Brevet FR2516662A1 — publié le 19830520

lLL UMINATE UR LASER UTILISABLE COMME BALISE, NOTAMMENT POUR UN SYSTEME D'APPUI AERIEN RAPPROCHE La présente invention concerne un illuminateur laser utilisable comme balise, notamment pour un système d'appui aérien rapproché. De manière habituelle un illuminateur laser constitue une source qui présente une haute directivité, le faisceau étant très fin, de quelques degrés. La source laser émet généralement le mode fondamental car c'est celui qui présente la divergence la plus faible pour une pupille donnée et est donc le plus intéressant pour toutes les applications nécessitant une forte concentration, ou un grande portée. Le faisceau laser directif est propagé soit librement, soit à travers une système optique de sortie encore appelé optique d'émission. Cette optique est déterminée, soit pour former une tache de dimension donnée, soit pour réaliser un faisceau de divergence donnée, tout en préservant pour l'ensemble illuminateur ainsi formé des caractéristiques d'émission à haute directivité. Pour certaines applications, l'illuminateur laser est utilisé pour éclairer une cible et la marquer. La cible réémet de manière généralement omnidirectionnelle (ou de manière directionnelle si elle est équipée d'un dispositif rétroréflecteur) le rayonnement laser dans l'espace et un détecteur laser correctement positionné peut donc détecter une faible partie du rayonnement ainsi réfléchi par la cible. I1 y a lieu de considérer en outre, que le maniement d'un illuminateur laser ne peut toujours s'effectuer sans précautions étant donné que des lasers impulsionnels à 1,06 um par exemple, sont dangereux pour la vue. Ces lasers peuvent en effet émettre des impulsions de 20 nanosecondes ayant une puissance crête de 2 à 3 MW.Ce rayonnement peut endommager la vue d'une personne distante du laser de plusieurs kilomètres si elle observe l'émetteur laser. L'utilisation d'optique grossissante non protégée accroît également de manière irnportante les distances auxquelles l'illuminateur laser est dangereux. Un but de l'invention est de remédier aux défauts précités en produisant par divergence optique un faisceau large, non directif et uniforme dans une étendue correspondant à la couverture désirée. Suivant une caractéristique de l'invention, le dispositif illuminateur laser comporte une source laser et une optique d' émission conçue pour produire une divergence du faisceau correspondant à une fonction de balise avec des couvertures prédéterminées en site et en gisement, l'illumination étant non directive et uniforme dans l'angle solide correspondant, la couverture en gisement pouvant atteindre la valeur maximale 2n pour produire une illumination panoramique. Les particularités et avantages de la présente invention apparaîtront au cours de la description qui est donnée à titre d'exemple non limitatif à l'aide des figures annexées qui représentent: Fig. -1 - Un diagramme général d'un illuminateur laser conforme à la présente invention; Figs 2 et 3 - Deux exemples de réalisation de l'optique divergente dans le cas d'une exploitation panoramique; Figs 4 à 12 - D'autres exemples de réalisation de l'optique divergente dans le cas d'une couverture limitée en gisement; Fig. 13 - Un schéma relatif à une exploitation bimode dans le cadre d'une utilisation de l'illuminateur dans un système d'appui aérien rapproché ; et Fig. 14 Un exemple d'aménagement de l'illuminateur laser pour permettre un fonctionnement bimode, utilisable notamment dans une application selon la Fig. 13. En se reportant à la Fig. 1 l'illuminateur laser 1 est représenté par une source laser la à laquelle peut être adjointe éventuellement une optique d'émission lb pour produire un faisceau directif de caratéristiques déterminées, comme il a été indiqué précédemment. A titre d'exemple, L'optique d'émission lb figurée est un système optique afocal qui permet d'accroitre le diamètre du faisceau émis FL. Conformément à l'invention, I'illuminateur 1 est doté de moyens optiques divergents 2 pour faire diverger le faisceau FL selon un diagramme de rayonnement non directif présentant des couvertures angulaires prédéterminées en site et en gisement indiquées respectivement par les angles aS et aC. L'illumination produite est non directive et uniforme dans l'angle solide correspondant, la couverture en gisement peut atteindre la valeur maximale 2n dans le cas d'une illumination panoramique. De la sorte, I'équipement assure une fonction balise et peut, en particulier, simuler une cible illuminée par un laser. I1 peut être placé sur cette cible, ou éventuellement à la place de cette cible qu'il remplace alors, de manière à ne pas masquer son rayonnement. En raison du faible poids et du faible encombrement présenté il peut aisément être placé sur un véhicule. L'équipement peut comporter également un dispositif de commande ou de télécommande 3 comme on le marra ultérieurement, lui permettant d'être mis en marche à distance. La Fig. 2 se rapporte à un premier mode de réalisation de l'optique divergente 2. Cette optique se compose d'une lentille divergente 7 et d'un miroir conique 8. L'axe de révolution du miroir 8, celui de la lentille 7 ainsi que l'axe Z du faisceau laser FL sont colinéaires. Ce faisceau de sortie FL est transformé par ce montage en un faisceau panoramique en gisement. Les angles ai et a2 représentent la couverture en site, respectivement pour les sites hauts au dessus du plan horizontal et pour les sites bas situés en dessous de ce plan.Le demi angle au sommet du cône 8 ainsi que la distance focale de l'optique 7 doivent être choisis de manière à correspondre aux angles ai et a2 délimitant le diagramme de rayonnement en site. La Fig. 3 représente une version panoramique similaire mais avec l'optique divergente réduite à un' seuil élément optique. La lentille 7 est supprimée et le cône de révolution 8 est remplacé par un cône 9 dont les génératrices sont courbes et non linéaires comme dans le cas précédent, en sorte de produire l'ouverture aS désirée en site. L'axe Z du faisceau laser et celui du cône réfléchissant 9 sont également colinéaires. Le miroir de révolution 9 a une génératrice qui n'est pas droite mais courbe ; pour l'exemple représenté le profil de cette génératrice est circulaire. D'autres profils courbes peuvent convenir, parabolique par exemple. L'illuminateur se compose ainsi d'une source lumineuse laser 1 dont les caractéristiques optiques telle la longueur d'onde, la largeur et la cadence des impulsions émises, sont semblables à celles d'une source laser conventionnelle, mais dont le diagramme de rayonnement est rendu très différent.Ce diagramme représenté à la Fig. I est omnidirectionnel en gisement dans un secteur déterminé pouvant atteindre 20 et uniforme entre deux valeurs de site. L'angle d'émission aS en site peut varier selon les applications, il est en général compris dans la gamme 10 à 20 . La Fig. 4 et suivantes se rapportent à d'autres modes de réalisation suivant lesquels le diagramme est limité en gisement à la valeur 180 . Suivant la réalisation de la Fig. 4 le faisceau de sortie FL du laser est appliqué à l'optique divergente composée d'une lentille divergente 10 puis d'un ensemble constitué d'une lame de verre dépoli ou de verre opalin 11 et de diaphragmes 12 et 13. L'axe optique Z du laser et de la lentille 10 est incliné sur celui de sortie Z1 présenté par l'ensemble 11 à 13. Le verre 11 se comporte en chaque point de sa face dépolie comme une source lambertienne et présente un diagramme de diffusion sensiblement circulaire. Ainsi, en chaque point de la face dépolie comme représenté, la lumière reçue selon direction R1 correspondante va se trouver diffusée de manière omnidirectionnelle et ne sera limitée au point de vue champ que par l'ouverture présentée par les diaphragmes. La pupille optique est déterminée par le diaphragme 13. La lame est représentée en contact avec le diaphragme 12 mais ceci n'est pas une obligation. L'ensemble des deux diaphragmes délimitent le champ en site et le champ en gisement comme on peut s'en rendre compte sur la Fig. 5. où les diaphragmmes sont de forme rectangulaires, Suivant d'autres montages représentés sur les Figs 6 à 8 la lame de verre est remplacée par une peinture diffusante 14 déposée sur un support 1S, une surface métallique par exemple. Dans le cas des Figs. 7 et 8 I'agencement comporte en outre un miroir réflé chissant 16 interposé entre la lentille divergente 10 et la surface diffusante 14. Ce miroir est formé par un dépôt 16 sur une partie du diaphragme 12 dans le cas dç la Fig. 7, et par un élément compJémentaire 17 dans le cas de la Fig. 8.Suivant ce dernier montage,l'interposition du miroir 17 permet d'avoir l'axe d'émission Z parallèle à celui de sortie Z1. La lentille 10 est utilisée dans les montages décrits, si nécessaire, pour faire diverger le faisceau laser FL. La surface d'émission diffusante de la lame de verre ou d'une peinture est une surface diffusante lambertienne, c'est à dire que chaque point de cette surface réémet une fraction du rayonnement incident selon un lobe d'émission circulaire. L'inclinaison de l'axe laser Z ou de celui parvenant à la surface diffusante est nécessaire pour éviter qu'une proportion importante du rayonnement ne soit réfléchie en direction de émetteur lui-même. Si l'ensemble 2 constitué par la lentille divergente, la surface diffusante, les diaphragmes et le miroir complémentaire éventuel, est rendu escamotable, l'illuminateur peut présenter deux modes de fonctionnement différents pour émettre selon le mode conventionnel un faisceau laser fin directif, ou suivant le mode résultant de l'adaptation décrite, un faisceau divergent. Le dispositif illuminateur constitué d'un diffuseur par transmission ou par réflexion, et d'un jeu de diaphragmes permet de produire, par un choix convenable de la découpe des diaphragmes, un lobe d'émission de forme quelconque.En outre, les angles d'émission peuvent atteintre des valeurs très importantes pouvant même dépasser 90 . En particulier robten- tion du diagramme de rayonnement représenté à la Fig. 2 peut correspondre à un angle site as de rordre de 10 à 20 et angle gisement aC compris entre 60 et 90. La solution à peinture diffusante pe;t être préférée à celle à verre dépoli compte-tenu que le coefficent de transmission de verre dépoli ou opalin ne peut guère être meilleur que 10 % environ tandis que le coefficient de réflexion des peinture diffusantes peut atteindre jusqu'à 70 %. La Fig. 9 représente une autre solution où l'optique divergente est à base de miroirs, un miroir plan 20 et un miroir cylindrique 21 avec en outre la lentille divergente 10 interposée en sortie du laser sur le faisceau FL le faisceau divergent crée par la lentille 10 est ré fléchi par le miroir plan 20 qui est parallèle à une génératrice du miroir cylindrique 21 pour produire un faisceau de sortie d'axe Z1 parallèle à celui Z de l'émetteur. La Fig. 10 représente le même montage en vue de dessus. L'angle de divergence aS en sortie du montage est le même que celui en sortie de la lentille 10. La valeur de site aS désirée est donc obtenue en choisissant convenablement la focale de L'optique 10.En utilisant un miroir cylindrique 21, rangle de divergence en gisement aG peut être très important et attetndre jusqu a environ 1800. Cet angle est alors imposé par la distance focale de la lentille 10 et par le rayon de courbure du miroir 21. L'ensemble constitué par la lentille 10 et les miroirs 20 et 21 peut être rendu escamotable pour permettre le double fonctionnement précité. Dans les montages selon les Fige. 11 et 12 L'optique divergente 2 est constituée par deux lentille cylindriques 25 et 26 de longueur focale différente et de génératrices perpendiculaires Dans ces conditions chacune des deux lentilles se comporte comme une lame à face parallèle dans le plan où l'autre lentille fait diverger le faisceau incident. On peut se rendre compte que la lentille 25 assllre la divergence en site c'est à dire dans le plan vertical et la lentille 26 fait diverger le faisceau en gisement de plan horizontal. II est ainsi possible d'obtenir les angles de divergence aS et aG désms en site et en gisement. Les lentilles cylindriques représentées sont des lentilles plan-concave.Pour éviter que la lentille de sortie 26 ne soit trop grande il est préférable de placer la lentille donnant l'angle de divergence le plus faible en premier, c'est à dire la lentille 25 relative au site. Pour éviter une réfléxion spéculaire importante du faisceau laser en direction de l'émetteur 1, ce qui pourrait le détériorer, il convient de prendre certaines précautions. La Fig. 12 illustre un tel montage. L'axe optique de sortie Z1 correspond à l'axe des lentilles 25 et 26 ; cet axe Z1 est incliné par rapport à l'axe Z du faisceau laser ensorte que le rayonnement réfléchi R2-R3 par la face plane de la lentille 25 située du côté de l'émetteur laser est dévié selon une direction Z3 et ne va pas perturber l'émetteur 1. Selon ce montage, une légère différence est présentée entre les angles ai et a2. I1 y a lieu de prévoir sur les faces des lentilles 25 et 26 des traitements anti-reflets qui sont adaptés à la longueur d'onde du laser. On a pu voir à l'aide des Figs. 2 à 12 différents modes de réalisation de l'optique divergente permettant de produire un diagramme d'illumination large particulièrement apte à exercer une couverture déterminée en gisement dans un secteur relativement large et avec une certaine amplitude en site. On va maintenant considérer une application de cet illuminateur, application dans laquelle il est utilisé comme balise de raliement dans un système d'appui aérien rapproché. En se reportant à la Fig. 13 l'illuminateur laser se trouve en PGA, abréviation de "poste de guidage avancé", et cet illuminateur illumine de manière conventionnelle par un faisceau FL une cible C. L'avion AV est destiné à fournir un appui aérien aux forces combattantes au sol il dispose d'un système de détection et d'écartométrie laser dont le champ d'acquisition est indiqué en hachuré et désigné par CHI. Si l'on désigne par C1 la portée de l'illumination réfléchie par la cible et détectable par le système à bord de l'avion, on peut se rendre compte que celui-ci, peut à la suite d'une erreur de navigation et compte-tenu que son champ est étroit, rater la cible.Ceci correspond à la position de l'avion en Al. Le système grâce au PGA équipé d'un illuminateur conforme à l'invention va permettre de produire un ralliement de l'avion et celui va venir dans une position A2 en sorte que la cible reste dans son champ d'acquisition. La courbe C2 représente la limite de portée de l'illuminateur à champ large et formant balise, ce champ étant désigné par CH2. Le système permet d'assurer une bonne acquisition de la cible, même en présence d'erreur de positionnement relatif de l'avion par rapport au poste PGA, importante. La procédure consiste à produire une illumination laser du type balise grâce à une optique divergente comme il a été décrit précédemment, dans un champ d'angle au sommet qui peut être important, 30 à 60 par exemple en gisement.L'avion va se présenter dans la zone d'action selon un cap prescrit voisin du relèvement du but par le PGA. Le dispositif détecteur et écartomètre laser de l'avion détecte la balise en PGA et le-pilote déduit des écartométries angulaires la correction de cap à effectuer. Le poste de guidage avancé stoppe ensuite le fonctionnement laser en balise et illumine la cible CB. L'avion se trouvant réorienté convenablement peut acquérir cette cible sans difficulté puisqu'elle est présente dans son champ d'acquisition. L'illuminateur en fonction balise illumine directement l'avion donc son détecteur laser et non pas par l'intermédiaire d'une cible diffusante. En outre, la portée de la balise laser se trouve être beaucoup plus importante que celle d'un illuminateur laser de puissance égale et dans les même conditions atmosphériques Comme l'illuminateur en fonction balise se trouve orienté en direction des lignes amies, il pourrait présenter un danger pour la vue du personnel situé dans son champ d'émission. Le fait de la divergence accentuée du faisceau, outre les avantages opérationnels apportés, réduit ainsi considérablement les précautions à prendre en diminuant fortement le gabarit de sécurité. L'équipement nécessaire dans le poste PGA pour produire les deux types d'illuminations est constitué à l'aide d'un seul illuminateur et en utilisant un dispositif de commande ou de télécommande 3 qui permet de passer d'un mode opérationnel à l'autre. Ce passage peut s'effectuer comme il a déjà été indiqué par un escamotage de !'optique divergente ; dans ces conditions, le faisceau Jaser FL n'est pas modifié puisqu'il ne trouve plus l'optique divergente 2 sur le chemin d'émission et est émis normalement vers la cible. Dans la mesure où l'axe Z de ce faisceau n'est par orienté vers la cible des moyens sont prévus pour orienter en site et en gisement l'émetteur 1. La figure 14 montre une autre solution qui évite l'escamotage grâce à l'introduction d'une optique additionnelle formée de deux miroirs 30 et 31 pour renvoyez le faisceau non-divergent selon une direction Z4 parallèle à la direction de sortie Z1 du faisceau divergent. La commutation des modes est obtenue par action sur le miroir 30. La position de ce dernier est commandée par le dispositif 3. Dans la position figurée, le miroir 30 intercepte le faisceau laser FL qui est réfléchi vers le miroir 31, puis selon la direction de sortie Z4. Dans la position 30A, indiquée en pointillé, correspondant au mode de fonctionnement balise, le miroir n'interrompt pas le faisceau laser qui est transmis à travers une optique divergente, par exemple analogue à celle de la Fig. 8. Pour orienter la direction Z4 en mode laser et éclairer la cible, l'ensemble est supporté par une tourelle orientable. Cette solution permet de réaliser un bloc optique fixe et donc pratiquement indéréglable. il est entendu que d'autres applications sont envisageables pour l'illuminateur divergent conforme à l'invention, tel que en tant que balise laser d'entraînement ou dressai simulant l'illumination par un laser, ou encore en tant que balise pour des contre-mesures laser actives. Ces applications n'exigent pas d'adaptation particulière de la structure balise précédemment décrite. Ainsi que l'on peut s'en rendre compte, la réalisation d'un illuminateur laser conforme à l'invention admet de nombreuses variantes dont quelques unes ont été décrites à l'aides des Figs. 2 à 12 et à la Fig. 14. D'autres modes de réalisation sont envisageables; on peut par exemple considérer que rémetteur I est muni d'un miroir plan réfléchissant incliné sur l'axe optique et pouvant être commandé pour occuper deux positions, dans une première position le mode laser conventionnel est produit, dans la seconde position ce sera le mode balise grâce à l'optique divergente disposée en aval sur le trajet lumineux réfléchi. Dans cette version, L'optique divergente peut rester fixe et la seule opération à effectuer est un déplacement du miroir considéré, par exemple par rotation. REVENDICATIONS l.llluminateur laser comportant une source laser et une optique d'émission, caractérisé en ce que l'optique d'émission comporte des moyens optiques (2)qui produisent une divergence répondant à une fonction balise avec des couvertures angulaires prédéterminées en site (aS) et en gisement (aG); I'illumination étant non directive et uniforme dans l'angle solide correspondant, la couverture en gisement pouvant atteindre la valeur maximale 2n dans le cas d'une illumination panoramique. 2.llluminateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens optiques divergents sont constitués par une lentille divergente (7) associée à un miroir conique (8) pour produire une couverture panoramique en gisement. 3. Illuminateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens optiques divergents sont constitués par un miroir de révolution autour d'un axe dont la génératrice est une courbe (9) pour produire une couverture panoramique en gisement. 4. Illuminateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens optiques divergents comportent une surface diffusante (11) illuminée par transmission par le faisceau laser (FL). 5. Illuminateur selon le revendication l, caractérisé en ce que les moyens optiques divergents comportent une surface diffusante (14) illuminée par réflexion par le faisceau laser (FL). 6. Illuminateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens optiques divergents sont constitués de miroirs, comportant un miroir cylindrique (21) et un miroir plan (20), le miroir plan étant parallèle à une génératrice du miroir cylindrique. 7. Illuminateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens optiques- divergents comportent deux lentilles cylindriques plan-concave (25 et 26) disposées perpendiculairement l'une à l'autre pour produire respectivement la divergence en site et la divergence en gisement. 8. Illuminateur selon la revendication 7, caractérisé en ce que les deux lentilles cylindriques ont leur axe optique (Zl) incliné par rapport à l'axe d'émission laser (Z) en sorte d'éviter le renvoi en direction du laser émetteur d'une partie du rayonnement réfléchi par ces lentilles. 9. Illuminateur selon l'une quelconque des revendications pré cédentes, caractérisé en ce qu'il comporte en outre des moyens de commande (3) pour annihiler la fonction de divergence produite par les moyens optiques divergents et obtenir le fonctionnement laser directif conventionnel de l'illuminateur. 10. Illuminateur selon la revendication 9, caractérisé en ce que ces moyens de commande produisent un escamotage de L'optique divergente. 11. Illuminateur selon la revendication 9 ou 10, utilisé dans un système d'appui aérien rapproché pour produire, en fontionnement balise, un faisceau large (CH2) permettant le ralliement d'un avion et pour produire ensuite en fonctionnement laser conventionnel, l'illumination de 1a cible (CB). 12. Illuminateur selon la revendication 11, caractérisé en ce que les moyens de commande (3) produisent la mise en place d'une optique complémentaire (30-31)pour capter le faisceau- laser en amont de l'optique divergente (2) et le renvoyer en direction de la cible.