Brevet FR2706717A1 — publié le 19941223

- 1 - SYSTEME IMAGEUR LASER ACTIF A HAUTE RESOLUTION La présente invention concerne un imageur d'une cible par ba- layage de cette dernière par un faisceau laser et plus particulièrement un imageur de ce type dans lequel le balayage de ligne est produit par un déflecteur acousto-optique (D.A.O.) et o la détection est une détection hétérodyne. L'objet de l'invention est de réaliser un imageur du type considéré qui ait une grande cadence de balayage de ligne, une haute résolution et une portée de plusieurs kilomètres. Pour fixer les idées, l'imageur de l'invention a une cadence de balayage de lignes de l'ordre de 10 kHz, une résolution de 50 lprd et de cent points par lignes et une portée de l'ordre de 5 kilomètres. Il est connu (cf. Laser Focus, Acousto-Optic Scanning, décembre 1976, page 36) que si l'on applique à un dispositif acousto-optique recevant un faisceau optique entrant de fréquence fp un signal de ba- layage à variation linéaire de fréquence, ft = fo + (t/T) Af0 (1) o fo est la fréquence acoustique minimale de balayage, ft cette fré- quence à l'instant t, Af0 l'excursion de fréquence acoustique et T la période de balayage, le faisceau (i) voit sa fréquence passer de fp à fp + ft fp + fo + (t/T) Af0 (2) et (ii) est défléchi pour le dispositif acousto-optique d'un angle at tel que at = C + (t/T) As0 (3) - 2 - o t, as0 Aao correspondent respectivement à ft' f0 et AfO. Conformément à l'invention, le faisceau de retour traverse le dispositif acousto-optique. rl a au retour la fréquence fp + ft donnée par (2) et il traverse le dispositif acousto-optique commandé par la fréquence f(t+2L/c) = fo + (t/T) Af0 + (2L/cT) Af0 - A la sortie du D.A.0., le faisceau de retour a donc la fréquence p ft + f(t+2L/c) = fp + 2fo + (2t/T) AfO + (2L/cT) AfO (5) Le changement de fréquence hétérodyne entre la fréquence du faisceau d'aller fp et la fréquence du faisceau de retour donnée par (5) donne la fréquence Doppler 2f0 + (2t/T) Af0 + (2L/cT) Af0 (6) Si la cible a une vitesse radiale v, la fréquence hétérodyne devient 2f0 + (2t/T) Af0 + (2L/cT) Af0 + fv (7) o fv = (2r/X) 2v Le suivi de.la fréquence Dëppler donne la vitesse radiale de la -- cible. La déviation à l'aller est donnée par l'expression (3); au retour elle est donnée par s(t+2L/c) = 0 + (t/T) At0 + (2L/cT) aa0 (8) -3 - Le faisceau de retour sera donc décalé par rapport au faisceau incident de a(t+2L/) - t = 'L = (2L/cT) Ac0 (9) Si l'on suppose que les faisceaux sont des faisceaux gaussiens, la réponse du détecteur quadratique peut s'écrire 2 2 R(a) = exp. - (2a 2/2) (10) o = 2 /2 X/rD et D est le diamètre du dispositif acousto-optique. Si l'on considère un incrément de distance dL, il y correspond par l'équation (9) un incrément de déviation 6a tel que &a = (2dL/cT) Aa0 (11) La déviation FR de R correspondant à une variation 6O de a est 6R = 1exp.- 2(6a/c)2 2(6a/o)2 Précision sur la mesure de la distance En admettant que l'on peut distinguer deux réponses R(a) différant de 10 %, on a 2(da/c)2 = 0, 1 d'o a = 0,22 a On tire de l'équation (11) CL -cT X0,22 C 2Aua0 or O = N Cr N, nombre de points d'une ligne, d'ou L = 0,11 (cT/N) Discrimination en distance En admettant que deux points appartiennent à deux plans différents quand R(a) dans un plan est le centième de R(a) dans l'autre, on a R(a) exp.- 2(ca/c)2= 0,01 s = 1,51 o FL = 0,75 (cT/N) Application numérique c = 3 x 108 m/s T = 1OO is N = 100 points Précision en distance L = 33 m Discrimination en distance L = 225 m. - 5 - Conformément à l'invention, l'imageur comprend un laser continu émettant un faisceau incident de rayonnement électromagnétique, un déflecteur acousto-optique pour dévier ledit faisceau dans une direction donnée, un miroir oscillant pour dévier ledit faisceau dans une direction perpendiculaire à la direction donnée, un mélangeur hétérodyne d'une fraction du faisceau incident et du faisceau réfléchi par une cible, un détecteur quadratique du faisceau de sortie dudit mélangeur et un dispositif d'affichage de l'image de la cible, carac- térisé en ce que le faisceau réfléchi par la cible traverse le déflec- teur acousto-optique et fait à la sortie dudit déflecteur acousto- optique un angle avec le faisceau incident qui dépend de la distance de la cible; d'o il résulte que l'imageur de l'invention permet de déterminer la direction, la distance et la vitesse de la cible. L'invention va être maintenant décrite en détail en relation avec les dessins annexés dans lesquels: - la Fig. 1 est un diagramme de blocs de l'imageur de l'invention; - la Fig. 2 est un diagramme de blocs des circuits électroniques de l'imageur; et - la Fig. 3 est une représentation de la partie optique de l'imageur. En se référant à la Fig. 1, on a représenté un laser à C0O2, à onde continue 1 qui émet un faisceau incident 2 à 10,6 pm. Ce faisceau est séparé par un séparateur 3 et est appliqué d'une part à un systeme afocal 4 et d'autre part à un mélangeur hétérodyne 5. Le faisceau sortant du système afocal 4 est appliqué à un séparateur ou duplexeur 6 et de.là à un déflecteur acousto-optique 7 commandé par un dispositif de commande de balayage 8 qui génère un signal à variation linéaire qu'il applique au D.A.0. 7. Le faisceau sortant du D.A.0. 7 tombe sur un déflecteur galvanométrique 9 également commandé par le dispositif de commande de balayage 8 puis traverse un système afocal 10. Le faisceau réfléchi ou diffusé par la cible repasse dans le sens du retour dans le système afocal 10, les deux déflecteurs d'image et de ligne 9 et 7 puis est renvoyé sur le mélangeur hétérodyne 5 par le duplexeur 6. Les deux faisceaux d'aller et de retour mélangés dans le mélangeur hétérodyne 5 sont appliqués à un détecteur quadratique 11. La sortie - 6 de ce détecteur quadratique est reliée à un circuit 12 comprenant un second mélangeur et un filtre, lui-même relié à un détecteur d'ampli- tude 13 suivi d'un filtre 13' et à un circuit de traitement d'image 14 commandant un dispositif de visualisation 15. Le dispositif de commande de balayage 8 comprend un générateur de rampe 80 (Fig. 2) qui est relié à un oscillateur commandé par tension (VCO), 84, et à un amplificateur de puissance 85. Cet amplificateur est relié au déflecteur acousto-optique 7 par la connexion 81. Le dispositif de commande de balayage 8 est également relié à un diviseur de fréquence 86 et à un dispositif de commande du déflecteur galvanométrique 87, lui-même relié au déflecteur galvanométrique 9 par la connexion 82. Le dispositif de commande de balayage 8 transmet au circuit de traitement 14 le signal de balayage de ligne par la connexion 83 et le signal de balayage d'image par la connexion 88. Le signal de sortie du détecteur quadratique 11 qui est le signal à fréquence intermédiaire donné par l'expression (7) a une fréquence va- riable à cause du terme (2t/T) AfO. Pour rendre fixe la fréquence in- termédiaire, on effectue un deuxième changement de fréquence au moyen d'une onde locale de fréquence variable dont la fréquence est celle donnée par (7) augmentée d'une fréquence intermédiaire fixe fil La fréquence de l'onde locale est donc: flocal = 2fo + (2t/T) Af0 + (2L/cT) Afo + fv + fi (11) L'onde localedont on verra comment elle est produite est appliquée au mélangeur à fréquence intermédiaire 121 et filtrée dans le filtre 122. Ce filtre est centré sur fiet a une largeur égale à deux fois la fré- quence vidéo. La sortie du filtre 122 est reliée au détecteur 13 suivi du filtre à basse fréquence 13'. La sortie du filtre à basse fréquence 13' est appliquée d'une part au circuit de traitement d'image 14 et d'autre part à l'entrée d'un amplificateur opérationnel 123 afin d'assurer le suivi DÈppler. Cet amplificateur opérationnel reçoit également la rampe de balayage de ligne. La sortie de l'amplificateur opérationnel 123 est reliée à l'entrée d'un oscillateur commandé par tension (VCO), 124. La sortie du VCO, 124,est reliée au mélangeur 121 à travers un atténuateur commandé par tension (VCA), 125. L'atténuateur 125 est commandé par le signal de sortie du filtre 13', ce qui forme un circuit de contrôle au- tomatique de gain. On voit bien que la sortie de l'atténuateur 125 four- - 7- nit le signal hétérodyne local du deuxième changement de fréquence. Le signal de sortie du filtre à basse fréquence 13' est également appliquée à une barrette de photodétecteurs couplés à des dispositifs à charges couplées qui, ensemble, forment un intégrateur d'image 16. En se référant maintenant à la Fig. 3, on y voit un laser à C02 à onde continue, de 3 watts de puissance, par exemple le laser 941 S de Spectra Physics. Le faisceau 2 émis par le laser tombe sur le séparateur 3 en ZnSe qui le sépare en un faisceau incident 17 et un faisceau local 18. Le faisceau incident 17 traverse une lentille 19 en germanium qui, avec la lentille 20 en même matériau, forment les éléments du système afocal d'entrée 4 de la Fig. 1. Ce système afocal a un grandissement de 11. Entre les deux lentilles 19 et 20, le faisceau incident 17 traverse le duplexeur 6 dont la structure sera expliquée plus loin. La lentille 22 en germanium et le miroir 29 forment le système afocal de sortie 10 de la Fig. 1. Ce système afocal a un agrandissement de 2. Entre les lentilles 20 et 22 est disposé le déflecteur acousto-optique 7. Comme ce déflecteur n'agit que dans un plan, des lentilles cylindriques 24 et 25 sont associées aux lentilles 21 et 22. Elles permettent d'assurer une résolution angulaire suffisante du D.A.0., et forment un système à astygmatisme variable. Le D.A.0. 7 a une ouverture de 45 mm sur 3mm. La lentille 23 et la lentille 28 assurent respectivement la conju- gaison de pupille entre le D.A.0. et le miroir g et entre le miroir 9 et le miroir 29. A la sortie de la lentille 23, le faisceau tombe sur le déflecteur galvanométrique 9 commandé par le dispositif d'entraînement 87. Le faisceau tombe ensuite sur un miroir plan de renvoi 26, traverse une lentille 28 et tombe sur le miroir sphérique 29 qui est le projecteur dirigé ves la cible. Le faisceau de retour 27 superposé au faisceau incident 17 suit le même chemin que ce dernier jusqu'au duplexeur 6. Il est renvoyé par le duplexeur 6 sur la lentille 30 qui le focalise sur le détecteur qua- dratique 11 à travers la lame mélangeuse 31 en ZnSe. Le faisceau local 18 est de même focalisé sur le détecteur qua- dratique 11 par la lentille 32 à travers la lame mélangeuse 31. -8 - Le duplexeur 6.est un duplexeur à polarisation. C'est un réseau laissant le traverser une onde à polarisation perpendiculaire aux traits du réseau et réfléchissant une onde à polarisation parallèle aux traits du réseau. Les traits du réseau formés sur le duplexeur 6 sont perpendiculaires au plan de la Fig. 3. La polarisation du faisceau incident 17 est parallèle au plan de la Fig. 3 et le faisceau 17 tra- verse donc le duplexeur a polarisation 6. Sur le trajet du faisceau 17, entre la lentille 28 et le miroir sphérique 29 est disposée une lame quart d'onde 33 en CdS. Cette lame convertit le faisceau incident à polarisation rectiligne en un faisceau à polarisation circulaire. Au retour, le faisceau 27 qui a la polarisation circulaire inverse retre- verse la lame quart d'onde 33 et la direction de la polarisation rec- tiligne du faisceau 27 se trouve ainsi à angle droit avec la polari- sation du faisceau 17. Le duplexeur 6 se comporte alors comme un miroir et renvoie le faisceau de retour sur la lame mélangeuse. Une lame demi-onde 34 est disposée sur le trajet du faisceau hétérodyne local 18 afin de faire tourner la polarisation de ce faisceau de 90 et la rendre parallèle à celle du faisceau de retour 27. Un pola- -risateur 35 est disposé devant le détecteur quadratique 11. On a vu (formule (9)) que le faisceau de retour 27 formait avec le faisceau incident 17 un angle aL dépendant de la distance de la cible. Le duplexeur 6 peut tourner autour d'un axe de façon à régler l'imageur à une distance donnée. Les cibles situées dans d'autre plan que le plan - sur lequel est réglé l'imageur sont éliminées par le diaphragme 36. On a représenté sur la Fig. 3 un bouton 37 qui fait tourner le duplexeur 6. -9- R e v e n d i c a t i o n s 1 - Imageur comprenant un laser continu émettant un faisceau incident de rayonnement électromagnétique, un déflecteur acousto-optique pour dévier ledit faisceau dans une direction donnée, un miroir oscillant pour dévier ledit faisceau dans une direction perpendiculaire à la direction donnée, un système optique de focalisation du faisceau, un mélangeur hétérodyne d'une fraction du faisceau incident avec le faisceau réfléchi par une cible, un détecteur quadratique du faisceau de sortie dudit mélangeur et un dispositif d'affichage de l'image de la cible, caractérisé en ce que le faisceau réfléchi par la cible (27) traverse le déflecteur acousto-optique (7) et fait à la sortie dudit déflecteur acousto-optique un angle avec le faisceau i-ncident (17) qui dépend de la distance de la cible et que l'imageur comprend des moyens de duplexage (6) séparant le faisceau incident entrant dans le déflecteur acousto-optique et le faisceau réfléchi en sortant et des moyens (37) d'orienter ces moyens de duplexage par rapport au faisceau réfléchi. 2 - Imageur conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que le duplexeur (6) est un duplexeur à polarisation laissant passer un faisceau de direction de polarisation donnée et réfléchissant un faisceau de direction de polarisation perpendiculaire à ladite direction donnée et que l'imageur comprend des moyens (33, 34) d'assigner au faisceau incident et au faisceau réfléchi des polarisations perpendiculaires. 3 - Imageur conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que le déflecteur acousto-optique (7) a la forme d'une lampe plate et que le faisceau incident (17) est rendu plat dans sa traversée du déflecteur acousto-optique par deux lentilles cylindriques (24, 25). 4 - Imageur conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que le système optique de focalisation du faisceau est constitué par un premier afocal (19, 20) d'adaptation du faisceau au D.A.0. et un second afocal (22, 29) qui assure la conjugaison de pupille et fixe la résolution de l'imageur.