Brevet FR2258639A1 — publié le 19750818

La présente invention concerne un système de détection à courtedistancer et les ensembles utilisant un tel système 9 elle est applicable dans des domaines civils tel que, par exemple, la surveillance de locaux en assurant une protection en volume. Son application est envisageable également dans des domaines militaires pour permettre notamment la réalisation d'un système de détection et de déclenchement d'une fusée de proximité active. L'invention est considérée plus particulièrement dans ce qui suit, mais de manière non limitative dans le cadre de cette derfière application, ceci compte tenu que pour de tels équipements, les impérat-fs techniques exigés sont très sévères, notamuent,en ce qui concerne l'efficacité et la sécurité de fonctionnement. Les fusées de proximité transportées par des engins ou missiles doivent constituer des dispositifs de forte compacité et ae faible poids ; leur système de détection et de déclenchement doit commander le déclenchenent de la nise à feu d'une charge explosive lorsque des conditions précises d'approche d'une cible sont satisfaites, de manière à produire avec le maximum d'efficacité sa destruction. Ces conditions d'approche peuvent correspondre à des distances très faibles de détection, par exemple, dans une zone spa -tiale assignée de largeur dc quelques mètres située à une distance doyenne de dix à quinze mètres. Le matériel se trouve soumis durant sa brève période de vol à des conditions sévères d'environnement sous l'influence d1accélé- rations, de vibrations et de variations thermiques. L'exigence d'une très grande sécurité de fonctionnement est impérative. Les techniques mises en oeuvre doivent pernettre ia localisation précise de I'objectif avec une grande précision et un pouvoir séparateur élevé, L'identification de la cible est obtenue par une évaluation fine, par rapport au missile, de sa distance, de sa position angulaire ainsi qu'éventuellement de sa vitesse. Le système de détection est conçu pour délimiter une zone spatiale bien définie autour de l'engIn à l'intérieur de laquelle la probabilité de déclenchement est très élevée ; en dehors de cette zone par contre, la probabilité de déclenchement est sstremement faible. Le système doit également assurer une protection efficace contre les déclenchements parasites indésirables dus à des brouilleurs ou dispositifs de contre-mesure, et aux réflexions de sol. Cette protection doit jouer notamment en prévision d'une altitude minimale d'évolution envisagée qui peut entre faible, par exemple, 1,5 fois la distance maximale de détection de la zone spatiale assignée. Les techniques de détection utilisées sont généralement des techniques perfectionnées de détection électromagnétique. Des réalisations connues procèdent selon des techniques radar Doppler ou à impulsions brèves codées. D'autres formes de réalisations plus récentes et plus performantes utilisent des techniques radars à ondes entretenues codées et à correlation, associées à une réception à taux de fausse alarme constant. Un système de détection selon l'invention combine à la fois, en les adaptant, ces dernières techniques avec les propriétés très performantes de dispositifs photo-émetteurs et photo-récepteurs à semiconducteur. De la combinaison obtenue résulte un matériel opérationnel léger, compact et répondant aux normes techniques sévères exigées. Suivant une caractéristique de l'invention le système de détection procède par émission d'une onde optique continue modulée par un signal codé et par corrélation à la réception, le signal reçu étant préalablement traité pour obtenir une réception à taux de fausse alarme constant ; il utilise un dispositif photo-émetteur à semiconducteur modulé en amplitude par le signal codé ct un dispositif photo-récepteur délivrant le signal de réception à un circuit de traitement avant corrélation. D'autres caractéristiques apparaitront dans la description qui suit, donnée à titre d'exemple non limitatif à l'aide des figures annexées qui représentent - la figure 1, un bloc diagramme général d'un système de détection conforme à l'invention ; - la figure 2, des formes d'ondes caractéristiques de fonction noment du système selon la figure 1 - la ligure 3, un exemple de diagramme d'émission envisagé dans le cadre d'une application à une fusée de proximité; et, - la figure 4, un exemple de réalisation des dispositifs photoémetteur et photo-récepteur. Le système de détection mis en oeuvre entre dans la catégorie des systèmes de détection proche procédant par émission d'une onde - - - - cqé - -- continue modulée selon un signal/et où la réception est produite à tau== de fausse alarme constant ("TFAC"), avant corrélation. Les radars à corrélation utilisent en général une modulation cohérente qui est rendue possible grâce à la stabilité élevée présentée par la phase d'un oscillateur pilote. Le problème est différent dans le cas d'un émetteur laser à semiconducteur, ou laser à diode, pour lequel le spectre de fréquence ne peut avec la ligueur désirée être assimilé à une fréquence pure comme c'est le cas pour un générateur de lumière cohérente du type laser à gaz ; mais ce dernier résente des caractéristiques, en particulier d'ordre mécanique et dimensionnelles, incompatibles avec celles imposées le plus souvent, notamment, si l'on veut réaliser une fusée de proximité. En conséquence, le système de détection utilise les propriétés d'autocorrélation de codes performants, tels des eodes Dseudo- aléatoires, en procédant à une modulation d'amplitude d'une onde lumineuse au lieu d'une modulation basée sur la cohérence de phase de la porteuse telle que pratiquée pour des systèmes radars. La figure 1 représente sous forme d'un bloc diagramme général le système de détection. L'ensemble d'émission E à la partie supérieure comporte des noyens d'émission d'une onde lumineuse groupant un objectif optique d'émission i et un dispositif photo-émetteur. Le dispositif photoémetteur comporte un ou plusieurs éléments photo-émetteur en 2 et leur circuit d'alimentation associé 3. Comme élément solide photoémetteur il est envisagé un élément du type laser à semiconducteur, étant entendu que l'utilisation de diode électroluminescente est tout aussi envisageable. Le laser à semiconducteur utilise une diode semiconductrice spécialement conçue pour que, lors du passage d'un tation suffisamment fort, un faisceau do lumière soit émis. Ce faisceau peut être aisément modulé en agissant sur le courant d'excitation Il délivré par l'alimentation associée.Dans ce but, le circuit d'alimentation 3 se compose d'un circuit d'alimentation proprement dit 4 qui produit le courant d'excitation I1 et d'un circuit de modulation 5 dans lequel ce dernier est modulé en intensité à partir d'un signal de modulation S1 pour produire le courant modulé 12 appliqué au laser à semiconducteur 2.-Le laser à semiconducteur se distingue par son très faible volume, les dimensions de la diode peuvent être de l'ordre de 40 # 50 # 300 m. La réalisation de lasers à diode ayant un faible niveau d'intensité de démarrage et pouvant fonctionner en continu à la température ambiante est obtenue grace à des structures aptes à confiner les électrons et la lumière dans une toute petite région active.Pour ce faire, il est utilisé des cristaux comportant une zone de pur arséniure de gallium et une autre en laquelle l'arséniure de gallium est dopé par de l'aluminium. Les lasers de ce type sont dits à "hétéro- structure" qui peut être simple ou double, alors que coux de l'arséniure de gallium fonctionnant en impulsions à basse température sont dits à "homostructure". L'objectif 1 est optiquement associé au groupement de diodes photo-émissives 2 qui comporte au moins une diode, pour que l'ensem- ble 1-2 produise un faisceau démission dont les caractéristiques, notamment d'angle d'ouverture, correspondent au lobe de rayonnement désiré. Il est entendu que les moyens repérés 1-2 et 3 peuvent entre multipliés en partie ou en totalité pour l'obtention de plusieurs lobes de rayonnement. La structure retenue est essentiellement fonction de l'application envisagée et de l'étendue de la zone spatiale à surveiller. L'émetteur E comporte en outre un circuit 6 générateur du signal do modulation SI destiné à contr8ler le circuit de modulation 5 pour obtenir une variation correspondante du courant d'excitation I2 transmis aux éléments photo-émissifs en 2 et, par voie de conséquence, la modulation en amplitude, de préférence par tout ou rien, du faisceau lumineux émis. Un circuit de synchronisation 7 comportant un circuit horloge locale complète l'émetteur, il est utilisé notamment pour cadencer le circuit générateur 6. Le circuit 6 comporte un circuit 8 générateur d'un signal codé 52 présentant de bonnes caractéristiques à la corrélation tel que un signal binaire correspondant à un code pseudo-aléatoire. De manière connue, le signal S2 peut être élaboré par un registre à décalage à contre-réaction cadencé par un signal d'horloge 53 fourni par le circuit de synchronisation 7. Ce signal 52 peut être utilisé directement pour former le signal S1 et moduler l'émission. D'une autre manière il est utilisé pour coder un deu-ième signal d'horloge S4 dans un circuit de codage 9 recevant les deux signaux 52 et S4 et délivrant le signal de modulation S1. Le signal S4 est délivré par le circuit de synchronisation 7 et est produit à partir du circuit d'horloge local également ; il peut consister en un signal sinusoïdal ou digital de période égale ou multiple de celle du signal d'horloge 53. Le codage produitWpeut être du type codage biphase. L'ensemble de réception R, à la partie inférieure de la figure in comprend des moyens de détecton opto-électrique composé d'un dispositif optique de réception 11-12 et un circuit de détection 13 comportant un ou plusieurs éléments photo-récepteurs. Le dispositif optique comporte un objectif optique 11 et un filtre optique 12. Le filtre optique 12 a une bande passante correspondant à celle du spectre d'émission, il est placé sur le trajet au rayonnement incident et, soit à l'avant, soit à l'arrière de l'objectif 11. L'objectif 11 est associé optiquement aux éléments photo-récepteurs pour focaliser le rayonnement incident sur la surface sensible de ces éléments.Ici, de manière analogue à l'émission, l'agencement de la- structure est faite-en tenant compte de langue solide du diagramme de réception envisagé. Les éléments optiques 11-12 peuvent Qtre multipliés chacun d'eux étant associé à au moins un élément photo-récepteur. Un groupement de photo-récepteurs peut être effectué sous forme d'une matrice linéaire ou d'une mosaSque en XY. Les photo-récepteurs consistent en des photo-diodes semiconductrices dont les caractéristiques spectrales correspondent à celles de l'émetteur. Ces diodes peuvent présenter des caractéristiques dimensionnelles voisines de celles précitées 'une diode d'émission.La diode photo-réceptrice transforme le signLlnmineu= en un signal vidéofréquences, elle peut produire grâce à un effet d'avalanche un gain qui peut atteindre 40 dB. Le circuit de détection 13 par photo-réception délivre un signal vidéofréquences S5 qui est appliqué à un circuit récepteur d'entrée 14, tel un amplificateur vidéo, avant traitement par lini- tation dans un circuit 16 pour produire une réception à taux de fausse alarme constant. Le circuit d'entrée 14 permet d'amplifier le signal 55, sa bande de fréquence passante étant adaptée à celle du signal incident. Le circuit limiteur 15 utilisant la technique TFAC constitue par le fait un dispositif de réglage automatique de sensibilité du récepteur en tenant compte toutefois que ce circuit n'est pas prévu pour asservir la sensibilité aux fluctuations de bruit propre du récepteur mais en fonction du taux de fausse alarme désiré. Le taux de fausse alarme se définit par un nombre maximal déterminé de fausses alarmes pendant une durée de fonctionnement prévue, ce qui revivent à définir une probabilité de fausse alarme déterminee. Les "fausses alarmes" consistent en des signaux de puissance suffisantes pour autre détectés en fin de chatne réception lors de la comparaison à seuil. Ils se distinguent du signal utile réfléchi par la cible en ce sens qu'ils constituent effectivement des signaux parasites ou "faux échos" dus aux interférences parasites (réflexions et sources parasites, échos de sol, etc...). La protection envers les fausses alarmes est primordiale dans le cas des fusées de proximité. Un récepteur normal ne peut faire la distinction entre le signal. utile et un signal de fausse alarme, cette distinction est aaélioréo par le procédé TFÀC avec une probabilité égale à celle envisagée.Le procédé TFAC utilisé est décrit notamment dans "Radars, Concepts Nouveaux" par M. Charpentier publié aux éditions DII D, Paris, 1966, aux pages 170 à 172. Le circuit limiteur 15 produit un écrêtage à niveau constant et très bas du signal de réception S6 en sortie du circuit 14 ; le niveau d'écrêtage est choisi en sorte que, même en l'absence de signal utile et pour un bruit faible (bruit thermique propre au récepteur lui-meme) le bruit se trouve partiellement écrêté, Le circuit de corrélation 16 reçoit par une première entrée le signal S7 de sortie du circuit limiteur 15 et par une seconde entrée la réplique du code d'émission S1 retardée par passage dans un circuit de retard 17.Cette réplique S8 qui constitue le signal de référence destiné à la corrélation peut dtre obtenue à partir du signal 54 et prélevant sur le registre à décalage le signal de sortie sur un étage différent de celui délivrant 52 où il présente le décalage désiré ; en ce cas le circuit 17 est un circuit de codage identique au circuit 9. Le décalage temporel TR entre S8 et S1 détermine la distance moyenne de détection Da de la zone assignée. Le circuit de corrélation 16 comporte un premier circuit 18 où s'effectue le produit des signaux S7 et S8 et qui peut consister en un circuit électrique du type porte "ET" analogique commandée par le signal de référence S8.Le signal produit 59 est transmis a un deuxième circuit 19 où s'effectue l'intégration. Ce circuit peut consister en un@ cellule RC dont la constante de temps est déterminée en fonction de la durée d'intégration prévue. Pans le cas d'application à une fusée, cette durée est choisie égale à celle d'illumination de cible ; cette dernière valeur est généralement prédéterminée par le calcul en se basant sur une cible moyenne de dimensions données traversant la zone de détection dans des conditions déterminées. La durée du code de modulation est choisie au moins égale à celle d'intégration ou correspondant à un sousmultiple de celle-ci. Le récepteur R comporte un circuit terminal constitué par un circuit de comparaison à seuil 20. Le niveau du seuil VS détermine avec la fonction de corrélation (variation du niveau du signal S10 en fonction du décalage temporel entre les signaux S7 et 38) la largeur de la fenêtre de détection en distance. Un signal 511 de sortie est produit lorsque le signal S10 atteint le niveau VS de comparaison. La détermination du seuil VS tient copte de l'écart type de bruit en sortie de l'intégrateur et de la probabilité de fausse alarme prévue. la puissance de bruit est rendue constante par le procédé TFAC utilisé.Le signal utile S11 est transmis aux circuits d'utilisation 21 constitués par un circuit de déclenche- ment de mise à feu dans le cas d'une fusée. Le codage à l'émission est effectué avec un code ayant une fonction dtautocorrélation idéale ou sensiblement, c'est-à-dire une fonction pratiquement réduite à un lobe principal étroit de grande amplitude dit "pic de corrélation", avec des lobes secondaires très atténués. Les codes pseudo-aléatoires présentent une telle fonction. Un registre à décalage à contre-réaction à P étages permet d' élabo- rer un code pseudo-aleatoire ayant it = @p - 1 digits binaires. La reproduction ininterrompuedu code donne une fonction d'autocorrélation composée de pics d'amplitude iT et reliés par des paliers d'amplitude - 1, les pics étant espacés à la période NTH correspondant à la durée TC du code, TH étant la durée digitale ou période d'horloge ; la base des pics a pour largeur 2TH.Un exenple de code pseudo-aléatoire correspondant à N = 15 soit P = 4 est représenté sur la figure 2b, la forme d'onde 2a correspondant à un exemple de signal d'horloge S3, qui peut également consister en un train d'impulsions espacées de TH l'une de l'autre. La forme d'onde 2b peut constituer le signal S2 qui peut être utilisé directement pour moduler par "tout ou rien" l'émission, le courant I2 admettant une valeur positive pour les digits 1 et la valeur 0 pour les digits 0. Selon les modes de fonctionnement où le signal de modulation Si resulte d'un codage biphase du signal S4 à partir du code pseudo-aléatire 2b on peut produire différentes formes de signal de modulation tel le signal binaire 2c ou sinu soSdal 2d. La forme d'onde 2e correspond au cas ou le signal S4 est sinusoïdal et de fréquence double de celle d'horloge.Il est entendu que d'autres types de codage binaire peuvent entre retenus le taux de modulation et le codage sont déterminés de manière à être compatibles avec le traitement TFAC utilisé à la réception. Le décalage temporel ou retard entre les signaux S1 et S8 est égal à un multiple entier K de la période d'horloge lorsque le signal 58 est prélevé à partir du registre, la distance moyenne Du de détec cKTH tion est alors égale à , c étant la vitesse de la lumière. 2 Pour un décalage de un digit (K = 1), la distance Dm ou distance nominale de détection correspondant à l'amplitude maximale du pic de cTH corrélation, est égale à . Le niveau de seuil est déterminé au 2 préalable en tenant compte de la fonction d'autocorrélation produite, ce niveau détermine avec le pic de corrélation la largeur de la fenêtre de détection en distance. La figure 3 représente, à titre d'exemple, une forme de diagramme démission envisageable pour une application à une fusée de proximité F. Le diagrammme comporte deux lobes L1 et L2 symétriques par rapport à l'axe Ox de la fusée.Les zones en traits pleins délimitent les zones spatiales de détection pour une distance moyenne Dm et une largeur de entre DP. Les deux lobes peuvent être obtenus par doublement des circuits d'émission 1-2 ou, au moyen d'un diviseur optique associé à un ensemble 1-2, Le diviseur optique peut consister en un miroir semi-transparent et un miroir réflé chissant. Le diagramme de réception n'est pas figuré par souci de simplification ; il peut consister en un ou plusieurs diagrammes pour former un ou plusieurs angles solides correspondants. Le diagramme de réception présente une ouverture angulaire généralement choisie sensiblement égale à celle du diagramme d'émission afin de s'affranchir au miett des rayonnements parasite de l'environnement. Une fusée F stabilisée en roulis et présentant un diagramme d'émission du type représenté peut évoluer à faible distance au-dessus du sol ou de la mer sans risque de déclenchement intempestif par des échos e sol. La figure 4 représente un exemple d'agencement d'une source émissive et d1un dispositif de réception. La source comporte ltensemble diode semiconductrice photo-émissive 2 et l'objectif optique 1 de la figure 1 et, un diaphragme 25 et un miroir réfléchissant 26 incliné à 45g sur l'axe de rayonnement R. Le dispositif récepteur comporte les éléments 11-12 et 13 de la figure 1. La disposition réalisée permet de placer à distance la source, le miroir 26 introduisant un c8ne d'ombre à la réception de faible ouverture angulaire. Le diaphragme 25 est destiné à éviter toute propagation du rayonnement en sortie de l'optique vers le dispositif récepteur. Le système dc détection décrit présente de multiples avantages résultant notamment de la simplicité du montage, de l'absence de lobes secondaires du diagramme émis, de la protection élevée vis-àvis du brouillage et des échos de sol ou de mer et d'un pouvoir élevé de discrimination de cibles dû à son caractère actif. Il permet de plus de satisfaire à laide de simples optiques conventionnelles aux besoins exigés en matière de missiles et avec des performances supérieures à celles des systèmes élect70magnëtiques. R E V E N D I C A T I O N 5 1. Système de détection à courte distance procédant par émission d'une onde continue modulée par un signal codé et par réception avec correlation, le récepteur comportant un circuit de traitement avant corrélation pour produire une réception à taux de fausse alarme constant, caractérisé par le fait que l'émetteur comporte un dispositif photo-émetteur à semiconducteur (-1-2-3) modulé en anplitude selon ledit signal codé et que le récepteur comporte à ltentrée un dispositif photo-récepteur à semiconducteur (13-11-12) qui délivre le signal vidéofréquence de réception audit circuit de traitement (t4" 2.Système de détection selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif photo-émetteur est associé à un objectif optique d'émission (1) et comporte, au moins une diode semiconductrice photoémissive (2) associée à un circuit d'alimentatlon (4) via un circuit modulateur (5) recevant ledit signal codé. 3. Système de détection selon la revendication 2, caractérisé en ce que le dispositif photo-émetteur est du type laser à semiconducteur. 4. Système de détection selon l'une des revendications 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que le dispositif photo-récepteur est -associé à un dispositif optique de réception et comporte au moins une diode photo-réceptrice à semiconducteur, le dispositif optique de recep- tlon comportant un filtre optique (12) de bande spectrale correspondant à celle d'émission et un objectif optique (il) de focalisation. 5. Système de détection selon l'une des revendications 1, 2, 3 ou 4, caractérisé en ce que l'émetteur comporte un circuit générateur (8) d'un signal binaire correspondant à un code pseudo-aléatoire et constituant ledit signal codé. 6. Systène de détection selon la revendication 5, caractérisé en ce que ledit circuit générateur de. code pseudo-aléatoire est connecté en série avec un circuit de codage (9) délivrant ledit signal codé. 7. Système de détection selon la revendication 6, caractérisé en ce que le circuit générateur de code pseudo-aléatoire comporte un cir cuit registre à décalage à contre-réaction synchronisé à partir 'un premier signal d'horloge locale(S3) et en ce ejie le circuit cle codage produit un codage biphase selon ledit code d'un deuxième signal d'horloge (S4) de fréquence égale ou multiple de celle du premier signal d'horloge. 8. Système de détection selon l'un des ensembles de revendications 2-5, 2-6, 2-7, 3-5, 3-6 ou 3-7, caractérisé en ce que le circuit do modulation produit une modulation par "tout ou rien" de l'émission, en correspondance respectiverlent avec les val cations présentées pur ledit signal codé. 9. Système de détection selon l'une des revendications 5, 6, 7 ou 8, caractérisé en ce que le circuit de codage est connecté par sa sortie à travers un circuit de retard (17) à une première entrée d'un circuit corrélateur (16) lequel est connecté par une deuxième entrée à la sortie dudit circuit de traitement (15). 10. Système de détection selon la revendication 7 ou l'ensemble des revendications 7 et 8, caractérisé en ce que le circuit registre (s) est connecté par une première sortie audit circuit de codage (9) et par une deuxième sortie à un deuxième circuit de codage (î (17) qui alimente par sa sortie une première entrée d'un circuit corrélateur Cl 6), ledit circuit de traitement (15) étant connecté par sa sortie à une deuxième entrée du circuit corrélateur. 11. Système de détection selon l'une des revendications 9 ou 10, caractérisé en ce que le circuit corrélateur comporte un circuit "ET" analogique (18) en série avec un circuit intégrateur (19) constitué par par une cellule RC. 12. Fusée de proximité comportant un système de détection selon l'un des ensembles de revendications 3-5-6-9-11, 3-5-6-10-11, 3-5-7-8-9-11, ou 3-5-7-8-10-11 ct dans lequel la durée d'intégration du circuit intégrateur est égale à: celle prédéterminée d'illumination de cible1 la sortie du corrélateur étant connecté à un circuit de comparaison à seuil lequel est connecté à un dispositif de déclenchement d'une mise à feu, caractérisé en ce que le dispositif photo-émetteur et l'objectif optique associé produise@@ deux lobes de rayonnement (L1,