Brevet FR2618900A1 — publié le 19890203

SYSTEME DETECTEUR D'IMPULSIONS LUMINEUSES A TAUX DE FAUSSE ALARME TRES REDUIT, UTHLISABLE POUR LA DETECTION LASER La présente invention concerne un système de détection d'impulsions lumineuses, notamment d'impulsions émises par un laser, et dont le taux de fausse alarme est notablement réduit. Par impulsions lumineuses on entend des impulsions de longueurs d'onde comprises aussi bien dans le spectre visible qu'invisible, en particulier, dans le proche ou le lointain infrarouge, par exemple pour des radiations laser à 1,06 microns et à 10,6 microns. La réduction du taux de fausse alarme est obtenue par insensibilisation du système détecteur aux signaux parasites et en particulier. aux impulsions électriques créees par les photodétecteurs eux-mêmes en l'absence de toute source d'énergie optique irradiante. Ce résultat est obtenu selon l'invention en aménageant les voies optroniques de détection par la mise en parallèle pour chaque voie de deux photodétecteurs couplés à une même voie optique. Un traitement analogique (ou numérique) spécifique des impulsions détectées permet ensuite, par corrélation, de détecter et de valider les impulsions lumineuses reçues et de rejeter les impulsions parasites internes quelles que soient leurs caractéristiques de largeur, d'amplitude et de répétition. Selon une application plus particulièrement envisagée l'invention concerne la détection d'impulsions laser et permet de réaliser un équipement assurant la fonction de détecteur d'alerte laser. L'utilisation fréquente d'illuminateur laser sur les systèmes d'armes à des fins de télémétrie ou de désignation d'objectifs à imposé d'envisager une protection efficace des porteurs (véhicules armés, bâtiments ou aéronefs). Cette protection consiste d'abord à avertir l'équipage de la présence d'une menace' laser pour entraîner une réaction immédiate; c'est la fonction de base du détecteur d'alerte laser. Les lasers opérationnels à ce jour émettent des impulsions de largeur égale à quelques nanosecondes. Un détecteur d'alerte laser se compose généralement de plusieurs capteurs optroniques. Chaque capteur est muni d'une optique couplée à un détecteur qui délivre un courant proportionnel à tout instant au flux qu'il reçoit. Le traitement électronique assure la détection du flux reçu dès que le signal détecté est supérieur à un seuil prédéterminé. Si l'on raisonne en courant ceci se traduit par une valeur du courant détecté supérieur à une valeur minimale ISi résultant de la valeur de seuil de comparaison utilisée pour l'exploitation. Chaque voie optronique se trouve caractérisée par son champ qui est la partie de l'espace observée par le capteur et d'o les émissions lumineuses sont collectées, sa sensibilité qui est la valeur de l'éclairement minimal détectable à l'entrée du capteur, et son taux de fausse alarme c'est-à-dire le nombre de fausses détections par heure de fonctionnement en l'absence de toute énergie lumineuse reçue. Le champ et la sensibilité sont définies par les caractéristiques des illuminateurs, par les contraintes de conception du matériel et par les porteurs à protéger. Ces différentes caractéristiques conduisent à spécifier une valeur de seuil de courant ISI à ne pas dépasser. Le taux de fausse alarme caractérise la sûreté de l'information délivrée par le détecteur d'alerte; la valeur requise dépend de l'application (mission, porteur) et peut 2618 9 0 0 varier entre I et 1/1000. La valeur 1/1000 correspond à une fausse alarme pour 1000 heures de fonctionnement pour l'ensemble des voies optoélectroniques. Les exigences de taux de fausse alarme, en abrégé TFA, imposent souvent un seuil de détection IS2 supérieur à la valeur limite IS1 précitée et donc incompatible des spécifications de champ et de sensibilité de l'équipement. La présente invention apporte avec un aménagement simple de la voie optronique la possibilité de ramener la relation seuil IS en fonction du taux de fausse alarme TFA (courbe C1 de la figure 1 correspondant à un système non aménagé) à un ordre de grandeur compatible de la valeur limite IS1 (courbe C2 de la figure 2 correspondant à un système aménagé selon l'invention). Les fausses alarmes peuvent être produites par des sources électromagnétiques externes au matériel (émissions radio, radar, arcs électriques) ou internes (parasites produits par certaines parties de l'équipement). Les fausses alarmes peuvent résulter également des sources de bruit aléatoires dues au détecteur et au traitement électronique. En troisième lieu, les fausse alarmes peuvent résulter de signaux créés spontanément au niveau des éléments détecteurs. Ces signaux sont sous forme d'impulsions très brèves. Elles sont filtrées par la caractéristique de réponse en fréquence du détecteur et se présentent vis- à-vis du traitement électronique sous une forme d'onde voisine des impulsions produites par les illuminateurs laser. L'effet des sources électromagnétiques peut être réduit grâce à une conception appropriée (blindages, filtrages, suppressions des couplages gênants). Les sources de bruit aléatoires restent compatibles généralement avec le seuil maximal de détection IS1. Par contre, la génération spontanée d'impulsions au niveau du détecteur est prépondérante pour déterminer ensuite le taux de fausse alarme. 2 6 1 8 9 00 L'objet de la présente invention est la mise en oeuvre d'un procédé de traitement qui distingue les signaux impulsionnels d'origine photonique ou signaux utiles, des signaux parasites et notamment de ceux créés par les détecteurs eux-même. La discrimination de ces signaux parasites impulsionnels par la reconnaissance de forme ne peut être envisagée étant donné que les formes d'ondes sont voisines de celles des signaux utiles. Les différences de durée à observer, de l'ordre de quelques nanosecondes, impliquent la mise en oeuvre d'un traitement délicat. Enfin si le spectre des impulsions laser à considérer apparaissait toujours limité par le détecteur, cette observation expérimentale ne peut être généralisée dans l'absolu compte tenu des divers types de matériaux et de technologies des détecteurs. Le but de l'invention est de remédier à tous ces inconvénients en aménageant de façon particulière les voies optroniques de l'équipement. Selon l'invention, il est réalisé un système détecteur d'impulsions lumineuses comportant successivement: des moyens optiques de réception du rayonnement laser dans un champ total déterminé, ledit champ total.-étant couvert par-au moins une voie optique réceptrice et dans le cas de plusieurs voies optiques au moyen de champs élémentaires juxtaposes, des moyens de photodétection du rayonnement laser reçu dans le champ total par les moyens optiques, et des moyens de traitement des signaux détectés procédant par comparaison à une première sélection des signaux supérieurs à un seuil donné, le système étant caractérisé en ce que les moyens de photodétection comprennent pour chaque voie optique une paire d'éléments détecteurs pour former deux voies détectrices, et en ce que les moyens de traitement des signaux détectés par les éléments photodétecteurs permettent d'abaisser le taux de fausse alarme en ne sélectionnant ensuite que les signaux présents simultanément sur les deux voies détectrices de chaque paire considérée. Les particularités et avantages de l'invention apparaîtront dans la description qui suit donnée à titre d'exemple, à l'aide des figures annexées qui représentent: - Fig. 1, des courbes de variation du taux de fausse alarme en fonction du seuil dans un système non aménagé selon l'invention et dans un système équipé selon l'invention; - Fig.2, un bloc diagramme d'un système détecteur d'impulsions lumineuses conforme à l'invention dans sa version la plus simple comportant une seule voie optique; - Fig.3, des formes d'ondes des principaux signaux intervenant dans le fonctionnement du système selon la figure 2; - Fig.4, un schéma général montrant la disposition angulaire décalée de plusieurs voies optiques pour assurer une couverture de champ total utilisable par exemple pour la détection laser panoramique ou sectorale; - Fig.5, un premier mode de réalisation. d'un système de détection selon la figure 4 et conforme à l'invention; - Fig.6, un deuxième mode de réalisation d'un système de détection selon la figure 4 conforme à l'invention; - Fig. 7, un troisième mode de réalisation, préférentiel, d'un système selon la figure 4 et conforme a l'invention. En se rapportant à la figure 1, on note d'après la courbe C1 relative à un système non aménagé selon l'invention, un taux minimal de fausse alarme TF1 pour la valeur IS1 de seuil limitée pour des considérations de champ et sensibilité donnés. Avec les aménagements selon l'invention, la courbe C2 montre que pour une même valeur de seuil le taux de fausse alarme passe de la valeur TF1 à la valeur TF2 et présente ainsi une réduction importante. A titre d'exemple, pour un seuil IS1 de 1,5 microampères, le TFA passe de 10 à environ 0,002 (1 pour 500H). La valeur TF2 serait obtenue dans le cas précédent (courbe CI) pour la valeur de seuil IS2 bien supérieure à ISI et incompatible avec les caractéristiques de champ et de sensibilité envisagées. La version de base est représentee sur la figure 2 qui montre un système avec une seule voie optique 1. Cette voie optique est constituée avec une optique commune ou avec deux optiques similaires pour couvrir le même champ total 0. A cette voie optique de réception 1 est associé un dispositif détecteur 2 composé de deux éléments détecteurs, un premier élément détecteur Dl et un deuxième élément détecteur D2, pour constituer deux voies détectrices avec les circuits de traitement 3 en aval. Ces circuits de traitement comportent des circuits de détection 31 pour la voie I et 32 pour la voie 2 pour sélectionner les signaux délectés supérieurs à un seuil SD donné fournis par un générateur de seuil 4. Ies signaux S3 et S4 détectés par les deux voies sont corrélés dans un circuit corrélateur 33 dont la sortie S5 fournie le signal utile de détection. Cornme on peut s'en rendre compte à l'aide des courbes de la figure 3 n'apparaît un signal utile à la sortie S5 de - corrélation que si ce signal est déjà présent en sortie S3 et S4 des voies de détection, ce qui permet d'éliminer les impulsions parasites créées par les détecteurs euxmêmes. En effet, comme on l'a vu précédemment ces impulsions parasites IP ont une forme semblable à celle de l'impulsion utile IU mais par contre leur probabilité d'apparition simultanée sur les deux voies est quasiment nulle. En conséquence, ils sont éliminés par la fonction finale de corrélation en 33. Ainsi le fait de rajouter un deuxième détecteur D2 et une deuxième voie de détection 32 et de corréler les deux voies détectrices 31 et 32 permet d'éliminer les impulsions parasites gênantes et accroître considérablement le taux de fausse alarme de l'équipement. Le traitement effectué permet de détecter les rayonnements laser ou autres attendus avec une voie unique D1-31. En effet, dès que le courant photodétecté est supérieur à 26 1 8900 la valeur de seuil sur les deux voies, celles-ci, qui sont identiques, détectent simultanément. Le traitement établit une corrélation temporelle des deux impulsions IU et délivrent alors un signal S5 de détection vraie. Le traitement permet d'éliminer toute impulsion parasite créée au niveau d'un détecteur. L'apparition de ces signaux parasites est liée à des phénomènes mnicroëlectroniques propres à chaque détecteur. Leurs instants d'apparition sont donc complètement aléatoires et la probabilité d'une apparition simultanée sur les deux voies d'un tel signal parasite est quasiment nulle. La solution proposée permet finalement de s'affranchir de la source de fausse alarme la plus gênante et done d'obtenur une caractéristique C2 réduite comme l'indique la figure 1. Les voies de détection comportent, comme représenté, des circuits d'amplification 31A et 32A et un circuit de comparaison à seuil 31C, 32C. Les circuits d'amplification peuvent être constitués par un préamplificateur en série avec un amplificateur; la bande passante de ces circuits pouvant atteindre par exemple 40 MHz pour détecter des impulsions laser 2G de quelques nanosecondes. Les comparateurs 31C et 32C sont réalisés en technologie intégrée rapide et fournissent une sortie normalisée (forme d'onde S3 et S4 de la figure 3). En conséquence, le circuit de corrélation 33 peut être simplement constitué par une porte logique "ET" 33. Les détecteurs Dl et D2 sont des détecteurs au silicium par exemple. Le système de détection ainsi équipé peut produire la corrélation pour des courants de valeur crête supérieure ou égale à 300 nanoampères environ au niveau de chaque détecteur. Le TFA obtenu est aisément inférieur à 0,002. La bande passante choisie pour les amplificateurs est égale à la bande spectrale des impulsions laser à recevoir les plus étroites (de l'ordre de 15 nanosecondes par exemple) et à la bande passante propre au détecteur. Le système présente ainsi une sensibilité maximale et une efficacité maximale du traitement par corrélation. Les impulsions parasites ont alors une largeur minimale, ce qui permet de réduire le TFA vrai. L'invention s'applique en particulier à tous les secteurs d'alerte laser comportant une ou plusieurs voies optroniques, ces voies pouvant être utilisées pour la détection panoramique et éventuellement pour la localisation des impulsions laser incidentes. La figure 4 rappelle la configuration à plusieurs voies optiques pour couvrir le champ total e sous forme de champs élémentaires successifs 01, 2,...eJ,.... N. Généra- lement les voies optiques sont identiques et les champs élémentaires égaux, les axes optiques étant décalés de l'incrément e/N de l'un au suivant. Cette configuration est utilisée par exemple pour asurer une couverture panoramique ou sectorale en gisement dans un équipement détecteur d'alerte laser. Conformément à l'invention, chacune des voies comporte deux détecteurs D1J et D2J pour la voie J par exemple. Les détecteurs sont reliés à l'ensemble électronique de traitement 3 qui peut être réalisé sous divers formes dont trois modes possibles vont être décrits dans ee qui suit. 2G Suivant le premier mode de réalisation figure 5, la cellule de base se retrouve dans le circuit de traitement 30A avec en plus deux sommateurs 34 et 35 qui reçoivent l'un les sorties des N détecteurs D1.1 à D1.N correspondant à la première voie détectrice et le deuxième sommateur 35 aux sorties du deuxième élément de chaque paire de détecteurs c'est-àdire les détecteurs D2.1 à D2.N voies optiques. La sortie S5 correspond bien au signal utile validé mais ne fourhit pas dans ce montage l'information de voie, c'est-à-dire la direction de l'émetteur à E/N près. En conséquence, les circuits de traitement sont complétés par N voles détectrices issues chacune d'une paire de détecteurs connectés en parallèle. Ces N voles comportent les amplificateurs 41.1 à 41.N. Ces amplificateurs sont suivis de circuits mémoire crête 42.1 à 42.N. commandés par la sortie du signal utile validé S5 c'est-à-dire le passage à 1 de cette sortie; leur contenu est transféré à un circuit de localisation de voie 43 qui sélectionne la voie optronique dans laquelle est détecté le signal de plus fort niveau. Le circuit 43 peut être réalisé de diverses façons connues. Suivant le deuxième mode de réalisation figure 6, le système comporte N voles optiques et 2N voies de détection. Chaque voie de détection comporte en aval des détecteurs les amplificateurs 31A et 32A. Ces amplificateurs sont suivis d'un circuit mémoire crête 42.1 à 42.2N. Un ensemble électronique 30B comportant un sommateur 36 alimenté par les 2N sorties des O10 détecteurs et connecté en série avec un amplificateur 37A suivi d'un comparateur à seuil 38C le signal S10 délivré par cet ensemble est appliqué d'une part au circut mémoire crête 42 ainsi qu'une unité 30C de traitement par corrélation conformément à l'invention. Dans cette unité de traitement les signaux S3.J et S4.J de chaque paire de détecteurs sont corrélés et fournissent la détection vraie lorsqu'il s'agit du signal utile présent simultanément sur chaque voie détectrice de la voie optique de rang J considérée. Le circuit de traitement 30C peut être constitué d'une batterie de corrélateurs après mise en forme du signal, ou de manière préférentielle, comme indiqué, avec un circuit de conversion analogique-numérique 50 suivi d'un circuit processeur 51 qui effectue les traitements de fausse alarme par corrélation en comparant les signaux S3.J et S4.J entre eux pour les N voies. Il y a lieu de remarquer que le circuit processeur peut effectuer en même temps le traitement de localisation étant donné qu'il détient l'information d'amplitude du signal après la conversion numérique en 50 et qu'il possède également l'information origine du signal c'est-à- dire de quelle vole il émane. En conséquence dans cette forme de réalisation la sortie S5 valide le signal utile et peut comporter également l'information de voie c'est-à-dire -la direction du champ élémentaire eJ suivant lequel a été reçu le signal détecté. Suivant le troisième mode de réalisation figure 7, on obtient ici encore un signal de sortie S5 qui comporte à la fois 2618 9 0 0 la sélection du signal utile avec élimination des impulsions parasites et l'information de la voie optique d'oỉ provient ce signal. Suivant cette réalisation, le nombre d'amplificateurs 39.1 à 39.N et le nombre de circuits mémoires crête 42.1 à 42.N est égal à N et donc divisé par deux, ce qui accroît la compacité du matériel. Les N voies détectrices sont issues comme représenté d'un couple d'éléments détecteurs mais relatifs l'un à une voie optique 1. J et l'autre à la voie optique suivante 1.(J+1) . Ceci est obtenu avec les circuits sommateurs 45.1 et 45.N. Les sorties détectées S34.1 à S34.N sont appliquées comme précédemment à une circuit 30C de traitement par corrélation. La réalisation figure 6 comparée à celle de la figure présente l'avantage de ne pas être critique au couplage entre voies; par contre, elle est plus complexe si le nombre de voies N est important. Pour les deux dernières réalisations selon la figure 6 et 7 il peut être intéressant d'utiliser pour chaque voie deux détecteurs intégrés dans un même boîtier, par exemple bi-cellule. La dernière version figure 7 plus simple est plus compacte et préférentielle. REVENDICATIONS 1. Système détecteur d'impulsions lumineuses, comportant successivement: des moyens optiques de réception dudit rayonnement dans un champ total déterminé, ledit champ total étant couvert par au moins une voie optique réceptrice et dans le cas de plusieurs voies optiques par des champs élémentaires juxtaposés, des moyens de photodétection du rayonnement reçu dans le champ total par les moyens optiques, et des moyens de traitement des signaux détectés procédant à la sélection des signaux supérieurs A un seuil donné, ledit système I0 étant caractérisé en ce que les moyens de photodétection (2) comprennent pour chaque voie optique (1) une paire d'éléments détecteurs (D1,D2) pour former deux voies détectrices (31,32) et en ce que les moyens de traitement (3) produisent la sélection ultérieure pour ehaque paire d'élément détecteur des signaux présents simultanément sur les deux voies détectrices correspondantes. 2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite sélection ultérieure est obtenue par corrélation, lesdits moyens de traitement (3) comportant des moyens de comparaison à un seuil (31C,32C) suivis de moyens de corrélation (33). 3. Système selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens de corrélation (33) sont constitués par un circuit logique (33L) porte "ET" recevant les sorties de deux voies détectrices (31,32) après comparaison au seuil et validant la détection d'un signal utile (S5). 4. Système selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens de corrélation (33) sont constitués par un circuit convertisseur analogiquenumérique (50) et un circuit processeur (51) pour traiter les données numériques obtenues et produire lesdites sélections. 2618 9 0 0 5. Système selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérise en ce qu'il comporte N voies optiques (1.1 à 1.N) et 2N détecteurs (DIA. à Dl.N, D2.1 à D2.N), un premier détecteur de chaque paire de détecteurs étant connecté à un premier circuit sommateur (34), le deuxième détecteur de chaque paire de détecteur étant détecté à un deuxième sommateur (35), les sorties des deux circuits sommateurs étant connectés auxdIts circuits de comparaison à seuil (31C,32C) dudit circuit de corrélation (33), les détecteurs de chaque paire étant connectés IO en parallèle pour former en outre N voies détectrices comportant chacune un circuit mémoire crête (42.1 ià 42. N) commandé par la sortie (S5) du circuit de corrélation et raccordé à un circuit (43) de localisation de la voie qui reçoit le flux maximal. 6. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comporte N voies optiques (1.1 à 1.N) et 2N détecteurs (DM.1 à D1.N, D2.1 à D2.N) pour former 2N voies détectrices ayant chacune un circuit mémoire crête (42.1 à 42.N) connecté audit circuit de corrélation 30C, lesdits détecteurs étant par ailleurs connectés à un sommateur (36) suivi dudit circuit comparateur à seuil (38. C) dont la sortie est transmise au circuit mémoire crête et au circuit de corrélation. 7. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comporte N voies optiques (1.1 à L.N) et 2N détecteurs (Di.1 à D1.N, D2.1,à D2.N,) le deuxième détecteur d'une voie optique et le premier détecteur de la voie suivante étant connectés à un sommateur (45.1 à 45.N) pour produire N voies détectrices ayant chacune un circuit mémoire crête (42.1 ià 42. N) connecté audit circuit de corrélation (30C), lesdits détecteurs étant par ailleurs connectés à un circuit sommateur (36) suivi dudit circuit comparateur à seuil (38C) dont la sortie est transmise aux circuits mémoire crête et au circuit de corrélation. 8. Système selon l'un des ensembles de revendications 4 et 6, 4 et 7, caractérisé en ce que le circuit de corrélation (30C) fournit également la localisation de voles ayant reçu le flux maximal. 9. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ee que la valeur du courant détecté par les détecteurs peut dépasser 300 nanoampères pour détecter des impulsions de valeur de durée minimale à mi-hauteur d'environ 15 nanosecondes et obtenir un taux de fausse alarme Inférieur à 0,002. 10. Système selon]'une quelconque des revendications 1 à 9 utilisé pour la détection d'alerte illuminateurs laser à impulsions.