Brevet FR2881842A1 — publié le 20060811

A 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 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 du 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 problème dans le cas de l'utilisation d'un tel télémètre sur des cibles potentiellement rapides, notamment sur des cibles aériennes. Ce problème concerne l'effet du 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 simulta- nément 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. Suivant l'invention, le procédé de télémétrie laser pour cibles potentiellement rapides, par émission d'impulsions continues modulées linéairement en fréquence, et détection hétérodyne, est essentiellement caractérisé en ce qu'il consiste: - dans une première phase à supprimer la modulation de l'onde laser émise, le signal de battement, obtenu alors par détection homodyne, fournissant la valeur absolue 1FDI de la fréquence Doppler FD de la cible, de façon indépendante de sa distance, et dans une deuxième phase: - si la valeur 1FD ainsi obtenue est supérieure à l'amplitude totale de modulation t,F, à émettre au moins une rampe de fréquence, positive ou négative, afin de déterminer simultanément, à partir de la fréquence de battement (F+) mesurée, et de la valeur IFDI obtenue précédemment, le signe de la vitesse radiale de la cible et sa distance; - si la valeur 1FDj obtenue précédemment est inférieure à l'amplitude totale de modulation tF, à émettre successivement au moins deux rampes de fréquences de pentes positive et négative, afin de déterminer dans un premier temps le signe de la vitesse radiale de la cible, et dans un deuxième temps sa distance. 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 dans l'espace fréquence-temps 5 montrant les caractéristiques des signaux émis et reçus par un télémètre suivant la figure 1; - les figures 3a et 3b sont des diagrammes illustrant le phénomène d'ambiguîté distance-Doppler apparaissant dans le cas d'un télémètre suivant la figure 1; - la figure 4 est un diagramme résumant le phénomène d'ambiguité distance-Doppler; - la figure 5 est un schéma synoptique d'un télémètre suivant l'invention; - la figure 6 est un diagramme montrant les caractéristiques 15 dans l'espace fréquence-temps, des signaux émis et reçus selon le mode "émission de rampes de fréquence" ; - 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 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: 4t = 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 - 4t, 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 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 3a décrit la méthode utilisée classiquement pour lever l'ambiguité 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 La figure 4 résume sous la forme de courbes F + en fonction de FD et F- en fonction de FD, les différentes expressions possibles de F+ en fonction de FD et Fo suivant que FD > 0 ou FD Fo. Il apparaît donc des ambiguïtés ne permettant pas de calculer directement Fil et Fo à partir des valeurs mesurées F+ et F-. Ceci montre les limitations du principe de télémétrie FM-CW dans le cas de cibles potentiellement rapides ( FD grand devant Fo). Suivant l'invention cette ambiguïté Distance-Doppler est levée par la mise en oeuvre de deux phases successives, une première phase caractérisée par l'émission d'une onde laser non modulée et permettant de mesurer la valeur absolue de la composante de fréquence Doppler de la cible, de façon indépendante de sa distance, et une deuxième phase caractérisée par l'émission d'une ou deux rampes de fréquence, et permettant à la fois de lever l'ambiguïté sur le signe de la vitesse relative de la cible et de mesurer sa distance. Au cours de la deuxième phase on procède de deux façons différentes suivant que la valeur absolue de la fréquence Doppler mesurée dans la première phase est supérieure ou inférieure à l'amplitude totale de modulation tF. Lorsque la valeur absolue de la fréquence Doppler qui est mesurée dans la première phase est supérieure à l'amplitude totale de modulation AF, alors a fortiori cette valeur absolue est supérieure à Fo. Il est en effet visible sur la figure 2 que la fréquence Fo est toujours comprise entre 0 et tF. L'émission d'une rampe de pente K, de signe quelconque, par exemple positive, donne alors une fréquence de battement qui peut s'exprimer de deux façons possibles: F+ = IFD - Fo si FD > 0 (avec par hypothèse IFDI > Fo) IFDI + Fo si FD , o). Un raisonnement analogue pourraît être tenu avec une rampe de pente négative. Dans le cas où la valeur absolue 1 FD 1 de la fréquence Doppler mesurée dans la première phase est inférieure à AF, la méthode précédente ne peut plus être utilisée. Dans ce cas on détermine tout d'abord le signe de la vitesse relative de la cible par l'émission successive de deux rampes de pentes positive et négative, par la mesure des fréquences de battement F+ et Fcorrespondantes, et par la comparaison de ces deux valeurs F+ et F-. Pour savoir si FD > o ou FD F+ (auquel cas FD > o) ou F+ > F(auquel cas FD Lorsque FD est positif (c'est-à-dire F- > F+) alors la valeur de F- est telle que: F- = Fo + FD La mesure de F- permet donc de calculer Fo, donc la distance de la cible. On a en effet Fo = (F-) - FD. Lorsque FD est négatif (c'est-à-dire F - 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, 25 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 éga- lement été représentés de façon plus détaillée que sur la figure 1, 30 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. 10 La bande de fréquence B à analyser, c'est-à-dire dans laquelle sont susceptibles de se trouver les fréquences recherchées F+ et F-ou (FD 1, 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'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. 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. Un circuit de détection à seuil 34 permet ensuite de déterminer si un signal a été détecté ou non. Dans une première phase de fonctionnement du télémètre, le circuit 4 de commande du modulateur 3 n'est pas activé et le faisceau laser n'est pas modulé en fréquence. La réception assure un mélange "Homodyne", c'est-àdire que l'onde oscillateur local et l'onde laser émise ont la même fréquence. Si un signal est détecté la fréquence IFD ( est calculée dans un circuit 35 en utilisant l'information FI délivrée par le circuit 31 et la mesure de IFD + FI par l'analyseur 19. Si aucun signal n'est 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 générateur de tension 32 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 (par exemple 30MHz). Le cycle est ainsi continué jusqu'à détecter un signal en sortie du circuit 34 et mesurer la fréquence IFD I qui est stockée en mémoire. Les circuits de calcul et de gestion 20 élaborent alors un ordre destiné aux circuits de commande 4 du modulateur afin de passer en mode émission de rampes de fréquence. Dans ce mode le circuit 4 de commande du modulateur 3 émet des rampes modulées en fréquence, telles que représentées sur la figure 6, 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 us et pour une cible à distance inférieure à 9km At = 60 us d'où T >80 ms. L'analyse de spectre est déclenchée au bout du temps T - T après le départ de la rampe. Simultanément les circuits de calcul et de gestion 20 élaborent un signal de commande pour le VCO 14 afin de centrer le signal de fréquence IFD I au milieu d'une bande d'analyse de l'analyseur de spectre 19. La profondeur AF de modulation en fréquence des rampes est avantageusement fixée à une valeur inférieure à 2, b étant la largeur de la bande analysée par l'analyseur 19. Ceci permet d'être sûr que Fo reste inférieur à 2 donc que les signaux de battement de fréquence F+ et F-sont situés, après mélange en 13, dans la bande analysée par l'analyseur de spectre 19, car on a alors: FD - 2 Si un signal est 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. Lorsque I FD I est supérieur à la profondeur de modulation, ici 2, on a vu qu'il était inutile d'envoyer des rampes négatives. Les circuits 20 déterminent le signe de FD et la valeur de Fo selon la procédure décrite précédemment. Si par contre i FD est inférieure à 2 la 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. Après détermination de F- les circuits 20 calculent les valeurs de FD et de Fo au moyen de la procédure déjà décrite. 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 de mode d'émission:" moduléenon modulée", en mode non modulé. La valeur absolue de la fréquence Doppler est alors mesurée comme décrit précédemment. Les circuits de calcul et de gestion 20 commandent alors le commutateur 40 en mode modulé, c'est-à-dire envoi de rampes positives ou négatives de pente K, la sélection entre les deux étant effectuée au moyen d'un commutateur "rampes +/rampes -" 41, les rampes positives étant délivrées par un générateur de tension 42 et les rampes négatives étant 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 con-version 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 lorsqu'il est commandé en fréquence. La sélection entre les rampes positives et les rampes négatives est commandée par les circuits de calcul et de gestion 20 suivant la procédure décrite précédemment. 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. RE VENDICATIONS 1. Procédé de télémétrie laser pour cibles potentiellement rapides, par émission d'impulsions continues modulées linéairement en fréquence, et détection hétérodyne, caractérisé en ce qu'il consiste: -dans une première phase, à supprimer la modulation de l'onde laser émise, le signal de battement, obtenu alors par détection homodyne, fournissant alors la valeur absolue 1FD I de la fréquence Doppler FD de la cible, de façon indépendante de sa distance, et dans une deuxième phase: - si la valeur 1FD 1 ainsi obtenue est supérieure à l'amplitude totale de modulation AF, à émettre au moins une rampe de fréquences, positive ou négative, afin de déterminer simultanément, à partir de la fréquence de battement (F+) mesurée, et de la valeur IFD obtenue précédemment, le signe de la vitesse radiale et la distance de la cible; - si la valeur IFD I obtenue précédemment est inférieure à l'amplitude totale de modulation AF à émettre successivement au moins deux rampes de fréquences de pentes positive et négative, afin de déterminer dans un premier temps le signe de la vitesse radiale de la cible, et dans un deuxième temps la distance de la cible. 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 la revendication 1, 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 générateurs de rampes de fréquence, un premier (42) de pente positive, un second (43) de pente négative, qui commandent le modulateur (41) "rampes positives-rampes négatives" et un commutateur (40) de mode d'émission "modulé-non modulé", eux-mêmes commandés par des circuits de calcul et de gestion (20) qui reçoivent les résultats des mesures de fréquences de battement.