FR2738630A1 - Procede de classification de menaces par detection infrarouge bispectrale et dispositif de veille correspondant - Google Patents

Abstract

Le procédé selon l'invention propose une autoprotection optimisée dans une bande spectrale incluant l'infrarouge, discret et fiable, avec un taux de fausse alarme (TFA) très réduit. Le procédé exploite la technique d'analyse bi-raies pour élaborer des valeurs de taux d'atténuation représentant de manière significative le degré de menace de cibles détectées. Une détection panoramique périodique permet de suivre l'évolution des menaces, de les classer et d'élaborer une riposte adaptée. Un dispositif de veille pour la mise en oeuvre de ce procédé comprend notamment des moyens de balayage (O, B, M) et deux barrettes de détection (B1 , B2 ) équipées d'un filtre froid (F1 , F2 ) pour effectuer une mesure périodique d'intensité apparente d'un champ de veille panoramique sur deux raies de détection proches, l'une de ces raies étant située en bordure de la bande de transmission, et des moyens de traitement (11, 12; 21, 22; 30) des signaux de sortie (S1, S2) pour élaborer lesdits rapports d'atténuation et le paramétrage des dispositifs de contre-mesure (40). Applications: autoprotection des aéronefs vis-à-vis des missiles.

Description

La présente invention concerne l'autoprotection d'aéronefs

vis-à-vis de projectiles dirigés contre eux, tels que des missiles propulsés.

L'autoprotection d'un aéronef est classiquement réalisée par la mise en oeuvre d'un moyen de détection de missiles, tel qu'un Détecteur de Départ de Missile (en abrégé DDM) ou un Détecteur d'Approche de Missile (en abrégé DAM) suivant la phase de vol à détecter, et de moyens de riposte ou de contre-mesure (leurrage, brouillage) déclenchés par la détection. Les détecteurs de missiles peuvent se classer en deux catégories suivant leur domaine spectral de détection: les dispositifs

électromagnétiques et les dispositifs optroniques.

Les dispositifs électromagnétiques ou radars agissent de manière passive ou active: - les dispositifs de type passif effectuent d'une manière générale une écoute passive à l'aide de deux antennes espacées afin de localiser angulairement la source par goniométrie, en mesurant le retard entre les signaux reçus par les deux antennes; la discrimination de ces dispositifs est satisfaisante, mais ils ne peuvent cependant détecter que des sources électromagnétiques du domaine radar et sont donc totalement inefficaces

sur des missiles à guidage infrarouge.

- les dispositifs actifs utilisent un radar de type Doppler à grand champ qui détecte les missiles par leur vitesse de rapprochement; ils présentent deux inconvénients majeurs: d'une part, leur précision angulaire est mauvaise, et donc leur portée faible et, d'autre part, leur discrétion est

faible, ce qui compromet la furtivité du porteur.

Les dispositifs optroniques sont de type passif et comprennent deux catégories de détecteurs suivant leur bande spectrale de sensibilité

les détecteurs ultraviolets (UV) et les détecteurs infrarouges (IR).

Les détecteurs UV, qui détectent les propulseurs des missiles, ont un faible taux de fausse alarme (en abrégé TFA) car les propulseurs de missile, qui sont à poudre, émettent des raies caractéristiques dans la bande spectrale UV occultée par la couche d'ozone, et pour laquelle le fond de scène est complètement "noir"; cependant, ils sont limités en portée car la bande UV est très rapidement absorbée par l'atmosphère et ils n'ont pas la capacité de détecter des missiles en phase non propulsée (phase de vol terminale). Les détecteurs IR se situent dans une bande de transmission atmosphérique (bande Il 3-5 pm et bande II 18- 12 rIm également utilisable) ce qui leur procure de bonnes portées de détection; ils ont également une bonne discrimination angulaire mais présentent un TFA non négligeable car ils détectent de nombreuses sources infrarouges parasites dans le ciel (bords de nuages éclairés par le ciel) ou sur le sol, du fait de leur grande sensibilité. L'invention vise à pallier les inconvénients décrits ci-dessus, en proposant un système d'autoprotection optimisé, c'est-à-dire opérationnel sur une bande spectrale de détection incluant l'infrarouge, ainsi que discret et fiable, avec en particulier un faible TFA malgré la vitesse élevée des missiles et leur capacité à manoeuvrer (qui imposent une procédure de

détection et de poursuite très rapide, de l'ordre de la seconde).

Cet objectif est atteint selon la présente invention par la mise en oeuvre d'une classification des sources infrarouges détectées, à partir d'une technique d'analyse panoramique de type bi-raies dans une bande de transmission infrarouge de l'atmosphère. Le principe de la détection biraies

est déjà connu, par exemple pour l'aide au pilotage de nuit pour aéronefs.

Selon l'invention, une classification rigoureuse (c'est-à-dire sans

risque d'erreur) des menaces est possible sans avoir à mesurer directement.

la distance absolue entre ces menaces et l'aéronef à protéger: la détection étant effectuée par une analyse périodique de trames, la classification est alors réalisée en temps réel en fonction de l'intensité d'émission des sources détectée sur deux bandes spectrales étroites situées dans ladite bande de transmission. Cette solution présente l'avantage d'être discrète parce que

passive, d'être efficace et de mise en oeuvre simple.

Plus précisément, I'invention a pour objet un procédé de classification de menaces par détection infrarouge bispectrale, caractérisé en ce que, la détection de sources émettant des flux d'intensité lumineuse dans une bande spectrale de transmission atmosphérique étant effectuée par une analyse périodique bispectrale, la classification est réalisée par comparaison d'un rapport d'atténuation de l'intensité d'émission des sources détectées établi sur deux bandes spectrales étroites situées dans ladite bande de transmission, et par réactualisation à chaque période de trame de

ces comparaisons.

Les sources non menaçantes, correspondant à des objets au sol, sont les plus éloignées et ont une distance fixe dans un repère absolu et donc un rapport d'atténuation fixe. Elles peuvent être éliminées sans risque

d'augmenter le TFA.

L'invention concerne également un capteur de veille infrarouge de mise en oeuvre dudit procédé de classification, comportant des moyens de balayage et de détection pour effectuer simultanément ou o séquentiellement la mesure de l'intensité apparente des sources de rayonnement infrarouge présentes dans un champ de veille, dans deux raies spectrales proches, de préférence en bordure de ladite bande de

transmission pour l'une au moins de ces bandes étroites.

De plus amples précisions, d'autres caractéristiques et avantages

de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit,

illustrée par les figures annexées qui représentent respectivement: -la figure 1, un organigramme fonctionnel du procédé de classification selon l'invention; - les figures 2a, 2b et 2c, trois graphiques représentant l'évolution du coefficient de transmission dans les bandes de transmission de l'atmosphère; - la figure 3, un exemple de réalisation d'un dispositif de veille

selon l'invention.

Le procédé de classification de menaces selon l'invention est basé sur l'exploitation du fait que l'atténuation par l'atmosphère des rayonnements infrarouges, provenant d'objets détectés en tant que sources d'émission infrarouge, est un phénomène fortement non linéaire en fonction de la longueur d'onde de détection. Dans ces conditions, pour une atmosphère donnée, le rapport d'atténuation R entre les intensités apparentes de ces rayonnements dans deux bandes de détection particulières, formant une détection bi-raies, est directement représentatif de la distance de l'objet au site de détection, et permet d'établir une

classification des objets détectés en fonction de leur menace.

Dans une détection bi-raies, une première image est analysée dans une première bande de détection étroite, définie comme une raie spectrale de largeur AX égale à la limite de résolution fournie par ladite détection, et centrée sur une longueur d'onde I1. Dans ces conditions, l'intensité apparente IA d'un objet situé à la distance D de l'aéronef à protéger, dans une atmosphère définie par un coefficient d'extinction, cri fonction croissante de la longueur d'onde Xi, peut s'écrire d'après les principes de propagation lumineuse: IA() = o() e QD

lo étant l'intensité d'émission intrinsèque de l'objet.

Pour une seconde image captée dans une seconde raie spectrale centrée sur une autre longueur d'onde X2 supérieure à Xi1, pour laquelle o2 est le coefficient d'extinction de l'atmosphère, l'intensité apparente vaut: IA(l,) = Io(<2) e-ED Le rapport d'atténuation R, défini par IA(x1) /IA(A.2), vaut alors: R = e(L-)D lorsque 1o(1) 1o(,2), c'est-à- dire lorsque les deux raies de longueurs d'onde 1 et '2 sont suffisamment proches (les sources pouvant alors être assimilées à des corps noirs à des températures proches de la

température ambiante).

Ainsi la valeur du rapport d'atténuation R pour une source détectée est directement liée à la distance D de cette source, et une comparaison par valeur croissante entre les valeurs de ce rapport pour les différentes sources détectées, fournit une classification qui correspond à la

classification de distance entre ces sources et l'aéronef à protéger.

Selon l'invention, il est ainsi procédé à la mise en place des étapes fonctionnelles suivantes, telles qu'illustrées par la figure 1: - étape de détection 1 de sources émettant des flux d'intensité lumineuse dans une bande spectrale de transmission atmosphérique par analyse périodique de trames de type bi-raies; - étape de classification des menaces 2 par établissement, comparaison et classement par valeur décroissante des rapports d'atténuation R de l'intensité d'émission des sources détectées sur deux bandes spectrales étroites dites raies de détection, situées dans ladite bande de transmission; - étape de réactualisation 3 de ces comparaisons à chaque période de trame; - et étape de contre-réaction 4 pour déclencher une riposte adaptée dans l'ordre des menaces établi à partir des étapes précédentes, la plus proche (c'est-à-dire la plus menaçante) correspondant à un rapport

d'atténuation R le plus petit (c'est-à-dire le plus proche de 1).

Pour que le rapport R soit une mesure suffisamment sensible, c'est-à- dire suffisamment éloignée de 1 en fonction de la distance, la valeur de la différence a2-a1 est suffisamment éloignée de 0. Il en est ainsi, en particulier, en choisissant une raie dans la bande de la détection située dans la bande de transmission atmosphérique, et l'autre raie de détection en bord de cette bande de transmission, là o l'atténuation commence à être importante. Par ailleurs, pour obtenir une valeur significative de R, la largeur de raie AI est de préférence juste suffisante pour que le flux capté par le détecteur soit nettement supérieur au bruit de lecture du détecteur. Pour ce faire, un filtrage à basse température dit "froid", déterminant la bande passante AI, peut être utilisé afin de ne pas engendrer de bruit de réémission en dehors de cette bande passante, bruit qui, détecté, pourrait

masquer le signal utile reçu dans la bande de transmission.

Le choix de la position des raies de détection dépend également des conditions climatiques régnant dans le champ de veille. Les courbes C1 à C5 des figures 2a, 2b et 2c représentent l'évolution du coefficient de transmission T dans des fenêtres de transmission atmosphérique à des distances d'émission différentes: à 3, 10, 15, 20, et 30 km, pour un climat différent. Les figures indiquent des exemples de valeurs de couples de raies -1 et.2 pouvant être choisies dans ces fenêtres classiques de transmission: - la fenêtre de transmission de la figure 2a est la bande 8-12 lzm (bande III) pour un climat de type "latitude moyenne été" ( en abrégé MLS d'après la dénomination anglo-saxonne "Mid Latitude Summer"); le couple de raies retenu (x2 = 9 gm et I1 = 8,25 pm) se situe en bord de bande; - la fenêtre de transmission de la figure 2b est toujours la bande III, mais pour un climat de type "latitude moyenne hiver" ( en abrégé MLW d'après la dénomination anglo-saxonne Mid Latitude Winter); I'exemple de raies utilisé (.2 = 9 gm et.1 = 8,25 pm) se situe en bord de bande; - la fenêtre de transmission de la figure 2c est la bande Il (3-5 pm) pour un climat de type MLS; I'exemple de raies utilisées pour la détection (X1 = 4 gm et X2 = 4,6 prm) se situe à proximité de bords de

transmission existant à l'intérieur de la bande de transmission.

Les courbes des figures 2a et 2b, calculées pour une même fenêtre de transmission, illustrent le fait que la transmission, et donc l'atténuation atmosphérique, varie sensiblement avec le type de climat ambiant. Afin d'obtenir la valeur exacte de la distance D des objets détectés, i5 il conviendrait donc de connaître avec précision la valeur des coefficients

d'absorption (al et a2) de l'atmosphère correspondant à un climat donné.

Mais si, comme il est raisonnable de le supposer, l'atmosphère reste homogène autour du site de détection, par exemple dans un rayon de quelques kilomètres (10 km pour fixer les idées), il est inutile de déterminer la valeur exacte de la distance D, c'est-à-dire de connaître celle du coefficient d'absorption de la raie de détection pour classer avec rigueur les sources détectées en fonction de la menace qu'elles représentent. En effet, dans ces conditions d'homogénéité, une classification effectuée directement en fonction de leur rapport R d'intensités apparentes suffit car elle correspond rigoureusement, comme montré plus haut, à une classification

de distances relatives même si l'atmosphère n'est pas connue.

Un exemple de réalisation d'un dispositif de veille infrarouge selon l'invention est décrit ci-dessous en référence à la figure 3. Il est basé

sur l'utilisation de détecteurs en matériau composite de type Mercure-

Cadmium-Tellure (MCT) dont la technologie est connue de l'homme de l'art.

Le détecteur infrarouge comporte deux barrettes B1 et B2 composées de capteurs élémentaires et d'un circuit de lecture intégré de type CMOS (IR-CMOS) en matériau MCT, ou de type CCD (Dispositif à Couplage de Charge). Ces deux barrettes sont montées dans un cryostat C et refroidies à la température nécessaire pour avoir un fonctionnement

nominal (typiquement 77 K).

Chaque barrette est équipée d'un filtre froid, respectivement F1 et F2, placé également dans le cryostat C, qui lui confère une bande spectrale de sensibilité étroite, par exemple 0,5 Im, respectivement centrée sur la longueur d'onde choisie, X1 et X2. Le flux de scène Fi traverse classiquement un objectif frontal O disposé dans un bâti B pour être projeté sur les barrettes de détection, B1 et B2 (fixées au bâti), après avoir été réfléchi sur la surface d'un miroir M. Un balayage périodique d'analyse panoramique de la scène est obtenu par rotation du bâti B suivant l'axe Z'Z à l'aide de moyens d'entraînement connus (et non représentés), la période de rafraîchissement de l'analyse définissant la période trame. L'image formée par projection sur les barrettes est décomposée en points d'image correspondant aux capteurs élémentaires. Les niveaux de luminance de ces points d'image sont intégrés dans les capteurs puis périodiquement lus dans les circuits de lecture qui délivrent un signal de sortie, respectivement S1 et S2. L'intensité de ces signaux reproduit périodiquement au cours du temps, pour tout l'espace balayé, les variations de niveau d'intensité lumineuse apparente du flux provenant de mêmes localisations spatiales de cet espace, et reçu par les

barrettes dans leur bande de détection respective.

Les deux barrettes sont espacées de sorte que, au cours du balayage, l'intervalle de temps séparant le passage de l'image d'une source infrarouge successivement sur les deux barrettes soit très faible, de l'ordre de quelques microsecondes. Dans ces conditions, le rapport d'atténuation bispectral R, calculable à partir des signaux issus des deux barrettes, n'est pas faussé par les fluctuations d'intensité de la source ou par les

turbulences atmosphériques, ce qui réduit d'autant le TFA.

Les signaux S1 et S2 sont ensuite amplifiés dans les amplificateurs 11 et 12, numérisés à travers les convertisseurs 21 et 22, respectivement couplés aux amplificateurs 11 et 12, puis comparés à l'aide d'un processeur numérique 30. Ce processeur calcule les rapports d'atténuation R à chaque trame d'analyse, les range par ordre de valeurs croissantes correspondant à une classification de distances, pour établir la classification des menaces décrite précédemment. Le résultat de cette classification est transmis à un dispositif de contre-mesure 40 qui va traiter en priorité la source la plus menaçante. Il peut être également prévu des

moyens de visualisation 50 de l'image successivement captée.

La surveillance trame à trame du rapport d'atténuation R de chaque source infrarouge détectée peut être effectuée par programmation classique du processeur 30, en comparant les valeurs de R successivement prises dans le temps pour une même localisation spatiale. Ce suivi de classification en temps réel augmente l'efficacité de la riposte car plus la vitesse d'une source infrarouge rapprochée est élevée, plus elle est

0o menaçante. Le TFA est alors réduit à une valeur quasi-nulle.

Par ailleurs, le processeur peut éliminer les sources dont le rapport d'atténuation est constant, sans risque d'augmenter le TFA car ces sources, dont la distance n'évolue pas, sont en fait des sources fixes. Le

traitement en est simplifié d'autant.

L'invention n'est pas limitée à l'exemple de réalisation décrit et représenté. Un détecteur bien adapté pour le dispositif de veille selon l'invention est le détecteur matriciel à multi-puits quantiques (MPQ) obtenu par dépôt de couches ultra-minces de matériaux semi-conducteurs composites de GaAs. De tels détecteurs sont décrits par exemple dans I'article de la revue La Recherche n 248 Volume 23, page 1270 (1992), ou dans l'article de la revue Applied Physic Letters Volume 60, page 895 (1992). Ces détecteurs ont été développés notamment pour l'aide au

pilotage de nuit des aéronefs.

Un détecteur matriciel MPQ fonctionnant en mode séquentiel ou en mode simultané peut être mis en oeuvre par l'homme du métier. Pour chaque point d'image, les niveaux d'intensité apparente dans les raies de détection -1 et à 12 sont traités comme décrit précédemment pour déterminer le niveau de menace relatif des sources détectées et ainsi

supprimer les fausses alarmes.

Claims (10)

REVENDICATIONS

1. Procédé de classification de menaces par détection infrarouge bispectrale, caractérisé en ce que, la détection de sources émettant des flux d'intensité lumineuse dans une bande spectrale de transmission atmosphérique étant effectuée par une analyse périodique bispectrale (1) d'un champ de veille de trames, la classification est réalisée par établissement, comparaison et classement (2) par valeur croissante des rapports d'atténuation de l'intensité d'émission des sources détectées établis o sur deux raies (X1,)2) spectrales proches et situées dans ladite bande de transmission, puis par réactualisation (3) à chaque période de trame de ces comparaisons, et en ce qu'une riposte adaptée (4) découle de cette classification.

2. Procédé de classification selon la revendication 1, caractérisé en ce que les sources qui présentent un rapport d'atténuation constant sont

éliminées de ladite comparaison.

3. Procédé de classification selon l'une des revendications

précédentes, caractérisé en ce que les raies de détection sont de largeur limitées par un filtrage froid (F1, F2) de bande passante pour que l'intensité du flux détecté soit nettement supérieur au bruit de lecture de la détection et pour éliminer les bruits de réémission en dehors de la bande passante

délimitée par le filtrage.

4. Procédé de classification selon l'une des revendications

précédentes, caractérisé en ce que, le champ de veille ayant des conditions de climat connues, le choix des raies (X1, 12) est optimisée en fonction des

conditions climatiques.

5. Dispositif de veille infrarouge de mise en oeuvre du procédé

selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce

qu'il comporte des moyens de balayage (O, B, M) et de détection (B1, 32) pour effectuer simultanément ou séquentiellement une mesure périodique d'intensité apparente des sources de rayonnement infrarouge présentes dans un champ de veille panoramique sur deux raies de détection (.1,.2) proches situées dans ladite bande de transmission atmosphérique, et des moyens de traitement de signal (11,12; 21,22; 30) couplés aux moyens de mesure pour calculer un rapport d'atténuation lumineuse des intensités mesurées entre les deux raies (x1, 12) et pour transmettre des ordres de

riposte à des moyens de contre-mesure (40).

6. Dispositif de veille infrarouge selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'une desdites raies (X1, X2) est située en bordure de

i0 ladite bande de transmission.

7. Dispositif de veille infrarouge selon l'une des revendications 5

et 6, caractérisé en ce que les moyens de balayage comportent un objectif frontal (O), disposé dans un bâti (B) mobile en rotation autour d'un axe (ZZ) pour projeter un faisceau incident (Fi) sur deux barrettes de détection (B1, B2) fixées au bâti (B), après avoir été réfléchi sur la surface d'un miroir (M), en ce que les moyens de détection comportent les barrettes (B1, B2) en matériau composite, montées dans un cryostat (C), chaque barrette étant équipée d'un filtre froid (F1, F2) et d'un circuit de lecture qui délivre un signal de sortie (S1, S2), et en ce que les moyens de traitement des signaux de sortie comportent des amplificateurs (11, 12), couplés à des convertisseurs (21, 22) puis à un processeur (30), ce processeur calcule les rapports d'atténuation à chaque trame d'analyse par comparaison des niveaux d'intensité des signaux de sortie et les classe par ordre de valeurs décroissantes, la classification établie étant transmise à un dispositif de

contre-mesure (40).

8. Dispositif de veille infrarouge selon la revendications 7,

caractérisé en ce que le processeur (30) compare les valeurs de rapports d'atténuation successivement prises dans le temps pour une même

localisation spatiale.

9. Dispositif de veille infrarouge selon les revendications 7 ou 8,

caractérisé en ce que le processeur (30) élimine les sources qui présentent

un rapport d'atténuation constant.

10. Dispositif de veille infrarouge selon les revendications 7 à 9,

caractérisé en ce que la détection est réalisée à l'aide d'un détecteur

matriciel à multi-puits quantiques.