Brevet FR2690997A1 — publié le 19931112

Système optoélectronique d'acquisition de cible, à très grand champ La présente invention concerne un système optoélectronique d'ac- quisition de cible, c'est-à-dire de détection et de localisation angulaire de cible dans un très grand champ, de l'ordre du demi-espace. Un tel système peut être embarqué dans un aéronef Il permet alors de détecter des menaces ennemies de type avions ou missiles. De tels systèmes de surveillance optoélectroniques utilisent, dans leur très grande majorité, des techniques de détection du rayonnement infrarouge émis par les cibles Un détecteur infrarouge est placé au foyer d'une optique Le rôle du détecteur est de transformer en signal électrique le rayonnement électromagnétique émis par la cible et focalisé par l'optique A titre d'exemple, de tels systèmes sont sensibles à des plages de longueurs d'onde optique comprises entre 2 et 5 micromètres, ou encore entre 8 et 13 micromètres Le signal électrique créé au niveau du détecteur est amplifié Des moyens électroniques de traitement de ce signal électrique permettent d'y déceler un brusque accroissement, correspondant au passage de l'image d'une cible au niveau du détecteur infrarouge. Les détecteurs infrarouges ont généralement une zone sensible o le flux infrarouge doit être focalisé pour être transformé en signal électrique Cette zone est de petites dimensions géométriques Typi- quement, les dimensions de la zone sensible sont inférieures à 1 mm 2, et diminuent souvent à 50,um x 50 pm Il en résulte que le champ dans lequel doit se trouver la cible pour être détectée est très faible dans le cas de l'utilisation d'un détecteur unique placé au foyer d'un objectif L'angle de champ est égal au quotient de la dimension de la zone sensible sur la distance focale de l'objectif et est typiquement inférieur au degré d'angle Cette valeur d'angle de champ ne permettant pas de détecter une cible dans de bonnes conditions, en général, plusieurs zones sensibles sont juxtaposées suivant un axe longitudinal pour constituer une barrette de détecteurs infrarouges élémentaires Typi- quement, quelques dizaines de détecteurs sont groupés ainsi Placée au plan focal de l'objectif, une telle barrette de détecteurs couvre un champ ayant un angle voisin d'une dizaine de degrés suivant la direction longitudinale de la barrette, et une fraction de degré suivant une direction perpendiculaire à la barrette. L'analyse d'une zone d'espace est alors effectuée par déplacement du champ élémentaire couvert par la barrette, ce champ étant déplacé dans la direction perpendiculaire à l'axe longitudinal de la barrette. La Fig 1 annexée illustre schématiquement un système d'acquisition connu, souvent mis en oeuvre, comportant un ensemble capteur incluant un objectif et une barrette de détecteurs infrarouges, et monté à rotation autour de l'axe longitudinal vertical de la barrette Chacun des détecteurs élémentaires de la barrette est relié à des moyens de traitement La cible est localisée angulairement dans un "bandeau" angulaire ainsi balayé dès que les moyens de traitement ont détecté un accroissement du signal électrique fourni par l'un des détecteurs de la barrette grâce à la connaissance du numnéro du détecteur ayant perçu le flux lumineux d'une part, et d'autre part, à la mesure de la direction angulaire visée par le système à l'instant de la détection. Ce type de système de veille infrarouge optoélectronique présente l'inconvénient d'être fortement limité en champ total d'exploration. D'autres concepts ont été expérimentés Ils utilisent des dispo- sitifs optomécaniques de balayage du type miroirs oscillants, polygones de miroirs rotatifs, ou analogues, utilisés deux à deux de manière à balayer plusieurs bandeaux superposés Même avec ces dispositifs, le balayage d'un demi-espace complet, correspondant à 2 N stéradians n'est pas possible. Le but de l'invention est de remédier principalement à cet inconvénient grâce à un dispositif de balayage à deux degrés de liberté permettant la couverture d'un champ supérieur à un demi-espace à l'aide d'une barrette de photodétecteurs. A cette fin, un système d'acquisition de cible comprenant des moyens optiques de focalisation et des moyens photodétecteurs disposés dans le plan focal des moyens de focalisation, est caractérisé en ce qu'il comprend un double prisme situé à l'opposé des moyens photodétecteurs par rapport aux moyens de focalisation, des premiers moyens pour entraîner en rotation, par rapport à un support, le double prisme autour d'un axe XVX longitudinal au double prisme et perpendiculaire à l'axe optique 3 - Z'Z des moyens de focalisation, des seconds moyens pour entraîner en rotat:on le support avec le double prisme autour de l'axe optique Z'Z, et des moyens situés entre le double prisme et les moyens de focalisation pour maintenir une image de la cible suivant une même direction dans le plan focal, quelles que soient les rotations du support portant le double prisme. Dans ces conditions, le système optoélectronique d'acquisition de cible couvre un champ total de recherche d'au moins un espace de 2 n stéradians Cet espace est analysé au moyen d'une succession de N bandeaux dont la largeur angulaire correspond à l'angle sous-tendu par une barrette des moyens photodétecteurs placée dans le plan focal d'un objectif. Chaque bandeau couvre au moins 1800 de long et est centré sur la verticale du système défini par l'axe optique lorsque le système analyse le demi-espace supérieur Les bandeaux sont balayés de manière uniforme en site par un mouvement de rotation du double prisme autour d'un axe horizontal, orthogonal à l'axe optique vertical Un support portant les premiers moyens optomécaniques qui génèrent le balayage en bandeau est mobile autour de l'axe vertical, ce qui permet de décaler progressivement les bandeaux en azimut. L'emploi seulement de deux systèmes selon l'invention, le premier surveillant par exemple le demi-espace supérieur et le second surveillant le demi-espace inférieur, permet d'assurer la surveillance de l'espace complet entourant un aéronef porteur des systèmes optoélectroniques. Selon une autre caractéristique de l'invention, les premiers et seconds moyens d'entraînement en rotation, respectivement du prisme par rapport à son support, et du support par rapport à un bâti fixe, ont des vitesses de rotation différentes et asservies pour balayer d'une manière optimum au moins un demi-espace ( 2 N stéradians) Selon une première variante, la figure de balayage peut être composée de bandeaux "polaires" réalisés par le balayage rapide du double prisme animé d'une première rotation à vitesse uniforme, lesdits bandeaux étant progres- sivement décalés au moyen d'une seconde rotation plus lente autour de l'axe optique Selon une seconde variante, la figure de balayage peut être composée de bandeaux "parallèles" réalisés par le balayage rapide autour de l'axe optique, lesdits bandeaux étant progressivement décalés au moyen d'une rotation plus lente du prisme autour de son axe longi- -4- tudinal. D'autres avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description de plusieurs réalisations préférées de l'invention en référence aux dessins annexés correspondants dans lesquels: la Fig 1 est un schéma illustrant Le balayage d'un "bandeau" au moyen d'une barrette de photodétecteurs selon la technique antérieure; la Fig 2 est une vue schématique en coupe diamétrale verticale d'un système optoélectronique d'acquisition de cible conforme à l'invention; la Fig 3 est une vue de dessus d'un engrenage inclus dans le système de la Fig 2; la Fig 4 est un schéma illustrant un premier mode de balayage d'un demi-espace au moyen de "bandeaux polaires", réalisable au moyen du système de la Fig 2; la Fig 5 est un schéma illustrant un second mode de balayage d'un demi-espace au moyen de "bandeaux parallèles", réalisable au moyen du système de la Fig 2; les Figs 6 A à 6 E sont des vues d'une même coupe transversale d'un double prisme de balayage du système, montrées à cinq positions de rotation successives, respectivement. Dans la Fig 1 est rappelé le principe connu du balayage d'un bandeau au moyen d'une barrette de photodétecteurs infrarouges 1 On a supposé, à titre d'exemple, que la barrette de détecteurs comporte cinq zones sensibles élémentaires, dites aussi "détecteurs élémentaires" 31 à 35 Des moyens de focalisation comprenant un objectif convergent 2 font correspondre, à chaque instant, à chacun des détecteurs élémentaires 31 à 35 une zone d'espace respective 41 à 45 L'ensemble des zones superposées 41 à 45 forme un "bandeau" vertical ayant une hauteur qui correspond au champ angulaire couvert par la barrette 1 placée dans le plan focal de l'objectif 2 Une flèche DB indique la direction du balayage Ce balayage peut être obtenu de façon simple par rotation de l'ensemble composé par l'objectif 2 et la barrette 1, autour d'un axe parallèle à l'axe longitudinal de la barrette détectrice 1, rotation indiquée par la flèche FR dans la Fig 1. Des moyens électroniques de traitement 61 à 65 sont respectivement connectés aux photodétecteurs élémentaires 31 à 35 Chacun des moyens de traitement est prévu, par exemple, pour signaler un excès du signal électrique délivré par le photodétecteur respectif, par rapport à un niveau prédéterminé Selon la Fig 1, cet excès est atteint dans le moyen de traitement 65 connecté au détecteur 35 sur lequel est focalisé le flux infrarouge émis par la cible visée, figuré en 5, et traversant la zone d'espace 45 On comprend que cette cible 5 soit alors localisée en zone 45 dès lors que son image a été reçue par le détecteur 35 La cible 5 est également localisée selon la direction du balayage DB dès lors qu'est connu l'angle de rotation créant le balayage, à l'instant o la cible 5 a été détectée. Dans la Fig 2 est montré un système optoélectronique d'acquisition d'objectif à très grand champ, conforme à l'invention Dans ce système sont retrouvés une barrette de photodétecteurs infrarouges 1, un objectif de focalisation 2 et des moyens de traitement 6 traitant respectivement des signaux électriques délivrés par les photodétecteurs élémentaires de la barrette, qui ont déjà été décrits dans le cadre de la Fig 1. Le système optoélectronique comprend, en outre, un premier prisme 7, un premier support cylindrique 8 dans lequel le prisme 7 est monté à rotation diamétrale, et un bâti cylindrique fixe 12 dans lequel le support 8 est monté à rotation coaxiale. Le prisme 7 est un double prisme régulier à angle droit dont les bases sont liées, par exemple par collage, à deux tourillons 111 et 112 coaxiaux à un diamètre de partie supérieure du support 8 Ce diamètre définit un axe horizontal X'X longitudinal au prisme 7 et perpendiculaire à l'axe vertical Z'Z commun au support 8, au bâti 12 et à l'objectif 2. Dans ces conditions, le prisme 7 effectue un balayage en site, suivant la flèche FS, lors de sa rotation autour de l'axe X'X A cet égard, les tourillons 111 et 112 sont guidés en rotation par des roulements 91 et 92 disposés dans deux cavités cylindriques en regard de la partie supérieure du support 8 L'un, 112, des tourillons est entraîné directement par un premier moteur électrique 10 encastré dans le support 8, et l'autre tourillon, 111, est associé à un capteur de position en site 13 également inclus dans le support 8. Le support 8 est mobile en rotation autour de l'axe "d'azimut" ou de "gisement" Z'Z confondu avec l'axe optique de l'objectif 2 La partie 6 supérieure du bâti 12 entoure la partie inférieure du support 8 qui est guidée en rotation dans le bâti 12 au moyen de roulements 141 et 142. Un joint tournant électrique 15 a une bague intérieure 152 liée à la périphérie externe du support 8, et une bague extérieure 151 liée à la partie supérieure du bâti fixe 12 Le joint tournant 15 sert à transmettre d'une part, des signaux de position en site du prisme 7 issus du capteur 13 vers une unité d'asservissement 16 pour le moteur , et d'autre part, des signaux de commande de marche/arrêt et de sens et de vitesse de rotation à partir de l'unité 16 vers le moteur 10. L'unité 16 asservit le fonctionnement du moteur 10 en fonction de signaux de consigne prédéterminés SC 10, et à partir des signaux de position en site. D'une manière analogue, un second moteur 17 sert à entraîner en rotation suivant la flèche FA le support 8 par rapport au bâti fixe 12 autour de l'axe optique Z'Z, un capteur de position en azimut 18 est interposé entre le support 8 et le bâti 12, et une seconde unité d'asservissement 19 est bouclée à travers le moteur 17 et le capteur 18 et reçoit d'autres signaux de consigne SC 17 pour le moteur 17. Sensiblement au centre du bâti 12, le système optoélectronique d'acquisition comporte un second prisme dérotateur 20, mobile en rotation autour de l'axe d'azimut Z'Z, qui est un "prisme de TAYLOR" dans un mode de réalisation préférentiel Le prisme 20 assure une "dérotation" de l'image afin que l'image de la cible visée dans l'espace vue par la barrette 1 à travers l'objectif 2 reste orientée suivant une direction déterminée parallèle à l'axe longitudinal de la barrette, quelle que soit la rotation autour de l'axe Z'Z du premier support 8 portant les paliers de rotation du prisme de balayage 7 En d'autres termes, l'image de la barrette 1 au niveau du premier prisme 7 et à travers le second prisme 20 est maintenue parallèle à l'axe longitudinal X'X du prisme 7. Le prisme dérotateur 20 est fixé à l'intérieur d'un second support cylindrique 21 qui est guidé en rotation autour de l'axe d'azimut Z'Z par l'intermédiaire de roulements 221 et 222 à l'intérieur du support tournant 8 Un article de la revue "Optics and laser technology", août 1972, pages 175-188, intitulé "Image rotation devices-a comparative survey" décrit en détails le fonctionnement des principaux prismes dérotateurs utilisables. 7 - Dans une variante de l'invention, le second support 21 est mobile en rotation directement à l'intérieur du bâti 12, et le premier support 8 tourne concentriquement autour du bâti 12 Cette variante n'introduit pas de différence notable au niveau de la définition du système optoélectronique. En raison d'une propriété optique connue du prisme dérotateur 20, l'angle de rotation de ce prisme doit être égal à la moitié de l'angle de rotation du support 8 à tout instant, les angles de rotation étant mesurés par rapport à un diamètre de référence du bâti fixe 12 Selon une réalisation préférée de l'invention, la commande en rotation du second support 21 portant le prisme 20 est réalisée au moyen du moteur 17 commandant la rotation du support 8, et par l'intermédiaire d'un système à engrenage 23 imposant le rapport 1/2 entre les angles de rotation. Comme montré à la Fig 3, le système à engrenage 23 comporte deux couronnes dentées 231 et 232, et au moins une paire de pignons planétaires 233 et 234 Les couronnes 231 et 232 sont concentriques à l'axe Z'Z et respectivement fixées aux parties inférieures des premier et second supports 8 et 21 Les pignons 233 et 234 sont disposés entre les couronnes 231 et 232 et tournent par l'intermédiaire de roulements à billes autour d'axes verticaux 235 et 236, parallèles à l'axe Z'Z, et fixés sur l'embase inférieure dubâti recevant l'objectif 2 Les pignons 233 et 234 engrennent entre eux et respectivement avec les couronnes 231 et 232 Selon la réalisation de la Fig 2, deux paires de pignons 233 et 234 sont diamétralement disposées entre les couronnes L'engrenage 23 autorise une rotation des supports 8 et 21 suivant le même sens, et le rapport d'angle 1/2 est obtenu notamment par le rapport du nombre de der:s entre les pignons 231 et 232 Selon une autre réalisation de l'invention, un moteur indépendant associé à un capteur et à une unité d'asservissement recevant les signaux SC 17 commande la rotation du second support 21 portant le prisme 20. Le chemin suivi par les rayons lumineux est schématisé à la Fig 2 au moyen de traits surlignés par des doubles flèches indiquant le sens suivi par le rayonnement On a indiqué le cheminement des rayons à travers le prisme 20, l'objectif de focalisation 2 et jusqu'à la barrette de photodétecteurs 1 A titre d'exemple, le prisme dérotateur 20 est un 8 - prisme régulier à base en trapèze isocèle du type "TAYLOR" dont le grand côté rectangulaire est réflecteur et fixé contre le support 21, parallèlement à l'axe Z'Z. Les Figs 4 et 5 illustrent deux modes d'analyse du champ réalisables au moyen d'un système optoélectronique conforme à l'invention. Selon la Fig 4, un premier mode d'analyse dit "à bandeaux polaires" BPO consiste en un balayage rapide en site réalisé au moyen de la rotation du prisme 7, et en un balayage lent en azimut réalisé par la rotation du support 8 et donc du prisme 20, permettant de décaler progressivement un bandeau polaire en azimut Dans la Fig 4 est schématisée l'analyse d'une zone d'espace correspondant à une demi-sphère, soit 2 r stéradians. Chaque bandeau BPO correspond au principe de balayage dont la description a été donnée en référence à la Fig 1 Dans l'hypothèse, prise à titre d'exemple jusqu'ici, o le champ analysé est centré sur la verticale, le balayage de bandeau est réalisé en "site". La longueur totale angulaire d'un bandeau est supposée égale à 1800 dans la Fig 4 En pratique, cette longueur angulaire peut être différente et en particulier peut être supérieure à 1800 afin d'assurer l'analyse d'une zone d'espace supérieure à une demi-sphère En effet, la rotation du premier prisme 7 balayant l'espace au-dessus d'un plan horizontal perpendiculaire à l'axe Z Z', peut être étendue vers le bas, par exemple de 300, voire jusqu'à 900, de part et d'autre de ce plan. Le décalage progressif en azimut des bandeaux BPO a lieu par rotation autour de l'axe vertical Z'Z Si l'on désigne par " O " la largeur angulaire d'un bandeau, correspondant à l'angle sous-tendu par la barrette 1 au foyer de l'objectif 2, l'analyse complète du champ nécessite un nombre entier N de bandeaux au moins égal à 1800/0, arrondi à l'entier supérieur. La rotation du support 8 doit être d'un demi-tour, soit 1800, pendant le balayage des N bandeaux Ce mode d'analyse du champ présente l'avantage de couvrir, de façon simple, la demi-sphère au moyen d'une rotation continue d'éléments optomécaniques tels que prisme 7, d'une part, support 8, support 21 et prisme dérotateur 20, d'autre part Par contre, ce mode d'analyse de champ présente un surbalayage au niveau de la zone "polaire" entourant la verticale Z'Z o concourent tous les bandeaux. La Fig 5 décrit un second mode de balayage selon lequel le balayage des bandeaux est réalisé par la rotation du support 8 Chaque bandeau 9 - BPA est alors balayé rapidement en azimut Les bandeaux BPA sont décalés successivement en site par une rotation du prisme 7 autour de l'axe X'X. La rotation en site peut être continue, correspondant à un décalage progressif des bandeaux à vitesse uniforme, ce qui pose alors un problème du balayage au voisinage de la verticale Z'Z, ou bien ladite rotation en site peut être pas-à-pas afin que les bandeaux BPA soient décalés successivement vers le haut et vers le bas Ce dernier mode de balayage suppose que la rotation la plus rapide et à vitesse uniforme ait lieu au niveau du support 8 mobile en azimut par rapport au bâti 12 Dans ces conditions, le rendement de balayage est meilleur puisqu'il n'y a plus de surbalayage à la verticale Il apparaît cependant que la vitesse angulaire dans un bandeau BPA n'est pas uniforme lorsque celui-ci est décalé en site, pour devenir très élevée à la verticale Ce problème peut être résolu au niveau des unités d'asservissement 16 et 19 grâce à des asservissements optimisés des vitesses de rotation Dans tous les cas, le prisme dérotateur 20 est asservi pour tourner à une vitesse moitié de celle du support 8. Le principe de fonctionnement du prisme de balayage 7 est décrit maintenant en référence aux Figs 6 A à 6 E Le prisme 7, réalisé selon des techniques connues, présente la particularité de permettre un balayage d'un faisceau optique sur plus de 180 grâce à un simple mouvement de rotation autour de l'axe X'X Selon la technique antérieure, ce balayage de 1800 n'est pas possible au moyen d'un miroir ayant un axe de rotation perpendiculaire à l'axe optique du faisceau, puisque le miroir serait alors vu par l'un de ses chants au cours de sa rotation Dans les Figs 6 A à 6 E sont illustrées cinq positions angulaires du prisme 7 correspondant à quatre rotations de 2205 vers la droite autour de l'axe X'X respec- tivement, d'une position de visée initiale orientée vers la gauche (Fig 6 A) à une position de visée finale orientée vers la droite (Fig 6 E). Dans ces figures est également schématisé l'objectif 2, fixe pendant la rotation du prisme 7. Le prisme 7 est constitué de deux prismes réguliers identiques 71 et 72 ayant des bases en triangle rectangle isocèle disposées perpen- diculairement à l'axe de rotation X'X Les grands côtés 73 des prismes 71 et 72 sont revêtus d'une couche à réflexion totale, sont accolés, et sont axés longitudinalement sur l'axe X'X Chaque prisme 71, 72 est donc - un prisme à réflexion totale. Sauf pour les positions initiale et finale lors de la rotation, comme montré aux Figs 6 A et 6 E, il apparaît que les rayons optiques sont partagés en deux parties qui respectivement traversent les deux prismes 71 et 72 et se réfléchissent totalement au niveau des grands côtés Il résulte du mode de propagation de ce double prisme 7 que la rotation de la ligne de visée LV est deux fois plus rapide que la rotation mécanique du prisme 7 lui-même autour de l'axe X'X Il apparaît également que, pour une rotation du prisme 7 à vitesse uniforme balayant un secteur de 1800 au plus, le rendement de balayage est au moins de 50 % En effet, la ligne de visée LV est dirigée pendant au plus la moitié de la rotation vers l'intérieur du bâti 12 du système, rendant inutilisable le balayage en site Toutefois, cette rotation inutilisable peut être évitée par une rotation oscillante du prisme 7 dans un secteur de 900 environ. il - REVENDICATIONS 1 Système d'acquisition de cible comprenant des moyens optiques de focalisation ( 2), des moyens photodétecteurs ( 1) disposés dans le plan focal des moyens de focalisation, caractérisé en ce qu'il comprend un double prisme ( 7) situé à l'opposé des moyens photodétecteurs par rapport aux moyens de focalisation ( 2), des premiers moyens ( 10, 13, 16) pour entraîner en rotation, par rapport à un support ( 8), le double prisme ( 7) autour d'un axe (X'X) longitudinal au double prisme et perpendiculaire à l'axe optique (Z'Z) des moyens de Localisation, des seconds moyens ( 17, 18, 19) pour entraîner en rotation le support ( 8) portant ledit double prisme ( 7) autour dudit axe optique (Z'Z), et des moyens ( 20, 21) situés entre le double prisme ( 7) et les moyens de focalisation ( 2) pour maintenir une image de la cible suivant une même direction dans le plan focal, quelles que soient les rotations du support ( 8) portant le double prisme ( 7). 2 Système selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un bâti ( 12) auquel sont fixés les moyens de focalisation ( 2) et les moyens photodétecteurs ( 1), et dans lequel le support ( 8) est monté à rotation autour dudit axe optique (Z'Z) et est entraîné en rotation par les seconds moyens pour entraîner ( 17, 18, 19). 3 Système selon l'une des revendication 1 et 2, caractérisé en ce que les premiers et seconds moyens pour entraîner en rotation respectivement le double prisme ( 7) dans le support ( 8) et le support ( 8) dans le bâti ( 12) ont des vitesses de rotation différentes et asservies pour balayer d'une manière optimum au moins tout un espace d'environ 2 rc stéradians. 4 Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le double prisme ( 7) comprend deux prismes à angle droit ( 71, 72) ayant des grands côtés ( 73) accolés et axés sur l'axe longitudinal (X'X). 5 Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en que les moyens pour maintenir une image de la cible 12 suivant une même direction du plan focal comprennent un prisme dérotateur ( 20). 6 Système selon la revendication 5, caractérisé en ce que le prisme dérotateur ( 20) est disposé le long de l'axe optique (Z'Z) entre le double prisme ( 7) et les moyens de focalisation ( 2), et est entrainé en rotation autour dudit axe optique (Z'Z) à une vitesse angulaire de rotation égale à la moitié de celle du support ( 8). 7 Système selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comprend un second support ( 21) supportant le prisme dérotateur ( 20), et un système à engrenage ( 23) d'un rapport 1/2 couplant les premier et second supports ( 8, 21) coaxiaux à l'axe optique (Z'Z).