Brevet FR2431705A1 — publié le 19800215

La présente invention concerne un dispositif de détection optoélectrique et de traitement par corrélation permettant la mesure en temps réel de la vitesse par rapport au sol d'un aéronef. Le dispositif embarqué s'adresse notamment à des systèmes de navigation aérienne équipant des avions d'attaque, d'appui tactique, de surveillance, etc. susceptibles de voler à basse altitude et pour lesquels les considérations de consommation électrique et d'encombrement sont de première importance. La mesure de la vitesse par rapport au sol s'effectue selon des techniques connues, en procédant par détection électromagnétique avec un système radar Doppler ou, à l'aide de données élaborées par une plateforme inertielle. Ces solutions se prêtent difficilement à 'exécution de réalisations compactes ee de faible consommation électrique. L'objet de l'invention est de réaliser un dispositif de mesure répondant aux impératifs de volume et de consommation signalés et qui présente en outre 11 avantage de la discrétion liée aux systèmes passifs. Suivant une caractéristique de l'invention le dispositif de mesure comporte en combinaison : des moyens de photodétection de rayonnement ambiant provenant de deux zones du sol situées l'une derrière l'autre selon la direction de déplacement de l'aéronef et distantes de d = 2h tg e, h étant l'altitude de vol fournie par un altimètre annexe et 2e l'angle entre les deux directions de visée aboutissant a ces zones, le rayonnement étant focalisé respectivement par deux objectifs optiques sur deux détecteurs optoélectrique des moyens de synchronisation pour synchroniser notamment le balayage de lecture des détecteurs et extraire le signal vidéo image de zone correspondant, des moyens de corrélation électronique a mémoire pour corréler l'image vidéo de la zone située vers l'arrière avec celle de la zone située vers l'avant mise en mémoire à un instant de référence de mesure ; un circuit de mesure du retard Z présenté entre l'instant de référence et celui d'autocorrélation, et un circuit de calcul de la vitesse par rapport au sol en fonction des paramètres e, h et Z. Les particularités et avantages de l'invention apparaîtront dans la description qui suit donnée a' titre d'exemple à l'aide des figures annexées qui représentent - la figure 1, un schéma du procédé de mesure mis en oeuvre selon l'invention - la figure 2, un schéma de la partie optique et détectrice du dispositif de mesure - la figure 3, un bloc diagramme général du dispositif de mesure , - les figures 4 et 5, un diagramme d'un exemple de réalisation et de formes d'ondes de fonctionnement ; et - la figure 6, un diagramme partiel d'une variante de réalisation du dispositif de mesure selon la figure 4. Le dispositif de mesure 1 est installé à bord d'un aéronef A comme le montre la figure 1 de manière à recueillir une information de rayonnement ambiant en provenance du sol S. I1 ne comporte pas d'émetteur de rayonnement et constitue un système passif. Il est constitué d'une partie optoélectrique détectrice schématisée sur la figure 2 et d'une partie électronique effectuant un traitement par corrélation des signaux détectés. Les moyens de détection optoélectrique sont de préférence formés par deux dispositifs distincts, comportant chacun un objectif optique de focalisation 2A, 2B et un dispositif détecteur photosensible 3A, 3B situé dans le plan focal correspondant. En outre, des filtres optiques 4A, 4B peuvent être interposés sur le trajet optique pour filtrer le rayonnement incident dans une bande spectrale délimitée choisie en relation avec les caractéristiques de sensibilité présentées par les détecteurs et qui constitue la bande d'exploitation envisagée pour le fonctionnement.Les détecteurs 3A, 3B sont constitués par des dispositifs à transfert de charges ou DTC (CCD en terminologie anglo-saxonne) de préférence à des tubes de prise de vue, afin de répondre aux conditions de compacité et de faible consommation électrique ; d'autres avantages résultent de l'utilisation de dispositifs DTC, notamment : l'absence de rémanence et de microphonie et la stabilité géométrique relative des différents points de détection. Le plan photosensible de détection, 3A (3B) situé sensiblement dans le plan focal de l'objectif optique associé 2A (2B) détermine avec celui-ci un champ de réception centré sur l'axe optique correspondant ZA (ZB) et qui couvre au sol une zone SA (SB) dont les. dimensions sont fonctions notamment de celles du détecteur et de l'altitude h d'évolution de l'aéronef. Les dispositifs optoélectriques détecteurs sont positionnés relativement l'un à l'autre en sorte que les axes optiques de visée EA, ZB sont situés sensiblement dans un meme plan et qu'ils forment entre eux un angle 2e déterminé. Les moyens support correspondant sont symbolisés en 5 sur la figure 2. En outre, le positionnement est tel qu'en l'absence de roulis, le plan ZA, ZB est vertical, correspondant de préférence au plan médian passant par l'axe longitudinal X1 de l'aéronef.Ainsi, le premier dispositif détecteur vise une zone SA au eol dite zone avant qui précède selon 1r sens Ox ds déplacement la zone SB dite zone arrière visée par le deuxième dispositif détecteur et qui est distante de cette dernière d'une distance d égale a 2h tg e, en considérant les axes ZA, ZB également inclinés par rapport à la verticale au sol. Cette direction est matérialisée par Oz sur le schéma où le sol est considéré horizontal et le vol parallèle au sol. L'image de la zone avant SA se retrouve formée sur le deuxième capteur après un délai ou retard Z correspondant au parcours de la distance d par l'aéronef selon Ox.Le traitement des signaux détectés est basé consécutivement sur la mise en mémoire de l'information image SA à un instant de référence to et sur la recherche de l'autocorrélation avec l'image SB détectée par le second capteur 3B pour déterminer le retard 25 = d/VX et obtenir la composante vitesse VX = kxh selon le sens de déplacement Ox considéré,en fonction de l'altitude h et du paramètre constant k = 2 tg e. En toute rigueur, la vitesse instantanée de l'aéronef peut présenter également des composantes VZ selon la verticale Oz et VY selon la direction horizontale Oy perpendiculaire à Ox. La composante VZ due à une assiette non nulle va se traduire par une variation d'altitude h ; le paramètre h est fourni par un dispositif altimètre annexe équipant normalement l'aéronef et le dispositif de mesure peut être aménagé pour tenir compte de la variation présentée par ce paramètre h entre l'instant to de référence de mesure et l'instant to + z de corrélation.La composante vY va elle se traduire par un écart relatif en Y des images à corréler En choisissant une valeur e suffisamment faible le fonctionnement ne sera généralement guère perturbé, d'ailleurs l'aménagement du dispositif de mesure peut également être prévu pour obtenir la mesure d'écart en Y due à cette composante. De manière préférée, la valeur d'angle e est choisie assez faible et au moins la composante verticale VZ peut être négligée.Etant donné que lessdirections de visée ne sont pas parallèles, la zone SA mémorisée ne sera pas vue par le deuxième dispositif détecteur sous le même angle à l'instant to + Z de corrélation ; pour faciliter l'identification par autocorrélation, dans le cas de terrains accidentés notamment, il est donc nécessaire également que la valeur e su in choisie cossez faible. Ainsi les directions ZA et ZB ne s'écartent pas exagérément de la normale et les images de zone présenteront un degré de ressemblance suffisant pour satisfaire à la corrélation. L'écart e peut être déterminé par exemple dans la plage 10 à 100 et de préférence autour de 30 La partie électronique de traitement et de mesure apparaît sur le diagramme général de la figure 3.Les détecteurs 3A, 3B en circuits DTC peuvent comporter chacun une mosatque bidimensionnelle en XY du type senseur d'image ou bien etre réduits à une seule barrette linéaire de direction orthogonale à l'axe longitudinal de l'aéronef, soit de direction Oy en vol horizontal rectiligne pour se présenter orthogonalement au déplacement. Le circuit 10 symbolise les moyens de synchronisation des différents circuits, il assure notamment la lecture périodique des détecteurs. Les sorties de détection sont traitées par amplification préalable dans des circuits amplificateurs vidéo 1LA et llB. Les signaux vidéo amplifiés Si7A de la première voie vidéo sont appliqués à un circuit mémoire 12A pour enregistrer une image de zone SA visée par le premier dispositif détecteur.Les signaux vidéo amplifiés SVB sont appliqués dans la deuxième voie vidéo à un corrélateur 13 qui reçoit par sa deuxième entrée le signal de référence correspondant a l'image SA mémorisée. Le circuit 14 élabore la donnee iS entre l'instant to de mémorisation et celui to + ; de corrélation, il peut être constitué d'un compteur d'impulsions synchronisé par le circuit 10. Un circuit de calcul 15 élabore à l'instant to + la donnée VX a partir de la valeur i; mesurée, du paramètre h fourni par un altimètre annexe 16 et du paramètre k connu égal à 2 tg e. Les lectures de la mémoire 12À et du détecteur 33 steffectuent en synchronisme. Durant la lecture, la mémoire l2A est déconnectée des circuits en amont par un circuit commutateur 17. Lors de llidentification par corrélation la sortie Si du corrélateur commande à travers un circuit 18 le commutateur 17 pour produire une nouvelle inscription d'Image de référence en mémoire et recommencer un cycle de mesure. Le signal S1 commande également L'arrêt de comptage du circuit 14 et l'élaboration du calcul en 15. Un signal 52 élaboré par le circuit de commande 18 est appliqué au circuit de comptage 14 pour commander le debut de comptage après inscription en mémoire de l'image de référence SA. L'image stockée en mémoire doit être conservée tant que la corrélation n'est pas produite, ce résultat est par exemple obtenu comme figuré par une boucle 20 de réinscription. I1 est entendu que lé circuit de corrélation 13 comporte des moyens d'identification du pic de corrélation tel que par comparaison à seuil du niveau de corrélation. Dans le cas de détecteurs bidimensionnels du type mosaique, les deux voies vidéo sont de préférence traitées dans des circuits 19A, 19B ligne par ligne par ébasage, écrêtage et échantillonnage. Les signaux vidéo peuvent ainsi etre mis sous forme d'impulsions unipolaires à deux niveaux "zéro" et 'un" autorisant un traitement numérique en aval. Le circuit d'horloge 10 commande la cadence dléchantlllonnage en relation avec celle de lecture des éléments détecteurs composant une ligne. Le train dtimpulsions de la première voie est inscrit ligne par ligne dans la mémoire électronique 12A pendant la durée trame correspondant au nombre de lignes de 1 limage a stocker. La mémoire 12A peut etre réalisée avec des registres à décalage. Après écriture, l'entrée mémoire est déconnectée du circuit 19A et bouclée avec sa sortie par la connexion 20.La deuxième voie comportera de manière similaire une mémoire 123 pour inscrire les images successives détectées par le détecteur 3B étant entendu que chacune d'elle est corrélée avec l'image de référence stockée dans la mémoire 12A. Moyennant un aménagement des circuits, par exemple en doublant les circuits de mémorisation, de corrélation et de comptage, on peut obtenir également la mesure de la composante VY de la vitesse. Un exemple de réalisation simple du dispositif de mesure selon l'invention est décrit dans ce qui suit à l'aide des figures 4 et 5. Le détecteur 3A de la première voie comporte une seule barrette linéaire photosensible en circuit DTC groupant la barrette 3a proprement dite et son circuit de lecture 31A. Le second détecteur comporte de même une barrette photosensible 30B et un circuit de lecture 3113. La lecture électronique s'effectue à la cadence T1 d1un signal H1 de synchronisation point (figure 5a) élaboré par le circuit de base de temps 10.Les signaux vidéo analogiques SU sont inscrits dans la mémoire 12A const:'.tuée par un registre a décalage en circuits DTC, au cours d'un balayage ligne de durée T2 (figure 5b). Le registre 12A comporte le même nombre n d'éléments que la barrette, ce nombre n définissant le nombre de points de la ligne laquelle correspond à 11 image de référence stockée. Durant l'inscription de la ligne le commutateur 17 est commandé en position fermée par le circuit 18. La deuxième voie vidéo comporte de même une mémoire 12B constituée par un registre à décalage en circuits DTC. Les signaux SVB sont transmis via un commutateur 26 qui est commande en position fermée dès la fin de l'inscription en mémoire 12A.Ainsi les charges stockées dans la mémoire 12A correspondent à une image de zone SA et les charges qui circulent dans la mémoire 12B à la cadence horloge point H1 correspondront successivement aux différentes images de zone SB reçues par le deuxième détecteur. Suivant cette réalisation, la corrélation s'effectue point à point dans tous les états de phase possibles entre deux signaux analogiques, à l'aide de n circuits multiplicateurs 27-1 a 27-n dont les sorties sont sommées dans un circuit 28 tel un circuit sommateur analogique à n entrées par exemple. La variation d'amplitude du signal de corrélation en sortie du sommateur est normalisée au moyen d'une boucle de contrôle automatique de gain ou CAG comportant un circuit 29 procédant par détection de niveau et élaborant des signaux de commande de gain des circuits lIA et B qui sont du type amplificateur a gain variable. Ainsi le pic d'autocorrélation peut aisément etre identifié par un circuit de comparaison à seuil 32 et le risque de détection de pics parasites d'intercorrélation ou de lobes secondaires de la fonction de corrélation est notablement réduit. De manière encore à accroître la fiabilité du dispositif de mesure, le fonctionnement du corrélateur peut être déclenché avec un certain retard minimal Z m après l'instant de référence to au-delà duquel se situera la corrélation. Le retard tm peut être prédéterminé en fonction de la plage considérée connue d'évolution de la vitesse VX de l'aéronef et est dans ce cas calculé en fonction de la vitesse VX maximale auquel corres pondra la mesure t; minimale. D'une autre manière ce retard z m peut être déterminé et réajusté à chaque mesure par le circuit de calcul 15 (connexion S'3) pour être adapté à la vitesse réelle présentée par l'aéronef. Le signal d'autorisation correspondant S3 (figure 5c) commande la durée de fermeture du commutateur 26, ce qui revient à sélectionner une plage de mesure au début de laquelle la zone SB visée par le deuxième dispositif détecteur est déjà suffisamment proche de la zone SA mémorisée.Sur l'exemple de la figure 4, la valeur t m a été considérée fixe et prédéterminée et le créneau S3 correspondant élaboré par le circuit de commande 18. Ce dernier délivre également le signal de commande 52 (figure 5c) du commutateur 17 formé d'une impulsion de durée ligne T2 pour l'inscription en mémoire. Cette commande est renouvelée après chaque corrélation en synchronisme avec le signal d'horloge de ligne H2 (figure 5b) sur réception par le circuit 18 du signal de corrélation S1.Celui-ci est considéré produit sous forme numérique (figure 5e) par le comparateur 32 qui commande en outre les circuits de comptage et de calcul et la mise hors circuit du corrélateur par ouverture de la deuxième voie vidéo, au moyen par exemple d'un circuit commutateur 33 interposé sur l'alimentation du circuit commutateur 26, Lorsque le circuit commutateur 17 de la première voie (ou le circuit 26 de la deuxième voie) est en position ouvert, les signaux video SVA (SVB) résultant du balayage du détecteur sont transmis à un circuit de charge R1 (R2 > relié au potentiel masse de référence. Un premier circuit de comptage 14A effectue un décompte des impulsions a la période ligne T2-, et reçoit à cet effet le signal H2 et les signaux S2 et S1 respectivement pour le démarrage et l'arrêt du comptage. La valeur m comptée représente le retard Z à mesurer à une période T2 près. Le circuit de calcul 15 effectue l'opération simple ; k . h/ #x oU Zx = m . T2 et qui donne la valeur VX. La mesure de la composante VY peut être obtenue à l'aide d'un deuxième circuit compteur 14B qui effectue le décompte d'impulsions à la période point TI à partir du signal H1. La remise à zéro et le démarrage de ce compteur est produit par le signal de synchronisation ligne H2, l'arrêt de comptage par le signal de corrélation Sl. La valeur de comptage p délivrée à l'instant to + & correspond ainsi au nombrc a'impulsions H1 produites depuis l'instant to + Z;x correspondant au nombre de périodes du signal H2 comptées par le circuit 14A (figure 5).Chaque période T1 comptée par le circuit 14B pendant la durée #y correspond à un décalage latéral d'image d'un élément photodétecteur de la barrette a à ce décalage élémen- taire correspond un angle (3 connu par les caractéristiques meca- niques du dispositif détecteur du point de vue distance focale et dimensions de la barrette. Le circuit de calcul 15 qui prend en compte les informations Ix et #y à l'instant to + g de corrélation peut donc effectuer un calcul similaire pour exprimer VY h sensiblement par l'opération p (tg ss.Tl). La réalisation peut être simplifiée en n'utilisant qu'un seul compteur cadencé par le signal H1 et délivrant le nombre total de période T1 entre l'instant to et to + b ; pour l'obtension de VX, le circuit 15 calcule dès réception du signal S1 le nombre m de périodes T2 comprises dans ce résultat et la partie pTl restante sert comme précédemment au calcul de VY. La figure 6 montre une variante de réalisation possible dans laquelle le signal SVA est transformé en numérique par le circuit l9A. Les valeurs-0 ou 1 stockées dans un registre à décalage conventionnel 40 commandant respectivement à l'ouverture ou a la fermeture des circuits interrupteurs 41-1 à 41-n qui jouent le rôle des multiplicateurs 27-1 à 27-n de la figure 4. La corrélation est du type numérique-analogique et peut être rendue numérique-numérique en incorporant également sur la seconde voie vidéo le circuit de transformation 19B et en remplaçant le registre DTC 12B par un registre à décalage conventionnel. Les interrupteurs 41-1 à n sont réalisables aisément en structure intégrée MOUS. D'autres variantes sont possibles en utilisant, notamment, une mémoire de référence 12A susceptible d'emmagasiner plusieurs lignes successives comme c'est le cas pour une mosaïque détectrice 3A et en effectuant une corrélation limage correspondante, ligne à ligne, par extraction en série des données de la mémoire 12A et réinscription par bouclage comme il a été signalé auparavant. Ces solutions ne permettent guère de corréler tous les états de phase et leur précision s'avère plus limitée et leur complexité accrue. Le circuit de commande la peut être réalisé aisément à l'aide de portes logiques et de circuits monostables par exemple ; de même, le circuit de calcul 15 qui n'a à effectuer que de simples opérations de multiplication est réalisable aisément selon des techniques connues. I1 est entendu que chacune des voies vidéo est dotée de manière conventionnelle de moyens de filtrage vidéo permettant l'accrois- sement du rapport signal à bruit et la rejection des signaux parasites d'horloge. Par souci de simplification ces filtres n'ont pas été figurés, la fonction de filtrage pouvant être assurée par des amplificateurs adaptés ou bien avec des circuits distincts insérés dans chaque voie avant ou après amplification. Les objectifs et les filtres éventuels sont positionnés et rendus solidaires de la plateforme 5 par des structures mécaniques 50A, 50B formant boîtiers. La protection vis-à-vis de l'environ- nement extérieur est assuré de manière connue par un dôme transparent 51 (figure 2). La bande d'exploitation retenue peut se situer dans le spectre visible ou infrarouge. Le dispositif de mesure objet de l'invention peut être aménagé pour tenir compte du roulis de l'aéronef en effectuant une stabili- sation correspondante selon OY de la plateforme 5 supportant les détecteurs. Les moyens de stabilisation symbolisés en 52 sur la figure 2 peuvent consister de manière connue en un dispositif gyroscopique. I1 y a lieu cependant de remarquer que cette solution conduit à une réalisation plus complexe et qui ne s avère pas indispensable dans la pratique pour une exploitation en vol stabilisé. Les données mesurées par le dispositif, VX et VY le cas échéant, sont normalement destinées à une centrale de navigation. Dans le cas où l'aéronef est un drone encore appelé RPV ou Remote Piloted Vehicle selon l'appellation anglo-saxonne il est prévu d'utiliser ces données pour stabiliser une ligne de visée. REVENDICATIONS 1. Dispositif de mesure de la vitesse par rapport au sol d'un aéronef, caractérisé en ce qu'il comporte en combinaison : des moyens de photodétection (2-3) de rayonnement ambiant provenant de de deux zones (SA, SB) du sol situées l'une derrière l'autre selon la direction de déplacement de l'aéronef et distantes de d = 2h tg e, h étant l'altitude de vol fourni par un altimètre annexe (16) et 2e angle entre les deux directions de visée (ZA, ZB) aboutissant à ces zones, le rayonnement étant focalisé respectivement par deux objectifs optiques sur deux détecteurs optoélectriques (3A, 3B) ; des moyens de synchronisation (10) pour synchroniser notamment le balayage de lecture des détecteurs et extraire le signal vidéo image de zone correspon-nt ; des moyens de corre- lation électronique (13) à mémoire (12) pour corréler l'image vidéo de la zone (SB) située vers l'arrière avec celle de la zone située vers l'avant (SA) mise en mémoire à un instant de référence de mesure ; du circuit de mesure (14) du retard Z présenté entre l'instant de référence et celui d'autocorrélation, et un circuit de calcul (15) de la vitesse par rapport au sol en fonction des paramètres e, h et g . 2. Dispositif selon la revendication lr caractérisé en ce que les détecteurs optoélectriques 13A, 3B) sont réalisés en dispositifs à transfert de charge, chaque détecteur étant positionné dans le plan focal image de l'optique qui lui est associé. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que les détecteurs sont constitués chacun par une barrette linéaire (30A, 30B) d'éléments photosensibles orientée selon la direction transversale de l'aéronef. 4. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que les détecteurs sont constitués chacun par une mosaique bidimensionnelle d'éléments photosensibles. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les moyens de photodétection sont agencés en sorte que les directions de visée (ZA, ZB) sont coplanaires entre elles et avec l'axe longitudinal (X1) de l'aéronef (A), la valeur de l'angle e étant choisie de préférence dans la plage 1 à 10 et que le circuit de calcul (15) élabore au moins la donnée de la composante horizontale de la vitesse suivant l'axe longitudinal selon la relation VX = 2 tg e . . 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le détecteur (3A) de la zone avant est connecté à travers un premier amplificateur (1LA) suivi d'un interrupteur (17) et d'un circuit mémoire (12A) à une première entrée d'un circuit corrélateur (13) dont la seconde entrée est connectée au détecteur (3B) de la zone arrière à travers un deuxième circuit amplificateur (lob), le circuit de mesure (14) comportant un compteur d'impulsions de synchronisation, la sortie (S1) du corrélateur commandant le circuit de calcul, l'arrêt du compteur et, à travers un circuit de commande (18), l'interrupteur et le démarrage du compteur. 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comporte un deuxième circuit mémoire (12B) inséré sur la voie vidéo de la zone arrière directement en amont du corrélateur. 8. Dispositif selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce qu'il comporte des circuits de traitement et d'échantillonnage (19AI 19B) en aval des amplificateurs pour produire une transformation numérique binaire des signaux vidéo. 9. Dispositif selon l'ensemble des revendzeations 3, 5 et 7, caractérisé en ce que les circuits mémoires sont sous forme chacun d'un registre à décalage analogique en dispositif à transfert de charge ayant un nombre n d'étages égal à ce-lui des éléments détecteurs de la barrette associée et alimenté en série par le signal vidéo, et que le circuit corrélateur est formé de n circuits multiplicateurs (27-1 à 27-n) interposés respectivement sur les sorties parallèles de même rang des registres et d'un circuit sommateur (28) à n entrées alimenté par les sorties des multiplicateurs, pour produire une corrélation analogique-analogique. 10. Dispositif selon l'ensemble des revendications 3, 5, 7 et 8, caractérisé en-ce que les circuits mémoires sont sous forme chacun d'un registre à décalage ayant un nombre n d'étages égal a celui des éléments détecteurs de la barrette associée et alimenté en série par le signal vidéo numérique, et que le circuit corrélateur est formé de n circuits interrupteurs (41-1 à 41-n) commandés par les sorties parallèles du registre de la voie zone avant et un circuit sommateur (28) à n entrées connectées au registre de la voie arrière à travers les circuits interrupteurs, pour produire une corrélation numérique-numérique. 11. Dispositif selon la revendication 9 ou 10, caractérisé en ce que le circuit compteur est double, un premier compteur (14A) élaborant l'information de retard ( Zx) relative à la composante horizontale longitudinale (VX) de la vitesse et un deuxième compteur élaborant l'information de retard ( 1y) relative à la composante horizontale transversale (VY) de la vitesse, le circuit de calcul fournissant les données de ces deux composantes.