Brevet FR2706205A1 — publié le 19941216

DISPOSITIF OPTIQUE DE MESURE SANS AMBIGUITE DE L'ANGLE DE ROULIS D'UN PROJECTILE La présente invention concerne la mesure de l'angle de roulis d'un projectile. Pour guider un projectile ou un missile en vol, il faut pouvoir agir à bon escient sur ses dispositifs de pilotages: gouvemrnes, impulseurs, jets de gaz... et par conséquent connaître leur orientation par rapport à un plan o10 passant par un axe horizontal ou vertical et l'axe longitudinal du projectile ou missile c'est-à-dire l'angle de roulis. L'angle de roulis peut être obtenu par une mesure à bord du projectile ou du missile par exemple par une mesure inertielle mais cela nécessite d'embarquer un matériel sophistiqué et entraîne divers inconvénients: pénalisation en poids et volume, - fragilité du dispositif de mesure qui ne résiste pas aux très fortes accélérations, - temps nécessaire à la mise en route, - coût élevé pour un dispositif consommable, - nécessité d'une maintenance préventive, - nécessité de transmettre l'information vers la conduite de tir si celle-ci est au sol. Il est connu, notamment par le brevet américain US-A-4,072,281 de mesurer du sol l'angle de roulis d'un projectile ou d'un missile, de manière optique, en équipant l'arrière du projectile d'un catadioptre précédé d'un polariseur, en éclairant du sol l'arrière du projectile et en mesurant au sol, à l'aide d'un analyseur lumineux la direction de polarisation du faisceau réfléchi par l'arrière du projectile. De par son principe, cette mesure optique de l'angle de roulis d'un projectile présente une ambiguïté de ir. Pour la lever, il est connu soit de se baser sur une connaissance préalable de l'angle de roulis initial soit d'ajouter un dispositif optique supplémentaire sur l'arrière du projectile, tel qu'un dièdre réflecteur qui ne soit démasqué vis-à-vis de la source d'éclairement qu'une fois par tour de roulis. La connaissance préalable de l'angle de roulis initial n'est pas toujours accessible notamment lorsque l'on a à faire à un projectile lancé par un canon. L'ajout d'un dispositif optique supplémentaire augmente le coût des pièces consommables placées à bord du projectile ou du missile. La présente invention a pour but une mesure optique de l'angle de roulis d'un projectile dépourvue d'ambiguïté nécessitant un minimum d'éléments embarqués à bord du projectile ou du missile. Elle a pour objet un dispositif optique de mesure sans ambiguïté de l'angle de roulis d'un projectile lancé par des moyens de lancement situés dans un poste de tir. Ce dispositif comporte, sur l'arrière du projectile, un catadioptre équipé d'un polariseur et, au poste de tir, une source lumineuse qui est décalée latéralement par rapport à l'axe de tir du projectile et dont le faisceau illumine l'arrière du projectile, et un analyseur de flux lumineux opérant sur le flux lumineux réfléchi par l'arrière du projectile. Il est remarquable en ce que le polariseur est un polariseur à rupture d'indice disposé sur l'arrière du projectile, devant le catadioptre, avec un angle d'inclinaison entre la direction normale à son plan de variation d'indice et l'axe longitudinal du projectile choisi supérieur à l'angle de Brewster, dans une plage de variation monotone du coefficient de transmission. Le décalage latéral de la source lumineuse par rapport à l'axe de tir du projectile fait que l'angle d'incidence du faisceau lumineux sur le polariseur varie autour de la valeur de l'angle d'inclinaison du polariseur en fonction de l'angle de roulis du projectile. Cela provoque une variation du coefficient de transmission du polariseur entraînant une modulation d'intensité du faisceau lumineux réfléchi par l'arrière du projectile dont la période correspond à un tour de roulis. Lorsque le flux lumineux réfléchi par l'arrière du projectile présente une direction de polarisation dans le plan défini par l'axe de tir et la ligne de visée de la source lumineuse le coefficient de transmission du polariseur passe par un maximum ou un minimum permettant de distinguer les deux valeurs d'angle de roulis possibles. En effet, il suffit alors de concevoir l'analyseur pour que son signal détecté passe par un maximum lorsque la direction de polarisation du faisceau réfléchi par le projectile passe dans le plan défini par l'axe de tir et la ligne de visée de la source lumineuse car ce maximum prendra deux valeurs différentes pour les deux valeurs d'angle de roulis possibles. Le polariseur à rupture d'indice est avantageusement constitué d'une ou plusieurs lames superposées d'un matériau transparent d'indice supérieur à 1. Ce peut également être un polariseur à couches diélectriques ou un polariseur de Glan-Thompson. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description ci-après d'un mode de réalisation donné à titre d'exemple. Cette description sera faite en regard du dessin dans lequel: - une figure 1 montre un schéma d'ensemble d'un poste de tir de projectiles guidés équipé d'un dispositif optique de mesure de roulis; une figure 2 représente, de manière schématique, un projectile guidé avec son moyen de changement de trajectoire, - une figure 3 représente, de manière schématique, les éléments optiques équipant un projectile pour la mise en oeuvre d'une mesure optique de l'angle de roulis; - une figure 4 représente la déviation de rayons lumineux par une lame polarisante; - des figures 5, 6 et 7 représentent les variations en fonction de l'angle d'incidence, des facteurs de transmission en intensité de différents polariseurs à lame; et - des figures 8 et 9 représentent les formes du signal de mesure d'angle de roulis qu'il est possible d'obtenir avec le dispositif selon l'invention. On distingue sur la figure 1, un poste de tir 1 équipé d'un canon 2 venant de lancer un projectile guidé 3 en direction d'une cible 4. Le dispositif optique de mesure de l'angle de roulis du projectile guidé 3 comporte, au poste de tir 1, une source lumineuse 5 constituée d'un laser pointé sur l'arrière du projectile guidé 3 et un analyseur 6 de flux lumineux qui est couplé mécaniquement à la source lumineuse 5 et qui analyse la direction de polarisation du flux lumineux réfléchi par l'arrière du projectile guidé 3 pour en déduire à tout instant son angle de roulis. Le laser constituant la source lumineuse 5 est pointé sur le projectile guidé 3 par un système de poursuite classique. Par ailleurs, il fonctionne en impulsions pour transmettre des ordres de pilotage au projectile guidé 3. Le projectile guidé 3 est éjecté du canon 2 avec un mouvement de rotation de roulis. Il comporte, comme représenté sur la figure 2, au moins un impulseur latéral constitué d'un orifice latéral d'éjection de gaz 10 qui peut être placé ou non au centre de gravité et qui est couplé à un générateur de gaz embarqué à bord du projectile par l'intermédiaire d'une vanne ouverte par impulsions sous le contrôle d'un dispositif de pilotage répondant aux ordres transmis par les impulsions du laser. Sur commande, la vanne laisse échapper, pendant un temps très bref, une bouffée de gaz de propulsion par l'orifice latéral d'éjection. Cela déplace latéralement le projectile 3 qui est dévié dans la direction o a eu lieu la poussée de la bouffée de gaz et quitte son ancienne trajectoire 11 pour en adopter une nouvelle 12. Bien évidemment, pour pouvoir utiliser le ou les impulseurs latéraux à bon escient, il est nécessaire de connaître à tout instant l'angle de roulis du projectile 3. Pour ce faire, le projectile guidé 3 est équipé sur sa face arrière, comme cela est représenté à la figure 3, d'un catadioptre 15 précédé d'un polariseur 16. Le catadioptre 15 peut être, comme représenté, un trièdre réflecteur réalisé à l'aide d'un coin de cube. C'est un invariant optique qui renvoie les faisceaux lumineux reçus dans leurs directions d'incidence. Le polariseur 16, qui sera détaillé ultérieurement, ne laisse passer d'un faisceau lumineux que la composante de polarisation rectiligne parallèle à sa propre direction de polarisation qui est liée à l'angle de roulis du projectile. La source lumineuse 5 engendrant le faisceau incident peut être à polarisation rectiligne. Le polariseur 16, supposé parfait, ne laisse passer du faisceau que la composante parallèle à sa direction de polarisation. Dans le cas de l'utilisation prévue, o le catadioptre est uniformément éclairé, celleci se réfléchit sur le catadioptre sans changer de direction de polarisation puis retraverse le polariseur dans la direction du flux lumineux incident indépendamment de l'attitude du projectile selon les autres angles de tangage et de lacet. L'analyseur 6 qui est, dans ce cas, un simple récepteur optique sensible à l'intensité du flux lumineux reçu, détecte l'intensité de cette composante de flux lumineux retournée par le projectile 3 et met en évidence sa loi de variation d'intensité qui est une fonction en cosinus carré de l'angle de roulis (loi de Malus). La source lumineuse 5 engendrant le faisceau incident peut également être non polarisée ou à polarisation circulaire. Le polariseur 16, supposé parfait, ne laisse toujours passer du faisceau que la composante parallèle à sa direction de polarisation qui se réfléchit sur le catadioptre sans changer de direction de polarisation puis retraverse le polariseur dans la direction du flux lumineux incident indépendamment de l'attitude du projectile 3 selon les autres angles de tangage et de lacet. L'analyseur 6 comporte dans ce cas un polariseur disposé en analyseur de polarisation devant un récepteur optique sensible à l'intensité du flux lumineux reçu. Il détecte la direction de polarisation du flux lumineux retourné par le projectile 3 et engendre un signal dont le niveau varie selon une fonction en cosinus carré de l'angle de roulis (loi de Malus). Dans tous les cas, une détection de l'angle de roulis basée sur la simple observation de la direction de polarisation du faisceau réfléchi par le projectile 3 mène à un signal de mesure qui est une fonction en cosinus carré de l'angle de roulis ne permettant d'obtenir la valeur de l'angle de roulis qu'avec une incertitude de i près. On se propose de lever l'ambiguïté de X dans la mesure en donnant des amplitudes différentes aux deux maxima du signal détecté par l'analyseur pour deux valeurs particulières complémentaires à I près de l'angle de roulis. Pour ce faire, on ajoute, à la variation d'intensité de flux lumineux détectée dans l'analyseur en raison du changement de direction de polarisation du faisceau réfléchi par le projectile 3, une modulation d'intensité de flux lumineux dépendant de l'angle de roulis avec une périodicité de 2ir. Pour réaliser cette modulation d'intensité, on choisit un polariseur à rupture d'indice que l'on dispose sur la face arrière du projectile 3 de manière que la direction normale à son plan de variation d'indice et l'axe longitudinal du projectile 3 fassent un angle d'inclinaison supérieur à la valeur de l'angle de Brewster et l'on décale latéralement la source lumineuse 1 et l'analyseur 6 pour que l'angle d'incidence du faisceau de la source lumineuse 1 sur le plan de variation d'indice du polariseur varie légèrement de part et d'autre de l'angle d'inclinaison en fonction de l'angle de roulis. Ainsi, pour les deux valeurs à ir près de l'angle de roulis pour lesquelles le flux lumineux réfléchi a une direction de polarisation dans le plan défini par l'axe de tir et la ligne de visée de la source lumineuse, le coefficient de transmission du polariseur présente deux valeurs distinctes l'une plus grande que l'autre. Si l'on règle la direction de polarisation de la source lumineuse ou celle du polariseur de l'analyseur pour obtenir un maximum du signal de mesure pour cette direction de polarisation, ce maximum prendra, O10 en raison des deux valeurs possibles du coefficient de transmission, deux valeurs distinctes pour les deux valeurs à 7c près de l'angle de roulis correspondant à cette direction de polarisation ce qui permettra de lever l'ambiguïté de s. Un polariseur à rupture d'indice peut être schématisé, comme sur la figure 4, par une lame polarisante 20. Celle-ci réfléchit la composante perpendiculaire au plan d'incidence défini par la normale à la surface de la lame et la direction de l'onde incidente, et se laisse traverser par la composante parallèle au plan d'incidence. Sur la figure 4, on a représenté la transmission de la composante parallèle au plan d'incidence de deux rayons R1, R2 tombant sur la lame polarisante 20 en un point A. L'un R1 des rayons fait avec la normale N au point A un angle d'incidence i1 et a sa composante à polarisation parallèle au plan d'incidence qui traverse la lame 20 sous un angle de réfraction r1. L'autre R2 des rayons fait avec la normale N au point A un angle d'incidence i2 et a sa composante à polarisation parallèle au plan d'incidence qui traverse la lame 20 sous un angle de réfraction r2. On sait, d'après les lois de Fresnel et de Descartes que les facteurs de réflexion et de transmission d'une onde polarisée par une surface dépendent de l'angle d'incidence. En particulier, le facteur de transmission en intensité T de la composante à polarisation parallèle au plan d'incidence à la traversée d'une face du matériau d'une lame vaut: r - 2 T 2cos ix sin r sin(i+r)xcos(i -r) avec sin i=n sin r i étant l'angle d'incidence, r l'angle de réfraction et n l'indice du matériau de la lame polarisante. La figure 5 illustre la variation du facteur de transmission T donné par la formule précédente pour une lame polarisante en un matériau transparent d'indice n=1,5, placée dans l'air. On constate que le facteur de transmission T reste voisin de un, en augmentant avec l'angle d'incidence jusqu'à une valeur maximale atteinte pour une valeur d'angle d'incidence dit de Brewster voisin ici de 57 puis diminue de manière monotone pour s'annuler pour un angle d'incidence de 90 . On remarque, et c'est le point important, que, dans une plage centrée autour d'un angle d'incidence de , le facteur de transmission T présente des variations importantes tout en conservant des valeurs élevées. En se situant dans cette plage de fonctionnement, il est possible de réaliser une modulation d'intensité sans pour autant absorber trop d'énergie lumineuse. La figure 6 illustre la variation du facteur de transmission T4 représenté en trait continu et de sa dérivée T'4 représentée en pointillés dans le cas d'une lame polarisante d'indice n=1,5 traversée en aller et retour soit quatre traversées de face, qui est le cas d'application particulièrement visé de la mesure de l'angle de roulis par rétro-réflexion sur un trièdre au travers d'une lame polarisante. En choisissant deux angles d'incidence légèrement différents autour de 75 , par exemple 72 et 78 on obtient deux valeurs très différentes 0, 77 et 0,46 pour le coefficient de transmission T4, soit une modulation d'intensité m =(0,77-0,46)I0,64 = 0,48 par rapport à un angle d'incidence moyen im = (72+78)/2 = 75 correspondant à un facteur de transmission moyen Tm = 0,64. Bien évidemment, on peut optimiser le contraste de la modulation et le facteur de transmission moyen en jouant sur le nombre de plaques du polariseur, I'indice n de son matériau, l'angle d'incidence moyen et la variation d'angle d'incidence. La figure 7 illustre les variations, en fonction de l'angle d'incidence, de différents facteurs de transmission T4, T8, T12 et de leurs dérivés rT4, T'8, T'12 correspondant respectivement à des polariseurs à une, deux ou trois lames d'indice n = 1,5. On constate que pour le cas d'un polariseur à deux lames correspondant aux courbes T8 et T'8, il est avantageux de choisir un angle d'incidence moyen de 71 correspondant à un facteur de transmission moyen de 0,65 car on obtient pour une différence d'angle d'incidence de 6 un taux de modulation en intensité de 0,5. De même, pour le cas d'un polariseur à trois lames correspondant aux courbes T12 et T'12, on constate qu'il est avantageux de choisir un angle d'incidence moyen de 68 correspondant à un facteur de transmission moyen de 0,71 car on obtient pour une différence d'angle d'incidence de 6 un taux de modulation en intensité de 0,45. Pour obtenir, dans la pratique une modulation d'intensité du faisceau lumineux réfléchi par le projectile en fonction de l'angle de roulis, on dispose la ou les lames du polariseur sur l'arrière du projectile avec un angle d'inclinaison correspondant à l'angle d'incidence moyen choisi et l'on décale latéralement la source lumineuse et l'analyseur par rapport à l'axe de tir pour obtenir à moyenne distance un angle de décalage de l'ordre de trois degrés. Par exemple, on peut décaler latéralement la source lumineuse et l'analyseur de 25 mètres par rapport au poste de tir ce qui permet d'obtenir un angle de décalage de 3 degrés lorsque le projectile est visé à 500 mètres de distance. Une fois cette modulation d'intensité obtenue, on s'arrange pour que son maximum et son minimum qui ont lieu lorsque la direction normale aux lames du polariseur passe dans le plan défini par la ligne de visée et l'axe de tir c'est-à-dire lorsque la direction de polarisation du faisceau réfléchi passe par ce plan, coïncident avec les maxima du signal de mesure de l'analyseur. Cela s'obtient par un simple réglage de la direction de polarisation de la source lumineuse ou du polariseur de l'analyseur parallèlement à ce plan. Il en résulte, en sortie de l'analyseur, un signal de mesure dont le niveau varie en fonction de l'angle de roulis du projectile conformément à la courbe de la figure 8 si le polariseur est à une lame ou à la courbe de la figure 9 si le polariseur est à trois lames; La différence d'amplitude marquée entre les deux maxima que présente le signal de mesure pour une même direction de polarisation du faisceau réfléchi par le projectile mais pour deux valeurs opposées d'angle de roulis permet une levée facile de l'ambiguïté de X dans le cas o on a affaire à un projectile tournant sur lui-même qui est le cas o l'ambiguïté pose le plus de problème car elle ne peut être facilement levée à partir de la connaissance de l'attitude initiale du projectile. Il suffit en effet de repérer parmi deux maxima consécutifs le plus grand ou le plus petit d'entre eux. On peut alors lui attribuer une valeur d'angle de roulis connue à 27c près. Cela peut se faire par exemple en équipant la sortie de l'analyseur d'un détecteur de maximum relatif suivi d'un comparateur de niveau. Dans la pratique, cette levée d'ambiguïté basée sur la différence de niveau existant entre deux maxima consécutifs dans le signal de mesure en raison de la modulation d'intensité s'effectue au moment de l'accrochage du faisceau lumineux sur le projectile, à une distance de l'ordre de O 500 mètres. Car, en deçà de cette distance, le taux de modulation est plus important mais la poursuite du projectile est difficile à assurer, surtout si ce dernier est rapide, et au delà de cette distance, le taux de modulation diminue puisque l'angle de décalage sous lequel la source lumineuse vise le projectile s'amenuise avec l'éloignement du projectile. Une fois l'ambiguïté de X levée, on garde la phase de la manière habituelle, par exemple, grâce à un filtrage prédictif du signal de mesure centré sur le double de la fréquence de rotation en roulis du projectile. Dans les modes de réalisation décrits, on n'a mentionné comme polariseur à rupture d'indice que les polariseurs à lame mais il est bien évident que les polariseurs à rupture d'indice d'un autre type tels que les polariseurs à couches diélectriques ou de Glan-Thompson conviennent également. REVENDICATIONS 1. Dispositif optique de mesure sans ambiguïté de l'angle de roulis d'un projectile (3) lancé par des moyens de lancement (2) situés dans un poste de tir (1), comportant, sur l'arrière du projectile (3), un catadioptre (15) équipé d'un polariseur (16) et, au poste de tir (1), une source lumineuse (5) qui est décalée latéralement par rapport à l'axe de tir du projectile (3) et dont le faisceau illumine l'arrière du projectile (3), et un analyseur de flux lumineux (6) opérant sur le flux lumineux réfléchi par l'arrière du projectile o10 (3), caractérisé en ce que ledit polariseur (16) est un polariseur à rupture d'indice disposé sur l'arrière du projectile (3), devant le catadioptre (15), avec un angle d'inclinaison entre la direction normale à son plan de variation d'indice et l'axe longitudinal du projectile (3) choisi supérieur à l'angle de Brewster dans une plage de variation monotone du facteur de transmission, le décalage latéral de la source lumineuse (5) par rapport à l'axe de tir du projectile (3) faisant que l'angle d'incidence du faisceau lumineux sur le polariseur (16) varie autour de la valeur de l'angle d'inclinaison du polariseur (16) en fonction de l'angle de roulis ajoutant au changement de direction de polarisation du faisceau lumineux retourné par le projectile (3) dépendant à 7r près de l'angle de roulis, une modulation d'intensité dépendant à 2c près de l'angle de roulis, en ce que la source lumineuse (5) et l'analyseur de flux lumineux (6) sont réglés de manière à fournir un signal de mesure de direction de polarisation dont les maxima correspondant à deux valeurs séparés de i de l'angle de roulis coïncident avec le maximum et le minimum de la modulation d'intensité et en ce que ledit analyseur de flux lumineux (6) comporte des moyens pour distinguer les deux maxima possibles de son signal de mesure par leurs niveaux relatifs différents. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit polariseur à rupture d'indice est un polariseur à lame transparente. 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit polariseur à rupture d'indice est constitué de la superposition de plusieurs lames transparentes. 4. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit polariseur à rupture d'indice est un polariseur à plusieurs couches diélectriques. 5. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit polariseur à rupture d'indice est un polariseur de Glan-Thompson.