Brevet FR2881843A1 — publié le 20060811

PROCEDE ET DISPOSITIF DE TELEMETRIE LASER, NOTAMMENT POUR CIBLES ELOIGNEES La présente invention concerne un procédé et un dispositif de télémétrie laser, notamment pour cibles éloignées. L'invention est particulièrement utilisable dans le cadre d'un système d'interception et de combat d'avions ennemis. Le télémètre est alors associé à un dispositif de pointage angulaire et de poursuite, lui-même utilisé pour maintenir l'axe optique du télé-mètre pointé sur la cible, avec une précision compatible avec la très faible valeur du champ angulaire de télémétrie, et ce malgré les mouvements relatifs cible/équipement. La présente invention se rapporte plus particulièrement à un télémètre à modulation "FM-CW" (abréviation de l'expression anglo-saxonne "Frequency Modulated Continuous Wave") et à détection hétérodyne. Cette technique consiste à émettre vers la cible des impulsions laser, de durée supérieure au temps d'aller/retour du flux sur la cible, modulées linéairement en fréquence, et à effectuer en réception un battement entre l'onde reçue et une onde locale prélevée au niveau de l'émetteur laser après le système de modu- lation, donc parfaitement semblable à l'onde émise vers la cible. Le signal de battement en réception a alors une fréquence constante pendant la durée de recouvrement de l'impulsion émise et de l'impulsion reçue. Cette fréquence est caractéristique de la distance de la cible, dans le cas où celle-ci est immobile, et sa mesure par des techniques connues d'analyse spectrale permet de calculer ladite distance. La loi reliant la fréquence de battement F et la distance s'écrit en effet simplement: F=K.At où At est le temps d'aller-retour sur la cible, égal à 2. D/c (où D est 30 la distance de la cible, c la vitesse de la lumière, et K la pente de la caractéristique fréquence/temps de l'impulsion émise). Il apparaît cependant un inconvénient à ce type de télémètre dans le cas d'une utilisation sur des cibles aériennes éloignées (plusieurs kilomètres). Cet inconvénient concerne le ralentissement de la cadence de mesure et l'incertitude sur la mesure de la distance, liées à la durée nécessaire des impulsions lorsque la cible est potentiellement éloignée. La présente invention a pour objet un procédé et un dispositif de télémétrie laser permettant d'éviter ces inconvénients. Le procédé de télémétrie laser, notamment pour cibles éloignées, suivant l'invention, par émission d'impulsions continues modulées linéairement en fréquence, et détection hétérodyne, est essentiellement caractérisé en ce qu'il consiste: - dans une première phase, dite d'acquisition, à émettre au moins une rampe de fréquence de durée T relativement longue, compatible avec la distance des cibles les plus éloignées, et de pente K relativement faible, afin d'obtenir une valeur approchée D de la distance d'une cible, égale à àT, où AT désigne le temps d'aller-retour de l'onde pour la cible considérée, et AT = K où F désigne la fréquence de battement détectée correspondant à la cible considérée; - dans une deuxième phase, dite de poursuite, à émettre au moins une série de rampes de fréquence, de durée T' relativement faible, égale au quotient de la division du temps d'aller-retour AT de l'onde pour la cible considérée par un nombre entier N, et de pente K' relativement élevée, afin d'obtenir une valeur plus précise de la distance de la cible, égale à (NT' + At) avec At = K, où F' désigne la fréquence de battement détectée correspondant à la cible considérée. D'autres objets et caractéristiques de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante d'un exemple de réalisation, faite en relation avec les dessins ci- annexés dans lesquels: - la figure 1 est un schéma rappelant le principe général du télémètre "FM-CW" ; - la figure 2 est un diagramme montrant les caractéristiques des signaux émis et reçus, dans l'espace fréquence-temps; - la figure 3 est un diagramme illustrant la levée d'ambiguité distance- Doppler dans un télémètre suivant la figure 1; - la figure 4 est un schéma synoptique d'un télémètre suivant l'invention; - les figures 5a et 5b sont des diagrammes montrant les caractéristiques dans l'espace fréquence-temps, des signaux émis et reçus respectivement en phase acquisition et en phase poursuite; la figure 6 est un schéma plus détaillé d'une partie du schéma synoptique de la figure 4; - la figure 7 est un schéma des circuits de commande du modulateur. Sur la figure 1 est représenté très schématiquement un télé-mètre laser à détection hétérodyne et modulation dite "FM-CW". On y distingue un émetteur laser 1 comportant un laser 2, par exemple à gaz carbonique, délivrant une onde optique continue de fréquence optique notée FL supposée constante, et un modulateur de fréquence 3 qui reçoit d'un circuit de commande 4 un signal caractérisé par une fréquence FM variable linéairement pendant la durée d'une impulsion et se répétant périodiquement. Selon une réalisation préférentielle le modulateur 3 est intégré au laser 2 (modulation dite intracavité). Le faisceau laser émis possède alors une fréquence FL + FM. Il est dirigé vers la cible par un système optique dit d'émission 6. L'onde émise OE est rétroréfléchie par la cible qui lui imprime un glissement de fréquence Doppler FD et l'onde reçue OR est transmise vers un détecteur 9 au moyen d'une optique de réception 7 et d'un mélangeur 8. Les optiques 7 et 6 peuvent avoir des éléments communs tels des lentilles et des miroirs. Un ensemble 5 assure le prélèvement d'une partie du faisceau laser après modulation, par exemple au moyen d'une lame semi-réfléchissante, pour constituer l'onde oscillateur local OL. Le mélangeur 8 assure le mélange des ondes OL et OR, par exemple au moyen d'une autre lame semi-réfléchissante, et le détecteur 9 reçoit le battement de ces deux ondes. Des moyens 10 de traitement de signal assurent le calcul de la distance et de la vitesse de la cible. Sur la figure 2 on décrit l'onde émise OE et l'onde reçue OR en termes de caractéristiques fréquence/temps. L'onde OL est semblable à l'onde émise 0E. La fréquence de modulation pendant la durée T d'une impulsion varie selon la loi linéaire: FM=K.t où K supposé ici positif, est la pente de la rampe de fréquence. L'onde reçue OR est décalée d'un intervalle de temps At correspondant au temps mis par le flux pour effectuer l'aller- retour sur la cible, avec: At = 2D/c Le mélange des ondes OL et OR fournit un signal de battement de fréquence Fo qui s'écrit simplement (lorsque la cible est immobile) : Fo = K. At= K.2D/c La durée de ce signal utile est de To = T - At, en supposant T supérieur à m (sinon il n'y a pas de recouvrement entre les deux impulsions). L'analyse spectrale, de durée T, est avantageusement déclenchée à un instant décalé de T - T par rapport au départ de l'impulsion afin d'avoir recouvrement pour toutes cibles pour les- quelles le temps d'aller-retour du flux est inférieur à T - T. En présence de glissement de fréquence dû à l'effet Doppler le spectre du signal reçu est translaté vers les fréquences élevées si FD est positif et inversement si FD est négatif. La fréquence de battement est alors décalée de FD et la figure 3 décrit la méthode utilisée classiquement pour lever l'ambiguïté distance/vitesse Doppler qui apparaît alors. A titre d'exemple, sur cette figure le glissement de fréquence Doppler FD est pos:tif. L'émission successive de deux rampes de pente K égales en valeur absolue mais de signes opposés permet la mesure de la fréquence de battement notée "F+" correspondant à la rampe positive (dF/dt positif) et "F-" correspondant à la rampe négative (dF/dt négatif). On peut en effet écrire: F+ = Fo - FD F- = Fo + FD 10 Les fréquences Fo et FD correspondant respectivement à la distance et au glissement de fréquence Doppler s'obtiennent alors sans ambiguïté par: Fo = [(F+) + (F-) FD= [(F-)-(F+)] La valeur de la fréquence Fo permet le calcul de la distance D par la formule déjà donnée et la fréquence FD est liée à la projection VR du vecteur vitesse de la cible sur la droite télémètre-cible par la formule connue: FD = 2VR/X où X est la longueur d'onde laser. Un inconvénient du télémètre classique de la figure 1 réside dans son utilisation pour des cibles éloignées. En effet dans ce cas, le télémètre nécessite des impulsions longues, d'où un ralentissement de la cadence de mesure. Par ailleurs, le calcul de la distance de la cible est entaché d'une incertitude AD liée à l'incertitude M sur la mesure de Fo par l'analyseur de spectre. Il apparaît que cette incertitude AD est d'autant plus faible que la pente K est plus élevée car: AD = 2CK M Or dans le cas considéré de cibles lointaines (basse fréquence de récurrence des impulsions) la pente K est au contraire faible. La présente invention permet de remédier à cet inconvénient en utilisant successivement deux modes de fonctionnement, l'un utilisant des rampes de pente relativement faible et de durée relativement importante, assurant dans un premier temps l'acquisition de la distance grossière de la cible, et l'autre utilisant des rampes de pente relativement élevée et de durée relativement faible, assurant dans un deuxième temps une poursuite fine de la distance ainsi qu'une cadence d'information très élevée quelle que soit la distance de la cible. C'est en particulier un des objets de l'invention de ramener la valeur de T (durée de l'impulsion) à être voisine de T (temps nécessaire pour effectuer l'analyse spectrale) en phase de poursuite lorsque l'on connaît une valeur grossière de la distance D. On se réfère maintenant à la figure 4 représentant un schéma synoptique d'un télémètre suivant l'invention. On y distingue en plus des éléments représentés sur la figure 1, et communs aux télémètres de type "FM-CW", une tête optique 11 qui peut être commune avec un système de poursuite angulaire de la cible. Le fonctionnement du télémètre conforme à l'invention comporte deux modes, le mode acquisition de la distance grossière et de la vitesse de la cible (ce mode pouvant être supprimé dans certains cas s'il existe une désignation externe par radar) et le mode poursuite. On considère tout d'abord le mode acquisition. Dans ce mode le circuit 4 de commande du modulateur 3 émet des rampes modulées en fréquence, telles que représentées sur la figure 5a, dont la durée T est égale à la somme du temps d'aller-retour At sur la cible potentiellement la plus lointaine et de T, durée nécessaire pour effectuer une analyse de spectre. A titre d'exemple T = 20 las et pour une cible à distance inférieure à 9km At = 60 us d'où T.80 Ils. L'analyse de spectre est déclenchée au bout du temps T - T après le départ de la rampe. La bande de fréquence B à analyser, c'est-à-dire dans laquelle sont susceptibles de se trouver les fréquences recherchées F+ et F-, étant très supérieure à la bande d'analyse "b" des analyseurs de spectre couramment utilisés, l'analyseur de spectre 19 est associé à un mélangeur électronique 13 utilisé pour recentrer le spectre du signal à analyser dans la bande d'analyse de l'analyseur de spectre. Le signal issu du détecteur optique 9 est mélangé dans ce mélangeur 13 avec un signal de fréquence FI variant alors par paliers au cours du temps de manière à balayer la bande B à analyser, au moyen d'intervalles juxtaposables de largeur inférieure ou égale à "b". Ce signal de fréquence FI est obtenu en sortie d'un VCO (oscillateur commandé en tension) 14 lui-même commandé par un circuit 15 dit de balayage de la bande de fréquences B à analyser, et fournissant une tension "en marches d'escalier", un commutateur "acquisition-poursuite" 21 étant par ailleurs disposé entre les éléments 14 et 15 afin de permettre également le fonctionnement en mode poursuite; ce commutateur est commandé par des circuits 20 dits de calcul et de gestion. Ce signal de fréquence FI peut également être obtenu en sortie d'un synthétiseur de fréquence commandé directement par les circuits de calcul et de gestion 20. La fréquence du signal élaboré par l'oscillateur commandé en tension 14 est par ailleurs mesurée dans un mesureur de fréquence 31, pour transmission à un circuit 35 de calcul de fréquence permettant, à partir du résultat fourni par l'analyseur de spectre 19, de déterminer la valeur de la fréquence F obtenue en sortie du détecteur 9 compte tenu du décalage apporté par le mélangeur 13. L'analyseur de spectre 19, par exemple à ondes acoustiques de surface, est éventuellement suivi par des circuits 33 de post-intégration du signal selon des méthodes connues afin d'améliorer la portée du télémètre; des séries de rampes, de pente positive ou négative, sont alors émises, comme représenté sur la figure 5a. Un circuit de détection à seuil 34 permet ensuite de déterminer si un signal a été détecté ou non. Si un signal a été détecté, la fréquence (F+) par exemple, dans le cas de rampes de pente positive, est calculée dans un circuit 35 en utilisant l'information FI délivrée par le circuit 31 et la mesure de (F+) + (FI) par l'analyseur 19. Cette valeur de F+ est stockée dans les circuits de calcul et gestion 20 qui modifient alors les circuits 4 de commande du modulateur 3 pour envoyer des rampes de pente négative. Si aucun signal n'a été détecté, cela signifie que la fréquence du signal issu du mélangeur 13 est située en dehors de la bande d'analyse de l'analyseur 19. Les circuits de calcul et de gestion 20 élaborent alors un signal de commande du circuit de balayage 15 afin d'incrémenter la valeur de tension d'entrée du VCO 14, cet incrément correspondant en sortie du VCO 14 à un incrément de fréquence voisin de la largeur d'analyse "b" de l'analyseur de spectre. Le cycle est ainsi continué jusqu'à détecter un signal en sortie du circuit 34 et mesurer la fréquence F+. Puis le même cycle est recommencé avec des rampes négatives jusqu'à trouver la fréquence F-. Connaissant l'intervalle "b" qui convient pour la fréquence F+, on peut déterminer facilement celui ou ceux qui conviennent pour la fréquence F- ; on a en effet: (F+)-2AF Après détermination de (F+) et (F-) et calcul de la distance (valeur peu précise due à la valeur trop élevée de la durée T de l'impulsion) et de la vitesse, les circuits de calcul et de gestion 20 élaborent un ordre de commutation destiné au commutateur "acquisition-poursuite" 21 afin de passer en mode poursuite. Simultanément les circuits de calcul et de gestion 20 calculent la pente et la durée optimale des rampes en mode poursuite, en fonction de la distance D mesurée au cours de la phase acquisition, et commandent en conséquence les circuits 4 de commande du modulateur. La durée optimale T' des rampes en phase poursuite s'exprime comme étant le quotient de la division du temps d'aller-retour AT mesuré en phase acquistion par le plus grand nombre entier possible N, cette durée T' devant par ailleurs être supérieure à la durée nécessaire pour effectuer l'analyse spectrale. En se référant à la figure 5b qui représente les signaux de commande du modulateur dans la phase poursuite, on peut écrire: AT = NT' + At avec At En ce qui concerne la pente K' des rampes en phase poursuite, elle est avantageusement choisie égale à TF où AF représente l'amplitude totale de modulation possible des rampes et caractérise le modulateur. En phase poursuite, le battement entre onde émise et onde reçue permet d'obtenir la valeur At; le temps total d'aller-retour 10 est ensuite obtenu en ajoutant la valeur NT' à la valeur At ainsi obtenue. Comme dans la phase poursuite, la fréquence de battement s'exprime sous la forme K' . At, et non plus sous la forme K. AT, contrairement au cas de la phase acquisition, (K et K' désignant respectivement la pente des rampes en phase acquisition et en phase poursuite), il est nécessaire de recentrer au début de la phase poursuite, les signaux issus du mélangeur 13 dans la bande d'analyse de l'analyseur 19. Comme par ailleurs la phase poursuite nécessite un traitement beaucoup plus rapide, ce recentrage est également effectué de manière à ce que les fréquences de battement mesurées se situent en permanence au centre d'une bande d'analyse de largeur b, afin d'éviter d'avoir à changer de bande du fait des évolutions de la cible poursuivie. Pour cela l'oscillateur 14 commandé en tension, générant le signal de fréquence de transposition FI, est commandé pendant la phase de poursuite (via le commutateur acquisition-poursuite) par un circuit 32, appelé boucle de poursuite, qui est maintenant décrit en relation avec la figure 6. Cette boucle de poursuite 32 reçoit, des circuits de calcul et de gestion 20, des valeurs FI+ et FI- correspondant respectivement au recentrage des fréquences de battement F+ et F- en phase poursuite, dans la bande d'analyse de l'analyseur de spectre. Ces valeurs FI+ et FI- sont calculées par les circuits de calcul et de gestion 20, suivant les indications données précédemment. Les valeurs FI+ et FI- sont appliquées respectivement à deux générateurs de tension 36 et 37, aptes à générer des tensions telles qu'appliquées à l'oscillateur commandé en tension 14, soient obtenus en sortie de celuici respectivement des signaux de fréquence FI+ et FI-. Les tensions ainsi générées sont appliquées à un commutateur 38 commandé par un signal de commutation "rampes +/rampes -", délivré par les circuits de calcul et de gestion 20. Le signal obtenu en sortie de ce commutateur 38 est appliqué à l'entrée "poursuite" 10 30 du commutateur acquisition/poursuite 21, également commandé par les circuits de calcul et de gestion 20. La figure 7 décrit le schéma d'une réalisation possible des circuits 4 de commande du modulateur 3. On y distingue un commutateur "acquisition/poursuite" 39. Après avoir commandé ce commutateur 39 en mode acquisition, les circuits de calcul et de gestion 20 commandent alternativement, au moyen d'un commutateur "rampes +/rampes - en mode acquisition" 41 des rampes positives (délivrées par un générateur de tension 42) et des rampes négatives (délivrées par un générateur de tension 43). Ces générateurs délivrent respectivement des pentes tension/temps de valeurs k et -k correspondant respectivement aux caractéristiques fréquence/temps de pentes K et -K, après conversion tension-fréquence, supposée linéaire, par un VCO 44 commandant un amplificateur 45, qui commande lui-même le modulateur 3. Le VCO 44 n'est pas prévu dans le cas où le modulateur 3 est commandé en tension, mais seulement lorsque le modulateur 3 est commandé en fréquence. En mode poursuite, après avoir commuté le commutateur 39, les circuits de calcul et de gestion 20 fournissent à deux générateurs de rampes 47 et 48 la valeur optimale calculée de la durée T' et de la pente k' des rampes. Les valeurs T' et k' ne sont pas fixées une fois pour toutes, contrairement aux valeurs T et k en mode acquisition, mais peuvent évoluer si la distance de la cible varie trop fortement. Puis les circuits de calcul et de gestion 20 commutent alternativement les générateurs 47 et 48 sur un commutateur 49 "rampes +/rampes - en mode poursuite" pour envoyer au VCO 44 les rampes positives et négatives adéquates. Par ailleurs, afin d'assurer un recouvrement des ondes émises OE et reçues OR pendant toute la durée T de l'analyse spectrale, on a vu (figure 2) qu'il convenait de déclencher cette analyse un temps T - T après le début de la rampe, où T est la durée de ladite rampe. Ceci est réalisé en retardant d'une valeur T - T, dans un circuit de retard 50, un top de départ de rampe, donné par les générateurs de rampe 42 ou 43, le signal obtenu en sortie de ce circuit de retard 50 étant destiné à la commande de l'analyseur de spectre 19. En mode poursuite le retard optimal T" est différent et calculé par les circuits de calcul et de gestion 20 qui délivrent sa valeur à un circuit de retard 51. Cette valeur T" est calculée en fonction de la durée T' des rampes en phase poursuite et de la distance de la cible afin d'assurer un bon recouvrement entre onde émise OE et onde reçue OR (voir figure 5b). Le top de départ de rampe issu des générateurs 47 et 48 est retardé de T" par le circuit de retard.51 et envoyé vers les circuits d'analyse spectrale, via un commutateur "acquisition-poursuite" 52 qui reçoit d'une part le retard T - T (mode acquisition) et d'autre part le retard T" (mode poursuite). Dans ce qui précède on a considéré les termes "acquisition" et "poursuite" au sens où on les entend habituellement, c'est-à-dire permettant successivement une localisation et un accrochage de la cible. Il est également possible, suivant l'invention, d'entendre par "acquisition" une mesure grossière du paramètre distance de la cible, et, par "poursuite" une mesure plus fine de ce paramètre, sans que celle-ci soit nécessairement répétée en vue de suivre les évolutions de la cible. Dans ce cas une seule série de rampes est émise pendant la phase poursuite et le centrage de la fréquence de battement au milieu de la bande analysée n'a plus à être effectué en permanence. REVENDICATIONS 1. Procédé de télémétrie laser, notamment pour cibles éloignées, par émission d'impulsions continues modulées linéairement en fréquence, et détection hétérodyne, caractérisé en ce qu'il consiste: - dans une première phase, dite d'acquisition, à émettre au moins une rampe de fréquence de durée T relativement longue compatible avec la distance des cibles les plus éloignées, et de pente K relativement faible, afin d'obtenir une valeur approchée D de la distance d'une cible, égale à 2 AT, où AT désigne le temps d'aller-retour de l'onde pour la cible considérée, et AT = K où F désigne la fréquence de battement détectée correspondant à la cible considérée; - dans une deuxième phase, dite de poursuite, à émettre au moins une série de rampes de fréquence, de durée T' relativement faible, égale au quotient de la division du temps d'allerretour AT de l'onde pour la cible considérée par un nombre entier N, et de pente K' relativement élev4e, afin d'obtenir une valeur plus précise de la distance de la cible, égale à 2 (NT' + At) avec At =1- , où F' désigne la fréquence de battement détectée correspondant à la cible considérée. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la durée T' des rampes de fréquence en phase poursuite est telle que le nombre entier N soit le plus grand possible. 3. Procédé selon la revendication 1 dans lequel une analyse spectrale est effectuée après détection hérérodyne, caractérisé en ce que la durée T' des rampes de fréquence en phase poursuite est voisine de la durée d'analyse spectrale. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il consiste, lorsque les cibles sont mobiles, à émettre successivement des rampes de fréquence de pente positive et négative, 25 25 afin de déterminer simultanément la distance et la vitesse radiale des cibles. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel est effectuée une analyse spectrale du signal de battement, caractérisé en ce que, dans la phase acquisition, préalablement à cette analyse spectrale, le signal de battement est mélangé avec un signal de fréquence variable par paliers au cours du temps, de manière à balayer la bande spectrale B à analyser au moyen d'intervalles juxtaposables de largeur inférieure ou égale à la bande analysée. 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que, au début de la phase poursuite, préalablement à l'analyse spectrale, le signal de battement est mélangé avec un signal de fréquence déterminée en fonction de la distance et de la vitesse de la cible mesurées en phase acquisition, afin de centrer ce signal de bat- tement au milieu de la bande analysée. 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que ce centrage est effectué en permanence au cours de la phase poursuite, en fonction de la fréquence de battement mesurée au cours de cette phase. 8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, dans lequel est effectuée une analyse spectrale du signal de battement, caractérisé en ce qu'au cours de la phase acquisition, cette analyse spectrale est déclenchée un temps T-T après le début des rampes, où T désigne la durée des rampes pendant cette phase et T la durée de cette analyse spectrale. 9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, dans lequel est effectuée une analyse spectrale du signal de battement, caractérisé en ce qu'au cours de la phase poursuite, cette analyse spectrale est déclenchée un temps T" après le début des rampes, où T" est calculée en fonction de la durée T' des rampes pendant cette phase et de la distance de la cible afin d'assurer un bon recouvrement entre onde émise et onde reçue. 10. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications 1 à 9, comportant un modulateur (3) pour moduler les impulsions émises et des moyens (4) de commande de ce modulateur, caractérisé en ce que ceux-ci comportent deux séries de générateurs de rampes de fréquence, une série fournissant des rampes de durée T relativement longue, l'autre des rampes de durée T' relativement faible, et chaque série comportant un générateur fournissant des rampes de pente positive, et un autre des pentes de rampe négative, ces générateurs commandant le modulateur (3) par l'intermédiaire de deux types de commutateurs, un commutateur (41, 49) "rampes positives-rampes négatives" et un commutateur (39) "acquisition- poursuite".