Brevet FR2674081A1 — publié le 19920918

Système de communication optique entre stations mobiles et procédé de communication correspondant. Le domaine de l'invention est celui des systèmes de trans- mission de signaux entre mobiles Plus précisément, l'invention a pour objet de fournir un système de liaison optique utilisable par des mobiles aériens ou spatiaux, par exemple pour satisfaire les besoins de communication entre avions ou entre les avions et le sol. Les systèmes de communication aérienne existants utilisent habituellement la transmission hertzienne, et comportent un certain nombre d'inconvénients Les ondes électromagnétiques présentent en effet une sensibilité aux brouillages, dus tant aux émissions tierces qu'à celles des équipements embarqués. D'autres limitations tiennent à l'encombrement des bandes de transmission disponibles, et à la faible largeur de bande suscep- tible d'être dévolue à chaque communication Enfin, les ondes électromagnétiques présentent l'inconvénient supplémentaire d'être peu discrètes, et, dans certaines situations, de rendre vulnérables des avions souhaitant rester indétectables. On sait que les liaisons optiques peuvent constituer un substitut avantageux aux liaisons hertziennes, notamment sous l'angle des limitations soulignées ci-dessus En effet, la commu- nication par voie optique offre l'avantage de présenter une portée suffisante pour des applications aériennes, mais sans excès inutile, d'être peu sensible aux agressions et perturba- tions extérieures, y compris aux tentatives d'intrusion, et d'être discrète En outre, la liaison optique permet en général de disposer d'une bande passante utilisable élevée. Toutefois, l'établissement de communications par vole optique entre mobiles, notamment entre mobiles aériens, suppose de combiner des moyens permettant de faire face aux contraintes suivantes: le système doit fournir des moyens de recherche direc- tionnelle, permettant d'assurer un pointage de l'émetteur, au cours d'une phase d'initialisation de la liaison, le système doit assurer un pointage de qualité afin de maintenir la liaison; l'asservissement du pointage doit notam- ment permettre le maintien de la liaison malgré les forts mouve- ments relatifs qui peuvent exister entre avions, la portée de la liaison doit être suffisante pour assu- rer les besoins opérationnels, après une interruption de liaison par un masquage tran- sitoire, la liaison doit pouvoir se réinitialiser rapidement, le système doit répondre aux spécifications générales des équipements sur avions, le système doit avoir un encombrement compatible avec son utilisation embarquée. L'invention se donne pour objectif de fournir un jeu de solutions satisfaisant à ces contraintes. Cet objectif, ainsi que d'autres qui apparaîtront par la suite, sont atteints selon l'invention à l'aide d'un système de liaison optique entre deux stations, notamment entre des sta- tions d'émission/réception embarquées à bord d'aéronefs, chaque station comprenant un émetteur/récepteur optique, et au moins une desdites stations comprenant un récepteur équipé de deux voies distinctes: une première voie optique d'initialisation et de pour- suite, dans l'espace, de la direction de communication; une seconde voie optique de transmission du contenu de la communication. Avantageusement, lesdites première et seconde voies de réception traitent les mêmes signaux, provenant de la même voie d'émission de la station distante. De façon à permettre une bonne couverture de l'espace, en minimisant les angles morts de transmission, les stations d'émis- sion/réception sont préférentiellement munies de systèmes opti- ques de type à grand angle, et présentent une ouverture ap- proximativement hémisphérique. Dans un mode de réalisation préférentiel, ladite station d'émission/réception est constituée de deux systèmes optiques jumelés, un premier système optique assurant l'émission des communications, et le second système optique assurant la récep- tion des communications, ladite voie optique réceptrice d'initia- lisation et de poursuite étant située en dérivation sur l'un ou l'autre desdits systèmes optiques jumelés. Avantageusement, la voie d'émission dudit émet- teur/récepteur optique comprend des moyens de contrôle et de commande de focalisation, assurant un contrôle de la direction d'émission du faisceau optique Elle comprend également avanta- geusement un déflecteur optique appartenant au groupe compre- nant les déflecteurs acousto-optiques et les miroirs ga Ivanométriques, en amont desdits moyens de contrôle et de commande de focalisation, et est préférentiellement illuminée par une source constituée d'un ou plusieurs faisceaux lasers. Dans un mode de réalisation avantageux, ladite voie opti- que réceptrice d'initialisation et de poursuite comporte un détecteur CCD. Préférentiellement, ladite seconde vole optique de récep- tion du contenu de la communication comprend au moins un cap- teur optique rapide appartenant au groupe comprenant les photo- diodes, les photodiodes à avalanche et les photomultiplicateurs. L'invention concerne également un procédé d'établissement de communications à l'aide d'un système tel que décrit précédem- ment, comprenant les étapes suivantes: une première étape de désignation d'objectif, dans la- quelle la station appelante émet un premier signal optique d'ini- tialisation dans un champ de recherche prédéterminé présumé inclure la station appelée; une seconde étape itérative d'acquisition bilatérale dans laquelle chacune des stations appelée et appelante émet en retour, après réception d'un signal optique d'initialisation émis par l'autre station, un nouveau signal d'initialisation couvrant un champ d'émission réduit, ladite seconde étape itéra- tive étant menée jusqu'à obtention d'une précision d'acquisition directionnelle prédéterminée entre lesdites stations; une troisième étape de communication interstations, dans laquelle lesdites stations échangent des données utiles, chacune des stations réalisant, en réception, d'une part la réception des signaux utiles à travers ladite seconde voie optique de transmission du contenu de la communication, et d'autre part le rafraîchissement de la poursuite à travers ladite première voie optique d'initialisation et de poursuite, dans l'espace, de la direction de communication. Avantageusement, ladite première étape de désignation d'objectif comporte un processus de balayage de faisceau optique par la station appelante, pour étendre le champ de recherche. De façon préférentielle, dans le cas de l'utilisation d'un détecteur CCD dans la voie optique réceptrice d'initialisation et de poursuite, ladite précision d'acquisition directionnelle recherchée dans la seconde étape Itérative du procédé est de l'ordre de quelques pixels dudit détecteur CCD. Dans certain modes de réalisation, le rafraîchissement de la poursuite de ladite troisième étape de communication intersta- tions est réalisé à partir d'informations de trajectoire four- nies par des moyens extérieurs audit système de liaison optique. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante de quelques modes de réalisation préférentiels de l'invention, donnés à titre illustratif et non limitatif, et des dessins annexés dans lesquels: la figure 1 schématise les éléments constitutifs essen- tiels d'un mode de réalisation préférentiel de la chaîne optique d'un système de communication pour aéronefs, selon l'invention; la figure 2 schématise le mode d'intégration des divers modules fonctionnels de l'invention susceptibles de coopérer avec la chaîne optique de la figure 1; la figure 3 schématise un mode de réalisation d'une voie optique de réception de signal utile, utilisable dans un système selon les figures 1 ou 2; la figure 4 représente l'enchaînement de trois étapes d'un procédé type de mise en communication selon l'invention. Comme représenté en figure 1, l'invention concerne un système de liaison optique 30 entre deux stations 10, 20 distan- tes Chacune des stations distantes peut être par exemple un aéronef Dans le mode de réalisation représenté, la station 20 peut aussi être une station au sol, communiquant avec un aéro- nef 10 Chacune des stations 10, 20 est munie, de façon symétri- que, de deux systèmes optiques jumelés 11, 12; 21, 22 Les premiers systèmes optiques 11, 21 des stations 10, 20 respective- ment coopèrent chacun avec une source 13, 23 d'émission des communications Les signaux optiques émis sont réfléchis par les miroirs 14, 24 en direction de l'objectif 15, 25 à grand angle de chacun des systèmes optiques 11, 21. En fonction d'une caractéristique importante de l'inven- tion, détaillée plus loin, les systèmes optiques d'émission 11, 21 peuvent émettre des faisceaux larges ou des pinceaux étroits en direction de la station distante Ils comportent également des moyens d'orientation directionnelle du faisceau, qui autori- sent suivant le cas un balayage du champ de vision, ou un poin- tage précis de l'émission. La réception des signaux est réalisée au moyen de deux voies optiques distinctes une première voie optique d'initialisation et de pour- suite, dans l'espace, de la direction de communication; dans les modes de réalisation représentés, cette première voie 16, 26 est montée en dérivation optique dans les systèmes optiques d'émission 11, 21; une seconde voie optique de transmission du contenu de la communication reçue, dans les systèmes optiques de réception 12, 22. Lesdites premières 16, 26 et secondes 12, 22 voies de réception traitent les mêmes signaux, provenant de la même voie d'émission de la station distante 20, 10 respectivement ou éven- tuellement les voies d'émission de plusieurs stations distantes, en cas de communications multiples susceptibles d'être reçues en temps partagé. Les systèmes optiques 12, 22 comprennent avantageusement des éléments optiques 17, 27 formant transducteurs opto-électro- niques Le cas échéant, un miroir ou un jeu de miroirs mobiles 18, 28, 38, 39 assure le renvoi successif de portion du faisceau optique reçu, en direction d'un transducteur linéaire (barrette de photodiodes) ou ponctuel (une photodiode). La voie d'initialisation et de poursuite sert à détecter un appel de station distante, puis à acquérir, vérifier et corri- ger continuement le pointage des émissions de réponse vers la station distante Le miroir séparateur 14, 24 assure la sépara- tion des voies d'émission et de réception Des moyens de com- mande 19, 29 assurent l'asservissement de la fonction d'émission de la source 13, 23 en fonction des données fournies par la voie de poursuite 16, 26, et des instructions d'émission Bien enten- du, la voie optique d'initialisation et de poursuite peut égale- ment être placée sur le système optique 12, 22, en dérivation de la voie de réception du contenu de la communication On pourra également imaginer qu'elle figure dans un système optique dis- tinct L'homme du métier identifiera aisément les composants technologiques utilisables pour la chaîne optique. Avantageusement, chacun des deux systèmes optiques 11, 12; 21, 22 équipant chaque station 10, 20 comporte un objectif grand angle de type Fish-Eye Le capteur de la voie d'initialisa- tion et de poursuite peut être un Imageur rapide de type CCD fenêtrable et à grand nombre de points permettant la localisa- tion de l'interlocuteur à grande cadence ( 100 à 1000 Hz) Le transducteur 17, 27 de la voie de réception principale 12, 22 est constitué d'un ou plusieurs capteurs (ou barrettes de cap- teurs) rapides, par exemple de type photodiodes, photodiodes à avalanche ou photomultiplicateur. Chaque dispositif couvre préférentiellement un demi espace dans le repère de la station (par exemple, dans le repère avion) L'ensemble du champ de réception peut être couvert par un ou plusieurs dispositifs de balayage mono (ou bi-)directionnel de type miroir rapide 14, 24; 18, 28, 38, 39. L'objectif Fish-Eye 25 du système d'émission présente a priori un champ image égal ou plus grand que le champ image du sys- tème optique 22 de réception. La figure 2 présente la chaîne optique complète d'un si- gnal d'émission émis, en régime établi après pointage direction- nel, par exemple de la station 20 vers la station 10 La source est constituée d'un ou plusieurs faisceaux lasers Les fais- ceaux lasers traversent un ou plusieurs déflecteurs, avant le système optique 41 qui assure la focalisation du faisceau dans le plan image du Fish-Eye Le ou les déflecteurs sont par exem- ple de type acousto-optique, ou constitués d'un miroir galvanométrique, asservi(s) par des moyens de contrôle de direction de focalisation 43 Une position du point de focalisa- tion correspond à un angle de déflexion du faisceau en sortie de l'objectif Fish-Eye Le ou les faisceaux en sortie du dispositif auront une direction et une divergence fonction de la position et de la taille de la tache dans le plan image Les moyens de contrôle de focalisation permettent, le cas échéant, d'adresser simultanément dans une ou plusieurs directions, de façon à per- mettre des communications multiples simultanées avec différentes stations distantes De façon connue, les moyens de contrôle de focalisation peuvent être tout moyen adapté, piloté notamment Informatiquement, à un système optique à focalisation variable du type d'une lentille divergente mobile rétractable Après déflexion et focalisation, le faisceau traverse le système opti- que 42, chemine dans l'espace, et aboutit dans la station récep- trice au système optique 44 de réception divisant le faisceau dans les deux voies 45, 46 de poursuite et de réception du si- gnal utile de la communication respectivement Cette chaîne optique est répliquable de façon identique en sens contraire. Dans certaines applications, il est également possible que la communication soit unidirectionnelle, le récepteur étant simplement muni de moyens d'émission d'un signal de positionne- ment permettant le pointage et la poursuite directionnelle dans la station émettrice. Quel que soit le mode de réalisation, l'invention présente l'avantage de fournir des communications quasi instantanées, du fait que la chaîne de transmission ne comporte pratiquement aucune, voire absolument aucune, pièce mécanique. La figure 3 illustre un mode de réalisation de la chaîne optique 46 de réception du signal utile reçu Les faisceaux incidents 31, 32, 33 sont focalisés à travers l'objectif Fish-Eye 35 vers le jeu de lentilles de réception 36 Le faisceau 33 atteint une photodiode ponctuelle 37 à travers deux miroirs pivotants 38, 39 balayant le faisceau incident dans deux directions orthogonales. La figure 1 représente une autre possibilité, dans la- quelle le transducteur des systèmes optiques 12, 22 de réception du signal utile est constitué d'un capteur linéaire, coopérant avec un miroir 18, 28 unique de balayage dans la direction per- pendiculaire à la barrette de photodiode. Comme schématisé en figure 4, la communication est établie au cours d'une phase d'initialisation comportant les trois éta- pes suivantes désignation d'objectif ( 51), acquisition bilatérale itérative ( 52), liaison informative proprement dite ( 53). L'étape 51 de la désignation d'objectif s'effectue à par- tir d'une prédésignation de qualité moyenne Plus grande sera cette qualité, plus grande sera la distance à laquelle pourra se faire la désignation et plus court sera le temps nécessaire A titre d'exemple, il a été imaginé des modes de désignation en fonction du choix des champs: grand champ (de l'ordre de 200 mrd), moyen champ (de l'ordre de 100 mrd), petit champ (de l'ordre de 10 mrd). Ces champs sont les champs d'émission L'interlocuteur appelant émet dans le mode correspondant à la qualité de prédésignation. Dans certaines configurations, on peut envisager un dispositif de balayage pour étendre le champ de recherche L'interlocuteur appelé reçoit un signal de son imageur. Le signal reçu permet d'affiner la prédésignation au cours de l'étape 52 d'acquisition bilatérale itérative Un signal réémis dans un champ moyen dans la direction de l'appelant permet à ce dernier de réduire à son tour son champ d'émission. La phase de désignation est terminée lorsque la qualité de la désignation est de l'ordre de quelques pixels du capteur CCD de chacune des voies d'initialisation et de poursuite des stations communicantes Lorsque cette qualité de désignation est at- teinte, les deux interlocuteurs passent en mode "petit champ" et augmentent la fréquence de rafraîchissement de la poursuite par un fenêtrage (vignettage) de l'imageur (par exemple Jusqu'à 1000 Hz). Dans la phase de transmission 53 proprement dite, les déflecteurs (par exemple: miroirs rapides) des voies de récep- tion du contenu de la communication utile reçue positionnent dans chaque récepteur l'image du faisceau laser reçu sur la barrette de photodiodes, selon un champ de vision cohérent avec la précision des photodiodes. A titre d'exemple, le dispositif peut être appliqué aux communications ESPACE/SURFACE, ESPACE/AIR, AIR/SURFACE ou SURFACE/SURFACE, chaque type pouvant nécessiter un nom- bre différent de dispositifs. En outre, le dispositif constitue un illuminateur petit champ de grand débattement à pointage rapide. Par ailleurs, comme déjà mentionné, si le besoin de liai- son est unidirectionnel, on peut envisager un dispositif émet- teur/poursuite sur l'un des mobiles et un dispositif récep- teur/poursuite sur l'autre mobile. Enfin, dans une autre configuration compatible avec l'in- vention, la fonction de poursuite peut être assurée par un autre capteur ou connue du fait d'une trajectoire déterminée, ce qui permet de se passer des voies optiques 16, 26 de la figure 1. lé REVENDICATIONS 1 Système de liaison optique entre deux stations, notam- ment entre des stations d'émission/réception embarquées à bord d'aéronefs, caractérisé en ce que chaque station comprend un émet- teur/récepteur optique, et en ce qu'au moins une desdites stations ( 10, 20) comprend un récepteur équipé de deux voies distinctes: une première voie optique ( 16, 26; 45) d'initialisation et de poursuite, dans l'espace, de la direction de communication; une seconde voie optique ( 12, 22; 46) de transmission du contenu de la communication. 2 Système selon la revendication 1 caractérisé en ce que lesdites première et seconde voles de réception traitent les mêmes signaux, provenant de la même voie d'émission ( 11, 21; 40, 41, 42) de la station distante. 3 Système selon l'une quelconque des revendications 1 et 2 caractérisé en ce que les stations d'émission/réception sont munies de systèmes optiques à grand angle, et présentent une ouverture approximativement hémisphérique. 4 Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que ladite station d'émission/réception est constituée de deux systèmes optiques jumelés ( 11, 12; 21, 22), un premier système optique ( 11, 21) assurant l'émission des communications, et le second système optique ( 12, 22) assurant la réception des communications, et en ce que ladite voie optique réceptrice ( 16, 26) d'initiali- sation et de poursuite est située en dérivation sur l'un ou l'autre desdits systèmes optiques jumelés ( 11, 21; 12, 22). Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que la voie d'émission ( 11, 21) dudit émet- teur/récepteur optique comprend des moyens ( 41, 42) de con- trôle et de commande de focalisation, assurant un contrôle de la direction d'émission du faisceau optique. 6 Système selon la revendication 5 caractérisé en ce que en amont desdits moyens de contrôle et de commande de focalisa- tion ( 43), ladite voie d'émission comprend au moins un déflec- teur optique appartenant au groupe comprenant les déflecteurs acousto-optiques et les miroirs galvanométriques. 7 Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 caractérisé en ce que la voie émettrice ( 11, 21) dudit émet- teur/récepteur est illuminée par une source ( 40) constituée d'un ou plusieurs faisceaux lasers. 8 Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 caractérisé en ce que ladite voie optique réceptrice d'initiali- sation et de poursuite ( 16, 26; 45) comporte un détecteur CCD. 9 Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 8 caractérisé en ce que ladite seconde voie optique ( 12, 22) de réception du contenu de la communication comprend au moins un capteur optique rapide ( 17, 27, 37) appartenant au groupe com- prenant les photodiodes, les photodiodes à avalanche et les photomultiplicateurs Procédé d'établissement de communications au moyen d'un système selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes: une première étape ( 51) de désignation d'objectif, dans laquelle la station appelante émet un premier signal optique d'initialisation dans un champ de recherche prédéterminé présumé inclure la station appelée; une seconde étape itérative d'acquisition bilatérale ( 52) dans laquelle chacune des stations appelée et appelante émet en retour, après réception d'un signal optique d'initialisa- tion émis par l'autre station, un nouveau signal d'initialisa- tion couvrant un champ d'émission réduit, ladite seconde étape itérative étant menée jusqu'à obtention d'une précision d'acquisition directionnelle prédéterminée entre lesdites stations; une troisième étape de communication interstations ( 53), dans laquelle lesdites stations échangent des données utiles, chacune des stations réalisant, en réception, d'une part la réception des signaux utiles à travers ladite seconde voie opti- que de transmission du contenu de la communication, et d'autre part le rafraîchissement de la poursuite à travers ladite pre- mière voie optique d'initialisation et de poursuite, dans l'es- pace, de la direction de communication. 11 Procédé selon la revendication 10 caractérisé en ce ladite première étape de désignation d'objectif ( 51) comporte un processus de balayage de faisceau optique par la station appe- lante, pour étendre le champ de recherche. 12 Procédé selon l'une quelconque des revendications 10 et 11, destiné à être mis en oeuvre dans un système selon la revendication 8, caractérisé en ce que la précision d'acquisi- tion directionnelle recherchée au cours de ladite seconde étape itérative ( 52) est de quelques pixels dudit détecteur CCD de la voie réceptrice d'initialisation et de poursuite ( 16, 26). 13 Procédé selon l'une quelconque des revendications 10 à 12 caractérisé en ce que le rafraîchissement de la poursuite de ladite troisième étape de communication interstations ( 53) est réalisé à partir d'informations de trajectoire fournies par des moyens extérieurs audit système de liaison optique. 14 Système de transmission mettant en oeuvre le procédé selon l'une quelconque des revendications 10 à 13.