DESCRIPTION
La présente invention a pour objet d'explorer et de balayer l'espace aérien hémisphérique afin de trouver et de localiser des cibles potentielles.
Cette invention se rattache aux systèmes électro-optiques de représentation visuelle actifs et passifs aux fins d'exploration de l'espace aérien hémisphérique. Plus particulièrement, cette invention se rattache à un dispositif permettant aux informations concernant la ou les cibles potentielles d'être vues par l'oeil humain et/ou fournies à un système de livraison d'armes.
A ce jour, il existe de nombreux types de systèmes de représentation visuelle pour l'oeil humain ou pour des systèmes informatiques aux fins d'exploration de l'espace aérien hémisphérique ayant pour but de localiser des cibles potentielles et de fournir la position de la cible à un ordinateur qui traitera cette information et donnera ensuite à un système de livraison d'armes les informations nécessaires au déclenchement et au guidage de projectiles et/ou missiles contre la cible choisie.
Une telle information relative à la position de la cible peut également être fournie à un dispositif de représentation visuelle, comme un tube à rayons cathodiques ou similaires, permettant un examen visuel de la cible sélectionnée afin d'aider l'opérateur à identifier celle-ci et de donner la priorité à la ou aux cibles sélectionnées.
De nombreux systèmes et sous-systèmes de radar ont été développés pour la recherche et l'exploration de l'espace objectif hémisphérique et particulièrement des systèmes terrestres, montés sur véhicules ou sur bateaux.
Malheureusement, ces systèmes électro-optiques d'exploration de l'espace hémisphérique sont extrêmement limités. En effet, les systèmes électro-optiques de balayage ont des champs visuels très limités, de l'ordre de 2 à 10 degrés, comme c'est le cas du système de balayage incorporé dans le Forward-Looking Infra-Red (FLIR).
L'étroit champ visuel du FLIR interdit l'utilisation du FLIR en tant que système électro-optique d'exploration pour rechercher et localiser des cibles dans un large champ visuel de recherche. Un essai d'utilisation d'un FLIR, avec ses sous-systèmes de balayage incorporés ayant d'étroits champs visuels pour l'exploration et la recherche, consiste à monter un senseur entier sur un assemblage gimbal oscillatoire et tournant communément appelé plate-forme, de telle manière que le FLIR entier, ou un autre senseur électro-optique du système, soit panoramiqué en une direction X et Y pour rechercher une partie de l'espace objectif à l'intérieur d'un champ de recherche prédéfini. En plus de la complexité de la plate-forme elle-même, le concept de monter un senseur sur une plate-forme oscillatoire et tournante s'avère terriblement gênant pour deux raisons majeures.
Premièrement, les détecteurs au mercure-cadmium-tellure communément utilisés dans un FLIR nécessitent un refroidissement cryogénique durant l'opération; les sources de refroidissement cryogénique doivent, à cause de leur poids, être montées à côté de la plate-forme et connectées au FLIR sans interférer avec le mouvement de rotation et d'élévation de la plate-forme. La difficulté de réaliser une telle connexion entre la source cryogénique et le FLIR, ainsi que la multitude d'interfaces électriques, augmente dramatiquement à mesure que le champ de recherche s'élargit. En conséquence, les systèmes de balayage électro-optiques montés sur plate-forme possèdent en général des champs de recherche très limités.
Deuxièmement, un problème important avec les systèmes de représentation visuelle électro-optiques réside dans le fait que ces systèmes ont leur système de balayage incorporés. Alors que les sys thèmes à regard fixe (avec des détecteurs mosaiques) sont développés pour des longueurs d'ondes spécifiques, les systèmes de balayage existants tendent à provoquer du traînage sur l'image quand on procède à un mouvement panoramique en azimut et en élévation.
De ce fait, la qualité de détection et de reconnaissance de la cible se dégrade tandis que le taux de fausse alarme augmente. Par conséquent, un des buts de cette invention est de créer un dispositif et un procédé qui triomphent des insuffisances des systèmes et méthodes existants mentionnés plus haut afin de contribuer à l'avancement et au progrès de la technique des systèmes électro-optiques et mécaniques de la représentation visuelle.
Un autre but de cette invention est de créer les moyens d'utiliser les études et accessoires conventionnels de la technique électro-optique pour explorer de larges zones de l'espace comme l'espace aérien hémisphérique.
Un autre but de cette invention est de fournir les moyens d'explorer l'espace aérien hémisphérique avec les systèmes de balayage électro-optiques conventionnels de telle manière que les distorsions et traînage de l'image ou le manque de clarté de l'image soient significativement minimisés au point d'être pratiquement éliminés afin de permettre une meilleure reconnaissance et lisibilité de l'image pour l'oeil humain et/ou un système informatique.
Un autre but de cette invention réside dans la création d'un système électro-optique permettant à un senseur électro-optique d'explorer l'espace aérien hémisphérique en éliminant totalement le besoin de recourir à un système de balayage incorporé, fixé ou faisant partie du senseur.
Un autre but de cette invention est la création d'un système de représentation visuelle électro-optique incluant un senseur non rotatif et non incliné, ce qui élimine les plates-formes et systèmes intermédiaires complexes entre le senseur et l'équipement de support tels que refroidisseurs cryogéniques, ordinateurs, alimentation électrique et similaires.
Nous venons d'esquisser les objectifs les plus pertinents de l'invention. Ces objectifs doivent etre considérés comme de simples illustrations des caractéristiques et des applications les plus remarqua bles de l'invention. Mais il est évident que d'autres objectifs et applications peuvent être obtenus par une utilisation différente ou d'autres formes de réalisation de l'invention; cependant, il faut savoir que ces éventuelles utilisations différentes ou formes de réalisation restent dans le domaine et l'étendue de notre invention.
Ces buts sont atteints par les moyens définis dans les revendications.
L'invention permet de guider le flux émis par des cibles et arrière-plans dans l'espace aérien hémisphérique sur un dense plan focal situé dans un senseur électro-optique comme, mais non limité, un
FLIR dont la largeur de bande permettra l'observation du flux qui nous intéresse, tandis que d'autres longueurs d'onde seront filtrées.
L'invention permet aux informations recueillies sur la cible d'être vues par l'oeil humain et/ou fournies à un système informatique de livraison d'armes.
Le miroir plan est suffisamment grand pour englober le champ visuel fixe du senseur.
Le miroir plan est monté sur un système mécanique qui provoque un mouvement azimutal centré sur une ligne perpendiculaire, et géométriquement centré sur le plan focal du senseur et autour d'un axe d'élévation perpendiculairement décalé de l'axe de rotation azimutale et en dehors du champ visuel du senseur.
Avec des mouvements appropriés activement reliés aux axes de rotation azimutale et d'élévation, il convient de remarquer que la voie de rotation circulaire et azimutale est parallèle au plan focal et que le miroir s'élève autour de son axe d'élévation proche du bord de la voie de rotation et constamment parallèle au plan focal du senseur. Un disque de chronométrage est activement relié à chaque axe du miroir pour fournir les commandes d'échantillonnage afin d'échantillonner le plan focal balayé, pour fournir des informations azimutales et d'élévation afin d'effectuer un couplage avec les adresses pixel X et Y créées, et donner alors la position exacte de la cible dans l'espace ainsi que les positions mises à jour des cibles potentielles afin que l'ordinateur commandant le système d'armes puisse établir une ou des positions prévisibles et alors déclencher le ou les tirs.
Un ordinateur permettant le contrôle de toutes les fonctions électriques et mécaniques de l'invention commande le mouvement azimutal du miroir, qu'il soit en constante rotation de 360 degrés ou en arc partiel, les différents taux de balayage, et il commande également l'étendue du balayage et la vitesse de balayage du mouvement d'élévation du miroir. Cet ordinateur accepte également des informations et commandes de l'ordinateur du système d'armes et donne des informations au système d'armes, comme les positions azimutales et d'élévation du miroir, et reçoit et choisit les temps d'échantillonnage du disque de chronométrage. De plus, le traitement des informations relatives au flux provenant du plan focal électro-optique peut être optionnellement incorporé dans cet ordinateur.
A la place d'un miroir plan à une seule face, le miroir peut optionnellement avoir deux faces taillées en forme de prisme plat, dont l'angle sera égal au champ visuel instantané du plan focal.
Un avantage de ce miroir à deux faces réside dans le fait que le système utilisant deux plans focaux pourrait voir l'espace objectif dans un ordre séquentiel alterné et ainsi utiliser un plan focal à dispositif linéaire dense dont les éléments sont séparés par un espace égal à leur taille respective. Selon les revendications, I'invention a pour objet un dispositif dont le positionnement du miroir plan est réalisé de la manière décrite ci-dessus tout en faisant tourner simultanément le miroir autour de la voie circulaire azimutale de rotation alors que le miroir s'élève ou décline autour de l'axe d'élévation décalé.
Ainsi est créée une spirale qui s'incline (ou décline) permettant d'aboutir à une exploration hémisphérique de 175 degrés minimum.
De plus, alors que de nombreuses mires d'exploration hémisphérique totale ou partielle peuvent être choisies en contrôlant les mouvements azimutal et d'élévation du miroir à l'aide de l'ordinateur contrôlant toutes les fonctions de l'invention, il convient de noter que le senseur lui-même demeure statique quelle que soit la mire d'exploration. En conséquence, contrairement aux systèmes de représentation visuelle existants, le senseur utilisé par notre système n'a pas besoin d'être monté sur une plate-forme mobile X et Y. Il en résulte donc que les difficultés de raccordement du senseur avec les autres composantes d'un système de représentation visuelle, tels les soussystèmes cryogéniques, l'alimentation électrique et autres, sont éliminées.
En conclusion, puisque le système de balayage normalement incorporé dans un senseur n'est pas nécessaire et peut donc être éliminé, les traînage, distorsions et autres parasites de l'image, qui sont toujours associés avec un mouvement panoramique d'un senseur électro-optique qui balaye simultanément, sont écartés.
Assurément, l'utilisation de l'invention du miroir pour l'opération de balayage permet au senseur d'être un dispositif à regard fixe.
Pour une plus grande compréhension de la nature et des buts de l'invention, il est nécessaire de se référer à la description détaillée qui suit en l'associant aux dessins.
La fig. 1 est une vue en perspective des composantes de base du dispositif de l'invention.
La fig. 2 est un schéma simplifié illustrant la manière dont l'ordinateur est connecté aux fins de commander les différentes composantes du dispositif de l'invention.
La fig. 3 est une vue schématique du miroir de l'invention juxtaposé à un senseur électro-optique illustrant le mouvement d'élévation du miroir et les angles de la recherche hémisphérique en résultant.
La fig. 4 est une vue schématique illustrant l'étendue de la spirale de recherche hémisphérique quand le miroir tourne et s'incline simultanément autour de ses axes de rotation azimutale et d'élévation.
Si l'on se réfère à la fig. 1, le dispositif de recherche 10 de l'invention comprend un miroir plan 12 activement relié au châssis 14 pour pivoter autour de l'axe d'élévation 16. Le châssis 14 est activement relié à la surface annulaire 18 de la base annulaire rotative 20. La base annulaire 20 avec le châssis 14 est placée au-dessus d'un senseur conventionnel à regard fixe, généralement indiqué par le numéro 22, ayant un objectif 24 pour focaliser le flux venant sur le plan focal 26.
Plus particulièrement, les différentes composantes du dispositif de recherche 10 sont reliées entre elles de la façon suivante:
La base annulaire 20 du dispositif 10 est placée perpendiculairement et centrée par rapport à l'axe longitudinal Z du senseur 22.
Donc, les axes imaginaires X et Y de la surface annulaire 18 définissent un plan de rotation azimutale du châssis 14 et du miroir 12 qui est parallèle au plan focal 26 et centré sur l'axe Z.
L'axe 16 d'élévation du miroir plan 12, monté de manière à pouvoir pivoter dans le châssis 14, est décalé de l'axe Z mais perpendiculaire à cet axe Z. De plus, le miroir plan 12 est placé par rapport à l'axe Z de telle manière que son axe longitudinal 28 coupe l'axe Z chaque fois que le miroir plan 12 pivote autour de son axe d'élévation 16.
Conceptuellement, les mouvements d'élévation, généralement in diqués par le numéro 30, sont créés en faisant pivoter le miroir plan 12 autour de son axe d'élévation 16. Alors que les nombreux et différents types de mouvements d'élévation 30 peuvent suffire, un type de mouvement d'élévation 30 peut comprendre un mouvement rectiligne 32 placé colinéairement avec l'axe Z du dispositif 10 et activement relié à l'arrière du miroir plan 12. Pendant l'opération, le mouvement rectiligne 32 fonctionne pour faire pivoter le miroir plan 12 autour de son axe d'élévation 16. De la même manière, le mouvement azimutal, généralement indiqué par le numéro 34, est activement relié à la base annulaire 20 avec sa surface annulaire 18 dans le plan de rotation azimutale.
Sans aucune limite, un type de mouvement azimutal 34 peut comprendre un mouvement rotatif 36 ayant une roue d'engrenage 38 rigidement fixée à la base annulaire 20. Ainsi, l'opération de l'entraînement rotatif 36 fonctionne en faisant tourner la base annulaire de telle façon que sa surface annulaire 18 tourne dans le plan de rotation azimutale qui est perpendiculaire à l'axe de rotation azimutale et parallèle au plan focal 26.
De nombreuses marques de cLonométrage azimutales 4A peuvent être fournies sur la roue d'engrenage annulaire 10 pour être lues par un senseur photo 44A pour donner des informations sur la position azimutale et sur les points de discrimination de la base annulaire 22. De la même façon, une combinaison similaire des marques de chronométrage d'élévation 42E et du senseur photo 44E peut être fournie, incorporée au mouvement d'élévation 30 pour donner les informations de la position d'élévation.
Comme il a été montré dans le schéma de la fig. 2,1'ordinateur nécessaire à l'invention, indiqué par le numéro 46, est utilisé pour commander les opérations du dispositif de recherche 10. Cet ordinateur 46 possède également une interface BUS 48. La principale unité centrale de traitement (CPU) 50 de l'ordinateur 46 est reliée à l'interface BUS 48 pour contrôler l'opération des mouvements d'élévation 30 et des mouvements azimutaux 34 à travers les informations reçues par les senseurs 44A et 44E.
D'autres I/O 52 peuvent être reliées à l'interface BUS 48 permettant à l'unité centrale de traitement 50 d'être asservie à d'autres systèmes de contrôle du senseur 22 et/ou à des systèmes de contrôle d'armes.
Les fig. 3 et 4 illustrent la méthode de recherche de l'invention.
Plus particulièrement, le procédé de l'invention est le mieux illustré par les spécifications de la réalisation choisie. Cependant, il convient de préciser que l'explication de la réalisation choisie qui suit est donnée simplement à titre d'exemple: la position d'élévation du miroir peut être ajustée de manière à voir l'espace objectif horizontalement à 70 degrés au moins d'élévation, sans aucun obscurcissement de flux. Supposons un plan focal linéaire dense de 360 éléments et supposons encore que la taille de chaque élément soit de 50 microns carrés, la longueur du plan sera alors égale à (360) (50 microns) = 18 mm.
Supposons un champ visuel instantané de 0,5 mr, la longueur focale sera alors égale à:
(taille de l'élément 50 microns/0,5 mr) (champ visuel instantané)
= l00mm.
Donc, le champ visuel du plan focal à regard fixe sera égal à (0,5 mr) (360) = 180 mr = 10,3 degrés; soit environ 10 degrés.
L'angle total désiré du miroir est un angle qui produirait un rayon horizontal et un rayon aussi proche que possible du plan vertical. Avec le plan focal à regard fixe de 10 degrés, il devient alors évident que le miroir placé de façon à produire un rayon horizontal extrême serait élevé à 47,5 degrés au-dessus du plan horizontal. Avec le miroir à 47,5 degrés d'élévation, le plan focal à regard fixe regarde l'horizon et tout l'espace objectifjusqu'à un point situé à 10 degrés au-dessus de l'horizon.
L'invention, afin d'être pratique, devra exiger l'utilisation d'un miroir plan d'une taille raisonnable, car il est extrêmement difficile et coûteux de maintenir la planéité et la qualité de la surface d'un très grand miroir. En conséquence, pour les buts de cet exemple, la grandeur du miroir ne devrait pas excéder 40 cm. La largeur du miroir serait gouvernée par la divergence du champ visuel fixe comme suit: champ minimal égale à 2 [(longueur) (tan chp visuel fixe largeur minimale égale à 2 [(longueur) (tan 2 )=2] [(40) (tan 5 degrés) =70 mm]
Ainsi, un miroir de 40 cm, avec un objectif raisonnable, aura une largeur d'approximativement 60 mm.
Il devient alors évident que le flux ne connaîtra aucun obscurcissement avec le miroir élevé à 77,5 degrés. Avec le miroir à 77,5 degrés d'élévation, le plan focal à regard fixe regarde l'horizon et tout l'espace aérien hémisphérique jusqu'à un point situé à 60 degrés audessus de l'horizon et un point extrême dans l'espace situé à 70 degrés au-dessus de l'horizon.
Il s'ensuit donc que, plus le miroir s'élève, plus le plan focal s'obscurcit. Cependant, nous pouvons raisonnablement attendre que
124 du plan focal pu;sse être utile, meme s; l'autre part;e a cesse de recevoir le flux du miroir, et l'on s'aperçoit donc que le miroir peut continuer à s'élever même au-dessus de 87,5 degrés et re échir quand même le flux sur le plan focal à regard fixe.
Avec le miroir à 87,5 degrés d'élévation, la partie obscurcie du plan focal à regard fixe regarde l'horizon et tout l'espace objectif jusqu'à un point situé à 80 degrés au-dessus de l'horizon et un point extrême dans l'espace à 82,5 degrés au-dessus de l'horizon. On s'aperçoit alors et on peut clairement démontrer que, dans un sens pratique et facilement réalisable, I'invention peut regarder, chercher, explorer et balayer au moins 165 degrés de l'espace aérien hémisphérique, et l'angle d'ouverture du miroir ne sera que de 40 degrés, ce qui est très facilement concrétisable. En effet, on ne doit pas oublier qu'aujourd'hui une observation électro-optique de l'espace aérien hémisphérique aussi claire et à une vitesse aussi rapide que celle décrite plus haut ne peut pas être réalisée avec les moyens et systèmes existants aujourd'hui.
Le mouvement azimutal est, dans notre exemple, continu, mais il peut être modifié par l'opérateur s'il le désire.
La discrimination de la ligne de balayage dépend de la résolution de la trame, de la taille de l'élément, du surbalayage et des temps d'observation de chaque pixel et de la sensibilité qui sont désirés.
Cet exemple suppose une vitesse de rotation azimutale continue de 1800 rpm = 30 rps.
Ainsi, 2K rad (30)/sec seront balayés. Avec une résolution de 0,5 mrd, le taux de balayage est égal à 377 (103) pixel/sec ou un temps d'observation pour chaque pixel ¯ 2,65 vsec/pixel. Ce taux, bien que rapide, reste dans le taux de génération et recombinaison de plans focaux infrarouges linéaires, photoconductifs typiques, ainsi que d'autres spectres optiques. L'espace aérien hémisphérique, ou une partie de celui-ci, peut être exploré par le miroir s'inclinant de 5 degrés par 360 degrés du mouvement azimutal.
Il devient alors clair que, par exemple, 140 degrés de la scène hémisphérique peuvent être explorés en 8 révolutions du miroir; cela donne plus de 4 explorations par seconde. De plus, si le champ visuel instantané des senseurs est, par exemple, augmenté de 1,0 mr, alors le temps d'observation de chaque pixel doublera et la sensibilité augmentera par JE L'angle 6 d'élévation sera alors doublé. Ainsi, 4 révolutions du miroir seront à même d'explorer les 140 degrés de l'espace aérien hémisphérique, et cela donnera plus de 8 explorations complètes par seconde.
Pour cet exemple, les vitesses azimutale et d'élévation du miroir seront constantes et très précisément coordonnées.
Le rythme de variation de l'angle d'élévation du miroir sera égal à 1/2 (plan focal total)/360 degrés du mouvement azimutal. Ainsi, avec un angle total fixe de 10 degrés du plan focal, L'angle 3 d'élévation sera de 5 degrés par 360 degrés et, avec une vitesse azimutale de 1800 rpm, la vitesse d'élévation sera de Y72 de la vitesse azimutale.
Dans cet exemple, les marques de chronométrage 42A peuvent être placées tous les 32 pixels avec des temps de réenclenchement à chaque révolution pour ainsi accommoder et corriger les erreurs dues à la friction mécanique et/ou aux variations dans la vitesse d'entraînement. Une horloge électronique fournira linéairement la position azimutale du miroir entre chaque marque de chronométrage.
Bien que cette invention ait été décrite dans notre exemple avec un certain degré de spécificité, il est bien entendu que notre exemple permet beaucoup de modifications et améliorations, mais que ces modifications et/ou améliorations de la construction, de la combinaison et de l'arrangement des accessoires peuvent être réalisées sans pour cela s'écarter de l'esprit de notre invention.
Il est, par exemple, évident que la présente invention peut être et sera aisément, avec des modifications mineures, adaptée, et trouvera une utile application pour n'importe quel système aéroporté comme.
mais non limitée à, des avions, des missiles, des satellites, des ballons d'observation, des R.P.V. et similaires.