FR2566143A1 - Procede et circuit pour le traitement des signaux d'un capteur de l'horizon terrestre dans un satellite de la terre - Google Patents

Abstract

PROCEDE ET UN CIRCUIT POUR LE TRAITEMENT DES SIGNAUX D'UN CAPTEUR DE L'HORIZON TERRESTRE D'UN SATELLITE PLACE SUR UNE ORBITE CIRCULAIRE, LE CAPTEUR D'HORIZON TERRESTRE TRAVAILLANT DANS L'INFRAROUGE, COMPORTANT DANS LE PLAN FOCAL D'UNE OPTIQUE D'ENTREE UN DISQUE INTERRUPTEUR (CHOPPER) AYANT UN DIAMETRE CORRESPONDANT A L'IMAGE DE LA TERRE ET ANIME D'UN MOUVEMENT DE VA-ET-VIENT PERIODIQUE (BATTEMENT) D'UNE CERTAINE FREQUENCE DE BATTEMENT F, AINSI QU'UN DETECTEUR 1 POUR LE RAYONNEMENT LUMINEUX, PERIODIQUEMENT INTERROMPU, DE BORDS OPPOSES DE LA TERRE. LE SIGNAL DE SORTIE DU DETECTEUR 1 EST, POUR LA PRODUCTION D'UN SIGNAL DE DERIVE, DEMODULE EN SYNCHRONISME AVEC LA FREQUENCE DE BATTEMENT F. POUR AFFAIBLIR L'INFLUENCE DE L'ANOMALIE TERRESTRE, LE SIGNAL AMPLIFIE DE SORTIE DU DETECTEUR 1 EST, EN OUTRE, POUR PRODUIRE UN SIGNAL DE SYMETRIE, DEMODULE EN SYNCHRONISME AVEC LA DOUBLE FREQUENCE DE BATTEMENT 2F.

Description

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1 Procédé et circuit pour le traitement des signaux d'un capteur de l'horizon terrestre dans un satellite de la Terre La présente invention concerne un procédé et un circuit pour le traitement des signaux d'un capteur de l'horizon terrestre de satellites de la Terre placés sur une orbite circulaire Pour la préparation de signaux de régulation de l'orientation de satellites terrestres de ce genre, géostationnaires par exemple, on emploie pour deux axes des capteurs optiques de l'horizon terrestre qui peuvent être classés dans la catégorie des capteurs à recherche de zéro. Un tel capteur de l'horizon terrestre travaille dans la gamme infrarouge et est basé sur

le principe du vibreur mécanique, ou chopper. Le rayonne-

ment infrarouge de la terre est concentré par la lentille en germanium d'un objectif et tombe sur un disque interrupteur

(chopper) de forme circulaire dans le plan focal de la lentille.

Ce disque interrupteur, dont le diamètre correspond approxi-

mativement à l'image de la Terre, est animé d'un mouvement périodique de va-et-vient (battement) d'une amplitude et d'une

fréquence déterminées de battement. La lumière, périodique-

ment interrompue par le disque interrupteur,des deux bords ?5 opposés de la Terre délivrés alternativement par la fréquence

de battement est amenée, en passant par une optique secon-

daire constituée d'un segment de miroir sphérique et d'un prisme et en traversant un filtre spectral pour la gamme

infrarouge, jusqu'à un détecteur, pyroélectrique par exemple.

L'oscillation du disque interrupteur est sinusoïdale; l'amplitude

1 de battement est stabilisée par une électronique de commande.

Si la ligne visuelle optique du capteur de l'horizon ter-

restre indique le centre de la Terre, les bords opposés de la Terre sont reproduits périodiquement sur le détec- teur qui génère à partir de là, après amplification, un signal électrique semblable à une sinusoîde redressée, Si les apports de rayonnement des bords opposés de la Terre sont égaux, le signal amplifié est converti, dans un démodulateur synchrone, en une oscillation sinusoïdale sans composante continue, le démodulateur-synchrone étant remodulé en phase, de façon rigide, par la fréquence de battement. Le signal de zéro ainsi obtenu détermine le point zéro du signal de dérive

utilisé pour la régulation de l'orientation du satellite terrestre.

Si la ligne visuelle du capteur d'horizon terrestre n'indique

pas le centre de la Terre, des proportions inégales de rayon-

nement des bords opposés de la Terre -atteindront le détecteur.

Celui-ci délivre à son tour un signal ayant la forme d'une ten-

sion sinusoidale redressée, quoiqu'il y ait une différence

d'amplitude entre les demrni-alternances.

Le démodulateur synchrone, de nouveau remodulé en phase, de façon rigide, par la fréquence de battement, génère à partir de cela une tension continue qui est à peu près linéairement fonction de la dérive de la ligne visuelle du capteur d'horizon terrestre par rapport à la ligne de jonction satellite-centre

de la Terre. Ce signal de dérive peut alors servir à la ré-

gulation de l'orientation.

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1 Jusqu'ici on a posé pour principe que les deux bords opposés de la Terre étaient à la même température; cependant, ceci n'est en général pas le cas. Particulièrement en direction nord-sud de la Terre, les bords opposés de celle-ci sont à une température différente,- ce que l'on désigne communément par "anomalie terrestre", grâce à quoi le signal de dérive démodulé présente là aussi une composante de courant continu

quand la ligne visuelle optique du capteur de l'horizon terres-

tre montre effectivement le centre de la Terre. Le signal de

dérive contient ainsi encore un certain taux d'anomalie, déter-

miné par l'anomalie terrestre, qui peut être représenté par

un déplacement du zéro, dans le sens des ordonnées, de la ca-

ractéristique du capteur de l'horizon terrestre; il s'ensuit que la caractéristique du capteur se trouve décalée du côté du plus faible rayonnement, c'est-à-dire celui qui correspond à une plus basse température. Il faut donc veiller à ce que ce

taux d'anomalie soit corrigé. En fait, cette erreur due à l'ano-

malie n'est que légère si elle est contenue dans la plage li-

néaire de mesure du capteur d'horizon terrestre, qui est de

+ 1 degré environ, mais elle peut atteindre dans les cas extrê-

mes 16% environ de la plage linéaire de mesure. Etant donné

que des satellites géostationnaires doivent aussi servir à réali-

ser des liaisons hertziennes et de télévision à grande distance

vers la Terre, le taux d'anomalie doit être réduit au maximum.

La tâche qui est à la base de la présente invention, c'est d'in-

diquer, pour la régulation de l'orientation d'un satellite géo-

stationnaire de la Terre à l'aide d'un capteur d'horizon ter-

restre du type en question, un procédé et un dispositif par lesquels des signaux puissent être préparés, qui permettent une régulation franche de l'orientation du satellite de la Terre. Selon l'invention, ce problème est résolu par un procédé pour le traitement des signaux d'un capteur de l'horizon terrestre de satellites de la Terre placés sur une orbite circulaire, le capteur d'horizon terrestre travaillant dans la gamme infrarouge et comportant, dans le plan focal d'une optique d'entrée, un disque interrupteur (chopper) ayant un diamètre correspondant à l'image de la Terre et animé d'un mouvement de va-et-vient périodique (battement) d'une certaine fréquence de battement, ainsi qu'un détecteur relevant le rayonnement lumineux, périodiquement interrompu, de bords opposés de la Terre, procédé dans lequel, en outre, le signal de sortie du détecteur est, pour la production d'un signal de dérive, démodulé en synchronisme avec la fréquence de battement, ce procédé étant caractérisé par le fait que le signal amplifié de sortie de détecteur est, pour la production d'un signal de symétrie, en outre démodulé en synchronisme

avec la double fréquence de battement.

De préférence, le signal de symétrie et le signal de dérive de valeur correspondante sont combinés dans un circuit logique numérique OU pour la formation d'un signal numérique de présence qui indique si la Terre se trouve dans la zone de

détection du capteur de l'horizon terrestre.

Le circuit conforme à l'invention pour le traitement des signaux d'un capteur de l'horizon terrestre de satellites de la Terre placés sur une orbite circulaire, ledit capteur travaillant dans la gamme infrarouge et comportant, dans le plan focal d'une optique d'entrée, un disque interrupteur (chopper) ayant un diamètre correspondant à l'image de la Terre et animé d'un mouvement de va-et-vient périodique (battement) d'une certaine fréquence de battement, ainsi

qu'un détecteur relevant le rayonnement lumineux, périodique-

ment interrompu, de bords opposés de la Terre et un amplifi-

cateur, et avec un démodulateur de dérive qui démodule, avec la fréquence d'interruption, le signal de sortie amplifié du détecteur pour la production d'un signal de dérive, est caractérisé par le fait que la sortie de l'amplificateur pour le détecteur est reliée au modulateur de dérive et, en outre, à un démoudlateur de présence synchronisé en phase, de façon rigide, avec la double fréquence de battement, démodulateur

dont la sortie est une sortie supplémentaire du circuit.

De préférence, la sortie du démodulateur de présence est reliée k une entrée de réglage destinée à une électronique

de commande pour la régulation de l'amplitude de battement.

De préférence, la sortie du démodulateur de dérive est en outre reliée k un circuit de valeur qui délivre la valeur du signal de dérive, et la sortie de ce circuit de valeur et celle du démodulateur de présence sont combinées entre elles, par un circuit logique numérique OU, pour la préparation d'un signal numérique de présence qui indique si la terre se trouve

dans la zone de détection du capteur d'horizon terrestre.

La sortie du démodulateur de dérive est avantageusement reliée à un redresseur à double alternance, la sortie de ce dernier et celle du démodulateur de présence étant reliées chacune k un amplificateur à seuil, et la sortie de chacun des amplificateurs k seuil est reliée, pour la formation du signal numérique de présence, à un élément OU dont la sortie constitue une sortie supplémentaire du circuit% La sortie du démodulateur de dérive peut également être reliée k un circuit série constitué d'un redresseur k double alternance et d'un amplificateur, le démodulateur de présence est relié k un autre amplificateur et les sorties des deux amplificateurs sont amenées k un organe d'addition analogique dont la sortie est reliée k un amlificateur k seuil, la sortie de cet amplificateur k seuil constituant une sortie

supplémentaire du circuit.

En conséquence, les signaux de sortie amplifiés du détecteur

sont démodulés en synchronisme de phase rigide avec la dou-

ble fréquence de battement, grâce à quoi un signal analogique de présence ou de symétrie est produit. Ce signal de symétrie montre en outre qu'il est fonction du carré du cosinus de l'an- gle de dérive. Il atteint son maximum quand l'angle de dérive

est nul, c'est-à-dire lorsque la ligne visuelle optique du cap-

teur de l'horizon terrestre indique le centre de la Terre.

Il est essentiel que ce signal de symétrie soit indépendant de

l'anomalie terrestre.

Ce signal de symétrie peut être employé, par exemple, à com-

mander l'amplitude du battement. L'énergie rayonnée par la Terre et captée par le capteur d'horizon terrestre pour la

zone des bords de la Terre est, selon la loi de Stefan-Boltz-

mann, proportionnelle à la quatrième puissance de la tempéra-

ture absolue et proportionnelle à la grandeur de la surface

radiante. Si la ligne visuelle optique du capteur d'horizon ter-

restre désigne le centre de la Terre, la grandeur des surfa-

ces radiantes des bords opposés de la Terre, qui est détectée, pendant l'oscillation du disque interrupteur; par le capteur d'horizon terrestre, est proportionnelle à la surface délivrée par le disque interrupteur dans le plan focal du capteur de

l'horizon terrestre et, par là, également proportionnelle cha-

que fois à l'amplitude de battement. Quand les deux bords

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1 opposés de la Terre présentent des températures faiblement différentes, il y a en conséquence une anomalie terrestre, et la différence d'énergie ainsi provoquée, qui est détectée par le capteur d'horizon terrestre pour les bords opposés de la Terre, est directement proportionnelle à l'amplitude du batte-

ment. Pour cette raison, on peut maintenir petite l'erreur cau-

sée par l'anomalie terrestre, lors d'un alignement exact du

capteur de l'horizon terrestre, par l'ajustage d'une faible am-

plitude de battement. Pour de fortes dérives du capteur d'ho-

rizon terrestre par rapport à l'alignement exact, il faut que le champ de visibilité du dit capteur - c'est-à-dire l'amplitude de

battement - soit agrandi en conséquence, afin d'éviter une sa-

turation précoce de la caractéristique de dérive du capteur.

Pour maintenir aussi faible que possible l'erreur due à l'ano-

malie terrestre, l'amplitude de battement est par conséquent commandée selon une courbe caractéristique qui correspond au signal réfléchi de symétrie, tandis que, pour l'alignement

exact du capteur d'horizon terrestre, il est défini une ampli-

tude minimale de battement qui s'accroît des deux cotés en

fonction de la dérive, selon l'allure du signal réfléchi de sy-

métrie. L'amplitude minimale choisie au point zéro, c'est-à-

dire à l'alignement du capteur d'horizon terrestre sur le cen-

tre de la Terre, doit être si grande que le signal de dérive produit par le dit capteur présente les composantes encore positives et négatives, c'est-à-dire qu'il coupe encore l'axe

horizontal de la caractéristique selon les valeurs de dérive.

Une telle commande de l'amplitude de battement par le signal réfléchi de symétrie, décalé d'une amplitude minimale, a pour effet que la caractéristique "signal de dérive/dérive", obtenue par ailleurs en présence d'anomalie terrestre et déplacée par 1 rapport à la caractéristique normale sans anomalie terrestre, est, autour de la zone du zéro, mofifiée de telle façon qu'il s'ensuit de plus petites erreurs de dérive. Cette commande

est du reste aussi fonction de l'erreur d'anomalie, car le si-

gnal de symétrie lui-même ne dépend pas de l'anomalie ter-

restre. La commande de l'amplitude de battement et l'inter-

prétation restante des signaux délivrés par le capteur d'hori-

zon terrestre peuvent être effectuées à l'aide d'un circuit soit intérieur au dit capteur, soit extérieur dans un calculateur de

position.

En particulier pour un traitement externe des signaux du cap-

teur de l'horizon terrestre aux finsde régulation de l'orienta-

tion du satellite terrestre, il est important de disposer d'un

signal numérique de présence qui indique si la Terre se trou-

ve bien dans la zone de détection dudit capteur. Tant que le signal démodulé de dérive est différent de zéro, c'est-à-dire qu'il y a effectivement une orientation défectueuse du satellite

ou une dérive de la ligne visuelle optique du capteur de 1'hori-

zon terrestre par rapport à la ligne de jonction satellite-

centre de la terre, ce signal numérique de présence peut être

obtenu par un simple redressement du signal de dérive, c'est-

à-dire par une estimation de la valeur du signal de dérive.

Si toutefois la dérive est petite, c'est-à-dire que le signal de

dérive se meut dans la zone du point zéro de la caractéristi-

que de dérive, on peut alors seulement recourir au signal analogique de symétrie pour la formation du signal numérique

de présence, car celui-ci - comme il a été exposé plus haut -

présente un maximum dans la zone du point zéro du signal de dérive. Le signal de dérive de valeur correspondante et le

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1 signal analogique de symétrie sont, à cette fin, combinés entre

eux dans un simple circuit numérique OU.

A la sortie du circuit on a donc le signal démodulé de dérive, le signal analogique de symétrie et le signal numérique de

présence, qui peuvent être utilisés pour la régulation d'orien-

tation par circuit interne ou circuit externe dans un calcula-

teur de position.

Dans des exemples d'exécution, l'invention est mieux expli-

quée au moyen du dessin. Celui-ci représente:

Fig. 1 - Un schéma synoptique de capteur de l'horizon terres-

tre avec un circuit conforme à l'invention pour le traitement des signaux de sortie dudit capteur; Fig. 2 - Un premier exemple de circuit pour la formation d'un signal numérique de présence; Fig. 3 - Un second exemple de circuit pour la formation d'un

signal numérique de présence.

Le pavé 1 désigne schématiquement le détecteur d'un capteur

de l'horizon terrestre, y compris l'optique et un disque inter-

rupteur entrarné à la fréquence de battement f. La commande

du disque interrupteur est réglée par une électronique de com-

mande 2, aussi bien en fréquence qu'en amplitude, et dans ce but a encore été prévu dans le pavé 1 un capteur d'amplitude

du disque interrupteur, dont les signaux sont transmis à l'élec-

tronique de commande. Les signaux de sortie du détecteur 1 sont amplifiés dans un amplificateur 3 et amenés ensuite à un

démodulateur synchrone 4 à filtre passe-bas intégré, le démo-

dulateur synchrone étant remodulé par la fréquence de batte-

ment f. Sortant du démodulateur synchrone, un signal de dérive parvient à une sortie A1. Le signal amplifié de sortie du dé- tecteur est amené, en plus du démodulateur synchrone, à un démodulateur de présence 5 à filtre passe-bas incorporé, ce démodulateur de présence étant remodulé en synchronisme avec la double fréquence de battement 2 f produite, à partir de la fréquence de battement, dans un doubleur de fréquence 6, Le signal amplifié de sortie du détecteur ainsi démodulé en synchronisme et amené à travers le filtre passe-bas est un signal en forme de cloche en fonction de l'angle de dérive et

présente un maximum pour la valeur ZERO de l'angle de dé-

rive. Ce signal retombe du maximum symétriquement des deux

côtés, vraiment sous la forme de la valeur du carré du cosi-

nus de l'angle de dérive. Ce signal de symétrie ou de présen-

ce analogique est disponible à une seconde sortie A2 du cir-

cuit. Ce signal de symétrie est, comme on l'a déjà exposé,

indépendant de l'anomalie terrestre.

Le signal de symétrie peut, comme l'indique la Fig. 1, être renvoyé à l'entrée de réglage de l'électronique de commande

et il est utilisé à la commande de l'amplitude de battement.

Il est apparu que, pour la réduction du taux d'anomalie, l'am-

- plitude de battement de chaque dérive doit être ajustée de façon

optimale, si l'on veut augmenter la précision du capteur d'ho-

rizon terrestre. Grace à la commande et à la stabilisation de

l'amplitude de battement à l'aide du signal de symétrie, l'er-

reur d'anomalie se réduit au zéro de la caractéristique de

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1 dérive du capteur d'horizon terrestre, ainsi qu'on l'a mention-

né plus haut.

Le signal de dérive et le signal de symétrie peuvent encore être combinés dans un circuit logique numérique OU, en un signal numérique de présence que l'on trouve à une sortie A 3 du circuit et qui indique si la Terre se trouve dans la zone de détection du capteur de l'horizon terrestre. Le circuit nécessaire à cette opération logique est représenté à la Fig. 1

par le pavé 7.

Deux exécutions 7' et 7" du circuit pour la combinaison logi-

que des deux signaux sont représentées aux Fig. 2 et 3.

Selon la Fig. 2, le signal de dérive est amené à un redres-

seur à double alternance, de façon qu'à la sortie de celui-ci l'on retrouve un signal unipolaire correspondant à la valeur de la dérive. Ce signal de sortie unipolaire et le signal de symétrie sont amenés séparément dans les amplificateurs à

seuil respectifs 12 et 13, p. ex. Bascule de Schmitt avec ten-

sion de seuil correspondante. Les signaux de sortie des bas-

cules de Schmitt sont combinés dans un élément OU numéri-

que 14, à la sortie duquel apparart le signal numérique de présence. Avec le circuit de combinaison logique 7" selon Fig. 3, un

signal unipolaire, correspondant à la valeur du signal de dé-

rive, est produit à partir du signal de dérive dans un circuit redresseur 21. Ce signal unipolaire et le signal de symétrie sont, séparément dans des amplificateurs respectifs 22 et 23,

accordés entre eux quant à leur valeur maximale et addi-

tionnés ensuite de façon analogique dans un organe d'addition 24. Le signal de sortie de l'organe d'addition à amplification analogique est de nouveau amené à un amplificateur à seuil 25, p. ex. une bascule de Schmitt d'une tension de seuil déterminée. Le signal de sortie de cette bascule de Schmitt 25 est alors le signal nunmérique de présence. L'accord des amplitudes des deuxs-giaux c'imbinés dans les amplificateurs 22 et 23 est effectué de façon que le signal somme à la sortie de l'organe

d'addition analogique 24 dépasse toujours le seuil de la bas-

cule de Schmitt 25, tant que la Terre est présente dans la

zone de détection du capteur de l'horizon terrestre.

Des signaux qui se trouvent aux sorties AI à A3 du circuit

peuvent être encore traités extérieurement dans un calcula-

teur de position pour la formation d'un signal de régu]ation

d'orientation, comme cela a été indiqué plus haut. Il est égale-

ment possible d'utiliser sur circuit interne le signal de dérive, atteint d'un taux d'anomalie provoqué par l'anomalie terrestre, ú avec l'aide du signal de symétrie analogique se trouvant à la sortie A2 pour l'élimination du taux d'anomalie, ainsi que cela

est décrit dans une demande parallèle de la Demanderesse.

Claims (7)

REVENDICATIONS

1. Procédé pour le traitement des signaux d'un capteur de l'horizon terrestre de satellites de la Terre placés sur une orbite circulaire, le capteur d'horizon terrestre travaillant dans la gamme infrarouge et comportant, dans le plan focal d'une optique d'entrée, un disque interrupteur (chopper) ayant un diamètre correspondant à l'image de la Terre et animé d'un mouvement de va-et-vient périodique (battement) d'une

certaine fréquence de battement, ainsi qu'un détecteur rele-

vant le rayonnement lumineux, périodiquement interrompu, de bords opposés de la Terre, procédé dans lequel, en outre, le signal de sortie du détecteur est, pour la production d'un signal de dérive, démodulé en synchronisme avec la fréquence de battement, ce procédé étant caractérisé par le fait que le signal amplifié de sortie de détecteur est, pour la production d'un signal de symétrie, en outre démodulé en synchronisme

avec la double fréquence de battement.

2. Procédé selon revendication 1, caractérisé par le fait que le

signal de symétrie et le signal de dérive de valeur correspon-

dante sont combinés dans un circuit logique numérique OU pour la formation d'un signal numérique de présence qui indique si la Terre se trouve dans la zone de détection du capteur de

l'horizon terrestre.

1

3. Circuit pour le traitement des signaux d'un capteur de l'hori-

zon terrestre de satellites de la Terre placés sur une orbite

circulaire, le dit capteur travaillant dans la gamme infrarou-

ge et comportant, dans le plan focal d'une optique d'entrée, un disque interrupteur (chopper) ayant un diamètre correspon-

dant à l'image de la Terre et animé d'un mouvement de va-et-

vient périodique (battement) d'une certaine fréquence de batte-

ment, ainsi qu'un détecteur relevant le rayonnement lumineux, périodiquement interrompu, de bords opposés de la Terre et

un amplificateur, et avec un démodulateur de dérive qui démo-

dule, avec la fréquence d'interruption, le signal de sortie am-

plifié du détecteur pour la production d'un signal de dérive, caractérisé par le fait que la sortie de l'amplificateur (3) pour le détecteur (1) est reliée au modulateur de dérive (4) et, en outre, à un démodulateur de présence (5) synchronisé en phase, de façon rigide, avec la double fréquence de battement (2 f), démodulateur dont la sortie est une sortie supplémentaire (A 2)

du circuit.

4. Circuit selon revendication 3, caractérisé par le fait que la sortie du démodulateur de présence (5) est reliée à une entrée de réglage destinée à une électronique de commande (2) pour

la régulation de l'a'mplitude de battement.

5. Circuit selon revendication 3 ou 4, caractérisé par le fait que la sortie du démodulateur de dérive (4) est en outre reliée à un circuit de valeur (11; 21, 22) qui délivre la valeur du signal de dérive, et que la sortie de ce circuit de valeur et celle du démodulateur de présence (5) sont combinées entre elles, par un circuit logique numérique OU (7), pour la préparation d'un

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1 signal numérique de présence qui indique si la Terre se trouve

dans la zone de détection du capteur d'horizon terrestre.

6. Circuit selon revendication 5, caractérisé par le fait que la sortie du démodulateur de dérive est reliée à un redresseur à double alternance (11), la sortie de ce dernier et celle du

démodulateur de présence étant reliées chacune à un amplifi-

cateur à seuil (12, 13), et que la sortie de chacun des amplifi-

cateurs à seuil (12, 13) est reliée, pour la formation du signal numérique de présence, à un élément OU (14) dont la sortie

constitue une sortie supplémentaire (A 3) du circuit.

7. Circuit selon revendication 5. caractérisé par le fait que la sortie du démodulateur de dérive est reliée à un circuit série

constitué d'un redresseur à double anterlance (21) et d'un-

amplificateur (22), que le démodulateur de présence (5) est relié à un autre amplificateur (23) et que les sorties des deux amplificateurs (22 et 23) sont amenées à un organe d'addition analogique (24) dont la sortie est reliée à un amplificateur à seuil (25), la sortie de cet amplificateur à seuil constituant

une sortie supplémentaire (A -3) du circuit.