Brevet FR2712692A1 — publié le 19950524

Un télémètre passif qui puisse être utilisé dans des opérations sur le champ de bataille, à couvert et en étant cache, est nécessaire. Le télémètre optique traditionnel nécessite une vision de la cible à partir de deux positions séparées par une ligne de base, la distance étant alors déterminée d'après l'angle formé par les deux axes de vision après réglage par manipulation par l'opérateur. Les périscopes sous-marins voient à partir d'une seule position et déterminent la distance par comparaison des largeurs des images de la cible obtenues avec deux grandissements diffé- rents; ceci nécessite aussi une manipulation par un opéra- teur. Un objet de l'invention est la réalisation d'un télémètre qui calcule automatiquement la distance sans intervention d'un opérateur. Selon la présente invention, untélémètre comporte plusieurs éléments détecteurs d'un rayonnement, un disposi- tif de focalisation associé aux éléments détecteurs et destiné à former un faisceau pour chaque élément détecteur, l'élément détecteur respectif étant sensible à une source cible, la disposition étant telle que trois faisceaux au moins sont formés, et un dispositif sensible à une caracté- ristique dépendant de la distance dans l'image de la cible, telle que déterminée par des combinaisons différentes des éléments détecteurs lorsqu'une cible passe dans les fais- ceaux associés, afin qu'une indication de distance de la cible soit formée. La caractéristique dépendant de la dis- tance peut être la vitesse angulaire de la cible se dépla- çant dans les faisceaux. Trois faisceaux peuvent être présents avec un espa- cement angulaire asymétrique, et avec un dispositif destiné à minuter les interceptions successives des trois fais- ceaux. Deux des trois faisceaux peuvent être parallèles afin qu'ils donnent une indication de référence de vitesse indépendante de la distance. Les éléments détecteurs associés aux trois faisceaux peuvent être placés dans le champ de vision d'un objectif unique, l'espacement des faisceaux parallèles étant obtenu à l'aide de prismes placés sur le trajet de l'un des fais- ceaux parallèles. Les prismes sont de préférence des prismes pentagonaux donnant une déviation du trajet de 900. Une paire respective de faisceaux divergents donnant des temps de transition de la cible entre les faisceaux peuvent être disposés afin qu'ils divergent à partir de chacun de deux emplacements, ces emplacements se trouvant à des distances effectives différentes de la cible. Les éléments détecteurs peuvent se trouver à un emplacement avant, l'emplacement avant formant deux fais- ceaux divergents directement, l'autre paire de faisceaux divergents présentant une divergence depuis l'emplacement avant et, après réflexion, paraissant venir d'un emplace- ment arrière à une plus grande distance de la cible que l'emplacement avant. Les deux paires de faisceaux diver- gents ont de préférence des angles égaux de divergence et sont disposés symétriquement dans un plan horizontal. Les faisceaux de chaque paire de faisceaux peuvent être formés par un seul détecteur et des dispositifs res- pectifs de focalisation, l'interception successive des faisceaux de la paire donnant des signaux successifs de sortie du détecteur unique. Dans une variante, les fais- ceaux de chaque paire de faisceaux peuvent être transmis par des éléments détecteurs respectifs et un dispositif unique de focalisation. Dans un autre aspect de l'invention, la caractéris- tique dépendant de la distance est l'étendue de l'image de la cible. Dans ce cas, un premier réseau d'éléments détec- teurs peut former plusieurs faisceaux très rapprochés di- vergeant de celui des deux emplacements qui est en avant, un second réseau d'éléments détecteurs formant un second ensemble de faisceaux très rapprochés divergeant de celui des deux emplacements qui est en arrière, et un dispositif étant destiné à déterminer la distance de la cible d'après l'étendue relative des images de la cible sur le premier et le second réseau. Selon un autre aspect de l'invention, un dispositif est destiné à balayer les faisceaux divergents de la posi- tion de la cible afin que la cible intercepte successive- ment les faisceaux divergents et que les éléments détec- teurs transmettent des signaux de sortie, de manière que la distance puisse être déterminée. Dans ce cas, le télémètre peut être monté dans un périscope destiné à tourner autour d'un axe parallèle à la bissectrice des faisceaux diver- gents et comprenant des réflecteurs de périscope destinés à balayer les faisceaux dans un plan horizontal. On décrit maintenant des modes de réalisation de l'invention, à titre illustratif, en référence aux dessins annexés sur lesquels: la figure 1 est une perspective d'un télémètre à trois faisceaux selon l'invention; la figure 2 est une vue en plan du système repré- senté sur la figure 1; la figure 3 est une vue en plan d'un télémètre à quatre faisceaux; la figure 4 est un graphique représentant la puis- sance du signal reçu en fonction du temps dans le cas des détecteurs dans un système à quatre faisceaux; la figure 5 est une vue en plan représentant la disposition géométrique d'un système à quatre faisceaux utilisant des faisceaux repliés; la figure 6 est une élévation latérale du système représenté sur la figure 5; la figure 7 représente les images reçues par deux réseaux de détecteurs qui sont séparés de la cible par longueurs différentes de trajet optique; et la figure 8 est un schéma d'un périscope télémé- trique mettant en oeuvre des faisceaux dirigés vers l'avant et vers l'arrière. On se réfère aux figures 1 et 2; trois éléments détecteurs infrarouges 1, 2, 3 sont placés dans le plan focal d'un objectif 7, chaque élément détecteur ayant un champ de vision séparé 1', 2', 3' respectivement, constitué par la projection de l'élément détecteur dans l'espace par le système optique et représentés sous forme de "fais- ceaux". Les faisceaux 1' et 2' associés aux détecteurs 1 et 2 respectivement divergent avec un angle connu d'azimut 8. Le faisceau 3' est parallèle au faisceau 2' du détecteur 2 mais distant de celui-ci. La divergence angulaire des trois faisceaux est ainsi asymétrique. Deux prismes pentagonaux 9, 10 dirigent un rayonnement sous forme d'un troisième faisceau 3' le long d'un trajet décalé, permettant ainsi le montage du troisième détecteur 3 près des autres détec- teurs. Dans la disposition représentée, le troisième détec- teur 3 est monté sur le même axe vertical que le second détecteur 2, l'alignement des faisceaux respectifs dans un plan horizontal étant obtenu par basculement de l'un des prismes pentagonaux mais, en fonction des critères fixés par l'utilisation d'un même objectif 7, la position du détecteur 3 est arbitraire et peut être choisie par raison de commodité. Lorsqu'une cible, telle qu'un char 20, passe dans l'un quelconque des faisceaux, le rayonnement infrarouge qu'il émet provoque l'apparition d'un signal dans le détec- teur correspondant. Comme la cible n'est pas une source ponctuelle et comme le "faisceau" n'est pas une droite verticale, le signal a une durée notable qui augmente et passe par un ou plusieurs maxima avant de retomber. Un signal de minutage est donc tiré du passage du signal à une valeur de seuil. Si la cible recoupe tous les faisceaux, les détecteurs créent aussi pratiquement le même signal, mais à des moments différents. On se réfère à la figure 2, la distance R à mesurer est la distance comprise entre la cible et un appareil 8 de lancement d'engin anti-char, le long de son axe de tir. Cet axe de tir doit être dans la même direction générale et de préférence très proche des axes de visée des détecteurs. Le second et le troisième faisceau 2' et 3' sont séparés par une distance connue x en direction perpendicu- laire à la distance R. La vitesse 4e la cible dans cette direction, c'est-à-dire la vitesse tangentielle, est donnée par la relation Vt = x/Tx Tx étant le temps compris entre les détections du troisième et du second faisceau 3', 2'. La vitesse angulaire est donnée par la relation w = e/Te T8 étant le temps compris entre la détection du second et du premier faisceau 2', 1'. La distance peut alors être calculée d'après R = Vt/W = xTE/OTx (1) Cette équation (1) repose sur l'approximation selon laquelle la cible recoupe les champs de vision inclinés 4 et 5 à la même distance des détecteurs 1 et 2, ceci étant le cas en fait uniquement lorsque le char se déplace per- pendiculairement à la bissectrice de l'angle 8. Lorsque la cible se déplace suivant un angle quelconque par rapport aux faisceaux, on peut montrer que la distance R le long du faisceau 1' est donnée exactement par la relation R = xTO/Tx tg 8 Les déterminations de Tx, T8 et R sont réalisées par un processeur 4 qui reçoit les signaux de sortie des détec- teurs. L'information de distance est alors transmise à l'organe 5 de commande de l'appareil de lancement d'engin. Manifestement, le système repose sur l'hypothèse selon laquelle la cible garde le même axe et la même vitesse de déplacement dans les trois champs de vision et suivant l'axe de tir. Pour cette raison, la distance ne doit pas être très grande entre l'axe de tir et le premier champ de vision rencontré qui peut être, comme représenté, le fais- ceau "parallèle" 3' ou, pour un sens opposé de la cible, le faisceau incliné 1', comme on peut le noter. La précision d'alignement (c'est-à-dire le parallé- lisme) du second et du troisième faisceau 2' et 3' est importante (dans ce mode de réalisation) pour une mesure précise de distance, si bien que l'utilisation de prismes pentagonaux donnant une déviation de 90 quelle que soit leur orientation, est préférable. Dans une variante cepen- dant, l'élément détecteur 3 peut être remplacé par un élément détecteur et un objectif séparé, placés à distance du premier des deux éléments 1, 2 et à l'emplacement du prisme 10 si bien qu'il n'est pas nécessaire que les prismes modifient la direction de rayonnement. Le système est simplifié par utilisation de deux faisceaux parallèles, mais ceci n'est pas absolument essentiel. Si le faisceau 3' est incliné par rapport au faisceau 1' d'un angle a (et non de l'angle 8), la distance dans la direction du faisceau 1' est donnée par la relation R = Tex/Tx[tg8 + Ts/Tx(tg8 - tga)] Pour les grandes distances avec des champs de vision très espacés, le système à trois faisceaux peut avoir la configuration d'un système actif utilisant trois lasers, chacun d'eux dirigeant un rayonnement vers un champ de vision respectif et donnant des réflexions sur un détecteur unique. Aux faibles distances, cette configuration est peu commode en pratique étant donné la difficulté de la dis- tinction des signaux proches et qui peuvent même se recouvrir. Un mode de réalisation différent de l'invention est représenté sur la figure 3. Deux détecteurs 11 et 12 sont placés l'un derrière l'autre à une distance y, et ont des objectifs (non représentés) qui forment des "faisceaux", c'est-à-dire focalisent le rayonnement de deux champs de vision distants 13, 14 sur le détecteur avant 11 et de deux champs de vision plus espacés 15, 16 sur le détecteur arrière 12. La séparation angulaire des deux paires de faisceaux 13, 14 et 15, 16 est la même et est un angle connu 8. Les deux paires de faisceaux sont disposées symé- triquement dans un plan horizontal. Comme dans le mode de réalisation précédent, la vitesse angulaire de la cible 20 est donnée par la relation W = Vt/distance dans laquelle Vt est la vitesse tangentielle à la distance. Dans le cas du détecteur avant, on a, Wf = Vt/R et dans le cas du détecteur--arr-ière, on a - Wr = Vt/(R + y) La distance peut ainsi être déterminée d'après le rapport des deux vitesses angulaires, sous la forme R = y/[(Wf/Wr) - 1] = Y/[(Tr/Tf) - 1] (2) Le problème de la mesure des retards Tf et Tr avec une précision suffisante est simplifié par utilisation de mesures différentielles, comme indiqué sur la figure 4. ôt1 est le retard compris entre le recoupement du faisceau arrière antérieur 16 et du faisceau avant anté- rieur 14. 8t2 est le temps compris entre le recoupement du faisceau postérieur avant 13 et du faisceau postérieur arrière 15. L'équation précédente (2) peut être réarrangée sous la forme - R = y Tf/(Tr - Tf) On se réfère en résumé à la figure 4 qui représente la synchronisation des signaux provenant des différents faisceaux 16, 14, 13 et 15, les signaux étant désignés par des références correspondant à celles du faisceau associé suivi du signe '. Le moment de synchronisation est détecté au moment o l'amplitude du signal passe à une valeur de seuil To. On note sur la figure 4 que Tr - Tf = ôt1 + ôt2 et en conséquence, d'après l'expression précédente relative à R, on obtient R = y Tf/(6t1 + 6t2) (3) Il n'est pas primordial que les axes de visée des deux détecteurs restent alignés avec précision (bien qu'ils doivent toujours être parallèles), car une augmentation ôt1 correspond à une réduction de Èt2 si bien qu'un défaut d'alignement n'affecte pas le calcul de distance. L'équa- tion (3) est toujours valable, une valeur ôt allant vers les valeurs négatives lorsque le décalage des axes de visée provoque un recoupement des faisceaux. Le déplacement ver- tical des faisceaux a une plus grande importance puisque, dans. un cas idéal, les formes d'onde reçues par tous,.les_. éléments détecteurs sont identiques. Ceci n'est pas le cas cependant lorsque le rayonnement est reçu à partir de portions différentes de la cible. Pour cette raison, un large champ de vision vertical est préférable pour chaque élément. On peut montrer que l'équation (3) s'applique exac- tement pour tout angle de recoupement 0 du char avec les faisceaux. Le système à quatre faisceaux peut aussi être utilisé pour le calcul de cet angle de recoupement, avec l'équation tgo = [(6t2 - ôtl)/(6t2 + ôtl)].cotg(8/2) dans laquelle O est l'angle de l'axe de déplacement de la cible 20 et d'une perpendiculaire à la distance R, c'est-à- dire l'angle de décalage du chemin du char représenté sur la figure 3. De manière générale, la distance R eszt bien supé- rieure à la longueur de la ligne de base (distance de séparation y) si bien que le rapport Wf/Wr est proche de l'unité. Plus la différence entre les vitesses angulaires est grande et plus la détermination de distance peut être précise. Si la différence est faible, une grande précision est demandée aux détecteurs. Cependant, l'augmentation de la différence implique une augmentation de la longueur de la ligne de base y. Ceci peut être réalisé sans l'inconvé- nient pratique de détecteurs très espacés, par pliage du trajet optique des faisceaux externes du rayonnement comme représenté sur la figure 5. Un détecteur unique 21 est monté dans la position avant, la position arrière étant une position virtuelle créée par l'utilisation de miroirs plans 24, 25. Le rayon- nement provenant des champs de vision externes 15, 16 est ainsi d'abord replié au niveau du miroir 24 puis à nouveau vers le détecteur 21 au niveau du miroir 25. La figure représente la disposition vue du côté. Les faisceaux ex- ternes (un seul est représenté) sont repliés vers le bas alors que les faisceaux internes (un seul étant représenté) 9 viennent frapper le détecteur 21 après passage -sous le miroir 25. La distance efficace de la ligne de base y' peut manifestement étre encore augmentée par rapport aux dimen- sions réelles du dispositif, par répétition du pliage du5 chemin optique plusieurs fois. Il faut noter que chaque paire de faisceaux peut avoir un système à un seul détecteur et à objectifs séparés ou inversement, comme représenté sur la figure 1. Un autre procédé de dérivation de la distance est la mesure du facteur de grandissement entre l'image directe- ment reçue, c'est-à-dire correspondant au faisceau avant, et l'image reçue par le trajet replié. Ce procédé nécessite un réseau d'éléments détecteurs placé au plan focal afin qu'une image bidimensionnelle soit formée, à la place d'une simple "image" ponctuelle. La figure 7 représente le plan image dans lequel deux réseaux 35 et 37 d'éléments détec- teurs 33 sont utilisés, chaque élément formant un "fais- ceau" correspondant dans un réseau de faisceaux très rap- prochés. Les longueurs des trajets des faisceaux directs, par exemple. 14, provenant de l'emplacement avant, et des faisceaux repliés, par exemple 16, paraissant provenir de l'emplacement arrière, sont différentes, si bien que les deux images ont des dimensions différentes, l'image 30 du faisceau direct étant plus grande que l'image 31 du fais- ceau replié. Les deux images sont corrélées afin que le facteur de grandissement et en conséquence la distance de la cible soient déterminés. Comme représenté sur la figure 7, les éléments dé- tecteurs 33 sont des bandes verticales qui sont "balayées" par l'image 30, 31 de la cible lorsqu'elle se déplace à une vitesse correspondant à la vitesse angulaire de la cible. A un moment quelconque, la longueur de l'image est déterminée par le nombre d'éléments détecteurs qui sont excités, ce nombre étant comparé pour les deux images. Il existe un réseau (35, 37) pour chaque image, comme représenté sur la figure 7, formant des faisceaux avant et arrière apparais- sant en élévation latérale comme représenté sur la figure 6, afin qu'une confusion soit évitée. Dans ce programme de comparaison d'images, l'étendue réelle de l'image est directement mesurée d'après le nombre d'éléments détecteurs qui sont excités, ou de manière plus fiable par l'identité du premier et du dernier élément excité. Dans une variante, la différence de vitesses angu- laires vue par les réseaux détecteurs avant et arrière (disposés comme indiqué sur la figure 7) est exploitée. Chaque réseau comporte alors uniquement deux éléments à bande verticale espacés horizontalement et, dans chaque réseau, le temps compris entre leur excitation est inverse- ment proportionnel à leur vitesse angulaire. La distance est alors donnée par la relation R = y/[(Tr/Tf) - 1] y étant l'écart réel des réseaux de détecteurs et Tr et Tf étant les temps mesurés correspondant aux réseaux arrière et avant. Une version à corrélation d'images du télémètre à trois faisceaux représenté sur la figure 1 est aussi pos- sible. Dans ce cas, un réseau d'éléments détecteurs placés dans le plan focal a une étendue suffisante pour qu'il accepte simultanément les images de la cible provenant des trois faisceaux. Les positions et espacements relatifs des images et en conséquence la distance sont déterminés par des techniques de corrélation d'images. Les modes de réalisation précédents reposent sur un déplacement de la cible, destiné à donner un effet de balayage mais, dans le cas de certaines plates-formes, par exemple des périscopes, et pour des cibles fixes, l'effet du déplacement de la cible peut être obtenu très avantageu- sement par balayage du réseau détecteur, les faisceaux étant balayés sur la cible. Cette disposition est représen- tée sur la figure 8 sur laquelle un périscope 39 représenté très schématiquement dépasse d'une coque 41 et comporte une tête optique 21 ayant un dispositif optique comparable à celui des figures 5 et 6. Deux faisceaux avant 13 et 14 sont formés par une focalisation double sur un seul élément ll détecteur et, de même, deux faisceaux arrière 15 et 16 sont formés par focalisation double sur un élément détecteur supplémentaire unique. Le système optique est alors balayé autour d'un axe parallèle aux bissectrices des paires de faisceaux. Le système à deux objectifs peut être remplacé par un dispositif à focalisation unique et à deux éléments détecteurs pour chaque paire de faisceaux. Dans cette disposition, les faisceaux arrière 15 et 16 sont repliés deux fois au niveau de réflecteurs 25, 24, 45 et 44, en plus des réflecteurs classiques 47 et 49 du périscope. La disposition à deux faisceaux (c'est-à-dire deux faisceaux avant et deux faisceaux arrière) peut aussi être remplacée par le faisceau large et le réseau détecteur de la figure 7, avec utilisation du-grandissement de l'image ou des vitesses angulaires relatives (de la cible). Evidem- ment, dans ce dernier cas, la vitesse angulaire perçue d'une cible est due en grande partie au balayage du péris- cope en azimut, bien qu'elle paraisse différente pour les faisceaux avant et arrière. Bien qu'on ait décrit les modes de réalisation pré- cédents avec des détecteurs sensibles à l'infrarouge, il est évident que tout rayonnement convenant aux circons- tances, visible ou invisible, peut être utilisé, les élé- ments détecteurs étant choisis en conséquence. - REVENDICATIONS. . 1. Télémètre comprenant plusieurs éléments détec- teurs d'un rayonnement (1-3), un dispositif (7) de focali- sation associé aux éléments détecteurs et destiné à former un faisceau pour chaque élément détecteur, l'élément détec- teur respectif étant sensible à une source cible, le télé- mètre étant caractérisé en ce que la disposition est telle qu'au moins trois faisceaux sont formés, un dispositif (4) étant sensible à une caractéristique dépendant de la dis- tance d'une image de la cible, déterminée par des combinai- sons différentes des éléments détecteurs lorsqu'une cible recoupe les faisceaux associés, afin qu'il donne une indi- cation relative à la distance de la cible. 2. Télémètre selon la revendication 1, caractérisé en ce que la caractéristique dépendant de la distance est la vitesse angulaire de recoupement des faisceaux par la cible. 3. Télémètre selon la revendication 2, caractérisé en ce que les faisceaux comprennent trois faisceaux ayant un espacement angulaire asymétrique, et un dispositif est destiné à minuter les interceptions successives des trois faisceaux. 4. Télémètre selon la revendication 3, caractérisé en ce que deux des trois faisceaux sont parallèles et donnent ainsi une indication de référence de vitesse qui ne dépend pas de la distance. 5. Télémètre selon la revendication 4, caractérisé en ce que les éléments détecteurs (1-3) associés aux trois faisceaux sont disposés dans le champ de vision d'un objec- tif unique (7), l'espacement des faisceaux parallèles étant assuré par des prismes placés sur le trajet de l'un des faisceaux parallèles. 6. Télémètre selon la revendication 5, caractérisé en ce que les prismes sont des prismes pentagonaux donnant une déviation du trajet optique de 90 . 7. Télémètre selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'une paire respective de faisceaux divergents (13- 16) donnant des-temps de transition de la cible entre les-;--. faisceaux est disposée de manière que les faisceaux diver- gent à partir de chacun de deux emplacements (11, 12), ces emplacements se trouvant à des distances efficaces diffé- rentes de la cible. 8. Télémètre selon la revendication 7, caractérisé en ce que les éléments détecteurs se trouvent à celui des deux emplacements (21) qui est le plus en avant, l'emplace- ment avant transmettant directement deux faisceaux diver- gents, l'autre paire de faisceaux divergents provenant de l'emplacement avant et, après réflexion, paraissant venir d'un emplacement arrière se trouvant à une plus grande distance de la cible que l'emplacement avant. 9. Télémètre selon la revendication 8, caractérisé en ce que les deux paires de faisceaux divergents (13-16) ont des angles égaux de divergence et sont placées symétri- quement dans un plan horizontal. 10. Télémètre selon l'une quelconque des revendica- tions 7 à 9, caractérisé en ce que les faisceaux de chaque paire de faisceaux sont reçus par un seul détecteur (21) et un dispositif respectif de focalisation, les interceptions successives des faisceaux de la paire provoquant la trans- mission de signaux successifs de sortie du détecteur unique. 11. Télémètre selon l'une quelconque des revendica- tions 7 à 9, caractérisé en ce que les faisceaux de chaque paire de faisceaux sont transmis par des éléments détec- teurs respectifs et un dispositif unique de focalisation. 12. Télémètre selon la revendication 1, caractérisé en ce que la caractéristique qui dépend de la distance est l'étendue de l'image de la cible. 13. Télémètre selon la revendication 12, caractérisé en ce qu'un premier réseau (35) d'éléments détecteurs forme plusieurs faisceaux très rapprochés divergeant de celui des deux emplacements qui est en avant, un second réseau (37) d'éléments détecteurs forme un second ensemble de faisceaux très rapprochés paraissant diverger de celui des deux emplacements qui est en arrière, et un dispositif est destiné à déterminer la distance de la cible d'après l'étendue relative des images des cibles sur le premier et le second réseau. 14. Télémètre selon la revendication 13, caractérisé en ce que le premier et le second réseau (35, 37) d'élé- ments détecteurs sont disposés à l'emplacement avant et le second ensemble de faisceaux est réfléchi afin que les faisceaux divergent depuis l'emplacement arrière. 15. Télémètre selon la revendication 8 ou 9, carac- térisé en ce qu'il comprend un dispositif de balayage des faisceaux divergents sur une position de cible afin que la cible intercepte les faisceaux divergents successivement et donne des signaux de sortie d'éléments détecteurs permet- tant la déterminatiOn de distance. 16. Télémètre selon la revendication 15, caractérisé en ce qu'il est monté dans un périscope (39) destiné à tourner autour d'un axe parallèle à la bissectrice des faisceaux divergents, et comprenant des réflecteurs (47, 49) de périscope destinés à balayer les faisceaux dans un plan horizontal.