Brevet FR2646926A1 — publié le 19901116

Procédé pour détecter et identifier des objets formant cibles L'invention concerne un procédé travaillant se- lon le principe du radar et servant à détecter et à identifier des objets formant cibles. Pour détecter et identifier des cibles militai- res dans une zone tactique, on connaît différents procédés fonctionnant d'une manière active et d'une manière passive. En tant que dispositifs pour la mise en oeuvre de ces procédés, on peut utiliser par exem- ple des appareils radar, des détecteurs sensibles à la chaleur et des appareils de formation d'images thermiques. Les caractéristiques particulières des différents dispositifs s'avèrent être des inconvénients ou des avantages, dans le cas de leur utilisation com- pliquée dans la zone tactique, en fonction d'un grand nombre de circonstances eoncomittantes. Dans le cas de l'utilisation d'appareils radar-, les composantes de fréquences Doppler des signaux d'é- chos d'objets formant cibles mobiles ou de parties mobiles de ces objets sont évaluées, pour la détection et l'identification, par exemple au moyen d'une analyse spectrale. Des dispositifs travaillant de façon pas- sive utilisent par exemple le rayonnement thermique des objets formant cibles et dérivent, à partir de la modulation du rayonnement thermique du type fourni par le rotor d'un hélicoptère, des caractéristiques propres pour la détection ou l'identification. L'invention a pour but d'améliorer davantage la détection et l'identification d'objets formant ci- bles à l'aide d'un procédé qui est basé sur la connais- sance du fait que les mécanismes d'entraînement de tous les objets utilisés produisent des phénomènes vibratoires correspondants au niveau de leur surface. Conformément à l'invention se problème est résolu grâce à l'utilisation d'un détecteur laser constitué par un émetteur laser comportant un récepteur optique réa- lisé sous la forme d'un récepteur superhétérodyne, et par un démodulateur branché à la sortie du détecteur optique, avec une adaptation automatique au décalage de fréquence Doppler conditionné par la vitesse de l'objet formant cible. Un circuit d'évaluation sert à former un résultat de détection ou d'identification à partir des signaux démodulés dans la plage temporelle ou dans la plage des fréquences, par comparaison à des modèles, pouvant être appelés d'une mémoire, d'ob- jets formant cibles connus. Le spectre vibratoire caractéristique, qui appa- raît au niveau de la surface des objets, module le faisceau laser dirigé sur l'objet, soit du point de vue de sa fréquence, soit du point de vue de sa phase. Le signal d'écho réfléchi contient par conséquent une composante de fréquence Doppler qui est imputable exclusivement aux vibrations de la surface. Etant don- né que toutes les parties superficielles d'un objet exécutent des vibrations avec une fréquence vibratoire, peu importe la partie qui est éclairée par le faisceau laser. Il en résulte, par rapport à d'autres procédés connus, l'avantage selon lequel la détection et l'iden- tification sont indépendantes de l'angle d'observation. Conformément à une variante avantageuse de l'in- vention, pour la mise en oeuvre du procédé, on utilise un laser possédant une longueur d'onde située dans le domaine de l'infrarouge, par exemple un laser au CO2. Cette longueur d'onde est très largement infé- rieure à l'amplitude vibratoire au niveau de la surface d'un objet. Par conséquent une bonne profondeur de modulation est garantie et de ce fait l'exploitation de fréquences vibratoires même très faibles est garan- tie,jusqu'à moins de un Hz. Si l'objet formant cible,écliré par le faisceau laser, possède un déplacement propre, la fréquence Doppler imputable aux oscillations vibratoires, du signal d'écho est superposée à une seconde fréquence Doppler dépendant de la vitesse. L'adaptation automa- tique du démodulateur situé dans le récepteur super- hétérodyne au décalage de fréquence peut être réalisée avantageusement à l'aide d'un circuit PLL (boucle à verrouillage de phase). D'autres caractéristiques et avantages de l'in- vention ressortiront de la description donnée ci-après_ prise en référence aux dessins annexés, sur lesquels - la figure 1 représente la réalisation d'une mo- dulation de fréquence du faisceau laser sous l'effet de la vibration superficielle d'un hélicoptère; - la figure 2 représente la constitution de prin- cipe d'un récepteur superhétérodyne optique; - la figure 3 représente l'acquisition de l'in- formation à l'aide d'un détecteur laser; - la figure 4 représente un exemple de réalisa- tion d'un détecteur laser comportant un circuit d'ex- ploitation pour un émetteur laser fonctionnant selon le mode continu; les figures 5 et 6 représentent des variantes de la partie d'exploitation de l'exemple de réalisa- tion de la figure 4; et - la figure 7 représente un exemple de réalisa- tion d'un détecteur laser comportant un émetteur -laser pulsé. En référence à la figure 1 dans le cas de l'exemple d'un hélicoptère, on va expliquer queJ3e est la modulation provoquée dans un faisceau laser par la vibration de la cabine de l'hélicoptère enduite par le mécanisme d'entraînement. L'hélicoptère en suspen- -C sion est irradié avec la fréquence f de l'émetteur la- s ser. L'oscillation du signal d'émission est supposée posséder une forme sinusoidale-et être représentée par les relations suivante: A = a coslL t s s s dans laquelle A est l'amplitude au bout de la durée t, s a est l'amplitude maximale et--I = 21T f désigne la s s s vitesse angulaire. Le signal est réfléchi sur l'héli- coptère et arrive après un temps de parcours global T avec la phase t dans le récepteur: Pour simplifier,on suppose que la vibration mé- canique, qui apparaît au niveau de l'emplacement de réflexion sur la coque de l'hélicoptère, possède une forme sinusoïdale et se propage avec une fréquence unique fH' On peut décrire cette oscillation par la formule: s(t) = aHsin WH t dans laquelle s représente l'amplitude au bout du temps t, aH l'amplitude maximale (excursion) et WH la vitesse angulaire. On suppose en outre que la déviation s de la coque de l'hélicoptère s'effectue de façon précise en direction du récepteur. De ce fait le temps de tran- sit T est modulé au rythme de la vibration.Avec ces hypothèses on peut tirer mathématiquement de façon simple le fait que le faisceau laser réfléchi comporté une modulation de fréquence. L'indice de modulation m obtenu satisfait la relation 4T aH m = V (s s désignant la longueur d'onde du rayonnement émis. En général,l'amplitude vibratoire aH de l'objet est nettement supérieure à la longueur d'ondeAs du laser. En consequence, le faisceau laser réfléchi est bien modulé et fournit une grande excur- sion de fréquence. C'est pourquoi on peut s'attendre à obtenir un bon rapport signal/bruit, car ce dernier augmente dans le cas d'une modulation de fréquence, lorsque l'excursion de fréquence augmente. Si l'hélicoptère possède une vitesse relative, ceci conduit & un décalage Doppler supplémentaire, qui doit être pris en compte dans la préparation des signaux dans le récepteur. Pour la préparation des signaux d'échos laser, il est nécessaire d'utiliser un récepteur superhétéro- dyne optique., Comme cela ressort de la figure 2, le signal reçu est constitué par le spectre de modulation 8fH, pour une fréquence porteuse f. Pour effectuer la démodulation, il faut connaître la fréquence porteuse fs dans le récepteur, c'est-a-dire qu'un récepteur superhétérodyne est nécessaire. La figure 4 représente la constitution de principe d'un récepteur superhété- rodyne optique. Le signal LO d'un oscillateur local, qui possède la fréquence fLO et qui est injecté par L couplage par l'intermédiaire d'un diviseur de rayon- nement ST et d'un système optique O, est superposé au signal reçu possédant la fréquence f + fH dans le s H détecteur. Le produit mixte des deux signaux,possédant la fréquence fs - fLO + fH apparaît à la sortie du détecteur D. La différence entre la fréquence porteuse et la fréquence de l'oscillateur local doit posséder la constance nécessaire pour la réception superhété- rodyne. Les deux fréquences devraient par conséquent être tirées d'une source cohérente. Le produit mixte apparaissant à la sortie du détecteur D est envoyé à un amplificateur V en vue de son traitement ultérieur. - L'obtention de l'information est expliquée en référence à la figure 3. Un faisceau laser de l'émet- teur laser LS possédant la fréquence fLO est soumis à un décalage de fréquence, d'une valeur égale à une fréquence intermédiaire fZF (dans la plage des MHz) par le modulateur acousto-optique AOM. Le signal de sortie possédant la fréquence fLO + fZF = fs éclaire l'objet formant cible ZO et est modulé en fréquence par la vibration présente au niveau de la surface de cet ob- jet. Le signal réfléchi en direction du récepteur con- tient la modulation de fréquence fH pour une fréquence porteuse fLO + fZF' A la sortie d'un étage mélangeur N du récepteur on obtient, après le mélange de cette fréquence avec la fréquence fLO de l'émetteur laser, la modulation de fréquence fH pour la fréquence intermé- diaire fZF' Cette dernière peut être démodulée dans le démodulateur DM pour fournir la fréquence vibratoire propre fH Un exemple de réalisation d'un détecteur laser comportant un -circuit d'exploitation pour un émetteur laser fonctionnant selon le mode continu est repré- senté sur la figure 4. La fréquence d'émission, produi- te dans un émetteur LS constitué par exemple sous la forme d'un laser au CO2, est irradiée sous la forme d'un signal d'émission par l'intermédiaire d'un téles- cope TS. Le décalage de fréquences, qui.est nécessaire pour le récepteur optique réalisé sous la forme d'un récepteur superhétérodyne et qui possède une valeur égale à. une fréquence intermédiaire ZF, s'effectue dans un modulateur acousto-optique AOM1. Le signal MO est injecté par couplage, en même temps qu'un signal reçu réfléchi sur l'objet formant cible, dans le récep- teur superhétérodyne optique, par l'intermédiaire d'un diviseur de faisceau ST1. Les deux composantes de si- gnaux parviennent par l'intermédiaire d'un système optique O1 & l'entrée d'un détecteur D1, dont la sortie délivre le signal de modulation possédant une fréquence moyenne voisine de la fréquence intermédiaire. Ce si- gnal est amplifié dans l'amplificateur Vil, estlimité dans le limiteur Dl et est ensuite démodulé dans un démodulateur de fréquence DM1, de sorte que l'oscilla- tion vibratoire se produit dans la plage des basses fréquences. La somme de toutes les oscillations vibra- toires, qui apparaissent au niveau de la- surface de l'objet formant cible et qui sont situées à l'intérieur de la surface cible éclairée par le laser, représente alors le spectre de vibrations caractéristique. Outre le démodulateur FM, le corrélateur K est un composant important du circuit d'exploitation. Grâce à une corré- lation, dans la plage temporelle, avec des modèles de cibles connues, qui sont tirés par exemple d'une mémoire de modèles MS1, on peut déterminer le type d'un objet formant cible et l'afficher sur un dispo- sitif d'affichage A. Le démodulateur FM,DMl.doit être conçu par ail- leurs de telle sorte qu'en-dehors de la fréquence Dop- pler apparaissant sous l'effet des oscillations vibra- toires au niveau de la surface d'un objet formant cible, on prend en compte une fréquence Doppler supplémentaire superposée à ladite fréquence Doppler et dépendant de la vitesse relative de l'objet formant cible. Afin de supprimer l'action de la fréquence Doppler indési- rable, qui dépend du déplacement relatif de l'objet formant cible, il est nécessaire de réaliser le démo- dulateur de manière qu'il ait un fonctionnement ver- rouillage conjoint. Du point de vue de la technique des circuits, ceci est possible moyennant l'utilisation d'un circuit PLL (circuit de boucle à verrouillage de phase). L'exploitation du spectre des vibrations peut être réalisée, contrairement à l'exemple de réalisation de la figure 4, grâce à l'utilisation d'un processeur réalisant une transformée de Fourier rapide et monté entre le démodulateur FM DM1 et le corrélateur K, ce processeur convertissant les oscillations vibratoires à basse fréquence de la plage temporelle dans la plage spectrale. La corrélation réalisée avec les modèles connus s'effectue alors dans la plage des fréquences (figure 5). Dans un autre exemple de réalisation de la figu- re 6, le cepstre des oscillations vibratoires est obte- nu grâce à une double transformation de Fourier entre la sortie du démodulateur et l!entrée du corrélateur K1, auquel cas une mise sous forme logarithmique est exécutée dans l'étage Log entre la première et la se- conde transformations de Fourier. L'identification de l'objet formant cible s'effectue alors de la même manière que dans le cas des exemples précédents, par corrélation et affichage. Un exemple -de réalisation, représenté sur la figure 7, d'un détecteur laser travaille avec un fais- ceau laser pulsé. La constitution du point de vue du circuit correspond par conséquent à celle d'un radar Doppler a impulsions. Pour la formation de la fréquence intermédiaire dans le détecteur D2, on envoie le signal - de battement, qui est injecté par couplage en même temps que le signal reçu, à l'entrée du récepteur op- tique, directement à partir d'un laser continu. En outre le laser continu alimente un amplificateur laser LV par l'intermédiaire d'un modulateur acousto-optique AOM2. Un central générateur de cadence TZ comportant un générateur de cadence produit la fréquence impul- sionnelle qui délivre aussi bien la fréquence d'horlo- ge pour un oscillateur à fréquence intermédiaire ZFO, la fréquence d'horloge pour un dispositif à ensemble de portes de distance ainsi que la fréquence d'horloge pour une source de haute tension/de haute fréquence HV/HF. La fréquence d'horloge délivrée à un étage de commutation ST correspond à la fréquence de récur- rence des impulsions du faisceau laser émis. La fré - quence de l'oscillateur, qui est manipulée dans l'étage de commutation ST à la cadence de la fréquence de récur- rence des impulsions, décale la fréquence laser, d'une valeur égale à la fréquence intermédiaire ZF, dans-e modulateur acousto-optique AOM2. L'amplificateur laser LV, qui amplifie la fréquence laser décalée, est pulsé en outre à la cadence de la fréquence de récurrence des impulsions, avec une haute fréquence ou une exci- tation à haute tension. La largeur des impulsions est supérieure à celle de l'impulsion laser envoyée par le modulateur acousto-optique AOM2. De ce fait l'im- pulsion laser injectée par couplage dans l'amplifica- teur laser LV arrive déjà dans un milieu excité et déclenche immédiatement une impulsion laser amplifiée. Le traitement des signaux d'échos dans la bran- che de réception du détecteur laser diffère de celui intervenant dans les exemples de réalisation décrit précédemment, par suite de l'utilisation d'un disposi- tif ETP comportant un ensemble de portes de distance et disposées à la sortie du limiteur B2. Par suite de l'utilisation du circuit ETB comportant un ensemble de portes de distance, chaque porte, dans laquelle le signal reçu d'un objet formant cible se situe, est transmis directement au modulateur DM2. REVENDICATIONS 1. Dispositif fonctionnant. selon le principe du radar et servant à détecter et identifier des objets formant cibles, caractérisé par l'utilisation- d'un détecteur laser (Sr), constitué par un émetteur laser (LS1, AOM, TS) et par un récepteur optique (ST, O1, Dl, Vl, B1) réalisé sous la forme d'un récepteur super- hétérodyne, par un démodulateur (DM1) branché à la sortie du récepteur optique et réalisant une adaptation automatique au décalage de fréquence Doppler condition- né par la vitesse de l'objet formant cible, et par un circuit d'exploitation (A9) servant à former un ré- sultat de détection ou d'identification à partir des signaux démodulés dans la plage temporelle ou dans la plagé-des fréquences, par comparaison à des modèles, pouvant être appelés d'une mémoire (MS1), d'objets formant cibles connus. 2. Dispositif pour détecter et identifier des objets formant cibles selon la revendication 1, carac- térisé par le fait que le signal d'écho Doppler, formé par la somme de toutes les oscillations vibratoires au niveau de la surface de l'objet formant cible dans la plage d'éclairage du faisceau laser, est exploité dans le récepteur superhétérodyne et dans le circuit d'exploitation (A%9). 3. Dispositif suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que le démodulateur (DM) est réalisé conformément au principe de la boucle à ver- rouillage de phase. 4. Dispositif suivant l'une quelconque des reven- dications 1 à 3, caractérisé par le fait que l'oscilla- teur local possède une stabilité élevée de fréquence pour la production de la fréquence intermédiaire (ZF) dans le récepteur superhétérodyne. 5. Dispositif suivant l'une quelconque des reven- dications 1 à 4, caractérisé par le fait que l'émet- teur (LS) du détecteur laser (Sr) fonctionne selon le mode continu. 6. Dispositif- suivant l'une quelconque des re- vendications 2 a 4, caractérisé par le fait que l'émet- teur (LS) du détecteur laser (Sr) fonctionne sous la forme d'un émetteur pulsé. 7. Dispositif suivant l'une quelconque des re- vendications 1 à 6, caractérisé par le fait que l'é- metteur est réalisé sous la forme d'un laser en verre au CO2. 8. Dispositif suivant l'une quelconque des re- i. vendications 1 a 7, caractérisé par le fait que le décalage de la fréquence laser, d'une valeur égale à la fréquence intermétidaire (ZS), est réalisé au moyen d'un modulateur acousto-optique (AOM). 9. Dispositif suivant l'une quelconque des re- vendications 1 à 8, caractérisé par le fait que l'iden- tification de l'objet formant cible est réalisée par corrélation avec des modèles de cibles connues, dans la plage temporelle. 10. Dispositif suivant l'une quelconque des re- vendications 1 à 9, caractérisé par le fait que les oscillations démodulées du signal sont converties dans la plage spectrale au moyen d'un processeur (FFT) réa-. lisant une transformation de Fourier rapide, et que la corrélation avec des modèles d'objets formant cibles connues est réalisée ensuite dans la plage des fré- quences. 11. Dispositif suivant la revendication 10, ca-. ractérisé par le fait qu'en aval du démodulateur (DM) se trouvent branchés un premier processeur (FFT1) réa- lisant une transformée de Fourier rapide, un circuit de mise sous forme logarithmique (Log) et un second processeur (FFT2) réalisant unetransformée de Fourier rapide, dont le spectre de sortie est évalué par cor- rélation avec des modèles connus, en vue de l'iden- tification.