FR2525761A1 - Stabilised optical sighting system with gyroscope - has infrared camera aligned with input in order to generate position signals for aligning motors - Google Patents
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Abstract
Description
Dispositif de visée stabilisée multivoies
La présente invention concerne un dispositif de visée stabilisée destiné à être monté sur une plate-forme telle qu'un véhicule terrestre, un hélicoptère ou un navire.Multi-path stabilized sighting device
The present invention relates to a stabilized sighting device intended to be mounted on a platform such as a land vehicle, a helicopter or a ship.
Dans de nombreux cas, par exemple dans les systèmes de conduite de tir, le dispositif de visée doit stabiliser et pointer simultanément, en site et en gisement, les lignes de visée de plusieurs senseurs'travaillant dans des bandes spectrales différentes, pour lesquelles n'existe pas de matériau- ayant un coefficient de transmission suffisant dans tout le spectre à couvrir. Ce cas se présente notamment dans les systèmes de.conduite de tir qui incorporent des "senseurs" dont certains travaillent dans le domaine du visible et de l'infrarouge proche, c'est-à-dire pratiquement la bande de 0,4 à 2,5 microns, et d'autres travaillent dans l'infrarouge thermique, dans une bande qui est généralement comprise entre 3 et 13 microns.In many cases, for example in fire control systems, the sighting device must stabilize and point simultaneously, in elevation and in bearing, the sighting lines of several sensors working in different spectral bands, for which no material exists - having a sufficient transmission coefficient in the whole spectrum to be covered. This case occurs in particular in firing control systems which incorporate "sensors", some of which work in the visible and near infrared range, that is to say practically the band from 0.4 to 2 , 5 microns, and others work in thermal infrared, in a band which is generally between 3 and 13 microns.
On connatt déjà (EP-A-OO 31781) un dispositif de visée stabilisée comportant un premier équipage orientable autour d'un axe extérieur (axe de gisement chaque fois que l'on cherche à atteindre des angles de site importants) par un moteur d'orientation, un second équipage monté sur le premier de façon à pouvoir être orienté autour d'un axe intermédiaire orthogonal avec l'axe extérieur par un moteur d'orientation commandé par une boucle d'asservissement, et un coeur muni d'un gyroscope et monté sur le second équipage par un mécanisme d'orientation autour d'un axe intérieur situé dans un plan orthogonal a l'axe intermédiaire, mécanisme.commandé, a partir des signaux fournis par le gyroscope, par une boucle d'asservissement, tandis que le moteur d'orientation autour de l'axe extérieur est muni d'un système de recopie commandé par un détecteur des écarts angulaires de l'axe intérieur par rapport à la position canonique. Le coeur peut comporter un senseur ou plusieurs "senseurs. Dans le second cas,. le plus fréquent, le dispositif comporte plusieurs pupilles d'entrée dont
une au moins est affectée a la voie visible et infrarouge
proche, l'autre à la voie infrarouge thermique. Les se
seurs' affectés à la première voie comporteront par exemple
une lunette de visée oculaire directe, un système de télé
vision travaillant dans le visible et le proche infrarouge,
un télémètre laser. et, éventuellement, un système d'écar
tométrie. Les "senseursuaffectés à l'autre voie se limite
ront souvent a une caméra d'imagerie thermique utilisée
pour l'observation et le tir de nuit.There is already known (EP-A-OO 31781) a stabilized sighting device comprising a first crew orientable around an external axis (axis of bearing each time one seeks to reach large angles of elevation) by a motor of orientation, a second crew mounted on the first so as to be able to be oriented around an intermediate axis orthogonal to the external axis by an orientation motor controlled by a servo loop, and a core provided with a gyroscope and mounted on the second crew by an orientation mechanism around an internal axis located in a plane orthogonal to the intermediate axis, mechanism.commanded, from the signals provided by the gyroscope, by a servo loop, while that the orientation motor around the external axis is provided with a feedback system controlled by a detector of the angular deviations of the internal axis relative to the canonical position. The heart can comprise a sensor or several "sensors. In the second case, the most frequent, the device comprises several entrance pupils of which
at least one is assigned to the visible and infrared channel
close, the other to the thermal infrared channel. The se
sors' assigned to the first channel will include for example
a direct eyepiece scope, a TV system
vision working in the visible and near infrared,
a laser rangefinder. and possibly a screen system
tomometry. The "sensors assigned to the other channel is limited
often go to a thermal imaging camera used
for observation and night shooting.
Un tei dispositif donne des résultats satisfaisants du point de vue de la valeur de la résiduelle de stabilisation. Mais l'espace nécessaire au débattement angulaire des 'senseursu, dont les plus encombrants (caméras thermiques)
sont de forme allongée, conduit a un dispositif de volume
important.Such a device gives satisfactory results from the point of view of the value of the residual stabilization. But the space necessary for the angular movement of the 'sensorsu, of which the most bulky (thermal cameras)
are elongated, leads to a volume device
important.
La présente invention vise notamment a fournir un dispositif du genre ci-dessus défini présentant un encom
brement réduit. Dans ce but, l'invention propose un dis
positif dans.lequel le coeur est constitué essentiellement
par lessenseurfd'une des voies (caméra a infrarouge thermique par exemple) et est couplé a un miroir de pointage
appartenant a l'autre voie par un dispositif de recopie
angulaire dans un rapport de 1/2 autour d'un axe paral
lèle a l'axe intérieur et porté par le second équipage, ou confondu avec lui.The present invention aims in particular to provide a device of the kind defined above having an encom
sharply reduced. To this end, the invention provides a dis
positive dans.lequel the heart consists essentially
by means of one of the channels (thermal infrared camera for example) and is coupled to a pointing mirror
belonging to the other channel by a feedback device
angular in a ratio of 1/2 around a paral axis
lele to the inner axis and carried by the second crew, or confused with it.
Les caméras infrarouge utilisées à l'heure actuelle,
incorporant une barrette d'éléments détecteurs et un dias
poramètre de balayage, ont généralement une forme très
allongée autour de leur axe optique. Il est dans ce cas
avantageux de disposer la caméra constituant le coeur de
façon que son axe optique soit parallèle a l'axe de site
ou confondu avec lui, un miroir de renvoi à 900 étant
prévu sur le trajet de la voie infrarouge entre la pupille
d'entrée -et l-a caméra. L'axe de latéral sera placé de
façon a intersecter l'axe de site, tandis que l'axe de
gisement peut être décalé de l'axe de latéral lorsque l'on
souhaite placer lessenseursappartenant à la voie optique
derrière la caméra à infrarouge thermique. The infrared cameras used today,
incorporating a strip of detector elements and a slide
scanning porameter, generally have a very
elongated around their optical axis. It is in this case
advantageous to have the camera constituting the heart of
so that its optical axis is parallel to the site axis
or confused with it, a mirror returning to 900 being
planned on the path of the infrared path between the pupil
-and the camera. The lateral axis will be placed from
way to intersect the site axis, while the axis of
deposit can be offset from the lateral axis when
wish to place the sensors belonging to the optical channel
behind the thermal infrared camera.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit d'un dispositif qui en constitue un mode particulier de réalisation, donné à titre d'exemple non limitatif et comportant deux voies munies chacune d'une pupille d'entrée. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels
- les figures 1 et 2 sont des schémas de principe, respectivement en vue de dessus et en vue de face, montrant la disposition des constituants principaux du dispositif
- la figure 3 est une vue fantôme en perspective simplifiée montrant une répartition possible des composants du dispositif dans l'espace, dans le cas où le dispositif constitue viseur de toit d'un hélicoptère.The invention will be better understood on reading the following description of a device which constitutes a particular embodiment thereof, given by way of nonlimiting example and comprising two channels each provided with an entrance pupil. The description refers to the accompanying drawings, in which
- Figures 1 and 2 are block diagrams, respectively in top view and in front view, showing the arrangement of the main components of the device
- Figure 3 is a simplified perspective phantom view showing a possible distribution of the components of the device in space, in the case where the device constitutes a viewfinder of the roof of a helicopter.
Le dispositif de visée stabilisée montré en figures
1 et 2 est destiné a être monté sur un bâti 9. Il comporte un premier équipage 10 monté sur le bâti 9 par l'intermédiaire d'un roulement il de façon à tourner autour d'un axe
12 qu'on supposera être l'axe de gisement.The stabilized sighting device shown in figures
1 and 2 is intended to be mounted on a frame 9. It comprises a first assembly 10 mounted on the frame 9 by means of a bearing 11 so as to rotate about an axis
12 which will be assumed to be the bearing axis.
Le premier équipage 10, constituant cardan de gisement, porte un second équipage 13 par l'intermédiaire de roulements 15 disposés de façon que le second équipage puisse tourner autour d'un axe intermédiaire 14 perpendiculaire au premier et constituant axe de site. Le second équipage
13 porte le coeur du dispositif de visée stabilisée. Le coeur n'est pas fixé sur le second équipage. Il est porté par un ou des paliers de façon à pouvoir tourner autour d'un axe interne 16, que l'on appellera axe de latéral, perpendiculaire à l'axe de site 14. Dans le mode de réalisation illustré en figure 1, l'axe de latéral 16 est décalé de Itaxe de gisement 12 lorsque ces deux axes sont parallèles, cette disposition permettant de mieux loger les senseurs comme on le verra plus loin.The first equipment 10, constituting the universal joint, carries a second equipment 13 by means of bearings 15 arranged so that the second equipment can rotate around an intermediate axis 14 perpendicular to the first and constituting site axis. The second crew
13 carries the heart of the stabilized sighting device. The heart is not attached to the second crew. It is carried by one or more bearings so as to be able to rotate around an internal axis 16, which will be called lateral axis, perpendicular to the site axis 14. In the embodiment illustrated in FIG. 1, l the lateral axis 16 is offset from the deposit axis 12 when these two axes are parallel, this arrangement allowing better accommodation of the sensors as will be seen below.
Un gyroscope de stabilisation 17 est monté directement sur Ie coeur. L'axe de spin du gyroscope 17 est orienté parallèlement à la direction 18 de la visée (figure 1). Le gyroscope sera généralement du type sec d deux axe-s sensibles, lrun des deux axes d'entrée du gyroscope étant orienté suivant l'axe de latéral 16 et l'autre axe d'entrée faisant donc, avec l'axe 14, un angle égal à celui dont a tourné le coeur, autour de l'axe de latéral 16, par rapport à la position canonique. A stabilization gyroscope 17 is mounted directly on the heart. The spin axis of the gyroscope 17 is oriented parallel to the direction 18 of the sight (FIG. 1). The gyroscope will generally be of the dry type of two sensitive axes, one of the two input axes of the gyroscope being oriented along the lateral axis 16 and the other input axis therefore making, with the axis 14, a angle equal to that of which the heart has rotated, around the lateral axis 16, with respect to the canonical position.
Le coeur et le second équipage 13, dont l'élément de structure essentiel est un fourreau 30, sont munis chacun d'un. circuit d'asservissement (non représenté) dont le détecteur est constitué par le gyroscope 17. Le circuit d'asservissement en site comprend- une électronique de commande d'un moteur d'orientation en site, schématisé en 20. De façon similaire, le circuit d'asservissement en latéral reçoit les signaux du gyroscope 17 et commande un moteur 22 d'orientation du coeur autour de l'axe de latéral. The core and the second crew 13, whose essential structural element is a sheath 30, are each provided with one. servo-control circuit (not shown), the detector of which is constituted by the gyroscope 17. The on-site servo-control circuit comprises- an electronics for controlling an on-site orientation motor, shown diagrammatically at 20. Similarly, the lateral servo circuit receives the signals from the gyroscope 17 and controls a motor 22 for orienting the heart around the lateral axis.
Le dispositif est conçu de façon que le coeur s'écarte peu de la position canonique, dans laquelle les axes sensibles du gyroscope sont parallèles aux axes d'action des moteurs de stabilisation 20 et 22. Pour atteindre ce résultat, il faut faire tourner le premier équipage, c'est-à-dire le cardan de gisement 10, de façon que l'angle de rotation du coeur autour de l'axe de latéral 16 reste très faible. Ce résultat est atteint en munissant le premier équipage 10 d'une chatne de recopie (non représentée) comportant un détecteur des rotations du coeur autour de l'axe de latéral 16 et une électronique, channe qui commande un moteur 25-d'orientation de l'équipage 10. Dans ces conditions, on peut limiter les déplacements angulaires du coeur autour de l'axe de latéral 16 à une amplitude faible, limitée à quelques degrés et, dans la pratique, fréquemment inférieure au degré. The device is designed so that the heart deviates little from the canonical position, in which the sensitive axes of the gyroscope are parallel to the axes of action of the stabilization motors 20 and 22. To achieve this result, it is necessary to rotate the first crew, that is to say the universal joint 10, so that the angle of rotation of the heart around the lateral axis 16 remains very small. This result is achieved by providing the first crew 10 with a feedback loop (not shown) comprising a detector of the rotations of the heart around the lateral axis 16 and an electronic chain which controls a 25-orientation motor of the crew 10. Under these conditions, it is possible to limit the angular displacements of the heart around the lateral axis 16 to a small amplitude, limited to a few degrees and, in practice, frequently less than a degree.
La disposition décrite jusqu'ici est du type qui fait l'objet du document EP-A-OO 31781, auquei on pourra se reporter, si ce n'est que l'axe de latéral est décalé par rapport a l'axe de gisement, alors que ce n'était pas le cas dans le mode particulier de réalisation décrit à titre d'exemple dans le document EP-A-OO 31781. The arrangement described so far is of the type which is the subject of document EP-A-OO 31781, to which one can refer, except that the lateral axis is offset with respect to the bearing axis , whereas this was not the case in the particular embodiment described by way of example in document EP-A-OO 31781.
Le dispositif suivant l'invention comporte plusieurs voies optiques ayant des pupilles d'entrée différentes (deux voies dans le cas montré sur les figures). L'une des voies est destinée à la détection en infrarouge thermique. The device according to the invention comprises several optical channels having different entrance pupils (two channels in the case shown in the figures). One of the channels is intended for thermal infrared detection.
Sonesenseurhest est constitué par une caméra thermique 31, travaillant dans la bande spectrale allant de 3 à 13 microns. Le boîtier de cette caméra porte le gyroscope 17 et le rotor du moteur de latéral 22, de sorte que la caméra canstitue le coeur du dispositif. Les caméras thermiques actuelles présentent généralement un boîtier de forme allongée dans le sens de l'entrée de la lumière. Il est avantageux, pour des raisons d'encombrement, de disposer la caméra longitudinalement dans le fourreau et d'interposer, entre ld pupille d'entrée 32 (constituée par un hublot ménagé dans un capot suiveur 33 solidarisé électriquement du fourreau 30 par un asservissement de recopie) et la caméra 31 un miroir de renvoi à 900, 34, solidaire du bottier de la caméra. Sonesenseurhest is constituted by a thermal camera 31, working in the spectral band going from 3 to 13 microns. The housing of this camera carries the gyroscope 17 and the rotor of the lateral motor 22, so that the camera canstitue the heart of the device. Current thermal imaging cameras generally have a casing which is elongated in the direction of the entry of light. It is advantageous, for reasons of space, to place the camera longitudinally in the sheath and to interpose, between the entrance pupil 32 (constituted by a porthole formed in a follower hood 33 electrically secured to the sheath 30 by a servo and the camera 31 a mirror at 900, 34, integral with the camera boot.
La seconde voie, correspondant à une bande spectrale allant typiquement de 0,4 à 2,5 microns (visible et proche infrarouge) comporte un hublot d'entrée 35 en matériau transparent pour la bande spectrale correspondante, porté par un capot suiveur en site 36 similaire au capot 33. The second channel, corresponding to a spectral band typically ranging from 0.4 to 2.5 microns (visible and near infrared) comprises an inlet porthole 35 made of transparent material for the corresponding spectral band, carried by a tracking hood on site 36 similar to cover 33.
L'élément d'entrée de cette seconde voie est constitué par un miroir de pointage 37 destiné à renvoyer la lumière incidente le long de l'axe de site 14. Ce second miroir 37 est monté rotatif sur l'équipage 13 autour d'un axe secondaire de latéral 38. Il n'est pas nécessaire de munir le miroir 37 d'un système indépendant de stabilisation autour de l'axe de latéral secondaire 38, les déplacements angulaires à lui donner étant exactement moitié de ceux de la caméra 31. En conséquence, il suffit de prévoir un dispositif mécanique de recopie des déplacements de la caméra dans un rapport 1/2, schématisé sur les figures 1 et 2 par une courroie métallique 39 et deux poulies 40 et 41. La poulie 41, solidaire du miroir 37, a un diamètre double de celui de la poulie 40, solidaire du bottier de la caméra 31.The input element of this second channel is constituted by a pointing mirror 37 intended to return the incident light along the site axis 14. This second mirror 37 is rotatably mounted on the crew 13 around a secondary lateral axis 38. It is not necessary to provide the mirror 37 with an independent stabilization system around the secondary lateral axis 38, the angular displacements to be given to it being exactly half that of the camera 31. Consequently, it suffices to provide a mechanical device for copying the movements of the camera in a 1/2 ratio, shown diagrammatically in FIGS. 1 and 2 by a metal belt 39 and two pulleys 40 and 41. The pulley 41, integral with the mirror 37, has a diameter twice that of the pulley 40, integral with the housing of the camera 31.
En aval du miroir de pointage 37, la voie visible et proche infrarouge comporte un miroir de renvoi 42 solidaire du premier équipage 10. Le miroir 42 renvoie le faisceau de lumière vers l'arrière. Le faisceau est ensuite repris par une lame dichrofque 43 qui renvoie la partie visible vers une chaîne comportant, dans le mode de réalisation illustré, un objectif 44 muni d'un système de redressement et une caméra de télévision 45. Une nouvelle lame dichroïque ou semi-transparente 46 permet de prélever une partie de la lumière sortant de l'objectif 44 et de l'envoyer colinéairement à l'axe de gisement du- plateau 10 vers une lunette 47 d'observation visuelle directe. Downstream of the pointing mirror 37, the visible and near infrared channel comprises a deflection mirror 42 secured to the first assembly 10. The mirror 42 returns the beam of light towards the rear. The beam is then taken up by a dichroof blade 43 which returns the visible part to a chain comprising, in the illustrated embodiment, a lens 44 provided with a rectification system and a television camera 45. A new dichroic or semi blade -transparent 46 allows to take part of the light leaving the objective 44 and to send it collinearly to the bearing axis of the tray 10 towards a telescope 47 for direct visual observation.
La partie du faisceau située dans le proche infrarouge traverse la lame dichroïque 43 et tombe sur la fenêtre d'entrée d'un télémètre laser 48 situé à l'arrière du premier équipage. Ce télémètre pourra par exemple comporter un laser à impulsions à 1,06 micron et une électronique associée de télémétrie. The part of the beam located in the near infrared crosses the dichroic blade 43 and falls on the entry window of a laser range finder 48 located behind the first crew. This rangefinder may for example include a 1.06 micron pulse laser and associated telemetry electronics.
Naturellement, le dispositif pourrait être complété par d'autres dispositifs encore d'observation stabilisée ou de détection. Naturally, the device could be supplemented by other still stabilized observation or detection devices.
On voit qu'en disposant transversalement la caméra - infrarouge 3X, en avant de l'axe de gisement 12, et en plaçant derrière elle d'une part, les éléments travaillant dans le domaine visible, d'autre part, les éléments travaillant dans le proche infrarouge et, surtout, le télémètre laser, relativement encombrant, on arrive à réduire très notablement la dimension verticale du dispositif et, surtout, le volume balayé lors des orientations en site et en gisement.De plus, on peut envoyer la lumière vers laslunette 47 suivant l'axe de gisement 12 et, en cons- quence, prévoir une-lunette d'observation 47 (réduite a un bras porte-oculaire)'fixe. Grâce à l'utilisation de capots suiveurs portant les hublots, la dimension de ces derniers peut être très réduite, ce qui est particulièrement important pour le hublot d'entrée de la voie infrarouge thermique, qui doit être constitué en germanium. We see that by placing the 3X infrared camera transversely, in front of the bearing axis 12, and by placing behind it on the one hand, the elements working in the visible range, on the other hand, the elements working in the near infrared and, above all, the relatively bulky laser range finder, we manage to very significantly reduce the vertical dimension of the device and, above all, the volume swept during the orientations in elevation and in bearing. the telescope 47 along the bearing axis 12 and, consequently, provide a fixed telescope 47 (reduced to an eyepiece arm). Thanks to the use of follower hoods carrying the portholes, the size of the latter can be very small, which is particularly important for the entry porthole of the thermal infrared channel, which must be made of germanium.
Le dispositif peut aisément être réalisé pour présenter une plage d'orientations infinie en gisement, à condition de prévoir un joint électrique tournant, et un débattement
de l'ordre de 700 en site. Lorsque la caméra est du type
à barrette, le dispositif permet non seulement d'accomplir
la fonction de visée stabilisée, mais aussi celle de veille
en bloquant le système en site et en effectuant un balayage
en gisement par rotation lente du premier équipage.The device can easily be made to present an infinite range of orientations in bearing, provided that a rotating electrical joint is provided, and a clearance
around 700 on site. When the camera is of the type
with bar, the device allows not only to accomplish
the stabilized aiming function, but also the standby function
blocking the site system and scanning
in deposit by slow rotation of the first crew.
La figure 3, où les organes correspondant à ceux des figures 1 et 2 sont désignés par le même numéro de référence, montre une réalisation possible du dispositif en vue d'un montage sur hélicoptère. Le dispositif comporte un boîtier externe 49 muni d'une bride 50 de fixation sur le toit de l'hélicoptère. On retrouve le premier équipage, dont l'élément essentiel est un plateau 51 muni d'une fourche dont les bras portent les roulements 15. On voit que le fourreau 30, de forme allongée, contenant la caméra 31, tourne autour de son axe lors des débattements en site, donc que l'espace requis pour ce type de débattement se limite au volume de la caméra et du fourreau. Etant donné la très faible valeur des débattements angulaires autour de l'axe de latéral 16, le diamètre du fourreau peut n'être que-très légèrement supérieur à celui de la caméra. Figure 3, where the bodies corresponding to those of Figures 1 and 2 are designated by the same reference number, shows a possible embodiment of the device for mounting on a helicopter. The device comprises an external box 49 provided with a flange 50 for fixing to the roof of the helicopter. We find the first crew, whose essential element is a plate 51 provided with a fork whose arms carry the bearings 15. We see that the sheath 30, of elongated shape, containing the camera 31, turns around its axis during on-site travel, so that the space required for this type of travel is limited to the volume of the camera and the sheath. Given the very low value of the angular deflections around the lateral axis 16, the diameter of the sleeve may be only very slightly greater than that of the camera.
Le mode de réalisation de la figure 3 ne comporte pas de capot suiveur. Les hublots 32 et 35 ont donc une orientation invariable autour de l'axe 14 et le champ d'observation en site sera limité par leur dimension verticale. Pour augmenter ce champ, on peut les constituer de facettes accolées. The embodiment of Figure 3 does not include a follower cover. The windows 32 and 35 therefore have an invariable orientation around the axis 14 and the field of observation in elevation will be limited by their vertical dimension. To increase this field, one can constitute them of joined facets.
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