Brevet FR2881840A1 — publié le 20060811

PROCEDE ET DISPOSITIF DE TELEMETRIE LASER, POUR CIBLES POTENTIELLEMENT RAPIDES La présente invention concerne un procédé et un dispositif de télémétrie laser pour cibles potentiellement rapides. 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 télémètre 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 modulation, 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.t où Mt est le temps d'aller-retour sur la cible, égal à 2. D/c (où D est 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 problème dans le cas de l'utilisation d'un tel télémètre sur des cibles potentiellement rapides, notam- ment sur des cibles aériennes. Ce problème concerne l'effet de glissement de fréquence Doppler, lié au déplacement de la cible, qui introduit des phénomènes d'ambiguïté. Il est connu suivant l'art antérieur de déterminer simultanément la distance et la vitesse radiale des cibles, par l'émission de rampes de fréquence de pentes alternativement positive et négative. Cette méthode a cependant pour inconvénient de ne s'appliquer qu'à des cibles dont l'ordre de grandeur de la vitesse radiale est faible. La présente invention a pour objet un procédé et un dispositif de télémétrie laser permettant de lever toutes les ambiguïtés liées à la mobilité de la cible quelle que soit la rapidité de celle-ci. Le procédé de télémétrie laser pour cibles potentiellement rapides suivant l'invention, par émission d'impulsions continues modulées linéairement en fréquence suivant des rampes de fréquence de pente alternativement positive et négative, afin de déterminer simultanément la distance et la vitesse radiale des cibles, et par détection hétérodyne, est essentiellement caractérisé en ce que la distance et la vitesse radiale des cibles s'exprimant différemment, en fonction des fréquences de battement F+ et F-(détectées respectivement pour les rampes positives et pour les rampes négatives) suivant que FD > Fo, 0 AF, un choix est à effectuer entre la première et la quatrième zone d'ambiguïté, le résultat de la comparaison précédente permettant de déterminer de 3 laquelle de ces deux zones il s'agit: - si (F+) (F-) o ou FD o ou FD 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; - les figures 3a et 3b sont des diagrammes illustrant le phénomène d'ambiguïté distanceDoppler apparaissant dans le cas d'un télémètre suivant la figure 1; - la figure 4 est un diagramme destiné à illustrer le principe de levée d'ambiguïté distance-Doppler suivant l'invention; -la figure 5 est un schéma synoptique d'un télémètre suivant l'invention; -la figure 6 est un diagramme des signaux émis dans l'espace fréquence-temps; - 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 15 20 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 4t 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 At (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 lesquelles 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 3a décrit la méthode utilisée classiquement pour lever l'ambiguïté distance/vitesse Doppler qui apparaît alors, cette méthode ne s'appliquant que pour des cibles dont l'ordre de grandeur de la vitesse radiale est faible. L'émission successive de deux rampes de pente K égales en valeur absolue mais de signes opposés permet la mesure de deux fréquences de battement, une fréquence de battement notée "F+" correspondant à la rampe positive (dF/dt positif) et une fréquence de battement notée "F-" correspondant à la rampe négative (dF/dt négatif). On peut en effet écrire, en supposant 0 En revanche, si la fréquence Doppler FD, toujours supposée positive à titre d'exemple, est telle que FD > Fo, ce qui est en général le cas pour les cibles aériennes, on voit sur la figure 3b que les formules à appliquer sont différentes puisqu'on a alors: F+ = FD - Fo F- =Fo+FD 20 30 La figure 4 résume sous la forme de courbes F+ en fonction de FD et F- en fonction de FD, les différentes situations possibles suivant que FD > 0 ou FD Fo (où IFDI désigne la valeur absolue de la fréquence Doppler FD). Cette figure fait apparaître quatre zones possibles: - une zone I, définie par FD > 0 et FD > Fo, et pour laquelle s'appliquent les relations suivantes: F+ = FD - Fo F- = FD + Fo - une zone II, définie par FD > 0 et FD - Fo et pour laquelle s'appliquent les relations suivantes: F+=Fo - FD F=Fo+FD - une zone IV, définie par FD L'objet de la présente invention est de lever cette nouvelle ambiguïté, et ceci de la façon suivante. On rappelle que, disposant de deux valeurs mesurées: F+ et F-, le problème consiste à déterminer les valeurs Fo et FD. Pour choisir entre les quatre groupes de relations données 30 précédemment, il faut savoir si: FD > 0 ou FD Fo ou IFDI 0 ou FD F+ (auquel cas FD > 0) ou F+ > F- (auquel cas FD Pour savoir si 1FD > Fo ou IFD La courbe correspondant à cette moyenne M est également représentée sur la figure 4, et l'on s'aperçoit qu'en zone I on a M = FD, en zone II et en zone III on a M = Fo, et en zone IV on a M=-FD, - on sait par ailleurs qu'on a toujours Fo AF, on a alors a fortiori M > Fo, et on en déduit que l'on est soit en zone I, soit en zone IV. Comme par ailleurs on sait si FD > 0 ou FD 0, si l'on se trouve dans la région référencée (1) de la courbe M, appartenant à la zone I, ou dans la région référencée (2), appartenant à la zone II. Ce problème est résolu en émettant une rampe de pente K' différente de K, positive dans l'exemple considéré correspondant à 25 FD > 0. En effet, les régions (1) et (2) diffèrent par l'expression de F+ : F+ = FD - Fo dans la région (1) F+ = Fo - FD dans la région (2) Or Fo s'exprime sous la forme: Fo= K C Par conséquent, en supposant par exemple K' Dans le cas FD La méthode décrite ci-dessus permet donc de lever toutes les ambiguïtés liées à la mobilité de la cible, quelle que soit la rapidité de celle-ci, et en particulier si le glissement de fréquence Doppler peut être important. On se réfère maintenant à la figure 5 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. Les circuits de traitement 10 du signal électrique ont égale-ment été représentés de façon plus détaillée que sur la figure 1, les circuits de commande 4 du modulateur 3 faisant par ailleurs l'objet de la figure 7. Les circuits de traitement du signal électrique comportent un analyseur de spectre 19, par exemple à ondes acoustiques de surface. 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 variable 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 des circuits 20 dits de calcul et de gestion via un générateur de tension 32. 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'oscil- lateur 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 de battement F obtenue en sortie du détecteur 9 compte tenu du décalage apporté par le mélangeur 13. La fréquence du signal élaboré par l'oscillateur commandé en tension 14 peut également être déduite de la valeur de commande fournie par les circuits 20 de calcul et de gestion. L'analyseur de spectre 19 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 6. 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 nouveau signal de commande 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 10 fréquence F- ; on a en effet: (F+)-2AF Après détermination de (F+) et (F-), les moyens de calcul et de gestion 20 déterminent s'il y a ambiguïté ou non par les méthodes décrites cidessus. S'il y a ambiguïté ils commutent le circuit 4 de commande du modulateur pour changer la pente de la rampe selon la procédure déjà décrite. Après levée éventuelle d'ambiguïté, les circuits de calcul et de 20 gestion 20 procèdent au calcul de la distance et de la vitesse selon la méthode décrite ci-dessus. La figure 7 décrit le schéma d'une réalisation possible des circuits 4 de commande du modulateur 3. Les circuits de calcul et de gestion 20 commandent tout d'abord un commutateur 40 "mode normal/mode levée d'ambiguïté" en mode normal, (c'est-à-dire envoi de rampes positives et négatives de pente K) et commandent alternativement, au moyen d'un commutateur "rampes +/ rampes-" 41a commandé par les circuits de calcul et de gestion, 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 linéraire, par un VCO 44 commandant un ampli- ficateur 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 cas d'ambiguïté les circuits de calcul et de gestion commandent le commutateur 40 "mode normal/mode levée d'ambiguïté" en mode levée d'ambiguïté ; c'est-à-dire envoi de rampes de pente K' différente de K, positive ou négative suivant le signe de FD. Comme précédemment, des rampes de pente k' positive sont délivrées par un générateur de tension 46, et des rampes de pente k' négative sont délivrées par un générateur de tension 47, et la sélection entre les deux est effectuée par un commutateur "rampes +/rampes -" 41b commandé par les circuits de calcul et de gestion. 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, 43, 46 ou 47, le signal obtenu en sortie de ce circuit de retard 50 étant destiné au déclenchement de l'analyseur de spectre 19. REVENDICATIONS 1. Procédé de télémétrie laser pour cibles potentiellement rapides, par emission d'impulsions continues modulées linéairement en fréquence suivant des rampes de fréquence de pente alternativement positive et négative, afin de déterminer simultanément la distance et la vitesse radiale des cibles, et par détection hétérodyne, caractérisé en ce que, la distance et la vitesse radiale des cibles s'exprimant différemment, en fonction des fréquences de battement F+ et F- (détectées respectivement pour les rampes positives et pour les rampes négatives), suivant que FD > Fo, 0 F, un choix est à effectuer entre la première et la quatrième zone d'ambiguïté, le résultat de la comparaison précédente permettant de déterminer de laquelle de ces deux zones il s'agit; - si (F+ ) 2 (F-) o ou FD 0 ou FD 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel est effectuée une analyse spectrale du signal de battement, caractérisé en ce que, 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. 3. Procédé selon la revendication 1, dans lequel est effectuée une analyse spectrale du signal de battement, caractérisé en ce que celle-ci est déclenchée un temps T-T après le début des rampes, où T désigne la durée des rampes et T la durée de cette analyse spectrale. 4. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications 1 à 3, comportant un modulateur (3) pour moduler les impulsions émises et des moyens de commande (4) de ce modulateur, caractérisé en ce que ceux-ci comportent deux séries de générateurs de rampes de fréquence, une série (42, 43) fournissant des rampes de pente K, l'autre (46, 47) des rampes de pente K' différente de K, et chaque série comportant un générateur (42, 46) fournissant des rampes de pente positive, et un autre (43, 47) des pentes de rampe négative, ces générateurs commandant le modulateur (3) par l'intermédiaire de commutateurs, un commutateur (40) "mode normal-mode levée d'ambiguïté" et deux commutateurs (4la, 4 lb) "rampes positives-rampes négatives". 20