Brevet FR2666660A1 — publié le 19920313

-1 APPAREIL ET PROCEDE POUR DETERMINER LA POSITION D'UN CORPS IMMERGE. Cette invention se rapporte à la détermination de la position d'un corps immergé par rapport à une plate-forme de support sur ou au-dessus de la surface de l'eau. Lorsqu'on travaille avec un corps immergé depuis une plate-forme de support surélevée, telle qu'un aéronef, il est souvent nécessaire de mesurer la position du corps par rapport à la plate-forme de support Des procédés connus pour réaliser ce type de détermination de position comportent les techniques de poursuite acoustique et de calcul La poursuite acoustique utilise une balise acoustique, ou transpondeur, montée sur le corps qui doit être localisé, avec un récepteur directionnel placé sur la plate-forme de support Bien que cet appareil puisse délivrer des mesures précises, il nécessite qu'au niveau de la plate-forme de support soit introduit dans l'eau un réseau d'hydrophones et est ainsi limité à des vitesses relativement faibles d'avancée à travers l'eau à cause du bruit du courant Ceci présente un problème lorsque la plate-forme de support est une embarcation très rapide telle qu'un aéronef. Le calcul de la position d'un corps immergé dans un tel agencement implique la mesure des paramètres de câble de remorque, tels que la longueur, l'angle de sortie depuis l'embarcation de remorquage, et la tension de la remorque ou la profondeur du corps au-dessous de la surface Des erreurs dans la position du corps dues au courant d'eau ne peuvent pas être prises en compte et le procédé est limité aux corps remorqués par opposition à l'embarcation immergée qui est attachée et autonome. Par suite, c'est un but de la présente invention de proposer une amélioration dans le procédé et appareil pour déterminer la position d'un corps immergé par rapport à une plate-forme de poursuite située sur ou au-dessus de la surface de l'eau. Avec ce but en vue, la présente invention concerne un appareil pour déterminer la position d'un corps immergé mobile par rapport à un corps ou plate-forme situé sur ou au-dessus de la surface de l'eau, caractérisé en ce qu'il comprend: une source d'énergie laser située sur l'un desdits corps, un détecteur de l'énergie laser situé sur l'autre desdits corps, des moyens pour mesurer l'altitude de ladite plate-forme par rapport à la surface de l'eau, des moyens pour pointer ladite source d'énergie laser vers un point déterminé constitué par l'un desdits corps ou situé entre lesdits corps en vue de la réception de l'énergie laser, ledit point ayant un angle de site par rapport à l'un desdits corps, des moyens pour mesurer l'angle de site, et des premiers moyens de calcul pour calculer par triangulation la distance horizontale séparant lesdits corps à partir au moins des valeurs d'altitude et d'angle de site. L'invention sera plus facilement comprise, comme décrite dans les dessins annexés dans lesquels: Les figures l A et 1 B sont respectivement des vues en plan latérale et de dessus d'un premier mode de fonctionnement dans lequel l'énergie laser est dirigée verticalement vers le haut depuis un corps immergé. La figure 2 est une vue en plan latérale d'un second mode de fonctionnement dans lequel l'énergie laser est pointée vers une plateforme de support volante depuis le corps immergé et du fait que le trajet du faisceau laser traverse un changement soudain dans l'indice de réfraction à l'interface entre l'eau et l'air, la direction du faisceau changeant au niveau de 1 tinterface. La figure 3 est une vue en plan latéral d'un troisième mode de fonctionnement dans lequel l'énergie laser est dirigée depuis la plate-forme de support volante vers un point sur la surface de l'eau au-dessus du corps immergé. La figure 4 est une vue en plan latérale d'un quatrième mode de fonctionnement dans lequel l'énergie laser est pointée vers le corps immergé depuis la plate-forme de support volante. La figure 5 est un schéma synoptique électrique de l'appareil pour déterminer la distance de remorque et la mesure latérale pour la configuration représentée aux figures l A et l B, et La figure 6 est un schéma synoptique électrique illustratif de l'appareil pour déterminer la distance de remorquage et la mesure latérale pour la configuration représentée à la figure 2. En se référant maintenant aux dessins, dans lesquels les références numériques identiques se rapportent à des éléments identiques dans tout le descriptif, référence sera tout d'abord faite aux figures l A et 1 B. Le corps immergé 10 qui peut être, par exemple un traîneau ou autre type d'appareil, est raccordé à une plate-forme de support 12, par exemple un hélicoptère, par un câble de remorquage 14 L'hélicoptère 12 est situé à une altitude A au-dessus de la surface de l'eau 16 avec le corps immergé 10 qui est situé à une profondeur B. Dans le premier mode de réalisation, un dispositif laser verticalement stabilisé 18 projette un faisceau laser 20 directement vers le haut vers la surface 16 Le dispositif laser 18, de plus, comporte un moyen (non représenté) pour compenser les effets de tangage et de roulis du corps de sorte que le faisceau 20 intersecte la surface de l'eau directement au-dessus du corps remorqué o la dispersion de la lumière se produit en un point lumineux 22 sur la surface de l'eau. Un ensemble capteur photo-sensible, qui peut être dirigé à la fois en azimut et en site, est monté sur l'arrière de l'hélicoptère 12 de la plate-forme de support et comporte un détecteur photoélectrique qui est dirigé vers le point lumineux 22 sur la surface de l'eau 16 En mesurant le site, c'est-à-dire l'angle d'abaissement e par rapport à la verticale et l'angle d'azimut O et en connaissant la hauteur A de l'ensemble détecteur photoélectrique 24 au-dessus de la surface de l'eau 16, la distance de remorquage du corps remorqué peut tout d'abord être calculée par un simple procédé de triangulation comme représenté à la figure l A, c'est-à-dire D = A tg e Lorsque la distance de remorque D est connue, le déplacement latéral L peut similairement être calculé comme représenté à la figure 1 B à partir de la relation L = D sin O L'appareil pour calculer à la fois la distance de remorque D et la distance du déplacement latéral L est représenté à la figure 5 et on s'y référera ultérieurement. En se référant maintenant à la figure 2, le mode de réalisation représenté ici est illustratif d'un second mode de fonctionnement o le faisceau laser 20 produit par le dispositif laser 18 est pointé vers le détecteur photoélectrique 24 sur la plate-forme de support 12 En connaissant l'altitude A de l'hélicoptère 12 et la profondeur B du corps remorqué 10, les mêmes calculs peuvent être effectués en mesurant les angles de pointage e et O du laser 18, et en établissant la relation de e à el par l'intermédiaire de la loi de réfraction de Snell (également connue sous l'appellation de loi de Descartes) telle que: N sin e = sin e', o n = 1,33, qui est l'indice de réfraction de l'eau. Toutefois, maintenant D = dl + d 2, o d 1 = B tg e et d 2 = A tg e'. En se référant maintenant aux figures 3 et 4, les configurations représentées ici correspondent aux troisième et quatrième modes de fonctionnement o l'emplacement du laser 18 et du détecteur photoélectrique 24 sont inversés par rapport aux modes 1 et 2, respectivement, et qui ont été décrits en référence aux figures 1 A, 1 B et à la figure 2 Ainsi que représenté aux figures 3 et 4, le dispositif laser 18 est monté sur l'arrière de l'hélicoptère 12 et le détecteur photoélectrique 24 est situé sur le corps immergé remorqué 10 Le faisceau laser 20 est pointé en un point 23 sur la surface de l'eau 16 directement en ligne avec la ligne de vol de l'aéronef 12 et approximativement à la distance du corps immergé remorqué 10 Dans le quatrième mode (figure 4), le faisceau laser 20 depuis l'aéronef 12 est pointé aussi précisément que possible sur le corps immergé remorqué 10. La discussion suivante est illustrative des paramètres qui doivent être pris en compte dans la mise en oeuvre des divers modes opérationnels représentés aux figures 1 à 4 La transmission T de la lumière dans l'eau pour une longueur de trajet donnée 1 peut être exprimée comme: T = I/Io = exp(- al) o I est l'intensité finale pour la longueur 1 de trajet, Io est l'intensité initiale au niveau de la source, par exemple, et a est le coefficient d'atténuation dû à la diffusion L'eau de la mer est connue pour avoir une plage large de valeurs de a fonction de la longueur d'onde et de la qualité de l'eau Lorsque, par exemple, le dispositif laser 18 comporte un laser Nd/YAG déclenché à fréquence doublée fonctionnant à une longueur d'onde de 532 nm, les expériences ont montré que le type d'eau de mer la plus médiocre définie comme Type III, présente un a de O,12 m-1 L'eau de Type II, qui comprend de l'eau relativement plus propre, présente un a de 0,08 m-1 Pour une longueur de trajet = 270 m et une profondeur D = 180 m, la transmission T dans l'eau de Type III, par exemple, est approximativement de 10-14, tandis que pour l'eau de Type II, la transmission T est approximativement de 4 x 10-10 Du fait qu'il existe 2,7 x 1018 photons/joule à 532 nm, alors pour l'eau de Type III, 2,7 x 104 photons/joule atteignent la surface 16 à la figure 2, tandis que pour une eau du Type II, 109 photons/joule atteignent la surface Du fait que les vagues tendent à disperser la lumière et du fait qu'il est nécessaire de diffuser suffisamment la lumière pour s'assurer qu'une partie de celle-ci atteint le détecteur photoélectrique 24 sur l'aéronef 12, on peut supposer qu'approximativement 10-4 de la lumière atteignant la surface 16 en une tache 23 de 30 cm, par exemple, atteindra le détecteur photoélectrique 24 comportant une optique collectrice, non représentée, de l'ordre d'un diamètre de 25 cm Par suite, pour une eau de Type III, trois photons/joule atteignent le détecteur photoélectrique 24, tandis que pour l'eau de Type II 105 photons/joule atteignent le détecteur. En ce qui concerne le troisième mode opérationnel tel que représenté à la figure 3, toutefois, presque la totalité des photons émis par le laser 18 situé à l'arrière de la plate-forme de support 12 atteignent la surface de l'eau 16 au point 23 ayant par exemple un diamètre de 30 cm ou moins Les vagues ensuite dispersent le rayonnement dans l'eau et si la dispersion est Lambertienne, environ 2 x 10-7 sera dispersée à l'intérieur d'une ouverture collectrice de 25 cm de diamètre à une profondeur de 180 m La lumière sera également atténuée par le trajet dans l'eau correspondant à la profondeur D = 180 m, pour laquelle la transmission T dans l'eau de Type III sera de 4 x 10-10, tandis que pour l'eau du Type II, la transmission T est de 6 x 10-7 Ainsi, 200 photons/joule atteignent approximativement le détecteur 24 au-dessous de l'eau pour l'eau de Type III et approximativement 3 x 105 photons/joule atteignent le détecteur photoélectrique 24 pour l'eau du Type II. En ce qui concerne l'ensemble capteur photoélectrique 24, dans tous les modes de réalisation, il comprend un détecteur relativement simple constitué d'une caméra vidéo à dispositif à transfert de charge classique, (plus connu sous l'abréviation CCD) comportant un intensificateur de l'image situé à l'avant de celui- ci avec un filtre de spectre L'intervalle entre les pixels sur le détecteur peut correspondre à la résolution spatiale souhaitée du point lumineux du laser sur l'eau et, avec des centaines d'éléments dans chacune des deux dimensions, le champ de visée peut être relativement large En déclenchant l'intensificateur d'image pendant l'intervalle de temps relativement court durant lequel le laser déclenché 18 est activé, par exemple 100 ns, et en retardant le déclenchement de l'intensificateur d'image pour corriger le temps de trajet de la lumière entre le laser et le détecteur et en filtrant le spectre à une longueur d'onde par exemple de 0,2 ni, le signal dû à la lumière solaire peut être diminué à un niveau négligeable. Dans la totalité des quatre configurations, non seulement on peut déterminer l'emplacement du corps remorqué 10 par référence à la plate-forme de support 12, mais également une commande latérale peut être ajoutée au corps remorqué 10 lorsque souhaité de sorte qu'il peut suivre une course spécifique derrière la plate-forme de support Ceci est particulièrement applicable à la configuration représentée à la figure 3 o le corps immergé 10 peut être amené à être guidé à une position directement au-dessous du point lumineux 23 Ou plus simplement, le point lumineux du laser 23 peut-être pointé directement sur le corps immergé à partir de l'image sur le détecteur photoélectrique 24. Après avoir considéré les aspects optiques et mécaniques de l'invention, référence sera maintenant faite aux figures 5 et 6 qui montrent deux modes de réalisation illustrant l'appareil électrique servant à déterminer la distance de remorque D et la distance du déplacement latéral L du corps immergé 10 au-dessous de la plate-forme de support La configuration représentée à la figure 5 devra être utilisée en liaison avec l'agencement représenté aux figures l A et 1 B, tandis que la configuration représentée à la figure 6 devra être utilisée en liaison avec l'agencement représenté à la figure 2. En se référant tout d'abord à la figure 5, le corps immergé 10 comporte un laser 18 qui est stabilisé verticalement par le mécanisme 19 et produit un faisceau vertical 20 et lorsque le détecteur photoélectrique 24 reçoit un faisceau incliné 26, les déterminations de la distance de remorque D et du déplacement latéral L sont faites séquentiellement, du fait que le calcul du déplacement latéral L nécessite a priori la connaissance de la distance de remorque D Par suite, comme représenté à la figure 5, un séquenceur de signaux 28 est prévu pour envoyer la sortie du détecteur photoélectrique 24 tout d'abord à un comparateur d'amplitude verticale 30 et ensuite à un comparateur d'amplitude horizontale 32 En considérant tout d'abord la voie de signal vertical qui est utilisée pour déterminer la distance, de remorque D, la sortie du comparateur d'amplitude verticale 30, qui reçoit de plus une amplitude de référence comme entrée, est couplée à un mécanisme d'entraînement vertical 34 qui est mécaniquement couplé à la fois au détecteur photoélectrique 24 et à un capteur d'angle vertical e 36 Le mécanisme d'entraînement vertical 34, le comparateur d'amplitude verticale 30 et le détecteur photoélectrique 24 constituent une boucle d'asservissement fermée étant donné que la sortie du comparateur d'amplitude verticale 30 constitue un signal d'erreur qui amène le mécanisme d'entraînement vertical 34 à faire pivoter le détecteur photoélectrique 24 dans le plan vertical afin de maximaliser l'entrée de lumière vers le détecteur photoélectrique 24, avec le capteur d'angle 36 délivrant une sortie correspondant à l'angle e La plate-forme de support 12 comporte de plus un altimètre 38 qui délivre un signal de sortie électrique A, correspondant à la hauteur de l'aéronef au-dessus de la surface de l'eau 16 Ces deux signaux sont envoyés dans un appareil 40 pour effectuer le calcul: D = A tg e. Après avoir déterminé le paramètre D, le séquenceur 28 commute pour coupler le détecteur photoélectrique 24 à un comparateur d'amplitude horizontale 32 qui également reçoit une entrée d'amplitude de référence La sortie du comparateur d'amplitude horizontale 32 est couplée au mécanisme d'entraînement horizontal 42 qui est mécaniquement couplé au détecteur photoélectrique 24 et un capteur d'angle de déplacement horizontal 44 qui délivre un signal de sortie électrique correspondant à l'angle de déplacement O Ce signal ainsi que-le signal D calculé précédemment sont appliqués à un second appareil 46 qui effectue le calcul: L = D sin b et sort un signal correspondant à la distance latérale L. En conséquence, ainsi que représenté à la figure 5, une paire de bornes de sortie 48 et 50 délivrent des signaux correspondant aux distances calculées D et L qui peuvent par la suite être utilisés de toute manière souhaitée. En se référant maintenant à la figure 6, on notera qu'en plus du laser 18 qui est situé sur le corps immergé 10, il existe également un appareil sur celui-ci pour pointer le laser 18 à la fois en site ( avec le câble de remorque 14. Etant donné que le faisceau laser 20 (figure 2) subit une transition de milieu de l'eau de mer à l'air à la surface de l'eau 16, la sortie du capteur 56 d'angle e de pointage vertical doit avoir une correction pour tenir compte de l'interface eau-air et, en conséquence, la sortie du capteur 56 est couplée à un circuit de correction de réfraction 64 situé, par exemple, sur la plate-forme de support 12 qui nécessite également un conducteur 66 passant entre le corps immergé 10 et l'aéronef 12 Le circuit de correction de réfraction 64 devra, par exemple, comporter un convertisseur analogique/numérique, dont la sortie est couplée à une table numérique comportant des valeurs de correction prédéterminées calculées en conformité avec la loi de Snell selon laquelle N sin e = sin e', N étant l'indice de réfraction de l'eau, c'est-à-dire approximativement 1,33. Un signal correspondant à la profondeur B est fourni par un capteur de profondeur 68 par l'intermédiaire d'un conducteur 72 au calculateur 40 pour le calcul de la distance de remorque conformément à l'équation: D = B tg e + A tg et. Les conducteurs 66, 70 et 72 devront, comme les conducteurs 60 et 62 mentionnés précédemment, être portés par le câble de remorque 14. Après le calcul de la distance de remorque D, le calculateur 46 pourra calculer la valeur du déplacement horizontal L comme indiqué sur la figure 5 Les bornes de sortie des calculateurs 40 et 46 fournissent donc respectivement les signaux correspondant aux distances D et L. En ce qui concerne les modes de réalisation des figures 3 et 4, ils devraient comporter un appareil essentiellement le même que celui représenté aux figures et 6 pour déterminer les valeurs de D et L mais en permutant les emplacements du laser 18 et du détecteur photoélectrique 24 De même, le calcul devra maintenant utiliser l'angle d'abaissement e' détecté à la source laser 18 et l'angle de site e détecté au niveau du détecteur photoélectrique 24. Ayant ainsi montré et décrit ce qui est considéré comme étant le procédé et le mode de réalisation préférés pour mettre en oeuvre la présente invention, il est clair que celle-ci a été décrite à l'aide d'un exemple et sans limitation Par suite, toutes modifications, altérations et changements dans le cadre et la portée de l'invention sont considérés y être inclus. R E V E N D I CATIONS 1 Appareil pour déterminer la position d'un corps immergé mobile ( 10) par rapport à un corps ou plate-forme ( 12) situé sur ou au- dessus de la surface ( 16) de l'eau, caractérisé en ce qu'il comprend: une source ( 18) d'énergie laser ( 20) située sur l'un desdits corps ( 10 ou 12), un détecteur ( 24) de l'énergie laser ( 20) situé sur l'autre desdits corps ( 12 ou 10), des moyens ( 38) pour mesurer l'altitude (A) de ladite plate-forme ( 12) par rapport à la surface ( 16) de 1 'eau, des moyens ( 30, 32, 34, 42, 52, 54) pour pointer ladite source ( 18) d'énergie laser ( 20) ou ledit détecteur ( 24) vers un point déterminé constitué par l'un desdits corps ou situé entre lesdits corps en vue de la réception de l'énergie laser ( 20) pour ledit détecteur ( 24), ledit point ayant un angle de site (e) par rapport à l'un desdits corps, des moyens ( 44, 56) pour mesurer l'angle de site (e), et des premiers moyens ( 40, 46) de calcul pour calculer par triangulation la distance horizontale séparant lesdits corps à partir au moins des valeurs d'altitude (A) et d'angle de site (e). 2 Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend, en outre, des moyens ( 44, 58) pour mesurer l'angle d'azimut ( 0) séparant lesdits corps ( 10, 12), et des seconds moyens de calcul ( 46) pour calculer la distance de déplacement latérale (L) entre lesdits corps à partir des valeurs de la distance horizontale (D) et d'angle d'azimut ( 0). 3 Appareil selon la revendication 2, caractérisé en ce que les seconds moyens de calcul ( 46) calculent la distance (L) de déplacement latérale par la formule L = D sin O 4 Appareil selon la revendication 2 ou 3, dans lequel ladite source ( 18) d'énergie laser ( 20) est située sur ledit corps immergé ( 10), ledit détecteur ( 24) est situé sur ladite plate-forme ( 12) et ledit point de pointage déterminé est situé à la surface ( 16) de l'eau, caractérisé -en ce que lesdits moyens de pointage comprennent un mécanisme d'entraînement ( 34, 42) dudit détecteur ( 24) pour amener ledit détecteur à poursuivre ledit point de pointage déterminé en site (e) et en azimut ( 0). Appareil selon la revendication 4, caractérisé en ce que les premiers moyens de calcul ( 40) calculent la distance horizontale (D) par la formule: D = A tg e 6 Appareil selon la revendication 2 ou 3, dans lequel ladite source ( 18) d'énergie laser ( 20) est située sur ledit corps immergé ( 10), ledit détecteur ( 24) est situé sur ladite plate-forme et ledit point de pointage déterminé est situé sur ledit détecteur ( 24), caractérisé en ce que les moyens de pointage comprennent un mécanisme d'entraînement ( 30, 62, 52, 54) de ladite source ( 18) d'énergie laser ( 20) pour amener ladite source ( 18) d'énergie laser ( 20) à poursuivre ledit point de pointage déterminé situé sur le détecteur ( 24). 7 Appareil selon la revendication 2 ou 3, dans lequel ladite source ( 18) d'énergie laser ( 20) est disposée sur ladite plate-forme ( 12), ledit détecteur ( 24) est disposé sur ledit corps immergé ( 10) et ledit point de pointage déterminé est situé sur le détecteur ( 24), caractérisé en ce que les moyens de pointage comprennent un mécanisme d'entraînement ( 30, 62, 52, 54) de ladite source ( 18) d'énergie laser ( 20) pour amener ladite source ( 18) d'énergie laser ( 20) à poursuivre ledit point de pointage déterminé disposé sur le détecteur ( 24). 8 Appareil selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce qu'il comprend, en outre, des moyens ( 68) pour mesurer le profondeur (B) dudit corps immergé, ladite mesure étant fournie auxdits premiers moyens de calcul ( 40) pour calculer la distance horizontale (D) séparant lesdits corps. 9 Appareil selon la revendication 6, 7 ou 8, caractérisé en ce qu'il comprend, en outre, un dispositif de correction de réfraction ( 64) qui fournit un angle (e') en fonction de l'angle de site (e) selon la loi de Snell (ou Descartes). Appareil selon la revendication 9, caractérisé en ce que les premiers moyens de calcul ( 40) effectuent le calcul de la distance horizontale (D) par la formule: D = B tg e + A tg e' 11 Procédé pour déterminer la position d'un corps immergé mobile ( 10) par rapport à un corps ou plate-forme ( 12) situé sur ou au- dessus de la surface ( 16) de l'eau, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes: placer une source ( 18) d'énergie laser ( 20) sur l'un desdits corps ( 10 ou 12), placer un détecteur ( 24) d'énergie laser ( 20) sur l'autre desdits corps ( 12, 10), déterminer l'altitude (A) de ladite plate-forme ( 12), pointer ladite source ( 18) d'énergie laser ( 20) sur un point déterminé constitué par l'un desdits corps ou situé entre lesdits corps en vue de la réception de l'énergie laser ( 20) par ledit détecteur ( 24), ledit point ayant un angle de site (e) par rapport à l'un desdits corps, déterminer l'angle de site (e), et calculer la distance horizontale (D) séparant d'au moins ladite altitude (A) et ledit angle de site (e) - 12 Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'il comprend, en outre, les étapes suivantes: déterminer l'angle d'azimut ( 0) séparant lesdits corps ( 10, 12), et calculer la distance de déplacement latérale (L) entre lesdits corps ( 10, 12) en fonction de ladite distance horizontale (D) et dudit angle d'azimut ( ).