Brevet FR2750222A1 — publié le 19971226

L'invention concerne un dispositif de balayage comportant des moyens de compensation de l'effet de filé. L'invention concerne plus particulièrement un dispositif de balayage, du type dans lequel un composant est animé d'un mouvement de défilement par rapport à une cible, notamment pour émettre, recevoir, ou réfléchir une onde électromagnétique en direction ou en provenance de la cible. Un tel dispositif permet de couvrir une zone angulaire plus importante que celle susceptible d'être couverte par le composant. Si le composant est par exemple un capteur dont "l'angle de vision" est déterminé, le dispositif de balayage permet au capteur de scruter successivement, et à intervalles réguliers, différents points continus dans l'espace pour augmenter la zone qu'il est susceptible de couvrir. Le dispositif de balayage peut également servir pour orienter un émetteur, notamment lorsque le faisceau émis est un faisceau unidirectionnel tel qu'un rayonnement laser. Enfin, un dispositif de balayage peut être utilisé pour orienter un miroir réfléchissant ou un prisme réfringent permettant de dévier une onde électromagnétique en provenance d'un émetteur ou en direction d'un récepteur pour, là encore, augmenter la zone de l'espace susceptible d'être "atteinte" par le composant. L'invention sera plus particulièrement décrite dans le cas d'application dans lequel le dispositif de balayage porte un miroir qui permet de diriger des rayonnements venus de divers points de l'espace en direction d'un capteur fixe. Le dispositif de balayage peut ne fournir qu'un balayage unidirectionnel dans lequel l'image du champ élémentaire du capteur est amené à parcourir successivement tous les points d'une ligne, avec une certaine fréquence appelée fréquence de balayage. Toutefois, le cas le plus fréquent est celui d'jn balayage à deux dimensions dans lequel deux balayages de directions perpendiculaires sont superposés, I'un des balayages possédant une fréquence très supérieure à l'autre, ce qui permet de couvrir avec le champ élémentaire du capteur une "image" beaucoup plus grande. De manière classique, on adopte un balayage de type ligne-colonne dans lequel le balayage ligne possède une fréquence très supérieure à celui du balayage colonne. Le champ élémentaire d'observation du capteur est ainsi déplacé de manière rapide le long d'une ligne pendant un temps durant lequel il n'est déplacé, selon la direction perpendiculaire, que d'une distance sensiblement égale à la dimension du champ élémentaire selon cette direction. Ainsi, lorsque le balayage ligne repasse par un même point après une période, le champ élémentaire d'observation a été déplacé de sa dimension selon la direction perpendiculaire. En multipliant le nombre de lignes, on obtient le balayage d'une zone dans l'espace sensiblement rectangulaire en projection plane sur un plan perpendiculaire à la direction du faisceau de balayage lorsqu'il se trouve au milieu d'une ligne et au milieu d'une colonne. Un tel dispositif de balayage permet donc, dans le cas où la grandeur physique observée par le capteur ne varie pas trop au cours d'une période de balayage colonne, d'observer à l'aide d'un capteur, dont le champ élémentaire d'observation est relativement petit, une zone de l'espace qui peut atteindre de grandes dimensions. Toutefois, dans un tel cas, la fréquence du balayage ligne est relativement importante si bien que le champ d'observation se déplace à une vitesse importante selon la direction de la ligne. Or, la sensibilité du capteur détermine un temps d'exposition minimal, temps pendant lequel le champ élémentaire doit être braqué sur un point précis pour obtenir une mesure de la grandeur physique au point considéré. Si le temps d'exposition ainsi déterminé n'est pas suffisamment réduit par rapport à la vitesse de balayage ligne, il peut en résulter un effet de filé qui diminue sensiblement la précision de la mesure et donc la résolution de l'image globale obtenue par le balayage. L'invention a donc pour objet de proposer un dispositif de balayage qui permette, pour un composant donné, de pouvoir utiliser une vitesse de défilement importante dans le mouvement de balayage sans pour autant être confronté à des problèmes de filé. Dans ce but, I'invention propose un dispositif de balayage du type décrit précédemment, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens d'excitation d'une structure sur laquelle est monté le composant pour faire vibrer la structure selon un de ses modes propres, et en ce que le composant est solidaire d'un point de la structure autre qu'un noeud de vibration de manière que le mouvement absolu du composant par rapport à la cible, superposition du mouvement de défilement et du mouvement de vibration, comporte des phases pendant lesquelles la vitesse du composant par rapport à la cible est réduite. Selon d'autres caractéristiques de l'invention - le mouvement de défilement du composant est un mouvement uniforme - le mouvement de vibration, transmis par la structure au composant, est un mouvement alternatif dont la direction est sensiblement parallèle à celle du mouvement de défilement - le composant est monté sur un arbre qui est entraîné en rotation autour de son axe par un moteur qui commande le mouvement de défilement du composant par rapport à la cible, et les moyens d'excitation provoquent une vibration de torsion de l'arbre autour de son axe - L'arbre est entraîné en rotation par un moteur électrique, et le moteur comporte des moyens de commande aptes à provoquer des variations du couple fourni par le moteur à une fréquence correspondant à une fréquence propre de vibration de torsion de l'arbre - le dispositif comporte des moyens d'asservissement de l'amplitude et de la fréquence du mouvement de vibration de la structure - les moyens d'asservissement du mouvement de vibration de l'arbre comportent un premier détecteur, qui produit une impulsion à chaque passage d'une marque agencée sur l'arbre au niveau d'un noeud de vibration pour mesurer la vitesse du mouvement de défilement, et un second détecteur qui produit une impulsion à chaque passage d'une marque agencée sur l'arbre au niveau du composant, de telle sorte que la mesure du décalage temporel entre les impulsions des deux détecteurs est représentative du décalage angulaire entre le composant et le noeud de vibration ; et - au niveau du composant, une seconde marque, décalée d'un angle constant par rapport à la première marque, déclenche la production, par le second détecteur, d'une seconde impulsion dont le décalage temporel par rapport à la première impulsion du second détecteur est représentatif de l'amplitude du mouvement de vibration de l'arbre. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit pour la compréhension de laquelle on se reportera aux dessins annexés dans lesquels - la figure 1 est une vue schématique illustrant un mode de réalisation d'un dispositif de balayage conforme aux enseignements de l'invention; - la figure 2 est un graphe illustrant la position angulaire absolue moyenne du composant en fonction du temps - la figure 3 est un graphe illustrant, en fonction du temps, la position angulaire relative du composant par rapport à la position absolue moyenne; - la figure 4 est un graphe illustrant, en fonction du temps, la position absolue instantanée du composant - la figure 5 est un graphe illustrant le procédé de détermination de l'amplitude et de la phase du mouvement de vibration. Un mode de réalisation de l'invention va être décrit dans le cas d'un dispositif de balayage dans lequel un blocmiroir est animé d'un mouvement de rotation uniforme autour d'un axe Al. Le bloc-miroir comporte N facettes réparties pour former un dièdre régulier de telle sorte que, lorsque le bloc-miroir effectue un tour autour de son axe Al, I'image d'un champ élémentaire d'observation d'un capteur (non représenté) braqué de manière fixe sur le bloc-miroir balaye N fois une ligne d'observation, perpendiculaire à l'axe Al, sur un angle qui peut atteindre 2x360/N degrés. Un tel dispositif remplace avantageusement un système de commande d'un miroir de type galvanométrique dans lequel le miroir est animé d'un mouvement alternatif sinusoïdal. L'utilisation d'un bloc-miroir à plusieurs facettes permet d'une part d'obtenir une vitesse de balayage angulaire constante et d'autre part d'éviter la présence d'un temps mort correspondant au mouvement retour du mouvement alternatif, Un tel dispositif permet donc d'obtenir un balayage selon une direction, par exemple un balayage ligne, qui peut être combiné avec un balayage colonne selon une direction perpendiculaire, le balayage colonne pouvant être réalisé à l'aide d'un dispositif galvanométrique car la fréquence nécessaire au balayage colonne est très inférieure à la fréquence du balayage ligne. Le dispositif de balayage 10 qui est représenté de manière schématique sur la figure 1, comporte donc un blocmiroir cylindrique à facettes 12 qui est monté sur un arbre 14 entraîné en rotation autour de son axe Al par un moteur électrique 16. L'arbre 14 est monté tournant par rapport à un bâti 20 par l'intermédiaire de deux paliers 22 montés à chacune de ses extrémités axiales pour fournir un guidage de grande précision. Le dispositif 10 comporte aussi des moyens qui permettent de détecter la position angulaire de l'arbre dans son mouvement de rotation. II est ainsi prévu un premier codeur 24 comportant une partie fixe reliée au bâti 20 et une partie mobile liée à l'arbre 14. Un second dispositif de détection 25 comporte un disque perforé 26 associé à une diode émettrice 28 et une diode réceptrice 30 qui sont solidaires du bâti 20. Le disque 26 est agencé sur l'arbre 14 dont il est solidaire, perpendiculairement à l'axe Al de celui-ci, sensiblement au niveau du sommet du bloc-miroir 12. Le moteur électrique 16 peut par exemple être un moteur du type moteur-couple à aimants permanents et à bobinage diphasé. Un tel moteur est commandé par commutation électrique de l'alimentation des phases, la fréquence et l'amplitude des commutations déterminant la vitesse du moteur. De manière connue, un tel moteur ne délivre pas un couple parfaitement continu, même lorsqu'il est commandé à une vitesse constante. Le couple fourni est affecté d'une variation d'amplitude dont la fréquence est déterminée par la vitesse de rotation du moteur et par le nombre de paires de pôles permanents. Le moteur 16 est donc commandé pour fournir une vitesse de rotation Qm constante à sa sortie, vitesse de rotation qui est communiquée, par l'intermédiaire de l'arbre 14, au composant que forme le bloc-miroir 12. En choisissant de manière adéquate la nature du matériau de l'arbre 14, ses dimensions, et le positionnement des différents éléments le long son axe Al, il est possible d'obtenir que l'une des fréquences propres du mode de vibration en torsion de l'arbre 14 autour de son axe Al coïncide avec la fréquence des variations de couple du moteur électrique 16 lorsque celui-ci est commandé pour fonctionner à une vitesse constante m correspondant à la vitesse de défilement souhaitée de l'image du champ élémentaire du capteur sur une cible (non représentée). Ainsi, en commandant le moteur 16 à la vitesse de rotation constante Qm, le moteur-couple 16 provoque l'apparition, dans l'arbre 14, d'une onde de vibration en torsion de fréquence f0 autour de son axe Al. Ce mouvement vibratoire se superpose au mouvement de rotation continue résultant de la commande en vitesse du moteur 16. Ainsi, un point de l'arbre qui est au niveau d'un noeud de vibration est animé d'un mouvement de rotation uniforme de vitesse angulaire Qml de telle sorte que la position angulaire Om(t) de ce point est une fonction linéaire du temps, ainsi que cela est représenté à la figure 2. Cette position Om(t) peut être considérée comme étant la position angulaire absolue moyenne de l'arbre 14 dans son ensemble et donc la position absolue moyenne du bloc-miroir 12. A cette vitesse de rotation Qml le couple délivré par le moteur varie selon une fréquence f0, correspondant à la fréquence de résonance d'un des modes de vibration en torsion de l'arbre 14 si bien qu'il apparaît dans l'arbre 14 une onde de type stationnaire dans laquelle chacun des points est animé d'un mouvement sinusoïdal de torsion par rapport à un noeud de vibration de l'arbre 14. De manière connue, I'amplitude de l'angle de torsion varie en chaque point de l'arbre en fonction de la position de ce point le long de l'axe Al de l'arbre 14. Il existe ainsi des noeuds de vibration qui ne sont animés d'aucun mouvement relatif par rapport au mouvement moyen de l'arbre 14 et qui sont donc animés d'un mouvement absolu de rotation uniforme par rapport au bâti à la vitesse Qm. Au contraire, il existe des ventres de vibration, agencés entre deux noeuds de vibration dont ils sont distants d'une demi-longueur d'onde, et auxquels l'amplitude et la vitesse du mouvement de vibration sont maximum. Ces points sont animés d'un mouvement relatif de rotation alternée sinusoïdale d'axe Al par rapport aux noeuds de vibrations. L'écart angulaire A(t) entre les ventres et les noeuds de vibration est représenté à la figure 3 et présente la forme d'une sinusoïde de fréquence f0 et d'amplitude A. Selon l'invention, le bloc-miroir 12 est agencé en dehors d'un noeud de vibration, et de préférence au niveau d'un ventre de vibration de telle sorte que son mouvement de rotation absolu est la combinaison du mouvement de rotation uniforme du moteur 16 et du mouvement vibratoire de torsion dû à l'entrée en résonance de l'arbre 14 sous l'effet des variations de couple du moteur 16. Ainsi, la position angulaire absolue 0(t) du bloc-miroir 12 en fonction du temps varie selon la courbe représentée à la figure 4. Cette courbe illustre que le mouvement absolu du bloc-miroir est la somme du mouvement de rotation uniforme et du mouvement vibratoire, ces deux mouvements étant de même axe. Comme on peut le voir sur cette figure, le mouvement absolu 0(t) du bloc-miroir 12 comporte deux types de phases. Durant les phases correspondant à des intervalles de temps IT1, la courbe de la position angulaire du bloc-miroir 12 présente une pente importante. Il s'agit des intervalles de temps pendant lesquels les mouvements de rotation uniforme et le mouvement de torsion s'effectuent dans le même sens autour de l'axe Al de sorte que les vitesses absolues des deux mouvements s'ajoutent. Au contraire, au cours des intervalles de temps de type IT2, le mouvement vibratoire de torsion s'effectue en sens inverse du mouvement de rotation uniforme si bien que les vitesses absolues des deux mouvements se retranchent l'une par rapport à l'autre. Bien entendu, la somme des durées de ces deux intervalles de temps IT1 et IT2 est égale à la période To = fo du mouvement vibratoire de l'arbre 14. Ainsi, pendant les intervalles de temps IT1, la vitesse de défilement de l'image du champ élémentaire du capteur sur la cible est importante. Au contraire, pendant les intervalles de temps 1T2, la vitesse de défilement est très faible, voire quasi nulle. Le mouvement de l'image du champ élémentaire du capteur sur la cible s'apparente donc alors à un mouvement saccadé dans lequel des phases de déplacement succèdent à des phases de quasi-immobilité pendant lesquelles le capteur est apte à recueillir le signal émis par la cible pendant un temps suffisamment long pour obtenir une mesure fiable de ce signal. On obtient ainsi une suppression de tout effet de filé. Bien entendu, la vitesse Qm du mouvement de rotation uniforme et la fréquence f0 du mouvement vibratoire de l'arbre 14 doivent être choisies en fonction de divers paramètres liés à l'application envisagée tels que le temps d'intégration, ou sensibilité, du capteur, le temps maximal acceptable pour balayer l'intégralité du champ de vision, et en fonction du nombre de positions de quasi-immobilité souhaitées pour le bloc-miroir 12. II est par ailleurs nécessaire de pouvoir commander de manière fiable le mode vibratoire de l'arbre 14 si l'on veut obtenir un bon résultat dans la correction de l'effet de filé. En effet, le résultat sera optimum si, au cours des intervalles IT2, la vitesse absolue du mouvement vibratoire sinusoïdal est sensiblement équivalente à la vitesse absolue moyenne de l'arbre 14, mais en sens opposé. Pour cela, la fréquence f0 du mouvement oscillatoire étant fixée, il est nécessaire de commander l'amplitude A de ce mouvement de vibration. A cet effet, on utilise la combinaison des informations fournies par le codeur 24 et par le second dispositif de détection 25. Le codeur 24 fournit ainsi par exemple une impulsion à chaque tour de l'arbre 14. En agençant le codeur 24 sur un noeud de vibration, on s'assure que le codeur 24 fournit directement la vitesse absolue moyenne de l'arbre 14 sans que le mouvement vibratoire de l'arbre ne perturbe la mesure. Le disque 26 du second dispositif de détection 25 est agencé sensiblement au niveau du sommet du bloc-miroir et il comporte au moins deux perforations destinées à laisser passer le signal émis par la diode émettrice 28 en direction de la diode réceptrice 30 lorsque le disque 26 occupe deux positions particulières. La première perforation est agencée angulairement sur le disque 26 de manière à laisser passer le signal au même instant que le codeur 24 émet une impulsion lorsque l'arbre 14 est dépourvu de tout mouvement vibratoire de torsion. Ainsi, lorsque le mouvement de vibration de torsion s'est établi dans l'arbre 14, il suffit de mesurer le décalage de temps At1 qui s'écoule entre l'impulsion émise par le codeur 24 et le passage de la première perforation du disque 26 dans l'axe reliant les deux diodes 28 et 30. Toutefois, pour déduire un écart angulaire de cet écart temporel, il est aussi nécessaire de connaître l'amplitude A du mouvement oscillatoire du bloc-miroir 12. Cela ressort notamment du graphe de la figure 5 où l'on a représenté, à plus grande échelle, la variation de la position angulaire relative du blocmiroir 12 par rapport à la position absolue moyenne de l'arbre 14. On a aussi représenté les impulsions "C" émises par le codeur 24 et celles "D" émises par la diode réceptrice 30. Pour déterminer la mesure de l'amplitude A du mouvement vibratoire au niveau du bloc miroir, le disque 26 comporte une deuxième perforation qui est écartée d'un angle a de la première perforation. En mesurant l'intervalle de temps At2 qui sépare deux passages de la deuxième perforation dans l'axe des deux diodes 28 et 30, on peut en déduire l'amplitude du mouvement vibratoire. On a représenté sur la figure 6 un deuxième mode de réalisation de l'invention dans lequel le dispositif comporte un autre moyen 38 de détection de l'amplitude A. A cet effet, le dispositif comporte deux roues cylindriques à facettes 40, 42 identiques qui sont montées sur l'arbre 14, I'une 40 au niveau du bloc miroir 12, L'autre au niveau d'un point de l'arbre 14 qui vibre sensiblement en opposition de phase par rapport au bloc miroir 12. Un émetteur fixe 44 émet une lumière collimatée sur l'une des roues 42 et la lumière réfléchie par les facettes de la roue 42 est dirigée, par l'intermédiaire d'un réflecteur 46 vers la seconde roue 40 où elle est de nouveau réfléchie. Un récepteur fixe 48 est agencé pour ne recevoir la lumière que si les facettes des deux roues 40, 42 qui ont réfléchi le rayon lumineux sont rigoureusement parallèles. Or, les deux roues 40, 42 étant animées d'un mouvement de vibration en opposition de phase, cela est notamment le cas lorsque l'amplitude A de ce mouvement passe par une valeur nulle. En effet, on a représenté sur la figure 7, pour trois instants différents tl, t2, t3, la variation de cette amplitude en fonction de la position x d'un point considéré sur l'arbre 14. Les trois courbes se recoupent aux noeuds de vibration. Ainsi que cela ressort de la figure 7, deux points dont les position xl et x2 sur l'arbre 14 sont tels qu'ils sont sensiblement en opposition de phase ne peuvent avoir la meme amplitude instantanée de mouvement que lorsque leur amplitude passent par la valeur nulle. De la sorte, le récepteur 48 détecte le rayon lumineux à chaque passage de l'amplitude par la valeur nulle, ce qui correspond à l'impulsion fournie par le dispositif 25, décrit précédemment, au passage de la première perforation. Toutefois, si le décalage angulaire entre deux facettes consécutives d'une des roues est suffisamment réduit, les deux facettes sont aussi alignées lorsque l'écart angulaire entre les deux roues 40, 42 est exactement égal à cet angle, ce qui permet d'obtenir une impulsion correspondant au passage de la deuxième perforation dans le dispositif 25 précédent. Dans les deux cas, I'asservissement de l'amplitude de l'oscillation à une valeur de consigne prédéterminée s' effectue alors en provoquant une augmentation ou une diminution de l'amplitude des variations du couple fourni par le moteur électrique 16. En effet, les deux phases du bobinage du moteur sont alimentées en courant alternatif sinusoïdal et l'une des phases reçoit, en plus, une composante de courant continu qui accentue l'intensité des variations de couple délivrée par le moteur 16. On obtient ainsi une excitation plus ou moins forte de l'arbre 14 qui permet d'obtenir une amplitude de vibration plus ou moins importante de celui-ci en fonction, notamment, d'un facteur d'amortissement lié au matériau de l'arbre 14. Le dispositif qui vient d'être décrit permet de commander à la fois la vitesse de rotation moyenne de l'arbre, et l'amplitude des vibrations de celui-ci par la seule commande du moteur électrique d'entraînement 16. Toutefois, on pourra préférer réaliser l'excitation du mode propre de l'arbre 14 à l'aide d'un dispositif complémentaire tel, par exemple, qu'un frein électromagnétique actionné à la fréquence f0 voulue. L'invention n'est pas limitée au mode de réalisation qui vient d'être décrit. En effet, il existe d'autres applications dans lesquelles la vitesse du mouvement de défilement du balayage risque de provoquer un effet de filé. II en est ainsi par exemple lorsqu'un capteur est déplacé par une structure mobile, parallèlement à la surface d'une cible à observer. C'est le cas notamment pour un satellite d'observation de la terre. En effet, dans ce cas, le mouvement relatif de défilement du capteur par rapport à la cible est sensiblement un mouvement de translation uniforme dont l'effet de filé induit peut-être corrigé au moyen d'un dispositif conforme aux enseignements de l'invention. Le mouvement de vibration induit dans la structure porteuse du capteur peut alors être soit un mouvement alternatif de translation, parallèle au mouvement de défilement relatif, soit un mouvement alternatif de rotation d'axe perpendiculaire au mouvement de défilement. REVENDICATIONS 1. Dispositif de balayage, du type dans lequel ,un composant (12) est animé d'un mouvement de défilement par rapport à une cible, notamment pour émettre, recevoir ou réfléchir une onde électromagnétique en direction ou en provenance de la cible, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens d'excitation d'une structure (14) sur laquelle est monté le composant (12) pour faire vibrer la structure (14) selon un de ses modes propres, et en ce que le composant (12) est solidaire d'un point de la structure (14) autre qu'un noeud de vibration de manière que le mouvement absolu du composant (12) par rapport à la cible, superposition du mouvement de défilement et du mouvement de vibration, comporte des phases (IT2) pendant lesquelles la vitesse du composant (12) par rapport à la cible est réduite. 2. Dispositif de balayage selon la revendication 1, caractérisé en ce que le mouvement de défilement du composant (12) est un mouvement uniforme. 3. Dispositif de balayage selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le mouvement de vibration, transmis par la structure (14) au composant (12), est un mouvement alternatif dont la direction est sensiblement parallèle à celle du mouvement de défilement. 4. Dispositif de balayage selon la revendication 3, caractérisé en ce que le composant (12) est monté sur un arbre (14) qui est entraîné en rotation autour de son axe (Al) par un moteur (16) qui commande le mouvement de défilement du composant (12) par rapport à la cible, et en ce que les moyens d'excitation provoquent une vibration de torsion de l'arbre (14) autour de son axe (AI). 5. Dispositif de balayage selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'arbre (14) est entraîné en rotation par un moteur électrique (16), et en ce que le moteur comporte des moyens de commande aptes à provoquer des variations du couple fourni par le moteur (16) à une fréquence (f0) correspondant à une fréquence propre de vibration de torsion de l'arbre (14). 6. Dispositif de balayage selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens d'asservissement de l'amplitude et de la fréquence du mouvement de vibration de la structure (14). 7. Dispositif de balayage selon la revendication 6 prise en combinaison avec la revendication 5, caractérisé en ce que les moyens d'asservissement du mouvement de vibration de l'arbre (14) comportent un premier détecteur (24), qui produit une impulsion à chaque passage d'une marque agencée sur l'arbre (14) au niveau d'un noeud de vibration pour mesurer la vitesse du mouvement de défilement, et un second détecteur (25) qui produit une impulsion à chaque passage d'une marque agencée sur l'arbre au niveau du composant, de telle sorte que la mesure du décalage temporel (asti) entre les impulsions des deux détecteurs (24, 25) est représentative du décalage angulaire entre le composant (12) et le noeud de vibration. 8. Dispositif de balayage selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'au niveau du composant, une seconde marque, décalée d'un angle (a) constant par rapport à la première marque, déclenche la production, par le second détecteur (25), de deux impulsions qui correspondent aux deux sens de passage de la seconde marque et dont le décalage temporel (At2) est représentatif de l'amplitude (A) du mouvement de vibration de l'arbre (14).