Brevet FR2740227A1 — publié le 19970425

La présente invention se rapporte à un dispositif de détection tomoscopique laser. Elle s'applique principalement à l'imagerie active laser. Les systèmes d'imagerie réalisent généralement les fonctions de navigation, de détection et d'identification. Pour chacune de ces fonctions, on a à combattre le caractère a priori non coopératif de la cible et du milieu de propagation (milieu naturellement ou artificiellement diffusant). La tomoscopie permet d'accroître considérablement la qualité fonctionnelle des moyens de vision mis en oeuvre dans les systèmes io d'imagerie classiques. En ce qui concerne la fonction de navigation, la tomoscopie offre la possibilité de réaliser une image pseudo 3D particulièrement pertinente dans le cadre d'une application de pilotage d'hélicoptère. Pour la fonction de détection, la tomoscopie offre la possibilité d'accroître la capacité de détection du dispositif de vision en décorrélant la cible par le fenêtrage temporel des effets liés au milieu de propagation (fumée, fumigène, brouillard), des moyens de contremesures optroniques, et du fond de scène peu contrasté (augmentation du contraste). Pour la fonction d'identification, la tomoscopie offre la possibilité de réaliser l'image d'une cible avec un temps de pose (d'intégration) extrêmement faible sans pour autant dégrader de façon rédhibitoire le rapport signal sur bruit. La qualité de l'image s'en trouve accrue en figeant les effets de distorsion atmosphérique et de stabilisation de la ligne de visée. L'imagerie par tomoscopie a fait l'objet de nombreux travaux dans le domaine du proche infrarouge en utilisant une source monochromatique. Dans le domaine militaire, un démonstrateur a été réalisé avec un laser 1,06 lm et un tube intensificateur de lumière. On bénéficie, au niveau de la détection, de systèmes développés à partir de la filière Silicium et tube. Dans le domaine médical, le regain d'intérêt est lié au développement de sources femtosecondes qui permettent d'obtenir une imagerie sur des objets de petites dimensions, immergés dans des milieux fortement diffusants. L'accroissement du contraste et l'emploi de la technique de détection à porte exploitant des non linéarités optiques (Z(2) et X(3)) ont largement été démontrés, notamment dans un article intitulé "Time- gated imaging through dense scatterers with a Raman amplifier"de R. MAHON, M.D. DUNCAN, L.L. TANKERSLEY, J. REINTJES, dans Appl. Opt.32(36) du 20 décembre 1993 p.7425. Par ailleurs, la réalisation d'amplificateurs paramétriques travaillant dans le domaine du visible sur une échelle de temps sub- picoseconde ont également permis de réaliser de l'imagerie dans ces mêmes milieux. De tels amplificateurs sont notamment décrits dans un article intitulé "Femtosecond Parametric Generation and AMplification in the visible spectrum" de J. WATSON, T. LEPINE, P. GEORGES, A. BLUN, dans o OSA Proc. On Adv. Soldid-State Lasers, 1994 Vol.20 p.425. Toutefois l'ensemble de ces systèmes présentent l'inconvénient d'avoir la longueur d'onde d'émission laser incluse dans la bande spectrale des imageurs utilisés notamment pour le champ de bataille, inconvénient qui peut être nuisible à la discrétion du dispositif de détection de ces systèmes. La présente invention a pour but de pallier l'inconvénient précité. A cet effet, I'invention a pour objet un dispositif de détection tomoscopique laser, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour illuminer une cible à une longueur d'onde inusitée pour une source laser, et en ce qu'il comporte des moyens pour réaliser une fenêtre temporelle sur l'onde rétrodiffusée ou partiellement réfléchie par la cible à la suite de l'illumination laser, et des moyens pour convertir la longueur d'onde inusitée en longueur d'onde usitée par un capteur d'image, permettant d'assurer la discrétion de la détection. L'invention a pour avantage de transférer le flux laser d'une bande spectrale inusitée par un laser, vers une bande spectrale usitée au niveau du capteur d'image, permettant une discrétion vis-à-vis du flux laser émis, une imagerie en 3D et une détection de type "décamoufiage". D'autres avantages et caractéristiques de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit et des figures annexées qui représentent: - la figure 1, un schéma synoptique d'un dispositif de tomoscopie laser discret selon l'invention, et - la figure 2, un mode de réalisation d'un dispositif selon l'invention. La combinaison de la tomoscopie avec une transposition de fréquence permet de réaliser une fenêtre temporelle et de convertir une onde infrarouge, constituant le '"flash" laser, dans une bande spectrale inusitée vers un domaine spectral différent. Dans une telle configuration le domaine spectral du flash d'illumination n'est inclus dans aucune des bandes spectrales des capteurs de champ de bataille. Cette propriété assure la discrétion et permet de durcir le système de détection. La figure 1 illustre un schéma synoptique d'un dispositif de tomoscopie laser discret selon l'invention. Il comporte une première source appelée également source primaire, accordable et couvrant par exemple la bande Il de l'infrarouge. Cette source peut être constituée d'un laser de o pompe 1, impulsionnel, de type Nd:YAG opérant par exemple à une longueur d'onde Xpl = 1,064 gm venant exciter un montage Oscillateur Paramétrique Optique (OPO) 2. En sortie de ce dernier, on obtient une émission agile en longueur d'onde pouvant aller de 1,4 à 4, 43 pjm en employant un milieu non linaire, un cristal LiNbO3, par exemple. Dans l'interaction non linéaire, le faisceau de pompe généré par le laser de pompe 1 à la pulsation Wp, engendre deux ondes signal ò et complémentaire c qui satisfont aux conditions de conservation d'énergie et d'accord de phase connue sous l'appellation "conservation des moments": p = ws + Wc (1) kp = ks + kc (2) o k, ks et kc correspondent respectivement aux vecteurs d'onde associés à wp, os et wc. Seule l'onde complémentaire oc est utilisée et sert à illuminer une cible 3. Durant sa propagation dans l'atmosphère, et selon la disposition des cibles le long du parcours, une partie de la lumière est soit rétrodiffusée soit partiellement réfléchie. Le signal en retour est constitué d'un fond continu à décroissance exponentielle traduisant le mécanisme de rétrodiffusion auquel se superposent les échos associés aux différents plans images liés aux objets ou structures présentes. Le fait de travailler en bande Il minimise considérablement les pertes par diffusion de Rayleigh propres au milieu de 33 propagation. En utilisant le fait que le temps de propagation d'une impulsion laser correspond à une distance, on peut analyser un plan image en employant une porte optique pour l'échantillonnage Le dispositif selon l'invention comporte en outre des moyens pour réaliser une opération de différence de fréquence entre l'onde émise, rétrodiffusée ou partiellement réfléchie par la cible 3, et une onde de pompe annexe Wp2 Ces moyens se décomposent en de premiers moyens 5 pour réaliser une fenêtre temporelle sur l'onde émise, rétrodiffusée ou partiellement réfléchie par la cible 3, en utilisant par exemple une porte io optique commandée par l'onde de pompe annexe, et en deuxièmes moyens pour transposer en fréquence, à l'intérieur de la fenêtre, l'onde émise et rétrodiffusée ou partiellement réfléchie par la cible 3,vers un domaine spectral pour lequel on dispose de systèmes de détection performants, par exemple des capteurs d'image 6. En particulier en réalisant l'opération suivante: p - WC = rMS (3) On aboutit à la création d'une onde signal cos dont la longueur d'onde est située, en reprenant les valeurs de l'exemple précédent, aux environs de Xs = 1,5 pm, en mélangeant l'onde rétrodiffusée ou partiellement réfléchie par la cible 3, avec 1' onde de pompe annexe cop2. Cette onde signal os5 n'existe qu'en présence simultannée des deux autres. Ainsi, en employant une onde de pompe annexe (0p2 impulsionnelle comme signal de commande et en contrôlant le temps d'application de cette impulsion par rapport à l'onde rétrodiffusée ou partiellement réfléchie par la cible 3, on réalise une fonction de porte optique. Pour cela, les premiers moyens comportent une deuxième source laser 4, appelée pompe annexe, qui génère le signal de commande à un instant déterminé et à une longueur d'onde déterminée, par exemple à 1,064 pm pour rester dans le cadre de l'exemple précédent. La résolution spatiale est bien entendu liée à la largeur temporelle de l'impulsion issue de la pompe annexe 4. Le mélange de l'onde rétrodiffusée, ou partiellement réfléchie par la cible 3, avec l'onde de pompe annexe (p2 est effectuée par le deuxième moyen 5 constiué d'un milieu nonlinéaire, par exemple un cristal LiNbO3. L'interaction nonlinéaire mise en jeu permet de transposer le faisceau, interagissant avec les objets situés dans le milieu de propagation, vers le domaine spectral usité par les capteurs d'image 6. Par ailleurs, I'efficacité de transfert dépend de la puissance crête délivrée par cette onde de pompe. Le fait d'employer une source primaire 1 accordable permet de io connaître les conditions d'accord de phase devant être respectées pour que l'interaction aboutissant à la transposition de fréquence soit efficace. Cette condition d'accord de phase est naturellement représentée par la relation suivante: kp - kc = ks (4) La figure 2 illustre un mode de réalisation d'un dispositif selon l'invention. Une première source laser 7 émet un premier faisceau laser F1 impulsionnel à la longueur d'onde laser par exemple de.1 = 1,06 gm. Le faisceau F1 traverse un premier milieu nonlinéaire 8, par exemple un cristal LiNbO3 permettant une émission agile en longueur d'onde par interaction nonlinéaire. Un premier et un deuxième faisceau laser F2 et F3 sont engendrés respectivement au voisinage des longueurs d'onde X2 = 3,44 gm et k3 = 1,54 Im. Une première lame dichroïque 9 transmet le deuxième faisceau F3 et réfléchit le premier faisceau F2 vers une première lentille de focalisation 10 focalisant le premier faisceau F2 sur un élément retardateur 11 par exemple une fibre optique dont la longueur détermine un retard temporel X = T. En sortie de la fibre 11, le premier faisceau F2 est collimaté par une deuxième lentille 12. Après réflexion sur un mirroir 13 et une deuxième lame dichroïque 14, les deux faisceaux F2 et F3, à nouveau réunis en sortie de la lame dichroique 14, sont collimatés par une troisième lentille 15 et orientés vers une cible déterminée 16. Le flux diffusé RF2 et RF3, respectivement aux longueurs d'onde X2 = 3,44 pm et X3 = 1,54 gm sont collectés par une quatrième lentille 17. Une troisième lame dichroïque 18 sépare les flux RF2 et RF3. Le flux RF3 à la longueur d'onde 3 =1,54 Ijm est focalisé par une cinquième lentille 19 sur un détecteur 20, par exemple un détecteur à avalanche en GainAs, symbolisé par une diode, et assure une détection du flux RF3 incident. Un premier dispositif de traitement électronique 21 mesure l'instant to d'arrivée du flux RF3. Un deuxième dispositif électronique 22 de gestion déclenche un faisceau laser F4 généré par une deuxième source laser 23, appelée également pompe annexe, émettant à la longueur d'onde;4 = 1,06 zm à un instant to + T correspondant également à l'instant d'arrivée du flux RF2 sur la troisième lame dichroïque 18. Un premier filtre 24 disposé entre la lame dichroïque 18 et un deuxième milieu nonlinéaire 25, a pour rôle de transmettre les longueurs d'onde i2 = 3,44 gm et i4 = 1,064.Im, correspondant respectivement aux longueurs d'onde des flux RF2 et F4, et de couper la longueur d'onde.3 = 1,54 gm correspondant au flux RF3. Après un mélange des deux flux laser F4 et RF2 dans le deuxième milieu nonlinéaire 25, constitué par exemple d'un cristal LiNbO3, une opération nonlinéaire de différence de fréquence génère un flux F5 à la longueur d'onde -5 = 1,54 jlm. Ce flux traverse un deuxième filtre 26 coupant les longueurs d'onde;2 = 3,44 pm et.4 = 1,064 gm. Le flux F5 est focalisé par une sixième lentille 27 sur une matrice de détecteurs 27, symbolisée par une diode, sensible à la longueur d'onde k5 =1,54 pm, et qui permet de réaliser une image de la cible 16 correspondant à une tranche "distance", égale à la durée de l'impulsion laser de la pompe annexe 23, divisée par la vitesse de la lumière. Un troisième dispositif électronique 29 met en forme le signal détecté pour un traitement éventuel notamment dans le but d'une visualisation sur un écran vidéo 30. A titre de variantes et sans sortir du cadre de la présente invention, on peut ne pas utiliser le filtre optique et réaliser la fenêtre temporelle sur commande externe. On peut également utiliser un laser fonctionnant à une cadence fixe par exemple à 5 Khz et employer un filtre ne coupant pas la longueur d'onde 1,54 pim. Une image à 50 Hz de la scène sera alors réalisée dans la bande infrarouge I au voisinage de 1,54 lm comprenant 100 plans "distance", ce fonctionnement offrant à l'opérateur une impression de visualisation 3D ou quasi 3D. REVENDICATIONS 1. Dispositif de détection tomoscopique laser, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens (1,2) pour illuminer une cible (3) à une longueur d'onde inusitée pour une source laser, et en ce qu'il comporte des moyens (4) pour réaliser une fenêtre temporelle sur l'onde rétrodiffusée ou partiellement réfléchie par la cible (3) à la suite de l'illumination laser, et des moyens (5) pour convertir la longueur d'onde inusitée en longueur d'onde usitée par un capteur d'image (6), permettant d'assurer la discrétion de la i0 détection. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens (1,2) d'illumination laser de la cible (3) sont réalisés à partir d'une source laser impulsionnelle (1), dite laser de pompe, venant exciter un oscillateur paramétrique optique (2) générant sur sa sortie une onde laser agile en longueur d'onde. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le laser de pompe (1) est un laser Nd:YAG. 4. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'oscillateur paramétrique optique (2) comporte un cristal non linéaire LiNbO3. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les moyens (4) permettant de réaliser la fenêtre temporelle comportent une source laser (23), dite pompe annexe, qui génère une onde laser, dite onde de pompe, appliquée simultanément avec l'onde rétrodiffusée, ou partiellement réfléchie par la cible (3;16) à l'entrée des moyens de conversion (5), et pendant une durée déterminée. 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que la pompe annexe (23) est un laser impulsionnel générant une impulsion dont la largeur définit la durée de la conversion. 7. Dispositif selon la revendication 5 caractérisé en ce que la pompe annexe (23) est un laser fonctionnant à une cadence fixe déterminée. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les moyens de conversion (5) comportent un milieu non linéaire (25) mélangeant l'onde rétrodiffusée, ou partiellement réfléchie par la cible (16), et l'onde de pompe générée par la pompe annexe (23), permettant de transposer en fréquence l'onde rétrodiffusée, ou partiellement réfléchie par la cible(16). 9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que le milieu non linéaire (25) est un cristal LiNbO3. 10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il fonctionne dans la bande Il.