Brevet FR2634903A1 — publié le 19900202

L'invention concerne un dispositif radar fonctionnant sur une longueur d'onde du domaine de l'optique, notamment de l'infrarouge. Elle concerne plus particulièrement la partie as- surant le balayage optique selon deux directions du champ du dis- positif, ainsi que l'émission et la réception de l'énergie de sondage. Un dispositif de balayage optique et de visualisation de scènes et objets perçus, par exemple, selon un rayonnement infrarouge, a fait l'objet de la part de la demanderesse d'une demande de brevet principal déposée le 7 Février 1975, sous le numéro 75 03 923, laquelle demande de brevet a été suivie de quatre demandes de certificats d'addition A savoir - le ler certificat déposé le 14 Décembre 1976, sous le numéro 76 37 685. - le 2ème certificat déposé le 14 Décembre 1976, sous le numéro 76 37 686. - le 3ème certificat déposé le 26 Janvier 1977, sous le numéro 77 02 161. - le 4ème certificat déposé le 6 Novembre 1978, sous le numéro 78 31 352. Selon ce dispositif, le champ balayé est vu A travers un objectif optique, le balayage s'effectuant suivant deux direc- tions perpendiculaires. L'une de ces directions y, dite trame, forme un plan P avec l'axe optique de l'objectif. L'autre direc- tion x, dite ligne, est perpendiculaire au plan P. Les moyens de balayage trame sont constitués d'un miroir plan tournant d'un mouvement alternatif autour d'un axe parallèle A la direction x et placé en faisceau convergent derrière l'objectif près de l'i- mage du champ dans ledit objectif. Les moyens de balayage ligne comprennent, d'une part, un tambour en rotation uniforme autour d'un axe yy' contenu dans le plan P et portant un grand nombre de faces planes réfléchissantes, régulièrement distribuées sur le pourtour dudit tambour et, d'autre part, un système de trans- port d'image-sym&trique par rapport audit plan P formant une image d'un détecteur de rayonnement en un point A' du plan P, ledit tambour étant placé en faisceau convergent dans le traJet dudit système de transport du côté image de l'élément sensible, le symétrique dudit point A' par rapport A chaque face du tambour lorsque ladite face est perpendiculaire au plan P étant 2 2634903 en un point D situé au voisinage immédiat du symétrique du foyer de l'objectif par rapport au miroir de trame en position paral- lèle A YY'. Le dispositif est muni d'un système optique de ra- battement des faisceaux du système de balayage trame vers le système de balayage ligne, constitué d'un miroir concave, dit de champ, admettant le plan P comme plan de symétrie et dont le sommet est placé sensiblement au point D. Ce miroir est déter- miné pour qu'il conjugue, en liaison avec le miroir de trame, le centre O de la pupille de sortie de l'objectif avec un point fixe C du plan P qui est le centre de la pupille d'entrée des moyens de balayage ligne, de manière A assurer la convergence sur le détecteur de tout faisceau s'appuyant sur la pupille de sortie de l'objectif. Pour maintenir cette conjugaison au cours du balayage trame, ce-miroir de champ est animé, au besoin, d'un mouvement alternatif de petite amplitude en phase avec le mouvement des moyens de balayage tramez Par ailleurs, pour assurer la nullité du temps mort de balayage entre deux lignes consécu- tives, la largeur du miroir de champ dans le sens x est légère- ment inférieure A la longueur de la ligne analysée, elle-même égale à la distance entre les images du détecteur dans deux faces consécutives du tambour tournant. La visualisation directe de la scène s'effectue en mettant en oeuvre une diode électroluminescente commandée par le signal issu du détecteur. Selon une variante du dispositif cette diode est placée dans une position symétrique du détecteur par rapport A un premier miroir dichroIque, transparent A la lumière d'analyse, mais réfléchissant par contre la lumière issue de la diode, laquelle lumière suit ensuite, en chemin inverse, le mSme trajet optique que la lumière d'analyse A travers les sys- tèmes de balayage ligne et trame, l'image se formant finalement dans une direction différente de celle de l'axe optique de l'ob- jectif, grace à un second miroir dichrolque identique au premier et placé en faisceau convergent derrière l'objectif. Moyennant de légères modifications, ce dispositif pour- rait fonctionner en radar laser. A cet effet, d'une part, la diode électroluminescente commandée par le détecteur pourrait être remplacée par une diode laser émettant un rayonnement pulsé, infrarouge par exemple, indépendant du détecteur, d'autre part, le premier miroir dichrolque ferait place A une lame semitrans- 3 2634903 parente, le second miroir dichrolque étant supprimé. Le détecteur recevrait alors l'écho sur un obstacle du rayonnement émis par la source pulsée, les voies aller et retour fonctionnant à la même longueur d'onde. Le dispositif ainsi modifié présente des inconvénients ayant trait A des difficultés de fonctionnement et A des perfor- mances insuffisantes pour détecter des obstacles offrant de faibles surfacesde réflexion, tels par exemple des cables de transport d'énergie électrique. Une premiè&re cause de ces inconvénients provient du fait que la lame semitransparente fait perdre la moitié de l'é- nergie de rayonnement émise et la moitié de l'énergie revue de l'obstacle. Une deuxième cause provient de la limitation de l'in- tensité énergétique de la diode laser (puissance par unité d'angle solide) par l'encombrement admissible du dispositif optique. En effet, si F et D sont respectivement la distance focale du dis- positif et le diamètre de sa pupille et si. et X représentent respectivement la longueur de la diode et l'ouverture de son dia- gramme de ra onnement, la largeur du pinceau émis par la diode vaut5 -It:e. Il faut donc augmenter F pour augmenter l'in- tensité énergétique. Mais comme l'ouverture vaut = - il faut corrélativement augmenter D. L'emploi d'artifices tendant A ré- duire 4 augmente la dimension de la source si bien qu'il s'agit là d'une limitation de principe de ladite intensité énergétique. Une troisième cause provient de ce qu'en réalité la largeur du pinceau d'émission et de réception d'énergie se trouve être va- riable au cours du balayage d'une ligne du fait que la largeur du miroir de champ du dispositif est sensiblement égal à la longueur de la ligne analysée et que le pinceau se trouve être diaphragmé d'une manière variable, A tout instant, par chaque face de tambour. Il en résulte, pour de mêmes obstacles A détecter, des échos d'é- hergies différentes, aptes A introduire des erreurs d'interpré- tation de ces échos. Selon l'invention, il est apporté au dispositif de l'art antérieur précédemment décrit ou de celui qui s'en déduit de façon évidente, des modifications profondes de telle sorte A faire dis- paraltre les inconvénients indiqués. Une première modification consiste, touteschoses égales par ailleurs, à diminuer le nombre de faces réfléchissantes du tambour tournant, celui-ci étant divisé par deux par exemple. La largeur des pinceaux de rayons issus de chaque point de ligne d'anaiyse et réfléchi par une face du tambour tournant, se trouve être doublée. Par ailleurs, il existe un temps mort entre le balayage d'une ligne à une autre et lesdits pinceaux présentent, au cours du balayage d'une ligne, une même portion commune. C'est dans cette portion commune, après focalisation des pinceaux sur le détecteur, qu'est injectée, en trajet inverse, l'énergie de sondage. Pour ce faire, une deuxième modification consiste à remplacer la lame semitransparente par un miroir percé d'un ori- fice dont le contour s'appuie sur la portion de faisceau commune aux pinceaux. De ce fait, il n'y a plus de perte d'énergie A l'émission, tandis qu'A la réception, seule est perdue une faible partie A travers l'orifice du miroir (25 % environ). Une troisième modification et amélioration est apportée dans la nature et la conception de la source d'émission d'énergie, dans le but de lui conférer une forte intensité énergétique rayonnée A cette fin, la diode laser symétrique du récepteur par rapport au miroir percé est remplacéepar les images superposées en nombre N de N diodes laser grâce à un N transports d'images, ces transports étant agencés de telle sorte que la source d'émission ainsi cons- tituée ait un diagramme de rayonnement de même ouverture & que celui de chaque diode laser et que l'émission soit dirigée vers l'orifice du miroir. L'invention sera mieux comprise A l'aide de la des- cription suivante d'un mode de réalisation donné A titre d'exemple, ladite description étant accompagnée de dessins qui représentent: - figure 1: une vue d'ensemble du dispositif en pro- jection parallèlement A la direction de balayage ligne. - figure 2: une vue d'ensemble du dispositif en pro- jection parallèlement A l'axe optique du dispositif. - figure 3: une vue du système de balayage ligne en projection parallèlement A l'axe du tambour tournant pour une première position de celui-cl. - figure 4: une vue du système de balayage ligne en projection parallèlement A l'axe du tambour tournant pour une seconde et une troisième positionade celui-ci. L'invention reprend du point de vue structure générale du dispositif celle, déjA rappelée, des dispositifs de l'art antérieur- cité. La figure 1 représente schématiquement le dispositif de l'invention en projection perpendiculaire sur le plan de la feuille parallèlement à la direction de balayage ligne. On re- trouve sur le schéma des éléments de l'art antérieur cité, A savoir l'objectif 11 d'axe optique 12, le miroir 13 dit de trame, le tambour tournant à faces réfléchissantes 14 assurant le ba- layage ligne, le miroir de champ 15. Le miroir de trame 13 assure le balayage du champ dans une direction y parallèle au plan de la figure. Il est mobile autour de l'axe 16 parallèle à la di- rection x de balayage ligne perpendiculaire au plan de la figure. Le tambour 14 est mobile autour de l'axe 17 parallèle au plan de la figure. Les faisceaux issus du champ analysé, tel le faisceau moyen 18 d'axe 12 sont focalisés sur le miroir de champ 15, lequel rabat les faisceaux vers les moyens de balayage ligne cons- tituée en particulier du tambour A faces réfléchissantes 14, lesdits faisceaux venant converger finalement sur un détecteur dont on forme un transport d'image en A', les moyens de ce trans- port d'image étant explicités ultérieurement, après l'introduc- tion de la figure 2. Sur la figure 2 le dispositif est représenté en pro- jection perpendiculaire sur le plan de la feuille parallèlement à l'axe optique 12. On retrouve sur cette figure les éléments de la figure 1 avec les mames numéros, A savoir l'objectif 11 sous -25 forme d'un cercle, le miroir 13 sous forme d'un rectangle avec son axe 16, le tambour tournant 14 schématisé sous forme d'un polygones, le miroir de champ 15 sous forme d'un arc de courbe, le faisceau 18 représenté par sa section par le miroir de trame 13. Compte tenu de la position de la face 34 du tambour tournant per- pendiculaire au plan de la figure 1, ce faisceau converge en F o au milieu de l'arc de courbe 15 qui représente une ligne balayée au cours de la rotation du tambour tournant. Le détecteur est placé en A. L'ensemble constitué par le miroir plan 20 et l'élé- ment convergent 19 effectue un transport d'image de ce détecteur en A'. Le miroir 20 comporte un orifice 21 de telle sorte A pouvoir envoyer dans le dispositif un rayonnement pulsé en trajet inverse de celui du faisceau d'analyse de l'écho dudit rayonne- ment pulsé. Sur la figure 1, le miroir 20 apparaet sous la forme d'un rectangle et l'orifice 21 par son contour situé A l'in- térieur de la section, également représentée, du faisceau 18 par le plan dudit miroir 20. Le rayonnement pulsé est émis par la sour- ce E, construit A partir de diodes de faible angle d'émission, dio- des laser par exemple, comme indiqué ultérieurement. Le faisceau envoyé par la source E est le faisceau 22 s'appuyant sur l'orifice 21. Sur la figure 2 est représentée la section de ce faisceau par le plan du miroir 13, laquelle section se trouve à l'intérieur de la section du faisceau d'analyse 18 par le même miroir. Les détails de construction de la source E apparaissent sur la partie gauche des figures 1 et 2. Sont superposées en E les images en nombre N de N diodes identiques, grâce A N transports d'image, tout en con- servant au point E la largeur du diagramme de rayonnement élé- mentaire des diodes. La surface émissive de chaque diode A la for- me d'une fente rectangulaire dont des ordres de grandeur de dimen- sions sont par exemple 100 pm pour la longueur et 2 oin pour la largeur J, & étant de l'ordre de 15e dans les deux directions du rectangle. Sur les figures 1 et 2 ces diodes sont au nombre de 4 et portent les numéros 23, 24, 25, 26.Elles sont disposées de telle sorte que la longueur des fentes soit parallèle A la direction li- gne. Chaque transport d'image utilise une lentille convergente cy- lindrique associée A chaque diode et une autre lentille également cylindrique qui est commune aux N transports d'image. Sur les fi- gures 1 et 2 les lentilles associées A chaque diode sont les len- tilles cylindriques respectivement 27, 28, 29, 30, dont les géné- ratrices de cylindre sont perpendiculaires au plan de la figure 1 et parallèles au plan de la figure 2 et dont les axes joignent cha- que diode au point E. Sur cette figure 2 ces lentilles apparaissent confondues sous forme d'une lame à faces parallèles. La lentille commune est la lentille 31 dont les génératrices de cylindre sont perpendiculaires au plan de la figure 2 et parallèles au plan de la figure 1 et dont l'axe est confondu avec l'axe de tout le sys- tème. Sur cette figure la lentille est représentée sous la forme d'une lame A faces parallèles. Du fait de l'emploi de ces optiques cylindriques, la source E est rectangulaire. Le grossissement de la lentille 31 est par exemple 1, si bien que la longueur de cette source se trouve être égale A fet que l'ouverture du diagramme de rayonnement dans un plan perpendiculaire à cette longueur est àf. Par contre, en choisissant le grossissement des N lentilles égal à N au point E pour chaque source élfentaire la largeur devient N et l'ouverture du pinceau d Il s'ensuit que la source résultante E se trouve avoir une largeur N ú et, par addition, des ouvertures élémentaires, une ouverture do faisceau égale à & perpendiculairement à cette largeur. En pratique, on peut obtenir des valeurs de ú et N t comparables en choisissant N de l'ordre de quelques dizaines et la source ainsi construite se trouve avoir une forte intensité énergétique quasi isotrope dans son diagramme d'émission. Sur les figures 3 et 4 on a représenté en projection sur un plan perpendiculaire à l'axe 17 du tambour tournant le système de balayage ligne et son fonctionnement. A' est l'image du détecteur donné par le système de transport d'image décrit précédemment. Le tambour tournant est représenté sous forme du polygone 14. La ligne décrite par l'image du foyer de l'objectif, située sensiblement sur le miroir de champ, est portée par l'arc de courbe 32. 33 et 34 sont deux faces réfléchissantes du tambour tournant, lequel tourne dans le sens de la flèche 35. F est le o point milieu de la ligne analysée, la face 34 étant alors perpen- diculaire à F A'. Le faisceau focalisé sur le détecteur est en o projection le faisceau d'angle 0o. Lorsque le tambour tourne dans le sens de la flèche 35, la face 34 se déplace de 34 à 34', le point de ligne analysé se déplaçant de F à l'extrémité F2 de la ligne, laquelle extrémité est fixée par la largeur du miroir de champ. Le faisceau focalisé sur le détecteur est alors celui d'angle 2 égal à o Le nombre de faces du tambour tournant (ou encore la largeur de chaque face), est tel que, lorsque l'image du détecteur dans la face 34, en position 34', a terminé le ba- layage de la ligne en F2, l'image du détecteur dans la face sui- vante 33, en position 33', ne commencera pas le balayage de la ligne en F. Il faut attendre que la face 33 soit parvenue en po- sition 33" perpendiculaire à F1 A', le faisceau focalisé sur le détecteur étant alors celui d'angle égal à et y Lors du balayage, les faisceaux focalisés ont pour partie commune la partie hachurée qui correspond au faisceau 22 des figures 1 et 2 dans lequel est émis en trajet inverse l'énergie issue de la source E. Selon une variante du dispositif, les situations du dé- tecteur en A et de la source d'émission en E sont échangées tandis que le miroir 20 est remplacé par un autre petit miroir ayant les dimensions et situation de l'orifice 21, cet autre miroir assu- rant le transport de l'énergie de sondage selon le faisceau 22, alors que le faisceau 18 (non compris le faisceau 22) n'est pas réfléchi par ledit petit miroir. Les diodes laser et les éléments optiques servant A leurs transports d'images occupent des posi- tions symétriques de celles de la figure 2, par rapport au miroir 20. La description ci-dessus n'envisage un transport d'image de détecteur qu'au moyen de lentilles. Il va de soi que le dis- positif de l'invention peut être aussi réalisé à l'aide de trans- port d'image de détecteur au moyen de miroirs comme décrit dans l'art antérieur cité. Il va de soi aussi que le dispositif, selon la présente invention, bénéficie de tous les perfectionnements contenus dans les brevets et certificats d'addition déposés par la demanderesse énumérés dans le préambule de la présente demande, notamment ceux ayant trait au mouvement du miroir de champ en synchronisme avec ceux du miroir de trame ou encore ceux concernant le balayage ligne. REVENDICATIONS 1. Dispositif radar optique opérant à l'émission et A la réception le balayage du champ aivant deux directions perpen- diculaires, A savoir selon une direction x un balayage dénommé balayage ligne et suivant une autre direction y un balayage trame, dispositif opérant lesdits balayages selon des faisceaux issus des différentes zones du champ et assurant soit la récep- tion sur un é&ément sensible au rayonnement en provenance desdites zones selon ces faisceaux, soit l'émission vers ces zones et selon. ces faisceaux de rayonnement émis A partir d'une source locale, dispositif comportant dans l'ordre dans le sesn de la réception: - un objectif ayant son axe optique compris dans un plan P con- tenant la direction y et perpendiculaire à x, sa surface focale étant sphérique et telle que son centre de courbure est situé au centre de la pupille de sortie de l'objectif; - des moyens de balayage trame constitués d'un miroir plan dit de trame, tournant d'un mouvement alternatif autour d'un axe pa- rallèle Aàla direction x et placé en faisceau convergent derrière l'objectif près de l'image du champ dans ledit objectif; - des moyens de balayage ligne constitués, d'une part, d'un tam- bour en rotation uniforme autour d'un axe fixe YY' contenu dans ledit plan P et portant un certain nombre de faces. réfléchissantes régulièrement distribuées sur le pourtour dudit tambour et, d'autre part, un système de transport d'image formant une image de l'élément sensible et de la source émettrice de rayonnement en un point A', du plan P, ledit tambour étant placé en faisceau convergent dans le trajet dudit système de transport du côté image des éléments sensible et source, le symétrique dudit point A' par rapport A chaque face du tambour, lorsque ladite face est perpendiculaire au plan P, étant en un point D situé au voisinage iédiat dUi symétriqub du foyer de l'objectif par rapport au miroir de trame en position parallèle à YY'; - un système optique de rabattement des faisceaux constitué d'un miroir concave dit de champ admettant le plan P comme plan de symétrie et, dont le sommet est placé sensiblement au point D, ledit miroir étant tel qu'il conjugue, en liaison avec le miroir de trame, le centre O de la pupille de sortie de l'objectif avec un point fixe C du plan'P qui est le centre de la pupille d'entrée des moyens de balayage ligne; caractérisé en ce que: - le miroir de champ a une largeur dans le sens x telle que, compte tenu du nombre de faces du tambour tournant, elle est inférieure à la distance entre les images de l'élément sensible et de la source émettrice dans deux faces consécutives du tambour tournant; - le système de transport d'image comporte à l'extrême aval du trajet des faisceaux, dans le sens réception, un miroir plan pourvu d'un orifice, ledit miroir concentrant le rayonnement sur l'élément sensible, la source émettrice étant placée dans une position symétrique de l'élément sensible par rapport au miroir et émettant l'énergie de sondage dans l'orifice du miroir dans une portion de faisceau commune A tous les faisceaux de balayage ligne. 2. Dispositif radar optique opérant A l'émission et A la réception le balayage du champ suivant deux directions perpen- diculaires, A savoir selon une direction x un balayage dénommé balayage ligne et suivant une autre direction y un balayage trame, dispositif opérant lesdits balayages selon des faisceaux issus des différentes zones du champ et assurant soit la réception sur un élément sensible au rayonnement en provenance desdites zones selon ces faisceaux, soit l'émission vers ces zones et selon ces faisceaux de rayonnement émis à partir d'une source locale, dis- positif comportant dans l'ordre dans le sens de la réception: - un objectif ayant son axe optique compris dans un plan P con- tenant la direction y et perpendiculaire à x, sa surface focale étant sphérique et telle que son centre de courbure est situé au centre de la pupille de sortie de l'objectif; - des moyens de balayage trame constitués d'un miroir plan dit. de trame, tournant d'un mouvement alternatif autour d'un axe parallèle à la direction x et placé en faisceau convergent der- rière l'objectif près de l'image du champ dans ledit objectif; - des moyens de balayage ligne constitués, d'une part, d'un tambour en rotation uniforme autour d'un axe fixe YY' contenu dans ledit plan P et portant un certain nombre de faces réflé- chissantes régulièrement distribuées sur le pourtour dudittam- bour et, d'autre part, un système de transport d'image formant une image de l'élément sensible et de la source émettrice de rayonnement en un point A', du plan P, ledit tambour étant placé en faisceau convergent dans le trajet dudit système de transport il du côté image des éléments sensible et source, le symétrique dudit point A' par rapport à chaque face du tambour, lorsque ladite face est perpendiculaire au plan P, étant en un point D situé au voisinage ismédiat du symétrique du foyer de l'objectif par rapport au miroir de trame en position parallèle à YY'; - un système optique de rabattement des faisceaux constitué d'un miroir concave dit de champ admettant le plan P comme plan de symétrie et, dont le sommet est placé sensiblement au point D, ledit miroir étant tel qu'il conjugue, en liaison avec le miroir de trame, le centre O de la pupille de sortie de l'objectif avec un point fixe C du plan P qui est le centre de la pupille d'entrée des moyens de balayage ligne; caractérisé en ce que: - le miroir de champ a une largeur dans le sens x telle que, compte tenu du nombre de faces du tambour tournant, elle est in- férieure à la distance entre les images de l'élément sensible et de la source émettrice dans deux faces consécutives du tam- bour tournant; - le système de transport d'image comporte à l'extrême aval du trajet des faisceaux, dans le sens réception, un petit miroir renvoyant depuis la source émettrice lt'énergie de sondage dans une portion commune à tous les faisceaux de balayage ligne, l'é- lément sensible étant placé dans une position symétrique de la source émettrice par rapport audit petit miroir. 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caracté- risé en ce que le transport d'image n'est réalisé qu'à l'aide de miroirs. 4. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caracté- risé en ce que le transport d'image comporte des lentilles. 5. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la source émettrice est l'image d'un en- semble de N diodes laser dont la surface émettrice rectangulaire a une longueur E et une largeur et dont le diagramme d'émis- scon a une ouverture & perpendiculairement à ces deux dimensions, lesdites ilodes étant placées parallèlement les unes aux autres selon leur longueur, la constitution de l'image utilisant N transport d'image de diode à l'aide de N lentilles cylindriques de génératrices parallèles à la longueur des diodes, à raison d'une lentille par diode, et d'une autre lentille cylindrique de génératrice parallèles à la largeur des diodes communes aux N 12 2634903 transports d'image, les N premières lentilles opérant au gran- dissement 1 et la lentille commune au grandissement N.