FR2548383A1 - Capteur d'alerte laser pour la detection des rayons lasers et la determination de leur direction - Google Patents
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Abstract
DISPOSITIF POUR LA DETECTION ET LA DETERMINATION DE LA DIRECTION D'UN RAYONNEMENT LASER PULSE OU MODULE EN INTENSITE, DANS LEQUEL LA DETERMINATION DE LA DIRECTION DU RAYON INCIDENT EST ETABLI AU MOYEN D'UNE MESURE DES INTERVALLES DE TEMPS. POUR LA DETERMINATION DE LA DIRECTION DU RAYONNEMENT, ON PREVOIT DEUX SYSTEMES DE DETECTEURS 11, 12 LE PREMIER PRODUISANT UN "SIGNAL-DEPART" DES L'ARRIVEE DU RAYONNEMENT INCIDENT ET LE SECOND UN "SIGNAL-ARRET" TEMPORISE. CE SECOND ELEMENT DETECTEUR 12 EST RELIE A UN CERTAIN NOMBRE DE LIGNES DE TEMPORISATION OPTIQUES DE DIFFERENTE LONGUEUR QUI SONT ACCOUPLEES A UNE OUVERTURE COLLECTRICE OPTIQUE 13 A DIRECTION DE VISEE SPECIFIQUE ET CHAMP VISUEL LIMITE, LES DIFFERENTS CHAMPS VISUELS SE CHEVAUCHANT.
Description
Capteur d'alerte laser pour la détection des
rayons lasers et la détermination de leur direction.
L'invention se rapporte à un dispositif pour la détection et la détermination de la direction d'un rayon5 nement laser pulsé ou modulé en intensité par filtrage spectral et électronique avec au moins deux éléments détecteurs.
De tels dispositifs, qui portent la désignation de "capteurs d'alerte laser" sont connus avec et sans déter10 mination de la direction Ainsi, par la Revue "Laser Focus", Avril 81, Article de P T Ballard, on connait un système
d'alerte laser qui peut être désigné comme capteur d'alerte.
interférométrique avec analyse directionnelle Par ailleurs, par le brevet allemand 28 30 308, on sait déterminer la direction des rayons lasers incidents à partir des différentes hauteurs des signaux des détecteurs ayant différentes positions angulaires Dans la demande de brevet allemand 31 19 773 on propose un capteur d'alerte qui détermine la direction du rayonnement laser au moyen de capteurs constitués de détecteurs à matrices ou multicadrans placés dans le plan focal d'une optique de reproduction D'autres systèmes d'alerte connus utilisent deux ou plusieurs détecteurs localement séparés et déterminent la direction d'un rayon laser incident à l'aide d'une triangulation géométrique en utilisant 25 les distances connues séparant les détecteurs et les intervalles de temps des réponses des différents détecteurs au
signal laser.
Tous ces dispositifs et procédés connus sont toutefois assortis de nombreux inconvénients Soit ils ne comportent qu'un champ visuel limité et une vue tous azimuts ne peut être obtenue qu'au prix d'une mise en oeuvre de moyens importants, soit le pouvoir de résolution angulaire est trop faible, en particulier en cas de directions défavorables des rayons incidents Mais souvent il se produit aussi une altération de la forme du signal laser sous l'effet de l'intégration dans le temps à l'intérieur du détecteur, si bien que la nature de la menace ne peut alors être que difficilement déterminée D'autre part, quelques-uns des dispositifs connus souffrent d'une grande sensibilité aux défaillances et sont sujets à des erreurs angulaires en cas d'encrassement partiel des ouvertures optiques, ou bien ne
présentent qu'une faculté d'adaptation limitée aux différentes longueurs d'ondes lasers.
La présente invention a par conséquent pour objet 10 d'éliminer les inconvénients des dispositifs de l'état de la technique et de mettre au point un dispositif du type précité qui présente une grande dynamique des signaux et garantisse la possibilité d'une analyse des signaux et de
la détermination de la nature de la menace.
Selon l'invention, ce résultat est atteint par le fait que pour la détermination de la direction du rayonnement, on prévoit un dispositif de mesure des intervalles de temps dans lequel le "signal-départ" pour la mesure des intervalles est produit dès l'arrivée du rayonnement inci20 dent laser par un élément détecteur du dispositif de mesure, et le 'ignalarrêt" par le second élément détecteur qui est accouplé par différents organes de temporisation optiques aux différentes directions de visée ayant des champs visuels définis, et que le temps de parcours mesuré dans le circuit 25 de mesure des intervalles constitue une mesure directe de
l'angle d'incidence.
Dans le dispositif selon l'invention, il est par ailleurs avantageux que les champs visuels des organes de temporisation optiques se chevauchent respectivement de manière que pour chaque direction de rayonnement incident au moins deux, mais en général plusieurs signaux diversement temporisés parviennent à l'élément détecteur et que, par une mesure électronique du point de convergence des signaux, on obtienne une moyenne du temps de parcours et par conséquent, 35 un pouvoir de résolution angulaire supérieur à celui qui est
obtenu avec les champs visuels individuels.
Selon une autre particularité de l'invention, la temporisation des signaux arrivant à l'élément détecteur est effectuée par des guides d'ondes lumineuses de diffé5 rente longueur qui sont réunis à une extrémité à l'élément détecteur, chaque autre extrémité des guides d'ondes lumineuses étant réalisée sous la forme d'une surface d'entrée de signaux ayant un champ visuel défini et associée à une direction de visée bien déterminée Chaque champ visuel indi10 viduel peut être déterminé par l'ouverture numérique du guide
d'ondes lumineuses correspondant.
Selon une autre caractéristique de l'invention, une optique de reproduction est en plus associée à chaque guide d'ondes lumineuses dont la surface d'entrée des rayons 15 est décalée par rapport au plan focal de l'optique de reproduction, de façon que chaque champ visuel individuel à chaque fois nécessaire soit donné en corrélation avec le chevauchement des champs visuels nécessaire à l'interpolation
de la direction.
Pour permettre de capter les signaux fortement affaiblis, l'invention prévoit d'associer à chaque détecteur
un détecteur supplémentaire de même type.
Selon une autre caractéristique avantageuse de l'invention, le "signaldépart" reçu non altéré dans le temps 25 est en plus appliqué à un circuit de traitement des signaux pour déterminer la forme de pulsation et de modulation et,
par conéquent, la nature de la menace.
Dans les conflits armés futurs, des lasers seront utilisés pour soutenir les systèmes de conduite de tir Cette 30 menace optique croissante exige un système d'alerte effectif permettant d'identifier la menace en temps voulu et de prendre les contre-mesures nécessaires: Comme après un rayonnement laser, il faut s'attendre à un tir dans les plus brefs délais, la détection sans détermination exacte de la direc35 tion n'est pas suffisante dans le cas normal pour pouvoir amorcer des contre-mesures efficaces Cela est cependant garanti de façon optimale par le dispositif décrit à l'aide d'un mode de réalisation pris comme exemple non limitatif et illustré par le dessin annexé, sur lequel: la figure 1 représente schématiquement une vue en élévation de la structure du capteur d'alerte laser décrit; la figure 2 représente schématiquement une coupe suivant IIII de la figure 1 pour illustrer la disposition 10 des composants optiques; la figure 3 représente un diagramme en fonction du temps pour illustrer l'interpolation angulaire au moyen de la formation du point de convergence et de la mesure du
temps de parcours.
A l'inverse des capteurs de rayons lasers sélectionnant la direction actuellement connus, le capteur d'alerte laser décrit ici, ou le dispositif pour la détection et la détermination de la direction du rayonnement laser, ne comporte aucun détecteur de reproduction et ne fonctionne 20 pas non plus d'après le principe de la triangulation ni suivant un procédé de comparaison des hauteurs de signaux, mais détermine la direction du rayon laser incident à l'aide d'une mesure des intervalles de temps, l'intervalle de temps étant produit par une temporisation, dépendant de la direc25 tion, du temps de parcours du signal à l'intérieur du
capteur d'alerte lui-même.
La modification la plus simple du capteur d'alerte proposé ne prévoit que deux simples éléments détecteurs par exemple desdits "single chip" (détecteurs à semi-conduc30 teurs), à savoir, un détecteur central 11 qui peut recevoir le rayon laser provenant de toutes les directions et fournit le "signal-départ" pour la mesure des intervalles de temps, et un détecteur de direction 12 qui est relié par un certain nombre de guides d'ondes lumineuses 14 à différentes optiques 35 identiques 13 dont chacune ne dispose que d'un champ visuel limité dans une direction déterminée, Du fait que le "signal de direction" parvient au détecteur 12 par l'intermédiaire de guides d'ondes lumineuses 14, il se produit vis-à- vis du signal du détecteur central 11 une temporisation qui dépend de la longueur du guide d'onde 14, attendu que les différents guides d'ondes individuels 14 aboutissant à chaque optique 13 sont de longueur différente De ce fait, cependant, la temporisation est caractéristique de la direction de l'incidence des rayons lasers et la détermination de la direction peut
ainsi être effectuée par l'intermédiaire d'une mesure des intervalles de temps, comme déjà mentionné.
Pour obtenir maintenant un grand pouvoir de résolution angulaire, il est, en outre, proposé de disposer les champs visuels des différentes optiques de façon 15 qu'ils se chevauchent Cette disposition est illustrée sur la figure 2 Pour chacune des directions, au moins deux, mais en règle générale plusieurs signaux différemment temporisés parviennent au détecteur de direction 12 L'interprétation électronique au moyen d'un ordinateur ou d'un calculateur dis20 ponible dans le commerce détermine en tant que "signal d'arrêt" significatif du temps le point de convergence des différents signaux de direction et forme une valeur moyenne pondérée en fonction du temps De cette façon, on peut interpoler entre les directions de visée discrètes des différentes optiques indivi25 duelles 13 et obtenir un pouvoir de résolution directionnel considérablement plus élevé Dans le diagramme en fonction du temps, selon la figure 3, les signaux (ZD) du détecteur central
et les signaux (RD) du détecteur de direction sont comparés.
Comme les lignes de temporisation se situent dans la plage de 10 m et de quelques 100 m, la détermination de la direction par la mesure des intervalles de temps s'effectue très rapidement par exemple en 1 ps, Il y a lieu de préciser que comme pour la détection laser on n'utilise que des détecteurs individuels et 35 aucun détecteur à lignes à matrice, le dispositif décrit présente quelques avantages importants En premier lieu, le signal électronique du détecteur restitue le signal laser sans altération, si bien que la nature de la modulation laser peut être déterminée de façon simple, en deuxième lieu, les détecteurs individuels permettent le traitement d'une très haute dynamique de signaux et en troisième lieu, la sensibilité spectrale des détecteurs à semiconducteurs généralement disponibles est très élevée dans la totalité de la zone visible et dans la zone du proche infrarouge Il reste entendu que 10 selon le choix du matériau des guides d'ondes lumineuses, des composants optiques et du détecteur, on peut capter différentes zones spectrales sans modification du principe de mesure. Les figures 1 et 2 représentent l'exemple de 15 réalisation d'un capteur d'alerte laser pour vue tous azimuts de 360 Un "détecteur de départ" central 11, qui est exécuté de préférence sous forme de "détecteur immergé" et peut capter des signaux provenant de toutes les directions, déclenche sans retard la mesure des intervalles de temps Le second détecteur 20 est réalisé sous la forme d'un "détecteur d'arrêt" 12 Dans l'exemple décrit, le détecteur 12 est relié par 36 guides d'ondes lumineuses 14 de longueur différente à 36 collecteurs de lumière 13 les surfaces d'entrée des guides d'ondes étant disposées à l'extérieur des plans focaux correspondants de
façon à couvrir respectivement un champ visuel d'environ 250.
Dans l'exemple de réalisation, on choisit une différence de longueur de 5 m entre des guides d'ondes lumineuses voisins 14, le plus cou-rt ayant 10 m et le plus long 185 m Toutes les surfaces de sortie des guides d'ondes lumineuses sont réunies en un faisceau et appliquées sur la surface sensible du "détecteur d'arrêt" 12 Si maintenant une impulsion laser parvient exactement dans l'axe optique d'un dispositif optique
à guides d'ondes lumineuses, un signal fort est appliqué au détecteur d'arrêt 12 en fonction de la temporisation corres35 pondante des guides d'ondes lumineuses Compte tenu du chevau-
chement des champs visuels des dispositifs optiques voisins, il se produit symétriquement dans le temps, par rapport au signal principal et sous l'effet des temps de parcours différents des guides d'ondes, un signal plus faible déphasé en avant et un signal plus faible déphasé en arrière Le point de convergence dans le temps du signal total coïncide cependant avec le signal principal, de telle sorte que dans le circuit de mesure des intervalles (non représentés) on mesure un temps de parcours qui correspond exactement à la direction 10 effective du rayon incident arrivant dans l'axe optique du
dispositif optique correspondant à des guides d'ondes lumineuses.
Si la direction du rayon incident ne se situe pas dans l'axe optique du système collecteur, le signal princi15 pal est proportionnellement moins accentué, tandis que les signaux déphasés en avant et en arrière sont plus fortement accentués La mesure du point de convergence dans le temps fournit alors une interpolation entre les axes optiques discrets Dans l'exemple de réalisation, les axes optiques des dispo20 sitifs à guides d'ondes lumineuses voisins forment un angle de 10 La différence de temps de parcours est t = l n/c, " 1 "
étant la différence de longueur des guides d'ondes lumineuses, "n" leur indice de réfraction et "c" la vitesse de la lumière.
Pour 1 = 5 m, N = 1,5 et c = 300 000 Km/s, on a "t" = 25 ns.
Pour obtenir un pouvoir de résolution angulaire de 1 , il faut que la mesure des intervalles détermine le point de convergence dans le temps du signal d'arrêt à 2,5 ns près, une valeur facile à atteindre avec une électronique conventionnelle La temporisation maximale du signal dans la 30 partie optique du capteur d'alerte est de T-= 1 ps, ce qui ne provoque aucune perturbation dans la faculté de réaction de l'ensemble du système, Les dimensions géométriques de l'exemple de réalisation sont les suivantes: diamètre de l'optique
individuelle = 14 mm, diamètre du capteur d'alerte = 180 mm.
Le capteur d'alerte 10 qui vient d'être décrit se rapporte à une vue circulaire tous azimutsr mais sans pouvoir de résolution en élévation, Celle-ci est obtenue en modifiant la disposition des ouvertures d'entrée sur une hémisphère ou un segment hémisphérique Il est toutefois également possible de placer les uns sur les autres plusieurs des dispositifs décrits, chacun de ces dispositifs couvrant
un champ visuel conique à angles de cône différents.
Pour augmenter la fiabilité du capteur d'alerte laser 10, on peut par exemple, en vue de supprimer le rayon10 nement parasite et d'arrière-plan, installer devant les détecteurs un ou plusieurs filtres optiques à bande étroite adaptés au rayonnement prévu Un filtrage électronique des signaux est aussi possible sans difficulté Comme en ce qui concerne la menace laser, il s'agit principalement de courtes 15 impulsions individuelles ou de signaux modulés en pulsations, des rayonnements parasites hétérogènes sont faciles à supprimer
par un filtrage passe-haut.
Claims (7)
1 Dispositif pour la détection et la détermination de la direction d'un rayonnement laser pulsé ou modulé en intensité par filtrage spectral et électronique avec au moins deux éléments détecteurs, caractérisé par le fait que pour la détermination de la direction du rayonnement, on prévoit un dispositif ( 10) de mesure des intervalles de temps dans lequel le "signal-départ" pour la mesure des intervalles est produit dès l'arrivée du rayonnement incident laser par un 10 élément détecteur ( 11) du dispositif de mesure ( 10) et le "signal-arrêt" par le second élément détecteur ( 12) qui est accouplé par différents organes de temporisation optiques ( 13) aux différentes directions de visée ayant des champs visuels définis et que le temps de parcours mesuré dans le circuit de mesure des intervalles constitue une mesure directe
de l'angle d'incidence.
2 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les champs visuels des organes de temporisation optiques ( 13) se chevauchent respectivement de manière 20 que pour chaque direction du rayonnement incident, au moins deux, mais en général plusieurs signaux diversement temporisés parviennent à l'élément détecteur ( 12) et que, par une mesure électronique du point de convergence des signaux, on obtient une moyenne du temps de parcours et par conséquent un pouvoir 25 de résolution angulaire supérieur à celui qui est obtenu avec
les champs visuels individuels.
3 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la temporisation des signaux arrivant à l'élément détecteur ( 12) est effectuée par des guides d'ondes 30 lumineuses ( 14) de différente longueur qui sont réunis à une extrémité à l'élément détecteur ( 12) et que chaque autre extrémité des guides d'ondes lumineuses ( 14) est réalisée sous la forme d'une surface d'entrée de signaux ayant un champ
visuel défini et associée à une direction de visée bien 35 déterminée.
4 Dispositif selon les revendications 1 et 3, caractérisé par le fait que chaque champ visuel individuel est
déterminé par l'ouverture numérique du guide d'ondes lumineuses ( 14) correspondant,
5 Dispositif selon les revendications 1 et 3, caractérisé par le fait qu'une optique de reproduction ( 13) est
en plus associée à chaque guide d'ondes lumineuses ( 14) dont la surface d'entrée des rayons est décalée par rapport au plan focal de l'optique de reproduction ( 13), de façon que chaque champ visuel individuel à chaque fois nécessaire soit donné en correlation avec le chevauchement des champs visuels
nécessaire à l'interpolation de la direction.
6 Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait qu'à chaque détecteur 15 ( 11,12) est respectivement associé un détecteur supplémentaire de même type pour capter les signaux fortement affaiblis.
7 Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait que le " signal-départ" 20 reçu non altéré dans le temps est en plus appliqué à un
circuit de traitement de signaux pour déterminer la forme de pulsation ou de modulation et par conséquent, la nature
de la menace.
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