Un avion de combat ou un drone est pourvu d’un nombre important de capteurs qu’ils soient proprioceptif, lié à l’état interne de l’avion, ou extéroceptif, donnant des informations par rapport à son environnement. On se contentera, dans cette partie, de présenter les capteurs utilisables pour notre application et liés à notre méthode de détection et de suivi, présentée dans le Chapitre2.
1.4 Capteurs 27
(a) SPN-46 (US) (b) Système SADA (DCNS)
Figure 1.19 – Systèmes automatiques d’appontage opérationnel dans l’US Navy(a) ou en expérimentation dans la Marine Nationale (b).
1.4.1 Le système TACAN
Le système TACAN (TACtical Air Navigation) est un système reposant sur une balise placée, dans notre application, sur le porte-avions et sur un transpondeur situé sur l’avion, fournissant des informations de distance et d’angle entre les deux. Il est l’équivalent militaire du système civil VOR-DME. Le système est un dérivé d’un radar et a le mode opératoire suivant : le transpondeur de l’avion va émettre une requête qui va être reçue et renvoyée par la balise du porte-avions afin d’estimer la distance entre les deux ; la mesure de l’angle est quant à elle obtenue par une modulation de l’amplitude du signal de la balise TACAN anisotrope suivant son azimut. D’autres sous-systèmes viennent compléter ce fonctionnement afin d’améliorer les mesures [Navy 1994]. Dans notre application, ce capteur sera employé lors de la phase d’initialisation des algorithmes de vision. Cependant la précision du système TACAN est limitée à ±1 degrés en angle et ±0.1nm en distance d’après [DoD 2001].
1.4.2 Centrale inertielle
En aéronautique, une centrale inertielle (CI) est un système de navigation fournissant l’attitude, le vecteur vitesse et la position d’un objet. La technologie actuelle utilise trois accéléromètres et trois gyromètres fixés sur la plateforme. Ces mesures vont être intégrées et combinées afin d’aboutir au calcul des données. De par le mode de calcul et des précisions attendues, ces capteurs sont caractérisés par un biais et un bruit très faibles. Des magnéto- mètres peuvent venir compléter les autres capteurs afin d’avoir une référence par rapport au pôle magnétique de la Terre. Les informations de ce capteur, utilisées par notre loi de com- mande, sont l’attitude de l’aéronef composée des angles d’Euler ψ,θ,φ dans le repère FN ED et ses vitesses de rotation p,q,r dans le repère avion Fb, tel que présentées sur la Fig.1.20. Le repère terrestre "NED" (North, East, Down) est positionné en un point quelconque du globe terrestre et est orienté de manière que les axes x, y et z pointent respectivement vers le Nord, l’Est et le centre de la Terre.
X
bF
bY
bZ
bZ
NEDX
NEDY
NEDF
NEDV
β
p r qα
Y
NEDX
NEDY1
X1
Ψ ΨZ
2X
2 θ θZ
2Y
2Z
bY
b φ φ ZNED, Z1 Y1, Y2 X2, XbZ1
X1
HFigure 1.20 – Repères monde et avion et représentation des rotations par les angles d’Euler
1.4.3 Sondes
La sonde Pitot mesure la vitesse aérodynamique. Cet équipement est un tube pourvu de prises de pression placées respectivement à une extrémité et autour du tube. Le trou d’extrémité capte la pression totale, somme de la pression dynamique (liée à la vitesse de l’avion) et de la pression statique (liée à l’altitude). Les prises de pression statiques permettent d’estimer la pression dynamique. A partir des mesures de pression et en prenant en compte différentes corrections, liées à la compressibilité de l’air et aux erreurs des instruments, la vitesse aérodynamique V dite "vraie" est obtenue. Les mesures d’incidence et de dérapage proviennent de sondes AOA (Angle Of Attack). Une sonde AOA est constituée d’une ailette prise dans l’écoulement de l’air. Par l’orientation de l’ailette et le positionnement des sondes sur la cellule de l’avion, les angles d’incidence α et de dérapage β sont déterminés et illustrés Fig.1.20. La vitesse aérodynamique et l’angle d’incidence doivent être correctement mesurés car les caractéristiques aérodynamique d’un avion dépendent largement de ces variables.
1.4.4 Radio-altimètre
Un radio-altimètre est un radar utilisé pour mesurer la hauteur H de l’avion par rapport au sol ou à l’eau. Un signal est émis et réfléchi par le sol ou la mer, le temps de vol correspondant à la hauteur. Des sophistications sont ajoutées afin d’être, à la fois, robuste à un éventuel brouillage et discret.
1.4 Capteurs 29
(a) OSF (Thales) (b) Image TV d’un F22 par l’OSF (c) Image du DAS (F35)
Figure 1.21 – Capteur InfraRed Search and Track (IRST)
1.4.5 Optronique
Les capteurs dits optroniques (constitués d’une optique, d’une électronique de traitement et de commande) permettent de réaliser des tâches de reconnaissance, de désignation, de détec- tion et de surveillance dans des applications aéronautiques, terrestres, maritimes et spatiales [Dansac 1994].
On s’intéressera ici aux capteurs embarqués sur les avions et drones. Il en existe de plusieurs types, ayant chacun une fonction distincte et ils présentent des performances très élevées (il est vrai pour un coût élevé lui aussi). Ces capteurs optroniques travaillent dans une portion du domaine électromagnétique allant de l’ultra-violet (pour certains détecteurs de missiles) à l’infrarouge très lointain. Les catégories des bandes présentées par la suite sont restreintes du visible à l’IR lointain, l’ultra-violet étant peu employé. Le domaine du visible est celui de l’œil humain, pour lequel le cerveau est habitué à raisonner. Il a une bonne transmission dans l’atmosphère mais est sensible aux conditions climatiques et à l’atténuation d’une atmosphère brumeuse et bien entendu à l’absence de lumière [Accetta 1993]. L’utilisation du domaine infrarouge permet de palier, en partie, ces limitations. Ce domaine se découpe en trois bandes avec des caractéristiques de transmission bien différentes : SWIR (1-3µm), MWIR (3-5µm), et LWIR (8-13µm). Un capteur SWIR captera la réflection du rayonnement ambiant sur un objet alors que le capteur LWIR captera le rayonnement lié à la chaleur de l’objet, MWIR étant considéré comme une composition entre les deux [Dansac 1994]. Les paragraphes suivants présentent des systèmes optroniques embarqués sur les avions de combat. Ces équipements sont constitués de capteurs intégrés dans le but de remplir une fonction de surveillance et de suivi, de désignation, de détection et de reconnaissance. Ils exploitent le même type de capteurs et possèdent des fonctionnalités qui se recouvrent parfois.
FLIR. L’équipement FLIR (Forward Looking InfraRed) est une caméra fonctionnant en infrarouge orientée vers l’avant et pourvue d’un champ de vue de l’ordre de 25 à 45 degrés. L’image qu’il fournit est projetée sur un écran ou sur le HUD pour aider le pilote lors de navigation de nuit ou par conditions de visibilité dégradée.
Capteur de veille infrarouge. L’IRST (InfraRed Search and Track) est un capteur de veille infrarouge, avec un champ de vue plus restreint, de l’ordre de 5 à 10 degrés, qui va continûment balayer à l’aide d’un dispositif mécanique un large champ de vue à la recherche
(a) DDM-NG (Thales) (b) Image du DDM-NG (c) Image du DDM du F22
Figure 1.22 – Détecteur de missile
(a) Damocles (Thales) (b) Image IR du Charles de Gaulle
Figure 1.23 – Pod de désignation
d’éventuelles menaces provenant du ciel ou du sol (Fig. 1.21c). Les capacités de détection souvent évoquées sont de l’ordre de 50 à 70km. Le système OSF, monté devant le cockpit du Rafale (Fig.1.21a), est équipé d’une voie fonctionnant dans le visible (Fig. 1.21b) associé avec un laser de télémétrie, et sur la voie infrarouge d’un IRST fournissant une capacité FLIR [Optronique 2008b]. Toutefois, d’après [Steuer 2011], dans la dernière évolution du Rafale, la voie infrarouge a été enlevée pour traiter des obsolescences ; elle devrait être réinstallée dans un futur standard.
Détecteur de départ missile. Le DDM-NG est doté d’une fonctionnalité complémentaire de celle de l’IRST. Il est situé à des positions maximisant le champ visuel, par exemple sur la dérive du Rafale, présenté Fig. 1.22a. Il est équipé de deux optiques à champ de vue large [MBDA 2008], positionnées de part et d’autre de la dérive. Ce type de capteurs fournit les images présentées Fig 1.22b et1.22cprovenant du DDM-NG et de son équivalent sur le F22 américain.
Pod de désignation. Les pods de désignation laser, comme le pod Damocles présenté Fig.
1.23a, sont des équipements guidant des bombes laser vers leurs objectifs. La bombe, équipée d’un capteur sensible à la longueur d’onde du laser, s’asservit sur la tâche laser réfléchie par la cible. La précision est de l’ordre du mètre mais est dépendante des conditions climatiques. Outre le laser de désignation, les pods sont aussi pourvus de capteurs dans le domaine visible et/ou infrarouge, voire même de FLIR [Optronique 2008a]. Ces capteurs servent de retour
1.5 Les applications de la vision en aéronautique 31