Brevet FR2474682A1 — publié le 19810731

- La présente invention concerne un système pour le gui- dage d'un engin selon une direction de visée, comprenant, à l'émission, une source d'émission produisant un faisceau lumineux dont l'axe définit la direction de visée et un dis- positif de modulation du faisceau émis, et sur l'engin, au moins un photo-détecteur et un circuit de traitement pour dé- terminer, à partir du signal de sortie du détecteur, les coor- données de l'engin par rapport à la direction de visée, les- dites coordonnées étant appliquées aux gouvernes de l'engin afin d'asservir la trajectoire de l'engin sur la direction de visée. Dans les systèmes connus de ce type, on utilise généra- lement pour la modulation du faisceau une mire tournante de forme relativement compliquée, et le faisceau modulé ainsi produit est fortement sujet à la diffraction. L'invention vise un système de guidage dans lequel le dispositif de modulation fonctionne suivant un principe tout à fait différent et est très simple dans son dessin. Dans le système de guidage selon l'invention, le dispo- sitif de modulation comprend une mire en forme de bande com- portant des motifs répétitifs, un mouvement de translation à vitesse constante étant créé entre le faisceau et la mire dans une direction perpendiculaire à l'axe du faisceau, chaque mo- tif comprenant des parties opaques et transparentes les par- ties opaques et/ou transparentes ayant une longueur (dimension suivant la direction de déplacement) qui varie suivant la hau- teur considérée. La réalisation du dispositif de modulation sous la forme d'une mire défilante formée de motifs répétitifs permet de donner à la mire, c'est-àdire à chaque motif, un dessin très simple et le faisceau modulé obtenu est par conséquent peu sujet à la diffraction. La mire.est de façon appropriée un tambour creux entrat- né en rotation autour de son axe et un organe de réflexion est placé au centre de la mire de manière à réfléchir le faisceau, arrivant suivant l'axe de la mire, dans une direc- tion radiale par rapport à la mire. Dans une forme de réalisation simple, les parties opa- ques et transparentes de la mire ont des c8tés inclinés à - par rapport aux bordide la mire et, de façon particuliè- rement avantageuse, les parties opaques (respectivement transparentes) sont des parallélogrammes, les deux parties transparentes (respectivement opaques) adjacentes à un tel parallélogramme étant des triangles ou trapèzes en disposi- tion t&te-b&che. Dans cette forme de réalisation de la mire, le taux mo- yen d'éclairement est cons-:&r' et égal à 50 % quelle que soit la position du détecteur. Cette valeur est optimale en ce qui concerne le bilan de-liaison du système. De façon avantageuse, la base de temps nécessaire pour déterminer les coordonnées du détecteur à partir du signal émis par celui-ci est fournie par une seconde mire défilante entratnée en synchronisme avec la mire de modulation. L'invention sera bien comprise à la lecture de la des- cription suivante, faite en référence aux dessins annexés. Dans les dessins:- - la figure 1 illustre le principe du guidage d'engin par faisceau lumineux; - la figure 2 montre de façon schématique l'émetteur du système de guidage; - la figure 3 représente les dispositifs de modulation de l'émetteur de la figure 1; - les figures 4a, 4b, 4c montrent, à l'état développé, plusieurs formes de réalisation de la mire de modulation; - la figure 5 montre le signal de sortie du détecteur de l'engin obtenu avec la mire de la figure 4c; - la figure 6 illustre le traitement dudit signal de sortie en vue de la détermination des coordonnées de l'engin; - la figure 7 est un schéma du récepteur placé sur l'en- gin; - la figure 8 illustre le mode de détermination du rou- lis absolu dans le récepteur de la figure 7; - la figure 9 représente le circuit de détermination du roulis absolu. La figure 1 illustre le principe du guidage d'engin par faisceau lumineux modulé. Un émetteur 1 couplé au poste de tir de l'engin E émet un faisceau lumineux modulé dont l'axe est dirigé sur la cible C. L'engin porte des détecteurs D sen- sibles à la longueur d'onde du faisceau émis, et un circuit de traitement capable de déterminer les coordonnées de l'en- gin par rapport à un référentiel absolu lié à l'axe du fais- ceau à partir des signaux de sortie des détecteurs. Les si- gnaux émis par ce circuit de traitement sont appliqués aux gouvernes de l'engin en vue d'asservir sa trajectoire sur l'axe du faisceau. La figure 2 montre la structure générale de l'émetteur 1, dans un exemple de réalisation. Une source laser 2, de préférence à émission continue, émettant par exemple sur une longueur d'onde de 10,6 pm, produit un faisceau qui est mo- dulé par un dispositif de modulation 3 décrit en détail ci- après. Le bloc 4 représente l'alimentation de la source laser 2 et le bloc 5 l'alimentation primaire qui comprend une bat- terie. Le faisceau présente une polarisation rectiligne, dans un but qui sera expliqué plus loin. Le faisceau modulé transmis par l'optique 6 est renvoyé par un miroir 7 sur un miroir parabolique 8 qui fait office d'objectif. L'optique 6 comprend une afocale à grandissement varia-- ble, ou zoom, dont le réglage est commandé de telle manière que la section du faisceau au niveau de l'engin reste sensi- blement constante, cela ayant pour but de maintenir sensible- ment constante la puissance lumineuse reçue par les détecteurs. Un circuit 9 ayant en mémoire l'information "distance parcou- rue par l'engin" commande le moteur de positionnement de l'op- tique 6 de.Laçon appropriée. On va maintenant décrire plus en détail le dispositif de modulation 3. Ce dispositif comprend un tambour cylindrique creux 10 dont la surface latérale présente des parties transparentes au rayonnement laser et des parties opaques, formées selon un dessin obtenu par répétition d'un motif simple dont on décrira ci-après des exemples. Le tambour 10 est entra né en rotation par un moteur 11, et un dispositif de régulation de type connu, comprenant un ensemble opto-électronique source-capteur 12 est prévu pour maintenir constante la vitesse du tambour. Le tambour 10 constitue ainsi une mire défilante qui réalise une modulation du faisceau. Le moteur Il entraine éga- lement un tambour 13 coaxial au tambour 10 et dont la surfa- ce latérale présente un dessin tout 'à fait différent de celui du tambour 10 et qui, comme on le verra, permet de définir - une base de temps. Le faisceau laser issu de-la source 2 traverse radiale- ment le tambour 13 et est réfléchi par un miroir 14.,situé - au centre du tambour, de manière que l'axe du faisceau réflé- chi coïncide avec l'axe des tambours 13 et 10. Le faisceau traverse un prisme de Wbllaston 15 monté dans un axe creux entratné par le moteur 11, et tombe sur un miroir 16 placé au centre du tambour 10. Le -faisceau est ainsi réfléchi dans une direction radiale par rapport au tambour rotatif 10. Les figures 4a, 4b, 4c montrent, à l'état développé, dif- férentes formes de réalisation de la mire de modulation qui correspondent à des motifs de base différents. Dans tous les cas, les secteurs opaques et transparents sont délimités par des lignes a inclinées à 45- par rapport aux bords b de la mi- re. Dans le cas de la figure 4a, les secteurs opaques et transparents ont tous la forme de triangles rectangles isoàè- les, et dans le cas de la figure 4b, les secteurs sont cons- titués par des trapèzes isocèles. Dans ces deux réalisations, deux lignes de délimitation consécutives sont toujours perpendiculaires. Dans la réalisation de la figure 4c, les deux lignes con- sécutives délimitant un secteur transparent sont au contraire parallèles, de sorte que les secteurs transparents sont des parallélogrammes et que les secteurs opaques sont des trian- gles rectangles isocèles dont la disposition s'inverse à cha- 2474682 que fois. Cette réalisation présente l'avantage sur les pré- cédentes que la durée d'éclairement relative est égale à %, soit la valeur optimale sur le plan du bilan de liai- son du système, quelle que soit la distance entre l'engin et l'axe du faisceau. Cela vient du fait que les parallélo- grammes ont toujours la même dimension parallèlement à leurs c8tés. Bien entendu, il serait équivalent que les secteurs opaques soient constitués par des parallélogrammes et les secteurs transparents par des triangles. Le principe de calcul des coordonnées est le suivant. Sur la figure 4e, à gauche, on a représenté le champ défini par la mire, le détecteur étant en D. On note qu'on a choisi un système d'axes adapté au dessin de la mire, c'est- à-direYes axes Ox et Ov sont parallèles respectivement aux 1S c8tés a des triangles constituant les secteurs opaques. Dans l'explication qui va suivre, on raisonnera pour plus de clarté comme si le détecteur se déplaçait par rapport à un faisceau traversant une mire fixe. C'est l'inverse qui se produit, mais les deux cas sont équivalents en ce qui con- cerne le fonctionnement. L'horizontale passant par D est alors le lieu géométri- que du détecteur et celle passant par O le lieu géométrique de la trace de l'axe du faisceau. "-je signal émis par le détecteur est représenté à la figure A, les fronts de montée correspondant aux passages d'une zone non éclairée à une zone éclairée et les fronts de. descente aux transitions inverses. La mesure du temps écoulé entre deux transitions fournit une première relation entre les coordonnées x et y. Pour obtenir une seconde relation, il faut prendre en considération le taux d'éclairement sur une période donnée et pour cela, le circuit de traitement sur l'engin produit des impulsions baptisées +x, -y, +y, -x à partir de la compo- sante de basé de temps fournie par l'émetteur, plus parti- cul ierement par le tambour 33 dans le présent exemple de réalisation. Le signal de la figure 5 est intégré sur une période délimitée par deux impulsions consécutives. On obtient ainsi le signal de la figure 6, dans lequel les coordonnées x, y sont données par les amplitudes à chaque remise à zéro, les amplitudes fournissant successivement -x, ax, -y, +y. On voit qu'il Otagit d'un principe de calcul extrême- ment simple. En ce qui concerne la base de temps, on a vu que dans le présent exemple, on utilisait un tambour 13 entraîné par le moteur i1 en tant que mire de base de temps. Si l'on choi- 1o sit comme vitesse angulaire du moteur une vitesse de 50 tr/s et que l'on suppose que la mire développée comporte 10 trian- gles, disposés avec leur hypoténuse alternativement sur un bord puis sur l'autre de la mire, la fréquence des impul- sions, avec deux impulsions par triangle, est 50 x 10 x 2 = 1 000 Hz. Pour éviter les risques d'interférences ou d'intermodu- lation entre les différentes composantes du signal composite reçu par le détecteur, il faut élaborer le signal de base de temps de façon appropriée. Dans cette élaboration, il faut tenir compte du fait que le Wbllaston 15, par sa rotation liée au défilement de la mire de base de temps, assure un découplage entre le si- gnal de base de temps, moyennant un choix judicieux de ce signal, et le signal résultant de la rotation du tambour 10. Cette double action - celle du tambour 13 et celle du Wollaston 15 provoque toutefois sur la composante de base de temps détectée un effet de modulation de phase à 100IHz qui augmente avec l'éloignement du détecteur par rapport à l'axe du faisceau et qui, lorsque le détecteur est éloigné de laxe, pourrait aboutir à perturber quelque peu le tri des différentes informations à la réception. L'analyse harmonique montre qu'il est avantageux par exemple de constituer la composante de base de temps à partir de deux composantes, l'une à 450 Hz, l'autre à 550 Hz. Le tambour 13 est gravé de façon correspondante avec des raies plus ou moins larges définissant des zones plus ou moins transparentes suivant l'amplitude de la composante de base de temps, comme on l'a représenté à titre d'exemple à la figure 3 sur une partie du tambour. Bien entendu, la totalité de la mire 13 est gravée de cette manière. Mais l'invention n'est pas limitée à cette solution, et on peut obtenir la base de temps par tout autre moyen appro- prié, en particulier en modulant le faisceau avec une fréquen- ce élevée que l'on modifie, soit de façon continue, soit de façon discontinue, d'une manière déterminée. On va maintenant décrire, en référence au schéma de la figure 6, le récepteur présent sur l'engin. L'engin porte deux détecteurs D', D", disposés symétri- quement par rapport à son axe, et un troisième détecteur R associé à un polariseur Pl pour le calcul du roulis absolu. A chacun des détecteurs est associée une optique d'entrée appropriée 18', 18" et 19. A chaque détecteur D', D" est associé un dispositif am- plificateur 20', 20" suivi d'un filtre passe-bande approprié 21', 21". Les signaux filtrés sont appliqués à un addition- neur 22 dont la sortie est reliée à l'entrée d'un circuit d'élaboration de base de temps 23. Le circuit 23 extrait du signal d'entrée la composante de base de temps produite par le tambour 33 par un filtrage approprié dans une bande englobant 450 Hz et 550 Hz. Les deux composantes de 450 Hz'et 550 Hz sont ensuite isolées par de nouveaux filtrages et, à partir de ces composantes, on retrou- ve la fréquence de base de 50 Hz correspondant à la vitesse de rotation des mires. Les signaux issus des filtres 21', 21", qui sont tels que représentés à la figure 5, sont appliqués à des intégra- teurs 23', 23" qui reçoivent par ailleurs un signal de fré- quence 1 000 Hz du circuit de base de temps 23, ce signal commandant la remise à zéro des intégrateurs. Les signaux produits par les intégrateurs 23', 23" sont illustrés à la figure 6. On a vu que ces signaux fournissent alternativement les coordonnées +x et +y d la fin des pério- des d'intégration. On monte donc à la sortie de chaque inté- grateur un dispositif de commutation 24', 24" à une voie d'en- 2474682- trée et deux voies de sortie, qui est commandé par un signal de fréquence 250 Hz produit par le circuit de base de temps 23. On obtient ainsi sur une voie de sortie là coordonnée x' (respectivement x") et sur l'autre voie la coordonnée y' (respectivement y") du détecteur D' (respectivement D"). Les coordonnées x' et x" sont additionnées dans un ad- ditionneur 2d5 qui fournit la moyenne X = x' + x"/2 et l'ad- ditionneur 26 fournit la moyenne Y = y' + y"/2. Ces moyen- nes correspondent aux coordonnées centrales de l'engin, étant C0 donné que les détecteurs Dl et D" sont placés symétriquement par rapport à l'axe de l'engin. Les signaux représentatifs de ces coordonnées X et Y sont appliqués au circuit 27 de commande des gouvernes de l'engin. Le circuit 27 agit sur les gouvernes de manière à rapprocher la trajectoire de l'engin du trajet idéal défini par l'axe du faisceau, c'est-à-dire dans le sens de l'annulation-de X et Y. Par ailleurs, il est nécessaire, dans le cas d'un engin en autorotation, de connattre le roulis absolu - c'est-à-dire la position angulaire instantanée - de l'engin pour agir-au moment voulu sur les gouvernes. la dispositif comprend, comme on l'a dit, un détecteur P auquel est associé un polar.seur. Le faisceau émis par la source 2 présente une polarisation linéaire et le Wbllaston 15 fait tourner son plan de polarisation à une vitesse de 2 x 50 = 100 tr/s. La détection par le détecteur P se pro- duirait avec une fréquence de 2 x 100 = 200 Hz si le missile n'était pas en autorotation. Mais comme le missile tourne sur lui-même à une vitesse n (en tr/s), la fréquence de détection est en fait (200 +2n)Hz. Au détecteur P sont associés un amplificateur 30 et un filtre passe-bande 31 adapté à la fréquence ci-dessus. En comparant le signal ainsi obtenu avec un signal à la fréquence de 200 Hz produit par le circuit de base de temps 23 à partir de la fréquence de base de 50 Hz, on peut déter- miner le roulis absolu avec une très bonne précision, mais la valeur obtenue est définie à 7f près et il faut lever cette indétermination. Pour ce faire, on utilise les coordonnées x', y' et x", y" des détecteurs D' et D". Les coordonnées x', x", y', y" ne sont connues qu'avec une précision moyenne. Mais cette précision suffit pour lever l'indétermination qui affecte la valeur calculée par la méthode ci-dessus à partir du si- gnal de sortie du détecteur P. Ces calculs sont réalisés dans le circuit 40 de déter- mination du roulis absolus qui fournit la valeur du roulis iO au circuit de commande des gouvernes. Le principe de détermination du roulis absolu est illus- tré par la figure 8. La position des détecteurs D' et D" telle qu'on peut la déterminer à bord de l'engin est entachée d'une imprécision illustrée par les zones circulaires hachurées entourant les points D' et D". Le roulis absolu Y est l'angle que fait le vecteur réel DD' avec le vecteur origine 0-t. On a vu plus haut que l'on obtenait, à partir du signal de sortie du détecteur P, cet angle y avec une très bonne précision mais à î près. Si l'on se réfère à la figure 8, on obtient le vecteur faisant l'angle P avec Ox et le vecteur Pour lever cette indétermination, on calcule le produit scalaire D'D". V et on fait en sorte que le produit calculé soit positif. Ce principe suppose que les zones d'incertitude de D' et D" ne se chevauchent pas. Cette condition est satisfaite -sans difficultés en pratique. Le produit scalaire D'D. V vaut (x"-x') cos f + (y"-y') sin T o Le circuit 40 représenté à la figure 9 ef- fectue le calcul de cette expression et comprend un inverseur 41 sur lequel on agit pour maintenir cette expression à une valeur positive. Le circuit 40 reçoit sur l'entrée A le signal de fré- quence 200 Hz issu du circuit de base de temps 23 et sur l'en- Lree B le signal de fréquence (200 + 2n + 2)Hz issu du filtre 31. 1.0 Le signal arrivantàla borne Aeetdela forme cos 2f0ot avec fo = 200 Hz. Il est appliqué à un circuit 42 divisant la fréquence par 2, qui fournit les signaux cos (ô fot + k1ï) et -cos (Tfot + klr), qui sont appliques aux deux entrées de l'inverseur 41 qui, suivant sa position,transmet l'un ou l'autre de ces signaux. Le signal arrivant sur la borne B est de la forme cos (2nfRt + 2 Y) avec fR = (200 + 2n)Hz. Ce signal est appliqué à un circuit.43 divisant la fréquence par 2, qui dé- livre un signal cos (lWfRt + ' + kIT). Ce signal est appliqué aux multiplicateurs 44 et 45. Le multiplicateur 44 reçoit d'autre part le signal + cos (ô fot + kh) issu de l'inverseur et le multiplicateur reçoit le signal + sin (tfot+ kwT) obtenu après déphasa- o ge de "/2 dans un circuit 46 relié à la sortie de-l'inver- seur. Des filtres passe-bas 47 et 48 sont reliés respective- ment aux sorties des multiplicateurs 44 et 45, de sorte qu'on obtient à la sortie des filtres 47 et 48 des signaux dont la fréquence est la différence des fréquences des signaux d'en- trée et qui sont donc représentatifs des fonctions trigonomé- triques cos q et sin ( de l'angle de roulis absolu. D'autre part, les signaux représentatifs des coordonnées zx, xet y', y"., issus des circuits 24' et 24", sont appliqués à des soustracteurs 49 et 50 qui délivrent les différences x" - x' et y" - y'. Les sorties des soustracteurs 49 et 50 sont reliées à des multiplicateurs 51 et 52 qui reçoivent les signaux cos q et sin ( des filtres 47 et 48. Les produits x" - x - cos ? et y" - y'. sin sont additionnés dans le circuit 53 qui délivre le produit scalaire D'D'. V précité. Le signal de sortie de l'additionneur 53 est appliqué en tant que signal de commande à l'inverseur 41 (liaison repré- sentée en pointillé) de telle sorte que celui-ci est toujours dans la position qui aboutit à un produit scalaire positif. Les valeurs cos p et sin obtenues aux sorties C et D sont appliquées comme on l'a indiqué au circuit de commande des gouvernes. 1.1 R E V E N D I C A T I 0 N S =====_=,= Et= ==== = 1.- Système pour le guidage d'un engin selon une direc- tion de visée, comprenant à l'émission, une source d'émis- sion produisant un faisceau lumineux dont l'axe définit la direction de visée et un dispositif de modulation du faisceau émis, et sur l'engin, au moins un photo-détecteur et un cir- cuit de traitement pour déterminer, à partir du signal de sortie du détecteur, les coordonnées de l'engin par rapport à la direction devisée, lesdites coordonnées étant appli- quées aux gouvernes de l'engin afin d'asservir la trajectoi- re de l'engin sur la direction de visée, caractérisé par le fait que le dispositif de modulation comprend une mire en for- me de bande comportant des motifs répétitifs, un mouvement de translation à vitesse constante étant créé entre le fais- ceau et la mire, dans une direction perpendiculaire à l'axe du faisceau, chaque motif comprenant des parties opaques et transparentes, les parties opaques et/ou transparentes ayant une longueur (dimension suivant la direction de déplacement) qui varie suivant la hauteur considérée. 2.- Système selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la mire est un tambour creux entra né en rotation autour de son axe et un organe de réflexion est placé au cen- tre de la mire de manière à réfléchir le faisceau arrivant suivant l'axe de la mire, dans une direction radiale par rap- port à la mire. 3.- Système selon l'une des revendications 1 et 2, carac- térisé par le fait que les parties opaques et transparentes de la mire ont des côtés inclinés i 450 par rapport aux bords de la mire. 4.- Système selon la revendication 3, caractérisé par le fait que les parties opaques (respectivement transparentes) sont des parallélogrammes, les deux parties transparentes (res- pectivement opaques) adjacentes à un tel parallélogramme étant des triangles ou trapèzes en disposition tête-bêche. 5.- Système selon la revendication 2, caractérisé par le fait que la base de temps nécessaire pour déterminer les coor- données du détecteur à partir du signal émis par celui-ci est 2474682: fournie par une seconde mire défilante entrainée en synchro- nisme avec la mire de modulation. 6.- Système selon la revendication 5, caractérisé par le fait que la seconde mire est un tambour coaxial à la mire de modulation au centre duquel est placé un organe de réfle- xion, lequel réfléchit le faisceau issu de la source et ayant traversé radialement la seconde mire vers l'organe de réfle- xion placé au centre de la mire de modulation. 7.- Système selon l'une des revendications 1 à 6, ca- ractérisé par le fait que le faisceau présente une polarisa- tion linéaire, des-moyens sont prévus à l'émission pour faire tourner le faisceau et donc son plan de polarisation, et l'engin porte deux photodétecteurs placés symétriquement par rapport, à l'axe de l'engin, un troisième photodétecteur,as- socié à un polariseur et un circuit de calcul fournissant le roulis absolu %9 de l'engin à partir du signal de sortie du troisième photodétecteur et des coordonnées (x',y') (x",y"), fournies par les circuits de traitement associés aux deux premiers photodétecteurs. 8.- Système selon la revendication 7, caractérisé par le fait que le circuit de calcul comprend des moyens pour former la différence entre la fréquence du signal de sortie du troi- sième photodétecteur et celle correspondant à la vitesse de rotation du plan de polarisation, lesdits moyens fournissant l'angle de roulis t à l près, lesdits moyens incluant un inverseur pouvant prendre deux positions, correspondant aux deux valeurs possibles pour y, et des-moyens pour calculer l'expression(x"-x') cos Y + (y" - y') sin p, l'inverseur étant commandé de manière que cette expression soit constam- ment positive.