Brevet FR2350010A1 — publié le 19771125

La présente invention concerne un système de télécommunication par voie optique à partir d'une station mobile. L'invention se rapporte plus précisément à un système dans lequel la station mobile rayonne un faisceau lumineux ayant une très faible divergence en direction d'une station réceptrice concernée par la liaison, le faisceau étant modulé par tout ou rien pour effectuer une transmission de données numériques. Un tel système se rencontre en particulier dans le domaine des télécommunications spatiales, la station mobile étant à bord d'un satellite en vol orbital et la station réceptrice étant généralement une station fixe au sol. Dans le cas d'une émission à partir d'un satellite, une station réceptrice à bord d'un navire ou d'un aéronef peut être assimilée à une statlon fixe compte tenu de son déplacement faible relativement à celui ae la station mobile.L'émetteur de lumière est avantageusement constitué au moyen d'un laser qui procure un faisceau très étroit et de grande intensité. ta transmission de données peut concerner des images vidéo, par exemple d'images de télévision produites par une caméra travaillant dans le spectrevisible ou invisible, ultraviolet ou infrarouge, ou encore d'images radas produites par un radar side-looking. La télécommunication par voie optique permet, relativement à une transmission hertzienne, un accroissement de la rapidité de la transmission, celle-ci pouvant atteindre pas exemple 100 Megabits/sec. avec un émetteur laser pulsé. Un autre avantage est l'accroissement de la discrétion par suite de la finesse élevée du faisceau qui peut être par exemple de 10 à 30 microradians. te satellite est équipé de moyens pour orienter l'axe du faisceau vers la station à relier et illuminer constamment celle-ci au cours de la liaison. Ges moyens d'acquisition et de poursuite actionnent généralement une plateforme supportant l'émetteur pour régler l'orientation en site et gisement du faisceau. Il est considéré dans ce qui suit que l'équipement d'émission et notamment les moyens de pointage du faisceau sont réalisés selon des procédas et techniques connus. A titre d'exemple, on pourra se reporter à un ou plusieurs des articles publiés dans la revue I.E.E.E.National elecommuni- cation, aunée 1973, volume No 18,NO 3, de la page 30A-1 à la page 30G-4. La liaison s'effectue généralement lorsque le satellite se déplace sur la partie de sa trajectoire la plus proche de la station réceptrice. aelle-ci comporte un récepteur optique pour focaliser le rayonnement provenant d'un champ observé sur un détecteur photoélectrique qui alimente des circuits de réception et de traitement permettant d'extraire les signaux destinés à l'exploitation. te problème à résoudre au niveau de la station réceptrice est celui du pointage précis de l'axe optique du récepteur vers la station émettrice mobile de manière à assurer une qualité sensiblement optimale pour la liaison. Il est nécessaire en particulier que le dispositif de poursuite correspondant ne soit parsi affecté dans son fonctionnement par les glissements de fréquence dus à l'effet Doppler et qui se produisent lorsque le satellite passe de la phase de rapprochement à celle d'éloignement vis-à-vis de la station réceptrice. En matière de poursuite automatique de cible lumineuse, il existe de nombreuses formes de réalisation, les moyens mis en oeuvre comportant un dispositif de localisation angulaire de cible pour élaborer des signaux correspondant au dépointage en site et en gisement et des asservissements pour commander le positionnement de l'axe optique et annuler les écarts en question. te dispositif de locali- sation est avantageusement du type optoélectrique encore appelé écartométrie à données optiques, il comporte un récepteur optique de focalisation sur un détecteur photosensible et des circuits de traitement des signaux détectés. Selon des réalisations connues, le détecteur comporte quatre éléments pour discriminer quatre quadrants de mesure. Un objet de l'invention est la réalisation d'un système de.télé- communication du type considéré dans lequel les moyens de poursuite du satellite comportent un dispositif optoélectrique de localisation angulaire ayant un détecteur à quatre quadrants et qui est particu fièrement aménagé en association avec le récepteur de télécommuni cation pour assurer vn pointage optique précis de ce dernier et s'affranchir par ailleurs des inconvénients résultant de l'effet Doppler. Selon une caractéristique de l'invention, il est réalisé un système de télécommunication dans lequel le dispositif optoélectriaue de localisation comporte : un dispositif diviseur optique pour prélever une fraction du rayonnement focalisé, un détecteur à quatre quadrants pour recevoir cette fraction prélevée, chaque quadrant étant suivi d'un amplificateur en série avec un circuit porte et un circuit inté gratevr, le signal numérique de modulation restitué commandant lesdits circuits portes ; des circuits de retard pour produire la cohérence de phase temporelle avec le signal de commande au niveau de chaque porte et produire une détection synchrone et ut circuit de mesure des écarts site et gisement représentatifs du dépointage de la direction de visée du récepteur optiaue, ladite mesure étant produite à partir des sorties d' intégration. tes avantages et particularités de l'invention apparaitront dans la description qui suit donnée à titre d'exemple à l'aide des figures annexées qui représentent - la figure 1, un schéma simplifié d'un système de télécommi- cation du type considéré pour l'invention - la figure 2, un schéma relatif à l'équipement de la station mobile du système selon la figure 1 - la figure 3, un diagramme de l'ensemble réception et poursuite inclus dans la station réceptrice d'un système selon la figure 1 - la figure 4, un exemple de réalisation du récepteur optique et - les figures 5 à 7, des schémas relatifs à un mode de réalisation des moyens de poursuite équipant la station réceptrice. ta structure d'un système de télécommunication du type considéré est rappelé sur les figures 1 et 2, la figure 2 étant relative à des éléments faisant partie de la station mobile 1. La station mobile 1 portée par un satellite ou un aéronef évolue selon une trajectoire 2. Un émetteur de lumière 3, de préférence du type laser, rayonne un faisceau lumineux de haute directivité 4 selon un axe de rayonnement R. tes signaux à transmettre sont par exemple des signaux vidéo SV provenant d'une caméra de télévision 5 installée à bord du satellite. Des circuits de traitement 6 assurent la conversion numérique et éventuellement un codage des signaux vidéo SV et délivrent le signal binaire SN destiné à la transmission. te faisceau 4 est modulé par tout ou rien par le signal SN au moyen d'un dispo- sitif optique de modulation 7. La station réceptrice 8 est en général une station Lixe au sol. Elle comporte un récepteur de télécommunication symbolisé par un dispositif récepteur optique 9 suivi de circuits 10, ainsi qu' un dispositif de poursuite automatique. te récepteur 9-10 permet de restituer les bits "un" et "zéro" de la transmission correzpondant au signal de modulation SN, te dispositif de poursuite assure le pointage précis de l'axe optique Rî du récepteur en direction du satellite 1 ; il comporte un dispositif de localisation angulaire élaborant les signaux d'écart ES et ES représentatifs du dépointage en gisement et en site et des asservissements.Conformément à l'invention, le dispositif de localisation est associé au récepteur optique 9 et comporte des circuits 1 1 recevant le signal de modulation SN restitué par les circuits 10. L'erreur gisement EG aliment des circuits d'asservJisse- ment 1 2 suivis d'un organe moteur 13 qui entrain la rotation en gisement d'une plateforme 16 autour d'un axe vertical Y ; de manière similaire l'erreur site ES alimente des circuits 14 et un moteur 15 pour commander une rotation en site autour d'un axe horizontal X par entrainement d'un secteur 17. te dispositif de poursuite commande ainsi le pointage de l'axe R1 vers la station mobile 1. te système comporte comme indiqué dans le préambule des moyens de poursuite pour asservir l'axe R du faisceau 4 dirigé vers la station réceptrice 8 durant la transmission. Ces moyens peuvent comporter comme représenté un émetteur laser 20 couplé mécaniquement au récepteur de télécommande en sorte que sa direction de rayonnement R2 est parallèle à l'axe optique R1 et qu'il est déplacé simultanément avec le récepteur optique 9 en site et en gisement. A bord de la station mobile se trouve de minière similaire un dispositif de localisation angulaire 21 et des asservissements 22 et 23. te dispositif 21 est couplé de même avec l'émetteur 3-7 et son axe optique R3 est parallèle à celui R de l'émetteur laser 3. L'ensemble 21 à 23 est équivalent du point de vue fonctionnel à ltensemble 9, 11 à 15 précité. L'ensemble de réception et de poursuite de la station réceptrice est représenté plus en détail sur la figure 3 suivante. te récepteur optique 9 de la figure 1 comporte un dispositif optique focalisateur du rayonnement provenant du champ d'observation dans lequel est considéré se situer la source lumineuse 3 ; il comporte également un filtre optique pour sélectionner le rayonnement utile inclus dans la bande étroite du spectre d'émission et éliminer ainsi la plus grande parle des rayonnements parasites incidents dus au rayonnement ambiant. Suivant le mode de réalisation figuré, le récepteur optique comporte un miroir focalisateur 25, des lentilles 26 et 27 et un filtre 28. te rayonnement utile focalisé et filtré parvient à un détecteur photosensible 30 à l'entrée du récepteur 10. te détecteur 30 est constitué par une photodiode à avalanche ou par un photomultiplicateur de grande sensibilité, il est associé à un préamplificateur 31. te récepteur 10 comporte ensuite un amplificateur 32 dont le gain est contrôlé par un circuit de contrôle automatique de gain 34 et un circuit de traitement 33 qui délivre le signal SN reconstitué ; le circuit 35 figuré permet de restituer le signal de synchronisation de bits pour la démodulation en 33.La sortie SN, après décodage éventuellement, est transmise à une unité annexe 36 pour exploitation, à fin de visualisation par exemple dans le cas d'images de télévision. te dispositif de poursuite comporte, au niveau du récepteur optique un dispositif diviseur optique 40 interposé sur le trajet optique de réception pour créer deux voies optiques, l'une dite voie de réception relative au récepteur 10 et la seconde dite voie de poursuite pour le dispositif de poursuite. te dispositif 40 est déterminé pour transmettre vers la voie de réception une fraction prépondérante du rayonnement reçu, par exemple 80 5S, et vers la voie de poursuite la fraction restante minoritaire d'énergie lumineuse, 20 5L dans cet exemple ; il peut consister en un miroir semi-transparent effectuant le partage inégal prévu. La fraction minoritaire sélectionnée est reçue par un dispositif détecteur photosensible 41.L'élément 42 représente un filtre optique dont la bande passante correspond à celle du spectre d'émission, et qui est interposé sur le trajet optique. La figure 4 représente ure forme de montage permettant d'utiliser un filtre unique 28 pour les deux voies moyennant un miroir réfléchissant additionnel 29. te filtrage optique est utilisé de préf é- rence à un filtrage électrique qui nécessiterait plusieurs circuits filtres. En effet, le dispositif détecteur 41 placé en aval comporte une pluralité d'éléments détecteurs et par suite autant de voies de détection et de réception. Ces éléments sont répartis dans vn plan perpendiculaire à l'axe optique de la voie poursuite et au voisinage du plan focal de manière que l'image de la source 3 est produite selon une tache sensiblement circulaire de diamètre déterminé sur ce plan. te nombre d'éléments détecteurs est choisi égal à quatre de manière à simplifier au maximum l'équipement sans diminuer en rien ses performances. tes éléments sont répartis symétriquement de part et d'autre des deux directions de référence X et Y correspondant aux mesures d'écart en gisement et en site respectivement. tes quatre éléments se trouvent ainsi situés respectivement dans les quatre quadrants de mesure. Ce détecteur désigné détecteur à quatre quadrants peut être monobloc formé en matériau semiconducteur. tes éléments peuvent avoir la forme rectangulaire représentée ou une autre forme, par exemple correspondre à quatre secteurs droits d'un cercle. te détecteur 41 peut également être formé par un groupement de quatre photodiodes sélectionnées de manière à présenter les memes caractéristiques de sensibilité. tes surfaces sensibles déterminent l'aire totale utile de détection qui est centrée sur la trace de l'axe optique. La position de l'image C d'une cible lumineuse est fonction du dépointage angulaire entre la direction R de la cible et celle de l'axe RI. ta figure 5 montre en plan le dispositif détecteur 41 de la figure 3 et les variations d'amplitude présentées par les signaux détectés S1 à S4 lorsque l'image C située dans le quatrième quadrant correspondant à l'élément 41d se déplace parallèlement à l'axe gisement X selon X1 (courbes S3, S4) ou bien parallèlement à l'axe site Y selon Y1 (courbes S1, S4). tes signaux S1, S3, S4 sont les signaux de détection issus des éléments 41a, 41c et 41d correspondant respectivement au premier, troisième et quatrième quadrant dans cet exemple, le signal S2 détecté par l'élément 41b correspondant au deuxième quadrant conserve une valeur minimale quasiment nulle.Il apparat que les variations d'amplitude sont pratiquement linéaires dans une plage délimitée en X et en Y de part et d'autre du centre 0, les quatre signaux étant tous présents et ayant des amplitudes égales lorsque l'image C de la cible se trouve centrée en 0. L'étendue de la plage linéaire le v riation en X et en Y est liée au diamètre de la tache lumineuse ; à l'extérieur de cette plage les signaux traduisent une information de positionnement dans un quadrant pour autant que le diamètre de 1 'image reste inférieur aux dimensions d'un élément.Chaque quadrant reçoit une énergie qui est fonction, de l'angle de dépointage entre les directions R et Rî, de la surface et de la distance d'éloignement de la cible. t'exploi- tation du système est prévue pour la détection et la localisation de cibles de dimensions moyennes prédéterminées évoluant dans une certaine gamme de distance entraînant des fluctuations du diamètre de la tache image très faibles et pratiquement négligeables. Chaque élément détecteur forme avec ses circuits en aval un canal de réception comportant en série, un préamplificateur 43, un amplificateur 44, un circuit porte 45 et un circuit d'intégration 46. te signal numérique SN restitué par le récepteur 10 est utilisé pour commander les circuits portes 45a à 45d en cohérence de phase temporelle avec le signal d'entrée issu respectivement des amplificateurs 44a à 44duo tes circuits portes 44 effectuent ainsi une détection synchrone et les circuits 46 une intégration dite cohérente. La concordance de phase temporelle est produite au moyen de circuits de retard insérés sur les connexions d'entrée des-circuits 45 relatives à la voie qui présente le retard le plus faible. te circuit 50 représente un circuit d'interface entre la sortie SN et les circuits 45a à d pour permettre l'adaptation.Il a été supposé que le circuit 50 comporte également des éléments de retard pour effectuer la concordance temporelle précitée tel l'élément 48a relatif au canal a si c'est la voie de réception 10 qui présente un retard plus important que les canaux de poursuite, les éléments de retard sont disposés sur les connexions en amont du circuit 45, par exemple sur les connexions de sortie des amplificateurs 44. tes sorties S11 à S14 d'intégration sont traitées dans un circuit dé mesure 47 deys écarts EG et ES. ta figure 6 représente un mode de réalisation des circuits de détection synchrone 45 et d'intégration cohérente 46. Chacun d'eux comporte un pont de quatre diodes 51 à 54, des éléments résistifs 55 et 56, d'un inverseur 57 et des amplificateurs 58 et 59 connectés comme représenté pour constituer la détection synchrone et une cellule RO avec vu élément résistif 61 et un élément capacitif 62 pour former l'intégrateur. te détecteur est du type démodulateur à pont de diode dont le fonctionnement est connu en soi.La constante de temps de l'intégrateur est prédéterminée et peut entre choisie très élevée relativement à la cadence de bits de l'émission, sa valeur n'est en fait limitée que par la bande passante nécessaire aux asservissements. tes résultats d'intégration S11 à 814 représentent alors chaque instant pour les quadrants respectifs, la valeur moyenne de détection au cours de la durée d'intégration qui précède l'instant considéré. La figure 7 montre un schéma d'un exemple de réalisation du circuit de mesure 47 de la figure 3 qui, à partir des signaux S11 a' 814 représentatifs des niveaux moyens de détection respectifs dans les quatre quadrants de mesure, élabore des signaux représentatifs des coordonnées d'écart gisement EG et d'écart site ES de la source 5. Ces signaux sont produits en calculant les rapports et pour le gisement pour le site tes signaux S11, 812, 813, S14 correspondent respectivement au premier, deuxième, troisième et quatrième quadrants (éléments détecteurs 41a, b, c et d, figure 5). Ces rapports sont obtenus au moyen d'éléments groupant comme représenté des circuits amplificateurs différentiels 70, 71 et 72, sommateurs 77 et 74 et diviseurs 75 et 76. Les éléments 70 à 76 peuvent entre aisément constitués au moyen de circuits intégrés. En fait les valeurs des rapports précités sont obtenus à un coefficient multiplicateur près correspondant au gain de la channe, respectivement 70-71-73 et 75 pour le site et 70-71-72 et 76 pour le gisement. tes circuits sont déterminés pour égaliser les coefficients de gain. La transmission par voie optique permet un débit élevé et une grande discrétion ainsi qu'une protection contre les dispositifs brouilleurs. te partage du faisceau reçu est effectué dans des proportions telles que la voie récepwtrice 10 conserve 2n rapport signal à bruit suffisant pour préserver une bonne qualité de transmission. te détecteur 70 de la voie réceptrice est choisi pour présenter une sensibilité très élevée alors que les détecteurs 41a à 41d de la voie poursuite peuvent être sélectionnés de plus faible sensibilité. En outre, la voie de poursuite n'utilise qu'une faible partie du rayonnement incident et le rapport signal à bruit en sortie des amplificateurs s'y trouve donc considérablement plus faible que dans la voie réceptrice mais, grâce à la détection synchrone ce rapport est en fait revalorisé et les mesures d'écart angulaire qui en résultent sont très précises. En outre, le dispositif de poursuite reste insensible à l'effet Doppler produit lors du rapprochement et de l'éloignement de la station mobile. te système de télécommunication décrit peut se concevoir avec l'une ou l'autre, ou les deux stations, installées à bord d'aéronefs respectifs dans la mesure ou ceux-ci sont équipés de moyens d'émission, de réception et de poursuite correspondants. REVENDI C ATl0N8 1. Système de télécommunication par voie optique à partir d'une station mobile qui rayonne un faisceau lumineux directif vers une station réceptrice, ledit faisceau étant modulé par tout ou rien par un signal numérique à transmettre, la station réceptrice comportant un récepteur avec un dispositif récepteur optique pour sélectionner et focaliser ledit rayonnement sur un détecteur optoélectrique suivi de circuits de traitement du signal détecté pour restituer ledit signal de modulation et des moyens de poursuite pour asservir la direction de visée du récepteur optique pointée vers ladite station mobile, caractérisé en ce que lesdits moyens de poursuite comportent un dispositif de localisation angulaire de cible lumineuse combinant un dispositif diviseur optique (40) pour prélever une fraction dudit rayonnement focalisé, un détecteur optoélectrique (41) du type à quatre quadrants recevant ladite fraction de rayonnement, chaque quadrant détecteur étant connecté à un circuit d'amplification (4344) en série avec un circuit porte (44) et un circuit intégrateur (45), ledit signal numérique (SN) restitué commandant lesdits circuits portes, des circuits de retard (48a) pour réaliser la cohérence de phase temporelle avec le signal de commande au niveau de chaque circuit porte et produire une détection synchrone et un circuit de mesure (47) des écarts site (ES) et gisement (EG) représentatifs du dépointage de ladite direction de visée (roi) au moyen des sorties d'intégration (S11 à S14). 2. Système selon la revendication 1 caractérisé en ce que ledit dispositif diviseur optique est déterminé en sorte que la fraction restante du rayonnement utilisée par ledit récepteur est supérieure à la fraction prélevée pour la poursuite. 3. Système selon la revendication 2, caractérisé en ce que le dispositif diviseur optique est réalisé au moyen d'un miroir semitransparent partageant le rayonnement incident dans les proportions 80 % et 20 % environ. 4. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le dispositif détecteur à quatre quadrants est réalisé en circuit intégré monobloc. 5. Système selon lrune quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le dispositif détecteur à quatre quadrants est réalisé en associant quatre diodes de meme sensibilité. 6. Système selon ltune quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que chaque circuit d'intégration est formé au moyen d'une cellule RO. 7. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, appliqué à la transmission d'images télévisées à partir d'une satellite comportant ladite station mobile avec un laser pour produire ledit faisceau et des moyéns de poursuite pour asservir la direction de rayonnement du laser pointée vers la station réceptrice, caractérisé en ce que la constante de temps desdits circuits d'intégration est déterminée égale ou multiple de la durée trame d'image,