FR2775084A1 - Telemetre passif - Google Patents

Abstract

Un télémètre passif destiné à déterminer la distance d'un objet, tel qu'un aéronef, une fusée ou un engin qui émet un rayonnement électromagnétique, utilise des mesures spectrales sur une large gamme de fréquences. Le télémètre comporte un dispositif (202) destiné à former une image réelle du champ de vision, un dispositif spectrophotométrique (201) comportant une ouverture d'entrée (27) disposée afin qu'elle reçoive une partie au moins de l'image réelle, un dispositif dispersif (15, 28, 29) destiné à séparer le rayonnement à différentes longueurs d'onde, et un dispositif détecteur (24) destiné à mesurer le spectre du rayonnement provenant de parties distinctes de l'ouverture d'entrée. Le signal de sortie du détecteur est connecté à un dispositif de traitement de données (204) destiné à assurer le traitement par déconvolution du profil spectral reçu à l'aide d'une représentation mémorisée (205) d'un profil spectral de transmission atmosphérique dépendant de la distance, afin qu'une représentation du profil d'émission spectrale du rayonnement de l'objet soit obtenue. D'après le profil spectral d'émission, une température caractéristique d'émission (206) est dérivée si bien qu'un spectre d'émission du corps noir correspondant à l'objet est obtenu.

Description

i

L'invention concerne un appareil passif d'identifi-

cation et de télémétrie permettant l'identification de la

distance d'un objet distant émettant un rayonnement infra-

rouge, tel qu'un réacteur, une fusée ou un engin, à l'aide de mesures spectrophotométriques infrarouges. Un équipement passif, utilisant par sa sensibilité au rayonnement obligatoirement créé par le vol des engins

ou aéronefs, présente des avantages évidents pour l'identi-

fication et la mesure de distance de ces engins et aéronefs

dans des conditions de combat.

La possibilité de la détermination de la distance d'un aéronef par mesure de son rayonnement infrarouge a été décrite par Ovrebo et al dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique n 3 103 590 et par Jenness et al dans le brevet

des Etats-Unis d'Amérique n 3 117 228. Ces mémoires décri-

vent des ensembles dans lesquels le rayonnement infrarouge

total reçu à partir d'un aéronef est comparé à la propor-

tion du rayonnement reçu qui passe dans un filtre qui

retire le rayonnement se trouvant dans les bandes d'absorp-

tion de l'anhydride carbonique et de l'oxyde d'azote de

l'atmosphère. Lorsque l'aéronef est à une distance relati-

vement faible, de l'ordre de 1 km ou moins, il existe une différence importante entre ces mesures car une certaine proportion du rayonnement émis par l'aéronef dans la bande

d'absorption atteint le point d'observation malgré l'ab-

sorption atmosphérique. Dans l'hypothèse o le rayonnement

émis initialement avait une répartition spectrale corres-

pondant à la courbe du rayonnement thermique du corps noir à une température particulière, ces mémoires décrivent des procédés et appareils destinés à déduire une mesure de

distance d'après la différence entre ces mesures. Cepen-

dant, aux distances plus grandes, l'absorption atmosphé-

rique devient très semblable à l'absorption produite par le

filtre; la différence entre les mesures devient relative-

ment faible et insensible à des augmentations supplémen-

taires de distance.

La demande de brevet britannique n 83.10933 décrit un télémètre passif capable de déterminer des distances dépassant 1 km. Un technique à spectre divisé est utilisée, dans laquelle des variations proches des zones d'absorption atmosphérique du spectre émis sont mesurées. L'amplitude du rayonnement reçu à partir de ces régions du spectre est

sensible à la distance et peut être très facilement mesu-

rée. Cependant, un tel procédé ne met pas en oeuvre tout le spectre émis par la cible. Il repose sur un profil spectral de forme inconnue dû à la température de la source et à l'élargissement des raies par la pression, les collisions et la température. La demande de brevet britannique n 83.21752 décrit un analyseur de spectre optique qui

permet la mesure très rapide d'un spectre complet et cons-

titue donc un dispositif convenant à des mesures en temps

réel du spectre optique.

La présente invention a pour objet la réalisation

d'un télémètre passif efficace à grande distance et utili-

sant l'émission spectrale électromagnétique large provenant

d'une cible.

L'invention concerne un télémètre passif destiné à déterminer la distance à un objet tel qu'un aéronef, une

fusée ou un engin, émettant un rayonnement électromagnét-

ique, comprenant: un dispositif destiné à former une image réelle d'un champ de vision, un dispositif spectrophotométrique qui comporte une ouverture d'entrée placée afin qu'elle reçoive une partie au moins de l'image réelle, un dispositif dispersif destiné à séparer le rayonnement à différentes longueurs d'onde, et un dispositif détecteur destiné à mesurer le spectre du

rayonnement reçu de parties distinctes de l'ouverture d'en-

trée, et un dispositif de traitement de données destiné à recevoir les signaux de mesure du rayonnement provenant du dispositif détecteur, le dispositif de traitement de données étant disposé afin qu'il assure la déconvolution du profil spectral reçu à l'aide d'une représentation mémorisée du profil spectral de la transmission atmosphérique en fonction de la distance afin qu'une représentation du profil d'émission spectrale

du rayonnement de l'objet soit obtenue, et qu'une tempéra-

ture caractéristique d'émission et en conséquence un spectre d'émission du corps noir de l'objet en soit dérivé si bien que la distance peut être déterminée d'après le

spectre calculé d'émission et le spectre observé.

Lorsqu'une température estimée de la source a été déterminée, la configuration exacte du spectre d'émission est alors déterminée d'après la Loi de Planck et, compte tenu de la connaissance de la modification du spectre par la transmission atmosphérique, il est possible de calculer

le spectre reçu.

La présente invention, contrairement aux ensembles de la technique antérieure décrits précédemment, utilise en outre une information spectrale dans les régions de la

transmission atmosphérique qui ne provoquent pas d'absorp-

tion. Ces mesures sont moins affectées par l'absorption atmosphérique et en conséquence sont plus fiables pour la détermination de la température de la source et sont donc importantes selon la présente invention. L'invention est particulièrement utile dans la région spectrale infrarouge,

mais elle peut aussi s'appliquer chaque fois que des compo-

santes convenables sont disponibles, par exemple pour la lumière visible, l'ultraviolet, les hyperfréquences et le

rayonnement du fond continu.

Le dispositif de traitement de données comporte avantageusement un processeur travaillant par itération si bien que la température de l'objet et la distance sont optimisées. Ainsi, la transmission atmosphérique et la

courbe du rayonnement du corps noir de l'objet sont modi-

fiées jusqu'à ce que le spectre mesuré soit reconstitué.

Le dispositif de traitement de données règle de préférence une valeur affectée de l'émissivité de l'objet afin que le spectre calculé par le télémètre soit mieux en

accord avec le spectre mesuré.

Dans un ensemble avantageux particulier, le spectre reçu est rapidement analysé à l'aide d'un analyseur de spectre décrit dans la demande de brevet britannique n 83.21752. Dans les régions du spectre dans lesquelles l'absorption atmosphérique est presque totale, les résul-

tats peuvent être écartés des calculs de l'ordinateur.

D'autre part, lorsque l'absorption est faible, un poids plus grand peut être donné aux mesures car elles indiquent étroitement la courbe convenable du rayonnement du corps noir. Les régions spectrales délicates, par exemple dans lesquelles l'absorption atmosphérique est presque totale, sont de préférence ignorées et des méthodes statistiques classiques sont utilisées pour l'obtention du meilleur accord avec les résultats mesurés. La détermination de

distance peut être perfectionnée à l'aide de mesures effec-

tuées dans des zones à différentes températures de la cible, si bien que différents profils de courbes d'émission

sont utilisés. En outre, le profil d'absorption atmosphé-

rique peut être étalonné par rapport à des objets se trou-

vant à une distance connue, avant l'utilisation. Un télé-

mètre actif par exemple peut être utilisé pour l'étalonnage

initial dans les conditions régnantes.

L'invention est maintenant à titre purement illus-

tratif en référence aux dessins annexés sur lesquels:

la figure 1 représente un analyseur de spectre ra-

pide connu;

la figure 2 est un diagramme synoptique de l'analy-

seur de spectre de la figure 1, incorporé à un télémètre passif selon l'invention; la figure 3 représente des graphiques indiquant la

variation de l'émittance avec la longueur d'onde pour dif-

férentes températures caractéristiques de la source; la figure 4 représente les courbes de la figure 3 avec des échelles logarithmiques doubles; la figure 5 représente un exemple de signal reçu; la figure 6 représente un graphique indiquant la transmission atmosphérique en fonction de la longueur d'onde; la figure 7 représente des graphiques illustrant le fonctionnement du circuit comparateur de l'ensemble de la figure 2; et la figure 8 représente l'effet de l'émissivité de la

source sur les courbes d'émittance de la figure 4.

La figure 1 représente un analyseur de spectre tel que décrit dans la demande de brevet britannique n 83.21752. De la lumière parallèle 10, constituant un exemple de rayonnement électromagnétique, provenant d'un champ de vision parvient sur une première lentille 11 qui focalise la lumière au foyer d'une seconde lentille 13. La lumière parallèle provenant de la lentille 13 passe dans une cellule acousto- optique (A-O) 15 et est alors focalisée par une troisième lentille 21 sur un plan de Fourier 22 ayant une fente désaxée 25. La lumière passant par la fente est détectée dans le détecteur 24. Un diaphragme 27 de

champ est placé au foyer de la lentille 13.

La cellule acousto-optique 15 a un transducteur piézoélectrique d'entrée 16 piloté par un oscillateur 28 dont la fréquence est balayée par un circuit 29 de balayage. La cellule 15 crée, sur le trajet de la lumière, un retard de phase qui dépend de l'indice de réfraction du milieu transparent contenu dans la cellule. Il existe des variations des ondes acoustiques dépendant des contraintes et dont la fréquence dépend du temps, lors du pilotage à la fréquence de balayage appliquée au transducteur 16. Une charge acoustique adaptée 17 empêche les réflexions des ondes acoustiques. La disposition est telle que la lumière provenant de la cellule 15 subit une transformation de Fourier sous l'action de la lentille 21 si bien qu'une série d'ordres de diffraction apparaît dans le plan de Fourier 22. La distribution d'énergie dans le plan 22 est

donc le spectre de l'énergie électromagnétique d'entrée 10.

Si une onde monochromatique plane, par exemple pro-

venant d'une source laser distance, tombe sur la cellule acousto-optique 15 et si un signal sinusoïdal est appliqué à la cellule 15, le signal sortant de la cellule est le produit du signal incident sous forme d'une onde plane et du signa sinusoïdal appliqué. Ce signal produit subit alors une transformation de Fourier donnant le spectre du signal incident dans le plan de Fourier 22. Dans le plan de Fourier, il existe un ordre positif et un ordre négatif de diffraction en plus de l'ordre de zéro et la distance à l'origine de l'ordre positif (par exemple) est fonction de la longueur d'onde de la source laser. Si le spectre de la source s'élargit, les premiers ordres de diffraction qui correspondent à chaque élément quasi-monochromatique du spectre de la source, se recouvrent. Grâce au balayage de la fréquence du signal sinusoïdal appliqué, le spectre du

signal polychromatique incident peut être déplacé et affi-

ché à la sortie d'un détecteur placé dans le plan de

Fourier 22.

L'analyseur de spectre optique décrit précédemment

peut analyser la plage des fréquences optiques très rapide-

ment et rend possible la mesure des variations en temps réel dans les spectres des sources à bande large. Cette disposition peut être utilisée dans le télémètre passif selon l'invention. Un diagramme synoptique de l'invention est représenté sur la figure 2. Un analyseur 201 de spectre tel que représenté sur la figure 1 crée des signaux X et Y qui correspondent respectivement à la fréquence externe de balayage appliquée à la cellule acousto-optique 15 et à la variation mesurée de l'amplitude du signal détecté. Un circuit d'analyse est placé à l'entrée de l'analyseur de spectre 201 afin que le champ de vision varie. Les signaux X et Y sont traités dans le processeur 203 afin qu'ils donnent le spectre optique de la lumière analysée. Ce spectre détecté est équivalent du spectre optique de la source lumineuse dans le champ de vision modulé par la

fonction d'absorption atmosphérique qui dépend de la dis-

tance et de la longueur d'onde. Le signal de sortie du spectre reçu, provenant du processeur 203, est transmis à une première entrée d'un circuit de déconvolution. Une fonction de transmission atmosphérique correspondant à une distance particulière choisie R est connectée d'une mémoire 205 de fonction de transmission à une seconde entrée 204 du circuit 204 de déconvolution. Le circuit 204 de déconvolu- tion crée un spectre de sortie qui correspond au spectre d'émission de la source avant transmission dans la plage atmosphérique R. Ce spectre de sortie du circuit 204 de

déconvolution est connecté à un second circuit 206 de trai-

tement qui dérive du spectre une température caractéris-

tique de la source. Cette température caractéristique est alors traitée dans un circuit 207 afin qu'elle donne un

spectre d'émission de Planck correspondant à la tempéra-

ture. Le spectre de la source de Planck et le spectre reçu, après déconvolution, sont alors comparé dans un comparateur 208. Ce comparateur 208 crée un signal de sortie qui correspond aux différences entre les spectres comparés, le

signal de sortie étant connecté à une mémoire 205 de fonc-

tion de transfert atmosphérique de manière qu'une autre fonction de transfert atmosphérique, correspondant à une meilleure estimation distance/température de la

source/émissivité soit connectée au circuit 204 de déconvo-

lution. Au cours d'opérations d'itération, le télémètre passif donne une mesure de distance et de température de la source, utile à la fois pour la détermination de distance

des cibles et leur identification.

Lorsqu'une cible intéressante a été identifiée, l'analyse optique peut être mise en dérivation. Dans le cas de cibles de largeur convenable, après la détermination de

distance d'une partie de la cible de température caracté-

ristique T1, la détermination de distance peut être réa-

lisée sur une seconde partie de la cible ayant une tempéra-

ture caractéristique différente T2. Ces deux parties ont des spectres différents d'émission du corps noir, mais la même distance, et la seconde opération de détermination de distance par itération peut être réalisée sur la même

cible. Les signaux représentant la distance et la tempéra-

ture caractéristique de la cible, après mesure, sont trans-

mis à un dispositif d'affichage 209.

On décrit maintenant plus en détail le fonctionne-

ment du télémètre passif. La figure 3 représente les courbes du rayonnement du corps noir représentant l'émit- -2 -1 tance (en W.cm 2Dm) en fonction de la longueur d'onde

exprimée en microns, pour des sources ayant des tempéra-

tures différentes T1 à T4. Chaque courbe a un maximum à une

longueur d'onde différente déterminée par la loi du dépla-

cement de Wien. Avec des échelles scalaires comme représen-

té sur la figure 3, la loi du déplacement de Wien détermine la courbe 301. Lorsque les courbes du rayonnement du corps noir sont tracées en échelles logarithmique-logarithmique comme représenté sur la figure 4, les courbes ont alors toutes la même forme et la loi du déplacement de Wien est représentée sous forme d'une droite 401. Le processeur 207 du télémètre passif met en oeuvre la relation entre les valeurs logarithmiques selon laquelle un modèle de la courbe 402 glisse le long de la droite 401 représentant la loi de Wien et donne les profils voulus. La position de la courbe à chaque température peut être déterminée par calcul

de la valeur maximale pour une température absolue quel-

conque par utilisation de la formule de Wien T = 2897,9 pm.K max Après transmission sur une profondeur R (distance) de l'atmosphère, le profil spectral du rayonnement émis par la source subit une modification due aux propriétés de

transmission sélective de l'atmosphère. Un exemple de si-

gnal reçu tel que représenté sur la figure 5, est le résul-

tat du traitement de convolution du spectre d'émission du corps noir par la fonction de transmission atmosphérique, comme l'indique la figure 6 par exemple. Si la véritable fonction de transmission atmosphérique qui est connue, le traitement de déconvolution du spectre reçu par la fonction de transmission atmosphérique donne l'un des profils de

température de la figure 4. Si le profil spectral atmosphé-

rique (figure 6) produit par la mémoire 205 et la tempéra-

ture T de la source obtenue à partir du processeur sont exacts, le spectre reçu et traité transmis par le circuit 204 de déconvolution et tracé en fonction du spectre de la source du corps noir provenant de l'ensemble 207 donne la droite 701 représentée sur la figure 7. Dans ce cas, le comparateur 208 provoque l'affichage de la distance R et T.

Si la température de la source T est trop faible, et pro-

voque une sélection d'une mauvaise courbe de rayonnement du

corps noir sur la figure 4, la courbe résultante du compa-

rateur se trouve d'un côté de la droite 701, par exemple sur l'une des deux courbes 702 ou 703 suivant l'erreur sur

la température. Si la température estimée T est trop éle-

vée, la courbe résultante se trouve au-dessus de la droite 701 (par exemple 704, 705) et il existe un écart maximal par rapport à la droite telle que 706 ou 707 qui indique o se trouve la valeur maximale de la température véritable (sur la figure 4). Ainsi, les écarts par rapport à la droite 701 indiquent l'amplitude et le sens de l'erreur sur la température et, au cours d'un procédé d'itération, la forme (l'une des formes 702 à 705 par exemple) peut subir

une "relaxation" vers la courbe véritable 701.

L'émissivité de la source, qui constitue une autre

inconnue, est comprise entre 0 et 1. Alors que les varia-

tions de la température (T) provoquent des déplacements en longueurs d'onde des courbes d'émittance (figure 4), les variations d'émissivité ne provoquent qu'un déplacement vers le haut ou vers le bas des courbes caractéristiques d'émittance.Ceci est représenté sur la figure 8. Les

courbes d'émittance 801 à 803 sont représentées pour diffé-

rentes températures de la source T1-T3, dans l'hypothèse o l'émissivité est égale à 1. Pour la même température de la source T1, lorsque l'émissivité est inférieure à 1, la courbe 801 devient la courbe 804. Ceci peut provoquer un écart très différent et distinct dans le comparateur 208 par rapport à la droite 701. Ainsi, la "bosse" apparait à un emplacement tout à fait différent et indique que la

valeur de l'émissivité doit être ajustée afin qu'elle per-

mette une "relaxation" de la courbe mesurée du comparateur vers la droite 701. Ainsi, une température erronée de la source peut être distinguée d'une correction qui doit être appliquée à l'émissivité de la cible. Le télémètre peut aussi être réalisé afin qu'il affiche l'émissivité de la

cible en fonction de la distance et de la température.

Lorsque le profil de transmission atmosphérique provenant de l'ensemble 205 est erroné dans une région spectrale particulière, par exemple par sous-estimation ou sur-estimation de l'absorption de l'un des constituants atmosphériques, l'écart par rapport à la droite 701 peut à nouveau être reconnu comme apparaissant à la longueur d'onde d'absorption d'un gaz connu, et ceci peut aussi être distingué afin que les régions adjacentes de la courbe du

comparateur restent non affectées.

En pratique, un microprocesseur comporte les données nécessaires mémorisées afin qu'il permette le traitement par itération du spectre optique reçu et puisse dériver les

paramètres nécessaires de la source.

L'ensemble de la technique antérieure décrit dans la demande de brevet britannique n 83.10933 ne met pas en

oeuvre l'information spectrale tirée des régions de trans-

mission atmosphérique sans absorption ou des régions ayant des effets d'absorption différents de ceux des constituants habituellement utilisés (c'est-à-dire les oxydes de carbone

et d'azote). Des points de la courbe du comparateur (702-

705) auxquels l'absorption est faible ou nulle indiquent cependant des endroits o les paramètres de la source sont convenables et facilitent ainsi le procédé d'itération

utilisé pour la correction des point sous-estimés ou sures-

timés.

Les zones délicates du spectre peuvent être élimi-

nées par surpression des données de ces régions et on peut adopter des méthodes statistiques classiques pour obtenir

les "meilleures adaptations".

Des résultats plus précis peuvent être obtenus par des observations dans plusieurs régions à des températures différentes sur une cible, puisque le spectre enregistré subit une déconvolution successivement par différentes

courbes de rayonnement du corps noir.

Bien que l'invention ait été décrite en référence à l'analyseur de spectre optique de la demande de brevet britannique n 83.21752, d'autres analyseurs de spectres peuvent être utilisés. L'appareil décrit a cependant l'avantage de permettre une observation spectrale rapide,

et de permettre sur des cibles mobiles.

Lorsque la cible est un véritable corps noir, le

spectre d'émission est continu et suit la loi de Planck.

Cependant, s'il s'agit d'un produit chimique, il existe des raies spectrales caractéristiques. Les maximas de ces raies se trouvent cependant sur la courbe de rayonnement du corps noir si bien que la technique décrite peut encore être utilisée.

Claims (9)

REVENDICATIONS

1. Télémètre passif destiné à déterminer la distance d'un objet tel qu'un aéronef, une fusée ou un engin, qui émet un rayonnement électromagnétique, comprenant: un dispositif destiné à former une image réelle d'un champ de vision, un dispositif spectrophotométrique qui comporte une ouverture d'entrée disposée afin qu'elle reçoive une partie au moins de l'image réelle, un dispositif dispersif destiné à séparer le rayonnement à différentes longueurs d'onde et un dispositif détecteur destiné à mesurer le spectre du rayonnement reçu provenant de parties distinctes de l'ouverture d'entrée, et un dispositif de traitement de données destiné à recevoir des signaux de mesure de rayonnement provenant du dispositif détecteur, le dispositif de traitement de données étant réalisé de manière qu'il assure la déconvolution du profil spectral reçu par une représentation mémorisée d'un profil spectral de transmission atmosphérique qui dépend de la distance afin qu'une représentation du profil d'émission spectrale

du rayonnement de l'objet soit obtenue et afin qu'une tem-

pérature caractéristique d'émission et en conséquence un spectre d'émission thermique de l'objet soient dérivés, et en conséquence afin que la distance soit déterminée d'après

le spectre calculé d'émission et le spectre observé.

2. Télémètre passif selon la revendication 1, dans lequel le dispositif de traitement de données comporte un processeur par itération, destiné à assurer l'optimisation

de la température de l'objet et de la distance.

3. Télémètre passif selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le dispositif de traitement de données ajuste une valeur affectée de l'émissivité de l'objet afin qu'il améliore l'accord entre le spectre calculé par le télémètre

et le spectre mesuré.

4. Télémètre passif selon l'une quelconque des

revendications précédentes, dans lequel les données

d'absorption sont écartées des calculs du processeur dans

des régions spectrales dans lesquelles l'absorption atmos-

phérique est presque totale.

5. Télémètre passif selon l'une quelconque des

revendications précédentes, dans lequel, dans des régions

spectrales dans lesquelles l'absorption est faible, un

poids plus important est donné aux mesures afin que celles-

ci indiquent étroitement la courbe convenable du rayonne-

ment du corps noir.

6. Télémètre passif selon l'une quelconque des

revendications précédentes, dans lequel, dans des régions

spectrales délicates, par exemple lorsque l'absorption

atmosphérique est presque totale, les résultats sont igno-

rés et des méthodes statistiques classiques sont utilisées afin qu'elles donnent le meilleur accord avec le résultat mesuré.

7. Télémètre passif selon l'une quelconque des

revendications précédentes, dans lequel un dispositif est

destiné à déterminer la distance d'après deux zones d'une cible à des températures différentes, par utilisation de

profils différents de la courbe du corps noir.

8. Télémètre passif selon l'une quelconque des

revendications précédentes, dans lequel le profil d'absorp-

tion atmosphérique est étalonné par rapport à des objets se

trouvant à une distance connue avant utilisation.

9. Télémètre passif selon la revendication 8, dans lequel un télémètre actif est utilisé pour l'étalonnage

initial dans les conditions régnantes.