Brevet FR2740559A1 — publié le 19970430

DISPOSITIF DE POINTAGE D'UN FAISCEAU LASER. La présente invention concerne un système de pointage d'un faisceau laser permettant d'obtenir un pointage de haute précision et un champ relativement grand pour l'acquisition et la poursuite d'une cible. On connait par la demande de brevet français NO 76-39052 du 24 Décembre 1976 au nom de l'actuel demandeur un dispositif de pointage d'un faisceau laser à distribution d'énergie gaussienne sur une cible comprenant un miroir réfléchissant le faisceau, un pivot pour ce miroir, deux dispositifs piézoélectriques reliés d'un cdté au miroir et de l'autre cOté au bdti du dispositif et agencés pour faire tourner le miroir autour de deux axes rectangulaires, deux générateurs de signaux alternatifs de fréquences de référence, des moyens d'appliquer les signaux alternatifs de fréquence de référence aux dispositifs piézoélectriques pour faire vibrer le miroir autour des deux axes rectangulaires, un détecteur du faisceau laser réfléchi par le cible et délivrant un signal d'orientatiourdes moyens de séparer les composantes du signal d'orièntatDnaux fréquences de référence et des moyens d'appliquer respectivement ces composantes aux deux dispositifs piézoélectriques en addition aux signaux alternatifs de fréquences de référence. On connatt également par la demande de brevet français NO 78-35265 du 14 Décembre 1978 au nom de l'actuel demandeur un dispositif permettant de faire vibrer autour de deux axes rectangulaires un miroir monté à pivotement par rapport à un b ti sans que les vibrations du miroir entrainent des vibrations du bdti, Le miroir est entraîné en vibration par des colonnes ou des empilements de disques piézoélectriques et deux jeux de lames vibrantes respectivement parallèles aux deux axes rectangulaires et ayant une fréquence de résonance convenablement déterminée sont fixées au bdti. On connatt enfin par la demande de brevet allemand 1 213 141 du 24 Septembre 1965 un système de balayage conique d'un faisceau comprenant un miroir dont la monture comporte un pendule terminé par un aimant, et des bobines alignées selon deux axes rectangulaires et agissant sur l'aimant du pendule pour lui faire décrire un cercle. Le système de pointage décrit dans la première demande de brevet précitée dans lequel le déplacement angulaire du miroir est obtenu par des moyens piézoélectriques qui lui sont couplés ne permet d'obtenir qu'un champ d'environ 1,2 mrd pour une tension maximale de l'ordre de 1000 volts appliquée aux moyens piézoélectriques. Le système de rotation du miroir de la demande de brevet allemand ne permet pas la poursuite d'une cible. L'objet de 1 invention est un système de pointage de grande précision et à grand champ capable de poursuivre des cibles rapides. Le dispositif de pointage d'un faisceau laser à distribution d'énergie gaussienne sur une cible de l'invention comprend un miroir réfléchissant le faisceau, une plate-forme orientable autour de deux axes d'orientation rectangulaires, des dispositifs piézoélectriques reliés d'un côté au miroir et de l'autre côté à ladite plate-forme et agencés pour faire vibrer le miroir autour de deux axes de vibration rectangulaires, des lames élastiques fixées à la plate-forme du dispositif et ayant une extrémité libre, deux moyens de produire des signaux alternatifs de vibration, des moyens d'appliquer ces signaux alternatifs de vibration aux dispositifs piézoélectriques pour faire vibrer le miroir à des fréquences de référence autour des deux axes de vibration rectangulaires, un détecteur du faisceau laser réfléchi par la cible et délivrant un signal d'orientation, des moyens de séparer les composantes du signal d'orientation aux fréquences de référence et des moyens d'orienter ladite plate-forme en fonction desdites composantes, caractérisé en ce qu'il comprend au moins deux moteurs-couples alimentés respectivement par lesdites composantes du signal d'orientation et agissant sur la plate-forme pour la faire tourner autour des deux axes d'orientation. On notera que dans le dispositif de pointage conforme à la première demande de brevet français précitée, les signaux de vibration et les signaux d'orientation étaient tous deux appliqués aux moyens piézoélectriques et additionnés dans ces moyens piézoélectriques de façon que le miroir recevait deux déplacements additionnant la vibration et l'orientation, Dans la présente demande de brevet, les signaux d'orientation agissent sur la plate-forme et les signaux de vibration sur les dispositifs piézoélectriques. Ces derniers font partie d'un auto-oscillateur asservi. De plus, la présence de lames vibrantes empêche toute vibration résiduelle du bati de l'appareil. L'invention va être maintenant décrite en détail en relation avec les dessins annexés dans lesquels - la Fig. 1 représente un dispositif de pointage conforme à l'art antérieur - les Figs. 2A, 2B, 2C sont des coupes du dispositif de pointage selon l'invention - les Figs. 3A et 3B représentent en perspective le dispositif de pointage selon l'invention ; et - les Figs. 4 et 5 représentent sous la forme de diagramme de blocs les circuits électroniques du dispositif de pointage de l'invention. En se référant à la Fig 1, le dispositif de pointage de l'art antérieur comprend un laser 1, un télescope de focalisation 2, un miroir plan 3 et un dispositif de vibration et d'asservissement 4 du miroir. Le miroir 3 est fixé sur une monture orientable 44 reliée à un support 5 par une fixation à trois points. L'un des points est une rotule élastique 40 servant de pivot. Les deux autres points de fixation sont constitués par des rotules portées par des empilements de céramiques piézoélectriques 41 et 42. Chaque empilement comprend une colonne tubulaire 411 ou 421 en céramique piézoélectrique servant au calage angulaire d'asservissement et un disque en céramique piézoélectrique 412 ou 422 servant à imprimer au miroir une vibration autour d'un axe, Les disques 412 et 422 sont reliés à la monture 44 par des joints universels du type rotule 45 et 46. Les rotules 40, 45 et 46 forment un angle droit, de façon que les rotations imprimées au miroir par les deux colonnes tubulaires piézoélectriques et par les deux disques s'effectuent autour de deux axes rectangulaires. Les disques piézoélectriques 412 et 422 sont commandés par deux amplificateurs 6 et 6' amplifiant les signaux fournis par deux oscillateurs à quartz 7 et 7' et fournissant des tensions de 2000 volts environ, respectivement aux fréquences fl et f2. Les colonnes tubulaires piézoélectriques 411 et 421 sont commandées par deux amplificateurs 8 et 8' amplifiant les signaux d'erreur convenablement traités jusqu'à un niveau moyen de 1500 volts. Des senseurs 431 et 432, dont les armatures sont portées par la monture 44 du miroir et les bobinages par le support 5, permettent de recueillir les signaux de référence aux fréquences f1 et f2. Le récepteur du rayonnement réfléchi est commun aux deux voies en x et en y. I1 comprend un détecteur de rayonnement 9 et un préamplificateur 10. Ce dernier est connectée à un amplificateur logarithmique 11 et à un filtre passe-haut 12. Du filtre passe-haut 12 partent deux channes de traitement du signal d'erreur, respectivement 13 pour le signal d'erreur en x et 13' pour le signal d'erreur en y. En se référant aux Figs. 2A, 2B, 2C, 3A, 3B, le dispositif de pointage comprend un socle 20 (Fig. 3A) sur lequel sont montées deux équerres 21 et 22 (Fig. 3A) sur la partie haute desquelles sont fixés deux pivots coaxiaux 23 et 24 (Fig. 2A) qui maintiennent l'anneau 25 d'une suspension de Cardan. Sur l'anneau 25 sont montés deux autres pivots coaxiaux 26 et 27 (Fig. 2A) qui soutiennent une plate-forme 28 sous laquelle est fixée une pièce ou soubassement de commande 29. Les pivots 23 et 24 définissent un axe d'orientation 30 et les pivots 26 et 27 définissent un axe d'orientation 31 orthogonal à l'axe 30. La plate-forme 28 peut donc prendre toute position angulaire autour des axes d'orientation 30 et 31. La pièce de commande 29 située sous la plate-forme 28 et solidaire de cette dernière est commandée en rotation selon deux axes 32 et 33 rectangulaires qui sont,dans le cas de l'exemple décrit, les bissectrices des axes 30 et 31. Ce mouvement de rotation est commandé par les moteurs-couples 34 et 35 alimentés en push-pull pour la rotation autour de l'axe 32 et par les moteurs-couples 36 et 37 alimentés en push-pull pour la rotation autour de l'axe 33. Les moteurs-couples 34-37 sont montés sur le socle 20. Chacun comprend une manivelle 38 et une bielle 39 qui est accouplée à la pièce de commande 29. Les deux moteurs-couples 34 et 35 sont alimentés par le signal d'orientation en x l'un directement et l'autre après inversion. Les deux moteurscouples 36 et 37 sont alimentés par le signal d'orientation en y l'un directement et l'autre après inversion. La plate-forme 28 porte des lames élastiques 61-64 ayant une extrémité libre et encastrées sur une embase centrale fixée à la plate-forme. Les lames sont orientées selon les axes 32 et 33 de vibration du miroir. L'embase est surmontée par quatre empilements de disques céramiques piézoélectriques 51-54 alignés selon les axes 32 et 33 et dont les extrémités supérieures sont liées directement au miroir Les lames souples 61-64, les empilements de disques céramiques piézoélectriques 51-54 et la plate-forme 28 constituent un arrangement de type décrit dans la deuxième demande de brevet français précitée pour rendre le socle, ici la plate-forme, dénué de vibrations. Des senseurs de position 55 et 55 sont montés sur le x y dispositif de pointage pour mesurer les angles d'orientation de la plate-forme 28. Seul le senseur 55 est vu sur la x Fig. 2C. Des senseurs d'accélération 80 et 80 (Fig. 2C) x y sont montés sur le miroir 3. On retrouve ces senseurs sur la Fig. 4 en ce qui concerne les senseurs de position et sur la Fig. 5 en ce qui concerne les senseurs d'accélération. En se référant maintenant à la Fig. 4, on a représenté sous la forme d'un diagramme de blocs le circuit électronique de traitement du signal d'écho laser. Ce circuit comprend un détecteur laser 9, un préamplificateur 10, un amplificateur logarithmique 11 et un filtre passe-haut 12 déjà vus sur la Fig, 1 puis deux détecteurs synchrones 65 et 65 qui reçoivent respectivement des os x y cillateurs de la Fig. 5 le signal de vibration en x à la fréquence fl et le signal de vibration en y à la fréquence f2. Le détecteur synchrone 65 est relié par une porte analogique x 66 à la chaine de commande du moteur-couple 34 et le détec x teur synchrone 65 est relié par une porte analogique 66 à y y la chatne de commande du moteur-couple 37. Le signal d'écho laser est également appliqué à un circuit à seuil 67 qui produit un signal sur l'un ou l'autre de deux fils 68 ou 69 selon que le signal d'écho est inférieur ou supérieur à une valeur prédéterminée. Un générateur de signal de balayage dans la phase d'acquisition 70 peut également être relié aux chatnes de commande des moteurs couples 34 et 37 à travers des portes analogiques 71 et x 71 . Ce générateur 70 fournit des signaux de balayage appro y priés au type de balayage désiré, par exemple des dents de scie de ligne et des dents de scie d'image pour un balayage du type télévision ou des signaux sinusordaux d'amplitude linéairement variable pour un balayage en spirale. La chatne de commande du moteur-couple 34 comprend un circuit d'addition 72 , un préamplificateur 73 , un amplifi x x cateur de puissance 74x et le moteur-couple proprement dit 34. Le senseur de position 55 est relié au circuit d'addi x tion 72 directement dans la phase d'acquisition, après x différenciation dans le circuit dérivateur 75 dans la phase x de poursuite. La chaîne de commande du moteur-couple 37 est identique à celle du moteur 34 et ses éléments sont désignés par les mêmes numéros de référence munis d'un indice y au lieu d'un indice x. La Fig. 5 représente l'oscillateur faisant vibrer le miroir en autorésonance autour de la direction x. Le signal produit par le senseur d'accélération 80 est x appliqué au détecteur synchrone 65 et à l'amplificateur 81 x x puis à l'intégrateur 82X qui produit donc un signal de sortie proportionnel à la vitesse de vibration. Ce signal de sortie est appliqué à l'une des deux entrées d'un multiplieur 83 . Le signal de sortie de l'amplificateur 81 est appliqué x x à un détecteur 84X puis à un amplificateur opérationnel 85 x recevant d'autre part une tension de consigne. Le signal de sortie de l'amplificateur opérationnel 85 est appliqué à x la seconde entrée du circuit multiplieur 83 et le signal x de sortie de ce dernier circuit est appliqué à la céramique piézoélectrique 51. Un circuit identique permet d'alimenter le détecteur synchrone 65 et la céramique piézoélectrique 53. y Revendications du brevet 1. Dispositif de pointage d'un faisceau laser à distribution d'énergie gaussienne sur une cible comprenant un miroir réfléchissant le faisceau une plate-forme orientable autour de deux axes d'orientation rectangulaires au moins deux dispositifs piézoélectriques reliés audit miroir et agencés pour faire vibrer le miroir autour de deux axes de vibration rectangulaires des moyens d'appliquer auxdits dispositifs piézoélectriques des signaux de vibration pour faire vibrer le miroir à des fréquences de référence autour de chacun des axes de vibration un détecteur du faisceau laser réfléchi par la cible et des moyens de délivrer un signal d'orientation de la plateforme des moyens de commande d'orientation de la plate-forme autour des axes d'orientation caractérisé en ce que les dispositifs piézoélectriques sont montés sur la plateforme orientable et les moyens de commander l'orientation de la plate-forme sont des moteurs-couples alimentés par ledit signal d'orientation 2. Dispositif de pointage d'un faisceau laser conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de commande d'orientation de la plate-forme autour des axes d'orientation comprennent deux moteurs-couples alimentés en push-pull faisant tourner la plate-forme autour du premier axe d'orientation et deux moteurs-couples alimentés en push-pull faisant tourner la plate-forme autour du second axe d'orientation perpendiculaire au premier. 3. Dispositif de pointage d'un faisceau laser conforme à la revendications 1 caractérisé en ce que les axes de vi bration sont les bissectrices des axes d'orientation et sont confondues avec les axes définis par les moteurscouples. 4. Dispositif de pointage d'un faisceau laser conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que les fréquences des signaux de vibration sont respectivement les fréquences de résonance du système mécanique formé du miroir et des dispositifs piézoélectriques en vibration autour des axes de vibration. 5. Dispositif de pointage d'un faisceau laser conforme à la revendication 4, caractérisé en ce que les fréquences de résonance du système mécanique formé du miroir et des dispositifs piézoélectriques sont différentes autour de chacun des axes de vibration. 6. Dispositif de pointage d'un faisceau laser conforme à l'une quelconque des revendications 1 ou 4 caractérisé en ce que les lames élastiques à extrémité libre sont fixées à la plate-forme parallèlement aux axes de vibration et ont une longueur telle qu'elles vibrent à la fréquence de résonance du système mécanique formé du miroir et des dispositifs piézoélectriques en vibration autour des axes de vibration. 7. Dispositifs de pointage d'un faisceau laser conforme à la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comprend en outre un générateur de signaux de balayage et des moyens d'appliquer sélectivement les signaux de balayage aux moyens de commande d'orientation de la plate-forme. 8. Dispositif de pointage d'un faisceau laser conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que deux senseurs d'accélération sont montés sur le miroir selon les deux axes de vibration et que les signaux produits par lesdits senseurs sont amplifiés et appliqués aux dispositifs piézoélectriques et aux détecteurs synchrones compris dans les moyens de délivrer le signal d'orientation.