Brevet FR2435048A1 — publié le 19800328

La présente invention se réfère à un procédé de détermination de la position d'une cible s'approchant d'un engin aérien équipé d'un percepteur optique de proximité essentiellement composé d'un système émetteur-récepteur laser, d'une électronique de traitement d'information, et d'un circuit. L'invention concerne-également un dispositif de mise en pratique de ce procédé. On connaît; des percepteurs de proximité émettant un rayon laser,dans lesquels le niveau du signal réfléchi par une cible sert à déclencher l'impulsion d'amorçage. On connaît également des percepteurs de proximité dans lesquels la proximité de la cible est déterminée par repérage de la radiation thermique de la cible elle-même. Les deux procédés permettent de déterminer la position angulaire de la cible par rapport à l'axe de vol de l'en- gin aérien mais pas la distance de la cible croisant à proximité, du fait que l'intensité de la radiation reçue de la cible est déterminée non seulement en fonction du carré de la distance mais également par les propriétés réflectrices ou la température de la cible.On connaît également des télémètres à laser déterminant l'éloignement d'une cible visée par le procédé des temps de transit d'impulsions repris du radar. Ce dernier procédé exige une distance minimale comprise entre 50 et 100 m. Il était également impossible jusqu'ici de distinguer des cibles de faible longueur, mesurée dans le sens du vol, (de I m par exemple), des pseudocibles voulues ou accidentelles. Les pseudo-cibles accidentelles se présentent partout dans la nature sous forme de treillages métalliques, lignes à haute tension, couches de vapeur, brouillard et lignes de nuages. On manquait également jusqu'ici d'une protection efficace contre l'action directe des radiations solaires dans l'optique réceptrice du procédé défini au début.Ces lacunes ne sont comblées de façon satisfaisante ni par les procédés connus seuls, ni par une combinaison de ces procédés. La présente invention a pour objet d'éliminer les lacunes mentionnées et de permettre de mesurer la distance d'une cible plane croisant devant un engin aérien auquel est incorporé un percepteur de proximité à laser, par fractions définies d'une distance comprise entre 0,2 et 15 m environ, indépendamment de la nature de la surface et des propriétés réflectrices de la cible. Ce but est atteint, conformément à l'invention, par un procédé et un dispositif dans lesquels l'émetteur laser émet un rayon lasermonochromatique fortement focalisé, d'une divergence de rayons d'environ 10, dans une direction perpendiculaire au sens de déplacement de l'engin aérien, et la lumière laser réfléchie par la cible dans a zone de surveillance est perçue et traitée par un système récepteur laser décalé, perpendiculairement au sens de radiation, d'une base déterminée par rapport à l'émetteur laser, et comportant un axe optique incliné par rapport à celui de l'émetteur laser. L'information relative à la distance sera obtenue en formant sur un percepteur de position à détecteurs, par une optique réceptrice, l'image réfléchie de la surface de la cible illum née par le rayon laser et en recueillant à la sortie du percepteur sensibilisé deux tensions dont le rapport donnera d'une part la mesure de la position du point lumineux sur le percepteur et d'autre part, par une règle d'lmaaerie géométrique, la mesure de la distance de la cible de l'axe de l'engin aérien Avec un tel procédé par exemple, une cible de 1 m de grandeur dans le sens du vol enverra 20 signaux d'écho à un engin aérien parcourant 250 m par seconde, tandis qu'un treillage métallique ou un fil métallique unique n'enverront que des signaux d'écho intermittents et irréguliers. Une électronique de traitement appropriée, décomptant les signaux réfléchis pendant un temps déterminé, tel que 1 seconde, et les comparant aux réflexions théoriques provenant d'une cible plane au récepteur, permettra de déterminer, par le rapport des impulsions laser émises aux impulsions laser reçues, si l'on est en présence d'une cible plane ou d'une pseudo-cible de grandeur géométrique réduite dans le sens du vol, telle que par exemple un câble, un mat, ou un tronc d'arbre. Selon un développement avantageux, l'invention utilise comme émetteur laser un laser à semi-conducteur actionné par impulsions de faibles longueurs et de fréquence élevée de trains d'impulsions, au moyen duquel la dissipation sera évacuée par un organe réfrigérant métallique. L'expérience a révélé que le laser à semi-conducteur convenable était une diode laser à aluminium et arséniure de gallium (GaAlAs) donnant une puissance de crête de 25 W, des longueurs d'impulsions de 100 nanosecondes, et une fréquence de trains d'impulsions de 5 kHzo La radiation laser pulsée est utilisée dans le système récepteur et dans l'électronique de traitement au moyen des procédés connus, donc non décrits, de la technique des tensions alternatives servant à éliminer les sources de lumière continue et les éléments permanents de perturbation tels que le soleil, la lumière solaire réfléchie, les feux plans, etc. On améliore encore l'élimination des lumières perturbatri- ces en disposant dans le parcours des rayons du récepteur laser des filtres d'interférence réglés sur la longueur d'onde du laser et éliminant ou réfléchissant toutes les autres longueurs d'ondes, ces filtres ayant une bande passante de l'ordre de 100 angstroms.Le régime pulsé de la photodiode réceptrice permet d'obtenir, par commande de la tension de régime de l'élément récepteur, une synchronisation depuis l'impulsion d'émission laser, de sorte que le récepteur laser n'est ouvert et plelnement sensible que pendant la brève période d'environ 150 secondes pendant laquelle on peut escompter un signal utile après émlsslon d'une impulsion laser d'une distance maximale de 15 m alors que, pendant l'intervalle séparant deux impulsions, la tension de régime sera interrompue.Ceci donne l'assurance que les signaux perturbateurs constants seront encore réduits par rapport au temps d'exploratlon et que les émetteurs. d'impulsions de brouillage pouvant autre envlsagés comme parade ennemie ne pourront causer de perturbatlons que dans le cas, très rarement vralsemblable, de concordance complets dW fréquences de trains d'impulsions et de phases. Un développement avantageux de l'invention prévoit que le système récepteur laser se composera d'au moins deux détecteurs couvrant le domaine proche et le domaine lointain de la cible, constitués par des photodiodes à couche d'arrêt au silicium de Bchottky en forme de barreaux sensibles à la position recevant chacun, par une optique propre, les signaux réfléchis et les transmettant à une électronique de traitement. Selon une autre variante avantageuse, l'invention prévoit que l'un au moins des deux détecteurs appartenant au système récepteur pourra être remplacé par un montage en série de percepteurs individuels à chacun desquels sera attribué un domaine de distance défini. Ces dispositions permettent de ne recevoir, du fait des dimensions et de la position du percepteur dans le champ de l'optique réceptrice, que des signaux laser réfléchis depuis une distance prédéterminée de 9,5 à 10,5 m par exemple. Le détecteur prévu pour les distances rapprochées pourra être remplacé par un montage en série composé de deux percepteurs individuels, et celui prévu pour les distances éloignées par un montage en série componé de dix percepteurs individuels. Les percepteurs pourront être de dimensions différentes et assureront une précision d'éloignement d'environ + 0,5 m. Les domaines de distances rapprochées et éloignées comporteront en règle générale des optiques séparées. Considérée dans son ensemble, la disposition en série des percepteurs a le grand avantage de permettre de distinguer indubitablement, par comparaison et traitement de signaux de deux percepteurs voisins, les réflexions provenant d'objets volumineux tels que brouillard, vapeurs, nuages, etc., de celles provenant de cibles planes. Selon d'autres caractéristiques avantageuses de l'inven- tion, l'écart de base entre émetteur laser et système récepteur laser est d'environ 0,5 m, et le système récepteur laser possède un domaine de surveillance totale d'environ 0,25 à 12,25 m, le domaine rapproché allant de 0,25 à 2,25 m et le domaine éloigné de 2,25 à 12,25 me En ce qui concerne le traitement d'information des signaux, seuls sont pris en considération les signaux situés en dessus d'un certain niveau car les divers canaux récepteurs du système récepteur laser possèdent un seuil de réponse réglable. C'est ainsi que, conformément à l'invention, les détecteurs auront besoin, pour réagir, d'un nombre prédéterminé de trains d'impulsions et/ou d'impulsions décomptées par un circuit logique et arrivant successivement sans interruptions. De cette fa çon la cible ne sera reconnue comme cible plane que lorsque, par exemple, au moins huit impulsions seront parvenues successivement sans interruptions de la cible au détecteur correspon dant. En cas d'absence d'un écho en provenance de la cible, le décompte recommencera à zéro. Les cibles repérées devront ainsi avoir une étendue d'au moins 50 cm dans le sens du vol. Mais le critère de réponse pourra également être fait de façon que le nombre des impulsions émises par l'émetteur etXou une amplitude minimale du signal et/ou la présence d'un signal dépassant le seuil de réponse, en cas de détecteur récepteur unique, ou qu'une valeur nettement plus élevée d'un canal, en cas de détecteurs récepteurs multiples, soient une condition préalable de -réponse. Il peut enfin être nécessaire, pour que le percepteur réagisse que la somme des deux tensions fournies par le détecteur parvienne à un amplificateur dont l'amplification pourra être réglée par des signaux de position analogiques et dont le signal de sortie parviendra- au seuil réglable de réponse pour en permettre le dépassemente Un tel circuit logique permet~d'éliminer les radiations parasites telles que les réflexions des brouillards et de ne traiter que des signaux provenant indubitablement d'une cible. il permet également de distinguer la réflexion d'une cible plane de celles produites par un brouillard, le réglage des seuils des signaux tenant compte de l'influence du carré de la distance pour la rétro-diffusion, et de n'identifier une cible plane comme telle que lorsque, d'après la comparaison des signaux, le signal d'un percepteur individuel ou de deux percepteurs voisins dépasse d'une valeur importante les signaux normalisés des autres percepteurs. L'invention est décrite ci-aprs en détail en se référant à un exemple préféré, non limitatif, de réalisation représenté schématiquement aux dessins annexés sur lesquels les mêmes pièces portent les mêmes chiffres de référence et dans lesquels - la figure 1 montre le lieu d'insertion du dispositif objet de l'invention dans une fusée ; - la figure 2 est une coupe, à plus grande échelle, selon la ligne AB de la figure 1, d'un percepteur optique de proximité inséré dans la fusée ; et - la figure 3 est une vue, à plus grande échelle de chacun des deux détecteurs des figures 1 et 2. La figure 1 montre un percepteur optique de proximité 10 monté dans la pointe 2 d'une fusée 1. Ce percepteur se compose essentiellement (comme on le voit surtout sur la figure 2) d'un système laser émetteur-récepteur 3, 4, 5 installé dans un boîtier 70 Le faisceau de rayon laser 8 émis par l'émetteur 3 quand le percepteur 10 fonctionne, est projeté sur une cible non représentée se trouvant dans le champ d'observation, le faisceau 8 étant irradié par une optique 11 avec un angle de divergence d'environ 10 et dans une direction perpendiculaire au sens de déplacement de cette cible. La source de radiations pourra être, par exemple, une diode laser Gaulas d'une puissance de crête d'environ 25 W, émettant des signaux de longueur d'impulsions d'environ 100 ns à une fréquence de trains d'impulsions de 5 kHz.La longueur d'onde du laser est d'environ 9 050 angstroms. La chaleur engendrée dans la diode laser par la dissipation d'environ 0,2 W est évacuée à un élément réfrigérant de capacité suffisante, de fa çon connue en soi donc non représentée, pour le temps de vol relativement bref considéré. Si le percepteur devait fonctionner plus longtemps, par exemple pour une vérification, on pourrait envisager une réfrigération thermoélectrique. L'énergie irradiée, illuminant un point déterminé de la cible, est réfléchie et une fraction 9 de cette énergie vient toucher le système récepteur 4, 5 du percepteur 10 qui contient au moins deux détecteurs 4 ou 5. Ces derniers sont, par exemple, des photodiodes à couche d'arrêt au silicium de Schottky, en forme de barreaux et constituées de façon à être sensibles à la position pour des composantes de fréquence de 3 à 20 z environ, l'une d'elles recevant les fractions de radiation 9 touchant le système récepteur 4, 5 par une optique 12 ou 13 dune distance focale de 25 ou 100 mm et un déflecteur approprié 160 La diode considérée envoie deux tensions à une électronique de traitement d'information 6 dont le rapport constitue la mesure de la position du point lumineux.Cette électronique (non représentée en détail pour plus de clarté) se compose d'un préamplificateur transmettant les fractions de signaux destinés au traitement à un détecteur de rapport à la sortie duquel apparaît une tension continue analogue de la position du point lumineux, rendue apparente sous forme de valeurs correspondant à des pas d'un mètre au moyen d'un transducteur analogique-numérique, sous réserve que les trois conditions ci-après sont satisfaites (comme on l'établira plus loin) 10) Comme l'émetteur 3 travaille à une fréquence de trains d'impulsions d'environ 5 kHz, un déplacement de l'engin aérien 1 de un mètre à une vitesse de 300 m par seconde donnera 5 000 : 300 = 16,6 impulsions. Un circuit logique déterminera si au moins huit impulsions se sont succédées sans interruption. 20) le signal possèdera une amplitude minimale. Pour cela le signal d'intenslté, par exemple la somme de deux tensions émises par le détecteur 4 ou 5, est envoyé d'abord à un amplificateur réglable dont l'amplification et réglée par les signaux de position analogiques. Son signal de sortie parvient ensulte à un seuil réglable dont le dépassement satisfait la seconde condition de libération du signal de sortie. 30) Un seul récepteur devra donner un signal dépassant un seuil de sensibilité; comme les deux détecteurs reçoivent, un canal devra indiquer des valeurs nettement plus élevées. Ce n'est que lorsqu'un canal contient en outre une cible que son signal est plus grand et que la troisième condition est remplie. Les deux détecteurs 4 et 5 représentés séparément sur la figure 3 sont équipés d'un filtre 14 ou 15 possédant une bande passante d'environ 100 angstroms et réglés sur la longueur d'onde du laser. Ils couvrent une zone de surveillance 17, indiquée en traits interrompus d'environ 0,25 à 12,25 m de distance entre la cible et le percepteur obtenue par une inclinaison appropriée sur le rayon laser. Cette zone totale de surveillance se subdivise en une zone proche, entre 0,25 et 2,25 m, attribuée au détecteur 4 et une zone lointaine, entre 2,25 et 12,25 m, attribuée au détecteur 5.Les deux détecteurs sont montés à environ 0,5 m en arrière de l'émetteur 3 et dans le même boîtier 7 que ce dernier (figure 2). L'un au moins des deux détecteurs 4 ou 5 peut autre remplacé par un montage série de détecteurs à surfaces d'éléments individuels différents, la fractlon de radiation à recevoir se répartissant sur un ou deux détecteurs voisins0 On peut concevoir d'autres modes, non mentionnés, de réallsation ne nécessitant qu'une ou deux des condltlons d'amorçage ci-dessus, ou utilisant d'autres valeurs de fréquence de trains d'impulsions, nombre d'impulsions, grandeur de cible, gammes de réponse, etc. La nature de la source de radiations ou l'angle de divergence du rayonnement laser irradié n'ont été indiqués qu'à titre directif pour la mise en pratique et n'ont aucun caractère limitatif pour l'invention0 REVEDI CTI0NB 10) Procédé de détermination de la position d'une cible s'approchant d'un engin aérien équipé d'un percepteur optique de proximité essentiellement composé d'un système émetteur-récepteur laser, d'une électronique de traitement d'information, et d'un circuit, caractérisé en ce que l'émetteur laser émet un rayon laser monochromatique fortement focalisé, d'une divergence de rayons d'environ 10, dans une direction perpendiculaire au sens de déplacement de l'engin aérien, la lumière laser réfléchie par la cible dans la zone de surveillance étant perçue et traitée par un système récepteur laser décalé, perpendiculairement au sens de radiation, d'une base déterminée par rapport à 1 'émetteur laser et comportant un axe optique incliné par rapport à celui de l'émetteur laser. 2.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'information relative à la distance est obtenue en formant sur un percepteur de position à détecteurs, par une optique réceptrice, l'image réfléchie de la surface de la cible illuminée par le rayon laser, et en recueillant à la sortie du percepteur sensibilisé deux tensions dont le rapport donnera d'une part la mesure de la position du point lumineux sur le percepteur et d'autre part, par une règle d'imagerie géométrique, la mesure de la distance de la cible de l'axe de l'engin aérien. 3.- Procédé selon les revendications 1 et/ou 2, caractérisé en ce qu'il utilise comme émetteur laser un laser à semiconducteur actionné par impulsions de faibles longueurs et de fréquence élevée de trains d'impulsions, au moyen duquel la dissipation sera évacuée par un organe réfrigérant métallique. 4.- Dispositif pour la mise en pratique du procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit laser à semiconducteur est constitué par une diode laser Galas donnant une puissance de crête de 25 W, des longueurs d'impulsions de 100 ns, et une fréquence de trains d'impulsions de 5 kHz. 5.- Dispositif selon une ou plusieurs des revendications 1, 2, 3 ou 4, caractérisé en ce que des filtres d'interférence réglés sur la longueur d'onde du laser et éliminant ou réfléchissant toutes les autres longueurs d'ondes sont disposés dans le parcours des rayons du récepteur laser. 6.- Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que lesdits filtres d'interférence ont une bande passante de l'ordre de 100 angstroms. 7.- Dispositif selon une ou plusieurs des revendications 1, 9, 3, 4, 5 ou 6, caractérisé en ce que le système récepteur laser se compose d'au moins deux détecteurs couvrant le domaine proche et le domaine lointain de la cible. 8.- Dispositif selon une ou plusieurs des revendications 1, 2, 3, 4, 5, 6 ou 7, caractérisé en ce que les deux détecteurs appartenant au système récepteur laser sont constitués par des photodiodes à couche d'arrêt au silicium de Schottky en forme de barreaux sensibles à la position, recevant chacun, par une optique propre, les signaux réfléchis et les transmettant à une électronique de traitement. 9.- Dispositif selon une ou plusieurs des revendications 1, 2, 3,4, 5, 6, 7 ou 8, caractérisé en ce que l'un au moins des deux détecteurs appartenant au système récepteur laser pourra être remplacé par un montage en série de percepteurs individuels à chacun desquels sera attribué un domaine de distance défini. 10.- Dispositif selon les revendications 5, 6, 7, 8 ou 9, caractérisé en ce que le détecteur prévu pour les distances rapprochées peut être remplacé par un montage en série composé de deux percepteurs individuels, et en ce que le détecteur prévu pour les distances éloignées peut être remplacé par un montage en série composé de dix percepteurs individuels. 11.- Dispositif selon les revendications 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 ou 10, caractérisé en ce que l'écart entre l'émetteur laser et le système récepteur laser est d'environ 0,5 m et en ce que le système récepteur laser possède un domaine de surveillance totale d'environ 0,25 à 12,25 m, le domaine rapproché allant de 0,25 à 2,25 m et le domaine éloigné de 2,25 à 12,25 m. 12.- Dispositif selon une ou plusieurs des revendications 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 ou 11, caractérisé en ce que les divers canaux récepteurs du système récepteur laser possèdent un seuil de réponse réglable. 13.- Dispositif selon la revendication 12, caractérisé en ce que le fonctionnement des détecteurs est conditionné par la présence d'un nombre prédéterminé de trains d'impulsions et/ou d'impulsions décomptées par un circuit logique et arrivant successivement sans interruptions. 14.- Dispositif selon la revendication 12, caractérisé en ce que le fonctionnement des détecteurs dépend du nombre d'impulsions émises par l'émetteur, et/ou d'une amplitude minimale du signal, et/ou de la présence d'un signal dépassant le seuil de réponse en cas de détecteur récepteur unique, ou plus d'une valeur nettement plus élevée d'un canal en cas de détecteulsré- cepteurs multiples. 15.- Percepteur de proximité selon une ou plusieurs des revendications 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, Il, 12, 13 ou 14, caractérisé en ce que la somme des deux tensions fournies par le détecteur doit, pour que le percepteur réagisse, parvenir à un amplificateur dont l'amplification peut être réglée par des signaux de position analogiques et dont le signal de sortie parviendra au seuil réglable de réponse pour en permettre le dépassement.