Brevet FR2539864A1 — publié le 19840727

1. La présente invention concerne un système de guidage d'un engin selon une direction de visée, comprenant une source d'émission produisant un faisceau lumineux dont l'axe correspond à la direction de visée 9 des moyens d'analyse du champ d'observation, et, sur l'engin, au moins un détecteur et dos moyens de traitement pour déter- miner, à partir du signal de sortie du détecteur, au moins une coordonnée écartom 6 trique de 1 tengin par rapport à la direction de visée, et pouvoir commander les gouvernes de l'engin afin deasservi r sa tra Jectoire sur la direction de visée. On connait déjà des systèmes de guidage dans lesquels les moyens d'analyse du champ, dobservation comprennent une mire de modulation du faisceau de la source on m Ouve- ment, formée de plage alternativement transparentes et opaques, et qui est projetée dans l'espace observé, les coordonnées de l'engin étant obtenues au moyen de lana- lyse des alternances de lumière et deobsourité saisies par le détecteur. Si de tels systèmes présentent l'a Vantage d 8 tre de conception mécanique relativement simple, seule la mire étant en mouvement, il n'en reste pas nioins quails préosen- tent l'inconvénient d 9 exiger de la source d'émission un éclairage permanent de tout le champ dobservation ce qui exige soit un émetteur de grande puissance soit un récepteur de grande sensibilité. On connait encore d'autres systèmes dl type spécifié plus haut, dans lesquels la source émet un faisceau ponc- tuel, ou "spot" lumineux, qui balaye le champ d Yobserva- tion, dont les différents points ne sont donc pas éclairés simultanément. Toute l'énergie émise est ainsi concentrée sur 11 engin qui reçoit un signal de courte durée, ce qui exige un récepteur à large bande passante. Si ces derniers systèmes présentent l'avantage d'un bon bilan de liaison et d'une bonne discrétion, ils pré- sentent toutefois l'inconvénient d'exiger un dispositif de balayage rapide du faisceau. La présente invention vioe donc à pallier les incon- vénients des systèmes antérieurement connus. A cet effet, la présento invention concerne un sys- tème de guidae d'engin du type séc 6 ifîi ci-doessu, carac- térisé par le 2 ait que loe moyonc deanalyse sont agencdo pour transformer le faioceau 6 mis par la source en au moins un pinceau plat at allcngé et pour entraîner la pinceau en déplacemento Ainsi, le système do l Vinvontion comporte -vne source lumineuse émettant on pormanence, maio n 6 clairant pas simulianément tous les points du champ d Eobnervation En outre, la bande déclairag 6 tant quagdom 8 mo rlativement allongée, le dispositif deotrannoot on déplacemont du pinceau N 9 a pas à respecter des exigences de rapidité particulières Les inconvmnients tant des syctèmeo à mire de modulation que des syatème à balayage par spot sont donc éliminés. Dans une forme de réalisation préférée du système de l'invention, lea moyens d'analyoe comprennent au moins une optique à lent 1 îlle cylindrique convergente montéu rotative à la sortie de la source lumineuse. Il s'agit de moyens simples et donc dîableso Le pinceau plat est de préférence entraîné en rota- tion autour d'un axe confondu avec la direction de visée. De préférence encore, oct ane de rotation passe par le centre du pinceau. Si par contre l'axe de rotation du pinceau est excen- tré, il faut alors au moins deux pinceaux pour déterminer totalement l'écartométrie de l'engin. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la des- cription suivante d'une forme de réalisation préférée du système de l'invention, en référence aux dessins annexés. La figure 1 représente schématiquemeit la partie émission du système, La figure 2 repréeente schématiquement la trace du pinceau, d'analyse du système de la figure 1, dans le plan de l'engin à guider, perpendiculaire à l'axe de visée. La figure 3 représente schématiquement l'optique de réception du système, et La figure 4 représente schématiquement les circuits électroniques de réception du système. Le système de guidage, dont la partie émission est schématisée à la figure 1, compmend une source lumineuse 1, en ltespèce une source laser émettant dans l'infra- rouge telle qu'un laser à C 02 o On peut utiliser dans l'in- vention un laser à émission continue, mais un laser à impulsions est préféré, modulé à une période de récurrence TR Mais on peut aussi envisager d'utiliser d'autres sour- ces, comme une diode électroluminescente du type As Ga par exemple. Le faisceau émis par la source laser 1 est modulé en amplitude, de manière connue. Le faisceau sortant du modulateur du laser 1 est transformé en un pinceau plat et allongé par une optique à lentille cylindrique convergente 2, Qntralnée en rota- tion circulaire uniforme à une vitesse angulaire CO, par un mécanisme 3, dont il sera à nouveau question plus loin, pour créer le balayage d'analyse du champ d 9 observationo Le pinceau résultant traverse ensuite une optique dlémis@ion 4, projetant dans l'espace la bande produite par la lentille 2 et diaposée au foyer de cette optique 4. L'engin 5 évolue dans un csapace d+obervration d'angle solide a, en se dirigeant vers une cible 6 sur laquelle est pointé le pinceau L'engin 5 porte un détecteur %, sensible à la longueur d'onde du faisceau laser, qui trans- forme le rayonnement lumineu qu'il reçoit en un signal électrique de sortie permettant de déterminer les coordonnées écartométriques du détecteur 7 par rapport à l'axe du pinceau Des signaux représentatifs de ces coordonnées sont appliqués au circuit de commande de gouvernes prévues sur l'engin, de manière à asservir la trajectoire de l'engin sur l'axe du pinceau et donc sur la cible 6. Il n'a pas été représenté sur la figure 1 la voie visible définissant la direction de visée Elle comporte, de façon connue, une lunette, et elle est harmonisée avec l'axe de la source infrarouge par un appareillage externe tout-à-fait connu des hommes de métier. Avant de poursuivre plue avant la description struc- turelle du systême de guidage, il est préférable d'aborder son principe de fonctionnement et la manière d'obtenir les écartométries. Il est représenté sur la figure 2 la trace du pin- ceau lumineux plat et allongé, à un instant donné, dans le plan de l'engin 5 perpendiculaire à lasxe de vis 6 c AIA qui est en m 8 me temps l'axe de rotation du pinceau- qui tourne avec l'optique 2. La trace du pinceau- dans ce plan est sensiblement un rectangle 8 très allongé, et très fin, de longueur angu- laire a et de largeur angulaire égale à la résolution a dépendant de la qualité des optiques de transformation 2 et d'émission 4 o La partie intérieure au corcle 9 dans lequel est inscrite la trace du pinceau représente le champ d'observation o est la trace de luaxe de visée dans le plan de la figure 2. Soient et lez coordonéeos polaires de l'engin 5 par rapport à un axe de réfdorenc O N porpendiculaire en O au plan de la figure 1, par exemple, lengin 5 se trouvant sur l'axe OE. = (Ox, OE) Quant à la coordonnée métrique f, distance de l'engin 5 à l'axe AIOA, elle correspond à la coordonnée angulaire e (fig 1). Soit 'le temps de passage du pinceau sur le détec- teur 7 porté par l'engin 5. Si on considère le triangle OMN de la figure 29 MN representant le segment de trajectoire du détecteur 7 à travers le pinceau, quand on admet celui-ci fixe et le détecteur mobile, ce qui est 19 inveroe de la réalité mais revient au m 8 me pour les calculs, la longueur MN étant égale à et étant vrue de O sous un angle WA,' on peut écrire MN 2 sin 2 1 5 O OM sin 2- = sin Connaissant la viteoec de rotation W du -pinceau, le temps de passagedu pinceau, sur le détecteur et ú étant par ailleurs également connua 9 on en déduit done la coor- donnée écartométrique angulaire,. Dans le cas dtun laser à impulsions, modulé à une période de récurrence TR, cest le nombre N dl'impulsions reçues par le détecteur, égal à T_ 9 qui permet d Oobtenir la coordonnée p, suivant la relat Ron sin W NT R TB étant la période de balayage du pinceau, on peut écrire 2 -lf Par conséquent: f 3-JL- TB Quant à la coordonnée icartom 6 trique angulaire D, elle est donnée par la formule 1 tw t-o 2 lr ou "> 22 T t 2 Irs TB t correspondant au tompc mîi par le pinceau pour attoin- dre 1 engin 5, oen 1, 1 iisu do K rêvolutions ( 2 K) n disposant donc d'une horloge piloto en association avec la source émettrice et d'uno autre on aaoseciatioa avec le détecteur, mises à zéro au ddpart do lenein et maintenues en synchronisme pendant le vol, par oxceple à chaque pas o sage du pinceau par une position horizentale ( O x), et & l'aide de tops de aynchroni@ation émis par le laser, on peut déduire de t la coordonn 6 e écartométrique La générat*Ène deo topo de oynchronisation par le laser s'effectue par des Eoyeno classiques, par exemple par variation de tension, variation de longueur de la cavité, par déplacement d'un miroir du laser. On notera que le pince au plat, lors de chacune de ses révolutions, permet d'élaborer deux écartométries. On notera également qu'à la place de l'optique 2, on aurait pu disposer un cache rotatif pourvu d'une fente ? 539864 appropriée Mais dans ce cas, la concentration d'énergie aurait fait défaut. On vient de décrire le principe d'élaboration des écartométries en référence à un seul pinceau plat. Les calculs seraient de même nature si le système de guidage mettait en oeuvre, pour analyser le champ, non plus un seul pinceau mais par exemple deux pinceaux. Ces deux pinceaux pourraient d'ailleurs être émis à partir de la mime source A cet effet, on pourrait dispo- ser sur le trajet du faisceau produit par la source laser une lame semitransparente qui serait traversée par une partie du faisceau incident et sur laquelle l'autre partie serait réfléchie Et à partir de ces deux faisceaux, il serait facile de produire deux pinceaux plats et allongés, obtenus, chacun, de la même manière que précédemment, et qu'il suffirait ensuite de positionner l'un par rapport à l'autre par des moyens classiques. On pourrait encore, pour obtenir deux pinceaux plats allongés en croix à partir d'une même source, faire passer le faisceau issu de la source à travers une lentille com- plexe composée de quatre parties, occupant chacune un quadrant de la lentille complexe, la lentille du premier quadrant produisant un premier pinceau plat allongé, par exemple horizontal, tout comme la lentille du troisième quadrant, mais symétrique du premier par rapport au centre de la lentille complexe, et la lentille du deuxième qua- drant produisant un pinceau plat allongé vertical, tout comme la lentille du quatrième quadrant, mais eymétirlque du deuxième par rapport au c-entre de la lentille complexe. Ces deux pinceaux plats et allongés peuvent être orthogonaux, et eteat préférable, ou non Ils peuvent être montés mobiles en rotation autour d'un ase central commun ou autour d'un axe excentré Ils peuvent Atre montés mobiles en translation circulaire Ils peuvent encore être montés - mobiles en translation rectiligne Bref, toute disposition de plusieurs pinceaux animés d'un mouvement de balayage permettant de déterminer l'écartométrie de l'engin, par rapport à la direction de visée, une ou plusieurs fois par période de balayage, peut être envisagée. Il est facile de constater que pour une résolution métrique donnée, il faut assurer une résolution temporelle d'autant plus grande que l'engin S éloigne du centre du champ et que pour une coordonnée angulaire O donnée, la résolution temporelle à assurer seaccroit avec la distance. C'est donc la résolution correspondant au bord du champ d'observation et en limite de portée qui est A prendre en compte A titre d'exemples à une résolution métrique de 20 cm au bord d'un champ de 5 mrai à 2500 m;doit cor- respondre une résolution temporelle de 100 >So Maintenir une telle résolution temporelle pendant par exemple 10 S requiert pour les horloges de l Qmetteur et du récepteur une stabilité de 510 6 Une telle exigence peut 8 tre-satisfaite par des solutions à la portée des hommes de métier. Pour revenir à la description structurelle du système, les précisions suivantes doivent être données. A l'émission, c'est-à-dire au niveau de la source infra-rouge, il est prévu une source d'alimentation du laser, une base de temps et des circuits électroniques de synchronisation de l'alimentation, de synchronisation de la base de temps du récepteur porté par l'engin avant son expulsion, de génération de la fréquence de modulation du laser, d'asservissement de la rotation de l'optique cylin- drique 2 Il n'est pas nécessaire de décrire plus en détails ces moyens électroniques, que l'home de métier S 4 it par- faitement réaliser On précisera quand m 8 me, que/la forme de réalisation décrite, l'optique cylindrique 2 est montée sur un barillet 3 entratné par un moteur et qui porte un disque optique incrémental associé à un ensemble d'émission- réception à diode électroluminescente et phototransistor. 9- La vitesse de rotation du barillet est asservie en fréquence à partir de la base de temps, le disque incré- mental permettant de disposer d'une recopie angulaire de la position du pinceau laser. A la réception, il est prévu une optique de réception (fig 3), comprenant une lentille de t 8 te 20, disposée au niveau d'une pupille d'entrée 21, et une lentille plan convexe hémisphérique 22, dont la face plane 23 est confon- due avec le plan focal Le détecteur 7 est immergé optiquement dans de façon connue /la lentille 22 I 1 s'agit, dans leexemple considéré, d'un détecteur du type Hg Cd Te, présentant un maximum de réponse a 10,6)m Un refroidisseur, non repré- senté, est également prévu pour le détecteur 7, ce qui est tout-à-fait classique. Les circuits 4 lectroniques de réception sont repré- sentés schématiquement sur la figure 40 Le signal issu du détecteur 7 est appliqué à l'entrée d'un circuit d'amplification 30 Après amplification, le signal est filtré par un filtre 31 centré sur la fréquence de modulation du laser T o Sagissant d'un laser à impul- TR sions, un dispositif de R comptage 32 totalise les impul- sions reçues (N) Un organe do calcul 33, raccordé à la sortie du dispositif 32, détermine la coordonnée écarto- métrique angulaire O en résolvant l'équation sin t N TR TB La coordonnée métrique f se déduit de l'équation _ = RP, R étant la distance à laquelle se trouve l'engin 5. La distance R est déterminée à chaque instant du vol par la loi du mouvement de l'engin, dans un dispositif programmé 34, déclenché au départ de l'engin 5 R = f(t). L'entrée du dispositif est raccordée à la sortie d'un os- cillateur pilote 35 déclenchée par un top de départ déli- vré par une ligne 36. Le produit dep par R est effectué dans le multipli- cateur 37. Un compteur 38, dont l'entrée est raccordée à une sortie du pilote 35, mesure la durée t écoulée entre l'ins- tant de passage du pinceau plat tournant par une position de référence et l'instant de passage sur le détecteur 7. La coordonnée écartométrique angulaire 0, qui se déduit de l'équation = T t 2 KX TB est élaborée dans un dispositif 39. Ce sont les signaus délivrés par les dispositifs 37, 39 qui sont appliqués au circuit de commande des gouvernes de l'engin. Il est bien entendu également prévu, au niveau du récepteur, une source, non représentée, d'alimentation des divers éléments. L'interposition d'une lentille hémisphérique et l'emploi d'un détecteur immergé dans cette lentille amé- liorent le bilan de liaison du système, c'est-à-dire le rapport signal S sur bruit B. Dans ce cas, et si l'indice de la lentille est n, il est facile-de démontrer qu'on peut alors utiliser, à la réception, une pupille d'entrée de diamètre N fois plus grand Il peut en résulter, dans le bilan de liaison, un gain de N et, pour un nombre d'ouverture donné, un ac- croissement du tirage optique, c'est-à-dire de la distance entre le détecteur et la surface de l'optique de réception la plus proche. Inversement, pour un bilan de liaison donné, le dé- teèteur peut avoir une détectivité N fois plus faible. En d'autres termes, le détecteur peut être refroidi à une température intermédiaire, ce qui entrâine une simplifica- tion du refroidisseur Le niveau de bruit B dépend en ef- fet de la température du détecteur Plus la température e 9864 baisse, plus B diminue Si on augmente le niveau de signal S, on peut donc laisser le niveau de bruit B également augmenter, et par conséquent la température de refroidis- sement également La mise en froid est alors plus rapide, ce qui constitue un avantage notable. REVENDICATIONS 1 Système de guidage d'un engin ( 5) selon une di- rection de visée, comprenant une source d'émission ( 1) produisant un faisceau lumineux dont l'axe correspond à la direction de visée, des moyens ( 2,3)dlanalyse du champ d'observation, et, sur l'engin ( 5) au moins un détecteur ( 7) et des moyens de traitement ( 30-39) pour déterminer, à partir du signal de sortie du détecteur ( 7), au moins une coordonnée écartométrique de 19 engin par rapport à la direction de visée, et pouvoir commander les gouvernes de l'engin ( 5) afin d'asservir sa trajectoire sur la direc- tion de visée, caractérisé par le fait-que les moyens d'analyse ( 2,3) sont agencés pour transformer le faisceau émis par la source ( 1) en au moins un pinceau plat et al- longé et pour entraîner le pinceau en déplacement. 2 Système de guidage selon la revendication 1, dans lequel les moyens d'analyse ( 2,3) sont agencés pour en- traîner le pinceau en rotation. 3 Système de guidage selon la revendication 2, dans lequel le pinceau est entratné en rotation autour duun axe confondu avec la direction de vis 6 oée. 4 Système de guidage selon la revendication 1, dans lequel il est prévu deux pinceaux d'analyse plats et allon- gés entraînés en translation. 5 Système de guidage selon lune des revendications 2 et 3, dans lequel les moyens d'analyse comprennent une optique à lentille cylindrique convergente ( 2). 6 Système de guidage selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel le détecteur ( 7) reçoit le pinceau A travers une lentille plan convexe hémisphérique ( 22). 7 Système de guidage selon la revendication 6, dans lequel le détecteur ( 7) est immergé dans la lentille plan convexe hémisphérique ( 22).