Brevet FR2748818A1 — publié le 19971121

Détecteur d'impulsions de rayonnement électromagnétiqu~, en particulier d'impulsions laser. L'invention concerne la détection d'arrivées d'impulsions laser. Cette fonction est intéressante, pour être installée notamment à bord d'un char, d'un hélicoptère ou d'un avion, afin de détecter, et si possible d'identifier, le pointage d'une arme guidée ou assistée par laser sur le mobile porteur. Les systèmes existant actuellement ne donnent pas entière satisfaction, car ils sont soit simplistes (aucune indication de site et détection d'incidence en gisement limitée en fait à la présence dans un quadrant parmi les quatre possibles) soit qu'ils fournissent une précision assez satisfaisante, mais au prix d'une complexité matérielle importante. La présente invention a pour but essentiel de fournir un dispositif capable d'une précision convenable, tout en demeurant simple, et propre à opérer dans une bande de longueurs d'ondes couvrant au moins 0,3 à 3 micromètres. Le détecteur proposé est du type comprenant des moyens capteurs, sélectifs quant à l'orientation du faisceau incident, en gisement et/ou en site, et reliés à des moyens photodétecteurs. On remarquera ici la distinction entre la fonction de capture, qui assure la sélectivité d'orientation, mais laisse le signal incident sous forme électromagnétique, et la fonction de détection qui, au contraire, assure la transformation du signal électromagnétique en un signal électrique. Selon une première caractéristique de l'invention, les moyens capteurs comprennent au moins trois corps de révolution, tels que des cylindres, orientés verticalement, possédant sur leur surface de révolution une fenêtre de capture dont la hauteur est soit constante soit à variation monotone, sur toute son étendue, en fonction du gisement. De préférence, pour l'un des corps de révolution, la développante de cette fenêtre varie comme une fonction puissance du gisement. Pour les deux autres corps, ces fenêtres de capture sont de hauteur constante en fonction du gisement. L'un de ces derniers, masqué à distance par un cache horizontal, va fournir une indication de site. L'autre, non masqué, servira de référence de niveau. Bien que l'usage de trois corps soit préféré, on comprendra que l'on peut seulement en utiliser un (en particulier celui de hauteur variable), les deux autres informations étant acquises par d'autres moyens. Ces corps sont avantageusement reliés par des liaisons telles que des fibres optiques, possédant des temps de transit différents, à au moins un organe détecteur commun par sousbande de longueur d'onde. Cependant, on peut également prévoir un organe détecteur pour chaque corps; ceci entraîne une plus grande dispersion de gain, donc de précision absolue mais une plus grande sensibilité. Le pouvoir séparateur n'est pas modifié. Un tel organe détecteur, commun ou non, comprend un photodétecteur qui peut être un photomultiplicateur, une diode PIN ou une diode à avalanche suivant la sensibilité et la bande de longueur d'onde désirée. Ce photodétecteur est couplé par un condensateur à un amplificateur logarithmique, suivi d'un codeur analogique/numérique de moyens de traitement. Selon un autre aspect, très intéressant, de l'invention, on prévoit plusieurs liaisons à fibres optiques opérant dans des sous-bandes différentes de fréquence électromagnétique à traiter. Le plus simple est de prévoir un organe détecteur commun pour chaque sous-bande à traiter. Mais on peut aussi prévoir un seul organe détecteur commun pour toutes les sous-bandes, les longueurs des fibres devant alors être toutes différentes. Le rôle des organes détecteurs selon l'invention est de comparer les signaux qui sont respectivement sensibles au site et au gisement, au signal de référence contemporain. De préférence, l'organe détecteur va mesurer également la largeur des impulsions reçues. Le ou les corps selon l'invention peuvent être réalisés en verre à faible absorption, par exemple des borosilicates, de préférence chargés de fines particules de dioxyde de titane, qui les rendent diffusants. Leurs fenêtres sont définies, en négatif, par des métallisations externes. Pour certaines applications, on pourra recouvrir le ou les corps d'une couche de transposition de bande électromagnétique, en particulier fluorescente, ce qui permet de transposer la bande ultraviolette dans le visible pour réduire la bande passante utile des fibres optiques et du détecteur. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à l'examen de la description détaillée ci-après, et des dessins annexés, sur lesquels - la figure 1 illustre un mode de réalisation d'un dispositif selon l'invention; - la figure 2 est une vue détaillée permettant de mieux comprendre la structure du corps C1 de la figure 1; - la figure 3 est un schéma plus détaillé permettant de mieux comprendre la structure du corps C2 de la figure 1; et - la figure 4 est un diagramme temporel montrant une séquence d'impulsions obtenue avec les trois corps de la figure 1. Les dessins présentent de nombreux aspects de caractères géométriques et/ou certains. En conséquence, ils pourront non seulement servir à mieux faire comprendre la description ci-après, mais aussi contribuer à la définition de 1 'inven- tion, le cas échéant. Sur la figure 1, les corps C1 à C3 sont trois cylindres en verre spécial (borosilicate) dont la bande de transparence s'étend de 0,3 à 3 micromètres par exemple. Le verre est chargé de fines particules de dioxyde de titane, également appelé Rutile, ce qui leur confère une propriété de diffusion lumineuse en volume. Ces cylindres sont orientés verticalement (direction V). Leur face extérieure est métallisée, de façon à ne laisser découvertes, sur la surface cylindrique externe des corps, que des fenêtres respectives F1 à F3. Les cylindres sont, au moins au niveau de leur fenêtre, protégés par un hublot (non représenté). Pour le corps C1 (figure 2), la développante de la fenêtre est une courbe qui varie en progression géométrique en fonction de llangle g de gisement. Plus exactement, s'agissant d'une loi continue, la courbe illustrant la largeur de la fenêtre possède une forme de fonction puissance ou exponen tielle. Les deux autres corps C2 et C3 possèdent des fenêtres respectives F2 et F3 dont la hauteur est constante quel que soit le gisement. La fenêtre F3 du cylindre C3 n'est pas masquée. Par contre, la fenêtre F2 du cylindre C2 est masquée à distance choisie par une jupe annulaire J, dont la projection sur le cylindre de verre obstrue la moitié de la fenêtre F2 environ. La jupe est naturellement coaxiale avec le cylindre. La figure 3 montre alors l'ombre portée de la lumière arrivant dans différentes incidences de site sO, sl et s2. La lumière arrivant dans le plan horizontal donne une ombre portée qui couvre la moitié de la fenêtre. Une lumière arrivant avec un site positif donne une ombre portée qui se réduit à la partie comprise entre la courbe sl et le bas de la fenêtre. Inversement, une lumière arrivant avec un site négatif s2 donnerait une ombre portée qui s'étend entre le bas de la fenêtre et la courbe s2. La quantité de lumière parvenant à la fenêtre du cylindre C2 est donc une fonction du site de l'impulsion lumineuse incidente. Dans l'exemple décrit, la jupe J couvre la partie haute de la fenêtre F2. On pourrait concevoir, pour certaines applications, qu'elle couvre la partie basse de cette même fenêtre. L'homme de l'art comprendra que - le corps C3 peut servir de référence omnidirectionnelle en gisement, donnant une puissance PO; - le corps C1 donne une puissance qui varie en progression géométrique avec l'angle de gisement, puissance que l'on notera P1; - le corps C2 donne une puissance qui varie selon une fonction monotone de l'angle de site, puissance que l'on notera P2. Sur chacun des cylindres C1 à C3, une fibre optique Lll à L31 prélève une énergie qui est donc proportionnelle à la puissance diffusée dans ce cylindre. Les longueurs des fibres optiques sont différentes, de telle manière que les impulsions de lumière reçues simultanément par chacun des cylindres soient retardées d'une façon différente, d'un temps connu qui est proportionnel à la différence de longueur des fibres optiques. Un organe CF combine les sorties des fibres optiques Lll à L31, par une sommation. Le signal sommé résultant est appliqué sur un détecteur de lumière quadratique PD, qui est par exemple une diode à avalanche, convenablement polarisée par une résistance RP. En sortie de la diode PD, le signal électrique disponible est une tension continue U0 qui correspond à la polarisation de la diode et à la lumière ambiante permanente. A l'arrivée d'une impulsion lumineuse de durée t, associée à un gisement et à un site donnés g et s, le photodétecteur PD percevra trois impulsions de durée t, et espacées de T, T étant la différence de temps de transit sur les différentes fibres optiques (supposée la même pour toutes). On supposera tout d'abord que cette différence de temps est très supérieure à la durée des impulsions laser. La tension U en sortie de la diode PD s'écrit alors comme la somme du terme U0, de trois termes liés aux contributions respectives des trois corps, et d'un dernier terme N(t), qui est le bruit produit par le courant instantané dans la diode. Le condensateur CL élimine le terme U0 constant. I1 est relié à un amplificateur logarithmique AL, suivi d'un codeur analogique/numérique CAN, et d'un dispositif de traitement DT couplé à un bus BS. A la sortie de l'amplificateur logarithmique AL, on obtient, en l'absence d'impulsions laser incidentes, un signal représentant le bruit N0(t). Pendant la première impulsion venant du corps C3, on obtient un signal U3 qui est la somme d'un terme A, du logarithme de la puissance PO, et d'un terme de bruit Na(t). Pendant la présence de la seconde impulsion venant du corps C1, le signal U1 est égal à la somme d'un terme B, du logarithme de la puissance PO, d'un facteur proportionnel à l'angle de gisement, et d'un terme de bruit Nb(t). Pendant la présence de la troisième impulsion venant du corps C2, le signal U2 est égal à la somme d'un terme C, du logarithme de la puissance PO, d'un autre facteur proportionnel cette fois au logarithme de la fonction du site qui est donnée par le corps C2, et enfin d'un terme de bruit Nc(t). Par équilibrage des pertes ou par correction, on peut rendre les termes A, B et C égaux. La différence entre les signaux U1 et U3 fournit alors une tension qui est représentative de l'angle de gisement, en supposant que la somme des bruits est négligeable. Dans la même hypothèse, la différence entre les tensions U2 et U3 fournit une indication sur le site. L'homme de l'art comprendra qu'après numérisation dans le codeur CAN, le dispositif de traitement DT est alors en mesure de préciser la direction de l'impulsion laser incidente. I1 pourra même en mesurer la durée. A titre d'exemple, on indique que la fonction puissance pour le corps C1 peut être de la forme 3g/900 Cela donne une variation de niveau en fonction du gisement qui est d'environ +10 dB pour +90" par rapport à la référence 1800. Actuellement, à la sortie d'un amplificateur logarithmique, on sait apprécier une variation de niveau de 0,25 dB; par ailleurs, les autres erreurs sont du même ordre de grandeur. On obtient une précision en mesure du gisement qui est meilleure que 50, en valeur quadratique moyenne. La variation du niveau en fonction de l'angle de site s peut être obtenue avec une précision du même ordre de grandeur, en jouant sur le diamètre de la jupe J du corps C2. I1 a été supposé plus haut que la durée t des impulsions laser incidentes est inférieure à l'intervalle de temps T correspondant aux différences de longueurs entre les fibres optiques. Dans le cas inverse où t est supérieur à T, le système fonctionne encore, mais il faut apporter une correction systématique sur le résultat de la mesure, mais la précision est moindre comme le comprendra l'homme de l'art. La figure 1 montre que l'on peut faire partir de chacun des corps C1 à C3 d'autres liaisons par fibres optiques, respectivement L12, L13, L22, L23, L32, L33. Ces fibres optiques sont munies d'instruments de filtrage, de manière connue, afin que chacune des fibres optiques ne transmette le signal que pour une partie du spectre des signaux électromagnétiques incidents. En d'autres termes, chaque jeu de fibres optiques, par exemple L12, L22, L32 correspond à une sous-bande particulière, dans le domaine des signaux électromagnétiques incidents possibles. En jouant convenablement sur les décalages de temps en sor tie des fibres, on pourrait utiliser le même module détecteur MD pour l'ensemble des fibres, si la bande passante de ce détecteur le permet. On préfère actuellement prévoir plusieurs modules détecteurs MD, chacun étant utilisé en commun par un seul jeu de fibres tel que Lll, L21 et L31 ou L12, L22 et L32. Inversement, si l'on désire, avec un seul dispositif, pouvoir traiter l'ensemble de la gamme des signaux électromagnétiques incidents possible, les cylindres C1 à C3 peuvent être recouverts d'une légère couche d'un produit fluorescent transposant les bandes ultraviolettes vers les bandes utiles des détecteurs opérant vers le rouge et l'infrarouge. On observera que le dispositif selon l'invention convient particulièrement pour les applications visées, où le plus important est la précision obtenue sur les mesures d'angles. I1 détermine aussi : la bande de fréquence, la largeur d'impulsion, le niveau absolu mais ce dernier est un mauvais paramètre à cause de sa grande fluctuation. I1 est encore observé que le système selon l'invention est de très faible encombrement, ce qui permet de l'installer à peu près partout, et en particulier sur tous les véhicules de combat terrestre et sur tous les aéronefs. Le véhicule ainsi équipé pourra, par corrélation de la direction d'arrivée, de la largeur d'impulsion, de la sousbande de longueur d'onde, et du niveau, déterminer la période de répétition des impulsions, et, si possible, identifier la menace. L'invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit. On notera que le diamètre et la longueur des corps (C) sont optimisés en fonction de l'angle d'ouverture des fibres optiques (L). Par ailleurs, la densité en particules diffu santes est optimisée en fonction du diamètre des corps (C); en particulier, elle croit quand le diamètre du corps (C) augmente. Revendications. 1. Détecteur d'impulsions de rayonnement électromagnétique, en particulier d'impulsions laser, comprenant des moyens capteurs (MC), sensibles à l'orientation du faisceau incident, en gisement et/ou en site, et reliés à des moyens photodétecteurs (MD), caractérisé en ce que les moyens capteurs comprennent au moins un corps de révolution (Cl), tel qu'un cylindre, en matériau transparent, et diffusant en volume, pour le rayonnement électromagnétique, possédant sur sa surface de révolution une fenêtre de capture, et agencé pour posséder ladite sensibilité en gisement et/ou en site. 2. Détecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la fenêtre de capture (F1) présente une variatibn monotone, sur toute son étendue en fonction de l'angle. 3. Détecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la développante de la fenêtre (F1) varie comme une fonction puissance de l'angle. 4. Détecteur selon l'une des revendications 1 et 3, caractérisé en ce que les moyens capteurs comprennent au poins un autre corps de révolution (C2, C3), tel qu'un cylindre, orienté verticalement, et possédant une fenêtre de capture (F2, F3) de hauteur constante. 5. Détecteur selon la revendication 4, caractérisé en ce que les moyens capteurs comportent deux corps de révolution (C2, C3) à fenêtre de hauteur constante (F2, F3), l'un, non masqué (C3), servant de référence, tandis que l'autre (C2), masqué à distance par un cache horizontal, fournit une indication de site. 6. Détecteur selon l'une des revendications 4 et 5, caractérisé en ce que les corps (Cl, C2, C3) sont reliés par des liaisons (Lll, L21, L31), comme des fibres optiques, possédant des temps de transit différents, à au moins un organe détecteur commun (MD). 7. Détecteur selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'organe détecteur commun (MD) comprend une photodiode (PD), couplée par un condensateur (CL) à un amplificateur logarithmique (AL), suivi d'un codeur analogique-numérique (CAN) et de moyens de traitement (DT). 8. Détecteur selon l'une des revendications 6 et 7, caractérisé en ce qu'il comporte plusieurs liaisons à fibres optiques (Lll, L12, L13; L21, L22, L23; L31, L32, L33), opérant dans des sous-bandes différentes de fréquences électrougné- tiques, et de longueurs toutes différentes, ou allant vers des organes détecteurs communs différents. l 9. Détecteur selon l'une des revendications 6 à 8, caractérisé en ce que l'organe détecteur commun (MD) compare les signaux qui sont respectivement sensibles au site et au gisement, au signal de référence contemporain. 10. Détecteur selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'organe détecteur commun (MD) mesure également la largeur des impulsions reçues. 11. Détecteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le ou les corps (C) sont en verre très transparent dans la bande d'utilisation, de préférence chargé de fines particules de dioxyde de titane, leurs fenêtres étant définies, en négatif, par des métallisations externes. 12. Détecteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le ou les corps (C) sont recouverts d'une couche de transposition de bande électromagnétique, en particulier fluorescente. 13. Détecteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est protégé par un hublot pour éviter le dépôt de particules sur les fenêtres des corps (C). 14. Détecteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le diamètre et la longueur des corps (C) sont optimisés en fonction de l'angle d'ouverture des fibres optiques (L). 15. Détecteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la densité des particules diffusantes est optimisée en fonction du diamètre des corps (C), en particulier en décroissant quand le diamètre du corps (C) augmente.