Brevet FR2899975A1 — publié le 20071019

Détecteur de la direction d'une source électromagnéti- que. L'invention est relative aux dispositifs pour 5 déterminer la position angulaire d'une source de rayonnement électromagnétique. Un procédé connu pour déterminer la position angulaire d'une source de rayonnement électromagnétique à la fois en gisement et en site consiste à utiliser un 10 masque perforé en combinaison avec un réseau d'éléments détecteurs. Le masque perforé est constitué par un en-semble bi-dimensionnel d'obstacles et de lumières formant un dessin caractéristique, dont l'ombre portée sous éclairage collimaté ou orienté est projetée sur une 15 surface écartée mais parallèle en laquelle est disposé le réseau détecteur. Chaque élément du réseau détecteur comprend son propre circuit d'amplification et de détection de seuil et chaque canal détecteur produit un 1 ou un 0, ce qui forme un code binaire pour chaque direction 20 angulaire, propre à identifier sans équivoque l'angle d'éclairage. La résolution angulaire du système dépend du nombre des éléments détecteurs utilisés et donc du nombre de bits dans le code binaire. Ce dernier à son tour est déterminé par le nombre des obstacles et lumié- 25 res qui composent le masque perforé et, pour une dimension donnée du masque, le nombre des obstacles et lumières est limité par la diffraction. De même, plus la complexité du masque augmente, plus le nombre des éléments du réseau détecteur doit être grand pour permettre 30 l'analyse de l'ombre du masque. Ce type de masque pose un certain nombre de problèmes, dont les suivants : 1/ La poussière déposée sur le masque ou sur son enve- loppe protectrice détériore le code engendré par le 35 masque ; même une seule lumière obturée conduit à une mesure angulaire totalement fausse. 2/ De grands réseaux rectanyulaires d'éléments détecteurs ne sont pas facilement disponibles dans toutes les technologies de détecteurs envisageables. 3/ Il s'avère nécessaire de disposer d'un certain nombre de réseaux détecteurs couvrant chacun une amplitude différente pour augmenter la gamme dynamique du système ; chaque réseau doit alors comporter son propre masque perforé et la surface ajourée totale de détection devient grande à un degré inacceptable. De même, il peut être nécessaire de prévoir plus d'un réseau d'éléments détecteurs pour couvrir la gamme de longueurs d'ondes requise. 4/ Pour améliorer la sensibilité du système, on ne peut y incorporer des optiques de réception qu'en plaçant un petit ensemble de lentilles en regard de chacun des éléments détecteurs. Même si cela était possible, cela signifierait que l'on augmente la surface de chaque lumière dans le masque, ce qui aboutirait à une surface d'ouverture totale du détecteur beaucoup trop grande. L'un des buts de la présente invention est de fournir une formule améliorée d'appareil pour déterminer la position angulaire d'une source de rayonnement électromagnétique. Selon un aspect de l'invention, on prévoit un appareil pour déterminer la position angulaire d'une source de rayonnement électromagnétique, appareil comportant un masque perforé en combinaison avec un réseau détecteur, le réseau détecteur étant linéaire et le mas- que perforé comprenant un réseau linéaire d'obstacles et lumières, chaque obstacle étant allongé perpendiculaire-ment à la direction linéaire du réseau de sorte que, en fonctionnement, un dessin caractéristique d'un code à barreaux est formé par le masque. Selon un autre aspect de l'invention, on prévoit un appareil pour déterminer la position angulaire d'une source de rayonnement électromagnetique, appareil comprenant un masque perforé en combinaison avec un réseau détecteur, le réseau détecteur comprenant une pluralité d'éléments détecteurs couplés -bacun à un circuit de détection, les circuits de détection de ces éléments détecteurs, rangés le long d'une direction de mesure angulaire de l'appareil, étant connectés à des moyens de comparaison d'amplitude pour déterminer les amplitudes relatives des signaux sortant des circuits de détection. Des modes de réalisation de l'invention seront maintenant décrits à titre d'exemples en référence aux dessins ci-annexés, dans lesquels : - la figure 1 montre une séquence typique de bits binai- res pseudo-aléatoire, un masque perforé formé par 15 cette séquence et les codes à 4 bits émanant de ce masque ; - la figure 2A montre un simple détecteur utilisant un réseau d'éléments détecteurs linéaire et le masque de la figure 1 ; 20 - la figure 2B montre un détecteur modifié par rapport à celui de la figure 2A utilisant plusieurs réseaux d'éléments détecteurs linéaires ; -la figure 3A montre une séquence de bits binaires modifiée et le masque perforé correspondant ; 25 - la figure 3B montre une forme de détecteur pour le masque de la figure 3A, avec le circuit de traitement de signal associé ; - la figure 4 montre le fonctionnement du circuit de la figure 3B ; 30 - la figure 5 montre la signification des espacements compris entre les éléments du réseau d'éléments détecteurs ; - les figures 6A et 6B montrent des vues avant et de côté d'un détecteur modifié destiné à accroître l'ef-35 ficacité de réception des rayonnements ; - les figures 7A et 7B montrent des détecteurs avec un seul élément de masque perforé ; - la figure 8 est un graphique montrant les variations de l'amplitude du signal de sortie en fonction de l'angle du rayonnement incident pour les détecteurs des figures 7A et 7B ; - la figure 9 montre un détecteur pour fournir une information angulaire dans deux dimensions ; - les figures 10A et 10B montrent d'autres détecteurs pour fournir une information angulaire dans deux di- mensions ; - les figures 11A et 11B montrent des variantes de circuit de traitement de signal pour un réseau détecteur linéaire du genre de celui de la figure 2A ; - la figure 12 montre un circuit de traitement de signal pour un détecteur à deux dimensions du type de la figure 9 ; - la figure 13 montre un circuit de traitement de signal pour un réseau détecteur linéaire du type de la figure 3B ; et - la figure 14 montre une variante de séquence de bits binaires pseudo-aléatoire, un masque perforé formé à partir de cette séquence et les codes à 4 bits émanant de ce masque. La figure 1 montre en 10 une séquence binaire de 18 bits pseudo-aléatoire qui forme le code pour un mas-que perforé 11 dans lequel chaque bit 1 est transmissif et chaque bit 0 est non transmissif, chaque bit binaire étant allongé perpendiculairement à la direction linéaire de la séquence binaire 10. En 12 est montré un tableau de 15 codes à 4 bits indépendants qui sont pro-duits séquentiellement par un réseau détecteur 13 (figure 2A) à quatre éléments disposés au-dessous du masque 11 lorsque ce masque est déplacé en face du réseau détecteur bit à bit. Si le réseau 13 est basé sur la technologie du silicium, des éléments larges de 1 mm sont utilisables pour une détection l'i laser et pour cela chaque barre ou barreau élémentaire dans le masque 11 doit présenter une largeur de 1 mm mais peut présenter toute longueur désirable. Le résultat est un masque perforé 11 de codage à barreaux qui présente une largeur de 18 mm. Si celui-ci est placé à 9 mm en regard du réseau 13 large de 4 mm comprenant quatre éléments détecteurs, le champ total de détection est de 90'. En général, la résolution angulaire (8R) de ce type de système est 8R = 0 2n - 1 dans lequel 0 est le champ total et n, le nombre d'éléments détecteurs. Dans le cas illustré sur la figure 2A, la résolution angulaire dans une direction est de 6' alors que perpendiculairement le détecteur présente un champ d'au moins 90' en fonction des longueurs des barreaux élémentaires du masque, mais ne présente pas de résolution angulaire. La résolution dans la direction orthogonale peut être obtenue par un second détecteur orthogonal qui ne présente pas nécessairement la même valeur de résolution. Comme montré sur la figure 2B, le masque peut être du type "négatif", comme montré en 15, selon lequel chaque bit 0 est transmissif et chaque bit 1 est non transmissif, et, comme le masque 11 ou 15 est allongé, plus d'un réseau détecteur 13 peuvent être utilisés simultanément, comme montré en 16. Chaque portion linéaire 16A, 16B, 16C et 16D du réseau 16 peut couvrir une gamme de longueurs d'ondes différentes ou une gamme d'amplitu- des différentes. La précédente discussion suppose que l'angle d'éclairage commute convenablement d'un élément de réso- lution à l'autre, mais en pratique il est improbable que les éléments du masque de codage à barreaux coïncident exactement avec les éléments du réseau détecteur liné- aire. Un procédé pour traiter ce problème consiste à modifier le code de barreaux 10 en plaçant des 0 supplémentaires 10A (barreaux noirs) entre chacun des éléments de codage à barreaux originaux pour produire le masque 18 de la figure 3A. Un réseau détecteur linéaire 19 à huit éléments plutôt qu'à quatre éléments est alors utilisé, comme montré sur les figures 3B et 4, avec des éléments de détecteur alternés identifiés comme groupe A ou groupe B et présentant des signaux de sortie respectifs délivrés au registre 19' pour le groupe A ou au registre 19" pour le groupe B. Comme le seuil dans chaque canal détecteur est réglé à un niveau très bas par le circuit de seuil 19A, l'hypothèse la plus probable est que les deux registres 19' et 19" (pour les groupes A et B) enregistrent les codes corrects, comme montré sur la figure 4. Mais il existe une possibilité limitée que seulement l'un des registres 191,19" enregistre le code correctement, l'autre registre enregistrant correctement un code adjacent, cas dans lequel le calculateur suivant 19D reconnaît que les codes sont adjacents et calcule un code préféré. Dans tous les cas, il est préféré que le circuit de seuil 19A présente un premier et un second niveaux de seuil et que le calculateur 19D soit agencé de façon à rejeter comme erroné tout code enregistré contenant un chiffre produit sans que les deux seuils aient été franchis. Pour que soit perdue la plus petite fraction possible du signal de source tombant sur le réseau dé- tecteur, l'espacement entre les éléments doit être main- tenu aussi petit que possible. En considérant comme exemple le système illustré sur la figure 5, avec des éléments larges de 1 mm espacés les uns des autres de 0,1 mm et situés à 25 mm du masque, l'angle maximum 81 qui peut être sous-tendu par la source sans commencer à éclairer ou irradier les éléments détecteurs adjacents est de 4m rad (milliradians). Si l'amplitude du signal 7 source est faible, les canaux détecteurs adjacents ne peuvent pas être attaqués, mais si l'angle 02 sous-tendu par la source est augmenté jusqu'à 40m rad, il existe une chance statistique égale pour tous les éléments dé- tecteurs d'être éclairés. Sur cette base, un code composé de tous les 1 est réservé comme une indication que l'angle sous-tendu par la source particulière est supérieur à une valeur donnée (40m rad dans le cas présent) et ne pourrait donc pas avoir été produit directement par une source collimatée. Ceci procure un moyen pour distinguer entre un rayonnement collimaté ou un rayonnement dispersé projeté sur le réseau, que ce rayonne-ment soit cohérent ou non cohérent. Dans la pratique, une source sous-tendant un angle S2 de 40m rad ou supérieure ne peut pas, en fait, attaquer tous les éléments du réseau puisque des fractions du masque peuvent contenir plusieurs 0 adjacents. La valeur de l'angle de seuil s2 pour la discrimination en cas de collimation est à déterminer sur la base du nombre maximum de 0 adjacents dans le masque particulier et, bien entendu, de la géométrie du système. Les figures 6A et 6B montrent des vues frontale et latérale d'un dispositif pour améliorer l'efficacité de réception du rayonnement pour un détecteur d'angle à code à barreaux. Ce dispositif utilise un détecteur linéaire 20 immergé dans une lentille cylindrique 21 (ou tout autre moyen pour concentrer le rayonnement reçu) pour permettre aux éléments détecteurs de recevoir le rayonnement sur la longueur totale du masque de code à barreaux 22. D'autres schémas suceptibles d'être utilisés pour améliorer l'efficacité de la réception d'un système de codage à barreaux sont, par exemple, des faisceaux de fibres optiques ou des guides de lumière. Dans les systèmes qui ont déjà été décrits, chaque élément détecteur comporte un canal qui produit une 8 sortie numérique. La performance du système peut être grandement améliorée en analysant les amplitudes relatives des signaux provenant de chaque canal. En faisant cela, il est possible de mesurer la quantité par laquel- le les éléments de l'ombre portée échappent à l'enregistrement avec les éléments détecteurs d'analyse. L'amélioration en performance signifie que, ou bien la résolution angulaire du système limitée par la diffraction peut être dépassée, ou bien la même résolution peut être obtenue avec un masque beaucoup plus simple et correspondant à un nombre d'éléments détecteurs réduit. En fait, une excellente résolution peut être obtenue avec seulement un masque à ouverture unique tel qu'illustré sur les figures 7A et 7B. Dans un cas, un masque positif 26 est placé à 0,71 mm au-dessus du réseau 27 composé de deux éléments larges de 1 mm séparés l'un de l'autre par 0,5 mm et, dans l'autre cas, on utilise un masque 28 négatif ; la performance des deux systèmes est identique. Le champ total 0 du système est défini par la géo- métrie du système et est de 90 dans cet exemple. Quand l'angle d'éclairage passe d'une extrémité du champ à l'autre extrémité, les proportions de l'ombre du masque tombant sur chaque élément détecteur varient. On a représenté sur la figure 8 pour un de ces éléments une courbe de réponse typique normalisée amplitude/angle d'incidence. La résolution angulaire qui peut être obtenue est trouvée en divisant la gamme dynamique de chaque canal détecteur par le bruit électronique total engendré dans chaque canal. Dans l'exemple de la figure 8, une résolution limitée par le bruit d'environ 0,5' peut être obtenue pour une grande portion de la courbe de réponse. Dans la pratique, l'amplitude absolue du signal n'est pas connue et l'angle d'incidence est trouvé en mesurant les amplitudes relatives des signaux dé- tectés par les canaux individuels. Ce simple exemple de comparaison d'amplitudes de masque perforé peut aisément être étendu à un système capable de fournir une information angulaire en deux dimensions. Comme montré sur la figure 9, ceci est obtenu en plaçant un masque élémentaire unique 30 (avec soit un obstacle carré, soit une lumière carrée) au-dessus d'un réseau détecteur 31 carré à quatre éléments. Dans ce cas, les amplitudes des signaux produits par les quatre canaux détecteurs sont comparées pour fournir, par exemple, une information angulaire à la fois en gisement et en site. Un autre exemple simple de la technique de comparaison d'amplitudes est illustré sur les figures 10A et 10B, dans lesquelles l'ombre portée par le masque élémentaire unique 33 est autorisée à tomber sur un ré- seau linéaire 34. Sur la figure 10A, l'élément de masque 33 est un obstacle alors que sur la figure 10B cet élément est une lumière. Une information angulaire grossière est obtenue en déterminant sur quelle paire d'éléments du réseau 34 l'ombre est tombée et une information angulaire précise est ensuite obtenue en mesurant le rapport entre les amplitudes des signaux provenant de cette paire particulière de canaux détecteurs. L'élément de masque perforé peut être positif ou négatif et le système de comparaison d'amplitudes peut donner une information angulaire bi-dimensionnelle en utilisant un réseau détecteur plan, soit dans la forme simple illustrée, soit comme moyen pour améliorer la performance d'un système classique à masque perforé. Le simple détecteur à une dimension illustré sur la figure 2A requiert un circuit électronique de traite-ment de données pour analyser les sorties des éléments détecteurs. Les figures 11A et 11B montrent deux schémas pour calculer le rapport des amplitudes élaborées par les deux éléments détecteurs 34A,34B et pour fournir un affichage de l'angle. Sur la figure 11A, le rapport est trouvé en utilisant un diviseur analogique 35 et ce signal est converti sous la forme numérique dans un convertisseur 36 analogique-numérique avant d'être traité pour élaborer un angle dans le calculateur 37 en vue d'un affichage en 38. Sur la figure 11B, les sorties de détecteur sont converties en forme numérique directement par des convertisseurs 39A,39B et des calculs sont effectués numériquement de façon à élaborer un angle de sortie dans le calculateur 37. Le détecteur à deux dimensions de la figure 9 qui utilise le quadrant 31 avec des éléments de détecteur A, B, C, D peut être traité en utilisant l'arrangement logique 40 représenté sur la figure 12 dans le-quel les rapports algébriques définissant les angles selon les directions X et Y, savoir angle X A+D-B-C ; angle Y os A+B-C-D A+B+C+D A+B+C+D sont élaborés sous une forme analogique et sont ensuite convertis en forme digitale par un convertisseur 41 afin d'être traités par un calculateur 42 avant d'être affichés au dispositif d'affichage 43. Selon une variante, les sorties de l'élément détecteur bas 31 peuvent être converties sous forme numérique directement et les rapports peuvent être calculés dans le calculateur 42. Un autre dispositif de calcul est schématisé sur la figure 13 pour un réseau détecteur linéaire à résolution améliorée (figures 3A, 3B) en utilisant une comparaison d'amplitudes pour le masque de codage à barreaux modifié 18. Chaque canal détecteur est amplifié en 45 et converti en 46 en un signal numérique qui est stocké dans des mémoires 47A, 47B selon que le signal provient d'un détecteur "A" ou d'un détecteur "B". Les valeurs stockées sont utilisées d'abord pour une identification de code par un circuit 48 par un choix approprié d'une valeur de seuil qui est utilisée pour choisir toutes les valeurs de "1" communes à la fois aux "A" et aux "B". -1 1 Chaque "1" choisi a le calcul du rapport A/B des amplitudes élaboré par un comparateur 50. L'identification de code fournie par le circuit 48 est utilisée dans un calculateur 49 pour la résolution angulaire grossière et le rapport A/B des valeurs "1" fourni par le comparateur 50 est moyenné par un calculateur 49 pour fournir la résolution angulaire fine. La figure 14 montre en 52 une séquence de bits binaires pseudo-aléatoire 17 qui forme le code pour un masque perforé 53 à partir duquel se présente en 54 une table de 14 codes indépendants à 4 bits qui peut être utilisée à la place du dispositif de la figure 1 avec l'avantage que le code 0000 est réservé (et peut être utilisé comme un code limite), le code 1111 étant égale- ment réservé de façon à être utilisé comme précédemment expliqué. Avec le dispositif de la figure 14, le masque perforé est réduit à une longueur de seulement 17 mm et sa distance du réseau 13 de la figure 2A peut être ré-duite à seulement 7 mm pour conserver un champ 0 de 90 degrés, et la résolution angulaire 0R est donnée par l'équation 0R 0 2n - 2 En comparant le nombre d'éléments détecteurs utilisés dans le système de codage à barreaux avec un masque perforé équivalent à deux dimensions, le système de codage à barreaux exploite de manière plus efficace les éléments détecteurs disponibles. Par exemple, un système à masque perforé à deux dimensions utilisant un réseau détecteur à 40 éléments est capable de mesurer une position angulaire avec une précision de 2,7 à la fois en gisement et en site. Avec un système de codage à barreaux, une résolution angulaire de 2,9' peut être obtenue avec un réseau détecteur linéaire de seulement 10 éléments (ou une résolution de 3,30 avec 8 élé- ments). Le système de codage à barreaux présente une 12 résolution dans un plan seulement, mais même si deux détecteurs de code à barreaux orthogonaux sont utilisés, seulement 20 éléments du type de la figure 1 ou 16 éléments du type de la figure 14 sont requis sous la forme de deux réseaux d'éléments. Ceci est encore la moitié du nombre requis par le détecteur à masque perforé à deux dimensions. Il peut être possible de réduire encore le nombre des éléments détecteurs s'il advient que les systèmes considérés ne requièrent pas une grande résolution angulaire en site. Un autre avantage du système de code à barreaux est que le code binaire dans le masque ne peut pas être détérioré aussi aisément par projection de poussières sur le masque ou sur son revêtement protecteur. Une fen- te complète dans le masque devrait être obturée. Comme montré dans l'exemple ci-dessus à 4 bits, il est possible de placer plus d'un réseau détecteur derrière le masque. Un réseau linéaire séparé peut être utilisé pour couvrir un nombre de gammes d'amplitudes différentes, ce qui améliore la gamme dynamique des systèmes. Différents types de réseaux détecteurs peuvent être adoptés pour couvrir différentes gammes de longueurs d'onde, voir la figure 2B. Comme seulement des réseaux linéaires courts sont requis, des options technologiques de détection sont rendues possibles par le codage à barreaux, options qui ne seraient pas envisageables avec un système utili- sant un réseau à deux dimensions relativement grand. C'est le cas par exemple d'un réseau linéaire de photo- diodes à avalanche à 25 éléments. Une photo-diode à avalanche présente un gain interne qui permet au signal détecté de dépasser le bruit du pré-amplificateur, ce qui améliore la sensibilité du système. Un réseau à 25 éléments est plus que convenable pour tous les détec- teurs de codage à barreaux décrits. Leur usage concerne bien entendu uniquement la gamme des longueurs d'ondes comprise entre 400 et 1100 nm. Il est également possible d'améliorer l'efficacité de la réception d'un tel système en utilisant un réseau détecteur immergé. REVENDICATIONS 1. Dispositif pour déterminer la position angulaire d'une source de rayonnement électromagnétique, caractérisé en ce qu'il comprend un masque perforé (11) en combinaison avec un réseau détecteur (13), le réseau détecteur (13) étant linéaire et le masque perforé (11) comprenant un réseau linéaire d'obstacles et de lumières, chaque obstacle (15) étant allongé perpendiculairement à la direction linéaire du réseau (16A) de sorte que, en fonctionnement, le masque (11) forme un dessin caractéristique de codage à barreaux. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par un réseau détecteur linéaire supplémentaire (16B) s'étendant parallèlement au réseau détecteur liné- aire (16A) et présentant une sensibilité à des longueurs d'ondes différentes par rapport à ce dernier. 3. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le masque per-foré (11) est formé par une séquence de bits binaires pseudo-aléatoire (10) modifiée par introduction de chiffres 0 supplémentaires (10A) entre chaque bit de la séquence (10) et en ce que les éléments alternés de réseau détecteur (A, B) délivrent leurs signaux de sortie à des premier et second organes d'enregistrement (19', 19"). 4. Dispositif selon l'une quelconque des précédentes revendications, caractérisé en ce que les éléments (34A, 34B) du réseau détecteur (34) sont couplés chacun à un circuit de détection (37), lesdits circuits étant connectés à des moyens de comparaison d'amplitude propres à déterminer les amplitudes relatives des signaux de sortie des éléments détecteurs adjacents, des moyens calculateurs étant couplés aux moyens de comparaison et aux circuits de détection pour déterminer l'angle d'incidence de la source de rayonnement à partir de la comparaison d'amplitudes et à partir d'une courbede réponse enregistrée normalisée amplitude/angle d'incidence. 5. Dispositif pour déterminer la position angulaire d'une source de rayonnement électromagnétique, caractérisé en ce qu'il comprend un masque perforé (33) en combinaison avec un réseau détecteur (34), réseau détecteur (34) comportant une pluralité d'éléments détecteurs (34A, 34B) couplés chacun à un circuit de détection (37), lesdits circuits de détection (37) d'élé- ments détecteurs (34A, 34B) disposés le long d'une di-rection de mesure angulaire du dispositif étant reliés à des moyens de comparaison d'amplitude pour déterminer les amplitudes relatives des signaux sortant des circuits détecteurs. 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que le réseau détecteur (34) comprend des premiers éléments détecteurs disposés le long de ladite direction de mesure angulaire et des seconds éléments détecteurs disposés le long de la direction de mesure angulaire perpendiculaire et reliés à des seconds moyens de comparaison d'amplitude, et en ce que des moyens de calcul sont couplés à ces moyens de comparaison pour dé-terminer l'angle d'incidence de la source de rayonnement à partir de la comparaison d'amplitude et à partir d'une courbe de réponse enregistrée normalisée amplitude/angle d'incidence.