Brevet FR2787887A1 — publié le 20000630

Dispositif d'interférométrie, notamment pour la mesure d'incidences de faisceaux électromagnétiques L'invention concerne le domaine de l'interférométrie, en particulier de phase. Elle concerne plus particulièrement un dispositif d'interférométrie pour mesurer l'incidence d'un faisceau électromagnétique par rapport à une direction de référence. Des dispositifs de ce type peuvent par exemple être utilisés pour la détection directionnelle d'avions. En particulier, ils peuvent contribuer au guidage d'avions à l'atterrissage, en approche d'un aéroport. Un interféromètre de phase comporte, de façon classique, au moins deux éléments rayonnants, capables de coopérer avec un faisceau incident. Le principe d'un tel interféromètre est basé sur la mesure d'un retard entre deux rayons du faisceau, que reçoivent respectivement les deux éléments rayonnants. Il est possible de remonter à l'incidence du faisceau par rapport à un axe passant par les deux éléments rayonnants, espacés d'une distance prédéterminée. Pour augmenter la précision des mesures d'interférométrie, une augmentation du gain en réception des éléments rayonnants est généralement recherchée. Des interféromètres du type précité, connus, comportent habituellement des capteurs réalisés chacun sous la forme d'un élément rayonnant unitaire de gain élevé (par exemple des cornets sectoriels guide d'onde). Cependant, de tels interfé- romètres, munis de ce type de capteurs, ne peuvent opérer que sur des bandes de fréquences étroites et avec une gamme limitée de types de polarisation (le plus souvent avec une mono-polarisation linéaire du faisceau incident). D'autres interféromètres connus comportent des capteurs réalisés chacun sous la forme d'un ensemble d'éléments rayonnants arrangés en réseau linéaire dans un plan orthogonal au plan de détection (ou plan de mesure d'interférométrie). Cependant, ces interféromètres opèrent sur des bandes de fréquences étroites du fait de l'apparition de lobes parasites de périodicité (ou lobes secondaires) dans leur diagramme de rayonnement. Par ailleurs, bien que le gain en réception croisse sensiblement avec le nombre d'éléments rayonnants mis en réseau, la distribution du signal sur ce type de réseau tend à créer des pertes de signal. Un autre procédé connu pour augmenter la précision des mesures d'interférométrie consiste à subdiviser la bande de fréquences de fonctionnement de l'interféromètre en plusieurs sous-bandes réduites. Cependant, le nombre d'éléments rayonnants à prévoir augmente avec le nombre de sous-bandes et l'interféromètre nécessite un encombrement en conséquence. De plus, pour chaque sous-bande de fréquences, il est nécessaire de prévoir un étage de traitement des signaux reçus et la gestion de l'ensemble des sous-bandes est généralement lourde. La présente invention vient améliorer la situation. Elle part alors d'un interféromètre comprenant au moins deux éléments rayonnants agencés pour coopérer avec un faisceau électromagnétique et disposés sensiblement sur un axe de référence. Le dispositif comprend en outre des organes de mesure, couplés aux éléments rayonnants et aptes à estimer une incidence du faisceau par rapport à l'axe de référence, sur la base d'un retard du faisceau entre les deux éléments rayonnants. Selon une caractéristique générale de l'invention, le dispositif d'interférométrie comporte en outre un réflecteur sensiblement de surface cylindrique, de concavité tournée vers les éléments rayonnants et agencée pour coopérer avec le faisceau. La position du réflecteur cylindrique par rapport aux éléments rayonnants est choisie de sorte qu'une généra- trice sensiblement droite du réflecteur et l'axe de référence précité sont sensiblement coplanaires. Ainsi, le faisceau réfléchi présente une ouverture sensiblement réduite dans un plan perpendiculaire à la génératrice précitée, ce qui permet d'augmenter la coopération des éléments rayonnants avec le faisceau. On accroît ainsi la sensibilité de l'interféromètre et, de là, la précision des mesures d'interférométrie. Préférentiellement, la position du réflecteur cylindrique par rapport aux éléments rayonnants est choisie de sorte que la génératrice précitée est sensiblement parallèle à l'axe de référence. Selon une caractéristique optionnelle avantageuse, le réflecteur est sensiblement de forme cylindro-parabolique. La ligne focale du réflecteur est, de préférence, sensiblement confondue avec l'axe de référence. Cette disposition du réflecteur par rapport aux éléments rayonnants permet d'obtenir un gain maximum à partir de deux éléments rayonnants simples, et sans prévoir un arrangement en réseaux perpendicu- laires du type précité. D'autres avantages et caractéristiques de la présente invention apparaîtront à l'examen de la description détaillée ci-après et des dessins annexés, sur lesquels: - la figure 1 est un schéma de principe d'un interféromètre de phase, - la figure 2 représente schématiquement un dispositif d'interférométrie d'une technique antérieure, comportant des éléments rayonnants agencés en une pluralité de réseaux, perpendiculaires à l'axe de détection précité, - la figure 3 représente un dispositif d'interférométrie muni d'un réflecteur cylindrique selon l'invention, - la figure 4A représente schématiquement une vue de dessus en coupe du réflecteur cylindrique, en regard des éléments rayonnants du dispositif représenté sur la figure 3, - la figure 4B est un schéma de principe de l'interféromètre comportant les organes de mesure précités, - la figure 5A représente une vue en coupe dans un plan perpendiculaire à l'axe de référence X-X du dispositif représenté sur la figure 3, et - la figure 5B représente schématiquement le dispositif selon la vue de la figure 4A, pour une mesure d'incidence maximale 0M, prédéterminée. Les dessins annexés contiennent pour l'essentiel des éléments de caractère certain. Ils pourront non seulement servir à mieux faire comprendre l'invention, mais aussi contribuer à sa définition, le cas échéant. On se réfère tout d'abord à la figure 1 pour décrire sommai- rement le principe de fonctionnement d'un interféromètre de phase. Ce principe est basé sur la détermination d'un retard de réception d'un faisceau incident, entre deux éléments rayonnants identiques Si et S2, espacés d'une distance prédéterminée D21. Cet écart temporel est mesuré à partir d'une différence de phase entre les deux signaux que délivrent deux organes de mesure (détecteurs) couplés chacun à un élément rayonnant (figure 4B). Les deux éléments rayonnants Sl et S2 constituent un réseau linéaire 1, qui coopère avec une onde électromagnétique, représentée sous la forme d'un faisceau incident FI. La différence de marche Dm entre les deux rayons du faisceau FI que reçoivent les éléments rayonnants Si et S2, permet d'accéder à l'incidence du faisceau par rapport à l'axe X-X du réseau linéaire. Typiquement, cette différence de marche Dm s'écrit: Dm = D21.sin(O) Ainsi, l'écart de phase A021 entre les deux rayons reçus par les éléments rayonnants Sl et S2 s'écrit: A'21 = 2nD21sin(O)/À o A est la longueur d'onde du signal incident, avec X=c/F o c est la vitesse de la lumière et F, la fréquence de l'onde incidente. Préférentiellement, cette fréquence est choisie dans la bande des GHz, dans l'application à la détection directionnelle d'avions précitée. Dès lors que la distance entre les deux éléments rayonnants D21 est connue, il est possible de remonter à l'incidence e du faisceau à partir de la mesure d'un écart de phase (ou retard) entre les deux rayons reçus par les éléments rayon- nants. Il est prévu des détecteurs Dl et D2 (figure 4B) reliés aux éléments rayonnants Sl et S2, ainsi qu'un comparateur C21 dont les entrées sont connectées aux détecteurs D1 et D2 et la sortie délivre un signal représentatif d'une différence de phase A21. Bien entendu, les détecteurs D1 et D2, ainsi que le comparateur C21 schématisent ici un ensemble d'organes de mesure plus complexe, connu néanmoins de l'homme de l'art. Dans ce qui précède, on considère que la fréquence de l'onde incidente est a priori connue et fixe en première approxima- tion. Cependant, un interféromètre à deux éléments rayonnants ne peut déterminer une différence de phase que dans un intervalle de longueur 2n. L'écart de phase mesuré s'écrit alors: A(21 = 2n D21 sin( et D21 vaut 1. L'agencement de trois éléments rayonnants en réseau permet à l'interféromètre de travailler avantageusement sur une bande de fréquences élargie. Si l'on souhaite accroître davantage cette bande de fréquences, il peut être prévu encore un quatrième élément rayonnant disposé sur l'axe X-X du réseau. De manière générale, l'exploitation des signaux que délivrent des éléments rayonnants supplémentaires permet en outre d'améliorer la précision sur la mesure des incidences de faisceau. On se réfère maintenant à la figure 2 pour décrire un dispositif d'interférométrie de phase d'une technique antérieure. Un tel dispositif comporte une pluralité d'élé- ments rayonnants Sll,..., S45, arrangés en réseaux linéaires, perpendiculaires au plan de mesure P (ou plan de détection). Un tel agencement permet en particulier d'accroître le gain en réception, de manière à mesurer de façon plus précise l'incidence O du faisceau FI. Cependant, si une mesure large bande est souhaitée à partir de trois différences de phases (quatre réseaux d'éléments rayonnants) dans l'exemple représenté sur la figure 2, le nombre d'éléments rayonnants à prévoir de part et d'autre des éléments S13, S23, S33 et S43, complique substantiellement la structure de l'interfé- romètre. Un autre inconvénient de la mise en réseau des éléments rayonnants dans un plan perpendiculaire au plan de détection P, est lié à la génération de lobes secondaires de réseau aux hautes fréquences. Ces lobes secondaires, connus de l'homme du métier, sont dus principalement aux espacements entre éléments rayonnants dans les directions perpendiculaires à l'axe X-X. On se réfère alors à la figure 3 pour décrire un dispositif d'interférométrie de phase selon l'invention. Ce dispositif comporte un réflecteur cylindrique 2, disposé en vis à vis des éléments rayonnants Sl, S2 et S3, lesquels forment un réseau linéaire unique 1, d'axe X-X. Les éléments rayonnants Si, S2 et S3 sont placés dans le plan de détection P dans lequel l'incidence e du faisceau est mesurée, et comprenant une génératrice droite A du réflecteur cylindrique 2. Dans ce plan P, le réflecteur 2 agit à la manière d'un miroir plat. L'ouverture du faisceau dans ce plan est alors conservée après réflexion. La différence de marche Dm entre les rayons incidents est aussi conservée après réflexion (figure 4A), ce qui permet d'effectuer les mesures d'écarts de phase A021, sans modification majeure du procédé de traitement usuel. Dans l'application à la détection directionnelle d'avions, la source d'émission d'un faisceau électromagnétique FI est lointaine. On considère que les rayons du faisceau FI sont sensiblement parallèles. La forme concave du réflecteur 2 tend à concentrer le faisceau réfléchi sensiblement dans un plan de section du réflecteur (figure 5A), perpendiculaire au plan de détection P. En particulier, le réflecteur cylindrique 2 réfléchit les rayons du faisceau incident FI vers l'axe du réseau 1. Préférentiellement, le réflecteur 2 est sensiblement de forme cylindroparabolique et de section sensiblement constante. Le réflecteur 2 et les éléments rayonnants S sont espacés de la distance focale F du réflecteur de sorte que sa ligne focale est sensiblement confondue avec l'axe X-X. Ainsi, le faisceau FI est concentré après réflexion vers le réseau linéaire d'éléments rayonnants 1. Les éléments rayonnants Si, S2 et S3 sont assimilés à des sources unitaires. Ils rayonnent chacun une onde sensiblement sphérique. Arrangés en réseau linéaire, ils rayonnent ensemble une onde cylindrique. En présence du réflecteur cylindrique 2, l'onde cylindrique après réflexion est collimatée dans un plan de section du réflecteur parabolique et aplatie de part et d'autre du plan focal P. Le pincement du faisceau permet ainsi de réduire son ouverture dans le plan de section. De manière générale, le gain G d'un interféromètre dépend de l'ouverture d'un faisceau représentant le diagramme de rayonnement des éléments rayonnants qu'il comporte. Typique- ment, pour un élément rayonnant de rendement A, le gain G est proportionnel au rapport n/OS, o OS est l'ouverture du faisceau de l'élément rayonnant dans un plan perpendiculaire au réseau (plan de section du réflecteur). Il apparaît alors qu'en réduisant l'ouverture du faisceau dans ce plan, le gain de l'interféromètre augmente, ce qui contribue à accroître substantiellement sa sensibilité. Les dimensions du réflecteur sont optimisées en particulier pour réduire les effets de bord (effets de diffraction, dépolarisation du champ électromagnétique, etc), provoquant, le cas échéant, des erreurs de phase différentielle entre les éléments rayonnants. La hauteur H du réflecteur est choisie en fonction d'une ouverture angulaire désirée dans le plan perpendiculaire à l'axe X-X. L'ouverture du faisceau reçu dans ce plan résulte de sa focalisation. Pour une longueur d'onde A choisie, il est typiquement souhaité une ouverture du faisceau voisine de 70 A/H (en degrés), o H est la hauteur utile du réflecteur qui coopère avec un élément rayonnant. La largeur du réflecteur L est choisie, quant à elle, en fonction de la longueur du réseau linéaire, d'une part, et de la distance entre le réseau et le réflecteur (distance focale F), d'autre part. En se référant à la figure 5B, il apparait que pour des incidences du faisceau FI, supérieures à un seuil d'incidence limite 0M, un rayon réfléchi par un bord du réflecteur n'est pas reçu par le réseau. A moins de prévoir des moyens de déplacement du réseau le long de la ligne focale du réflecteur, la géométrie de l'interféromètre, muni d'un réseau linéaire coopérant avec un réflecteur cylindrique, impose une valeur d'incidence maximale 0M. Cet angle d'incidence maximale OM peut être voisin de 45 , ou encore de 60 , suivant l'application visée. La largeur L du réflecteur est alors choisie en fonction de l'angle d'incidence maximale eM. La longueur du réseau est donnée globalement par la distance entre les éléments rayonnants les plus espacés (Si et S3 dans l'exemple décrit). La largeur du réflecteur doit être au moins égale à la distance D31 entre les éléments Sl et S3, à laquelle s'ajoute le double de la distance focale F, multipliée par la tangente de l'incidence maximale OM. La largeur L doit alors respecter la relation: L 2 D31 + 2F tan(OM) Dans le cas de la mise en oeuvre d'un éclairement du réflec- teur en offset, de façon à limiter un effet d'ombre (masquage du rayonnement par les autres éléments rayonnants), connu de l'homme du métier, les éléments rayonnants, de leur côté, sont inclinés par rapport au plan focal P du réflecteur 2 (angle a de la figure 5A). L'angle a est typiquement de l'ordre de à 50 . Cet angle est par ailleurs choisi de sorte que l'effet de dissymétrie d'éclairement des éléments rayonnants reste négligeable. La coopération d'un réflecteur cylindrique avec un réseau d'éléments rayonnants est connue dans le domaine des émis- sions/réceptions d'ondes radiofréquences. Cependant, elle n'a jamais été utilisée pour un dispositif d'interférométrie de phase. En effet, la Demanderesse s'est aperçue que la réflexion du faisceau tend à concentrer celui-ci dans le plan de section du réflecteur, tout en conservant sensiblement la différence de phase mesurée entre les éléments rayonnants et ce, sans distinction de fréquence de fonctionnement. Les éléments rayonnants utilisés comportent préférentiellement des brins rayonnants en spirales, adaptés à la réception d'ondes polarisées circulairement. Pour d'autres polarisations (linéaires ou autres), il peut être prévu d'autres types d'éléments rayonnants (guide d'ondes en cornets, antennes log- périodiques, etc). Pour la réception d'ondes polarisées circulairement, il peut être prévu en outre des antennes dites "sinueuses". Il est à noter cependant que la réflexion d'une onde incidente en polarisation circulaire induit une inversion de polarisa- tion. C'est ainsi qu'une polarisation circulaire droite d'une onde incidente est transformée en polarisation circulaire gauche après réflexion, et réciproquement. La conception des éléments rayonnants est alors effectuée en prenant en compte le sens de polarisation à traiter. Ainsi, la coopération d'un réflecteur cylindrique avec des éléments rayonnants en réseau linéaire, offre au dispositif d'interférométrie selon l'invention les avantages suivants: - le dispositif peut travailler dans une bande de fréquences élargie, sans générer des lobes secondaires du type décrit ci- avant, - le dispositif peut opérer sur une couverture angulaire étendue du fait du pincement du faisceau autour du plan focal du réflecteur, - le dispositif peut fonctionner suivant une pluralité de polarisations (polarisation circulaire ou multi-polarisa- tions), - la conservation de la différence de marche entre les rayons incidents et réfléchis permet une bonne stabilité des centres de phase, les précisions angulaires sur les rayons incidents sont respectées après réflexion, et - le gain en réception et, par conséquent, la sensibilité de l'interféromètre, sont augmentés de façon substantielle. Le faisceau incident est concentré sur la direction de l'analyse interférométrique, dans les bandes de fréquences et de couvertures angulaires souhaitées. Bien entendu, la présente invention ne se limite pas à la forme de réalisation décrite précédemment à titre d'exemple. Elle s'étend à d'autres variantes. On comprendra ainsi que le profil du réflecteur dans le plan perpendiculaire à la direction d'analyse n'est pas obligatoi- rement parabolique. En effet, il peut être prévu un réflecteur cylindrique à profil elliptique, à profil hyperbolique, ou encore de profil "cosécanté", ou tout autre profil permettant d'obtenir un diagramme de rayonnement en adéquation avec l'application visée. Dans l'exemple décrit ci-avant, le nombre d'éléments rayon- nants prévus est de trois, permettent à l'interféromètre de fonctionner sur une bande de fréquences élargie. Cependant, il peut être prévu en variante un dispositif d'interférométrie muni d'un nombre différent d'éléments rayonnants. Par exemple, si des mesures d'interférométrie sur une plus large bande spectrale sont souhaitées, il peut être prévu de disposer quatre éléments rayonnants en réseau linéaire. La disposition d'un élément rayonnant supplémentaire permet par ailleurs d'obtenir une meilleure précision sur les mesures. Le dispositif d'interférométrie décrit ci-avant est agencé pour travailler avec des incidences dans un plan horizontal (interféromètre dans un plan de "gisement"). Bien entendu, la présente invention s'applique aussi à un dispositif d'orien- tation différente, en particulier à un dispositif d'interfé- rométrie comprenant un réseau linéaire vertical (interféromè- tre dans un plan "site"). Enfin, bien que la présente invention trouve une application particulièrement intéressante dans la détection directionnelle d'avions, elle s'applique de manière plus générale à toutes mesures d'interférométrie, en particulier de phase. Revendications 1. Dispositif d'interférométrie, notamment pour mesurer l'incidence d'un faisceau électromagnétique (FI) par rapport à un axe de référence (X-X), du type comprenant au moins deux éléments rayonnants (S1,S2) agencés pour coopérer avec ledit faisceau (FI) et disposés sensiblement sur l'axe (X-X), ainsi que des organes de mesure (D1,D2), couplés aux éléments rayonnants (S1,S2) et aptes à estimer une incidence du faisceau (O) sur la base d'un retard du faisceau entre les deux éléments rayonnants (S1,S2), caractérisé en ce qu'il comporte en outre un réflecteur (2) sensiblement de surface cylindrique, de concavité tournée vers les éléments rayonnants et agencée pour coopérer avec le faisceau (FI), et de position choisie par rapport aux éléments rayonnants (S1,S2) de sorte qu'un plan (P) comprenant une génératrice sensiblement droite (A) du réflecteur passe par les éléments rayonnants (S1,S2), ce qui permet de réduire l'ouverture du faisceau (FI) sensiblement dans un plan perpendiculaire audit axe de référence (X-X), en vue d'augmen- ter la coopération des éléments rayonnants avec le faisceau. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la position du réflecteur cylindrique (2) par rapport aux éléments rayonnants (S1,S2) est choisie de sorte que la génératrice droite (A) est sensiblement parallèle audit axe de référence (X-X). 3. Dispositif selon l'une des revendications 1 et 2, caracté- risé en ce que le réflecteur (2) est sensiblement de forme cylindroparabolique. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que la position du réflecteur (2) par rapport aux éléments rayonnants (S1,S2) est choisie de sorte que sa ligne focale est sensiblement confondue avec l'axe de référence (X-X). 5. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte au moins trois éléments rayonnants (S1, S2,S3), disposés sensiblement sur l'axe (X-X), pour mesurer des incidences de faisceaux électromagnétiques de longueurs d'onde sensiblement différentes. 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comporte au moins quatre éléments rayonnants, disposés sensiblement sur l'axe (XX), en vue d'augmenter la précision des mesures d'incidence. 7. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la largeur du réflecteur (L) est supérieure ou de l'ordre de la distance (D31) séparant deux éléments rayonnants les plus espacés (S1,S3), ajoutée à la distance (F) séparant le réflecteur (2) dudit axe de référence (X-X), pondérée par un coefficient choisi. 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que le coefficient choisi est sensiblement équivalent au double de la tangente d'un angle prédéterminé, correspondant à une incidence maximale (eM) du faisceau par rapport à l'axe. 9. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les éléments rayonnants (S1,S2,S3) comportent des brins sensiblement en spirales. 10. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que la polarisation du faisceau (FI) est sensiblement elliptique, en particulier sensiblement circulaire. 11. Application du dispositif d'interférométrie selon l'une des revendications précédentes, à la détection directionnelle d'avions.