Brevet FR2675593A1 — publié le 19921023

TETE OPTOELECTRONIQUE A BALAYAGE PERMETTANT SA LOCALISA TION PAR RAPPORT A UNE SOURCE LUMINEUSE EMETTRICE. Dans de nombreuses applications, notamment la localisation et l'identification d'engins mobiles, la communication entre une station fixe et une station mobile, la robotique, le contrôle de processus, il est nécessaire de localiser une station ou un objet mobile en vue d'établir une communication qui servira en particulier à son identification. Bien que l'invention ne se limite pas à cette application spécifique, elle sera décrite dans la suite en relation avec le contrôle des déplacements d'engins mobiles, qui peuvent être par exemple des hélicoptères ou autres aéronefs, voitures dans un cortège officiel, et autres. Lorsque des engins mobiles se déplacent suivant des trajectoires déterminées, il est important, pour des raisons de sécurité, de pouvoir les suivre dans leurs déplacements et de contrôler leur identité. L'invention se propose de remplir au moins la fonction de localisation avec des équipements légers et relativement peu onéreux assurant de préférence une liaison à haute directivité dans le sens station fixe - station mobile, donc présentant peu de risque de détection non autorisée et, par conséquent, de décryptage des codes. Dans sa version la plus complète dans laquelle l'identification se fait par transmission lumineuse, avantageusement infrarouge, le système minimise par ailleurs les problèmes dits de "contention", c est-à-dire de règlement des conflits résultant des brouillages entre postes identifiés, ainsi que les nuisances pour les utilisateurs de systèmes de télécommunication ou de radiodiffusion. Les avantages des systèmes de transmission à faisceau lumineux directif, notamment en infra-rouge, dans leurs applications à l'identification sont connus, par exemple du brevet français No 2 637 749 déposé le 12 octobre 1988 par "Electronique Serge Dassault" et de la demande de brevet français déposée par la Demanderesse le 20 juillet 1990 sous le No 90 09282. Toutefois, les systèmes actuels ne sont pas adaptés à la localisation d'un engin mobile à partir de stations au sol et ne présentent pas une directivité suffisante pour répondre aux exigences énoncées ci-dessus. L'invention a pour objet une tête optoélectronique dont le système optique de réception effectue, d'une part, un mouvement de rotation qui fait balayer une surface photosensible dans une première direction par l'image de la source d'émission formée dans son plan focal, d'autre part, un mouvement oscillant qui fait balayer ladite surface dans une seconde direction perpendiculaire à la première, l'agencement étant tel que lesdits balayages atteignent la surface photosensible pendant des fractions angulaires prédéterminées desdits mouvements compatibles avec la précision de localisation recherchée, des moyens étant associés à ladite tête pour effectuer l'acquisition des coordonnées angulaires extrêmes des deux balayages rectangulaires. Suivant une forme d'exécution plus particulièrement destinée à la réalisation d'une tête embarquée à bord d'un hélicoptère, associée à une station fixe de contrôle, ledit système optique de réception est entraîné en rotation autour d'un premier axe perpendiculaire à l'axe longitudinal de l'hélicoptère et forme, sur une surface photosensible ayant deux dimensions respectivement parallèle et perpendiculaire audit premier axe et fixe par rapport audit système optique, une image ponctuelle de la source émettrice que comporte la station au sol, image qui balaye ladite surface photosensible suivant sa deuxième dimension lorsque le faisceau lumineux émis entre dans un angle a de réception de la tête embarquée dans le plan défini par ledit axe longitudinal et par l'horizontale, lequel est prédéterminé à une valeur compatible avec la précision recherchée ; des moyens de faire pivoter le système optique dans un plan perpendiculaire au précédent, d'un angle qui correspond aux limites de l'inclinaison de l'axe longitudinal de l'hélicoptère par rapport à l'horizontale, au cours des évolutions autorisées de celui-ci, l'image balayant alors la surface photosensible suivant sa première dimension, des moyens de prédéterminer un angle p de réception de la tête embarquée dans ledit plan perpendiculaire à une valeur compatible avec la précision recherchée ; et des moyens d'acquisition des coordonnées extrêmes des deux balayages rectangulaires ainsi effectués. Suivant un mode d'exécution préféré, lesdits moyens de prédéterminer l'angle p comprennent un diaphragme, interposé pendant ledit pivotement entre le système optique et la surface photosensible, de manière à réduire la portion de celle-ci où peut se former une image. L'invention a encore pour objet un système de transmission à faisceau lumineux directif entre une station de contrôle et une station éloignée à localiser, caractérisé en ce que la station de contrôle est équipée d'une tête optoélectronique émettrice-réceptrice à haute directivité, tandis que la station éloignée est équipée d'une tête optoélectronique telle que définie ci-dessus, munie en outre de moyens d'émission d'un faisceau lumineux à haute directivité et de moyens de faire effectuer audit faisceau lumineux un balayage de recherche de la station de contrôle dans les limites définies par lesdites coordonnées angulaires extrêmes. Un autre objet de l'invention est une station de contrôle destinée à coopérer avec une station éloignée telle que définie ci-dessus, caractérisée en ce qu'elle est équipée d'un dispositif optique de visée. D'autres particularités, ainsi que les avantages de l'invention, apparaîtront clairement à la lumière de la description ci-après. Au dessin annexé, relatif à un mode d'exécution préféré d'un système de contrôle des déplacements d'un hélico ptère La figure 1 illustre le balayage horizontal de la surface photosensible La figure 2 illustre le balayage vertical La figure 3 est un schéma de principe d'un mode d'exécution préféré de la station embarquée Les figures 4 et 5 représentent respectivement un diaphragme rectangulaire et un diaphragme circulaire qui font partie du système optique de la tête embarquée ; et La figure 6 est un schéma de principe d'un mode d'exécution préféré de la station au sol. A la figure 1, on a représenté une surface photosensible se présentant sous la forme d'un rectangle allongé SP disposé "verticalement" et une lentille L d'axe "horizontal" X'X. Cette lentille symbolise un système optique associé à la surface sensible située dans son plan focal, la distance focale étant, à titre d'exemple, égale à 50 mm. La surface photosensible est fixe par rapport à l'hélicoptère tandis que le système optique est agencé pour pivoter de + 15 par rapport à l'axe X'X dans un plan perpendiculaire à celui défini par l'axe longitudinal de l'hélicoptère et par l'horizontale. La valeur de + 15 correspond aux limites (à savoir + 5 à - 25 ) de l'inclinaison, par rapport à l'horizontale, de l'axe longitudinal de l'engin au cours de ses évolutions autorisées. Le système optique L est agencé pour effectuer des révolutions complètes autour de l'axe ZZ' pendant la veille. Le faisceau laser émis par la station au sol, située par exemple à 2000 m au maximum, a par exemple une divergence de 1 mrd à 2 mrd et éclaire ainsi une surface de 2 à 4 m de diamètre à la distance de 2000 m. Il illumine donc l'ensemble de la tête optique et forme dans le plan focal, une image ponctuelle qui balaye de X1 à X2 la largeur de la surface photosensible, à une hauteur ZO qui dépend de l'angle (compris entre - 15 et + 15 ) que fait la ligne de visée avec l'axe optique. Pendant ce balayage X1X2, le photo-récepteur fournit un signal mis en mémoire dans un dispositif de traitement de l'information embarqué (non figuré), lequel est informé à chaque instant de la position angulaire du système optique dans le plan horizontal et détermine ainsi, avec une précision correspondant à l'angle de réception a dans le plan "horizontal", tel que défini par ledit balayage, la position angulaire de la station au sol dans ledit plan. Lorsque cette position angulaire a été acquise, on interrompt la révolution du système optique autour de son axe "vertical" ZZ' et on le fait pivoter, de manière à faire balayer à son axe X'X un angle de 30 ayant son axe de symétrie X'OXO dans le plan "horizontal". Pendant ce balayage, qui fait passer X'X de la position X'lXl à la position X'2X2 (figure 2), on interpose un diaphragme D entre le système optique L et la surface photosensible SP, de telle sorte que la surface photosensible utile se trouve réduite à la dimension SPA hachurée, qui correspond par exemple à un angle de réception p dans le plan vertical. Le temps de balayage vertical étant choisi suffisamment bref pour que la ligne de visée puisse être considérée comme sensiblement fixe pendant ce balayage, celui-ci aura pour effet de déplacer verticalement le point image sur toute la hauteur de la surface SP. La réduction à SPA de la surface photosensible utile a finalement pour effet de déterminer, à p" près, la position angulaire de la ligne de visée dans le plan vertical, le dispositif de traitement étant informé, à chaque instant, de la position angulaire du système optique dans le plan vertical. Ayant ainsi acquis successivement, en un temps très bref et avec une précision de l'ordre du degré par exemple, les positions angulaires de la ligne de visée dans le plan horizontal et dans le plan vertical, il est possible de faire effectuer à un faisceau laser émis par la station embarquée, un balayage horizontal et vertical simultané dans les limites de ces positions angulaires, jusqu'à ce que le récepteur de la station au sol ait effectivement été atteint. On notera que ce balayage simultané permet d'atteindre la station au sol sans nécessiter la détection extrêmement précise de sa position (à 1 m radian près) qui serait nécessaire en son absence. Une telle précision de détection exigerait l'emploi d'un laser puissant et d'un asservissement mécanique très coûteux. Les figures 3 à 5 représentent schématiquement un mode d'exécution préféré de la tête optoélectronique embarquée. Le système optique de réception comprend une première optique, représentée symboliquement par une lentille 1 sur l'axe A'A de laquelle est disposé un miroir 2 incliné à 45". Sur l'axe B'B perpendiculaire à A'A et passant par le centre du miroir et de la lentille sont disposés un premier diaphragme rectangulaire 3 représenté en plan à la figure 4, une fenêtre transparente 4, un second diaphragme circulaire 5 représenté en plan à la figure 5, une deuxième optique représentée symboliquement sous la forme d'une lentille 6, un filtre interférentiel 7 et une surface photosensible 8. Le filtre interférentiel 7, calé sur la longueur d'onde du faisceau laser émis dans l'infra-rouge par la station au sol, sert à éliminer l'influence de sources parasites de lumière sur la surface photosensible. Le faisceau reçu de la station au sol et successivement concentré par la lentille 1 et réfléchi par le miroir 2, traverse le diaphragme 3 et la lentille 6 et forme finalement une image ponctuelle de la source dans le plan de la surface photosensible 8. Le faisceau réfléchi par le miroir balaie, au cours de la rotation de l'ensemble constitué par la lentille 1, le miroir 2, le diaphragme 3 et la fenêtre 4, un segment X1X2 du diaphragme 3 dont la position le long dudit diaphragme dépend de l'inclinaison du faisceau incident sur la lentille 1 par rapport à l'axe AA'. La durée de ce balayage définit, comme dans le schéma de principe de la figure 1, la position angulaire de la ligne de visée dans le plan horizontal. Lors du pivotement de l'ensemble 1-2-3-4 qui constitue le balayage vertical tel qu'il a été expliqué ci-avant en se référant à la figure 2, le diaphragme circulaire 5 est fermé, c'est-à-dire que son ouverture est celle illustrée en pointillés aux figures 3 et 5. La surface sensible utile est alors réduite à une portion de la surface photosensible 8 délimitée par la conjugaison du diaphragme 5 et de la lentille 6. En définitive, ces diaphragmes, en conjugaison avec la lentille 6, définissent une fenêtre de réception sur la surface photosensible 8, et cette dernière pourra avoir une forme quelconque et des dimensions plus faibles qu'à la figure 1. La partie émission de la tête embarquée comprend, axés sur BB', un laser à infra-rouge 9, une fenêtre transparente 10 et un miroir 11 incliné à 45" en sens inverse du miroir 2. Les éléments 5 à 8 et 9 sont montés dans des parties fixes de la tête, tandis que les éléments 1 à 4 et 10-11 sont montés dans une partie mobile. Cette partie mobile est représentée à l'intérieur d'un rectangle en trait mixte 12 qui symbolise un support mécanique capable d'effectuer un mouvement de rotation de 360" autour de l'axe B'B. Les miroirs 2 et 11 sont eux-mêmes soumis, par des moyens non figurés, à un mouvement pivotant de + 15 par rapport à l'axe A'A. Ces deux mouvements sont effectués, d'une part, au cours des deux phases successives de l'acquisition des positions angulaires de la source au sol pendant la réception, d'autre part, simultanément pendant l'émission, pour obtenir l'équivalent d'un mouvement de balayage hélicoïdal ayant les deux composantes telles que définies ci-avant. Ces mouvements sont commandés par un dispositif d'entraînement 13, dont la réalisation est à la portée de l'homme du métier, et qui comporte par exemple deux moteurs pas à pas effectuant respectivement les mouvements de rotation de la partie mobile et de pivotement des miroirs. Le dispositif 13 est lui-même commandé par un dispositif électronique 14, dont la réalisation est également à la portée de l'homme du métier, qui reçoit les signaux de positions angulaires engendrés par la photodiode qui constitue la surface photosensible 8, les met en mémoire, traite l'information correspondante et en dérive les signaux de commande des moteurs. On notera que seuls les organes fixes sont reliés à des sources électriques, ce qui supprime les problèmes de connectique avec des organes en mouvement. On va maintenant expliquer de manière plus détaillée le fonctionnement du dispositif en supposant, à titre d'exemple, que les angles de réception a et p sont égaux à 1 8, que la recherche dans le plan horizontal s'effectue en deux tours d'un moteur d'entraînement tournant à 1200 tours/mn et que la recherche dans le plan vertical s'effectue pendant une oscillation de 30" des miroirs, entraînés par une came elle-même actionnée par un moteur tournant à 1200 tours/mn. La présence du faisceau au cours de deux révolutions de la tête sera détectée dans un intervalle de temps- de (1 mn/1200) x 2 = 0,1 sec. La réception aura lieu seulement pendant (48/360) x 0,1 sec = 2,5 ms, temps suffisant pour détecter la présence de la porteuse du signal émis. La communication bilatérale ne pourra s'effectuer que lorsque la tête sera orientée dans la direction de l'axe de visée à par exemple 1 m radian près, soit pendant 8 Ps environ, ce qui est insuffisant, à moins que l'on n'utilise des fréquences de communication très élevées. On préférera procéder à un balayage horizontal lent, succédant au balayage rapide décrit ci-avant, couvrant seulement la fenêtre de 1 8 en 64 pas par exemple et s'effectuant par exemple à la vitesse de 191 tours/mn, chaque pas ayant ainsi une durée de 24,5 Ps, suffisante pour effectuer une communication à la fréquence de 455 Khz citée ci-après à titre d'exemple. A cette vitesse de 191 tours/mn, le moteur peut être arrêté à chaque pas sans difficulté. Pour les mêmes raisons (inertie du moteur et durée minimale acceptable de la communication), le balayage vertical normal sera suivi d'un balayage à la même vitesse, mais limité à la fenêtre de 1 8 et effectué en 64 pas, si bien que la durée de chaque pas sera égale à 3,9 Ps. Ce balayage horizontal et vertical limité à la fenêtre de 1,8 x 18 ayant été effectué, on peut considérer que la position du faisceau d'émission de la station au sol est connue à plus ou moins 3 pas près, soit dans une fenêtre de 0,16 x 0,16 . On effectuera alors de préférence un microbalayage horizontal, puis vertical, dans cette fenêtre, par exemple à une vitesse de balayage horizontal de 1,6 tour/mn et à la vitesse de balayage vertical de 1200 tours/mn. La communication bidirectionnelle sera établie uniquement pendant cette phase de microbalayage, autorisant ainsi une durée de communication de 5,8 ms pour une divergence de 1 mr des faisceaux d'émission. Toutefois, les deuxième et/ou troisième phases de balayage pourront être omises si la fréquence utilisée est suffisamment élevée pour que le temps de communication puisse être réduit. Il doit être bien compris que diverses modifications pourront être apportées à la tête optoélectronique embarquée qui vient d'être décrite, sans s'écarter de l'esprit de l'invention. En particulier, l'ordre de succession des deux balayages de détection n'est pas impératif et on pourrait même envisager de les exécuter simultanément. Le mouvement de rotation de la tête embarquée autour de son axe vertical pourra être réduit angulairement à condition que la tête puisse effectuer un mouvement de balayage dirigé vers l'avant et un mouvement dirigé vers l'arrière. Par ailleurs, au lieu de comporter des moyens d'utiliser les signaux de repérage des positions angulaires du faisceau émis par la station au sol pour commander le positionnement des organes d'émission de la tête embarquée, on pourra remplacer ces derniers par des moyens d'émission omnidirectionnelle, par exemple radioélectrique. De même, l'utilisation d'un diaphragme variable pour prédéterminer l'angle de réception verticale p n'est pas limitative. On pourrait en effet, utiliser comme élément photosensible de réception, un capteur linéaire du type PSD qui a la propriété de donner une information de haute résolution dans une direction perpendiculaire à son axe privilégié de détection. Enfin, l'emploi de lasers pour l'émission n'est pas impératif, d'autres composants tels que des diodes émettrices de lumière (LED) pouvant être utilisés, et la longueur d'onde pouvant ne pas être celle qui correspond à 1' infra-rouge. A la figure 6, on a représenté la station au sol sous forme d'un fusil F à lunette de visée LV, muni d'une tête optoélectronique bidirectionnelle TO. Cette tête, dont la réalisation est à la portée de l'homme du métier, comporte un laser d'émission à infrarouge et une photodiode de réception dont les axes sont confondus suivant une direction parallèle à l'axe de la lunette de visée. Elle est par exemple reliée à un terminal de visualisation TV par un câble C pour établir une liaison du type TTL. Cette liaison assure l'alimentation électrique de la tête, l'interface de communication entre le terminal et le fusil, et l'affichage sur une ligne de 16 caractères du numéro d'accréditation de l'engin mobile. A titre d'exemple, la puissance émise est de l'ordre de 30 mW, la divergence moyenne à l'émission de 0,3 à 0,6 m rad, la longueur d'onde d'émission 820 nm, l'angle d'ouverture à la réception de l'ordre de 1 m rad, la vitesse de transmission des données de 38.400 bauds. L'onde émise est modulée à une fréquence égale à 455 Khz. Le surveillant en poste, dès qu'il aperçoit un engin mobile, épaule le fusil et le vise. La tête embarquée détecte le rayonnement émis par le fusil et, comme on l'a expliqué ci-dessus, se positionne automatiquement sur l'axe d'émission du fusil émetteur. Après avoir vérifié la validité du numéro d'identification du fusil émetteur, la tête embarquée transmet à la station au sol son numéro d'accréditation en suivant un protocole de transmission bien défini. Ce numéro d'accréditation est alors affiché sur le terminal et le surveillant peut le transmettre à un poste central de surveillance avec lequel il est relié. Le chargement de l'identification pourra se faire suivant des procédés conventionnels connus, comme la programmation d'une EEPROM, le chargement par carte à mémoire, la programmation à travers l'optique, le chargement à partir d'un PC, etc... Toutes les informations transmises pourront être codées, cryptées, compressées, etc... Revendications 1. Tête optoélectronique réceptricee d'un faisceau lumineux émis par une source éloignée par rapport à laquelle elle doit être localisée en vue d'établir une communication, caractérisée en ce que son système optique de réception (L, figure 1) effectue, d'une part, un mouvement de rotation qui fait balayer une surface photosensible (SP) dans une première direction (X1X2) par l'image de la source d'émission formée dans son plan focal, d'autre part, un mouvement oscillant qui fait balayer ladite surface dans une seconde direction perpendiculaire à la première, l'agencement étant tel que lesdits balayages atteignent la surface photosensible pendant des fractions angulaires prédéterminées desdits mouvements compatibles avec la précision de localisation recherchée, des moyens étant associés à ladite tête pour effectuer l'acquisition des coordonnées angulaires extrêmes des deux balayages rectangulaires. 2. Tête optoélectronique selon la revendication 1, caractérisée en ce que ledit système optique de réception (1-6) est entraîné en rotation autour d'un premier axe perpendiculaire (B'B) à l'axe longitudinal (A'A) de l'hélicoptère et forme, sur une surface photosensible (8) ayant deux dimensions respectivement parallèle et perpendiculaire audit premier axe et fixe par rapport audit système optique, une image ponctuelle de la source émettrice que comporte la station au sol, image qui balaye ladite surface photosensible suivant sa deuxième dimension lorsque le faisceau lumineux émis entre dans un angle a de réception de la tête embarquée dans le plan défini par ledit axe longitudinal et par l'horizontale, lequel est prédéterminé à une valeur compatible avec la précision recherchée ; des moyens de faire pivoter le système optique dans un plan perpendiculaire au précé dent, d'un angle qui correspond aux limites de l'inclinaison de l'axe longitudinal de l'hélicoptère par rapport à l'horizontale, au cours des évolutions autorisées de celui-ci, l'image balayant alors la surface photosensible suivant sa première dimension, et par des moyens (5) de prédéterminer un angle p de réception de la tête embarquée dans ledit plan perpendiculaire à une valeur compatible avec la précision recherchée ; et des moyens (14) d'acquisition des coordonnées extrêmes des deux balayages rectangulaires ainsi effectués. 3. Tête optoélectronique selon la revendication 2, caractérisée en ce que lesdits moyens de prédéterminer l'angle p comprennent un diaphragme (5), interposé pendant ledit pivotement entre le système optique (1-2) et la surface photosensible (7), de manière à réduire la portion de celle-ci où peut se former une image. 4. Système de transmission à faisceau lumineux directif entre une station de contrôle et une station éloignée à localiser, caractérisé en ce que la station de contrôle est équipée d'une tête optoélectronique émettrice-réceptrice à haute directivité, tandis que la station éloignée est équipée d'une tête optoélectronique selon l'une des revendications 1 à 3, munie en outre de moyens d'émission (9 à 11) d'un faisceau lumineux à haute directivité et de moyens (13) de faire effectuer audit faisceau lumineux un balayage de recherche de la station de contrôle dans les limites définies par lesdites coordonnées angulaires extrêmes. 5. Station de contrôle destinée à faire partie d'un système de transmission conforme à la revendication 4, caractérisée en ce qu'elle est équipée d'un dispositif oblique de visée (LV). 6. Tête optoélectronique selon la revendication 3, caractérisée en ce que ledit système optique de réception comprend un premier ensemble tournant incorporant une première lentille (1) ayant son axe (A'A) parallèle audit axe longitudinal, un miroir (2) incliné à 45" sur ledit axe et définissant un second axe perpendiculaire au précédent, et un premier diaphragme (3) à ouverture rectangulaire constante centrée sur ledit second axe (B'B), et un second ensemble fixe centré sur ledit second axe et comprenant un second diaphragme (5) à ouverture variable, une deuxième lentille (6), et une photodiode (8), et des moyens de réduire l'ouverture du second diaphragme pendant le balayage suivant la première dimension, de façon à réduire la surface photosensible utile de la photodiode. 7. Tête optoélectronique selon la revendication 6, caractérisée par un laser d'émission (9) fixe centré sur ledit second axe et par un second miroir (11), également centré sur ledit second axe et incliné à 45 , associé audit laser d'émission et incorporé audit premier ensemble tournant. 8. Tête optoélectronique selon la revendication 6 ou 7, caractérisée en ce que la rotation dudit ensemble tournant est commandée par un premier moteur pas à pas ayant au moins deux vitesses de rotation et que le pivotement du ou des miroirs est commandé par un second moteur pas à pas par l'intermédiaire d'une came. 9. Tête optoélectronique selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que lesdits balayages rectangulaires s'effectuent en phases successives au cours desquelles sont balayées des fenêtres définies par des coordonnées angulaires extrêmes de plus en plus réduites, à des vitesses compatibles avec les fréquences de communication utilisées ; le ou les balayages d'approche fixe s'effectuant pas à pas.