Brevet FR2914055A1 — publié le 20080926

Domaine de l'invention La présente invention concerne une tête chercheuse en mode Dual pour un engin volant guidé pour capter et poursuivre une cible marquée par des impulsions laser, comportant un détecteur rece- vant les faisceaux laser réfléchis et le rayonnement infrarouge émis par la cible, ainsi qu'une électronique de traitement de signal qui après le marquage de la cible par les impulsions laser fournit les signaux de guidage commandant la phase d'approche de cible par l'engin volant guidé. 1 o L'invention concerne également un procédé d'application d'une telle tête chercheuse. Etat de la technique On connaît de telles têtes chercheuses sous la dénomination de tête chercheuse en mode Dual comme celles décrites par 15 exemple dans le document US 6 111 241. Pour recevoir les rayons laser réfléchis par la cible marquée à l'aide d'impulsions laser ayant une fréquence de répétition d'impulsion prédéfinie, on utilise comme détecteur une photodiode PIN ; pour recevoir le rayonnement IR de la cible marquée, on utilise comme détecteur un réseau de plan focal, générateur 20 d'image. L'exploitation des signaux de ces détecteurs est utilisée dans une électronique de traitement de signal qui met les signaux en corrélation de façon que seulement chaque dernière impulsion laser soit utilisée pour générer le signal de guidage dans la plage cible définie par le réseau, pour guider l'engin volant sur la cible marquée par le point 25 laser. Les moyens techniques à mettre en oeuvre pour cela sont importants. Les deux détecteurs doivent avoir un champ image de même taille ce qui se traduit par des difficultés considérables pour les optiques des détecteurs car les impulsions laser réfléchies se placent 30 dans une plage de longueurs d'onde de 1,06 hum et le rayonnement infrarouge émis est dans une plage de longueurs d'onde de 3 5 hum. De plus, il faut refroidir le détecteur générateur d'image. Un autre inconvénient est celui de la nécessité du marquage de la cible à atteindre jusqu'à la fin du vol d'approche sur la cible. Cela permet à l'adversaire de lancer des contre-mesures contre l'emplacement du dis-positif désignateur laser. Bien qu'une telle tête chercheuse puisse fonctionner selon trois modes différents, à savoir celui de recherches semi-actif avec une logique de la dernière impulsion, celui d'une tête chercheuse à rayonnement infrarouge IR ou encore celui d'une tête chercheuse à corrélation laser/rayonnement infrarouge IR, à cause des inconvénients cités ci-dessus, de telles têtes chercheuses n'ont pas trouvé d'application en pratique. But de l'invention La présente invention a pour but de développer une tête chercheuse en mode Dual convenant mieux pour les interventions avec des engins volant guidés à propulsion indépendante. Exposé et avantages de l'invention A cet effet, l'invention concerne une tête chercheuse du type défini ci-dessus, caractérisée en ce qu'un détecteur 4 quadrants recevant le faisceau laser réfléchi et un bolomètre IR, générateur d'image, non refroidi, répondant au rayonnement infrarouge émis, alimentés tous deux par un objectif bispectral commun, selon un montage tel que l'électronique de traitement de signal après avoir saisi le marquage de la cible par le laser, génère les signaux de guidage pour le vol d'approche final de la cible par l'engin volant guidé, seulement par les signaux du bolomètre IR générateur d'image. L'invention permet d'utiliser le capteur de point laser pour repérer et identifier une cible marquée par laser et d'utiliser un capteur infrarouge IR générateur d'image, non refroidi pour la poursuite automatique de la cible au cours du vol d'approche final en déterminant le point d'impact sur la cible par un objectif bispectral commun. Un miroir diviseur de faisceau spectral et une optique relais du canal du capteur laser qui permet de sélectionner le champ image du capteur du point laser d'une manière très largement indépendante du capteur infrarouge sous le contrôle de l'aberration optique. Une électronique de traitement de signal permet de générer les signaux de guidage en fonction des signaux de capteur et de poursuivre le déroulement opération- nel de l'application de la cible et de la poursuite après le tir de l'engin volant guidé. La réalisation de la tête chercheuse en mode Dual selon l'invention est particulièrement avantageuse, car à la différence d'une tête chercheuse équipée seulement d'un capteur de point laser, le capteur infrarouge IR permet de réduire le temps d'éclairage actif de la cible à un minimum à savoir, jusqu'à la mise en oeuvre du capteur infrarouge IR fonctionnant en poursuite de cible. Une tête chercheuse avec seule-ment un capteur infrarouge IR générateur d'image nécessiterait en revanche une technologie beaucoup plus compliquée pour avoir des portées de découverte et d'identification nécessaires au fonctionnement à savoir, un élément MCT refroidi ou des capteurs InSb. Pour découvrir la cible il faudrait couvrir un champ de vision important, et pour l'identifier il faudrait réaliser une résolution géométrique poussée. Cela 15 nécessite un capteur coûteux avec un très grand nombre de pixels. L'avantage de l'invention réside ainsi notamment dans ce que la mission de découverte et d'identification de la cible est assurée par le canal laser qui effectue cette mission avec un simple détecteur tel qu'une photodiode à 4 quadrants. Comme la résolution géométrique de 20 ce détecteur au-delà du milieu de l'image est très faible, on réalise facilement une optique appropriée transmettant un champ image avantageusement important pour la détection. Ensuite, le capteur laser guide la ligne de visée de façon à centrer la cible identifiée dans le champ de vision des deux capteurs 25 alignés l'un par rapport à l'autre. Puis, un dispositif de poursuite de cible passif en aval du capteur d'image infrarouge IR prend le contour cible IR au milieu du capteur de sorte que l'on peut neutraliser l'éclairage actif de la cible. Pour cette fonction, le capteur d'image IR ne nécessite qu'un petit champ de vision. La résolution thermique et géométrique du 30 capteur IR suffit pour per mettre de façon garantie l'application de la poursuite. Mais cela correspond à des conditions significativement plus réduites concernant le capteur et le traitement d'image correspondant par rapport à l'identification d'une cible à la même distance. Une construction monoculaire avec un objectif bis-35 pectral utilisé en commun permet une disposition particulièrement compacte avec une harmonisation simple à réaliser pour les axes optiques ; de plus elle est économique. En général on utilise des optiques à réflexion pour l'imagerie bispectrale si les plages spectrales donnant l'image sont éloignées l'une de l'autre (voir le document US 7 049 597). De telles optiques ne permettent toutefois d'atteindre que les nombres d'ouverture petits, nécessaire dans les deux canaux de capteur et des dimensions de champ de vision typiquement d'environ 10 dans le canal laser. Les matériaux optiques réfractant disponibles (ZnS, ZnSe, BaF2) permettent en revanche de réaliser les optiques bispectrales répondant aux critères ainsi définis. Enfin, le canal laser peut également être équipé d'un télémètre laser actif ce qui permet une application supplémentaire d'une amorce à distance, intégrée. Il est particulièrement avantageux pour une application au combat que la détermination de l'emplacement du désignateur laser et le lancement de contre-mesure soit compliqués voire totalement impossibles. A côté du mode de fonctionnement Dual tel que décrit pour lequel les deux capteurs génèrent séquentiellement les signaux de sortie servant à aligner et à servir la signe de visée sur la cible, on peut également toujours utiliser un mode de fonctionnement simple : la commande par le capteur laser seul avec éclairage per Inanent de la cible jusqu'à l'impact, ou une lutte purement passive en ce que l'opérateur marque la cible dans l'image du capteur IR et applique ainsi un moyen de poursuite de cible. Dessins La présente invention sera décrite ci-après à l'aide d'un exemple de réalisation représenté schématiquement dans les dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 montre une mission d'engin volant pendant le volt d'approche de cible, - la figure 2 est une vue en coupe d'une tête chercheuse en mode Dual selon l'invention, - la figure 3 montre le principe de construction de la tête chercheuse en mode Dual de la figure 2, - la figure 4 est une représentation schématique du champ image des capteurs de la tête de recherche en mode Dual de la figure 2, et - la figure 5 est un schéma bloc de l'électronique de traitement de 5 signal. Description de modes de réalisation Une trajectoire de vol possible d'un engin volant guidé équipé d'une tête chercheuse en mode Dual comprend comme le montre la figure 1, une trajectoire d'approche A par exemple avec guidage par lo navigation inertielle et une trajectoire de vol en phase finale E commandée par la tête chercheuse fonctionnant selon le principe de la navigation proportionnelle jusqu'à atteindre la cible Z. Le capteur laser découvre et identifie la cible et la centre dans le champ de vision en commandant la ligne de visée alignée sensiblement à l'aide d'une lire à 15 deux axes sur laquelle est installé le capteur en mode Dual. Ensuite, le capteur d'image IR verrouille le contour cible IR au milieu de l'image. On passe ensuite de la trajectoire de vol à guidage inertiel à un guidage par tête chercheuse. Le guidage en phase finale se fait uniquement à l'aide du capteur IR et l'éclairage de la cible par le désignateur laser est 20 supprimé. La tête chercheuse en mode Dual portant globalement la référence 10, comme le montrent les figures 2 et 3, comporte un détecteur 12 à 4 quadrants, une optique relais 13, un diviseur de faisceau spectral 14 et un détecteur infrarouge IR 16 auquel est associé un ob- 25 jectif commun 18. Le détecteur à 4 quadrants 12 et le diviseur de faisceau 14 sont installés l'un derrière l'autre sur l'axe optique 15 de la tête chercheuse. Le détecteur à 4 quadrants 12 est une combinaison de diodes InGaAs et travaille dans une plage de longueurs d'onde comprise entre 1, 06 gm et 1,55 gm suivant les longueurs d'onde du laser utilisé 30 pour marquer la cible. Le détecteur à quatre quadrants constitué par des diodes InGaAs fonctionne notamment dans une plage de longueurs d'onde comprise entre 1,05 gm et 1,55 m. Comme capteur infrarouge IR on utilise un capteur microbolomètre générateur d'image sous la forme d'un réseau de détec-35 teurs non refroidis avec 160 X 120 pixels (réseau de plan focal type UL 02 051, Société Ulis, Grenoble), qui reçoit par le diviseur de faisceau spectral 14 la composante IR du faisceau reçu par l'intermédiaire de l'objectif 18 de la tête chercheuse en mode Dual. Le générateur d'image est de préférence un réseau installé dans le plan focal et il travaille dans une plage d'ondes d'environ 10 m. L'optique relais 13 sert à augmenter le champ image du détecteur 12 dont la surface est inférieure à celle du détecteur 16 comme le montre la figure 4. L'optique relais 13 raccourcit la distance focale globale du canal laser par rapport à la distance focale de io l'objectif 18. La tête chercheuse en mode Dual 10 comprend en outre des moyens connus en soi non représentés pour commander sa ligne de visée 15. Le traitement du signal fourni par la tête chercheuse en 15 mode Dual décrite ci-dessus, est représenté à la figure 5 et se décompose en un traitement de signal analogique avec un détecteur à 4 quadrants 12 dont le traitement du signal numérique est fait par l'électronique de traitement de signal 20. Le détecteur InGaAs utilisé comporte des cathodes réunies en un point étoile contrairement au détecteur 4 quadrants usuel par ailleurs en Germanium ou en Silicium dont les anodes forment le point étoile. Partant de la configuration sélectionnée, on fait fonctionner le détecteur à 4 quadrants 12 en mode photovoltaïque. En fonction du rayonnement incident, un courant traverse les diodes de détecteur Al - A4. Les amplificateurs V1 - V4 en 25 aval ont deux fonctions : d'abord une adaptation d'impédance et ensuite une amplification du niveau de signal. Les sorties des amplificateurs sont appliquées chacune à un convertisseur analogique/numérique A/ D, W 1 - W4. Les signaux de sortie de ces convertisseurs sont exploités ensuite dans le moyen de traitement numérique de signal 20 qui re- 30 çoit également les signaux du capteur image infrarouge IR 16. La tête chercheuse en mode Dual décrite ci-dessus avec son optique bispectrale se caractérise par une construction compacte, peu encombrante avec en même temps une puissance de recherche élevée de sorte que cet ensemble avec un montage de cardan occupe seu- 35 lement un volume d'encombrement d'un diamètre de 70 mm et d'une longueur d'environ 100 mm, c'est-à-dire très compatible pour être installé dans un engin volant guidé à partir du calibre 75 mm. Le verrouillage du mode de recherche IR se fait à partir d'une distance allant de 2 km jusqu'à 1,5 km de la cible.5 NOMENCLATURE 12 Détecteur à 4 quadrants 13 Optique relais 14 Diviseur de faisceau 15 Ligne de visée 16 Détecteur infrarouge IR 18 Objectif commun 20 Electronique de traitement de signal A Trajectoire de vol d'approche Al-A4 Diodes de détection E Trajectoire de vol en phase finale V1-V4 Amplificateurs Wl-W4 Convertisseurs analogiques/numériques Z Cible REVENDICATIONS 1 ) Tête chercheuse en mode Dual pour un engin volant guidé pour cap-ter et poursuivre une cible (Z) marquée par des impulsions laser, comportant un détecteur (12, 16) recevant les faisceaux laser réfléchis et le rayonnement infrarouge émis par la cible (Z), ainsi qu'une électronique de traitement de signal (20) qui après le marquage de la cible par les impulsions laser fournit les signaux de guidage commandant la phase d'approche de cible par l'engin volant guidé, caractérisée par un détecteur 4 quadrants (12) recevant le faisceau laser réfléchi et un bolomètre IR (16), générateur d'image, non refroidi, répondant au rayonnement infrarouge émis, alimentés tous deux par un objectif bispectral (18) commun, selon un montage tel que l'électronique de traite-ment de signal (20) après avoir saisi le marquage de la cible par le laser, génère les signaux de guidage pour le vol d'approche final de la cible par l'engin volant guidé, seulement par les signaux du bolomètre IR (16) générateur d'image. 2 ) Tête chercheuse en mode Dual selon la revendication 1, caractérisée en ce que les rayons incidents à l'objectif, sont séparés spectralement par un diviseur de faisceau (14) pour être fournis à un canal laser et un canal IR, et le détecteur à 4 quadrants (12) et le diviseur de faisceau (14) sont ins-25 tallés l'un derrière l'autre sur l'axe optique (15) de la tête chercheuse. 3 ) Tête chercheuse en mode Dual selon la revendication 1, caractérisée en ce que le bolomètre IR générateur d'image (16) est un réseau dans le plan focal, 30 générateur d'image, travaillant dans une plage d'ondes d'environ 10 m. 4 ) Tête chercheuse en mode Dual selon la revendication 1, caractérisée en ce quele détecteur à 4 quadrants est constitué par des diodes InGaAs fonctionnant dans une plage de longueurs d'onde comprise entre 1,05 gm jusqu'à 1,55 m. 5 ) Tête chercheuse en mode Dual selon la revendication 1, caractérisée en ce que pour adapter les champs image du détecteur à 4 quadrants (12) et du bolomètre IR (16) générateur d'image, le diviseur de faisceau (14) est suivi par une optique relais (13) raccourcissant la distance focale glo-baie du canal laser par rapport à la distance focale de l'objectif (18). 6 ) Tête chercheuse en mode Dual selon la revendication 1, caractérisée en ce que les signaux analogiques du détecteur à 4 quadrants (12) produits par la découverte et l'identification (signature de la cible) de la cible marquée par le laser (Z), sont transmis par un convertisseur analogique/numérique A/D comme signaux numériques à l'électronique de traitement de signal (20) qui après avoir déterminé la signature de la cible convertit les signaux numériques fournis par le bolomètre IR (16) réalisés sous la forme d'un réseau dans le plan focal, en signaux de guidage pour commander l'engin volant dans son approche de la cible. 7 ) Tête chercheuse en mode Dual selon la revendication 1, caractérisée en ce que la tête chercheuse comporte des moyens de commande de sa ligne de visée. 8 ) Procédé de saisie et de poursuite d'une cible d'un engin volant guidé en utilisant une tête chercheuse équipée d'un détecteur laser et d'un détecteur IR générateur d'image (12, 16), notamment une tête chercheuse en mode Dual selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le verrouillage de cible se fait à l'aide d'une cible (Z) marquée par des impulsions laser, selon les étapes suivantes :-découverte du rayonnement laser réfléchi par la cible (Z) par le détecteur (12), - alignement de la ligne de visée sur la cible (16) par la commande de la ligne de visée à l'aide des signaux de sortie générés par l'électronique de traitement de signal (20) à partir des signaux du détecteur (12), - verrouillage de l'électronique de traitement de signal (20) du capteur (16) sur le contour (IR) dans une plage sélectionnée autour du milieu de l'image, asservissement de la ligne de visée sur la cible (Z) par la commande de la ligne de visée à l'aide des signaux de sortie générés par l'électronique de traitement de signal (20) à partir des signaux fournis par le détecteur (16). 9 ) Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que pour identifier une caractéristique temporelle dans la succession des impulsions laser, on compare les signaux reçus par le détecteur (12) dans leur succession chronologique à une caractéristique préprogram- mée et ce n'est que lorsque la concordance est détectée que l'on libère le verrouillage du détecteur (16) sur un contour (IR). 10 ) Procédé selon l'une quelconque des revendications 8 et 9, caractérisé en ce qu' après verrouillage du détecteur (16), on transmet un signal au dispositif d'éclairage de cible utilisé pour couper le dispositif d'éclairage de cible.30