FR2512559A1 - Procede et appareil de reflexion catadioptrique d'un rayonnement, notamment pour la surveillance de parties d'espace - Google Patents

Abstract

L'INVENTION CONCERNE LES PROCEDES ET APPAREILS DE REFLEXION CATADIOPTRIQUE. ELLE SE RAPPORTE A UN CATADIOPTRE AYANT DES CELLULES CATADIOPTRIQUES 40 COMPRENANT AU MOINS DEUX FACETTES ET TROIS DE PREFERENCE 41, 42, 43. DEUX AU MOINS DES FACETTES 42, 43 OSCILLENT EN PHASE PAR RAPPORT A LA TROISIEME 41 DE MANIERE QUE L'ANGLE FORME PAR LES FACETTES DE CHAQUE PAIRE VARIE ENTRE P2 ET P2-D, D ETANT UN PETIT ANGLE. DE CETTE MANIERE, LA PARTIE DU FAISCEAU REFLECHI AYANT LA PLUS GRANDE DENSITE SURFACIQUE D'ENERGIE EST BALAYEE SUR LA SOURCE DU RAYONNEMENT QUI PEUT AINSI PLUS FACILEMENT LA DETECTER. APPLICATION AUX SYSTEMES CATADIOPTRIQUES DE DETECTION DES NAVIRES ET DES AERONEFS.

Description

La présente invention concerne les dispositifs catadioptriques et plus précisément les catadioptres oscillants destinés a faire passer le plan de densité surfaci- que d'énergie réfléchie maximale par le plan de la source du rayonnement.

Un dispositif catadioptrique ou "catadioptre" tout court est un dispositif qui réfléchit le rayonnement incident vers sa source. Un catadioptre bien connu a trois facettes planes réfléchissantes disposées sensiblement perpendiculairement les unes aux autres. Un tel catadioptre constitue un réflecteur en coin de cube et il a des propriétés telles que tout rayon réfléchi par chacune des trois faces orthogonales rev-ient vers la source parallèlement au trajet d'incidence. I1 est important de noter qu'un rayon réfléchi est renvoyé suivant un trajet parallèle au rayon incident mais ne coïncide pas avec celui-ci. C'est pour cette raison que l'énergie réfléchie renvoyée vers la source est dispersée.Ainsi, dans le cas d'un catadioptre classique en coin de cube, la densité surfacique d'énergie réfléchie au niveau de la source est inférieure à la densité surfacique du faisceau tombant sur le catadioptre.

Dans le cas d'un catadioptre en forme de coin ayant des facettes alignées avec précision à w/2 radians les unes par rapport aux autres, la densité surfacique du rayonnement réfléchi à la source est égale au quart de la densité surfacique dans le plan du catadioptre. Cette dispersion de l'énergie réfléchie limite souvent beaucoup l'utilité des catadioptres étant donné la difficulté de la détection de l'énergie diffuse réfléchie à l'emplacement de la source.

Un domaine d'applications des catadioptres est la surveillance. Dans ce cas, la lumière d'une source est réfléchie par un catadioptre en coin, dans la direction de la source, la lumière réfléchie est détectée, et le temps de parcours jusqu'au catadioptre et de retour vers la source est. utilisé comme une indication de la distance séparant la source du catadioptre. Dans certains cas, la source lumineuse est un laser. Comme le photodétecteur utilisé pour la détection de la lumière réfléchie est soumis à des effets quantiques, il peut ne pas du tout être sensible Si la densité surfacique du rayonnement réfléchi est trop faible. La plage dans laquelle un tel appareil de surveillance peut être utilisé est donc limitéepar cet effet de dispersion. On a aussi utilisé des dispositifs catadioptriques pour la localisation précise d'aéronefs et de navires.Dans ce cas, l'aéronef ou la navire porte des catadioptres qui sont destinés à réfléchir le rayonnement électromagnétique a une fréquence utilisée pour une interrogation radar. Comme indiqué précédemment, dans le cas des dispositifs catadioptriques classiques, la densité surfacique du rayonnement réfléchi est au moins égale au quart de celle du rayonnement dans le plan du catadioptre. Cet effet de dispersion peut rendre indétectables les signaux renvoyés.

En conséquence, il existe de façon générale un nombre important d'applications des systèmes catadioptriques, pour le traitement des signaux électromagnétiques ainsi que dans des applications ne mettant pas en oeuvre des signaux, dans lesquelles il serait avantageux qu'un rayonnement électro- magnétique renvoyé par un système catadioptrique revienne sur la source avec une densité surfacique d'énergie aussi grande que possible.

L'invention concerne un appareil catadioptrique qui accroître la densité surfacique du rayonnement réfléchi par rapport à celle qui peut être obtenue avec les catadioptres connus en forme de coins de cube. Elle concerne aussi un tel appareil dont la fabrication est peu conteuse et dont le fonctionnement est fiable Elle concerne aussi un catadioptre qui peut renvoyer le rayonnement electroma- gnétique vers sa source afin que, dans toute période élé- dentaire, l'intensité du rayonnement réfléchi frappant la source soit pratiquement égale à celle qui frappe le catadioptre.Elle concerne aussi un arrangement de tels catadioptres, pouvant être monté sur la cible potentielle d'une arme comprenant un laser de grande puissance, l'arrangement protégeant la cible contre les détériorations et renvoyant la lumière du laser sur l'arme qui la projette.

L'appareil destiné à réfléchir le rayonnement incident vers une source, selon l'invention, comporte au moins deux facettes planes sécantes et réfléchissantes montées afin que l'angle des facettes adjacentes puisse être réglé de façon continue. Un appareil assure les oscillations en synchronisme des facettes afin que l'angle formé entre les facettes adjacentes balaie une plage comprise entre s/2 et w/2 -5 radians. Cet angle 6 est choisi de manière que le plan de la densité surfacique maximale du rayonnement recoupe le plan contenant la source du rayonnement. Des modes de réalisation avantageux ont des configurations à deux et trois facettes. Dans le cas de deux facettes, l'une au moins peut être montée afin qu'elle oscille.Dans le cas de trois facettes, elles peuvent toutes trois osciller, ou l'une peut être fixe et les deux autres peuvent osciller afin que le plan de la densité surfacique maximale d'énergie recoupe le plan contenant la source. Dans ces modes de réalisation, un appareil convenable Qst destiné à faire osciller les facettes. Un appareillage aussure aussi la détection du déplacement des facettes et une commande automatique en boucle fermée, sensible aux déplacements des facettes, commande l'appareil afin qu'il fasse osciller les facettes en phase.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre, faite en référence aux dessins annexés sur lesquels
- la figure 1 est un schéma montrant la dispersion présentée par les catadioptres ayant la forme de coins de cube ;
- la figure 2 est un schéma représentant la variation de la densité surfacique en fonction de la distance dans le cas d'un catadioptre ayant des facettes réfléchissantes se recoupant avec un angle égal à w/25 radians
- la figure 3 est un schéma représentant un catadioptre en forme de coin de cube dont les facettes font un angle supérieur à n/2 ;
- la figure 4 est un schéma d'un arrangemont de catadioptres en forme de coins de cube ayant chacun trois facettes planes dont les plans se recoupent ;;
- les figures 5a et 5b sont des schémas représentant les mouvements de deux facettes
- la figure 6 est une perspective schématique d'une facette montée afin qu'elle puisse osciller
- la figure 7 est un schéma illustrant un autre montage d'une facette afin qu'elle puisse osciller
- la figure 8 représente un autre montage d'une facette
- la figure 9 est un schéma représentant la commande et le dispositif de pilotage destinés à assurer les oscillations en phase de deux facettes
- la figure 10a est une vue schématique en plan représentant certains paramètres géométriques ; et
- les figures 10b, 10c et 10d sont des graphiques représentant la variation de la densité surfacique d'énergie en fonction du temps.

On considère d'abord, en référence à la figure 1, la dispersion provoquée par les catadioptres classiques.

Comme décrit dans les brevets des Etats-Unis d'Amérique nO 4 082 414 et 4 160 577, lorsqu'un catadioptre est formé de trois surfaces réfléchissantes alignées chacune avec précision perpendiculairement aux deux autres, l'énergie électromagnétique reçue par le catadioptre en provenance d'une source ponctuelle est réfléchie vers la source et arrive dans le plan de celle-ci sous forme d'un faisceau dont le diamètre est exactement égal au double de l'ouverture de la cellule catadioptrique, vue de la source. Ainsi, la densité surfacique du rayonnement réfléchi, au niveau de la source, est égale au quart de la densité d'énergie incidente sur l'ouverture du catadioptre. La figure 1 représente un effet de dispersion dans un cas bidimensionnel, par raison de simplicité. Sur cette figure, un catadioptre portant la référence générale 10 a deux surfaces réfléchissantes planes 11 et 12 formant exactement un angle de in./2 l'une par rapport à l'autre. L'ouverture du catadioptre 10 est A. Le catadioptre 10 est éclairé par une source ponctuelle 13 d'un rayonnement, placée dans un plan 3. Un rayon 14 provenant de la source 13 et qui recoupe tout juste la surface de la facette 11 est réfléchi vers la facette 12. Ce rayon 14 est ensuite réfléchi dans la direction exactement parallèle au rayon incident 14 provenant de la source 13. De manière analogue, un rayon 15 provenant de la source 13 frappe la facette 12, est refléchi vers la facette 11 et revient ensuite suivant un trajet parallèle à sa direction d'origine.

Lorsque les deux rayons 14 et 15 reviennent vers le plan de la source 13, la largeur du faisceau, comprise entre les rayons 14 et 15 est égale à 2R, c'est-à-dire le double de l'ouverture du catadioptre 10 vue par la source. Dans le cas d'un catadioptre tridimensionnel, la largeur du faisceau double aussi dans le plan 3 de la source 13 ; la densité surfacique d'énergie est égale au quart de la densité du faisceau lorsqu'il est parvenu initialement sur le catadioptre 10. La relation représentée par la figure 1 est valable pour tous les catadioptres ayant plusieurs facettes faisant des angles exactement égaux à 900. Ainsi, quelle que soit la distance de la source par rapport au catadioptre, la largeur du faisceau dans le plan de la source est égale au double de la largeur d'ouverture du catadioptre vu par la source.Dans certains cas, par exemple lorsque les rayons limites du faisceau ne parviennent pas sur les bords des facettes, l'ouver- ture vue par la source peut être légèrement inférieure à l'ouverture véritable si bien que la largeur du faisceau dans le plan de la source est un peu inférieure au double de la largeur de l'ouverture réelle.

Comme décrit dans le brevet précite des Etats-Unis d'Amérique nO 4 160 577, la situation change lorsque l'angle formé par les facettes est inférieur à w/2, par exemple est égal à r/2-d radians. Dans ce cas, tout rayon réfléchi par les deux facettes quitte le catadioptre après la seconde réflexion suivant un trajet incliné par rapport à celui du rayon incident, suivant un angle 2s. En conséquence, la dis persion du faisceau réfléchi d'énergie dépend de la distance séparant la source du catadioptre. Cet effet est repré senté sur la figure 2.Un catadioptre 20, ayant encore deux facettes pour simplifier la description, comporte des facettes réfléchissantes 21 et 22 qui se coupent suivant un angle w/2-6. L'ouverture du catadioptre 20 est égale à A.

Les courbes 23 et 24 délimitent l'enveloppe de la dispersion du rayonnement réfléchi. Chaque angle 6 détermine une dis tance critique D dans le cas bidimensionnel représenté sur
o la figure 2. La relation entre s et Do est D = B/2 tg6,
o
D est appelé distance critique parce que les sources ponc
o tuelles placées suivant l'axe 25 du catadioptre à une distance inférieure ou égale à D sont éclaires par le rayon
o nement réfléchi par le catadioptre 20. Au-delà de la dis tance DO cependant, le faisceau se divise et forme une om
o bre non éclairée 26. A la distance Do, la largeur du faisceau réfléchi est égale à 2A, c'est-à-dire le double de la largeur du rayonnement parvenant sur le catadioptre 20.Ainsi, dans le cas d'une source ponctuelle placée le long de l'axe 25 à une distance quelconque inférieure ou égale à la distance Do, la densité d'énergie n'est pas réduite par rapport au cas où les facettes du catadioptre se recoupent avec précision suivant un angle égal à in/2.

En outre, a une distance égale a Do/2, la laro geur du faisceau réfléchi est égale à A Si bien que la densité d'énergie à cette distance Do/2 est égale à la densité d'énergie parvenue initialement sur le catadioptre 20.

L'emplacement correspondant à la distance Do/2 est donc l'emplacement du plan de dispersion minimale de l'énergie réfléchie qui peut être obtenue avec un catadioptre. Cette figure montre ainsi que, lorsqu'une source ponctuelle se trouve à une distance du catadioptre supérieure à la distance critique D , elle peut ne pas recevoir d'énergie réfléchie. En outre, la figure 2 montre ce fait important que la densité surfacique du rayonnement réfléchi à l'emplacement D0/2 est égale à quatre fois la densité surfacique obtenue lorsque les facettes du catadioptre 20 sont exactement perpendiculaires.Comme l'indique le brevet précité des
Etats-Unis d'Amérique nO 4 160 577, la distance critique D, dans le cas d'une confiquration tridimensionnelle à trois facettes, est donnée par la relation

comme la densite surfacique est fonction de l'angle, on peut exploiter ces effets pour réduire au minimum la dispersion, c'est-à-dire pour obtenir une densité surfacique élevée du rayonnement réfléchi dans le plan de la source.

Il faut noter que, lorsque l'angle des facettes d'une cellule catadioptrique est un peu supérieur à un angle droit, c'est-à-dire égal à s/2+d, le faisceau réfléchi se divise immédiatement dès le catadioptre et une ombre non éclairée part du catadioptre lui-même. Dans ce cas, une source ponctuelle eclairant le catadioptre avec un rayonnement d'énergie peut ne pas du tout être éclairée par le faisceau réfléchi. Ce cas est représenté sur la figure 3 sur laquelle un catadioptre 30 a des facettes réfléchissantes 31 et 32 faisant un angle /2+d l'une par rapport à l'autre.

Une source ponctuelle 33 de rayonnement n'est pas éclairée par le rayonnement réfléchi car elle se trouve dans l'ombre 34 délimitée entre les droites 35 et 36. Comme l'angle des facettes 31 et 32 dépasse tir/2, toute l'énergie réfléchie est comprise dans les deux faisceaux formés entre les droites 35 et 37 d'une part et 36 et 38 d'autre part.

Les distances et les écarts angulaires 6 pour lesquels les effets représentés sur les figures 2 et 3 ont lieu ont évidemment une grande importance dans les applications pratiques des dispositifs catadioptriques. On considère par exemple un catadioptre ayant une ouverture de 10 cm, pouvant être utilisé par exemple comme cible sur un aéronef ou un navire afin que l'identification et la détermination de position soient facilitées. On suppose que la source du rayonnement électromagnétique qui éclaire ce catadioptre est à une distance de 100 km. I1 s'agit par exemple d'un objet qui est à une altitude d'environ 70 km, à une distance horizontale d'une antenne de radar de 70 km.Dans le cas d'un réflecteur radar ayant trois facettes réfléchissantes, l'angle S de la figure 2 pour lequel la séparation du rayonnement réfléchi a lieu au niveau de l'antenne est égal à 8,77.10 60 ou 3,16.10 3 seconde d'arc. Si l'angle entre les facettes est inférieur à l'angle droit, par exemple de 5 minutes d'arc (la tolérance permise par les fabrications classiques en usine),la séparation de l'énergie réfléchie a lieu à une distance de 0,21 km en avant de la cellule réfléchissante, et la largeur de l'ombre non éclairée au niveau de l'antenne qui se trouve à 100 km est d'environ 0,29 km. On obtient ces résultats par application directe des formules données dans le brevet précité des Etats-Unis d'Amérique nO 4 160 577 et d'après l'information donnée par la figure 2.Ainsi, même dans le cas d'une antenne de 100 m de diamètre, le faisceau d'énergie provenant de la cellule- réfléchissante passe totalement en dehors de l'antenne dans ces conditions. Si les facettes réfléchissantes sont alignées de manière qu'elles fassent un angle supérieur à un angle droit de 5 min d'arc, le rayonnement réfléchi ne parvient absolument pas sur l'antenne.

Selon l'invention, les facettes réfléchissantes subissent des oscillations en phase de manière que le plan de la densité surfacique maximale d'énergie passe par la source d'énergie un certain nombre de fois pendant la durée de l'éclairement du catadioptre par la source. Pendant la partie de l'oscillation des facettes dans laquelle la source du rayonnement est à une distance inférieure à la distance critique D indiquée sur la figure 2, la réflexion d'énergie
o sur la source donne une densité au moins égale à celle que donne un catadioptre parfaitement aligné, ayant des facettes se recoupant avec précision à angle droit. Ainsi, la largeur du faisceau réfléchi ne dépasse pas 2R, c'est-à-dire le double de l'ouverture du catadioptre. Ainsi, la source est éclairée pendant une partie au moins de la période de l'oscillation des facettes.Pendant une partie importante de cette période en outre, la densité surfacique du rayonnement réfléchi sur la source est bien supérieure à celle qui est obtenue avec un catadioptre dont les facettes sont parfaite ment à angle droit. A un moment de l'oscillation (lorsque la distance entre le catadioptre et la source est éqale à Do/2 comme indiqué sur la figure 2 ou à

1 'éner- gie réfléchie sur la source a la même densité surfacique que celle que reçoit le catadioptre à partir de la source.

On peut résumer ce résultat important de la ma nière suivante. Dans le cas d'un catadioptre tridimensionnel ayant des facettes alignées avec précision à angle droit, la source est toujours éclairée par de l'énergie ayant une densité surfacique égale au quart de celle qu'elle aurait dans le plan du catadioptre. Cependant, lorsque les facettes oscillent entre un angle de s/2 et de s/2-d, une source dont la distance au catadioptre est inférieure à la distance Do est éclairée par de l'énergie provenant du catadioptre et ayant une densité surfacique qui n'est pas inférieure au quart de celle qui se trouve dans le plan du catadioptre et parfois égale à celle qui se trouve dans le plan du catadioptre.Ainsi, dans une période d'oscillation, la source du rayonnement est baignée par une quantité d'énergie réfléchie bien supérieure à celle qui provient d'un catadioptre dont les facettes sont parfaitement orthogonales.

Les cas dans lesquels la source se trouve à une distance supérieure à D de la figure 2 pour une cellule
o catadioptrique se présentent de deux manières : d'abord, la source peut se trouver à cette distance du catadioptre pendant une partie de la période d'oscillation des facettes réfléchissantes, et d'autre part la source est toujours à cette distance du catadioptre lorsque l'angle formé par les facettes est supérieur à un angle droit.L'effet de cette circonstance dépend du diamètre réel de la source et de sa distance réelle au catadioptre, comme considéré dans l'exemple qui précède. I1 existe des cas dans lesquels la source peut recevoir l'énergie réfléchie par le catadioptre même lorsque l'axe source-catadioptre est entouré par une ombre qui n'est pas éclairée par le rayonnement réfléchi dans le plan de la source (par exemple lorsque la source n'est pas une source ponctuelle mais une antenne qui peut être considérée comme un ensemble de sources ponctuelles).

Dans ces circonstances (D étant supérieur- à Do), le rôle pratique des facettes oscillantes est d'assurer l'éclaire- ment réel de certaines parties de la source par le rayonnement réfléchi bien que la source se trouve à une distance superieure à D de la figure 2 de la cellule réfléchissante,
o pendant une période notable. Comme même les faisceaux lumineux collimatês, par exemple les faisceaux lasers, présentent en fait une petite dispersion, les catadioptres selon l'invention présentent aussi des avantages dans ce domaine.

I1 faut noter que la possibilité de la variation de la densité surfacique de l'énergie renvoyée dans le plan d'une source par variation de l'angle entre les facettes de la cellule catadioptrique d'une manière oscillante, permet aussi la transmission d1informations. Par exemple, le réglage de la caractéristique temporelle de l'oscillation des angles des facettes permet la transmission de codes provenant par exemple d'un objet aérien à une station au sol.

Celle-ci peut alors interpréter les fluctuations temporelles de la densité d'énergie du rayonnement renvoyé et re çoit ainsi une information de l'objet. L'utilisation d'une telle technique pour la rSalisation d'un système à transpondeurs ou d'un système principal de communication peut être facilement mise en oeuvre par les hommes du métier.

I1 faut aussi noter que la possibilité de la variation de la densité surfacique de l'énergie réfléchie dans le plan de la source a des implications dans la défense contre les armes a faisceau électromagnétique telles que les armes à laser. Ainsi, un objet considéré comme une cible potentielle pour un laser de grande puissance peut être recouvert en partie ou en totalité d'un ou plusieurs catadioptres ou arrangements de catadioptres ayant des facettes qui oscillent en phase entre tir/2 et w/2-d radians, 6 étant choisi de manière que le plan de densité surfacique maximale d'énergie permette un balayage par exemple entre la distance minimale et la distance maximale d'action du laser.Cette caractéristique provoque le renvoi sur l'arme à laser elle-meme de lumière du laser ayant une densité d'énergie pratiquement égale à celle qui parvient sur les catadioptres, pendant au moins une partie de chaque cycle d'oscillation, pourvu que la direction du faisceau incident soit perpendiculaire au plan de la face du catadioptre (c'est-à-dire le plan de la figure 4) et que les sur faces réfléchissantes aient un pouvoir réflecteur proche de 1,0. Si le plan d'une ou plusieurs cellules réfléchissantes n'est pas perpendiculaire au faisceau incident, la densité surfacique maximale d'énergie réfléchie vers la source laser est un peu réduite (comme décrit dans la suite du présent mémoire).

Différentes autres mesures peuvent être prises afin que ce type de dispositif de protection soit per fectionné et augmente la probabilité de détérioration de l'arme à laser. Par exemple, la mise en oeuvre de la technologie connue en combinaison avec les enseignements du présent mémoire rend possible dans certains cas l'incorporation au dispositif protecteur d'un élément destiné à déterminer la distance et la position de l'arme et d'utiliser cette information pour l'orientation électronique d'un arrangement protecteur avec réglage de la valeur de l'angle s à une valeur choisie ou dans une plage de valeurs telle que le plan de la densité maximale réelle d'énergie réfléchie colncide pratiquement avec le plan du laser ou recoupe plus souvent ce plan.De manière analogue, le dispositif peut être muni d'éléments permettant une poursuite et qui provoquent un changement automatique d'orientation de l'arrangement réflecteur et de l'amplitude des oscillations des facettes du catalyseur suivant la position du laser. La fréquence et/ou la phase d'oscillation peuvent aussi être réglées par mise en oeuvre de techniques classiques, afin que les facettes du catadioptre forment un angle convenable au moment de la réflexion et donnent l'effet cherché.

L'oscillation de l'angle formé par les facettes réfléchissantes d'une cellule catadioptrique peut être assurée par déplacement de deux des trois facettes réf lé- chissantes en phase par rapport à une troisième facette fixe. En outre, les trois facettes peuvent osciller en phase afin qu'elles donnent le même résultat, mais llos- cillation de deux seulement des trois facettes donne plus simplement ce résultat. Dans le cas de deux facettes réfléchissantes, il est évident que l'une peut rester fixe et l'autre peut osciller.

On se réfère maintenant à la figure 4 qui représente le cas dans lequel les trois facettes réfléchissantes oscillent. La figure 4 représente une cellule catadioptrique 40 d'un arrangement 39 de cellules identiques.

La cellule 40 a trois facettes réfléchissantes et sécantes 41, 42 et 43. La facette 43 par exemple oscille comme une plaque rigide et tourne autour d'un axe 44 qui est perpendiculaire à une diagonale 45 de la facette 43. Un bout 46 de la facette 43, indiqué sur la figure 4, parait présenter un déplacement vers le centre de la figure frontale hexagonale formée par le catadioptre 40. De manière analogue, les facettes 41 et 42 tournent autour d'axes (non représentés) qui sont perpendiculaires à leur diagonale.

Lorsque les trois facettes 41, 42 et 43 tournent simultanément autour de leurs axes de rotation si bien que les déplacements ont tous la même amplitude à leurs extrémités, l'angle formé par les facettes de chaque paire de la cellule change de la même quantité pourvu que les trois angles soient égaux au début du déplacement des facettes.

Ainsi, chaque facette tourne autour d'un axe perpendiculaire à la diagonale de la facette passant par le centre de la cellule, et l'angle de rotation est le même pour toutes les facettes. On considère les déplacements du bout de chaque facette plutôt que la rotation autour des axes tels que 44 parce que les déplacements des bouts des facettes peuvent être commodément utilisés pour le contrôle et le réglage du mouvement des facettes comme indiqué clairement dans la suite du présent mémoire. Lorsque le mouvement des facettes est réglé de manière que les déplacements des bouts oscillent à l'unisson, l'effet décrit dans le présent mémoire peut être obtenu.Lorsque les bouts oscillent en phase dans une plage prédéterminée, les angles des facettes réfléchissantes varient à l'unisson d'environ tuf/2 à w/2 d puis à f2. Ainsi, la zone de densité surfacique maximale d'énergie réfléchie provenant d'une source ponctuelle est balayée le long de l'axe tracé entre la cellule catadioptrique et la source. Lorsque la fréquence et l'amplitude maximales de déplacement des bouts sont réglées convenablement suivant un angle 6 voulu, cette zone de densité surfacique maximale tombe sur la source à un moment od la source éclaire le catadioptre.Comme indiqué précédemment, cette opération est aussi telle que, pendant une période de l'éclairement du catadioptre par la source, celle-ci est éclairée par l'énergie réfléchie avec une densité surfacique qui est au moins égale à celle qui serait obtenue d'un catadioptre statique dont les facettes sont parfaitement perpendiculaires. Ainsi, l'angle d'oscillation des facettes est choisi de manière que la source du rayonnement se trouve dans la zone de distance D inférieure à D sur la figure 2 et,
o à certains moments pendant cette période, la source se trouve avec précision dans le plan Do/2 qui est ainsi éclairé avec la même densité surfacique d'énergie réfléchie que la cellule catadioptrique.

L'exposé qui précède néglige évidemment l'effet de l'absorption du rayonnement par les facettes elles-mêmes et la dispersion par le catadioptre. Cependant, on suppose que les facettes catadioptriques sont très réfléchissantes si bien que l'absorption est négligeable A cet égard, il faut noter que les spécialistes peuvent réaliser des surfaces réfléchissantes qui réduisent l'absorption au minimum pratiquement quelle que soit la longueur d'onde électromagnétique. Par exemple, des films d'or appliqués sur du verre donnent un pouvoir réflecteur spéculaire de 0,97 sur une large plage de longueurs d'onde.

On peut aussi obtenir des résultats décrits en référence à la figure 4 en maintenant une facette fixe et en faisant osciller les deux autres de manière que les déplacements relatifs des trois facettes soient les memes avec précision que les déplacements de la cellule de la figure 4. La figure 5a représente les déplacements nécessaires. Elle représente plus précisément la cellule réfléchissante 50 dans un plan perpendiculaire à l'axe initial de symétrie de cette cellule, c'est-à-dire l'axe de symétrie de la cellule avant déplacement des facettes. Le déplacement voulu des deux facettes 52 et 53 peut être déterminé par construction analytique en deux étapes.

D'abord, chaque facette peut tourner, comme une plaque rigide, autour d'un axe de rotation passant par le centre de la cellule (appelé O sur la figure 5a) et qui se trouve dans le plan de la figure 5a, perpendiculairement à la diagonale (telle que 47) de la facette. La rotation de chaque facette déplace le bout de chaque facette uni formément vers l'axe de symétrie de la cellule. Au cours de ce mouvement, le bout de la facette 51 se déplace vers le point a, celui de la facette 52 se deplace vers le point b le long du vecteur 55 et celui de la facette 53 se déplace vers le point c le long du vecteur 58. En outre, pendant ce mouvement, l'axe de symétrie de la cellule reste fixe. A la fin du mouvement, les facettes ont les mêmes positions relatives que celles de la figure 4 après un déplacement maximal.

Ensuite, les positions relatives des trois facettes peuvent être maintenues fixes et l'ensemble de la cellule réfléchissante peut tourner comme un corps rigide si bien qùe la facette 51 reprend son emplacement original.

Pendant de mouvement, le bout de la facette 51 passe du point a à son emplacement original suivant le vecteur 49.

Le bout de la facette 52 se déplace le long du vecteur 56.

L'emplacement 59 du bout de la facette 53 suit les mêmes règles. I1 faut noter que, dans ce second déplacement, l'axe de symétrie de la cellule catadioptrique ne reste pas fixe.

Lorsque les bouts des facettes 52 et 53 se déplacent le long des vecteurs 54 et 57, on obtient le résultat voulu.

Un procédé simple de construction du déplacement des facettes 52 et 53 en une seule étape, donnant le résultat final des déplacements indiqués sur la figure 5a, est représenté sur la figure 5b. Ce procédé peut être utilisé lorsque les déplacements des facettes sont très faibles par rapport à leurs dimensions. La figure représente trois vecteurs U w2 et w3, représentant les rotations subies par les trois facettes pendant la première étape du déplacement en deux étapes décrit précédemment.

Le vecteur wl représente la rotation de la facette 51 ; il passe par le centre de la cellule O et se trouve dans le plan de la figure. il est perpendiculaire à la diagonale de la facette 51. Le vecteur w2 représente la rotation de la facette 52, et le vecteur w3 celle de la facette 53.

Ces deux vecteurs w2 et w 3 se trouvent dans le plan de la figure. Les trois rotations sont réparties symétriquement comme indiqué sur la figure. L'angle a est égal à 300. Dans le déplacement en deux étapes decrit précédemment, chacune des facettes est d'abord déplacée par rotation rigide indiquée par son vecteur rotation, et l'ensemble de la cellule catadioptrique subit alors une rotation égale à w.

Ceci ramène la facette 51 à son emplacement original, Si l'on peut considérer les rotations comme infinitésimales, le déplacement total de la facette 52 peut être considéré comme une simple rotation égale à w2 wl, le déplacement de la facette 53 peut être considéré de manière analogue comme une rotation unique égale à w3 -w1. La figure 5b représente ces rotations.D'après la symétrie de ces vecteurs rotation, on note que la rotation totale de la facette 52, repérée par la référence Q2 sur la figure 5b, se trouve dans le plan de la figure, passe par le centre O de la cellule et est disposée dans un plan perpendiculaire au plan de la figure et qui contient la projection de la position originale du bord délimitant les facettes 52 et 51 sur le plan de la figure ; la rotation 3 de la facette 53 est construite de manière analogue.Ainsi, si les rotations des facettes sont faibles, la rotation totale de chacune de ces deux facettes oscillantes équivaut à une rotation oscillante en phase, avec une même amplitude, autour d'un axe placé le long de la projection des facettes fixes sur le plan passant par le centre O de la cellule et perpendiculaire à l'axe initial de symétrie de la cellule, c'est-à-dire l'axe de symétrie de la configuration non déplacée.

Lorsque les facettes 52 et 53 tournent autour d'axes construits comme décrit précédemment de manière que les deux facettes tournent simultanément du même angle à tout moment et pourvu que les trois facettes soient à l'origine perpendiculaires, on obtient le même effet que l'oscillation des trois facettes décrit en référence à la figure 4 et représenté sur celle-ci.

Une fois déterminés les axes de rotation des facettes, on considère des mécanismes permettant le déplacement des facettes, et la construction de ces derniers ellemême. Les facettes qui se déplacent, par exemple les facettes 52 et 53 de la figure 5b, doivent être formées d'une matière légère et très rigide. Ceci est souhaitable afin qu'elles restent planes lorsqu'elles oscillent. En particulier, on doit prendre soin d'éviter la formation d'ondes de flexion dans les facettes elles-mêmes lors du déplacement oscillant qui leur est imposé. Les matières qui conviennent bien à la construction de plaques légères et rigides formant les facettes sont les polymères ou les métaux légers armés de fibres de graphite.

I1 faut aussi noter que les facettes ne doivent avoir une forme carrée ou rectangulaire très précise. Elles doivent avoir une forme telle que les bords des trois facettes ne viennent pas en contact lors des déplacements des bouts des facettes avec leur amplitude maximale. On peut obtenir par exemple cette caractéristique lorsque chaque facette a la forme d'un losange ou par exemple d'un trapèze d'angle droit au bout 46 (figure 4), chaque facette pouvant avoir à peu près une telle configuration. La forme des facettes est aussi de préférence telle qu'elle remplit autant d'espace que possible lorsque les facettes sont dans leur position non fléchie.Dans la plupart des applications intéressantes, comme l'indique le présent mémoire, l'amplitude de l'oscillation est très faible si bien que les facettes n'ont pas à avoir une configuration très différente de celle d'un carré. La configuration presque carrée, comme indiqué, peut être avantageuse pour des raisons de commodité de construction d'un arrangement de cellules et pour la réduction au minimum de la dispersion.

On peut aussi utiliser des facettes carrées de dimension reduite. Elles présentent l'avantage d'un faible coût de fabrication.

Le mécanisme d'oscillation des facettes doit comprendre un dispositif obligeant les facettes à se déplacer afin qu'elles tournent uniquement autour des axes prescrits. Le mécanisme doit aussi assurer la coordination du mouvement des facettes afn qu'elles oscilent en phase, et doit pouvoir régler l'amplitude du déplacement de manière que chaque facette se déplace de la quantité voulue.

Les critères peuvent être satisfaits par diverses combinai- sons de techniques qui sont bien connues des hommes du mé- tier et largement utilises. On considère dans la suite du présent mémoire quelques exemples de ces techniques, donnés à titre purement illustratif e non limitatif.

On peut utiliser l'une quelconque de plusieurs techniques classiques pour le montage des facettes mobiles afin qu'elles ne tournent qu'autour des axes voulus. Une technique comprend le montage de chaque facette sur un arbre rectifié et poli, par l'intermédiaire de roulements de précision. Cet arrangement est représenté sur la figure 6.

Une facette 61 est montée sur un arbre poli 62. Celui ci est retenu dans des paliers 63 et 64. De cette manière, la facette 61 est obligée de tourner autour de l'axe de l'arbre 62. Une autre technique de support est représentée sur la figure 7 sur laquelle une facette 70 a un bord inférieur monté sur une plaque solide mais flexible 71 qui est amincie délibérément comme indiqué par la référence 72 afin que cette région amincie forme l'axe voulu de rotation. Dans cette configuration, la plaque robuste et flexible 71 joue le rôle d'une charnière élastique. I1 faut noter que, lors de la conception d'une telle charnière, on doit prendre soin d'éviter les phénomènes de fatigue. La figure 8 représente une autre technique de montage dans laquelle une facette 80 est fixée à une matière trempée 81 qui forme un bord 83 de couteau.Celui-ci coopère avec un bloc trempé 82, le contact constituant un axe de rotation pour la facette 80.

On peut utiliser divers dispositifs électromagnétiques pour le pilotage et le réglage des facettes afin qu'elles oscillent en phase. Par exemple, on peut utiliser une petite bobine d'induction, par exemple du type contenu dans un haut-parleur, pour le pilotage de chaque facette.

Lorsque toutes les bobines reçoivent un signal commun, la force appliquée à chaque facette est la même. En outre, on peut utiliser un système inductif/capacitif pour l'application de la force élastique ou de rappel assurant l'oscillation de chaque facette. On peut aussi utiliser des systèmes inductifs/résistifs ou capacitifs/rdsistifs pour assurer un amortissement. Enfin, on peut utiliser des détecteurs de déplacement électrique, par exemple de type capacitif ou inductif, pour le contrôle des déplacements des facettes.

La figure 9 représente un mode de réalisation de commande de l'oscillation des facettes en phase, sous forme schématique. Les facettes 93 et 94 sont pilotées par des bobines d'induciitn 90 et 91, alimentées par un générateur 92 de signaux qui transmet un signal commun aux bobines 90 et 91. Le générateur 92 peut comprendre un dispositif 89 destiné à former un signal d'oscillation assurant une modulation du mouvement par ailleurs purement sinusoïdal des facettes afin qu'il transmette une certaine information, ou qu'il modifie la fréquence ou l'amplitude d'oscillation, dans un but indiqué dans la suite. Les bobines 90 et 91 appliquent aux facettes 93 et-94 des forces par l'interme- diaire d'aimants non représentés, fixés aux facettes correspondantes.Evidemment, il faut noter que les bobines 90 et 91 d'induction peuvent aussi être placées sur les facettes mobiles, les aimants restant fixes. Les bobines 95 et 96 d'induction sont utilisées pour l'application de la force de rappel ou élastique aux facettes 93 et 94. Cette force de rappel est créée par interaction des condensateurs 97 et 98 avec les bobines 95 et 96 d'induction. Des résistances variables 99 et 100 sont destinées à amortir les oscillations. Des bobines 101 et 102 assurent un amortissement couplé des facettes 93 et 94. Ces deux bobines sont reliées par l'intermédiaire d'une résistance élevée R d'amortissement.

Lorsque les facettes 93 et 94 doivent se déplacer en étant déphasées (par exemple les deux facettes se déplaçant vers la droite sur la figure 9), des courants additifs peuvent être créés et peuvent s'opposer à ce mouvement déphasé.

D'autre part, lorsque les facettes 93 et 94 se déplacent en phase, les signaux respectifs s'annulent et ne créent pas de force. Cet amortissement couplé réduit ainsi au minimum les oscillations déphasées des facettes 93 et 94. Les déplacements des facettes 93 et 94 sont détectés par les capteurs capacitifs 103 et 104. Dans ce cas, une plaque du condensateur est montée sur la facette et l'autre est fixe.

I1 faut noter que toute commande automatique en boucle fermée convient pour l'oscillation en phase des deux facettes 93 et 94 de la figure 9, et qu'on peut aussi réaliser d'autres systèmes de pilotage et de commande. Dans un tel appareil, il est préférable que les déplacements respectifs soient mesurés et que cette information soit utilisée pour la commande du dispositif de pilotage qui fait réellement osciller les facettes. Une telle commande automatique en boucle fermée peut aussi assurer la modulation du mouvement des facettes tout en les maintenant en phase, afin qu'il transmette une information.Ainsi, les facettes, au lieu d'être simplement pilotées de manière qu'elles aient des mouvements purement sinusoldaux, peuvent subir des oscilla tions modulées de manière que la densité surfacique d'énergie réfléchie au niveau de la source du rayonnement varie, une information pouvant ainsi être transmise par le catadioptre à la source du rayonnement.

La description qui précède d'exemples de montage, de pilotage et de réglage des facettes oscillantes concerne une cellule catadioptrique à deux facettes, pour des raisons de simplicité. Dans le cas d'une cellule à trois facettes telle que représentée sur les figures 4, 5a et 5b, on peut utiliser les mêmes montages et les mêmes réglages. Cependant, la partie de la structure comprise entre le point d'articulation et la plaque sur laquelle la facette réfléchissante est montée doit être repliée ou disposée autrement de manière que chaque facette oscille autour de son propre axe, par exemple comme indiqué par la référence 22 sur la figure 5b.Comme l'indique la description qui precede, cette modification est nécessaire lorsque deux des facettes sont montées afin qu'elles oscillent, car llaxe de rotation de chaque facette se trouve en dehors du plan de la facette.

Les figures 10a à 10d facilitent la description du fonctionnement du réflecteur oscillant selon l'invention. La figure îOa représente un catadioptre 110 ayant une facette fixe 111 et des facettes oscillantes 112 et 113. Le vecteur
V1 représente le déplacement du bout de la facette 113 et le vecteur V2 celui de la facette 112. La figure lOb représente les amplitudes des vecteurs V1 et V2 en fonction du temps, et elle montre que les facettes oscillent en phase et avec la même amplitude. A chaque moment au cours de l'oscillation des facettes, le plan pour lequel la source est éclairée par l'énergie réfléchie avec la densité surfacique maximale se trouve à une distance différente en avant de la cellule catadioptrique. La figure 10c est un graphique de l'emplacement du plan de densité surfacique maximale Do/2.

Dans le cas d'une source de rayonnement placée à une distance fixe en avant de la cellule catadioptrique, la densité surfacique oscille en fonction du temps. Cette relation est indiquée sur la figure 10d. Sur celle-ci, le paramètre A(t) représente la densité surfacique au niveau du catadioptre.

I1 faut noter que l'augmentation de la densité surfacique d'énergie réfléchie dans le plan de la source permet de remédier de façon importante aux effets de la dispersion, lors du traitement des signaux ou dans d'autres applications des catadioptres. Comme indiqué dans les brevets précités, la dispersion est l'effet singulier le plus important qui réduit l'énergie qui peut être renvoyée vers une source ponctuelle quelconque. La dispersion a lieu lorsque le rayonnement pénétrant dans la cellule catadioptrique ne subit pas trois réflexions totales et est très influencée par l'alignement de la source et de la cellule.Par exemple, si l'axe passant par la source et la cellule est incliné de 200 par rapport à l'axe de symétrie de la cellule, c'està-dire l'axe perpendiculaire au plan des figures 4, 5a et 5b, 50 % environ de l'énergie parvenant sur la cellule sont dispersés dans l'espace au lieu d'être renvoyés vers la source. Comme indiqué précédemment, dans les applications optiques de détermination à des distances modérées (10 à 100 km), les effets de la dispersion peuvent être tels que l'antenne n'est pas éclairée par l'énergie réfléchie même lorsque le réflecteur est parfaitement aligné vers la source.Lorsque la dispersion réduit l'énergie qui est réellement renvoyée vers la source en outre, il est utile dans certaines applications d'utiliser la technique d'oscillation décrite dans le présent mémoire afin que la densité surfacique d'énergie renvoyée vers la source soit accrue. Par exemple, lorsque la source et la cellule catadioptrique ont un défaut d'alignement de 200 tel que suggéré précédemment, l'oscillation des facettes peut augmenter la luminosité de l'image réfléchie sur la source si bien que la densité surfacique du rayonnement réfléchi dans le plan de la source est parfois deux fois plus grande pendant l'oscillation des facettes que lorsqu'une cellule catadioptrique à facettes fixes est alignée parfaitement vers la source.

Dans le présent mémoire, on a considéré des sources ponctuelles de rayonnement. Dans presque tous les cas importants en pratique, on peut considerer les sources finies de rayonnement, par exemple des sources lumineuses presque collimatées, des antennes de radar, etc. comme des ensembles de sources ponctuelles. Une exception possible est celle d'un laser parfaitement collimaté. Cependant, dans les applications de détermination de distance avec un laser, ce dernier présente une divergence considérable.Par exemple, dans la détermination de la distance de la Lune avec un laser, le diamètre du faisceau laser a quelques millimètres à son départ de la Terre mais au moment où il atteint la Lune, il s'est étalé sur plusieurs kilomètres, En conséquence, dans ces conditions, la source peut encore être considérée comme une source ponctuelle ayant un rayonnement divergent. Même lorsque le rayonnement arrive sur la cellule catadioptrique en étant parfaitement collimaté, les effets précédents apparaissent et en général il est préférable que le catadioptre utilisé soit tel que les facettes fassent délibérément un angle inférieur à 90Q, sans qu'un alignement précis à 900 des facettes réfléchissantes soit recherché.Les petites erreurs d'alignement qui apparaissent inévitablement pendant la fabrication ont des effets nuisibles et inconnus sur les caractéristiques d'une telle cellule. Comme indiqué précédemment, si les facettes oscillent convenablement,les effets de la dispersion sont non seulement compensés mais encore d'une manière qui peut être prévue à l'avance et donc réglée.

Ainsi, l'invention concerne un catadioptre dont les facettes oscillent afin que le plan de la densité surfacique maximale-d'énergie se déplace dans le plan qui contient la source du rayonnement. De cette manière, une plus grande quantité d'énergie est réfléchie vers la source que lorsque le catadioptre est formé de facettes fixes parfaitement orthogonales.

Il est bien entendu que l'invention n'a été décrite et représentée qu'à titre d'exemple préférentiel et qu'on pourra apporter toute équivalence technique dans ses éléments constitutifs sans pour autant sortir de son cadre.

Claims (12)

REVENDICATIONS

1. Appareil destiné à réfléchir un rayonnement incident vers la source de ce rayonnement, l'appareil comprenant au moins deux facettes réfléchissantes planes (51, 52, 53) dont les plans se recoupent suivant un angle, ledit appareil étant caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif destiné à faire tourner au moins l'une des facettes (52, 53) par rapport à vautre (51) avec des oscillations de manière que ledit angle varie entre s/2 et w/2-S radians, l'angle S étant choisi de manière que le plan de densité surfacique maximale d'énergie réfléchie passe par la source.

2. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte deux facettes.

3. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte trois facettes (51, 52, 53).

4. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque facette a une surface donnant une réflexion spéculaire.

5. Appareil selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif destiné à faire tourner toutes les facettes (51, 52, 53).

6. Appareil selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'une des facettes (51) ne tourne nas.

7. Appareil selon la revendication 3, caractérisé en ce que le dispositif destiné à faire tourner les facettes comprend un dispositif de pilotage destiné à faire tourner au moins deux facettes (93, 94), un dispositif (103, 104) de détection des déplacements relatifs de chaque facette qui tourne et d'une facette adjacent, et une commande en boucle fermée commandée par les déplacements et destiné à commander le dispositif de pilotage de manière que les facettes entrainées en rotation oscillent en phase.

8. Appareil selon la revendication 3, caractérisé en ce que les facettes ont des formes de losanges.

9. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un arrangement (39) de facettes.

10. Appareil selon la revendication 3, caractérisé en ce que la source est placée à une distance D des facettes, nelles limitent une ouverture A. et la tanaente de l'angle # est donnée par l'expression

11. Appareil selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif (89) destiné à moduler les oscillations en fonction d'un signal d'information, et un dispositif occupant une position telle qu'il reçoit le rayonnement réfléchi et le démodule.

12. Procédé de réflexion d'un rayonnement provenant d'une source, ce rayonnement parvenant-à un catadioptre ayant au moins deux facettes réfléchissantes planes (51, 52) dont les plans se recoupent suivant un angle, ledit procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend la rotation des facettes (51, 52) l'une par rapport à l'autre de manière oscillante afin que leur angle varie entre w/2 et s/2-S radians, l'angle 5 étant choisi de manière que le plan de la densité surfacique maximale d'énergie réfléchie passe par la source.