Brevet FR2609814A1 — publié le 19880722

DISPOSITIF POUR LA DETERMINATION DE LA POSITION D'UN RAYON LASER DANS UN MILIEU DISPERSANT La présente invention concerne un dispositif pour la détermination de la position d'un rayon laser dans un milieu dispersant avec un émetteur laser et un récepteur laser suivi d'un circuit d'évaluation. De tels dispositifs sont nécessaires pour une série d'applications techniques, par exemple pour les procédés à rayon directeur pour guidage de missiles ou pour la commande de vol d'approche d'atterrissage. En particulier dans ces procédés, il s'impose de déterminer, même dans des milieux dispersants tels que brume, brouillard, fumée ou eau, le plus exactement possible la position du rayon laser, la précision angulaire de cette détermination devant être autant que possible de l'ordre de grandeur de la divergence d'origine du rayon laser, c'est-à-dire que l'ordre de quelques milliradlans. C'est ainsi que, par exemple dans un procédé a rayon directeur pour le guidage de missies. on balaye avec le rayon laser l'entourage du missile sous la forme d'un motif détermine. A partir de l'instant auquel le rayon laser frôle un capteur à l'arrière du missile, on peut determiner dans ce dernier la position dudit rayon laser par rapport au but. On en déduit ensuite des données pour le guidage du missile. Il est en plus possible de moduler dans une certaine mesure le rayon laser pour transmettre de la sorte au missile des ordres, par exemple des signaux de guidage. Avec l'utilisation d'un laser à rayonnement continu, on ne peut essentiellement appliquer ce procédé et quelques autres aussi que jusqu'à des portées optiques normales de 1 à 2 km. En cas de portées optiques plus faibles, le rayon laser se disperse tellement fortement 'dans le milieu ambiant qu'une détermination de position nette et claire n'est plus possible. Pour expliquer ce fait brièvement, on remarquera que si un rayon laser est émis à travers un milieu dispersant, tel que brume ou brouillard, une partie de son rayonnement se trouve dispersée, ce qui affaiblit le rayon laser d'origine. Le rayonnement I enregistré par un récepteur se compose, par addition, d'une part cohérente non dispersée Ic et d'une part dispersée incohérente Ii, c'est-à-dire que l'on a I = Ic + Ii. Si l'on désigne par Io l'intensité de départ du rayon laser, la part cohérente s'écrit Ic = Io exp c- t), expression dans laquelle T represente la profondeur ou epaisseur optique du milieu, donnée par T = L ae, expression dans laquelle L designe la distance geométrique entre l'émetteur laser et le récepteur, et ae le coefficient d'extinction du milieu. coefficient donné par Ce = Os + Oa, expression dans laquelle as est le coefficient de dispersion, et ca le coefficient d'absorption, du milieu. La part dispersée Ii est fonction du coefficient de dispersion as et de la caractéristique de dispersion des particules élémentaires du milieu dispersant. úi la longueur d'onde du laser est inférieure ou comparable au diamètre des particules dispersantes dans le milieu, le rayonnement dispersé est dirigé vers l'avant et se répartit dans une zone angulaire de quelques degres seulement autour de l'axe du rayon laser. Si la longueur d'onde du rayon laser est supérieure au diamètre des particules dispersantes, le rayonnement de dispersion se répartit de façon correspondante sur une plus grande zone angulaire. Par rapport au rayonnement cohérent, dont la divergence est généralement de l'ordre de grandeur du milliradian, il apparaît cependant toujours un arrière- plan dans lequel le rayon laser d'origine cohérent disparaît lorsque la profondeur, ou l'epaisseur, optique T augmente. Cela ressort de la figure 1. qui retrace, en cas de dispersion par aérosols, le cours du profil d'un rayon laser en fonction de la distance p, en cm, à l'axe du rayon pour différents cDefficients de dispersion as et une distance de 3 km entre l'émetteur et le récepteur laser. Les profils de rayon sont normalisés par rapport à l'axe du rayon et reportés logarithmiquement en intensité de rayonnement. On volt que, pour de relativement faibles coefficients de dispersion, le profil de rayon s'élargit déjà au point de ne plus rendre possible une détermination quelque peu exacte de la position du rayon laser. Le rayonnement dispersé ayant la même longueur d'onde que le rayonnement cohérent, il n'est pas possible de le distinguer de ce dernier à l'aide de filtres optiques. Avec un récepteur conçu de façon classique, et en cas de profondeurs optiques T > à 10 correspondant à une portée optique d'environ 500 m, on ne peut par conséquent plus obtenir qu'une détermination de la position du rayon laser très imprécise et fonction de la répartition angulaire du rayonnement dispersé. Une détermination de position de rayon laser aussi imprécise n'est plus admissible pour les applications techniques précitées. L'invention a pour objet de perfectionner un dispositif du genre annoncé en sorte que la position d'un rayon laser puisse être déterminée de façon simple et sûre même dans des milieux fortement dispersants et optiquement denses en sorte que la précision de cette détermination de position soit améliorée aussi en cas de grandes distances entre émetteur laser et récepteur. Ce dispositif perfectionné est caractérisé par le fait que l'émetteur laser est relié à un circuit modulateur pour la modulation d'intensité à une fréquence caracterlstique fL du rayon laser émis, fL étant nettement superieur à 1/Ts et Ts désignant l'élargissement en durée que subit une brève impulsion en se dispersant dans ledit milieu, et que le récepteur est lui-même relié à un filtre électronique de fréquences accordé sur la fréquence caractéristique de modulation. Dans le dispositif selon l'invention, on profite de la différence de comportement dans le temps entre le rayonnement laser cohérent et le rayonnement laser rendu incohérent par la dispersion. Dans un but d'explication, on va décrire tout d'abord l'extension en temps de l'impulsion élémentaire. Si on émet une impulsion laser élémentaire très brève à travers un milieu dispersant, son cours dans le temps reste inchangé dans la part cohérente. La forme de l'impulsion laser se modifie par contre dans la part dispersée. Atteignant le récepteur non plus par le chemin direct comme pour le -rayonnement cohérent, mals par le détour d'un ou généralement de plusieurs processus de dispersion, les photons disperses arrivent avez un certain retard. Comme on le volt sur la figure 2, l'impulsion laser s'en trouve élargie et son centre de gravité est décalé vers l'arrière. Sur cette figure 2, on a porte au-dessus du temps l'lntensite Ic de la part cohérente non dispersee et celle Ii de la part dispersee lncoherente. L'élargissement de l'impulsion laser dépend de la caracterlstlque de dispersion des particules élémentaires dans le milieu dispersant et est à peu près inversement proportionnel au carré de la profondeur optique T dans le cas d'une forte dispersion vers l'avant. Une telle dispersion forte vers l'avant se présente par exemple dans l'atmosphère libre en cas d'utilisation de lasers au néodyme. On obtient dans ce cas une largeur d'impulsion Ts d'environ 100 ns à une distance de 3 km entre émetteur laser et récepteur et avec une profondeur optique T = 10 dans la lumière dispersée. Les nombres indiqués correspondraient à une portée optique normale d'environ 500 m. La dispersion modifie, et lisse, en conséquence fortement le comportement en temps du signal de sortie du récepteur. C'est ce que traduit l'addition des deux parts Ic et Ii de la figure 2. L'on peut en donner l'expression mathématique si l'on désigne par G(t) la forme d'impulsion modifiée par la lumière dispersée d'une impulsion émise très brève, dite impulsion 6. Le rayonnement est donné en fonction du temps par l'intégrale Ii(t) = f G(t-t'I-)Ii(t')dt' En poursuivant l'exemple numerique précité, une ser e d'lmpulsions à intervalle de 10 ns donne en conséquence dans le rayonnement dispersé un niveau d'intensité sensiblement constant auquel se superposent des variations irreguilères correspondant au caractère stochastique des processus de dispersion. Le rayonnement coherent conserve en revanche le comportement en temps du rayon de depart et présente donc aussi des impulsions à intervalle de 10 ns. Cet état de choses est mis à profit, dans l'lnventlon, pour un dispositif technique étonnamment simple propre à distinguer entre le rayonnement dispersé et le rayonnement cohérent et a déterminer ainsi exactement la position d'un rayon laser. On module à cet effet l'intensité du rayonnement laser à une fréquence caractéristique de modulation fL qui est nettement supérieure à la valeur inverse l/Ts de la largeur d'impulsion précitée. Si l'on part des mêmes nombres, la fréquence caractéristique de modulation s'établit à environ 100 MHz. Peu importe en même temps la forme précise de la modulation. Elle peut par exemple être sinusoïdale. Afin d'obtenir des valeurs de pointe aussi élevées que possible de l'intensité et de compenser ainsi l'affaiblissement, de toute façon marqué, du rayonnement cohérent, on réalise cependant, selon une forme de réalisation préférée de l'invention, la modulation sous la forme d'impulsions équidistantes en temps avec une durée aussi brève que possible des impulsions élémentaires et l'on recommande à cet égard un couplage des modes longitudinaux du laser par lequel on peut realiser aussi des séries d'impulsions dans la gamme MHz. Pour augmenter encore les puissances de pointe obtenues pour les impulsions par le couplage des modes longitudinaux, il est en même temps avantageux d'abréger davantage la durée de ces dernières par un procédé de compression optique de ces dites impulsions. De tels procédés sont décrits dans la littérature technique, Cf. par exemple Nikolaus and D. Grischkowsky, Puls compression using optical fibers, dans: Physics of New Laser Sources, éditeurs N.V Abraham et autres, NATO ASI Series B: Physics Vol. 132. On peut réaliser par un tel procédé des impulsions d'une durée de 1 ps et d'une puissance de quelques TW/cm2. Le récepteur comporte, en plus du filtre optique, un filtre électronique qui est branché derrière le photodétecteur et établi en sorte qu'il sépare le signal correspondant à la part dispersée incohérente Ii, signal ne présentant que certaines variations stochastiques. Par suite du comportement additif du rayonnement cohérent et du rayonnement incohérent, le premier est séparé de la sorte du second, ce qui rend possible sur de grandes portées une détermination précise de la position du rayon laser même dans des milieux fortement dispersants. Le filtre électronique peut être établi de facorn a ne laisser passer a l'intérieur d'une certaine largeur de bande que la fréquence caractéristique de modulation du laser. Il peut cependant aussi laisser passer en plus d'autres gammes de fréquences utilisables ensuite pour la transmission d'informations entre l'émetteur laser et le récepteur, par exemple pour la transmission des signaux de guidage precités à un missile. Si l'émetteur laser et un récepteur se déplacent l'un par rapport -à l'autre, il faut encore tenir compte du décalage par effet Doppler, c'està-dire qu'il faut accorder dans le récepteur le filtre électronique de fréquences sur la fréquence décalée par ce même effet. Cela reste cependant sans importance pour la plupart des applications pratiques en raison de la grandeur de la vitesse de la lumière. Le dispositif selon l'invention est utilisable de façon particulièrement avantageuse au guidage des missiles avec le procédé à rayon directeur précité. Avec un tel dispositif, ce procédé est applicable à de faibles portées optiques normales de quelques centaines de mètres, si bien que l'on peut obtenir des résultats de détermination de position encore exacts, même à des distances entre émetteur laser et récepteur deux fois plus grandes que dans les procédés connus. De plus, la modulation du rayonnement laser a une fréquence caractéristique de modulation permet de l distinguer entre différents lasers affectés a la commandce du missile sans qu'il y ait à recourir à cet effet à des lasers de différentes longueurs d'onde. Cette distincticn s'établit alors par codages haute fréquence divers avec des fréquences caractéristiques de modulation différentes. Le fait de faire varier la fréquence caractéristique de modulation d'un laser dans une zone déterminée permet par exemple de transmettre encore des informations. Suivant d'autres particularités avantageuses possibles de l'invention: le filtre électronique est accorde sur la suite d'impulsions émise compte tenu de la largeur des Impulsions; le récepteur est déplacé transversalement à l'axe du rayon laser pour la détection du profil de la part cohérente Ic du rayonnement laser incident; l'émetteur laser exécute un mouvement angulaire; le dispositif est particulièrement utilisé, conjointement à un procédé à rayon directeur, au guidage d'un missile qui renferme le récepteur et le circuit évaluateur. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description détaillée d'un mode de réalisation pris comme exemple non limitatif et illustré par la figure 3 du dessin annexé, laquelle représente, sous forme d'un schéma synoptique, un tel dispositif pour la détermination de la position d'un rayon laser. Suivant ce schéma, un laser 1 est relié à un modulateur 2 relié à son tour à un circuit d'attaque 3 de Il telle sorte que le rayon laser 4 émis en faisceau etroit par le laser 1 scit module avec une fréquence-- caractéristique selon les modalités précltees. La modulation du rayon laser est une modulation d'intensité sous forme de brèves impulsions éeuldistantes dans le temps. La suite des impulsions dans le laser est engendrée par couplage des modes longitudinaux. L'élargissement du rayon laser par dispersion dans un tel milieu 5 est indiqué en trait discontinu sur la figure. Le rayon laser cohérent non dispersé 4 et la part dispersée viennent frapper l'un et l'autre un système optique 6 d'un circuit récepteur et évaluateur 7, lequel système optique comporte en plus un filtre pour la fréquence du rayonnement laser. Le rayonnement est reçu par un photodétecteur 8 dont les signaux électriques de sortie sont amplifiés en 9 et amenés, le cas échéant après un traitement particulier, à un filtre électronique de fréquences 10. Ce dernier ne laisse passer que les fréquences de même gamme que la fréquence caractéristique de modulation, d'autres gammes de fréquences pouvant cependant être également admises aux fins de transmission d'informations entre le laser et le récepteur. Les signaux de sortie du filtre électronique sont amenés à un circuit de traitement 11, puis à un circuit évaluateur 12 qui détermine la position du rayon laser. Le photo- détecteur 8 peut encore être établi de façon à balayer, par exemple en se déplaçant, le rayon laser 4 transver- salement à l'axe de ce dernier. On peut détecter ainsi le profil de la part cohérente non dispersee du rayvonnement incident. Il est aussi bien possible d'agiter le rayon laser en lui faisant frôier le récepteur pour déterminer ainsi le profil du rayonnement laser incident et la position en temps du rayon. Pour d'autres applications, il peut être avantageux que le rayon laser reste au repos et que l'ensemble du recepteur 7 accomplisse un mouvement de balayage. Ces déterminations ont lieu suivant des méthodes classiques dans le circuit évaluateur 12. REVENDICATIONS 1. Dispositif pour la détermination de ô posi.O.. d'un rayon laser dans un milieu dispersant avec urn émetteur laser et un récepteur laser suivi d'un circuit évaluateur, dispositif caractérisé par le fait que l'émetteur laser (1) est relié à un circuit modulateur (2, 3) pour la modulation d'intensité à une fréquence caractéristique (fL) du rayon laser émls (4), (fL) étant nettement supérieur à (1/Ts) et (Ts) désignant l'élargissement en durée subi par une brève impulsion laser en se dispersant dans le milieu (5), et que le récepteur (8) est lui-même relié à un filtre électronique de fréquences (10) accordé sur la fréquente caractéristique de modulation. 2. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé par le fait que le filtre électronique de fréquences (10) ne laisse essentiellement passer que la fréquence caractéristique de modulation (fL). 3. Dispositif selon la revendication 2 caractérisé par le fait que le filtre électronique de fréquences (10) laisse passer aussi, en plus de la fréquence caractéristique de modulation (fL), des fréquences d'autres gammes. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé par le fait que la modulation du rayon laser (4) a lieu sous la forme d'impulslons équidistantes en temps. 5. Dispositif selon la revendication 4 caractérisé par le fait que la suite d'impulsicns dans l'émetteur laser (1) est engendrée par couplage des modes longitudinaux. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 4 ou 5 caractérisé par le fait que la puissance des impulsions elémentaires est accrue à l'aide d'un procède de compression optique des impulsions par lequel on abrège en même temps leur durée. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 4, 5 ou 6 caractérisé par le fait que le filtre électronique (10) est accordé sur la suite d'lmpulslons émise compte tenu de la largeur des impulsions. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 caractérisé par le fait que le récepteur (8) est déplacé transversalement à l'axe du rayon laser (4) pour la détection du profil de la part cohérente (Ic) du rayonnement laser incident. 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 caractérisé par le fait que l'émetteur laser (1) exécute un mouvement angulaire. 10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 9 caractérisé par le fait qu'il est particulièrement utilisé, conjointement à un procédé à rayon directeur, au guidage d'un missile qui renferme le récepteur et le circuit évaluateur.