outre l'amplificateur, deux trigers, deux bascules, un comparateur, un circuit de retard, trois portes analogiques et deux circuits de logique combinatoire. Ce circuit permet de comparer le signal délivré par le capteur au seuil, rendu variable et à trois niveaux : positif, nul et négatif, de manière à ne prendre en considération que le seuil nul et seulement pendant la dérivation optique 5u signal du capteur, sans faire in- tervenir une dérivation électrique. Un premier avantage de la présente invention st que ie fonctionnement est indépendant du temps, ce qui permet done de s'adapter à des vitesses de rotation du satelite par exemple très différentes puisque la dérivation toujours nécessaire pour s'affranchir de la corposante continue du signal, est obtenue optiquement et n'a corme limite que la constante de temps du capteur. @@ la précente @@vention eux qu'il Un troisième avantage de la présente invention est que les éléments du capteur peuvent être-intégrés. Selon une forme de réalisation de la présente invention, le capteur peut être un bolomètre présentant quatre éléments actifs ou un ensemble formé de quatre couches photoconductrices ou de quatre photodiodes ou de quatre photopiles. Les couches photoconductrices peuvent être par exemple au sulfure de cadmium dans le cas d'un rayonnement visible ou au sulfure de plomb pour l'infra-rouge. Dans une autre forme de réalisation de la présente invention et dans le cas où le fond n'a pas une luminance uniforme, ou en core si le système n'est pas parfaitement équilibré, on peut éliminer la composante continue en interposant entre la seconde électrode b et la quatrième électrode d réunies entre elles, et lXen- trée de l'amplificateur, un condensateur de liaison et une résis tance de polarisation telle que la constante de temps qui résulte du produit résistance-capacité soit assez longue pour passer correctement les signaux utiles à la plus basse fréquence, tout en éliminant la fréquence la plus élevée des signaux parasites dûs au manque d'uniformité de la luminance, ou la composante continue. La description qui va suivre, en regard des dessins annexés donnés à titre d'exemple non limitatif, permettra de bien compren dre comment l'invention peut être réalisée - la Fig. la représente le schéma en perspective du dispositif capteur dans ltensemble détecteur. - la Fig. lb représente le schéma en plan du dispositif cap teur conforme à 1linvention. - la Fig. 2 est un graphique donnant la variation de potentiel des électrodes b, d par rapport à l'électrode f. - la Fig. 3 est un graphique montrant le repérage du point O par l'intersection du signal donné par le capteur et du seuil de référence. - la Fig. 4 est un sc-héma synoptique-du circuit d'exploitation du signal donné par le capteur. - la Fig. 5 présente les différents signaux du circuit d'ex ploitation les uns par rapport aux autres. - la Fig. 6 est un schéma de montage d'un capteur à photodio des. - la Fig. 7 est un schéma de montage d'un capteur à photopiles. - la Fig. 8 est un schéma d'un autre type de montage d'un capteur. Sur la Fig. la on a représenté un capteur 1 formé par quatre aires sensibles, respectivement appelées B1, B2, B3 et B4 et les cinq électrodes a, b, c, d, e telles que l'aire B1 est placée entre l'électrode a et ltélectrode b, l'aire B2 est placée entre l'électrode b et l'électrode c, l'aire BD est placée entre l'élec- trode c et l'électrode d et l'aire B4 est placée entre l'électro- de d et l t électrode e.Les quatre aires Bt, B2, 33 et B4 sont par exemple, quatre couches de bolomètre à thermistance, dont la caractéristique essentiel est de diminuer de résistance lorsqu'el- les sont chauffées par l'absorption d'un rayonnement infra-rouge. Le capteur 1 est placé dans le -plan focal image d'une lentille 2 ledit capteur 1 est orienté suivant une direction oy perpendiculaire à l'axe de rotation AA' du satellite, lequel se trouve donc dans le plan zoy, llaxe ox étant celui de la lentille 2, l'axe ox étant perpendiculaire au plan yoz dans lequel se trouve le capteur I1 en résulte que, pendant la rotation du satellite, l'axe ox décrit un cne et si la géocentrique G se trouve à une distance de ce cône inférieure au rayon apparent de la terre, l'image T de cette dernière défilera sur les quatre aires sensibles B,J B2, B3 et B4 une fois par tour. Le défilement se faisant selon la direction oy, les couches B1, B2, BD et B4 seront irradiées successivement. Sur la Fig. lb on a représenté le capteur et X système annexe de polarisation. Les couches sensibles sont polarisées au moyen d'un circuit comprenant une source de tension continue filtrée forme de deux générateurs identiques 3 présentant un point médian 7. De ce point médian 7 part une électrode f aboutissant à un amplificateur 5. Chaque générateur 3 est monté en série avec une résistance 4 de protection et une capacité 6 de filtrage et permettant une régulation thermique de la tension. La tension de polarisation est appliquée entre les électrodes c d'une part, a et e réunies d'autre part. Le signal est recueilli entre les électrodes b et d réunies, d'une part, et un point pris comme référence, l'électrode c par exemple. Lorsque l'image de la terre n'atteint aucune des aires sensibles B1, B2, 33, B4, les résistances électriques de ces aires, RB1, RB2, RB3, RB4 sont égales. Le potentiel du point b, en supposant ouverte la connexion b - d, est par rapport au point c Le potentiel du point d, en supposant ouverte la connexion b - d est, par rapport au point c Les points b et d sont équipotentiels et la présence de la connexion b - d ne change rien à la valeur de Vb ou Vd. La valeur du signal Vb,d - Vo = U/2 Lorsque l'image de la terre envahit l'aire B1, la résistance RB1 de la couche correspondante diminue et atteint R'B, alors que celle de B2 reste inchangée. Le potentiel du point b en supposant la connexion b - d ouverte devient qui est supérieure à ce potentiel peut s'écrire U/2 + dU, dU étant la variation de tension due à la diminution dé RB1. En refermant la connexion b - d, on charge l'ensemble considéré comme un générateur de signal U/2 + dU, et de résistance interne R'B1 + RB2, par l'ensemble B3, B4, de résistance interne RB3, RB4 fournissant la tension U2. Comme RB1 diffère très peu de de RB2 = RB3 = RB4, le signal entre c et b, d devient U/2 + dU/2. Lorsque l'image de la terre envahit l'aire B2, la résistance RB2 diminue et atteint R'B2; R'B1, RB3, RB4 restent inchangées ; on a R'B1 = R'B2. Le potentiel de b, en supposant la connexion b - d ouverte revient à U/2 et la fermeture de la connexion b - d ne change rien puisque le potentiel de d est également U/2 : le signal revient à la valeur U/2. Lorsque l'image de la terre envahit l'aire B3, la résistance RB3 diminue et atteint R'B3 : on a R'B1 = R'B2 = R' Le potentiel de d, en supposant la connexion b - -d ouverte devient qui est inférieur à il peut s'écrire U - dU, dU étant la variation de tension due à la diminution de RB3 ; en refermant la connexion b - d, le potentiel entre c et b, d devient U/2 - dU/2. Lorsque l'image de la terre continue sa course et recouvre B4, la résistance de cet élément devient B'B4 = R'B3 = R'B2 = R'B1 et le potentiel entre c et b, d redevient U/2. On trouve donc entre c et b, d un signal qui atteint successivement les valeurs : U/2, U/2 + dU/2, U/2, U/2 - dU/2, U/2 en transposant ce signal de U/2, on se débarasserait de la composante continue U/2 O > + dU/2, O, - dU/2, 0 Cette transposition de U/2 est obtenue en créant un point milieu dans le dispositif de polarisation du détecteur et en recueillant le signal appliqué à l'amplificateur 5 entre les électrodes f et b, d. L'amplitude de la partie utile du signal dU est divisée par deux par rapport à ce quelle serait si la connexion b, d était ouverte mais la résistance interne du circuit qui génère cette tension est également divisée par deux, ce qui évite la dégradation du rapport signal/bruit. La Fig. 2 donne la variation du potentiel Vb,d - Vc lorsque l'image de la terre, supposée à éclairement uniforme, traverse le détecteur : on n'a de signal qu'à l'entrée et à la sortie de cette image. Tant que le temps mis par l'horizon à traverser chacun des quatre éléments demeure long par rapport à la constante de temps du bolomètre, l'amplitude et la forme du signal demeurent inchangées ; si la durée de la traversée est du mAeme ordre ou plus courte que la constante de temps, le signal est atténué et retardé, ce qui est représenté par une courbe en pointillés sur ladite figure. Sur la Fig. 3, on a représenté le signal en traits pleins dérivé par le capteur préalablement décrit ; on constate que ce signal comporte > à chaque traversée dthorizon, une crête d'une polarité suivie d'une crete de polarité inverse, et passe donc au point zéro entre les deux crêtes. Le seuil électrique de reférence est également choisi égal à zéro, car quelle que soit la déformation de la réponse due aux variations de luminance, ce point occupe une position fixe correspondant au passage de la ligne d'horizon entre l'aire B et l'aire B du capteur. Cepen 2 3 dant, en dehors des impulsions, la réponse du capteur est égale ment zéro, au bruit près, ce qui conduirait à une indétermination. Afin d'éviter cette indétermination, le seuil est rendu variable et comporte 3 niveaux : positif, nul et négatif, il est représenté en pointillés sur la Fig. 3. Une commutation permet de choisir entre ces trois niveaux, de manière à éviter toute intersection avec la réponse du bolomètre en dehors du passage au zéro recherché. Le passage zéro recherché est le point d'intersection entre le signal et le seuil, ce qui donne les points A et B, respectivement à l'entrée et à la sortie de l'image T de la terre sur les aires sensibles. La Fig. 4 est le schéma synoptique d'un circuit logique d'analyse séquentielle du signal fourni par le capteur, la commutation acquise audit circuit logique est indépendante du temps, donc de la vitesse de rotation du satellite. Sur la Fig. 4, on a représenté : l'amplificateur 40 recevant le signal, les deux triggers 41 et 42, une bascule 43, le comparateur 44, une porte logique ou1, 45; une bascule 46, un drcuit de logique combinatoire 2/4 -: 47, dont la table de vérité est la suivante - Le signal 6 n'est pas obtenu si le signal 4 est au niveau logique "1" pendant que le signal 5 est au niveau logique ttll' ou si le signal 4 est au niveau logique "O" pendant que le signal 5 est au niveau logique "O". - Le signal 6 est obtenu si le signal 4 est au niveau logique "1" pendant que le signal 5 est au niveau logique "O" ou si le signal 4 est au niveau logique "0" pendant que le signal 5 est au niveau logique "1". de 1 ogiue On a représenté également une ligne à retard 48, un circuit/com- binatoire 1/3 : 49 dont la table de vérité est la suivante - Un signal de validation est obtenu sur la connexion 50 si le signal 7 est au niveau logique t'1", quel que soit le niveau logique du signal 4. - Un signal de validation est obtenu sur la connexion 51 si le signal 7 est au niveau logique "0" pendant que le signal 4 est au niveau logique "1". - Un signal de validation est obtenu sur la connexion 52 si le signal 7 est au niveau logique "0" pendant que le signal 4 est au niveau logique "O". Le fonctionnement du circuit logique est le suivant Le signal venant du capteur et représenté par son graphisme, est amplifié par un amplificateur 40 et appliqué à deux triggers positif et négatif respectivement 41 et 42, dont les seuils de déclenchement doivent seulement permettre de distinguer le signal utile du bruit. Les comptes rendus 1 et 2 des deux triggers respectivement 41 et 42 sont appliqués aux entrées set et "reset" d'une bascule 43 qui élabore un signal 4 qui servira à choisir le niveau différent de zéro du seuil du comparateur 44. Les signaux 1 et 2 sont mélangés à l'aide d'une porte "ou" 45 afin d'élaborer un signal 3. La première impulsion de ce signal 3 sert à commander une bascule 46 qui est repositionnée par la seconde impulsion ; pour éviter que ladite bascule 46, commandée par son entrée horloge ne délivre le cyde inverse, le repositionnement s'effectue en appliquant simultanément la seconde impulsion de 3 et un signal "reset" 6. Le signal 6 est élaboré à partir du signal 4 et d'un signal 5, identique à 4 mais retardé à l'aide d'une combinaison logique (2/4) 47 et son élément retard 48. La bascule 46 élabore un signal 7. La sélection des niveaux des seuils appliqués au comparateur 44 s'effectue à l'aide d'une logique (1/3)49 reliée à un système de trois portes analogiques par les points 50, 51 et 52, correspondant respectivement au niveau 0, positif ou négatifdu seuil électrique de référence. La valeur du seuil est récupérée au point 53 et appliquée à l'entrée 54 du comparateur 44. Le signal du capteur amplifié par l'amplificateur 40 est appliqué à l'entrée 55 du comparateur 44, qui, en fonction des seuils qui lui sont imposés, délivre les impulsions correspondant à une traversée d'horizon et que lton recueille à la sortie 56 du comparateur 44. Sur la Fig. 5, se trouvent représentés les difFérents signaux délivrés dans le circuit d'exploitation. Selon d'autres formes de mise en oeuvre du dispositif capteur, on peut réaliser selon la Fig. 6 un schéma de montage d'un capteur à quatre photodiodes respectivement désignées par 61, 62, 63 et 64 ; les photodiodes 62 et 64 étant polarisées par une alimentation 65 et les photodiodes 61 et 63 étant polarisées par une alimentation 66. Le signal donné par le capteur est pré levé entre les photodiodes 62 et 63 et appliqué à l'amplificateur 67. Selon la Fig. 7, les aires sensibles sont maintenant quatre photopiles respectivement 71, 72, 73 et 74 ; un tel mnntage ne nécessite pas d'alimentation ; on récupère le signal du capteur entre les photopiles 72 et 73 et il est appliqué à l'amplifica- teur différentiel 75. Dans ces deux cas, les éléments sensibles 61, 62, 63, 64 ou 71, 72, 73, 74 peuvent ne pas être intégrés et sont alors constitués de composants discrets. Il est alors possible de combiner les signaux des deux premiers éléments avec ceux des deux derniers éléments à l'aide d'un amplificateur différentiel, tels qu'ils/sont représentés en 67 et en 75. Enfin, sur la Fig. 8 qui présente une disposition de capteurs similaire à celle décrite Fig. 1, on a ajouté un condensateur 81 et une résistance de polarisation 82 qui permettent de s'affranchir de la composante continue due à'la tension de polarisation ou des variations lentes du signal dues à un manque d'uniformité de 11 éclairement de l'objet considéré. Le signal est amplifié par un amplificateur 84. REVENDICATIONS 1. Procédé de détection de rayonnements optiques permettant de compter des objets qui défilent, de provoquer le fonctionnement d'une machine à l'entrée d'un objet ou de déterminer l'instant de passage d'un objet, caractérisé en ce qu'on réaIise une dérivation optique du signal unique donne par le système détecteur. 2. Procédé de détection selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on considère comme point de repère de traversée d'horizon le point d'intersection au zéro de la dérivée optique du signal avec un seuil rendu variable et comportant trois niveaux, respectivement positif, nul et négatif. 3. Dispositif de mise en oeuvre selon la revendication 1, comportant notamment au moins un dispositif optique objectif, un capteur placé au foyer du dispositif optique et un circuit d'exploitation du signal fourni par le capteur, caractérisé en ce-que ledit capteur comporte quatre aires sensibles åuxtaposées, situées dans le plan focal du dispositif optique objectif et désignées respectivement par B1, B2, B3 et B4 par exemple reliées entre elles et connectées aux circuits de polarisation et d'utilisation par l'intermédiaire de cinq électrodes désignées successivement par aJ b, c, d et e, et disposées de telle sorte que l'aire B1 est placée entre l'électrode a et ltélectrode b, l1aire entre l'électrode b et l'électrode c, l'aire B3 entre l'électrode c et l'électrode d et l'aire B4 entre l'électrode d et l'électro- de e, et que les électrodes a et e sont réunies entre elles par par des connexions équipotentielles pour former une électrode unique aboutissant à ltune des bornes d'une source de tension dont la borne médiane est le point de rencontre de l'électrode c et d'une électrode f aboutissant à l'un des pôles d'un amplificateur et que les électrodes b et d sont réunies entre elles par des connexions équipotentielles pour former une électrode unique aboutissant au second pôle de l'amplificateur 4. Dispositif de mise en oeuvre selon la revendication 3, caractérisé en ce que le capteur est un bolomètre présentant quatre éléments actifs. 5. Dispositif de mise en oeuvre selon la revendication 3, caractérisé en ce que le capteur est formé de quatre couches photoconductrices. 6. Dispositif de mise en oeuvre selon la revendication 5, caractérisé en ce que les couches photoconductrices sont au sulfure de cadmium. 7. Dispositif de mise en oeuvre selon la revendication 5, caractérisé en ce que les couches photoconductrices sont au sulfure de plomb. 8. Dispositif de mise en oeuvre selon la revendication 3, caractérisé en ce que le capteur est formé de quatre photodiodes. 9. Dispositif de mise en oeuvre selon la revendication 3, caractérisé en ce que le capteur est formé de quatre photopiles. 10. Dispositif de mise en oeuvre selon la revendication 3, caractérisé en ce quXentre la seconde électrode, c'est-à-dire b et la troisième électrode, c'est-à-dire c, du capteur d'une part et les entrées du circuit d'exploitation du signal, sont disposés deux condensateurs de liaison et deux résistances de polarisation.