Brevet FR2490830A1 — publié le 19820326

La présente invention concerne un appareil de localisation d'une source de rayonnement optquc,par exemple pour des dispositifs optiques de poursuite, d'un type où une source de rayonnement située à une certaine distance et devant être recherchée, telle qu'ne balise à infrarouge portée par un missile, est projetée optiquement, parfois défocalisée en partie sur un détecteur photoélectrique comportant deux zones distinctes ou plus sensibles à la lumière qui produisent chacune une sortie électrique séparée, et des tensions proportionnelles à la somme et à la différence des sorties du détecteur sont obtenues et utilisées en signaux d'erreur nui représentent le déplacement de l'image par rapport à un ou plusieurs axes orthogonaux du détecteur. Les dispositifs optiques de poursuite statiques à fractionnement classiques de ce type doivent faire un compromis entre une bonne linéarité et de bonnes performances visà-vis de la lueur optique due aux turbulences de l'atmosphère. Un tel dispositif de poursuite optique peut comprendre quatre éléments sensibles aux rayonnements qui sont disposés de façon à constituer les quadrants d'un ensemble de forme carrée sur lequel est projetée l'image défocalisée de la source de rayonnement que l'on poursuit, et qui produit des signaux d'erreurs par rapport à deux axes orthogonaux.Pour obtenir une bonne linéarité une ouverture carrée de lentille est utilisée, et un trajet de rayonnement carré, à l'éclairement uniforme, aux bords nets, est projeté sur le détecteur sous forme d'image défocalisée de la source ponctuelle de rayonnement située à distance. On obtient ainsi une caractéristique linéaire de la tension d'erreur en cas de manque d'alignement angulaire du trajet carré par rapport à l'ensem- ble, étant donné que ce manque d'alignement est équivalent à une composition des fonctions d'une paire d'ouvertures rectangulaires. Malheureusement, la lueur atmosphérique est telle que la distribution du rayonnement sur le détecteur n'-est pas uniforme et est fluctuante, avec comme conséquence des erreurs apparentes. Elle produit également une déviation angu laire apparente de la ligne de visée. La solution usuelle du problème d'un éclairage non uniforme consista à focaliser le rayonnement en un point d'un écran de diffusion et à projeter le trajet diffus sur l'ensemble de détecteurs. Dans cet agencement, toutes les variations spatiales de l'intensité dans la direction qui provoqueraient des erreurs sont totalement annulées. Cependant, comme le trajet du rayonnement projeté a maintenant un profil non uniforme, la caractéristique d'erreur du dispositif de poursuite est non linéaire.Cela peut convenir dans des systèmes où un bon processus d'annulation a lieu, bien qu'il y ait une atténuation en général considérable, mais n'est pas satisfaisant dans le cas où un emploi hors-axe est envisagé. I1 en est particulièrement ainsi lorsqu'on utilise des détecteurs à quadrants en ensembles multiples de façon à couvrir un champ de vision plus large et le transfert d'un jeu de quadrants à un jeu contigu doit être effectué avec une erreur d'établissement minimale. De plus il n'est pas facile de fabriquer des écrans de diffusion convenables lorsqu'ils sont employés dans le plan focal de systèmes fonctionnant dans la bande d'onde de l'infrarouge lointain. Selon l'un des aspects de la présente invention, on prévoit un appareil de localisation d'une source de rayonne ment optique comprenant un moyen de détecteur définissant un ensemble de parties sensibles au rayonnement et un moyen de formation d'image dont la fonction est de définir une pluralité de parties d'ouverture destinées à recevoir le rayonnement provenant de ladite source et d'assurer que le rayonnement reçu via les parties d'ouverture respectives est appliqué sur une zone commune dudit ensemble. Selon un autre aspect de la présente invention, on prévoit un dispositif, destiné à être utilisé dans un appareil de localisation d'une source de rayonnement optique,qui comprend un moyen de détecteur définissant un ensemble de parties sensibles au rayonnement, dispositif comprenant un moyen de changement de la direction du rayonnement dans lequel le rayonnement passe d'un câté à Autre, le faisant dévier normalement, et dont la fonction est de définir une pluralité d'ouvertures de passage de rayonnement orientées de façon sensiblement régulière, les ouvertures étant de pteférence sensiblement carrées ou rectangulaires, et en outre de fonctionner pendant l'utilisation du dispositif dans le but de diriger le rayonnement reçu dans les ouvertures respectives pour l'appliquer sur une zone commune dudit ensemble. A titre d'exemple, le dispositif peut comprendre une matrice d'éléments de lentille positifs ou négatifs, ou deux ensembles orthogonaux de prismes plans ou de lentilles cylindriques positives ou négatives allongées, ou bien une lentille sur laquelle on a formé un ensemble régulier de parties de surface aplaties carrées. Les dimensions des parties d'ouverture définies par la matrice n'ont pas besoin d'être identiques dans la mesure où les distances focales des éléments sont choisies de façon à former dans le détecteur des images aux dimensions identiques. On remarquera que, bien que concernant avant tout le rayonnement infrarouge, l'invention peut être aussi utilisée, grâce à un choix approprié des matériaux optiques,dans toute la gamme des longueurs tondes optiques, y compris l'ultraviolet et les bandes visuelles. Dans l'un des modes de réalisation particuliers de la présente invention, un dispositif optique de poursuite comporte un objectif contenant une lentille classique disposée de façon à former une image carrée uniforme (en négligeant la diffraction) d'une source de rayonnement distale sur un jeu de quatre détecteurs photoélectrîques placés en quadrants et une matrice à multi-ouvertures d'éléments optiques disposés à proximité de la lentille, c'est-à-dire que les éléments optiques ne sont pas situés dans le plan focal de la lentille comme dans le cas ou un écran de diffusion de l'art antérieur est utilisé.Des dispositions sont prises pour que l'image carrée ait les mêmes dimensions que l'un des éléments des détecteurs, grâce à un choix approprié de la position des détecteurs, et cette image est formée par superposition de la multiplicité d'images formées par les ouvertures individuelles de forme carrée.Les éléments des quatre détecteurs sont connectés dans un agencement de sommation et de différence tel que les sorties électriques respebti- ves varient de façon continue et différentielle en réponse aux quantités relatives de rayonnement projeté tombant sur les détecteurs.Un tel agencement peut être conçu de façon à avoir une caractéristique relativement linéaire de la position angulaire de la source en fonction de la tension de sortie comprenant le signal de différence normalisé vis-à-vis du signal de sommation et en même temps à avoir un certain degré de rejection de la lueur atmosphérique en assurant que chaque image carrée est formée par une ouverture de petite dimension par rapport à "l'échelle de turbulence", ce qui se traduit seulement par une petite variation spatiale d'intensité sur sa surface et par conséquent sur l'image dans le détecteur et par le fait que la multiplicité de ces images, généralement sans corrélation, produira un effet de lissage sur la distribution spatiale d'intensité des images lors de leur superposition dans le détecteur. La présente invention sera bien comprise lors de la description suivante faite en liaison avec les dessins cijoints dans lesquels La figure 1 est une vue schématique d'une partie d'un dispositif de poursuite optique comprenant une matrice définissant des ouvertures multiples et un ensemble de quatre détecteurs, La figure 2 est un diagramme représentant le principe de fonctionnement de la matrice de la figure 1, Les figures 3 à 6 sont des schémas représentant la construction et le fonctionnement de divers modes de réalisation d'une matrice définissant des ouvertures multiples pouvant être utilisée dans le dispositif de poursuite de la figure 1; Les figures 7(a), 7(b) et 7(c) sont des diagrammes expliquant l'effet sur la réponse à la lueur de l'utilisation dans un dispositif de poursuite optique d'une matrice définissant des ouvertures multiples; et Les figures 8a à 8c sont trois courbes représentant la distribution de fréquence spatiale des effest typiques de la lueur et de la réponse à la lueur d'un dispositif de poursuite optique avec et sans une matrice définissant des ouvertures multiples. Le dispositif de poursuite de la figure 1 comprend un objectif 1, avec un détecteur statique 5 fractionné en quatre éléments ou quadrants, situé dans son plan focal et sur son axe optique. Ainsi, n'était la présence d'un dispositif à matrice définissant des ouvertures multiples 3, une source ponctuelle de rayonnement située à une certaine distance sur l'axe optique donnerait une image en un point du détecteur, comme cela est représenté en figure 2. Les signaux de sortie des éléments des quatre détecteurs sont appliqués par l'intermédiaire d'amplificateurs respectifs 21 à 24 à un circuit 25 de formation de signal de somme et de différence qui produit un signa z représentant la somme des signaux des détecteurs et des signaux de différence A représentant les différences entre le rayonnement reçu par les colonnes droite et gauche des détecteurs et entre le rayonnement reçu par les rangées supérieure et inférieure des détecteurs et représentant ainsi également la position de la source de rayonnement par rapport à l'axe du dispositif de poursuite le long des deux axes correspondants.Le signal de sommation Z est utilisé pour normaliser les signaux des détecteurs au moyen du circuit de commande à gain automatique 25 et d'un circuit d'accrochage de phase 27, alors que les signaux de différence A sont amplifiés et appliqués à un appareil de traitement de données approprié 28 à partir duquel les données peuvent être transmises au moyen par exemple, d'une liaison de commande 29 de façon à guider le missile. On remarquera que l'ensemble de détecteurs 5 pourrait être étendu par l'adjonction d'éléments détecteurs, par exemple il pourrait y avoir 6 éléments.Ceuxci peuvent être considérés comme formant 2 groupes de 4 éléments (deux-d'entre eux étant communs à chaque groupe); comme représenté par les lignes en pointillé de la figure 1, un autre signal de différence peut être formé qui représente la différence entre le rayonnement reçu par la rangée ou la colonne supplémentaire d'élémeflts et la rangée ou la colonne contiguë, et un interrupteur-inverseur 30 permet de sélectionner le signal de différence approprié pour qu'il soit transmis à l'appareil 28. La matrice 3 est introduite dans le trajet optique à proximité, et à l'avant ou à l'arrière, de l'objectif 1 (cette dernière position étant celle qui est représentée dans les figures 1 et 2). Elle comprend une matrice régulière d'éléments de lentille identiques contiguës, dont l'un (4) est représenté en détail. Les éléments de lentille sont négatifs dans l'exemple représenté, mais pourraient être positifs. La fonction de chaque élément 4 est de défocaliser localement l'image de la source ponctuelle de rayonnement située à distance de façon à produire une image carrée nette 6 dans le plan du détecteur, dont les dimensions sont égales à celles de l'un des éléments du détecteur. Une autre caractéristique de l'erreur angulaire peut être obtenue en rendant l'image plus petite. Le foyer de la combinaison de la lentille de l'objectif 1 et de l'élément 4 est représenté au point 7. Etant donné que le détecteur 5 est situé dans le plan focal de la lentille del'objectif I, toutes les images carrées des autres éléments de la matrice 3 coïn- cident au détecteur 5.Alors que la source de rayonnement s'éloigne de l'axe optique, l'image carrée traversera l'ensemble de détecteurs, éclairant les éléments des détecteurs de façon différentielle en donnant naissance à des tensions d'erreur proportionnelles linéairement au déplacement angulaire. De façon à éviter des images non carrées, les zones restantes 2 de la lentille qui nesont pas assez grandes pour inclure un élément complet de matrice sont masquées. Des colonnes en quinconce d'éléments de lentille peuvent être utilisées de façon à minimiser la zone masquée. A des fins de fabrication, il peut être avantageux d'utiliser d'autres formes de construction. La figure 3 représente un agencement avec des lentilles positives 8, dont les foyers sont maintenant situés entre l'objectif et le détecteur mais qui produisent une image de même dimension dans le détecteur 5. Il peut être avantageux, à certaines fins, d'utiliser alternativement des lentilles positives et négatives dans la matrice. La figure 4 représente un agencement dans lequel l'effet des lentilles négatives a été produit en formant des plats 9 sur la surface de la lentille de l'objectif; La figure 5 représente un agencement de lentilles cylindriques 10, ll montées perpendiculairement l'une à l'autre, qui peuvent être d'une fabrication et d'un assemblage plus faciles que des éléments individuels. La figure 6 représente un agencement similaire de prismes 12, 13 montés perpendiculairement l'un à l'autre. Les angles des prismes augmentent progressivement en fonction de la distance séparant l'élément de l'axe optique. La matrice de la figure 1 comporte 32 éléments de lentille, tels que l'élément 4, mais il pourrait y en avoir davantage ou moins. Jusqu'à une limite d'environ lOO éléments, plus le nombre d'éléments est les6, plus les résultats sont satisfaisants. Dans un cas ayant la préférence, la matrice définit un ensemble de 8-x8 ouvertures, c'est-à-dire qu'il y a 64 éléments de lentille ou de plats sur une lentille (comme dans le cas de la figure 4) ou de parties alignées d'ensembles orthogonaux de lentilles ou de prismes (figures 5 et 6). Comme cela a été décrit précédemment, l'effet de la lueur atmosphérique qui s'applique particulièrement aux dispositifs de pouruite statiques à fractionnement est un éclairage non uniforme de la pupille d'entrée. Pour une source ponctuelle de rayonnement située à une certaine distance, cette distribution de l'intensité donne une image nette dans le plan des détecteurs pour le système dit défocalisé. La distribution non uniforme de l'intensité éclaire de façon différentielle le détecteur, donnant naissance à un déplacement angulaire, apparent même dans le cas d'une source de rayonnement située sur l'axe. La figure 7(a) représente, pour un dispositif de poursuite statique à fractionnement qui comporte une ouverture carrée ou pupille d'entrée de longueur latérale 2(a) et dans lequel une seule image défocalisée d'une source située à une certaine distance sur l'axe est formée sur une paire d'éléments détecteurs de rayonnement placés côte à côte,la forme d'onde à palier unique de la fonction liant la différence A entre les signaux des éléments détecteurs à la variation d'éclairage dans l'ouverture et par conséquent dans la paire d'éléments détecteurs. La forme d'onde de la même fonction, lorsqu'une pluralité d'images superposées comprenant chacune le rayonnement reçu par l'intermédiaire de l'une des n parties côte à côte de la même ouverture, est représentée enfigure 7(b).Par ailleurs, la configuration réelle des variations de l'intensité d'éclairage dans l'ouverture, donnée par la courbe d'intégration, peut être représentée par une forme d'onde semblable à celle de la figure 7(c). Par suite de cette variation de l'intensité dans l'ouverture, le signal de différence A variera en amplitude en fonction des positions relatives de la configuration et de l'ouverture - si l'ouverture se déplace linéairement par rapport à la configuration, le signal t variera d'une manière déterminée par le profil de la forme d'onde de la configuration.Maintenant, la forme d'onde de 1-a figure 7(c) peut être résolue en une série de composantes sinusoldales de fréquences spatiales différentes, chacune étant associée à une composante sinusoldale correspondante de la variation du signal A.Dans le cas où il y a une seule image (figure 7(a), l'amplitude de la crête de chaque composante sinusoïdale de la variation du signal A est donnée par l'expression ( 1 - Cos aoe/aw où X = 2f et f est la fréquence spatiale de la composante. Dans le cas de l'image multiple de la figure 7(b), l'expres- sion correspondante est la suivante 1 - Cos a/n Sin a aw/n n.Sin a/n La variation de ces deux expressions pour une certaine gamme de fréquence spatiale et pour une ouverture 2a de 0,1 mètre est représentée en figures 8b et 8c respectivement, alors que la figure 8a représente une amplitude typique en fonction de la forme d'onde à fréquence spatiale pour la lueur atmosphérique.La comparaison des figures 8a à 8c montre que la réponse à la lueur dans le cas d'une image multiple est bien inférieure à celle du cas de l'image unique dans la zone de fréquence où l'effet de la lueur est important, et que la réponse à la lueur d'une image multiple passe par un maximum seulement dans une zone où les effets de la lueur sont très petits. On notera que l'expression "rayonnement optique" telle qu'elle est utilisée ici signifie non seulement le rayonnement visible, mais également le rayonnement dans les bandes invisibles, tel que le rayonnement infrarouge. De plus, l'expression "source" n'est pas limitée à un élément produisant réellement un rayonnement et peut signifier, par exemple, un élément réfléchissant un rayonnement qu'il a reçu. La présente invention n'est pas limitée aux exem ples de réalisation qui viennent d'être décrits; elle est au contraire susceptible de variantes et de modifications qui apparaîtront à l'homme de l'art. REVENDICATIONS 1 - Appareil de localisation d'une source de rayonnement optique pour, par exemple, un dispositif de poursuite d'un missile sensible aux infrarouges,' comportant un ensemble d'éléments sensibles au rayonnement et un moyen de formation d'image pour former sur l'ensemble une image d'une source de rayonnement à localiser, caractérisé en ce que le moyen de formation d'image peut définir un ensemble de parties d'ouverture recevant un rayonnement et diriger le rayonnement reçu via les parties d'ouverture dans le but de former des images respectives de la source superposées les unes sur les autres sur l'ensemble d'éléments sensibles au rayonnement. 2 - Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen de formation d'images comprend une matrice d'éléments de lentille positifs et/ou négatifs (4,8) définissant des parties respectives des parties d'ouverture. 3 - Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen de formation d'images comprend des ensembles croisés de lentilles allongées ou de prismes situés côte à côte (10, ll ou 12, 13). 4 - Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen de formation d'images comprend une lentille sur laquelle est disposée une matrice de parties de surface déformées (9).