Brevet FR3152871A1 — publié le 20250314

Dispositif de pointage d’une cible Le dispositif (10) de pointage d’une cible (C) comprend : - un ensemble de lasers (12) comprenant : • un laser de puissance (20) continu ou quasi continu, • un laser balise (22) impulsionnel, ayant une ligne de visée commune, - un ensemble de poursuite (14) comprenant : • une caméra de poursuite (30) propre à acquérir des images de la cible (C) et de la tâche du laser balise (22) sur la cible (C), ayant une ligne de visée différente des lignes de visée des lasers de puissance (20) et balise (22), • une unité (32) de génération d’une consigne d’asservissement, et • un actionneur (34) propre à modifier l’orientation de la ligne de visée des lasers en fonction de la consigne d’asservissement, le laser de puissance (20) étant activé seulement lorsque l’asservissement de la tâche du laser balise (22) sur la cible (C) est réalisé. Figure pour l'abrégé : 1 Dispositif de pointage d’une cible La présente invention concerne un dispositif de pointage d’une cible. En particulier, le pointage est un pointage fin effectué par un laser de puissance. Notamment, le laser de puissance, ainsi que les dispositifs de visualisation associés, sont généralement portés par une structure (motorisée) permettant d’effectuer un prépointage. L’invention porte, ainsi, sur la capacité à assurer la poursuite relative entre une cible et un laser pour pointer (pointage fin) un laser de très forte puissance moyenne. De manière classique, dans l’état de la technique, la structure porteuse du laser de puissance est également la structure porteuse de la caméra de poursuite. Les deux voies sont alors réglées mécaniquement en usine l’une par rapport à l’autre et la caméra de poursuite travaille dans une bande spectrale différente de celle du laser de puissance continu ou quasi continu. Ceci permet une réjection de la bande de puissance pour éviter l’éblouissement. Généralement, pour assurer une poursuite de jour comme de nuit, la caméra de poursuite est une caméra suppléée (pour la nuit notamment) par un laser impulsionnel qui illumine la globalité de la cible pour améliorer le rapport signal sur bruit. La caméra de poursuite est une caméra rapide de manière à assurer une boucle d’asservissement rapide de la ligne de visée afin de compenser la turbulence atmosphérique et la zone visée par le laser est le centre de poursuite, ou une partie peu éloignée du centre de poursuite. Les effets thermiques ne sont pas compensés mais on limite la durée du tir pour éviter des échauffements trop importants. Ceci présente plusieurs limitations : Les effets dus à la turbulence sont liés à la bande spectrale considérée, ainsi si la caméra de poursuite ne travaille pas dans la bande spectrale du laser, on ne peut pas corriger correctement leurs effets. Lorsque le laser de puissance tire, la température s’élève dans la structure optique porteuse et il est extrêmement difficile de garantir que l’échauffement ne va pas faire dévier l’axe optique laser de l’axe optique de poursuite. La zone d’illumination et le centre de poursuite sont proches puisque c’est relativement au centre de poursuite qu’on estime l’endroit illuminé. La zone illuminée n’est observée qu’au travers des effets induits sur les matériaux (fumées, flammes, élévation de la température...) par la caméra de poursuite. Si on souhaite superposer plusieurs voies, il faut autant de caméras de poursuite. Il existe donc un besoin pour un dispositif de pointage permettant un dépôt d’énergie sur une zone précise d’une cible lors d’une poursuite assurée grâce à une caméra et cela pendant une durée suffisante pour permettre la destruction de la cible. A cet effet, l’invention a pour objet un dispositif de pointage d’une cible comprenant : - un ensemble de lasers comprenant : • un laser de puissance continu ou quasi continu, • un laser balise impulsionnel, le laser de puissance et le laser balise ayant une ligne de visée commune, - un ensemble de poursuite comprenant : • une caméra de poursuite propre à acquérir des images de la cible et de la tâche du laser balise sur la cible, la caméra de poursuite ayant une ligne de visée différente de la ligne de visée du laser de puissance et du laser balise, • une unité principale de génération d’une consigne d’asservissement en fonction des images acquises par la caméra de poursuite de sorte à réaliser un asservissement de la tâche du laser balise sur la cible, et • un actionneur principal propre à modifier l’orientation de la ligne de visée du laser de puissance et du laser balise en fonction de la consigne d’asservissement, le laser de puissance étant activé seulement lorsque l’asservissement de la tâche du laser balise sur la cible est réalisé. Suivant d’autres aspects avantageux de l’invention, le dispositif de pointage comprend une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément ou suivant toutes les combinaisons techniquement possibles : - l’ensemble de poursuite comprend un laser d’illumination propre à illuminer la cible ; - la caméra de poursuite comprend un filtre spectral centré sur une bande de longueurs d’onde différente de celle du laser de puissance ; - le filtre spectral de la caméra de poursuite est centré sur la bande de longueurs d’onde du laser balise ; - le laser de puissance est propre à s’éteindre périodiquement durant la période d’émission du laser balise ; - le laser balise et le laser d’illumination ont la même cadence d’émission et sont synchronisés ; - la caméra de poursuite est une caméra ayant un temps d’ouverture permettant la visualisation de la tâche du laser balise sans saturation par le laser de puissance ; - la caméra de poursuite est une caméra à détection d’évènements propre à détecter les émissions du laser balise ; - le dispositif comprend un ensemble d’initialisation de la poursuite comprenant : - une caméra d’initialisation ayant une ligne de visée commune au laser de puissance et au laser balise, la caméra d’initialisation fonctionnant sur une bande de longueurs d’onde différente de celle du laser de puissance et étant propre à acquérir des images de la cible, et - une unité d’initialisation propre à générer une consigne de superposition en fonction des images acquises par la caméra d’initialisation pour amener la cible en une position prédéterminée du champ de vision de la caméra d’initialisation de sorte que la ligne de visée du laser balise soit positionnée sur la cible, l’actionneur principal étant propre à modifier l’orientation de la ligne de visée du laser de puissance en fonction de la consigne de superposition ; - le laser balise est propre à effectuer un balayage autour de la cible jusqu’à ce que le signal du laser balise soit observé sur la caméra de poursuite. L’invention apparaîtra plus clairement à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d’exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins dans lesquels : FIG. 1 la FIG. 1 est une vue schématique d’un dispositif de pointage comprenant un laser de puissance, un laser balise ayant une ligne de visée commune au laser de puissance, ainsi qu’une caméra de poursuite indépendante de la ligne de visée du laser de puissance et du laser balise, FIG. 2 la FIG. 2 est une vue schématique du champ de vision d’une caméra d’initialisation ayant une ligne de visée commune avec celle du laser de puissance et du laser balise, la cible étant décentrée par rapport à la ligne de visée de la caméra d’initialisation, et FIG. 3 la FIG. 3 est une autre vue schématique du champ de vision de la caméra d’initialisation de la FIG. 2 , la ligne de visée du laser de puissance et du laser balise ayant été modifiée de sorte que la cible soit au centre du champ de vision de la caméra d’initialisation (tâche laser du laser balise ramenée sur la cible). Un dispositif 10 de pointage d’une cible C est illustré par la FIG. 1 . La cible C est, par exemple, une cible mobile évoluant dans les airs, sur terre, ou en mer. La cible C est, par exemple, un aéronef, un drone, un véhicule terrestre ou encore un bâtiment naval. Comme illustré par la FIG. 1 , le dispositif de pointage 10 comprend un ensemble de lasers 12 et un ensemble de poursuite 14. Optionnellement, le dispositif de pointage 10 comprend aussi un ensemble d’initialisation 16. Le dispositif de pointage 10 est typiquement orienté en site et en gisement. L’ensemble de lasers 12 comprend un laser de puissance 20 et un laser balise 22. Le laser de puissance 20 est un laser continu ou quasi continu. Le terme « quasi continu » implique que le temps d’émission est supérieur ou égal au temps de réduction (ou d’absence) d’énergie et que les temps d’émission sont de plusieurs centaines de millisecondes. Le laser de puissance 20 est propre à être activé seulement lorsque l’asservissement de la tâche du laser balise 22 sur la cible C est réalisé. Le laser de puissance 20 a une forte puissance moyenne, typiquement supérieure ou égale à 1 kilowatt (kW). Le laser de puissance 20 présente typiquement une bande de longueurs d’onde comprise entre 0,5 micromètre (µm) et 2,5 µm. Le laser balise 22 est un laser impulsionnel. La cadence des impulsions du laser balise 22 est élevée, typiquement de quelques kilohertz (kHz). Le laser balise 22 a une puissance crête élevée, mais une puissance moyenne très inférieure à la puissance moyenne du laser de puissance 20, son but étant de visualiser le point d’impact du laser de puissance (superposé au laser balise), afin d’assurer le poursuite relative entre la cible C et le laser balise en garantissant la sécurité oculaire au niveau de la cible C. Typiquement, la puissance moyenne du laser balise 22 est inférieure ou égale à quelques W (ex 10 Watts). Le laser balise 22 présente, de préférence, une bande de longueurs d’onde identique ou proche de celle du laser de puissance 20. Par le terme « proche », il est entendu un écart en longueur d’onde inférieur ou égal à typiquement 0,2 µm. Par exemple, le laser de puissance 20 est à 1 µm et le laser balise 22 est à 0,9 µm. Le laser de puissance 20 et le laser balise 22 ont une ligne de visée commune. Par exemple, le laser balise 22 peut être injecté dans la fibre du laser de puissance 20 ou bien être combiné au laser de puissance 20 au moyen d’un composant optique de type réseau. Par exemple, le laser de puissance 20 et le laser balise 22 sont portés par la même structure porteuse 17. L’ensemble de poursuite 14 est propre à assurer la poursuite relative de la cible C par le laser balise 22 (et donc le laser de puissance 20). L’ensemble de poursuite 14 comprend une caméra de poursuite 30, une unité principale 32 de génération d’une consigne d’asservissement et un actionneur principal 34. Optionnellement, l’ensemble de poursuite 14 comprend aussi un laser d’illumination 36. La caméra de poursuite 30 est propre à acquérir des images de la cible C et de la tâche du laser balise 22 sur la cible C (illuminée ou non par le laser d’illumination 36). La caméra de poursuite 30 a une ligne de visée différente de la ligne de visée du laser de puissance 20 et du laser balise 22. La caméra de poursuite 30 est notamment positionnée en dehors de la structure porteuse 17 du laser de puissance 20 et du laser balise 22. La caméra de poursuite 30 étant positionnée à l’extérieur, elle n’est plus gênée par la rétrodiffusion du laser de puissance 20, ni par l’obligation d’être à une autre longueur d’onde que celle du laser de puissance 20. La caméra de poursuite 30 est de préférence une caméra permettant à minima une cadence de sortie de certains pixels à plus de 5 kHz. La caméra de poursuite 30 est propre à imager la tâche du laser balise 22 sur la cible C. Pour cela, plusieurs moyens de mise en œuvre, listés ci-dessous et combinables entre eux, sont possibles : Dans un exemple de mise en œuvre, la caméra de poursuite 30 comprend un filtre spectral centré sur une bande spectrale de la caméra différente de celle du laser de puissance 20. Cela permet à la caméra de poursuite 30 de ne pas être éblouie par le laser de puissance 20. De préférence, le filtre spectral de la caméra de poursuite 30 est centré sur la bande spectrale du laser balise 22 (par exemple, laser balise 22 et filtre spectral à 0,9 µm, et laser de puissance 20 à 1 µm). Dans un exemple de mise en œuvre, le laser de puissance 20 est propre à s’éteindre périodiquement durant la période d’émission du laser balise 22. Cela permet de ne pas saturer la caméra de poursuite 30. Ce phénomène est appelé « blanking » (en anglais, traduit en français par « effacement »). La durée d’extinction est, par exemple, de quelques dizaines de nanosecondes. Dans un exemple de mise en œuvre, la caméra de poursuite 30 est une caméra ayant un temps d’ouverture permettant la visualisation de la tâche du laser balise 22 sans saturation par le laser de puissance 20. Le temps d’ouverture est donc suffisamment court pour éviter la saturation. Dans un exemple, une télémétrie est utilisée pour ouvrir la caméra de poursuite 30 de manière synchrone avec les impulsions du laser d’illumination 36 rétrodiffusées par la cible C et de la visualisation de la tâche du laser balise 22 sans saturation. la durée d’ouverture est, par exemple, déterminée au moyen d’un télémètre présent sur la structure supportant la caméra porteuse 30, et qui mesure la distance de la caméra de poursuite 30 à la cible C. Dans un exemple de mise en œuvre, la caméra de poursuite 30 est une caméra à détection d’évènements (en anglais « event based ») propre à détecter les émissions du laser balise 22. Cela permet de limiter la latence pour la poursuite et d’avoir un forte dynamique pour ne pas saturer la caméra de poursuite 30. L’unité principale 32 est propre à générer une consigne d’asservissement en fonction des images acquises par la caméra de poursuite 30 de sorte à réaliser un asservissement de la tâche du laser balise 22 sur la zone choisie de la cible C. L’unité principale 32 est, par exemple, un calculateur. L’actionneur principal 34 est propre à modifier l’orientation de la ligne de visée du laser de puissance 20 et du laser balise 22 en fonction de la consigne d’asservissement. L’actionneur principal 34 est typiquement porté par la structure porteuse 17 et est en sortie du laser de puissance 20. L’actionneur principal 34 comprend, par exemple, un ou plusieurs composants opto-mécaniques. Le laser d’illumination 36 est propre à illuminer la cible C. Le laser d’illumination 36 est un laser impulsionnel. Le laser d’illumination 36 et le laser balise 22 ont des longueurs d’onde compatibles d’une observation par la caméra de poursuite 30 (c’est-à-dire dans la bande de longueurs d’onde de la caméra de poursuite 30). L’ensemble d’initialisation 16 optionnel est propre à initialiser la poursuite relative de la tâche du laser balise 22 sur la cible C. En particulier, l’ensemble d’initialisation 16 est particulièrement utile dans le cas de petites cibles, pour faciliter la superposition de la tâche du laser balise 22 sur la cible C au démarrage. L’ensemble d’initialisation 16 est typiquement porté par la structure porteuse 17. L’ensemble d’initialisation 16 comprend une caméra d’initialisation 40, une unité d’initialisation 42. La caméra d’initialisation 40 fonctionne dans une bande spectrale différente de celle du laser de puissance 20 et est propre à acquérir des images de la cible C. La caméra d’initialisation 40 a une ligne de visée commune au laser de puissance 20 et au laser balise 22 (réglage usine). Ainsi, la tâche formée par le laser balise 22 (et aussi par le laser de puissance 20) est approximativement (moyennant les effets de turbulences) au centre du champ de vision de la caméra d’initialisation 40. L’utilisation de la caméra d’initialisation 40 vise à ramener la cible C en une position prédéterminée du champ de vision de la caméra d’initialisation 40 avant de démarrer l’asservissement haute cadence du pointage fin. Par exemple, la ligne de visée de la caméra d’initialisation 40 est ramenée sur celle du laser de puissance 20 et du laser balise 22 via un miroir à trou 46, une séparatrice ou un filtre spectral. L’unité d’initialisation 42 est propre à générer une consigne de superposition en fonction des images acquises par la caméra d’initialisation 40 pour amener la cible C en une position prédéterminée du champ de vision de la caméra d’initialisation 40 de sorte que la ligne de visée du laser balise 22 soit positionnée sur la cible C. La position prédéterminée est typiquement le centre ou une zone proche du centre du champ de vision de la caméra d’initialisation 40. L’unité d’initialisation 42 est, par exemple, un calculateur. L’actionneur principal 34 est propre à modifier l’orientation de la ligne de visée du laser de puissance 20 et du laser balise 22 (et le cas échéant de la caméra d’initialisation 40) en fonction de la consigne de superposition. En variante, le dispositif de pointage 10 ne comprend pas d’ensemble d’initialisation 16 et le positionnement de la tâche du laser balise 22 sur la cible C se fait au démarrage via un balayage effectué par le laser balise 22 autour de la cible C jusqu’à ce que le signal soit observé sur la caméra de poursuite 30. On pourra par exemple utiliser l’orientation site gisement du dispositif 10 pour réaliser la figure de balayage. Un exemple de fonctionnement du dispositif de pointage 10 va maintenant être décrit. Au démarrage, seul le laser balise 22 est activé et le laser de puissance 20 est éteint. Lorsque le dispositif 10 comprend un ensemble d’initialisation 16, la cible C, éventuellement illuminée par le laser d’illumination 36, est imagée par la caméra d’initialisation 40. L’unité d’initialisation 42 génère une consigne de superposition envoyée à l’actionneur principal 34 visant à ramener la cible C au centre du champ de vision de la caméra d’initialisation 40 de sorte que la ligne de visée du laser balise 22 soit positionnée sur la cible C. A titre d’exemple, les figures 2 et 3 illustrent le champ de vision de la caméra d’initialisation 40, le laser balise 22 étant émis au centre du champ de vision (ligne de visée commune avec la caméra d’initialisation 40). Le passage de la FIG. 2 à la FIG. 3 est effectué par une modification de l’orientation de la ligne de visée du laser balise 22 (et donc de la caméra d’initialisation 40) permettant de ramener la cible C au centre du champ de vision de la caméra d’initialisation 40. En variante, le laser balise 22 effectue un balayage autour de la cible C jusqu’à ce que le signal du laser balise 22 sur la cible C soit observé sur la caméra de poursuite 30. Une fois la tâche du laser balise 22 visible sur la cible C par la caméra de poursuite 30, des images de la cible C et de la tâche du laser balise 22, sont successivement acquises par la caméra de poursuite 30. L’unité principale 32 génère une consigne d’asservissement, envoyée à l’actionneur principal 34, visant à réaliser un asservissement de la tâche du laser balise 22 sur la cible C (de sorte que la tâche du laser balise 22 reste concentrée au même endroit). Le laser de puissance 20 est ensuite activé une fois que l’asservissement de la tâche du laser balise 22 sur la cible C est réalisé. Ainsi, le dispositif de pointage 10 décrit permet le remplacement d’un système monostatique comprenant une caméra de poursuite 30 et un laser continu ou quasi continu de puissance réglés en usine par une système bistatique entre ces deux éléments, l’absence de réglage entre les deux étant compensée par la connaissance de la position de ligne de visée du laser de puissance 20 via la visualisation d’un laser balise 22 colinéaire et superposé avec ce laser de puissance 20. La position du laser balise 22 vue sur la cible C par la caméra de poursuite 30 permet l’asservissement de la tâche laser balise 22 sur la cible C, puis la mise en route du laser de puissance 20 permet d’avoir l’effet sur la cible C. Ce tracking relatif de la cible C et de la tâche laser permet de s’affranchir du monostatisme et de l’harmonisation précise entre la caméra et le laser. Un tel dispositif de pointage 10 permet beaucoup plus de souplesse (orientation de la ligne de visée, multiples faisceaux, …) et une meilleure correction du pointé (correction en voyant le laser balise 22). Ainsi, il permet de s’affranchir des problématiques d’échauffement dans la structure portant le laser de puissance 20, des problèmes d’éblouissement de la caméra liée au système mono statique et une meilleure correction de tilt liée aux turbulences. En résumé, le dispositif de pointage 10 présente de nombreux avantages : L’utilisation d’un laser balise 22 pour réaliser l’asservissement permet d’allumer le laser de puissance 20 seulement une fois l’asservissement réalisé, en toute sécurité oculaire. Comme on voit le laser balise 22 sur la caméra de poursuite 30, il est possible de corriger les effets liés à la turbulence, notamment avec une mesure à la même longueur d’onde ou proche de celle du laser de puissance. Si la structure bouge en température, la direction du laser balise 22 sera corrigée en temps réel et donc illuminera toujours le même point visé. Il est possible d’adresser directement n’importe quel endroit de la cible C, notamment sur les zones les plus vulnérables. La zone illuminée est observée directement et il est possible de voir directement les effets du laser sur la cible C. Il est possible de gérer plusieurs lasers simultanément à la même longueur d’onde ou à des longueurs d’onde proches. On élimine les problèmes d’éblouissement des solutions mono statiques. L’homme du métier comprendra que les modes de réalisation décrits peuvent être combinés entre eux pourvu qu’ils soient techniquement compatibles. Dispositif (10) de pointage d’une cible (C) comprenant : un ensemble de lasers (12) comprenant : un laser de puissance (20) continu ou quasi continu, un laser balise (22) impulsionnel, le laser de puissance (20) et le laser balise (22) ayant une ligne de visée commune, un ensemble de poursuite (14) comprenant : une caméra de poursuite (30) propre à acquérir des images de la cible (C) et de la tâche du laser balise (22) sur la cible (C), la caméra de poursuite (30) ayant une ligne de visée différente de la ligne de visée du laser de puissance (20) et du laser balise (22), une unité principale (32) de génération d’une consigne d’asservissement en fonction des images acquises par la caméra de poursuite (30) de sorte à réaliser un asservissement de la tâche du laser balise (22) sur la cible (C), et un actionneur principal (34) propre à modifier l’orientation de la ligne de visée du laser de puissance (20) et du laser balise (22) en fonction de la consigne d’asservissement, le laser de puissance (20) étant activé seulement lorsque l’asservissement de la tâche du laser balise (22) sur la cible (C) est réalisé. Dispositif (10) selon la revendication 1, dans lequel l’ensemble de poursuite (14) comprend un laser d’illumination (36) propre à illuminer la cible (C). Dispositif (10) selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la caméra de poursuite (30) comprend un filtre spectral centré sur une bande de longueurs d’onde différente de celle du laser de puissance (20). Dispositif (10) selon la revendication 3, dans lequel le filtre spectral de la caméra de poursuite (30) est centré sur la bande de longueurs d’onde du laser balise (22). Dispositif (10) selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel le laser de puissance (20) est propre à s’éteindre périodiquement durant la période d’émission du laser balise (22). Dispositif (10) selon la revendication 2 éventuellement combinée à l’une quelconque des revendications 3 à 5, dans lequel le laser balise (22) et le laser d’illumination (36) ont la même cadence d’émission et sont synchronisés. Dispositif (10) selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel la caméra de poursuite (30) est une caméra ayant un temps d’ouverture permettant la visualisation de la tâche du laser balise (22) sans saturation par le laser de puissance (20). Dispositif (10) selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel la caméra de poursuite (30) est une caméra à détection d’évènements propre à détecter les émissions du laser balise (22). Dispositif (10) selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel le dispositif (10) comprend un ensemble d’initialisation (16) de la poursuite comprenant : une caméra d’initialisation (40) ayant une ligne de visée commune au laser de puissance (20) et au laser balise (22), la caméra d’initialisation (40) fonctionnant sur une bande de longueurs d’onde différente de celle du laser de puissance (20) et étant propre à acquérir des images de la cible (C), et une unité d’initialisation (42) propre à générer une consigne de superposition en fonction des images acquises par la caméra d’initialisation (40) pour amener la cible (C) en une position prédéterminée du champ de vision de la caméra d’initialisation (40) de sorte que la ligne de visée du laser balise (22) soit positionnée sur la cible (C), l’actionneur principal (34) étant propre à modifier l’orientation de la ligne de visée du laser de puissance (12) en fonction de la consigne de superposition. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel le laser balise (22) est propre à effectuer un balayage autour de la cible (C) jusqu’à ce que le signal du laser balise (22) soit observé sur la caméra de poursuite (30).