Brevet FR2476326A1 — publié le 19810821

Dispositif pour déterminer la position angulaire d'une cible éclairée par des impulsions lumineuses La présente invention concerne un dispositif pour déterminer la position angulaire d'une cible éclairée par des impulsions lumineuses. On connaît un dispositif comportant un objectif capable de former dans son plan focal l'image d'une cible éclairée par des impul- sions lumineuses, et un récepteur photoélectrique dont la surface sensible est située dans le plan focal de l'objectif. Ce récepteur est du type dit " à quatre quadrants" c'est-à-dire qu'il est formé de quatre éléments indépendants optiquement et électriquement, dont les surfaces sensibles ou quadrants sont juxtaposées suivant deux axes rectangulaires du plan focal de l'objectif. Ce récepteur comporte quatre sorties électriques connectées à un circuit électrique capable d'élaborer, à partir des informations délivrées par le récepteur, des signaux électriques représentatifs de la position de l'image de la cible par rapport à ces axes restangulaires et par conséquent représentatifs de la position angulaire de la cible par rapport à l'axe de l'objectif, l'orientation de cet axe étant connu. En pratique cette image est suffisamment grande pour couvrir au moins une partie de chacun des quatre quadrants et les signaux délivrés par le récepteur sont élaborés en comparant les énergies lumineuses reçues par les quatre quadrants. Ce dispositif présente l'inconvénient d'exiger une sensibilité identique pour les quatre éléments du récepteur afin d'obtenir une réponse suffisamment linéaire du circuit électrique, notamment dans les conditions d'environnement sévères exigées pour le matériel mili- taire. Cette exigence est en pratique très difficile à réaliser et on est obligé pour essayer de s'en rapprocher d'utiliser des types de récepteur photoélectrique à faible sensibilité. La présente invention a pour but de pallier cet inconvénient et de réaliser un dispositif plus précis pour déterminer la position angulaire d'une cible éclairée par des impulsions lumineuses. La présente invention a pour objet un dispositif pour déterminer la position angulaire d'une cible éclairée par des impulsions lumineuses comportant, - un objectif capable de concentrer sur une surface de réception 2- la lumière provenant de la cible éclairée, de façon à former une tache lumineuse sur cette surface lorsque la cible est éclairée par une impulsion lumineuse, - un système de réception de ladite tache lumineuse, ce système comprenant un récepteur photoélectrique - et un circuit électrique connecté à la sortie du récepteur photoélec- trique pour élaborer des signaux représentatifs de la position de la tache lumineuse sur la surface de réception à partir des infor- mations délivrées par le récepteur, caractérisé - en ce que la surface de réception est divisée en n positions, n étant un nombre entier - et en ce que le système de réception comprend un groupe de n faisceaux de guides d'ondes optiques, les guides d'ondes faisant partie d'un même faisceau ayant des longueurs égales entre elles, les longueurs de guide d'ondes variant d'un faisceau à l'autre de façon à former une suite de valeurs prédéterminées, les faces d'entrée des guides d'ondes de chaque faisceau étant disposées c8te à côte en regard respectivement des n portions de la surface de réception de façon que les guides d'ondes des n faisceaux soient capables de transmettre des impulsions de la lumière de ladite tache, les faces de sortie des guides d'ondes étant disposées de façon que les impulsions de lumière transmises par les faisceaux impressionnent le récepteur photoélectrique selon une séquence temporelle représentative de ladite suite de valeurs prédéterminées, le récepteur photoélectrique étant alors capable de délivrer en retour des impulsions électriques succes- sives, les amplitudes de ces impulsions électriques étant représentatives respectivement de l'éclairement par ladite tache desdites portions de la surface de réception, lesdits signaux étant élaborés par ledit circuit électrique à partir des impulsions électriques successives. Des formes particulières d'exécution de l'objet de la présente invention sont décrites ci-dessous à titre d'exemple, en référence aux dessins annexés dans lequels - la figure 1 représente schématiquement un mode de réalisation du dispositif selon l'invention, -3 - - la figure 2 montre l'image d'une cible sur la surface de réception du dispositif illustré par la figure 1, cette surface étant divisée en quatre portions, - les figures 3 et 4 montrent d'autres modes de division de la surface de réception du dispositif selon l'invention, - la figure 5 est un diagramme explicatif du fonctionnement du dispo- sitif illustré par les figures 1 et 2 - et la figure 6 représente une variante de réalisation du dispositif selon l'invention. Sur la figure 1, un réflecteur 1 partiellement transparent est disposé à 45 degrés sur l'axe 2 d'un objectif 3, entre cet objectif et un plan 4 perpendiculaire à l'axe 2. L'objectif 3 reçoit un faisceau lumineux 5, tel qu'un faisceau laser, provenant de points éloignés situés dans son champ de réception. Le faisceau 5 forme, après traversée de l'objectif 3, un faisceau convergent 6 divisé en deux parties par le réflecteur 1. Une partie de l'énergie du faisceau 6 est concentrée, après renvoi par le réflecteur 1 suivant un axe 7 perpendiculaire à l'axe 2, sur une surface de réception 8 située dans un plan 9 perpen- diculaire à l'axe 7. Entre la surface de réception 8 et une autre surface 10 située dans un plan 11 parallèle au plan 9 est disposé un groupe 12 de quatre faisceaux 13i 14, 15 et 16 de guides d'ondes optiques telles que des fibres optiques. Chaque faisceau comprend plusieurs fibres optiques de même longeur, disposées en parallèle. A une extrémité du faisceau, les fibres sont serrées l'une contre l'autre de façon que leurs faces terminales soient juxtaposées dans un plan pour former une section d'entrée de lumière ayant la forme d'un secteur circulaire d'angle au centre égal à quatre vingt dix degrés. Les sections d'entrée des quatre faisceaux sont elles-mêmes juxtaposées dans le plan 9 et appliquées contre la surface de réception 8 pour couvrir toute la superficie de cette surface. On voit sur la figure 2 que tout se passe comme si la surface de réception 8 était divisée en quatre portions égales a, b, c, d par deux axes axes rectangulaires 37, 38 se coupant sur l'axe 7, ces quatre portions étant respectivement en regard des quatre sections d'entrée des quatre faisceaux. -4 - Bien entendu, la division de la surface de réception 8 peut s'effectuer d'une manière différente de celle indiquée sur la figure 2. On voit par exemple sur la figure 3 que la surface de réception peut aussi être divisée en quatre portions par quatre cercles égaux tangents entre eux, cette surface ayant alors sensiblement la forme d'un carré. De même le nombre de faisceaux de guides d'ondes optiques et de portions de la surface de réception peut être différent de quatre: il peut être par exemple de sept dans la disposition représentée sur la figure 4, dans laquelle la surface de réception a une forme sensiblement circu- laire. Les longueurs de guides d'ondes des faisceaux varient d'un faisceau à l'autre et forment une suite de valeurs prédéterminées, la différence entre deux longueurs successives pouvant être constante. Les extrémités des fibres du groupe 12 opposées aux sections d'entrée sont serrées l'une contre l'autre de façon que leurs faces terminales forment une section de sortie de lumière suivant la surface plane 10. Les longueurs de fibre de certains faisceaux peuvent être relati- vement importantes, par exemple de l'ordre de plusieurs mètres. Pour diminuer leur encombrement, on peut utiliser par exemple la disposition suivante: le faisceau le plus court est disposé suivant un axe et les autres faisceaux sont enroulés pour former des spires hélicoïdales autour de cet axe. La surface 10 peut être directement disposée en regard de la surface sensible d'un récepteur photoélectrique. Mais comme en général cette surface sensible est plus petite que la surface 10, on dispose de préférence un système optique constitué de deux lentilles 18 et 19 pour former, sur la surface sensible 20 du récepteur photoélectrique 21, l'image de la surface 10. Ce récepteur photoélectrique peut être par exemple du type photodiode à avalanche. Un filtre optique 17 est disposé entre les lentilles 18 et 19. La sortie électrique du récepteur 21 est reliée à un circuit séparateur 22 à travers un amplificateur 23. Un circuit de commande automatique de gain 24 est connecté d'une part à l'amplificateur 23 et d'autre part à la liaison commune entre le circuit séparateur 22 -5- et l'amplificateur 23. Le circuit séparateur 22 comporte quatre sorties reliées respectivement à quatre circuits de mesure 25, 26, 27 et 28. Les sorties des quatre circuits de mesure sont connectées respectivement à un circuit de traitement 29. La partie du faisceau convergent 6 qui n'est pas réfléchie vers la surface de réception 8 traverse sans déviation le réflecteur partiellement transparent 1 pour être concentrée, après passage à travers un filtre optique 36, sur la surface sensible 30 d'un détecteur photoélectrique 31 disposée dans le plan 4, ce détecteur étant du même type que le récepteur photoélectrique 21. La sortie électrique du détecteur 31 est reliée d'une part au circuit diviseur 22 à travers un amplificateur 32 et d'autre part à un circuit d'identification de code 33 à travers ce même amplifi- cateur 32. La sortie du circuit d'identification de code 33 est connectée au circuit de traitement 29. Bien entendu il est possible, dans une variante du dispositif illustré par la figure 1, de disposer les faces d'entrée des fibres optiques dans le plan 4 à la place du détecteur 31, la surface sensible 30 de ce détecteur étant alors disposée dans le plan 9 à la place des faces d'entrée des fibres optiques. Le dispositif décrit ci-dessus en référence aux figures 1 et 2 fonctionne de la manière suivante. L'axe 2 de l'objectif 3 peut être orienté de façon à faire entrer la cible dans le champ de réception de l'objectif 3, par exemple à l'aide d'une lunette de visée (non représentée) dont l'axe est parallèle à l'axe 2. La cible étant éclairée par une impulsion laser, une tache lumineuse 34 apparait sur la surface 8 (voir figure 2). On voit que cette tache, supposée circulaire, est décalée par rapport au point de concours 35 des deux axes rectangulaires 37 et 38. Chacune des portions a, b, c, d de la surface 8 reçoit une énergie laser différente de celles des autres. Les quatre faisceaux transmettent donc des énergies laser différentes les unes des autres, l'énergie transmise par un faisceau quelconque étant fonction de la surface de la partie de la tache 34 qui se trouve sur la portion de surface découpée par ce faisceau sur la surface de réception 8. -6 - D'autre part le temps mis par les énergies laser transmises par les quatre faisceaux de fibres pour aller du plan 9 au plan 11 sont différents les uns des autres, puisque les faisceaux ont des longueurs différentes. Donc, pour chaque tache lumineuse formée sur la surface 8, la surface 10 reçoit une suite de quatre impulsions laser décalées dans le temps en fonction des longueurs de fibre des quatre faisceaux. Le système optique 18, 19 transmet ces quatre impulsions laser à la surface sensible 20 du récepteur 21. Bien entendu, bien que cela n'apparaisse pas sur le dessin, la longueur axiale du système optique 18, 19 est négligeable par rapport aux longueurs de fibre. Le filtre 17 ne laisse passer la lumière que dans une bande de fréquence étroite centrée sur la fréquence de la lumière des impulsions laser éclairant la cible. Les amplitudes des impulsions électriques délivrées par le récepteur 21 en réponse aux quatre impulsions laser sont représentatives de l'énergie laser transmise par chaque faisceau de fibres. On a représenté les quatre impulsions électriques sur le diagramme de la figure 5, dans lequel l'amplitude V de ces impulsions est portée en ordonnée et le temps t en abaisse. On voit que les quatre impul- sions A B, C, D transmises respectivement par les faisceaux 13, 14, 16 et 15 arrivent sur le récepteur 21 au bout des temps tA, tBe tC et tD proportionnels à la longueur de fibre des faisceaux. D'autre part, les amplitudes VA, VB, VC et VD des impulsions électriques sont sensiblement proportionnelles à la surface que la tache 34 découpe respectivement sur les quatre portions a, b, c et d de la surface de réception 8 (figure 2). Les quatre impulsions électriques arrivent donc à l'entrée du circuit séparateur 22 après passage dans l'amplificateur 23. Le circuit 24 de commande automatique de gain, d'un type connu, permet de maintenir les impulsions sortant de l'amplificateur 23 à un niveau constant qui ne dépend pas du niveau de réception (très variable) de l'image de la cible sur la surface 8. Par ailleurs le filtre 36, analogue au filtre 17, élimine les rayonnements dont la fréquence est différente de celle des impulsions laser. Le détecteur 31 délivre, pour chaque impulsion laser éclairant 247 6325 -7 - la cible, une impulsion électrique de synchronisation qui n'est pas décalée dans le temps comme celles émises par le récepteur 21. Cette impulsion de synchronisation constitue un repère temporel pour les quatre impulsions électriques reçues à l'entrée du circuit séparateur 22. Le circuit séparateur 22 délivre respectivement sur ses quatre sorties les quatre impulsions électriques résultant d'une tache lumineuse formée sur la surface 8. Ce circuit séparateur peut être d'un type analogue aux circuits démultiplexeurs connus dans le domaine des télécommunications. Les circuits de mesure 25, 26, 27 et 28 délivrent à leurs sorties respectivement des signaux représentatifs de l'amplitude des quatre impulsions électriques. Le circuit de traitement 29 élabore, à partir des signaux de mesure provenant des circuits 25 à 28, des signaux représentatifs de la position de la tache 34 sur la surface 8 (figure 2). Le circuit 29 peut, par exemple, additionner respectivement les signaux provenant des portions a et b, c et d, a et d, b et c. En comparant les signaux correspondant à '"a + b" et I c + dl, on obtient un signal représentatif de la position de la tache 34 par rapport à l'axe horizontal 37 (figure 2) de la surface 8. De même en comparant les signaux correspondant à a + d et b + c, on obtient un signal représentatif de la position de la tache 34 par rapport à l'axe vertical 38 (figure 2) de la surface 8. Le circuit de traitement 29 peut comporter aussi, à chacune de ses quatre entrées, une porte connectée en série, les commandes des quatre portes étant reliées à une borne 39 du circuit 29. Le circuit d'identification de code 33 reçoit les impulsions électriques amplifiées issues du détecteur 31 et ne délivre à sa sortie, vers la borne 39, un signal de déblocage des portes du cir- cuit 29 que lorsque ces impulsions électriques sont émises suivant un code prédéterminé. Ce code sert à différencier des impulsions laser différentes sur un même terrain, et peut être par exemple un code de fréquence. Le circuit 33 mesure alors la fréquence des impulsions électriques qu'il reçoit et ne délivre un signal de déblocage que si cette fréquence correspond à une valeur prédéterminée, ce circuit délivrant un signal de blocage des portes tant que la fréquence des -8 - délivrant un signal de blocage des portes tant que la fréquence des impulsions électriques délivrées par le détecteur 31 est différente de ladite valeur prédéterminée. Le dispositif représenté sur la figure 6 présente de nombreux éléments communs avec celui de la figure 1, ces éléments étant désignés par la même référence. Cependant, le dispositif illustré par la figure 6 ne présente plus de liaison commune entre-le circuit d'identification de code 33 et le circuit de traitement 29. Par contre, à la sortie du circuit 33, est relié un système électromagnétique 40 capable de disposer le réflecteur 1 sur le trajet du faisceau 6 seulement lorsque le circuit 33 reçoit à son entrée des impulsions émises selon le code prédéterminé, le système 40 maintenant le réflecteur 1 en dehors du trajet du faisceau 6 tant que les impulsions reçues par le circuit 33 sont émises selon un code différent du code prédéterminé. Cette variante présente l'avantage de pouvoir rechercher la cible en dirigeant sur le détecteur 31 la totalité de l'énergie lumi- neuse traversant l'objectif 3, ce qui augmente la sensibilité du dispositif. Le dispositif selon l'invention présente de nombreux avantages. Dans ce dispositif, les impulsions lumineuses dont les amplitudes permettent de déterminer la position de l'image de la cible sur la surface de réception sont séparées temporellement et sont reçues sur un récepteur unique qui délivre des impulsions électriques amplifiées par un amplificateur unique. On élimine ainsi toute variation relative de sensibilité entre les différents éléments du récepteur à quatre quadrants selon l'art antérieur. Il est possible d'appliquer au circuit électrique amplificateur une commande automatique de gain qui agit de façon identique sur tous les signaux et n'apporte ainsi aucune variation relative de sensibilité. De plus, le récepteur unique peut être une diode à avalanche ce qui apporte un gain de sensibilité important ( de l'ordre de 100) par rapport aux récepteurs photoélectriques utilisés dans les dispositifs selon l'art antérieur. La zone morte correspondant aux séparations entre les différentes portions de la surface de réception peut être réduite à quelques microns, alors qu'elle est de l'ordre de 100 à 200 microns dans les récepteurs à quatre quadrants. -9 La distorsion introduite par l'influence réciproque des diverses portions de la surface de réception des récepteurs à quatre quadrants est pratiquement annulée. La forme extérieure de la surface de réception peut être déter- minée à la demande (circulaire, carrée ou rectangulaire) par des regroupements différents de faisceaux de fibre optique. Il est à noter en effet que la forme extérieure de la face de sortie 10 du groupe de faisceaux de fibres optiques peut être différente de celle de la face d'entrée 8. Enfin la disposition du récepteur photoélectrique n'est pas liée à celle de l'objectif, ce récepteur pouvant être situé en un point quelconque du système en fonction des possibilités d'implantation. Le dispositif selon l'invention peut être appliqué à un système de poursuite de cible illuminée par laser. - 10 - REVENDICATIONS 1/ Dispositif pour déterminer la position angulaire d'une cible éclairée par des impulsions lumineuses, comportant, - un objectif capable de concentrer sur une surface de réception la lumière provenant de la cible éclairée, de façon à former une tache lumineuse sur cette surface lorsque la cible est éclairée par une impulsion lumineuse, - un système de réception de ladite tache lumineuse, ce système comprenant un récepteur photoélectrique - et un circuit électrique connecté à la sortie du récepteur photo- électrique pour élaborer des signaux représentatifs de la position de la tache lumineuse sur la surface de réception à partir des infor- mations délivrées par le récepteur, caractérisé - en ce que la surface de réception est divisée en n positions, n étant un nombre entier - et en ce que le système de réception comprend un groupe de n faisceaux de guides d'ondes optiques, les guides d'ondes faisant partie d'un même faisceau ayant des longueurs égales entre elles, les longueurs de guides d'ondes variant d'un faisceau à l'autre de façon à former une suite de valeurs prédéterminées, les faces d'entrée des guides d'ondes de chaque faisceau étant disposées côte à côte en regard respectivement des n portions de la surface de réception de façon que les guides d'ondes des n faisceaux soient capable de transmettre des impulsions de la lumière de ladite tache, les faces de sortie des guides d'ondes étant disposées de façon que les impulsions de lumière transmises par les faisceaux impressionnent le récepteur photoélectrique selon une séquence temporelle représentative de ladite suite de valeurs prédéterminées, le récepteur photoélectrique étant alors capable de délivrer en retour des impulsions électriques successives, les amplitudes de ces impulsions électriques étant représentatives respectivement de l'éclairement par ladite tache desdites portions de la surface de réception, lesdits signaux étant élaborés par ledit circuit électrique à partir des impulsions électriques successives. 247532S - il - 2/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le système de réception comporte en outre un système optique disposé entre d'une part les faces de sortie des guides d'ondes et d'autre part la surface sensible du récepteur photoélectrique, pour former l'image de ces faces de sortie sur cette surface sensible. 3/ Dispositif selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que ledit circuit électrique comporte - un circuit séparateur dont l'entrée est reliée à la sortie du récep- teur photoélectrique, ce circuit comportant n sorties sur lesquelles il est capable de délivrer respectivement les impulsions électriques successives qui correspondent à chaque tache lumineuse reçue sur la surface de réception, - n circuits de mesure respectivement connectés aux n sorties du circuit séparateur et capables de délivrer des signaux de mesure représentatifs respectivement de l'amplitude des impulsions électriques successives - et un circuit de traitement relié aux sorties des n circuits de mesure et capable d'élaborer, à partir des signaux de mesure, lesdits signaux représentatifs de la position de la tache lumineuse sur la surface de réception. 4/ Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comporte en outre, - un détecteur photoélectrique disposé pour recevoir au moins une partie de la lumière ayant traversé l'objectifs ce détecteur étant capable de délivrer à sa sortie électrique un signal de synchronisation chaque fois qu'il reçoit une impulsion lumineuse, cette sortie électrique étant reliée audit circuit séparateur / Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comporte en outre au moins un filtre optique disposé pour ne laisser passer la lumière reçue sur le récepteur et le détecteur que dans une bande de fréquence centrée sur la fréquence de la lumière des impulsions lumineuses, cette lumière étant monochromatique. 6/ Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un circuit d'identification de code dont l'entrée est reliée à la sortie électrique du détecteur, ce circuit d'identification - 12- - de code étant capable de commander le blocage desdits signaux élec- triques tant que les impulsions lumineuses reçues par le détecteur ne correspondent pas à un code prédéterminé. 7/ Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que, le détecteur étant disposé pour recevoir toute la lumière ayant traversé l'objectif tant que les impulsions lumineuses ne correspondent pas au code prédéterminé, le récepteur photoélectrique ne recevant alors aucune lumière de sorte que les signaux électriques sont bloqués, il comporte en outre des moyens commandés par ledit circuit d'identifica- tion de code pour disposer entre l'objectif et le détecteur un réflec- teur partiellement transparent capable de diriger vers la surface de réception une partie de la lumière ayant traversé l'objectif, ces moyens agissant dès que les impulsions lumineuses reçues par le détecteur correspondent au code prédéterminé. 8/ Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un réflecteur partiellement transparent disposé pour séparer en deux parties le faisceau ayant traversé l'objectif, une de ces parties étant dirigée vers la surface de réception et l'autre vers le détecteur, la sortie du circuit d'odentification de code étant reliée au circuit de traitement afin de bloquer les signaux électriques tant que les impulsions lumineuses reçues sur le détecteur ne corres- pondent pas au code prédéterminé. 9/ Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que le circuit électrique comporte en outre d'une part un amplificateur branché entre la sortie du récepteur photoélectrique et circuit sépa- rateur, et d'autre part un circuit de commande automatique du gain de cet amplificateur.