Brevet FR2764710A1 — publié le 19981218

DISPOSITIF DE VISEE STABILISEE MULTISPECTRAL La présente invention concerne les dispositifs de visée stabilisée comprenant un miroir de stabilisation orientable angulairement autour de deux axes mutuellement orthogonaux et en général une optique de réception de faisceaux de lumière entrant dans une voie multispectrale, la séparation des bandes spectrales étant réalisée en aval par des voies optiques appropriées. On connaît déjà de nombreux dispositifs de ce type. Le document US-A-4 393 957 décrit un tel dispositif dans lequel le miroir de stabilisation est: orientable autour d'un premier axe, dit de latéral, sur un équipage lui-même orientable autour d'un second axe, orthogonal au premier et concourant avec lui (souvent un axe d'élévation), sur un ensemble orientable sur un support autour d'un troisième axe (axe de circulaire). Un système d'asservissement, comportant un capteur gyroscopique lié par les relations angulaires décrites ci- après au miroir, commande des moteurs d'orientation de façon à stabiliser la direction de visée, en tendant de plus à maintenir la ligne de visée orthogonale à un plan contenant l'axe de latéral et l'axe d'élévation. La stabilisation de la ligne de visée en cas de dépla- cement angulaire du support par rotation du miroir exige de faire tourner ce dernier d'un angle moitié de celui du support dans le plan de propagation mais d'un angle d'am- plitude entière, dans le plan perpendiculaire au faisceau de sortie, alors que l'inertie de ce miroir tend à le maintenir dans la même orientation. Dans les dispositifs les plus fré- quents, aucun élément optique autre que purement transparent n'est interposé entre la scène visée et le miroir. En conséquence, le miroir a une dimension au moins égale à celle de la pupille d'entrée et une inertie élevée. Cette inertie élevée réduit la bande passante en fréquence et rend difficile de réaliser un système d'asservissement capable de compenser les perturbations de nature vibratoire, à fré- quence élevée. De plus, la grande dimension du miroir oblige à réserver un volume important aux asservissements de stabilisation. L'invention vise à fournir un dispositif de visée stabilisée permettant de réduire la dimension du miroir, à diamètre de pupille égal, tout en conservant au dispositif un caractère multispectral. Dans ce but, l'invention propose un dispositif compor- tant, entre la scène visée et le miroir, une optique purement catoptrique stabilisée, donnant au faisceau d'entrée, à son emplacement d'incidence sur le miroir, une dimension inférieure à celle de la pupille d'entrée. On voit que l'inertie de l'optique catoptrique participe à la stabilisation, puisque le moment d'inertie de l'optique tend à la maintenir dans la même orientation (dans la mesure o elle constitue un ensemble équilibré) lorsque le support tourne. Les réflexions spéculaires dans l'optique catoptri- que n'introduisent pas d'aberrations chromatiques et ne défavorisent pas une bande spectrale par rapport à une autre. L'optique catoptrique sera généralement constituée par un télescope ayant un miroir concave de grand diamètre et un miroir convexe de diamètre plus faible. Ce télescope fournit, à partir d'un faisceau entrant parallèle, un faisceau de sortie parallèle ou convergent sur le miroir de stabilisation, de diamètre très réduit. Le télescope, étant stabilisé, constituera pratiquement toujours un système centré n'introduisant que peu d'aberrations géométriques. Un dispositif du genre qui vient d'être décrit est susceptible de nombreuses applications, notamment sur un porteur mobile (aéronef, bateau ou véhicule terrestre). Il peut aisément être réalisé de façon à assurer une visée omnidirectionnelle dans un angle solide dépassant largement 2x stéradians. Dans un mode de réalisation particulièrement adapté à la détection, la reconnaissance et l'identification, la désignation et/ou la poursuite dans un angle solide impor- tant, le dispositif peut comporter: - un bloc comportant l'optique catoptrique orientable dans un domaine angulaire d'environ 10 autour d'un axe de latéral par rapport à un équipage interne lui-même orienta- ble par rapport à un équipage externe autour d'un axe d'élévation interne orthogonal à l'axe de latéral. - un ensemble externe, orientable par rapport à un support autour d'un axe de circulaire parallèle ou confondu avec l'axe de latéral dans une position nominale du disposi- tif, l'équipage externe pouvant aussi comporter un axe d'élévation externe parallèle à l'axe d'élévation interne, pour supporter le hublot d'entrée et permettre, suivant le montage mécanique, une stabilisation fine en élévation. - un miroir de stabilisation accompagnant l'optique catoptrique dans ses déplacements en rotation avec une réduction de déplacement de moitié suivant l'axe de laté- ral; et - des moyens d'asservissement comprenant un capteur gyroscopique lié au bloc, ayant des axes sensibles parallè- les l'un à l'axe de latéral et l'autre à l'axe d'élévation interne, des boucles de commande de moteurs d'asservissement autour des axes de latéral et d'élévation interne, comman- dées par les signaux de sortie du capteur gyroscopique, et des boucles de recopie de la position du bloc par commande de moteurs d'orientation autour de l'axe d'élévation externe et de l'axe de circulaire. L'existence d'un axe d'élévation externe permet, suivant le montage mécanique, une stabilisation en élévation ou autre. Le miroir convexe et le miroir de stabilisation du télescope provoquent une occultation centrale du faisceau d'entrée. Il est en conséquence possible de ménager une ouverture centrale dans le miroir concave et de libérer un trajet optique pour une optique ayant un champ angulaire supérieur à celui du télescope. Dans le cas fréquent o l'équipage externe constitue un capot muni d'un hublot d'entrée, cela implique d'inverser la position angulaire nominale du bloc contenant l'optique catoptrique par rapport à l'équipage externe. Un tel dispositif peut donc avoir: - un champ angulaire faible fourni par le télescope, destiné à des voies d'imagerie et à des voies de télémétrie, de désignation laser, de reconnaissance et/ou didentifica- tion, - un ou plusieurs champs angulaires plus importants destinés par exemple à des fonctions d'imagerie, de veille, de détection. Les caractéristiques ci-dessus ainsi que d'autres apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit d'un mode particulier de réalisation, donné à titre d'exem- ple non limitatif. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels: - la figure 1 est un schéma de principe destiné à montrer les emplacements et la disposition relative des moyens d'asservissement de la visée dans un dispositif suivant un mode particulier de réalisation de l'invention; - les figures 2A et 2B sont des schémas montrant le tracé des rayons lumineux dans un dispositif suivant l'invention pour le petit champ (Figure 2A) et le grand champ (Figure 2B); - la figure 3 est une vue de côté d'un dispositif suivant un mode particulier de réalisation, permettant une visée à petit champ; - la figure 4 est une vue en coupe suivant la ligne IV- IV de la figure 3, également simplifiée; - la figure 5 est une vue de dessus, en coupe suivant un plan passant par les axes d'élévation, montrant la disposi- tion des composants pour l'utilisation à grand champ. - la figure 6 montre une variante. La figure 1 montre la constitution de principe d'un dispositif pouvant être utilisé sur un aéronef, de façon à permettre un balayage panoramique complet et un balayage en élévation dans un domaine angulaire qui peut dépasser 90 . Un support 10 lié au porteur (structure de l'aéronef) comporte des moyens, tels que des roulements 12, permettant à un ensemble externe 14 de tourner autour d'un axe de circulaire C. L'ensemble externe 14 comporte des moyens, tels que des roulements, définissant un axe d'élévation externe E autour duquel peut tourner un équipage externe 16 que l'on peut considérer (ou non dans le cas d'un capot suiveur comme un cadre de cardan). L'équipage externe 16 ou l'ensemble externe 14 comporte également des moyens définis- sant un axe d'élévation interne I, aligné avec l'axe E, autour duquel peut tourner un équipement d'élévation interne 18. Enfin, l'équipement d'élévation interne 18 comporte des moyens définissant un axe de latéral L, orthogonal aux axes d'élévation et concourant avec l'axe d'élévation interne et autour duquel peut tourner le coeur du dispositif, constitué par un bloc 20 portant l'optique catoptrique 22, prévu pour avoir une ligne de visée nominale orthogonale au plan contenant l'axe de latéral et les axes d'élévation. Ce bloc porte un capteur gyroscopique 24, qui peut être d'un quelconque des types utilisés dans les centrales inertiel- les, ayant par exemple un axe de spin parallèle à la ligne de visée. Les axes sensibles Gx et Gy du capteur sont respectivement parallèle à l'axe de latéral L et orthogonal à l'axe de latéral, c'est-à-dire parallèle aux axes d'éléva- tion. Cette disposition n'est donnée qu'à titre d'exemple. L'axe C pourrait aussi bien être un axe de roulis dans le cas d'un montage en nacelle, avec une modification corres- pondante de l'affectation des autres axes, en fonction de l'utilisation prévue. Le coeur comporte encore un miroir de stabilisation 25, non représenté sur la figure 1, rotatif autour de l'axe de latéral et entraîné en rotation par le bloc optique 20 avec un rapport de réduction de 1/2 suivant l'axe de latéral. Les moyens d'asservissement permettant de renvoyer un faisceau d'entrée d'orientation constante dans une direction immuable par rapport au support, en dépit des changements d'orientation de ce dernier, comprenant un moteur de latéral 26 et un moteur d'élévation interne 28 commandés par un circuit d'asservissement 30 recevant les l5 signaux de sortie du capteur gyroscopique 24; un moteur d'élévation externe 32 et un moteur de circulaire 34, respectivement commandés à partir d'un indicateur d'angle (potentiomètre, synchromachine) 36 monté sur l'axe d'élévation externe de façon à détecter l'angle des équipages 16 et 18 entre eux et à partir d'un indicateur d'angle 38 monté sur l'axe de latéral. Les circuits de commande sont destinés à asservir à zéro le signal de sortie des résolveurs, donc à permettre des recopies de position angulaire. Les éléments optiques portés par le bloc 20 peuvent avoir la constitution montrée sur la figure 2A. Ces éléments comprennent un miroir primaire asphérique 40, de forme concave, et un miroir secondaire convexe 42, également asphérique et de plus faible dimension que le miroir 40. Le faisceau de sortie du miroir secondaire 42 est repris par le miroir plan de stabilisation 25 muni d'un réducteur qui le fait tourner d'un angle moitié de celui du bloc autour de l'axe de latéral. Le miroir de stabilisation renvoit le faisceau de sortie vers un miroir de repliement 46 porté par l'ensemble externe 14. Ce miroir de repliement est généra- lement prévu pour renvoyer le faisceau vers une ou plusieurs voies. La figure 2A montre un système 47 coopérant avec le télescope pour former un afocal, constitué de deux groupes de trois lentilles interposé sur une partie commune des voies. Le miroir 25 est monté sur un axe aligné avec l'axe de latéral et indépendant, placé généralement au centre d'un capot de forme sphérique appartenant à l'équipage externe 16. Le faisceau provenant de la scène observée pénètre dans le dispositif par un hublot 50, généralement en forme de lame à faces parallèles, sphérique ou plan. Un hublot plan permet de réduire le chromatisme à une valeur minimale. Dans le cas fréquent d'un dispositif de visée, le système optique ainsi réalisé, à télescope à occultation centrale et champ faible, est utilisable pour effectuer une visée dans plusieurs domaines spectraux à la fois, dans une plage qui peut pratiquement s'étendre de 0,4 um à 12 pm. Les dispositions montrées en figures 1 et 2 garantissent une stabilisation naturelle inertielle du télescope, c'est- à-dire des pièces ayant le moment d'inertie le plus élevé. Le miroir de renvoi est lui-même stabilisé de façon iner- tielle, sauf autour de son axe de rotation propre (axe de latéral); le moment d'inertie du hublot 50 et de sa struc- ture participent également à la stabilisation de ce hublot, qui n'a pas à être extrêmement précise, étant donné que les rotations du hublot n'induisent pas d'aberration apprécia- ble. La constitution matérielle du dispositif peut être celle montrée schématiquement en figures 3 et 4, o les éléments correspondants à ceux déjà décrits sont affectés du même numéro de référence. Le support 10, qui sera généralement placé dans la soute d'un aéronef ou d'un autre véhicule porteur, porte les roulements 12 définissant l'axe de circulaire C. L'ensemble externe 14, de forme générale cylindrique, est monté sur les roulements 12. Il fait saillie hors de l'aéronef, à travers la peau 54 de ce dernier. L'ensemble externe 14 est muni d'un moto-réducteur non représenté sur les figures 3 et 4, permettant de le faire tourner sans limitation d'amplitude, et d'un résolveur 58 (figure 1). La partie basse de l'ensemble externe 14 est constituée par deux flasques 60 (figure 4) munis de roulements 62 définissant l'axe d'élévation externe E autour duquel tourne l'équipage d'élévation externe 16, en forme de boule. Cette forme est celle qui permet le mieux d'éviter des déséquili- bres dus aux efforts aérodynamiques lors des déplacements à grande vitesse du porteur. Cette disposition permet au surplus au moteur d'élévation externe 32 de déplacer sans difficulté l'équipage d'élévation externe 16 dans un domaine d'environ 180 . Un second jeu de roulements 64 permet à l'équipage d'élévation interne 18 de tourner autour d'un axe I aligné avec l'axe E. Les roulements 64 peuvent être portés soit par l'équipage d'élévation externe 16, soit par l'ensemble externe 14. Des roulements 66 portés par l'équipage d'élévation interne 18 permettent au bloc optique de tourner autour de l'axe de latéral L, confondu avec l'axe de rotation du miroir de stabilisation 25, défini par des roulements supplémentaires 68. Il suffirait que l'équipement d'éléva- tion interne soit déplaçable dans un domaine de quelques degrés par rapport à sa position nominale pour réaliser la stabilisation. Pour permettre une commutation de champs, l'équipage d'élévation interne est déplaçable en rotation d'au moins 90 à partir de la position montrée en figure 3, comme on le verra plus loin. Le miroir de stabilisation 25 tourne lui-même autour de l'axe L sur des roulements 68 et il est entraîné dans un rapport 1/2 par le bloc optique pour la stabilisation et de 90 pour permettre une commutation de champ. De facon à réduire le diamètre de la boule, les capteurs du dispositif sont avantageusement placés dans le support 10 ou bien l'ensemble 14. Le flux optique entrant qui a traversé le hublot est réfléchi par le miroir du télescope, puis par le miroir de renvoi et de stabilisation 25 et il pénètre ensuite dans un conduit optique ménagé dans un des flasques 60 comportant un miroir de coudage 46 et les lentilles arrières 47 de l'afocal. Les capteurs eux-mêmes peuvent avoir une constitution connue, par exemple l'une de celles décrites dans les brevets antérieurs de la demande- resse. Une lame dichroique 74 permet de séparer le faisceau d'entrée entre une voie allant par exemple de trois à cinq um et une voie allant par exemple de huit à douze um. On peut aussi introduire, dans l'ensemble ainsi consti- tué, un dispositif optique d'émission et de réception de voies laser (pour les fonctions télémétrie et illumination laser), comme indiqué sur la figure 6. La voie émission laser, qui a un champ très réduit, peut être constituée en faisceau parallèle 90 très étroit dans le flasque 60. Le faisceau est ensuite adapté à travers une optique coudée 91 pour être mélangée aux autres voies de réception grâce à une petite zone 92 en matériau dichroique dans le miroir de coudage ou de repliement 46. Le faisceau d'émission emprunte ensuite l'ensemble 25,40,42 d'orientation et de stabilisa- tion des voies de réception en utilisant une faible partie de la pupille 93. La voie de réception laser utilise toute la pupille de réception de l'afocal commun. Une lame dichroique 75 peut être implantée dans ou après l'afocal terminé par les lentilles 47, en amont de la lame dichroique 74 qui sépare les bandes 3-5 um et 8-12 gm. Pour permettre le passage dans une bande de fréquence aussi étendue, le hublot d'entrée sera généralement consti- tué en sulfure de zinc protégé par une couche de traitement dur résistant à l'érosion (par exemple carbone diamant). Les lentilles seront en sulfure de zinc ou en séléniure de zinc. Grâce au mode d'asservissement utilisé, les axes d'élévation interne et de latéral sont pratiquement toujours en position canonique, perpendiculaires à l'axe de spin du capteur gyroscopique 24, lui-même parallèle à la ligne de visée. Il sera souvent préférable d'adopter un gyroscope sec ayant une fréquence de rotation élevée pour obtenir une grande bande passante et atteindre une résiduelle de stabilisation faible. Comme indiqué plus haut, l'asservissement du moteur de o circulaire, une fois l'axe de visée orienté, fonctionne en recopie de l'axe de latéral pour annuler en permanence l'angle de latéral par rapport à la position canonique. La disposition qui vient d'être décrite permet d'obtenir un rapport élevé, de l'ordre de 1/2, entre le diamètre du faisceau d'entrée du petit champ et le diamètre extérieur de la boule. Grâce à l'utilisation d'un télescope, on peut obtenir une taille de pupille élevée, qui est nécessaire lorsqu'on travaille avec un champ faible pour des raisons de diffraction. A titre d'exemple, on peut noter que le système afocal constitué par tous les éléments optiques depuis le hublot d'entrée jusqu'au miroir de balayage appartenant à l'ensemble capteur peut fournir un champ optique de l'ordre de 1,5 degré, avec un diamètre d'entrée de 136 mm pour une boule de 260 mm de diamètre environ. Le dispositif montré schématiquement sur les figures 3 et 5 permet de changer le champ de vision par rotation de de l'équipage d'élévation interne par rapport à l'équipage d'élévation externe et de 90 du miroir 25, de façon à remplacer le télescope par un autre système optique. Les miroirs primaire et secondaire viennent prendre les positions montrées en tirets sur la figure 2B. Le faisceau optique passe alors à travers le trou central du miroir primaire 40 et traverse une optique à grand champ 70, constitué d'un groupe de lentilles, avant d'arriver sur le miroir 25. Celui-ci renvoie le faisceau vers le miroir 46 et le système optique qui forme un afocal avec le système d'entrée 70. Il est possible de compléter encore le dispositif en prévoyant un miroir de repliement 78 capable de basculer de autour de son arête inférieure, afin de renvoyer le faisceau parallèlement à l'axe de latéral, à travers une autre optique 80 adaptée pour un champ encore plus grand (par exemple 24 ou 40 ), ce qui implique la présence d'un petit hublot supplémentaire 79. REVENDICATIONS 1. Dispositif de visée stabilisée, comprenant un miroir (25) de stabilisation orientable angulairement autour de deux axes mutuellement orthogonaux et une optique de réception d'un faisceau de lumière entrant dans une voie multispectrale correspondant à des bandes de longueurs d'onde différentes, ledit miroir de stabilisation étant orientable autour d'un premier axe (L) sur un équipage o interne lui-même orientable autour d'un second axe (I) orthogonal au premier et concourant avec lui sur un ensemble (14) orientable sur un support (10) autour d'un troisième axe (C) et ayant un système d'asservissement (30) comportant un capteur gyroscopique (24) lié à l'optique de réception et commandant des moteurs (26, 28) d'orientation autour des dits axes, caractérisé en ce qu'il comporte, en amont du miroir de stabilisation, sur le trajet d'un faisceau entrant, une optique purement catoptrique (22) stabilisée donnant au faisceau d'entrée une dimension sur le miroir de stabilisa- tion inférieure à celle de la pupille d'entrée du disposi- tif. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'optique catoptrique (22) est constituée par un télescope ayant un miroir concave (40) de grand diamètre d'entrée et un miroir convexe (42) de diamètre plus faible fournissant, à partir d'un faisceau parallèle entrant, un faisceau de sortie parallèle ou convergeant sur le miroir de stabilisation. 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comporte: - un bloc (20) comprenant l'optique catoptrique (22) orientable, dans un domaine angulaire d'environ 10 , autour d'un axe de latéral par rapport à un équipage interne (18) lui-même orientable autour d'un axe d'élévation interne, orthogonal à l'axe de latéral, par rapport à un équipage externe (16) ou (14); - un ensemble externe (14) orientable par rapport à un support (10) autour d'un axe de circulaire qui est parallèle ou confondu avec l'axe de latéral dans une position nominale du dispositif, par rapport auquel l'équipage externe (16) est orientable autour d'un axe d'élévation externe aligné avec l'axe d'élévation interne; - un miroir de stabilisation (25) accompagnant l'optique catoptrique dans ses déplacements en rotation avec une réduction de déplacement de moitié suivant l'axe de laté- ral; et - des moyens d'asservissement comprenant un capteur gyroscopique (24) lié au bloc, ayant des axes sensibles parallèles l'un à l'axe de latéral et l'autre à l'axe d'élévation interne, des boucles de commande de moteurs d'asservissement autour des axes de latéral et d'élévation interne, commandées par les signaux de sortie du capteur gyroscopique, et des boucles de recopie sur la position du bloc optique, des positions de l'ensemble externe (14) et de l'équipage externe (16), par commande de moteurs dlorien- tation autour de l'axe d'élévation externe et de l'axe de circulaire. 4. Dispositif selon les revendications 2 et 3, caracté- risé en ce qu'il comprend un miroir (46) de repliement porté par l'ensemble externe (14) et orientant le faisceau reçu du miroir de stabilisation vers une voie parallèle à l'axe de circulaire et comportant des lentilles (72) constituant un afocal avec le télescope. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que le miroir (46) de repliement comporte une petite zone (92) en lame dichroique laissant passer le faisceau laser d'émission (90-91) pour la télémétrie ou l'illumination laser, le dit faisceau laser ayant un champ très étroit et empruntant une voie séparée (90) dans un flasque (60) puis, après transmission à travers la partie dichroïque (92) du miroir du repliement (46), empruntant la voie commune en utilisant une faible partie (93) de la pupille. 6. Dispositif selon la revendication 2 et 3, caractérisé en ce que l'équipage d'élévation externe (16) présente un capot en forme de boule muni d'un hublot (50) en forme de lame à faces parallèles, sphérique ou plan. 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'équipage d'élévation externe est monté sur des roulements (62) définissant l'axe d'élévation externe (E), portés par deux flasques (60) constituant une partie basse de l'ensemble externe (14). 8. Dispositif selon la revendication 2 ou l'une quelcon- que des revendications qui en dépendent, caractérisé en ce que ledit miroir concave (40) présente une ouverture centrale de diamètre correspondant à l'occultation par le miroir convexe et en ce que l'ensemble (18) est déplaçable de plus de 180 autour de l'axe d'élévation interne pour libérer un passage d'accès du faisceau d'entrée à une seconde optique, de champ angulaire de vision supérieur à celui du télescope, placée en amont du miroir de stabilisa- tion et en ce que le miroir de stabilisation (25) est déplaçable de 90 pour renvoyer les faisceaux entrant à travers le hublot (50) vers le miroir de repliement (46). 9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que ladite optique comprend un miroir de coudage (78) placé de façon à renvoyer le faisceau provenant du miroir de stabilisation (25) dans une direction parallèle à l'axe de latéral vers un système dioptrique constituant un autre afocal avec la seconde optique pour obtenir d'autres champs, en général plus grands. 10. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que le miroir de repliement (46) est constitué par une lame dichroique permettant de séparer les voies 1,06 pim, 1,54 pm ou 2 pm.