Brevet FR2382672A1 — publié le 19780929

L'invention est relative aux dispositifs optiques destinés à être montés sur un mobile pour detecter la proximité d'une paroi et activer alors une charge utile portée par le mobile, se trouvant en situation passive lors du départ de celui-ci. L'invention concerne plus particulièrement, parmi ces mobiles, les projectiles (autopropulsés ou non) dont la charge utile doit être rendue active au cours du vol dès que la distance entre le projectile et une paroi devient inférieure à une valeur déterminée. On peut notamment citer, parmi de tels projectiles, les obus à charge creuse qui fournissent une meilleure efficacité lorsqu'ils sont activés par leur dispositif de déclenchement pyrotechnique- à une distance entre la cible et la base du cône de chargement de l'ordre de trois fois à cinq fois le calibre de l'obus. Cette application est cependant loin d'etre exclusive et l'invention est tout aussi bien applicable d-ans le cas de projectiles dont la charge doit être activée à une distance bien déterminée de la cible. On connaît déjà de nombreuses fuses de proximité dont la plupart sont du type électromagnétique et fonctionnent en utilisant l'effet Doppler-Fizeau. Ces fusées électromagnétiques présentent des inconvénients. En particulier, la distance à laquelle la charge est activée depend largement du coefficient de réflexion du sol ou de la cible. La présente invention vise h fournir un dispositif de détection de proximité fonctionnant par voie optique et permettant d'écarter dans une large mesure les inconvénients des dispositifs antérieurs, notamment électromagnétiques. Dans ce but, l'invention propose notamment un dispositif optique destiné à être monté sur un mobile pour détecter la proximité d'une paroi, caractérisé en ce qu'il comprend une source de lumière et unphotodétecteur placés, l'une pour émettre de la lumière~dans un angle solide déterminé,vers l'avant du mobile et, l'autre pour recevoir de la lumière à travers un filtre optique correspondant à la -composition spectrale de la source, depuis l'avant dans ledit angle solide, et une électronique comportant : une horloge qui émet avec une périodicité déterminée un signal d'excitation d'un circuit de commande de la source pendant une durée courte par rapport à la période d'horloge, un générateur de fenêtre de télémétrie qui, en réponse à chaque émission de la source, crée un créneau de validation d'une porte d'amenée du signal de sortie du photodétecteur à un circuit de comptage qui, lorsqu'il a reçu une séquence de n impulsions successives ayant un niveau supérieur à un seuil,provenant du photodétecteur, sans avoir été remis à zéro par un circuit excité lorsque le niveau de la lumière ambiante dépasse un second seuil, provoque l'activation d'une charge utile portée par le mobile. Dans un Zamier mode de mise en oeuvre de l'invention, horloge émet, entre lesdits signaux d'excitation et après la fin du créneau de validation, un signal d'excitation d'un générateur de créneaux d'observation d'ambiance qui valide une porte logique reliant la sortie du photodétecteur à l'entrée de remise à zéro du compteur. Dans un autre mode de mise en oeuvre, les signaux fournis par le photodétecteur sont transmis à l'entrée de remise à zéro du circuit de comptage'par l'intermédiaire d'un basculeur et le dispositif comporte de plus une logique interposée entre le circuit de comptage et un circuit d'activation n'autorisant l'excitation de celui-ci que si le circuit s'est incrémenté de n au cours de n signaux d'excitation consécutifs de l'hor- loge. Fréquemment, on prendra n = 3 bien que ce chiffre ne soit pas limitatif ; le circuit de comptage pourra, pour des raisons de simplicité, être constitué par un compteur à une décade. Une porte ET alimentée par les sorties de poids 1 et 2 permettra alors de détecter l'incrémentation à trois. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit de dispositifs qui en constituent des modes particuliers de réalisation, donnés à titre d'exemples non limitatifs. La description se réfère aux dessins-qui l'accompagnent, dans lesquels - la figure 1 montre très schématiquement le lobe d'émission et de réception de lumière du dispositif monté sur un projectile approchant d'une paroi - la figure 2 est un schéma de principe d'un premier mode de réalisation du dispositif ; - la figure 3 montre de façon plus détaillée certains des blocs constitutifs du schéma de la figure 2 ;; - la figure 4 est un chronogramme montrant l'allure des signaux qui apparaissent à divers emplacements du schéma de la figure 2 lors du fonctionnement - les figures 5 et E sont des schemas- montrant diverses dispositions possibles de la source et du photodétecteur - la figure 7 montre schématiquement une variante de réalisation du dispositif. La figure 1 montre schématiquement un mobile, que l'on considérera par la suite être un obus 10 à charge creuse, approchant d'une paroi Il et muni d'un dispositif de détection de proximité de paroi qui peut être du genre montré en figure 2. Pour une telle application, il est souhaitable que le dispositif fonctionne pour une inclinaison de la paroi par rapport à la perpendiculaire à la trajectoire pouvant aller jusqu'à 60", ce qui impose un labre d'émission et de réception présentant une allure du genre montré en figure 1. Le dispositif montré en figure 2 comporte une source de lumière dont l'élément -essentiel est un composant susceptible d'émettre des impulsions de courte durée à fréquence élevée. Cet élément 12 sera généralement constitué par une diode laser, associée à un cirait 13 de commutation rapide, utilisant par exemple un transistor à avalanche Le photodétecteur pourra de son côté utiliser une photodiode 14 qui ne reçoit la lumière qu'a travers un filtre 15 destiné à arrêter une fraction élevée de la lumière hors du spectre d'émission de la diode laser 12. Si on utilise par exemple une diode laser classique à As.Ga il suffira d'un filtre de couleur éliminant le visible etlZultra- violet au-dessous de 85\0nom. La photodiode elle-même présente un pic de réception vers 900 nm et sa courbe de réponse s(étend peu au-delà dans l'infrarouge. La fréquence de fonctionnement est commandée par une horloge rapide 16 qui émet, sur sa sortie 17, des signaux carrés, comme indiqué sur la ligne 17 de la figure 4. Les signaux d'horloge sont appliqués, par l'intermédiaire d'une porte ET 18 dont la fonction sera exposée-plus loin, à l'entrée du circuit de commutation rapide 13 qui, en réponse, applique à la diode laser 12 des impulsions qui déclenchent l'émission lumineuse pendant un délai bref, comme indiqué en 12 sur la figure 4. Les impulsions de sortie de la porte ET 18 sont également appliquées à un second circuit de commutation 20 qui émet sur sa sortie 21 des créneaux de télémétrie, de longueur plus importante que celle des impulsions appliquées à la diode laser 12 (lignes 12 et 21 sur la figure 4). La duréede ces créneaux est choisie pour correspondre au temps d'allerretour de la lumière pour la distance maximum d'activation. Ils détenminent ainsi une fenêtre de télémétrie. Ces créneaux, provenant de la sortie 21, sont appliqués sur l'une des entrées d'une porte ET 22 dont la seconde entrée reçoit, par l'intermédiaire d'un circuit de mise en forme 19, les signaux de sortie de la photodiode 14 (ligne 14 sur la figure 4).La sortie de la porte 22 est reliée à l'entrée de comptage d'un compteur 23 relié à un circuit logique et d'amplification 24 de façon à constituer un compteur à trois. L'amplificateur 24 attaque de son côté, par l'intermédiaire d'une diode 25, un circuit pyrotechnique classique comprenant, entre une source haute tension et la masse, une résistance de limitation 26, un thyristor 27 et un artifice pyrotezhnique 28. Pour éviter l'activation de la charge sous la seuleaction d'une lumière ambiante intense sur la photodiode 14 à l'intérieur des fenêtres de télémétrie, le compteur 23 est associé à un circuit qui le remet à zéro lorsque la photodiode 14 est aveuglée. Ce circuit comprend un monostable 29 qui est déclenché par les fronts descendants des créneaux émis par l'horloge 16 et fournit à son tour des créneaux, de durée inférieure à la demi-période d'horloge, sur sa sortie 30 (ligne 30 sur la figure 4). Ces créneaux sont appliqués sur la première entrée d'une porte ET 31 dont la seconde entrée reçoit le signal de sortie de la photodiode 14 mis en forme et dont la sortie est reliée à l'entrée de remise à zéro du compteur 23. Le dispositif montré en figure 2 comporte encore un circuit économiseur destiné à bloquer l'arrivée des impulsions de commande du circuit de commutation rapide 13 aussi longtemps que la photodiode 14 est aveuglée. Ce circuit comprend la porte ET 18 dont la seconde entrée reçoit, sous forme inversée, le signal de sortie de la photodiode 14 après mise en forme. Le fonctionnement du dispositif découlant directement de sa constitution, il ne sera que brièvement décrit dans le cas particulier d'un dispositif destiné à un projectile rapide dont la vitesse est de l'ordre de 1000 m/s (soit 1mm/s), avec échantillonnage temporel a' 100 kHz A l'instant t01 le front montant du signal d'horloge est appliqué à la porte 18. Si l'on suppose que le signal de sortie de la photodiode 14 est alors inférieur au seuil pour lequel le circuit de mise en forme 19 émet un niveau logique de blocage de la porte 18, cette porte transmet un signal de déclenchement au circuit 13. A son tour, celui-ci applique à la diode laser 12 un créneau de tension- bref (1 n s par exemple) La diode 12 fournit un éclat lumineux correspondant. En même temps, le signal de déclenchement de la porte 18 excite le circuit de commutation 20 qui fournit une fenêtre de télémétrie dont la largeur correspond âla courée d'Uerur la lumière pour la distance d'activation sélectionnée (4 n s par exemple).Dans le cas illustré, on voit que la diode 14 fournit pendant la fenêtre de télémétrie ainsi materialisée un signal de niveau supérieur au seuil 32 du circuit de mise en forme 19. La porte ET 22 fouit donc une impulsion au compteur 23. Dans ce cas , pendant la durée des créneaux fournis par le monostable 29, la photodiode 14 présente au circuit de mise en forme 19 un signal inférieur à son seuil 32 : il n'y a donc à aucun moment remise à zéro du compteur. Il faut remarquer à ce sujet que, si la photodiode risaue d'être aveuglée par la lumière ambiante, par exemple solaire, aussi longtemps que l'obus est à distance importante de la cible, il n'en est plus de même dès que l'obus se trouve à quelques dizaines de centimètres de la cible. En effet, celle-ci forme alors écran et tend à protéger l'obus qui, de toue façon, sera en général muni, en plus du dispositif suivant l'invention, d'un dispositifactionné par percussion L'ensemble du dispositif peut être constitué en composants classiques. En particulier, il ne semble pas nécessaire de donner une description détaillée de l'horloge 16, du monostable 29, du compteur 23 qui peuvent être constitués en technologie ECL classique.Les circuits de commutation 13 et 20 peuvent comporter des transistors fonctionnant en avalanches, par exemple du type 2N 2222 A. Le circuit 13 peut attaquer une diode laser du type SG 2002 fabriquée par RCA. La photodiode peut notamment etre du type C 30 803 de RCA. Il faut remarquer à ce sujet qu'une photodiode de type PIN est particulièrement intéressante du fait de son temps de montée très bref, de l'ordre de 500 ps. L 'incnnvenient de la diode LASER est coûteuse dans son mode de réalisation actuel. On voit sur la figure 3 que la diode laser 12 reçoit son signal à haute tension par l'intermédiaire du circuit de commutation 13, alors que la photodiode est polarisée en permanence. Elle attaque la porte 1R du circuit économiseur par l'intermédiaire d'un filtre passe-bas 33 et la porte 22 par l'intermédiaire d'un circuit résistance-capacité qui assure une mise en forme. La figure 3 montre encore divers couplages entre les blocs définis plus haut, couplages qui seront évidemment modifiés en cas d'utilisation de blocs d'autre nature que ceux donnés à titre d'exemples. Diverses dispositions géométriques relatives peuvent être adoptées pour le photodétecteur et la source. Dans le cas de la figure 5, la source est constituée par une diode laser et directement plaquée à l'arrière d'un ménisque convergent 34 qui fournit un faisceau conique dont l'angle au sommet est de l'ordre de 1200. Le photodétecteur, constitué par une photodiode 14 placée derrière le filtre 15, reçoit la lumière réfléchie par l'intermédiaire d'une lentille annulaire 35. L'ensemble de petites dimenslons ainsi constitué peut être placé au sommet d'un obus. Il présenteun intérêt particulier dans le cas où l'on cherche à provoquer l'activation de la charge dans une plage déterminée de distances à la cible. Dans le mode de réalisation montré en figure 6, une diode laser est encore placée à l'extrémité de l'ogive de l'obus. Mais le photodétecteur comporte trois photodiodes réparties à 1200 autour de l'axe~de l'obus dans des alvéoles prévus à cet effet.Cette solution sera généralement préférable lorsqu'on veut réaliser une fusée télémétrique destiMaecible à activer la charge à une distance précise et relativement grande dey Dans ce dernier cas, et si la fusée doit être activée à distance importante (distance comprise entre 0,5 m et 5 m par exemple) il .est plus avantageux d'utiliser un faisceau non pas bès ouvert comme dans le cas des figures 5 et 6, mais beaucoup plus fin et dirigé le long de l'axe, pour plusieurs raisons : la densité de puissance, étant inversement proportionnelle à l'angle solide du faisceau d'émiss-ion, sera augmentée ; la réflexion sur le sol est rendue impossible ; la cible occupe la quasi totalité des faisceaux d'émission et de réception. Dans le dispositif montré en figure 2, le circuit de remise à zéro du compteur 23 intervient uniquement si la photodiode est aveuglée pendant des créneaux situés en dehors des fenêtres de télémétrie. Il est possible d'appliquer en permanence le signal de sortie de la photodiode à l'entrée de remise à zéro du comp ter, par l'intermédiaire d'un circuit à seuil. Mais, dans ce cas, il est nécessaire de tenir compte des parasites lumineux impulsionnels susceptibles d'incrémenter le compteur. Dans le mode de réalisation illustré en figure 7, où seuls sont montrés les composants qui diffèrent de ceux montrés en figures 1 et.2, ce dernier résultat est atteint à l'aide d'une logique qui n'autorise la mise à feu que si le compteur est incrémenté par trois impulsions de comptage correspondant à trois coups d'horloge consécutifs. Sur la figure 7, où lescomposants correspondant à ceux des figures 1 et 2 portent le même numéro de référence, on retrouve un compteur 23 dont la sortie est cette fois reliée au circuit pyrotechnique par l'intermédiaire d'une porte ET 37. La seconde entrée de la porte ET reçoit les impulsions provenant de.l'horloge 17 par l'intermédiaire d'une logique 38. Cette logique comporte un second compteur 39. L'entrée de comptage du compteur 39 est alimentée par une porte ET dont les entrées sont reliées l'une àlasortie-de l'horloge 17, l'autre à la sortie d'une porte OU 40 dont les entrées sont reliées aux sorties de poids 1 et 2 du compteur 23. Les sorties de poids 1 et 2 du compteur 39 sont reliées aux entrées d'un circuit ET 42 qui attaque L'entrée de validation de la porte ET 37. Les signaux fournis par le photodétecteur 14 sont appliqués, par l'intermédiaire du circuit passe-bas 33 à un basculeur 43 qui attaque : - l'entrée de remise à zéro du compteur 23, - l'entrée de remise à zéro du compteur 39, - enfin, l'entrée de déblocage de la porte ET 18 (constituant circuit économiseur). On voit qu'un tel dispositif ne provoque la mise à feu que si les compteurs 23 et 39 affichent simultanément .t3 ce qui ne peut se produire que si trois impulsions provenant du photodétecteur 14 et correspondant à trois coups successifs d'horloge sont arrivées au compteur 23. En effet, on constate que les impulsions d'horloge sont transmise au compteur 39 si le compteur 23 affiche, 1, 2 ou 3. En conséquence, le compteur 39 peut s'incrémenter sur un coup d'horloge ne correspondant pas à une impulsion transmise du photodétecteur 14 au compteur 23 à travers le circuit de mise en forme et la porte 22. L'invention ne se limite pas aux modes particuliers de réalisation décrits ci-dessus et est susceptible de nombreuses variantes. Par exemple, horloge peut être à fréquence variant de façon aléatoire, par exemple pour éviter le brouillage par répondeur. Les alimentations électriques peuvent être mises en service au départ du coup, dans le cas d'un obus, ou immédiatement avant. Il va sans-dire que de telles variantes, ainsi plus généralement que toutes celles restant dans le cadre des éqtii- valences, sont couvertes par le présent brevet. REVENDICATIONS 1. Dispositif optique destiné à eAtre monté sur un mobile pour détecter la proximité d'une paroi, caractérisé en ce qu'il comprend une source de lumière et un photodétecteur placés, l'une, pour émettre de la lumière dans un angle solide déterminé vers l'avant du mobile et, l'autre, pour recevoir de la lumière à travers un filtre optique correspondant à la composition spectrale de la source, depuis l'avant dans ledit angle solide, et une électronique comportant :: une horloge qui émet avec une périodicité déterminée un signal d'excitation d'un circuit de commande de la source pendant une durée courte par rapport à la période d'horloge, un générateur de fenêtre de télémétrie qui, en réponse à chaque émission de la source, cre un créneau de validation d'une porte d'amenée du signal de sortie du photodétecteur à un circuit de comptage qui, lorsqu'il a reçu une séquence de n impulsions successives ayant un niveau supérieur à un seuil provenant du photodétecteur sans avoir été remis à zéro par un circuit excité l-orsque le niveau de la lumière ambiante dépasse un second seuil, provoque l'activation d'une charge utile portée par le mobile 2.Dispositif suivant~ la revendication 1, caractérisé en ce que l'horloge émet, entre lesdits signaux d'excitation et après la fin du créneau de validation, un signal d'excitation d'un générateur de créneaux d'observation d'ambiance qui valide une porte logique reliant la sortie du photodétecteur à l'entrée de remise à zéro du compteur. 3. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les signaux fournis par le photodétecteur sont transmis à l'entrée de remise à zéro du circuit de comptage par l'intermédiaire d'un basculeur et en ce qu'il comporte de plus une logique interposée entre le circuit de-comptage et un circuit d'activation n'autorisant l'excitation de celui-ci que si le circuit s'est incrémenté de n au cours de n signaux d'excitation consécutifs de l'horloge. 4. Dispositif suivant la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que n est égal à 3. 5. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la source de lumière est constituée par une diode laser et en ce que le photodétecteur est constitué-par au moins une photodiode recevant la lumière réfléchie à travers un filtre de couleur. 6. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la source de lumière est alimentée par l'intermédiaire d'un circuit commutateur rapide, avantageusement à transistor à avalanche. 7. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la source de lumière et le photodétecteur sont disposés coaxialement et associés à des optiques disposes concentriquement l'une å l'autre, l'optique extérieure étant annulaire. 8. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications précédentes destiné à être monté sur un obus à grande vitesse initiale, caractérisé en ce que l'horloge est à une fréquence de l'ordre de 100 kHz, en ce que l'émission et la réception de lumière s'effectuent suivant des lobes ayant un angle au sommet de l'ordre de 1200 et en ce que la fenêtre de télémétrie est prévue pour correspondre à une distance comprise entre trois et cinq fois le calibre. 9. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte un circuit supplémentaire bloquant l'arrivée des signaux d'horloge au circuit de commande de la source lorsque le photodétecteur reçoit, en dehors de la fenêtre de télémétrie, un niveau de lumière supérieur à un seuil déterminé.