Brevet FR2928729A1 — publié le 20090918

"Dispositif de détection ou de réception d'un rayonnement laser" La présente invention concerne les dispositifs utilisés pour la détection d'un rayonnement laser, notamment dans le cadre d'opérations militaires. Lors de telles opérations, les rayonnements lasers sont utilisés pour obtenir des données de distance, de site et de gisement au sujet d'un objectif recherché, et ce pour la mise en action d' armes à l'encontre de celui-ci. Cependant ces rayonnements sont également employés pour l'éblouissement d'un missile guidé vers sa cible sur un faisceau laser. C'est la raison pour laquelle il est nécessaire que les occupants d'un engin, ou d'un site déterminé, susceptible de servir de cible, puissent détecter très rapidement s'ils font l'objet d'une émission d'un rayon laser dans leur direction, afin de pouvoir prendre les mesures nécessaires de protection ou de contre attaque. Les détecteurs de laser actuellement employés à cet effet mettent à profit le fait qu'un rayonnement laser présente un haut degré de cohérence temporelle. Pour détecter cette cohérence, les dispositifs utilisés comportent un interféromètre susceptible de séparer l'énergie de la lumière reçue en deux ondes et de retarder l'une par rapport à l'autre, puis de les recombiner pour créer des interférences. Si le retard est moins grand que la longueur de cohérence de la source, l'interférence résultante pourra être observée et détectée. Le retard devra donc être choisi inférieur à la plus courte longueur de cohérence prévisible dans les environnements lasers. L'interféromètre de FABRY-PEROT opère suivant ce principe et est actuellement le dispositif le plus communément utilisé pour la détection de lasers. L'utilisation d'un tel dispositif permet simplement aux occupants d'un engin ou d'un site déterminé de savoir s'ils font l'objet d'une projection de rayons laser dans leur direction. Toutefois il leur est impossible de déterminer d'où provient le rayonnement détecté et d'identifier celui-ci par sa longueur d'onde afin de savoir s'il s'agit d'un rayonnement hostile ou non. Or il s'agit de deux paramètres extrêmement importants dont la connaissance est indispensable pour prendre les contre mesures nécessaires. Ces paramètres pourraient être déduits indirectement des signaux de sortie du détecteur si celui-ci opérait un balayage mécanique passant par la direction de la radiation incidente. Toutefois une telle solution n'est pas susceptible d'être appliquée en pratique. En effet, en raison de l'extrême brièveté d'une impulsion laser, elle ne peut être détectée que si le détecteur se trouve dans la bonne direction au bon moment. Les probabilités de détection seraient donc trop faibles pour qu'un tel système puisse être utile. Par ailleurs la réalisation d'un balayage mécanique imposerait trop de complications dans la conception du détecteur et l'existence de parties mobiles est indésirable dans le cas d'un système de détection d'une menace constituée par un rayonnement laser. De plus, un processus de balayage mécanique nécessiterait un temps trop long pour l'identification du rayonnement reçu. En conséquence il n'existe actuellement que des détecteurs susceptibles de fournir tout au plus une information de présence ou d'absence d'un rayonnement laser. C'est pourquoi la présente invention a pour but de réaliser un dispositif conçu pour permettre de déterminer en plus la localisation du point d'émission d'un rayonnement laser et la longueur d'onde de ce rayonnement. A cet effet le dispositif selon l'invention, qui 3 utilise un système optique de création de franges d'interférence, est caractérisé en ce qu'en combinaison avec ce système optique, il comprend : - un système optique convergent apte à diriger, 5 sur l'entrée de ce système de création de franges, tout rayonnement reçu, - un récepteur fixe d'image lumineuse apte à recevoir l'image formée par les différentes catégories de rayons résultant du traitement effectué par le système de création de franges, et à transformer cette image en signaux électriques, - et un appareil de traitement de ces signaux, lequel est raccordé à un dispositif d'affichage des informations émises par cet appareil, et/ou à un calculateur apte à commander automatiquement l'exécution d'une contre-mesure appropriée, en présence de la menace matérialisée par la réception d'un rayon laser. De préférence l'appareil de traitement des signaux enregistrés comporte un système électronique apte à déterminer à la fois la position du point d'émission du rayon laser reçu et la longueur d'onde de ce rayon. Grâce à la conception du présent dispositif, ce résultat est obtenu par le fait que les franges d'interférence, dues à la lumière cohérente du laser, sont formées dans un plan d'observation constitué par la matrice de réception du récepteur fixe. Ceci évite donc un balayage mécanique qui sans cela aurait été nécessaire pour pouvoir déterminer à la fois les caractéristiques angulaires du point d'émission et la longueur d'onde. En 30 effet ces informations se trouvent contenues dans le système de franges, de sorte qu'elles sont enregistrées par la matrice du récepteur pour être ensuite traitées par le système électronique de l'appareil de traitement. Le système de création des franges d'interférence 35 utilisé dans le présent dispositif peut être constitué par 10 15 20 25 4 un interféromètre de MICHELSON. Un tel interféromètre utilise une lame semi-réfléchissante et des miroirs pour former des fronts d'ondes qui interfèrent dans le plan d'observation. Le système résultant des franges d'interférence est circulaire et la position de son centre dépend directement des coordonnées angulaires du point d'émission du laser. De nombreux autres systèmes optiques de création de franges d'interférence peuvent être utilisés. Ainsi on peut employer un dispositif FABRY-PEROT, ou un interféromètre de MAC ZENDER, un dispositif de FIZEAU, ou bien encore un déphaseur à quatre quadrants ou à plusieurs nombres de phases, ou bien encore un déphaseur à déphasage par biréfringence. Cependant d'autres particularités et avantages du dispositif selon l'invention apparaîtront au cours de la description suivante. Celle-ci est donnée en référence au dessin annexé à simple titre indicatif, et sur lequel : La figure 1 représente le schéma général de conception du présent dispositif. La figure 2 est une vue en plan de dessus de la matrice du récepteur fixe du présent dispositif. La figure 3 représente le schéma d'une variante de réalisation de ce dispositif. La figure 4 est une vue en perspective représentant les différents appareils constituant un tel dispositif. La figure 5 est une vue similaire à la figure 2 illustrant le cas où la source d'émission n'est pas ponctuelle. La figure 6 illustre une variante du dispositif représenté à la figure 4. La figure 7 représente une forme de réalisation dans laquelle il est prévu deux dispositifs différents de création de franges d'interférence qui peuvent être alternativement utilisés l'un ou l'autre. La figure 8 illustre schématiquement une variante dans laquelle le système optique convergent est constitué par un objectif à focal variable. 5 La figure 9 illustre schématiquement une variante dans laquelle la position du récepteur d'image es variable par rapport à la position du phénomène d'interférence. Dans l'exemple de réalisation représenté aux figures 1 et 2, le dispositif de détection selon l'invention comprend un interféromètre 1 de MICHELSON servant de système optique de création de franges d'interférence. Celui-ci comporte deux prismes 2 réunis l'un contre l'autre par une surface semi-réfléchissante 3. En regard de deux faces adjacentes du bloc ainsi constitué, il est prévu des miroirs plans 4 et 5, les deux autres faces 6 et 7 constituant respectivement la face d'entrée et la face de sortie de l'ensemble. En regard de la face d'entrée de cet interféromètre, il est prévu un système optique convergent 8. Par ailleurs, le dispositif comprend un récepteur fixe d'image 9 qui est disposé en regard de la face de sortie 7 du système de création de franges d'interférence. L'agencement de l'ensemble est tel que l'image des franges d'interférence est formée dans un plan qui corresond au plan de la matrice 10 du récepteur d'image. Cette matrice est constituée par une mosaîque de semi-conducteurs à transfert de charge, du type connu sous l'appellation "CCD". Ce récepteur est donc apte à enregistrer l'image reçue et à transformer celle-ci en signaux qui sont dirigés vers un appareil de traitement 11, après passage dans un amplificateur 12 et un convertisseur analogique-digital 13. Cet appareil de traitement est équipé d'un système électronique apte à déterminer à la fois les coordonnées angulaires du point d'émission du rayon laser reçu et la 5 10 15 20 25 30 35 6 longueur d'onde de ce rayon, et ce à partir des informations contenues dans le système de franges formé sur l'appareil récepteur d'image 9. En effet l'image de ce système de franges inclut les informations voulues tant en ce qui concerne la longueur d'onde que les coordonnées du point d'émission. Cependant le système électronique équipant cet appareil de traitement peut également déterminer les caractéristiques temporelles de puissance du rayon laser reçu. Grâce à la surface semi-réfléchissante 3 et au jeu des deux miroirs 4 et 5, l'interféromètre prévu forme des fronts d'ondes qui interfèrent dans le plan d'observation 10. L'image du système résultant des franges d'interférence est circulaire, comme il apparait sur l'exemple représenté à la figure 1, et le centre 0 de cette image est directement fonction de la position du point d'émission du rayon laser reçu. L'appareil de traitement 11 est raccordé à un calculateur susceptible de commander automatiquement une contre-mesure appropriée en présence de la menace matérialisée par la réception d'un rayon laser. Cependant cet appareil de traitement 11 peut également être raccordé à la fois à un écran d'affichage graphique 14 et à un écran d'affichage numérique 15, et ce, dans un but d'information du personnel. Sur le premier de ces écrans est affiché la position du point d'émission du rayon laser en référence à des axe de coordonnée 16 et 17. Quant au second écran, il affiche les coordonnées angulaires exactes du point d'émission ainsi que la longueur d'onde du rayon laser reçu. Un tel dispositif de détection a pour avantage d'indiquer immédiatement deux paramètres essentiels du rayon laser reçu, à savoir : la localisation de son point d'émission et son identification par détermination de la longueur d'ondes. Or ce résultat est obtenu de façon 7 quasi-immédiate sans aucune pièce mobile. Par ailleurs l'appareillage utilisé est relativement simple car le système électronique prévu peut éventuellement comporter un seul microprocesseur d'analyse. Un filtre 23 peut être avantageusement disposé en amont du récepteur d'image pour diminuer le bruit de jour. La figure 3 représente une variante du schéma de la figure 1. Celle-ci correspond au schéma de conception d'une forme de réalisation pratique du dispositif selon l'invention, laquelle est représentée sur la figure 4. Dans cette forme de réalisation, il est prévu plusieurs dispositifs de détection 18a, 18b, 18c et 18d, tous constitués par la combinaison d'un système optique convergent, d'un système de création de franges d'interférence et d'un récepteur d'image 9. Cependant ces divers dispositifs sont orientés de façons différentes, afin d'augmenter le champ de vision de l'installation réalisée. Ces différents dispositifs détecteurs peuvent alors être montés sur un même boîtier de support 19 constituant une tête optique de détection de l'installation. Cependant il serait également possible de prévoir plusieurs dispositifs détecteurs distincts 18e, 18f, 18g et 18h., complètement séparés et montés dans des positions différentes, comme représenté sur la figure 6. Par l'intermédiaire d'un amplificateur 12 et d'un convertisseur analogique-digital 13, chacun de ces détecteurs est relié à un module 20 de multiplexage qui peut être également monté à l'intérieur du boîtier 19 de la tête optique. Ce module est raccordé par un conducteur 21 à l'appareil de traitement 11. Comme déjà indiqué ce dernier est lui-même raccordé à un calculateur (non représenté) apte à commander automatiquement l'exécution d'un contre mesure appropriée, d'esquive et/ou de contre-attaque. De plus cet appareil de traitement 11 peut être raccordé à un boîtier 22 d'affichage et de contrôle comportant les deux écrans d'affichage 14 et 15 ainsi que les divers organes de commande de l'ensemble. Le traitement d'image est rendu performant par 5 plusieurs caractéristiques spécifiques du dispositif suivant l'invention. Ainsi le décalage de chemin optique introduit par les positions respectives des miroirs 4 et 5 de la figure 1 est suffisamment petit pour que la source de rayonnement 10 laser donne lieu à un phénomène d'interférence et suffisamment grand pour que les sources naturelles de rayonnement, qui ne sont pas cohérentes temporellement, ne donnent pas lieu à un phénomène d'interférence. De plus l'image 9 est volontairement placée en dehors des plans 15 des images non cohérentes données par les miroirs 4 et 5. Ainsi ces images non cohérentes donneront lieu à des fréquences spatiales basses car le récepteur ne sera pas dans un plan d'image. Par contre, la source de rayonnement laser donnera lieu à des franges d'interférence de 20 fréquence spatiale élevée. Un filtrage simple, de type "passe-haut", permet donc de séparer le phénomène de franges d'interférence des autres phénomènes. Les caractéristiques du phénomène de franges d'interférence sont connues théoriquement. Il est donc 25 possible de séparer le signal issu de ce phénomène par rapport au "bruit", et ce par un filtrage dit "adapté" qui permet de reconnaître le phénomène par comparaison avec un modèle, et donc d'améliorer la sensibilité du dispositif. En comparant les résultats de plusieurs saisies 30 d'image consécutives, le dispositif selon l'invention est également capable de déterminer si la source est de type à rayonnement continu ou de type pulsé, et dans ce dernier cas de déterminer la fréquence de répétition des impulsions laser. 35 Dans le cas où la source de rayonnement n'est pas 9 ponctuelle (voir l'exemple de la figure 5), le dispositif peut reconnaître la forme de la source par décorrélation de l'image non cohérente de la source du phénomène d'interférence. Ceci est utile par exemple pour déterminer si la source détectée est la source réelle ponctuelle du laser ou une réflexion parasite de cette même source sur des obstacles naturels. Il est intéressant de couvrir un champ très important avec le présent dispositif. Ceci peut être obtenu en multipliant le nombre de dispositifs capteurs, comme indiqué dans les figures 4 et 6, ou en utilisant un objectif unique à très grand champ de type "oeil de poisson". La nature et les caractéristiques des systèmes optiques de création de franges d'interférence dépendent des caractéristiques de la source de rayonnement laser à détecter. Par exemple, si la source à détecter est un rayonnement continu, à grande cohérence temporelle, à la longueur d'onde 540nm, il sera avantageux d'utiliser un interféromètre de type FABRY-PEROT et un filtre de longueur d'onde bloquant toute source de rayonnement ayant une autre longueur d'onde que 540nm. Mais si la source à détecter est un rayonnement pulsé, à faible cohérence temporelle, avec une longueur d'onde de 690nm, il sera avantageux d'utiliser un interféromètre de type Michelson avec un très faible décalage des miroirs et un filtre de longueur d'onde bloquant toute source de rayonnement ayant une autre longueur d'onde que 690nm. S'il est nécesaire de pouvoir détecter alternativement les deux types de sources précités, il faut pouvoir commuter les deux systèmes optiques de création de franges d'interférence décrits précédemment. Une telle solution est représentée sur la figure 7. Le dispositif correspondant comporte un boîtier coulissant 24 renfermant deux dispositifs différents la et lb de 10 création de franges. En modifiant la position de ce bottier, on peut amener l'un ou l'autre de ces dispositifs en service derrière le système optique convergent 8 d'entrée. Une autre solution est d'adopter un système unique de création de franges qui soit le meilleur compromis entre les caractéristiques nécessaires pour les deux cas précités. Il peut également être possible d'utiliser le dispositif selon l'invention comme appareil d'observation simple de l'environnement. Dans ce cas il est nécessaire d'amener le récepteur d'image 9 dans un plan image, dans la position 9a indiquée sur la figure 9. Cependant il serait également possible de retirer le système optique de création de franges d'interférence, de manière à améliorer le contraste dans le plan image. Une autre possibilité est que le système optique convergent soit constitué par un objectif 8a à distance focale variable (voir figure 9) . L'utilisation en distance focale courte permet de couvrir un champ de détection maximum. L'utilisation en distance focale longue permet d'obtenir la précision de localisation maximum. Il est important de noter que le dispositif peut être utilisé à toutes sortes de longueurs d'ondes, notamment l'infra-rouge, les longueurs d'ondes détectables 25 pouvant varier de 400nm à 12000nm par exemple. Le récepteur peut ne pas être de type "matrice". Il peut être constitué par une barette de détecteurs, le phénomène de franges est alors analysé suivant un seul axe et permet de connaître la position de la source le long de 30 cet axe. Un système de balayage peut être ajouté, soit en amont du récepteur de rayonnement, soit à l'intérieur de celui-ci, pour observer un champ supérieur à celui du détecteur, qui peut être alors de type matrice, barrette 35 ou détecteur unique. 15 20 10 15 20 25 30 REVENDICATIONS 1. Dispositif de détection ou de réception d'un rayonnement laser, utilisant un système optique de création de franges d'interférence, caractérisé en ce qu'en combinaison avec ce système optique (1), il comprend . - un système optique convergent (8) apte à diriger, sur l'entrée de ce système de création de franges, tout rayonnement reçu, - un récepteur fixe (9) d'image lumineuse apte à recevoir l'image formée par les différentes catégories de rayons résultant du traitement effectué par le système (1) de création de franges, et à transformer cette image en signaux électriques, - et un appareil (11) de traitement de ces signaux, lequel est raccordé à un dispositif d'affichage des informations émises par cet appareil, et/ou à un calculateur apte à commander automatiquement l'exécution d'une contre-mesure appropriée, en présence de la menace matérialisée par la réception d'un rayon laser. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'appareil de traitement (il) des signaux, provenant du récepteur d'image (9), comporte un système électronique apte à déterminer la position du point d'émission du rayon laser reçu. 3. Dispositif selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que l'appareil de traitement (11) des signaux, provenant du récepteur d'image (9), comporte un système électronique apte à déterminer la longueur d'onde du rayon laser reçu. 4. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'appareil de traitement (11) des signaux, provenant du récepteur 12 d'image (9), comporte un système électronique apte à déterminer les caractéristiques temporelles de puissance du rayon laser reçu. 5. Dispositif selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que l'appareil de traitement (11) des signaux, provenant du récepteur d'image (9), comporte un système électronique apte à déterminer la forme de l'objet d'où est émis le rayon laser reçu. 6. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte plusieurs ensembles, orientés différemment, et comprenant chacun un système optique convergent (8), un système optique (1) de création de franges d'interférence, et un récepteur d'image (9), les récepteurs d'image de ces différents ensembles étant reliés à l'appareil (11) de traitement de signaux par l'intermédiaire d'un module de multiplexage (20). 7. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte plusieurs systèmes optiques (1) de natures différentes pour la création de franges d'interférence et il est prévu un commutateur permettant de mettre en service l'un ou l'autre de ces systèmes. 8. Dispositif selon l'une des revendications 25 précédentes, caractérisé en ce que le système optique convergent (8) est de type à distance focale variable. 9. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la position du récepteur d'image (9) est variable par rapport à la 30 position du phénomène d'interférence. 10. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que des filtres de longueur d'onde sont insérés en amont du récepteur d'image (9) pour diminuer le bruit de jour. 35 11. Dispositif selon l'une des revendications 15 20précédentes, caractérisé en ce qu'un dispositif de balayage est ajouté en amont du récepteur d'image pour accroître le champ de réception. 12. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le récepteur d'image (9) est du type constitué par une barrette de détecteurs ou consiste en un détecteur unique.