FR2748881A1 - Dispositif de guidage par faisceau laser effectuant un balayage de l'espace en lissajous - Google Patents

Abstract

Dispositif de guidage optique d'un missile au moyen d'un émetteur de faisceau comportant par exemple une source laser à CO2 (1) fonctionnant à 10,6 mu et dont le faisceau effectue le balayage en Lissajous du champ de guidage au moyen de deux déviateurs optiques (3 et 3') constitués par les miroirs vibrants (9 et 11) actionnés respectivement par les galvanomètres (8 et 10) fournissant des déviations en dents de scie symétriques. Le faisceau émergeant du zoom (7) balaye ledit champ dans la direction du missile à bord duquel est monté le récepteur de guidage synchronisé au départ avec l'émetteur et comportant le détecteur (14) refroidi par cryogénie. Le signal détecté, amplifié (en 17), entre dans le comparateur (18) dont la sortie est reliée au compteur (20). Le processeur numérique (22) relié au compteur fournit la valeur du seuil et effectue le décodage des données pour indiquer les coordonnées du missile et corriger les erreurs de synchronisme. Application au guidage d'un missile.

Description

DISPOSITIF DE GUIDAGE PAR FAISCEAU LASER EFFECTUANT UN BALAYA
GE DE L'ESPACE EN LISSAJOUS.

L'invention concerne un dispositif de guidage optique à distance d'un missile sur une cible au moyen d'un émetteur de faisceau, ledit faisceau provenant d'une source laser modulable ou non dont l'image projetée au niveau du récepteur (ou écartomètre) monté sur le missile est une tache circulaire qui balaie le champ de guidage au moyen de déviateurs optiques, lesdits émetteur et récepteur étant synchronisés par des horloges au départ du missile.

L'heure de chaque passage du faisceau sur le récepteur au cours du balayage est connue avec exactitude puisque l'horloge correspondante est synchronisée. La loi de déplacement de ladite tache en fonction du temps est donc connue ainsi que la position du missile par rapport à l'axe de guidage.

Il suffit alors d'agir sur ses gouvernes pour le ramener suivant cet axe.

La précision du balayage impose l'obtention d'une tache aussi petite que possible. On se trouve vite limité dans ce sens par l'effet de diffraction dû à l'optique de l'émetteur. Par ailleurs, le balayage complet du champ correspondant au temps de renouvellement des informations à bord du missile est d'autant plus rapide que la tache est de plus petites dimensions. On est alors limité par l'inertie du système de balayage. Si ce balayage est effectué suivant une seule direction, par exemple ligne par ligne (balayage mode télévision), il en résulte une mauvaise résolution dans la direction perpendiculaire au balayage due à la grosseur relative de la tache.

Ce mode de balayage est utilisé dans un appareil de détermination connu du brevet français nO 2 516 664. Dans cet appareil le balayage est effectué au moyen d'un déviateur acousto-optique faisant passer le faisceau infra-rouge à travers un cristal parcouru par des ondes acoustiques haute fréquence. La déviation à travers le réseau créé par lesdites ondes est proportionnelle à leur fréquence. Ce déviateur n'est plus limité par l'inertie mais il se pose à son sujet d'autres problèmes d'ordre technologique non encore maîtrisés. Afin d'améliorer la résolution, ce même balayage est réalisé suivant deux directions successives, horizontalement puis verticalement. La vitesse de balayage selon ce mode est très élevée. S'il faut par exemple 100 lignes pour couvrir la totalité du champ de guidage suivant une direction la précision de l'horloge du récepteur doit être 100 fois plus élevée que pour un système de balayage dudit champ par un faisceau ayant la forme d'une unique barre rectangulaire. L'obtention d'un tel degré de précision n'est pas possible actuellement dans la fabrication des horloges.

Il existe d'autres modes de balayage, par exemple de type radial et de type spiral qui présentent tous une difficulté dans la réalisation du système de déviation du faisceau.

Le but de la présente invention est de créer un dispositif de guidage optique à distance du type mentionné dans le préambule et qui, pour une cadence de renouvellement d'informations donnée, permet d'utiliser des systèmes de déviation du faisceau pouvant fonctionner à des fréquences relativement basses, de l'ordre de quelques centaines de Hertz.

Ce but est atteint du fait que ledit émetteur comporte deux déviateurs optiques qui déplacent respectivement le faisceau suivant deux directions perpendiculaires entre elles pour animer ladite image de la source laser d'un mouvement de translation à vitesse linéaire constante de manière à lui faire effectuer un balayage en Lissajous du champ de guidage, chacun desdits déviateurs fournissant une déviation en dents de scie symétrique.

Selon un mode de réalisation avantageux de l'invention, lesdits déviateurs sont constitués par un premier et un second miroir vibrant à des fréquences dont le rapport est égal à N/N+1, N étant un nombre entier proportionnel au quotient de la largeur du champ couvert par le diamètre de ladite tache, lesdits premier et second miroir étant actionnés respectivement par un premier et un second galvanomètre dont les axes sont perpendiculaires entre eux et respectivement perpendiculaires au faisceau incident sur le premier miroir et au faisceau réfléchi sur le second miroir, ce dernier faisceau étant ramené dans la direction du faisceau de guidage par un quelconque dispositif de renvoi.

La description suivante en regard des dessins annexés, le tout donné à titre d'exemple fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée.

La figure 1 représente le schéma synoptique de l'émetteur utilisé dans le dispositif de guidage par faisceau laser selon l'invention.

La figure 2 représente une séquence de motifs de balayage en Lis sajous exécutés par un faisceau laser projeté par le dispositif de la figure 1.

La figure 3 est un diagramme de temps montrant la variation du balayage en dents de scie symétriques suivant les axes orthogonaux ox et oy indiqués sur la figure 2.

La figure 4 est un diagramme de temps montrant l'échelonnement des signaux reçus en divers points du champ.

La figure 5 représente le schéma synoptique du récepteur de guidage.

La figure 6 représente un diagramme de temps montrant la variation du balayage en dents de scie suivant les axes cartésiens ox' et oy' indiqués sur la figure 2.

L'émetteur de guidage représenté sur la figure 1 comporte un laser 1 à émission continue (laser CO2 à 10,6 microns par exemple), un miroir plan de renvoi 2, un premier déviateur optique 3 et un second déviateur optique 3' disposés de telle façon que leurs axes respectifs 6 et 6' soient orientés dans des directions perpendiculaires et un transfert de pupille 4 formé d'un ensemble de deux ou plusieurs lentilles entre les deux déviateurs. A la sortie du second déviateur, le faisceau issu de la source laser 1 est repris par un objectif à focale variable 7 ou zoom qui projette l'image du laser au niveau du missile, c'est-à-dire pratiquement à l'infini.

Cet objectif à focale variable permet d'adapter le champ éclairé à la valeur souhaitée à tout instant. Si la largeur souhaitée au niveau du missile est constante, la distance focale doit varier proportionnellement à la distance parcourue par le missile.

L'image projetée au niveau du missile est une tache circulaire dont le diamètre à mi-puissance est déterminé par les lois de la diffraction. La concentration d'énergie est maximale si l'optique d'émission a le diamètre maximum autorisé compte tenu de l'encombrement possible du projecteur de faisceau et de la nécessaire correction des aberrations optiques.

Cette image est animée d'un mouvement de translation à vitesse linéaire constante si chaque déviateur optique fournit une déviation en dents de scie symétriques.

La fréquence des balayages est choisie de façon que le temps de balayage complet du tunnel de guidage soit égal à la période de répétition des écartométries souhaitée au niveau du récepteur et que la distance entre les lignes de balayage soit égale au diamètre de la tache laser.

On voit donc que la vitesse de balayage doit être proportionnelle à la résolution de l'optique d'émission, ce qui peut poser des problèmes en ce qui concerne les déviateurs. En pratique on choisira le meilleur compromis entre la concentration d'énergie et la vitesse possible de balayage.

Les périodes de balayage doivent être liées par une relation du type
(N+1)Tx = NTy = T
T : récurrence des écartométries.

On a représenté sur la figure 2 une séquence de motifs de balayage en Lissajous correspondant à une période de balayage c'est-à-dire le temps pendant lequel la totalité du champ est explorée. L'image projetée S du spot laser dont trois positions successives sont indiquées sur la figure est référencée par rapport au système de coordonnées rectangulaires oxy. Une translation suivie d'une rotation de 135 de ce système de coordonnées en o'x'y' fait apparaitre une symétrie évidente des motifs par rapport à ces nouveaux axes.

La figure 3 représente la variation en fonction du temps du signal de balayage en dents de scie symétriques suivant les axes ox et oy.

Les figures 4a et 4b montrent respectivement l'échelonnement en fonction du temps des signaux reçus par exemple aux points O' centre du champ de guidage et A sur la verticale à l'axe ox passant par O' (figure 2).

Les figures 2, 3 et 4 pourraient correspondre au cas typique suivant - Laser C02 à 10,6 microns - Diamètre de l'optique d'émission : 100 mm - Diamètre du spot à 4000 m : 50 cm - Largeur du champ de guidage : 3,5 m - Période de récurrence : T = 20 ms - Fréquence du balayage en X : Fx = 550 Hz - Fréquence du balayage en Y : Fy = 500 Hz.

Chaque déviateur optique de la figure 1 est constitué avantageusement par un miroir vibrant actionné par un galvanomètre, solution la moins onéreuse pour des vitesses faibles. Le déviateur 3 comporte le galvanomètre 8 dont l'axe 6 porte le miroir plan 9. Le déviateur 3' comporte le galvanomè- tre 10 dont l'axe 6' porte le miroir plan 11.

Le faisceau issu de la source laser 1 et dévié par le miroir plan de renvoi 2 frappe le miroir plan 9 vibrant autour de l'axe 6 du galvanomètre 8. Après réflexion sur le miroir plan 9, le faisceau traverse le transfert de pupille 4 et se réfléchit sur le miroir plan 11 vibrant autour de l'axe 6' du galvanomètre 10. Les miroirs vibrants 9 et il sont disposés de telle façon que l'axe du faisceau incident sur le miroir 9 est perpendiculaire à l'axe de vibration 6 et l'axe du faisceau réfléchi sur le miroir 11 est perpendiculaire à l'axe de vibration 6'. Le miroir plan de renvoi 2 a pour rôle de ramener le faisceau émergent issu du zoom dans la direction du faisceau de guidage issu du laser.

Pour de tels déviateurs à miroir vibrant il est impossible d'obtenir des ondes en dents de scie parfaites. On pourra se contenter pratiquement d'une approximation de la dent de scie par la fonction
sin X - 0,06 sin 3X.

Cette fonction a une excellente linéarité sur 90 8 de la période. Il suffira de sacrifier les bords du champ en coupant l'émission du laser pour conserver une loi de correspondance entre le temps et les coordonnées aussi simple que précédemment.

La coupure de l'émission laser peut s'effectuer facilement à moyenne vitesse mais le réallumage du laser ne peut s'opérer aussi aisément. On se bornera donc à réduire la puissance d'émission du laser au lieu de couper cette émission lorsque l'image du spot balaye les bords du champ.

Le récepteur de guidage installé à bord du missile et représenté schématiquement sur la figure 5 comprend - un filtre optique 12 centré sur la longueur d'onde du la
ser - un concentrateur optique 13 pour récupérer le maximum d'énergie - un détecteur 14 adapté à la longueur d'onde de travail
(10,6 p avec un laser C 2) - un système de refroidissement cryogénique 15 à l'azote ou à
l'argon pouvant descendre au-dessous de 1000K - un préamplificateur 16 suivi d'un amplificateur logarithmi
que 17 nécessaire du fait des énormes dynamiques de varia
tion du signal et permettant de placer judicieusement un
seuil de comparaison - un comparateur 18 et une logique de fixation du seuil 19
La partie numérique qui suit assure le traitement des instants de réception des impulsions issues du comparateur ; elle comporte un compteur de temps 20 piloté par un oscillateur à quartz 21 et un processeur numérique 22 dont la sortie fournit les valeurs des écartométries x et y.

Ce processeur comporte une mémoire du mouvement décrit par le spot en fonction du temps. Chaque passage du faisceau laser sur le détecteur permet de déterminer un couple de coordonnées par simple lecture de la mémoire. Ceci suppose que l'échelle des temps à bord du récepteur soit la même que celle de l'émetteur. il faut donc qu'il y ait synchronisation des horloges avant le départ et maintien de ce synchronisme pendant tout le vol.

Dans le cas de la figure 2, une précision de 1 8 du champ correspond à une erreur de temps de T/2000. Un vol de 10 s avec T = 20 ms requiert donc une précision relative de 10-6.

Cette précision ne sera obtenue facilement que si une resynchronisation intervient dans le récepteur pendant le vol du missile. Cette opération est possible car le balayage est symétrique comme indiqué sur la figure 4. Les signaux sont toujours reçus par paires dont le milieu est fixé dans le temps.

Le décodage des écartométries peut être éventuellement facilité en considérant que le balayage est effectué suivant les axes cartésiens o'x' et o'y' représentés sur la figure 2. Il faut pour cela, que les amplitudes des balayages soient proportionnelles à leur période pour que les vitesses linéaires soient identiques suivant les deux axes.

On peut alors considérer qu'à certains instants de la période le balayage fournit l'information x' et qu'à d'au tres il fournit l'information y'. La figure 6 précise cette remarque.

Le fait que l'on reçoive 4 informations par période permet aussi de diviser par J2 les bruits d'écartométrie sur chaque axe. Ces bruits peuvent être dus aux instabilités du laser ou aux turbulences atmosphériques.

Le dispositif de l'invention présente entre autres les avantages suivants.

- utilisation d'un seul laser qui peut ne pas être modulé - schéma optique de l'émetteur très simple - excellente concentration d'énergie (limitée par la diffrac
tion) - résolution pratiquement constante dans le champ de guidage - traitement du signal relativement simple à la réception - possibilité de resynchronisation du récepteur avec l'émet
teur.

L'utilisation prévue est le guidage d'un missile.

La synchronisation des horloges peut avoir lieu juste avant le largage de ce missile. Elle peut être maintenue avec une précision suffisante pendant toute la durée du vol grâce à la redondance et à la symétrie du balayage sans avoir recours à des oscillateurs à quartz ultra stables.

Claims (4)

REVENDICATIONS :

1. Dispositif de guidage optique à distance d'un missile sur une cible au moyen d'un émetteur de faisceau, ledit faisceau provenant d'une source laser modulable ou non dont l'image projetée au niveau du récepteur monté sur le missile est une tache circulaire qui balaye le champ du guidage au moyen de déviateurs optiques, lesdits émetteur et récepteur étant synchronisés sur des horloges au départ du missile, caractérisé en ce que ledit émetteur comporte deux déviateurs optiques qui déplacent respectivement le faisceau suivant deux directions perpendiculaires entre elles pour animer ladite image de la source laser d'un mouvement de translation à vitesse linéaire constante de manière à lui faire effectuer un balayage en Lissajous du champ de guidage, chacun desdits déviateurs fournissant une déviation en dents de scie symétriques.

2. Dispositif selon la revendication 1 dont l'émetteur comporte de plus un transfert de pupille entre le premier et le second déviateur optique et à la suite dudit second déviateur une lentille qui concentre le faisceau au foyer d'un objectif à focale variable, caractérisé en ce que lesdits déviateurs sont constitués par un premier et un second miroir vibrant à des fréquences dont le rapport est égal à N/N+1, N étant un nombre entier proportionnel au quotient de la largeur dudit champ par le diamètre de ladite tache, lesdits premier et second miroirs étant actionnés respectivement par un premier et un second galvanomètre dont les axes sont perpendiculaires entre eux et respectivement perpendiculaires au faisceau incident sur le premier miroir et au faisceau réfléchi sur le second miroir, ce dernier faisceau étant ramené dans la direction du faisceau de guidage par un quelconque dispositif de renvoi.

3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit récepteur comporte un filtre optique centré sur la longueur d'onde du laser suivi d'un concentrateur d'éner gie, d'un détecteur refroidi par un dispositif cryogénique, d'un amplificateur logarithmique relié à une entrée d'un comparateur dont l'autre entrée est portée à un seuil et dont la sortie est reliée à un compteur piloté par un oscillateur à quartz et synchronisé au départ du missile sur les lois de balayage de l'émetteur, un processeur numérique relié audit compteur fournissant la valeur dudit seuil et effectuant le décodage des données pour indiquer les coordonnées du missile.

4. Dispositif selon les revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ladite source laser peut être un laser à C02 fonctionnant à une longueur d'onde de 10,6 p ou tout autre laser fournissant un faisceau de section circulaire.