Brevet FR2617591A1 — publié le 19890106

DisPositif de détection oPtique à suPerPosition de chamPs de visée L'invention a pour objet un dispositif de détection optique à superposition de champs objet éloignés, comprenant un interface optique semi-réfléchissant et un détecteur matriciel de vision d'un des champs par transmission à travers l'interface et de l'autre champ par réflexion sur l'interface. Elle trouve une application importante sur les satellites dont il est nécessaire de déterminer de façon précise l'attitude suivant trois axes, ce qui implique de viser simultanément deux champs d'étoiles dont l'écart angulaire est fréquemment compris entre 60' et 120'.On sait en effet que le principe des visées d'étoiles et la grande précision des détecteurs actuels sont des avantages certains par rapport aux capteurs d'horizon terrestre donnant une information sur deux axes uniquement, avec une précision insuffisante pour certaines applications. On connait déjà des dispositifs du type cidessus défini constitués par une structure intégrée et invariable, ayant un tube dissecteur d'images et/ou un interface optique mélangeur de faisceaux, à prismes ou à miroirs semi-réfléchissants. Ces dispositifs connus ne permettent pas d'assurer une redondance limitant les risques que le système soit rendu inopérant par une panne. Au surplus, ces dispositifs existants impliquent de redessiner complètement le système pour chaque nouvelle application. L'invention vise à fournir un dispositif optique répondant mieux que ceux antérieurement connus aux exigences de la pratique, notamment en ce qu'il permet d'assurer de façon simple une redondance de tous les éléments sensibles et présente une modularité autorisant une adaptation à des besoins particuliers par simple changement de certains composants. Dans ce but, l'invention propose notamment un dispositif de détection optique à superposition de champs de visée comprenant un interface optique semiréfléchissant et un détecteur matriciel de vision d'un des champs par transmission à travers l'interface et de l'autre champ par réflexion sur l'interface, caractérisé en ce qu'il comporte un boitier muni d'un support interne de fixation d'un organe optique à surface plane semi-réfléchissante dans une position angulaire ajustable à proximité d'un plan de symétrie, boîtier percé d'ouvertures de montage de détecteurs matriciels de part et d'autre du plan de symétrie et d' ouvertures de passage de la lumière incidente, munies de guides délimitant les champs. t'organe optique peut être constitué par une lame à faces parallèles munie d'un revêtement semiréfléchissant, constitué généralement par un filtre interférentiel adapté au spectre d'observation, de type multi-couches multi-épaisseurs. On peut également adopter un interface constitué par un jeu de deux prismes accolés sur une couche semi-transparente. La seconde solution présente l'inconvénient d'être plus encombrante. Mais elle permet, en choisissant l'angle au sommet des prismes de façon à obtenir une incidence quasi normale des rayons lumineux, d'accepter des incidences beaucoup plus rasantes sur la couche semi-transparente. En général, on réalisera l'interface de façon que son coefficient de réflexion soit sensiblement égal au coefficient de transmission, l'un et l'autre pouvant être proches de 50% car les pertes sont faibles. Les détecteurs seront généralement identiques, l'un constituant le détecteur nominal et l'autre étant disponible en secours. Les caractéristiques de filtrage spectral de ces détecteurs peuvent être déterminées en fonction de l'application, sans que la constitution générale du dispositif y apporte des limites. Il n'est pas non plus nécessaire que la transmission ou la réflexion soit linéaire, dans la mesure où la loi de variation est connue, aussi bien en fonction de 1 'orien- tation que de la longueur d'onde et du temps, ou peut être déterminée. Lorsque, ce qui sera le cas le plus fréquent, le dispositif est utilisé dans l'espace, il est souhaitable d'éviter toute pièce mobile afin d'éliminer les problèmes de fiabilité des mécanismes, de synchtnisation et de limitation en fréquence des mesures. L'ensemble interface et détecteur est donc rigide. On utilisera des détecteurs de type matriciel associés à un système d'acquisition et de traitement des mesures. La compensation des défauts de linéarité éventuelle peut être faite au niveau des détecteurs ou par le calcul. Grâce à la symétrie de l'ensemble du dispositif par rapport à l'interface optique, on obtient la même propriété de superposition des champs pour les deux détecteurs, donc une redondance totale du système, à l'interface optique commun près. En général, la fiabilité de l'interface optique est suffisante pour qu'aucune redondance de cet interface ne soit nécessaire. Il est cependant possible de l'assurer en prévoyant deux surfaces semi-réfléchissantes, avec un seul demi-champ par surface. On voit que le châssis constitue une structure rigide permettant de garantir la stabilité de positionnement relative de l'interface optique, des détecteurs et des guides. La discrimination des deux champs n'est pas assurée par la partie optique elle-meme. Mais on sait effectuer cette discrimination par le calcul, chaque fois que les configurations à reconnaître sont connues, ce qui est par exemple le cas des constellations : dans le cas de l'application de l'invention à un dispositif de mesure d'attitude de satellite, le système d'acquisition de mesure comporte un catalogue d'étoiles en mémoire morte, regroupant habituellement les caractéristiques de cent à deux cents étoiles, notamment leurs coordonnées absolues et leurs magnitudes. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit de modes particuliers de réalisation, donnés à titre d'exemples non limitatifs. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels - la Figure 1 est un schéma de principe d'un dispositif de détection suivant l'invention, représenté en coupe suivant le plan des directions de visée - la Figure 2 montre schématiquement la scène vue par un détecteur après superposition des champs de visée - la Figure 3, similaire à une fraction de la Figure 1, montre une variante de réalisation. Le dispositif comprend une partie optique et un système d'acquisition et de traitement de mesure. La partie optique montrée à titre d'exemple en Figure 1 comprend un boîtier 10 constituant châssis et maintenant les différents composants dans une position déterminée et invariable. Ce boîtier a une forme sensiblement symétrique et présente, dans son plan médian, un dispositif support 12 de réception d'un organe semi-transparent 14 qui, dans le cas illustré, est une lame mince en matériau transparent pour la plage de longueur d'ondes d'observation, portant un revêtement multi-couches multi-indices constituant filtre interférentiel, avec des coefficients de transmission et de réflexion sensiblement égaux et proches de 50%. Ce dispositif 12 est fixé solidairement au boîtier 10. La figure 1 présente l'exemple d'un barillet dont les fixations au boîtier sont rigides de part et d'autre de la vue en coupe (non représentée). Pour permettre un réglage précis d'orientation de l'organe semi-transparent, dont la surface optique sera cependant toujours très peu inclinée sur le plan médian, la lame peut être fixée dans une monture qu'un outillage utilisant des vis (non représentées) permet de déplacer légèrement par rapport au dispositif de fixation 12. Des cales d'ajustement permettent de garantir par la suite la stabilité de positionnement de la lame. Des fenêtres latérales 16 sont avantageusement prévues pour permettre un contrôle optique d'orientation de l'organe 14. Le boîtier 10 est prévu pour recevoir, autour de deux autres ouvertures 18] les brides de fixation de deux guides de lumière 20 en forme de cornets, destinés à réduire la lumière parasite qui atteint le détecteur, notamment la lumière en provenance du Soleil. La forme de ces guides sera choisie en fonction de la mission. Ils doivent laisser pénétrer la lumière en provenance d'un champ d'observation prédéterminé en excluant les sources indésirables, telles que les planètes, et en atténuant la lumière solaire. Les guides peuvent en conséquence être différents tant dans leur section que dans leur longueur. Du fait de leur mode de montage, un même type de boîtier 10 peut recevoir des guides différents, adaptés à des missions diverses. Deux ouvertures 22 sont ménagées dans le boîtier 10 à des emplacements tels qu'un détecteur 24 monté dans une des ouvertures observe les champs délimités par les guides 20, l'un par transparence et l'autre par réflexion. La possibilité de monter deux détecteurs dans des conditions de travail très similaires de par la grande modularité du concept assure une redondance aisée du système de détection. Les deux champs de visée convergent vers l'interface optique. La surface semi-réfléchissante de l'organe 14 est placée de façon que la perpendiculaire à cette surface soit normale au plan médian et toujours dans le plan des directions de visée 26. On définit ainsi le plan de symétrie de l'interface optique comme étant un plan médian. Les réflexions, réfractions et transmissions en dehors du plan défini par les directions de visée 26 ne peuvent être dues qu'à une perturbation ou une imperfection. Grâce à la symétrie, la même superposition de champs est obtenue pour les deux détecteurs 24, la direction de visée par transmission d'un des détecteurs colncidant avec la direction de visée par réflexion de l'autre. Les deux détecteurs 24 sont montés depuis l'extérieur et donc aisément remplaçables. On utilisera en général, du moins pour l'application au domaine spatial, des détecteurs à matrice de capteurs à couplage de charge, du type fréquemment dénommé DTC. De tels détecteurs existent dans l-e commerce de sorte qu'il n'est pas nécessaire de les décrire ici. Les systèmes d'acquisition et de traitement 25 associés à chaque détecteur 24 permettant de déterminer la position des étoiles vues sont reliés à un circuit 28 à microprocesseur. Dans le cas de l'application du dispositif à la détermination de l'attitude d'un satellite par observation de deux champs d'étoiles, on sera fréquemment amené à adopter un écart angulaire 2 n des deux axes de visée dans le plan d'observation allant de 60 à 120- et les champs angulaires dé chacun des détecteurs seront faibles, par exemple d'environ 6". Une mémoire morte 30 associée au circuit de calcul 28 comportera un catalogue d'étoiles, regroupant de cent à deux cents étoiles et le circuit de calcul permettra de retenir les étoiles appropriées par un processus de reconnaissance de forme des constellations.Les unités 28 et 30 peuvent être confondues avec les systèmes 25, bien que la solution nominale retenue soit de les inclure dans le calculateur de bord et de les rendre communes aux deux systèmes 25. Dans la pratique, les détecteurs doivent être capables de détecter des niveaux d'éclairement très faibles, correspondant à une magnitude de 6 environ. Si on utilise un interface 14 ayant des coefficients de réflexion et de transmission proches de 50%, la perte de magnitude due à l'interface n'excède pas 0,8 magnitude visuelle. De telles pertes sont compatibles avec l'utilisation des détecteurs actuellement utilisés dans les viseurs d'étoile sur satellite. Lorsque les deux détecteurs 24 ont le même champ, par exemple celui indiqué en 32 sur la Figure 2, le circuit d'acquisition et de mesure 28 peut être prévu de façon à effectuer un début de discrimination par sélection de deux champs d'observation, indiqués en 34 et 36, ce qui facilite l'identification des étoiles correspondant à chaque champ de visée. L'interface constitué par une lame mince munie d'un revêtement semi-réfléchissant montré en Figure 1 présente l'inconvénient de provoquer des reflets parasites aux incidences rasantes, pour des valeurs de n inférieures à 30 environ. Bien que les reflets puissent etre réduits par des couches superficielles appropriées, il peut être avantageux d'utiliser, au lieu d'une lame mince, un interface du genre montré en Figure 3. Sur la Figure 3, l'interface 14a est constitué par deux prismes accolés 38 entre lesquels est placé le revetement semiréfléchissant. Les prismes 38 sont taillés de façon à recevoir le rayonnement provenant des guides 20 sous incidence pratiquement normale. En contrepartie, l'interface de la Figure 3 est plus encombrant que celui de la Figure 1. REVENDICATIONS 1. Dispositif de détection optique à superposition de champs de visée, comprenant un interface optique semi-réfléchissant et un détecteur matriciel de vision d'un des champs par transmission å travers l'in- terface et de l'autre champ par réflexion sur l'inter- face, caractérisé en ce qu'il comporte un boîtier (10) muni d'un support interne (12) de fixation d'un organe optique à surface plane semi-réfléchissante dans une position angulaire ajustable à proximité d'un plan de symétrie, boîtier percé d'ouvertures de montage de détecteurs matriciels t24) de part et d'autre du plan de symétrie et d'ouvertures (18) de passage de la lumière incidente munies de guides (20) délimitant les champs de visée. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les axes des détecteurs défi niassent un plan qui contient la normale à la surface semi-réfléchissante. 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ledit organe optique est constitué par une lame mince (14) portant un revêtement semitransparent ou par un jeu de deux prismes (38) accolés, taillés de façon à recevoir la lumière sous incidence normale et accolés par l'intermédiaire d'une surface semi-réfléchissante. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la surface semi-réfléchissante pressente des coefficients de transmission et de réflexion sensiblement égaux et proches de 50%. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en. ce que l'angle (29) entre les axes des champs est compris entre 60 et 1200. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les deux détecteurs (24) et leurs sytèmes d'acquisition et de traitement (25) sont associés à un circuit d'acquisition et de calcul (28) permettant de discriminer les champs.