Brevet FR2747793A1 — publié le 19971024

Dispositif de détection d'obstacles et d'altimétrie laser L'invention se rapporte au domaine de l'aide à la navigation et a plus particulièrement pour objet un dispositif de détection d'obstacles et d'altimétrie laser. La nécessité pour les avions ou les hélicoptères de pouvoir évoluer dans des conditions de faible visibilité, implique la mise en oeuvre d'aide à la navigation par l'utilisation de système permettant la détection d'obstacles. En effet, la présence d'obstacles, particulièrement les câbles pour les vols à basse altitude, rend le pilotage très délicat. Cette vulnérabilité rend nécessaire l'utilisation d'un dispositif de détection d'obstacles. En outre de nombreux appareils du type avion ou hélicoptère, en mission de surveillance, doivent être "discrets". A très basse altitude, les altimètres, de type conventionnel utilisant des mesures de pression ou des systèmes d'émission réception en ondes millimétriques, ont le désavantage d'être soit peu précis, soit peu discrets. Un dispositif optique de détection d'obstacles et d'altimétrie permet de satisfaire les besoins de précision et de discrétion mentionnés ci-dessus. Des dispositifs optiques de détection de câbles ont donc été proposés. Ces systèmes utilisent des sources lasers émettant dans le proche infrarouge à 0, 911m par exemple. Ce domaine de longueurs d'onde se trouve être bien adapté à la détection d'obstacles. Mais l'oeil est sensible dans cette gamme de longueurs d'onde. I1 est donc nécessaire de prendre en compte les conditions de sécurité oculaire, ce qui limite considérablement les énergies d'émission utilisables. L'invention a pour objet un dispositif de détection d'obstacles et d'altimétrie laser, utilisant une source laser émettant dans le proche infrarouge, qui permet d'obtenir en même temps une portée suffisante et une innocuité pour l'oeil. Pour cela l'invention consiste à introduire dans le dispositif des moyens de découpage de l'émission impulsionnelle laser en impulsions de durée plus courte. Grâce à cela, la puissance crête est maintenue tout en diminuant l'énergie optique de sortie à un niveau assurant la sécurité oculaire. Selon l'invention, un dispositif de détection d'obstacles et d'altimétrie utilisant une source laser à une longueur d'onde à laquelle l'oeil est sensible, est caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif de découpage temporel des impulsions émises par le laser conservant la puissance instantanée des impulsions émises et fixant la durée des impulsions issues du découpage pour que leur énergie ne dépasse pas l'énergie maximum permissible fixée par les conditions de sécurité oculaire. L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques apparaîtront à l'aide de la description qui suit en référence aux figures annexées - La figure 1 est le schéma synoptique d'un dispositif de détection d'obstacles et d'altimétrie laser selon l'invention; - La figure 2 illustre un mode de réalisation du dispositif de découpage d'impulsions - La figure 3 est un diagramme temporel explicatif. Comme indiqué ci-dessus, un laser dans la bande proche infrarouge, à O,9pin par exemple, est dangereux pour l'oeil si son énergie dépasse un niveau maximum dit "Energie Maximum Permissible", EMP. L'Energie Maximum Permissible (EMP) est définie comme la densité d'énergie (en J/m2) au-delà de laquelle la sécurité oculaire n'est pas assurée. Le niveau d'EMP est indiqué ci-après pour plusieurs longueurs d'onde, selon les normes OTAN, pour un laser à impulsions ayant une durée d'impulsion inférieure à 200 ns et une fréquence de répétition de l'ordre de 5kHz. Longueurs d'onde 7 (pin) EMP (J/cm2) 0,9 1,06 1,4 600 il résulte de ce tableau que, pour des longueurs d'onde inférieures à 1,4pin, la condition de sécurité oculaire est très contraignante pour le niveau d'énergie optique utilisable. Or, les performances d'un tel système de détection d'obstacles et d'altimétrie par laser sont caractérisées entre autres par la portée qui définit la distance maximale de détectabilité d'un obstacle. Il s'avère qu'en mode impulsionnel, la portée varie comme d=f[E/(TL)0'5lx où E est l'énergie optique de sortie TL est la durée de l'impulsion laser x est un coefficient compris entre 0,5 et 0,33. Les performances d'un tel système optique sont proportionnelles à l'énergie. Il apparaît donc que, pour utiliser un laser de longueur d'onde inférieure à 1,4pin tout en assurant la sécurité oculaire du système à ces longueurs d'onde, il faut limiter l'énergie laser émise, ce qui limite donc les performances du système. L'un des moyens évidents pour diminuer l'énergie de sortie, consiste à placer une densité optique (absorbant optique) dans le dispositif avant émission du rayonnement à l'extérieur. En limitant la puissance optique émise en sortie d'équipement, sans changer la durée d'impulsion (fonction par ailleurs du type de source laser et de la fréquence de répétition), on amène l'énergie de sortie au niveau de l'EMP, assurant ainsi la sécurité oculaire. Le tableau ci-après montre, à titre d'exemple, les limitations en puissance nécessaires en fonction des longueurs d'onde pour un dispositif respectant les conditions de sécurité oculaire en sortie d'équipement et les portées maximum envisageables d(m), pour des caractéristiques d'émission, durée d'impulsion et cadence données, durée d'impulsion TL = 200ns et fréquence de répétition égale 5KHz, et avec a = 70mm, diamètre du faisceau laser en sortie et du système de détection et divergence du faisceau laser div = lmrd (pin) P(w) d(m) (assurant la sécurité oculaire) 0,9 (diode laser) 11 200 1,06 (YAG) 57 350 1,4 ' > 1,15.105 4800 Il faut noter que les diodes et les lasers YAG actuellement disponibles sur le marché peuvent délivrer des puissances optiques de l'ordre du kilowatt à des cadences de quelques kilohertz. Les performances d'un dispositif travaillant dans le proche infrarouge (Â Selon l'invention un autre moyen est utilisé pour amener l'énergie de sortie au niveau de l'EMP : Il consiste à maintenir la puissance optique au plus haut niveau disponible (en utilisation normale du système) et à diminuer la durée de l'impulsion de sortie. En effet, la portée exprimée en fonction de l'EMP imposée par la sécurité oculaire, et de la durée d'impulsion, est donnée par l'expression suivante 05x d=f[EMP/(TL) , j Si l'on impose la sécurité oculaire en sortie d'équipement, il apparaît que la portée augmente lorsque la durée d'impulsion diminue. A titre d'exemple, le tableau ci-dessous donne la portée en fonction de la durée d'impulsion. TL(ns) P(w) d(m) (assurant la sécurité oculaire) 200 11 200 10 220 330 1 2200 480 L'invention consiste donc à diminuer l'énergie optique de sortie, tout en gardant le plus haut niveau de puissance opti que, en découpant les impulsions fournies par la source en impulsions de durée suffisamment courte pour respecter l'EMP. Pour cela un dispositif de découpage d'impulsions laser est inséré dans un système de détection d'obstacles et d'altimétrie optique. La figure 1 illustre un tel dispositif de détection d'obstacles : Il comporte une source laser 1 destinée à émettre à haute cadence (quelques kilohertz) des impulsions polarisées rectilignement ayant une durée de quelques dizaines de nanosecondes. Le faisceau est reçu par un dispositif de découpage d'impulsions 2, qui transforme une impulsion unique en une ou plusieurs impulsions plus courtes, de quelques nanosecondes émises selon des directions différentes A, B, C. En sortie de ce dispositif de découpage, on dispose alors de une ou plusieurs impulsions de même polarisation émises dans des directions différentes. Chacune des impulsions traverse une lame séparatrice de polarisation, 3, et une lame quart d'onde , /4, 4, qui transforme l'onde polarisée rectilignement en une onde polarisée circulaire droite. Les faisceaux sont alors transmis, sous des incidences différentes, à un dispositif d'adressage (X, Y), 5, constitué de miroirs galvanométriques ou d'un déflecteur acousto-optique par exemple, puis à un objectif afocal, 6. En sortie du dispositif, chacune des impulsions est émise dans une direction prédéfinie "adressée". Pour chaque impulsion, la lumière rétrodiffusée par un obstacle, polarisée circulaire gauche après réflexion, traverse en retour l'objectif, 6, et le dispositif d'adressage (X, Y), 5. En traversant la lame > /4, 4, l'onde se trouve polarisée rectilignement à 900 de la polarisation initiale. De ce fait la lame séparatrice, 3, agit alors en réflexion et dirige le faisceau vers un détecteur, 7, associé à la direction initiale de l'impulsion excitatrice émise. Un mode de réalisation d'un dispositif de découpage d'impulsions peut être constitué comme représenté à titre d'exemple sur la figure 2. Dans ce mode de réalisation l'onde impulsionnelle entrante 0, issue du laser est découpée en 4 ondes impul sionnelles sortantes 01, 02, 03 > 4 émises dans des directions différentes, de même puissance optique instantanée, mais comportant des impulsions plus courtes. L'onde impulsionnelle laser à découper, polarisée à +450, traverse un dispositif de séparation de polarisation, 20, passant pour la polarisation à +450, et un rotateur de FARADAY 21 faisant tourner la polarisation pour l'amener à 00. Le faisceau impulsionnel est alors transmis à un séparateur de polarisation 22, passant pour la polarisation à 0 , puis à un rotateur de polarisation 23, du type cellule de Pockels. Une rotation à 900 est effectuée dans l'impulsion pendant un temps correspondant à la durée des impulsions courtes désirées comme illustré par le diagramme temporel de la figure 3. L'impulsion, en traversant un séparateur de polarisation 24 donne naissance à une onde réfléchie et à une onde transmise du fait des polarisations différentes des deux parties de l'impulsion: - L'onde réflective est une impulsion courte dont la polarisation est à 900 - L'onde transmise correspond au reste de l'impulsion et est polarisée à 00. Après réflexion sur un miroir 25, traversée du séparateur 24, et nouvelle rotation de 900 d'une partie de l'impulsion par le rotateur de polarisation 23, le séparateur de polarisation 22 donne naissance à - en réflexion à une seconde impulsion courte dont la polarisation est à 900 - en transmission au reste de l'impulsion polarisée à Oc. En traversant le rotateur de FARADAY, 21, l'impulsion restante est polarisée à -450. Le séparateur de polarisation 20 agit alors en réflexion et dirige l'impulsion vers un second dispositif de découpage, identique au précédent, constitué d'un séparateur de polarisation 26, d'un rotateur de polarisation 27, d'un séparateur de polarisation 28 et d'un miroir, 29. Une lame biréfringente, 30, est éventuellement placée à l'entrée du séparateur 26 pour amener la polarisation à Oc. De la même façon que précédemment, l'impulsion donne à l'aller une première impulsion courte par réflexion sur le séparateur 28, et une seconde impulsion par réflexion de l'onde retour sur le séparateur 26. Suivant le mode de réalisation représenté, l'impulsion est supposée entièrement découpée à ce stade. En sortie de dispositif quatre impulsions, 01 > 02, 03 et 04 séparées, toutes polarisées à 900 sont alors disponibles et peuvent être émises dans quatre directions que l'on aura prédéfinies par avance par réglage de la position des miroirs de renvois M1, M2 > M3 et M4 associées à ces quatre ondes. Le dispositif décrit précédemment, émet donc plusieurs impulsions courtes dans des directions différentes. L'énergie de chacune des impulsions est lImitée à l'EMP. La sécurité oculaire est donc assurée, éventuellement seulement au-delà de la zone de recouvrement des faisceaux, s'il y a recouvrement en sortie de l'équipement. L'invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit et représenté. En particulier, il est possible d'envisager l'utilisation dans le dispositif, de dispositifs de découpages d'impulsions de différents types ne donnant qu'une seule impulsion, courte, dont l'énergie est fixée à l'EMP, par exemple - rotateur Faraday, - cellule de Pockels. Il est également possible de réaliser le dispositif de découpage d'impulsions par la mise en série de dispositifs de découpage élémentaires, par exemple la mise en série de cellules de Pockels. REVENDICATIONS 1. Dispositif de détection d'obstacles et d'altimétrie utilisant une source laser (1) à une longueur d'onde à laquelle l'oeil est sensible, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif de découpage temporel (2) des impulsions émises par le laser conservant la puissance instantanée des impulsions émises et fixant la durée des impulsions issues du découpage pour que leur énergie ne dépasse pas l'énergie maximum permissible fixée par les conditions de sécurité oculaire. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de découpage temporel (2) génèrent à partir de la suite d'impulsions émises, une suite d'impulsions à la même fréquence, de même puissance instantanée mais de durée plus courte. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens de découpage comportent un élément rotateur de polarisation (23) commandé pour modifier la polarisation des impulsions émises par la source pendant une fraction de leur durée associée à un élément séparateur (24) en fonction de la polarisation, destiné à séparer les fractions d'impulsions de polarisation différentes. 4. Dispositif selon la revendication 3 caractérisé en ce que l'élément rotateur de polarisation est du type cellule de Pockels. 5. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de découpage temporels fractionnent les suites d'impulsions émises par le laser en suites d'impulsions séparées de même puissance mais de durées plus courtes. 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que les moyens de découpage temporels comportent au moins un élément rotateur de polarisation, commandé pour modifier la polarisation des impulsions qu'il reçoit pendant une fraction de leur durée, associé à un au moins un élément séparateur en fonc tion de la polarisation, destiné à séparer les fractions d'impulsions de polarisations différentes. 7. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que les moyens de découpage d'impulsions comportent plusieurs dispositifs de découpage élémentaires en série. 8. Dispositif selon l'une des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que les impulsions de durées plus courtes résultant du découpage d'une même impulsion émise par le laser sont émises dans des directions prédéfinies différentes fixées par des moyens de déviation. 9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une lame séparatrice de polarisation (3), une lame quart d'onde (4), un dispositif d'adressage (X, Y) et un objectif afocal de sortie (5), ainsi qu'un détecteur (7) destiné à détecter le rayonnement réfléchi par les obstacles en retour jusqu'à la lame séparatrice (3) où il est réfléchi vers le détecteur (7).