Brevet FR2891632A1 — publié le 20070406

- 1 - DISPOSITIF DE GUIDAGE PAR FAISCEAU LASER EFFECTUANT UN BALAYA-GE DE L'ESPACE EN ROSACE. L'invention concerne un dispositif de guidage optique à distance d'un missile sur une cible au moyen d'un émetteur de faisceau, ledit faisceau provenant d'une source laser dont l'image projetée au niveau du récepteur (ou écartomètre) monté sur le missile est une tache circulaire qui balaie le champ de guidage au moyen de déviateurs optiques, lesdits émetteur et récepteur étant synchronisés par des horloges au départ du missile. L'heure de chaque passage du faisceau sur le récep- teur au cours du balayage est connue avec exactitude puisque l'horloge correspondante est synchronisée. La loi de déplace-ment de ladite tache en fonction du temps est donc connue ainsi que la position du missile par rapport à l'axe de guidage. Il suffit alors d'agir sur ses gouvernes pour le ramener suivant cet axe. La précision du balayage impose l'obtention d'une tache aussi petite que possible. On se trouve vite limité dans ce sens par l'effet de diffraction dû à l'optique de l'émetteur. Par ailleurs, le balayage complet du champ correspondant au temps de renouvellement des informations à bord du missile est d'autant plus rapide que la tache est de plus petites dimensions. On est alors limité par l'inertie du système de balayage. Si ce balayage est effectué suivant une seule direc- tion, par exemple ligne par ligne (balayage mode télévision), il en résulte une mauvaise résolution dans la direction perpendiculaire au balayage due à la grosseur relative de la tache. Ce mode de balayage est utilisé dans un appareil de détermination connu du brevet français n 2 516 664. Dans cet 30 appareil le balayage est effectué au moyen d'un déviateur acousto-optique faisant passer le faisceau infra-rouge à travers un cristal parcouru par des ondes acoustiques haute fréquence. La déviation à travers le réseau créé par lesdites on-des est proportionnelle à leur fréquence. Ce déviateur n'est plus limité par l'inertie mais il se pose à son sujet d'autres problèmes d'ordre technologique non encore maîtrisés. Afin d'améliorer la résolution, ce même balayage est réalisé suivant deux directions successives, horizontalement puis verticalement. La vitesse de balayage selon ce mode est très éle- vée. S'il faut par exemple 100 lignes pour couvrir la totalité du champ de guidage suivant une direction, la précision de l'horloge du récepteur doit être 100 fois plus élevée que pour un système de balayage dudit champ par un faisceau ayant la forme d'une unique barre rectangulaire. L'obtention d'un tel degré de précision n'est pas possible actuellement dans la fabrication des horloges. Un autre mode de balayage est décrit dans le brevet européen N 0 102 466. Le balayage radial linéaire est obtenu par des moyens essentiellement mécaniques tels que la rotation d'un polygone réflecteur et d'un prisme de DoVe. La précision mécanique nécessaire doit alors être très grande pour que les erreurs dues aux jeux et aux vibrations soient compatibles avec la précision demandée pour le guidage d'un missile moderne. Le but de la présente invention est de créer un dispositif de guidage optique à distance du type mentionné dans le préambule et qui, pour une cadence de renouvellement d'informations donnée, permet d'utiliser des systèmes de déviation du faisceau pouvant fonctionner à des fréquences rela- tivement basses, de l'ordre de quelques centaines de Hertz, en régime quasi sinusoïdal, de façon à éviter le contrôle en amplitude et en phase d'harmoniques de rang élevé, ledit dispositif mettant en oeuvre des moyens mécaniques plus simples sans roulements à billes ou autres pivots ayant un "bruit de frottement" important. - 3 Ce but est atteint du fait que ledit émetteur comporte deux déviateurs optiques qui déplacent respectivement le faisceau suivant deux directions perpendiculaires entre elles pour animer ladite image de la source laser d'un mouvement de translation de manière à lui faire effectuer un balayage en rosace du champ de guidage, chacun desdits déviateurs fournissant une déviation à la pulsation w, en phase, et modulée en amplitude respectivement comme sinQt et cosQt, les éléments de déviation desdits déviateurs optiques n'étant pas entraînés en rotation mais portés par des moteurs galvanométriques travaillant par flexion ou tension de barre(s) ou de lame(s) encastrée(s) et sans jeu mécanique. Selon un mode de réalisation avantageux de l'invention, lesdits éléments de déviation sont constitués par un premier et un second miroir vibrant à des pulsations w, en phase, et dont l'amplitude est modulée respectivement comme sinQt et cosQt, le rapport Q/w étant fonction du rapport du champ couvert par le diamètre de ladite tache au diamètre du champ de guidage. Lesdits premier et second miroir étant actionnés respectivement par un premier et un second galvanomètre dont les axes sont perpendiculaires entre eux et respectivement perpendiculaires au faisceau incident sur le premier miroir et au faisceau réfléchi sur le second miroir, ce dernier faisceau étant ramené dans la direction du faisceau de guidage par un quelconque dispositif de renvoi. La figure 1 représente le schéma synoptique de l'émetteur utilisé dans le dispositif de guidage par faisceau laser selon l'invention. La figure 2 représente une séquence de motifs de balayage en rosace exécutés par un faisceau laser projeté par le dispositif de la figure 1. La figure 3 est un diagramme de temps montrant la variation du balayage suivant les axes orthogonaux oy et oz 35 indiqués sur la figure 2. - 4 - La figure 4 est un diagramme de temps montrant l'échelonnement des signaux reçus en divers points du champ. La figure 5 représente le schéma synoptique du récepteur de guidage. L'émetteur de guidage représenté sur la figure 1 comporte un laser 1 à émission (laser CO2) à 10,6 microns par exemple), un premier déviateur optique 2 qui déplace le faisceau dans le plan yoz, un second déviateur optique 3, qui dé-place le faisceau sur un cône d'axe oy très voisin du plan yox et un transfert de pupille 4 formé d'un ensemble de deux ou plusieurs lentilles entre les deux déviateurs. A la sortie du second déviateur, ce faisceau est concentré en 6 au foyer de la lentille 5 coïncidant avec celui de l'objectif à focale variable 7 ou zoom qui projette l'image du laser au niveau du missile, c'est-à-dire pratiquement à l'infini. Cet objectif à focale variable permet d'adapter le champ éclairé à la valeur souhaitée à tout instant. Si la largeur souhaitée au niveau du missile est constante, la distance focale doit varier proportionnellement à la distance parcourue par le missile. L'image projetée au niveau du missile est une tache circulaire dont le diamètre à mi-puissance est déterminé par les lois de la diffraction. La concentration d'énergie est maximale si l'optique d'émission a le diamètre maximum autorisé compte tenu de l'encombrement possible du projecteur de faisceau et de la nécessaire correction des aberrations optiques. Cette image est animée d'un mouvement de translation suivant la figure de balayage en rosace. La fréquence des balayages est choisie de façon que le temps de balayage complet du tunnel de guidage soit égal à la période de répétition des écartométries souhaitée au niveau du récepteur et que la distance entre les courbes de balayage soit inférieure ou égale au diamètre de la tache laser dans le champ de guidage. - 5 - On voit donc que la fréquence de balayage doit être proportionnelle à la résolution de l'optique d'émission, ce qui peut poser des problèmes en ce qui concerne les déviateurs. En pratique on choisira le meilleur compromis entre la concentration d'énergie et la vitesse possible de balayage. On a représenté sur la figure 2 une séquence de motifs de balayage en rosace correspondant à une période de balayage c'est-à-dire le temps pendant lequel la totalité du champ est explorée. L'image projetée S du spot laser centré au point A indiquée sur la figure est référencée par rapport au système de coordonnées rectangulaires oyz. En posant wt = x et en se fixant w/Q = 4, les coordonnées du point A dans ce système s'écrivent: y = A sin 4x cosx z = A sin 4x sinx La figure 3 représente la variation en fonction du temps du signal de balayage suivant les axes oy et oz. Les figures 4a et 4c montrent respectivement l'échelonnement en fonction du temps des signaux reçus par exemple aux points A et 0 de la figure 2, ainsi que les signaux d'une horloge (figure 4b) embarquée sur le missile et synchrone du balayage des déviateurs. Pour la clarté du dessin les figures 2, 3 et 4 ont été dessinées avec un rapport w = 4Q. Dans un cas réel les fi- Bures 2, 3 et 4 pourraient correspondre au cas typique suivant: - Laser CO2,à 10,6 microns; Diamètre de l'optique d'émission: 100 mm; - Diamètre du spot à 4000 m: 50 cm; - Largeur du champ de guidage: 3,5 m; - Période de récurrence: T = 20 ms; Q = 314 rd/s; - Fréquence du balayage 700 Hz; w = 4396 rd/s. Chaque déviateur optique de la figure 1 est constitué avantageusement par un miroir vibrant actionné par un gal-35 vanomètre, solution la moins onéreuse pour des vitesses fai- - 6 - bles. Le déviateur 2 comporte le galvanomètre 8 dont l'axe porte le miroir plan 9 d'axe ox et faisant dans sa position d'équilibre un angle de 45 avec l'axe oy. Le déviateur 3 comporte le galvanomètre 10 dont l'axe parallèle à oy porte le miroir plan 11 ayant dans sa po- sition d'équilibre une inclinaison de 45 sur l'axe ox. Le faisceau issu de la source laser 1 frappe le miroir plan 9 vibrant autour de l'axe du galvanomètre 8 parallèle à ox. Après une première réflexion sur le miroir plan 9, le faisceau laser traverse un transfert de pupille 4 et subit une deuxième réflexion sur le miroir plan 11 vibrant autour de l'axe du galvanomètre 10 parallèle à l'axe oy. Ainsi, lorsque les miroirs vibrants 9 et 11 passent par leur position d'équilibre, le faisceau réfléchi sur le miroir 11 sort parallèle à ox. Un système de renvoi non représenté ramène ce faisceau dans la direction du faisceau de guidage. Pour diminuer la pulsation w, compte tenu du diamètre du spot on pourra utiliser une amplitude A légèrement supérieure au champ de guidage R (figure 2). On choisira par exemple R/A = 0,8 ce qui donne un rendement temporel de 60 % et permet de balayer tout le champ de R = 3,5 m avec un spot de 50 cm de diamètre et un rapport w/Q = 14. On peut couper l'émission laser pendant les temps morts. La coupure de l'émission laser peut s'effectuer facilement à moyenne vitesse mais le réallumage du laser ne peut s'opérer aussi aisément. On se bornera donc à réduire la puissance d'émission du laser au lieu de couper cette émission lorsque l'image du spot balaye les bords du champ. Le récepteur de guidage installé à bord du missile 30 et représenté schématiquement sur la figure 5 comprend: - un filtre optique 12 centré sur la longueur d'onde du la- ser; - un concentrateur optique 13 pour récupérer le maximum d'énergie; - un détecteur 14 adapté à la longueur d'onde de travail (10,6 p avec un laser CO2) ; - un système de refroidissement cryogénique 15 à l'azote ou à l'argon pouvant descendre au-dessous de 100 K si nécessai-05 re; - un préamplificateur 16 suivi d'un amplificateur logarithmique 17 nécessaire du fait des énormes dynamiques de variation du signal et permettant de placer judicieusement un seuil de comparaison; - un comparateur 18 et une logique de fixation du seuil 19; La partie numérique qui suit assure le traitement des instants de réception des impulsions issues du comparateur; elle comporte un compteur de temps 20 piloté par un oscillateur à quartz 21 et un processeur numérique 22 dont la sortie fournit les valeurs des écartométries y et z. Ce processeur comporte une mémoire du mouvement décrit par le spot en fonction du temps. Chaque passage du faisceau laser sur le détecteur permet de déterminer un couple de coordonnées par simple lecture de la mémoire. Ceci suppose que l'échelle des temps à bord du récepteur soit la même que celle de l'émetteur. Il faut donc qu'il y ait synchronisation des horloges avant le départ et maintien de ce synchronisme pendant tout le vol. Dans le cas de la figure 2, une précision de 1 % du champ correspond à une erreur de temps de T/20000. Un vol de 10 s avec T = 20 ms requiert donc une précision relative de 10'7. Cette précision ne sera obtenue facilement que si une resynchronisation intervient dans le récepteur pendant le vol du missile. Cette opération est possible car le balayage est symétrique comme indiqué sur la figure 4. Les signaux sont en général reçus par paires dont le milieu est toujours fixé dans le temps. Le circuit d'asservissement de l'horloge utilisera 35 la relation e, = e2 à la synchronisation (figure 4a). - 8 La précision est améliorée dans le centre du champ de guidage parce que si la distance radiale D est inférieure ou égale au demi diamètre S du spot (D t S/2) on reçoit 4 k informations d'où une diminution moyenne des bruits d'écarto- métrie dans le rapport 1/2Ik soit 0,19 dans l'exemple choisi. Cette amélioration est de l'ordre de 1/2lkArc(sin Sf2 D) lorsque S/2 Le dispositif de l'invention présente entre autres 10 les avantages suivants. - utilisation d'un seul laser qui peut ne pas être modulé ; -schéma optique de l'émetteur très simple; - utilisation de déviateurs de faisceau sans frottements ni roulements mécaniques, de façon à réduire le "bruit" de po- sition non compatible avec la précision souhaitée; - excellente concentration d'énergie (limitée par la diffrac- tion) ; - résolution augmentée au centre du champ de guidage; - traitement du signal relativement simple à la réception; - possibilité de resynchronisation du récepteur avec l'émet- teur. L'utilisation prévue est le guidage d'un missile. La synchronisation des horloges peut avoir lieu juste avant le largage de ce missile. Elle peut être maintenue avec une pré- cision suffisante pendant toute la durée du vol grâce à la redondance et à la symétrie du balayage sans avoir recours à des oscillateurs à quartz ultra stables. - 9 REVENDICATIONS: 1. Dispositif de guidage optique à distance d'un missile sur une cible au moyen d'un émetteur de faisceau, ledit faisceau provenant d'une source laser modulable ou non dont l'image projetée au niveau du récepteur monté sur le missile est une tache circulaire qui balaye le champ du guidage au moyen de déviateurs optiques, lesdits émetteur et récepteur étant synchronisés sur des horloges au départ du missile, caractérisé en ce que ledit émetteur comporte deux déviateurs optiques qui déplacent respectivement le faisceau suivant deux directions perpendiculaires entre elles pour animer ladite image de la source laser d'un mouvement de translation à vitesse linéaire à peu près constante de manière à lui faire effectuer un balayage du champ de guidage en forme de rosace, chacun desdits déviateurs fournissant respectivement une déviation A sin wt cos Qt et A sin wt sin Qt, les éléments de déviation desdits déviateurs optiques n'étant pas entraînés par une rotation mais portés par des moteurs galvanométriques travaillant par flexion ou torsion de barre(s) ou de lame(s) encastrée(s) et sans jeu mécanique. 2. Dispositif selon la revendication 1 dont l'émetteur comporte de plus un transfert de pupille entre le premier et le second déviateur optique et à la suite dudit second déviateur une lentille qui concentre le faisceau au foyer d'un ob- jectif à focale variable, caractérisé en ce que lesdits éléments de déviation sont constitués par un premier et un second miroir vibrant à des pulsations identiques et en phase mais dont l'amplitude est modulée en cosQt et sinQt, le rapport w/Q étant défini par le rapport du diamètre de ladite tache et du diamètre du champ de guidage, lesdits premier et second miroirs étant actionnés respectivement par un premier et un second galvanomètre dont les axes sont perpendiculaires entre eux et respectivement perpendiculaires au faisceau incident sur le premier miroir et au faisceau réfléchi sur le second miroir, ce dernier faisceau étant ramené dans la direction du faisceau de guidage par un quelconque dispositif de renvoi. - 10 - 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit récepteur comporte un filtre optique centré sur la longueur d'onde du laser suivi d'un concentrateur d'énergie, d'un détecteur (refroidi ou non par un dispositif cryogé- nique suivant la longueur d'onde du laser), d'un amplificateur logarithmique relié à une entrée d'un comparateur dont l'autre entrée est portée à un seuil et dont la sortie est reliée à un compteur piloté par un oscillateur à quartz et synchronisé au départ du missile sur les lois de balayage de l'émetteur, un processeur numérique relié audit compteur fournissant la va-leur dudit seuil et effectuant le décodage des données pour indiquer les coordonnées du missile. 4. Dispositif selon les revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ladite source laser peut être un laser à CO2 fonctionnant à une longueur d'onde de 10,6 p ou tout autre laser fournissant un faisceau de section circulaire.