INSTRUMENT OPTIQUE D'OBSERVATION
La présente invention concerne un instrument optique d'observation destiné à être embarqué sur un avion ou sur un satellite automatique pour l'observation de la terre.
Les contraintes technologiques qui pèsent sur la réalisation des instruments de ce genre, ainsi que les conditions opératoires et notamment la vitesse élevée des engins porteurs provoquent des limitations pratiques de leurs performances.
Les différents types connus d'instruments optiques d'observation réalisent des compromis spécifiques différents entre les quatre performances principales, qui sont :
1) la résolution spectrale, c'est-à-dire le nombre de
canaux spectraux indépendants dans une largeur spectrale totale donnée,
2) la résolution géométrique, mesurée par l'inverse des
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3) la résolution radiométrique, cest-à-dire le rapport
signal à bruit de la mesure individuelle de chaque élément d'image pour chaque canal spectral,
4) la valeur angulaire maximale du champ transversal
couvert par l'instrument d'observation.
Un premier type d'instrument connu est constitué par les appareils de prise de vue traditionnels. Ces appareils forment de manière instantanée une image bidimensionnelle du paysage observé. Une succession régulière de telles images, avec ou sans recouvrement, constitue la couverture impartie à la mission. Ces appareils utilisent les procédés photographiques ou les procédés de prise de vue de télévision.
Les inconvénients de ces appareils sont : a) l'utilisation pratique extrêmement faible du temps d'exposition théoriquement disponible pendant le survol, et consécutivement la limitation alternative de la résolution spectrale ou de la résolution radiométrique; b) la difficulté de superposer rigoureusement plusieurs images synchrones, obtenues par des dispositifs étendus et nécessairement distincts travaillant dans différents canaux spectraux;. c) la limitation pratique de la résolution géométrique en raison delagrandeu.r généralement importante du champ angulaire requis; d) la limitation pratique de l'ouverture angulaire du télescope astreint à respecter un certain champ et une certaine résolution; cette limitation produit
à son tour une limitation de la sensibilité.
Un deuxième type d'instrument connu est le capteur multispectral à balayage mécanique. Ce dispositif comprend un miroir placé devant l'objectif d'un télescope, ce miroir étant animé d'un mouvement rotatif périodique de manière que l'axe de visée se déplace de façon à couvrir la largeur du champ transversal requis. Plusieurs détecteurs photoélectriques de très petites dimensions, pratiquement ponctuels, se trouvent placés dans le plan image du télescope pour engendrer des signaux électriques proportionnels à l'irradiation, chaque détecteur étant associé à un canal spectral.
Une amélioration de ce type d'appareil consiste
à disposer, dans chaque canal spectral, non pas un mais plusieurs détecteurs formant une barrette perpendiculaire aux lignes de balayage. Cette amélioration permet en balayant plusieurs lignes en même temps, de réduire la vitesse de balayage du miroir, et partant, d'augmenter le temps d'exposition de chaque élément d'image dans chaque canal spectral.
Le.s capteurs de ce genre permettent d'obtenir une résolution géométrique élevée, dans un champ angulaire aussi étendu que l'on veut, et de réaliser le synchronisme de la détection des différentes luminances spectrales d'un même élément de la scène observée. Ils ont comme inconvénients majeurs une mauvaise utilisation des énergies lumineuses théoriquement disponibles, et une limitation alternative de la résolution spectrale ou
de la résolution radiométrique.
Un troisième type d'instrument est le capteur
dit "push-broom".. Il comporte un dispositif photodétecteur linéaire placé perpendiculairement à la trace du satellite de façon à permettre l'exposition simultanée de toute une ligne de la couverture. Ce détecteur est normalement un dispositif à transfert de charges, qui permet la lecture rapide et séquentielle des différents éléments de la ligne par une voie de
<EMI ID=2.1>
<EMI ID=3.1>
bonne utilisation des énergies lumineuses incidentes, en raison de la multiplicité des éléments sensibles
(chaque élément de résolution est détecté pendant toute la durée de son survol).
Les inconvénients de ce type de capteur sont : <EMI ID=4.1>
métrique, l'étendue angulaire du champ transversal couvert et l'ouverture de l'Instrument, comme dans le cas des chambres ordinaires de prise de vue; cette contrainte est inhérente aux lois qui régissent la construction des instruments optiques de type chambre de prise de vue, et a pour effet de limiter à un chiffre de l'ordre de 3000 le nombre des éléments résolus d'une même ligne; ce capteur sacrifie donc la résolution géométrique au profit de la largeur de la bande observée, ou bien restreint cette dernière pour assurer une résolution élevée.
b) les inhomogénéités des gains et des bruits des différents éléments détecteurs le long de la ligne, inhomogénéités nécessitant un prétraitement assujetissant du signal et un étalonnage complexe.
Un perfectionnement connu de ce type d'appareil consiste à disposer plusieurs rangées parallèles et jointives d'éléments détecteurs au lieu d'une seule rangée, ces rangées étant agencées de telle manière que les éléments de même rang dans chacune de ces rangées, alignés perpendiculairement à ces rangées, et donc parallèlement au mouvement apparent de l'image, soient couplés entre eux par transfert de charge, la vitesse de ce dernier étant réglée égale à celle du
<EMI ID=5.1>
par les éléments détecteurs correspondants alignés se trouvent ainsi accumulés lors de leur traversée des rangées successives. La sensibilité de l'appareil se trou- ve ainsi augmentée mais le mode d'exécution reste d'application limitée car il ne résoud pas le problème évoqué plus haut du compromis entre la résolution géométrique et la largeur du champ transversal couvert. En outre
ce perfectionnement n'autorise pas l'observation en infrarouge thermique et enfin il soulève le problème des défauts résiduels du contrôle de lacet de l'engin porteur.
L'invention concerne un nouveau type d'instrument d'observation dans lequel le compromis évoqué plus haut se trouve résolu et dans lequel d'une manière générale l'ensemble des performances principales définies précédemment se trouve amélioré dans une mesure importante. L'instrument suivant l'invention se distingue en particulier par la combinaison d'une sensibilité de détection élevée et d'une résolution géométrique élevée.
L'invention a également pour objet un instrument optique.d'observation doué d'une grande homogénéité spatiale de la sensibilité, qui autorise une surabondance de canaux spectraux étroits spécifiques d'applications variées dans les spectres visible: et . proche infrarouge, et qui permet par surcroît l'intégration aisée de moyens permettant l'exploitation dans l'infrarouge moyen et thermique, dans des conditions ordinaires de sensibilité.
L'instrument d'observation suivant l'invention
<EMI ID=6.1>
nels à l'irradiation.
Suivant l'invention, cet instrument se caractérise par la combinaison d'un dispositif optique constitué d'un télescope à plusieurs canaux spectraux, de champ angulaire étroit, d'un miroir placé devant l'objectif du télescope afin de réfléchir vers celui-ci le faisceau lumineux incident, et d'un dispositif mécanique de balayage pour imprimer au miroir un motive-ment de rotation périodique à une vitesse prédéterminée en sorte que chaque point image ait dans le plan iuage un défilement apparent dans une direction transversale
à la direction de déplacement de l'engin porteur et d'un dispositif photodétecteur constitué, pour chaque canal spectral, de plusieurs éléments photodétecteurs disposés en sorte de former plusieurs lignes détectrices parallèles à la direction de défilement apparent du point image dans le plan image, d'un moyen d'excitation électrique connecté en sorte de transférer le signal de détection engendré par chaque élément au suivant le
long de chaque ligne détectrice à une vitesse égale
à la vitesse du défilement apparent du point image, et d'un moyen de lecture connecté pour capter le signal électrique accumulé à l'extrémité de chaque ligne détectrice.
Afin d'assurer les réglages de la vitesse de balayage du miroir et de celle du transfert des signaux de détection, l'instrument suivant l'invention comporte encore d'une part un dispositif photodétecteur supplémentaire qui peut être associé au dispositif photodétecteur d'un canal spectral quelconque,
ces deux dispositifs photodétecteurs étant situés dans un même plan de telle façon que leurs lignes détectrices respectives soient dans le prolongement les unes
des autres, et d'autre part un dispositif corrélateur ayant une première entrée connectée à la sortie d'un
des dispositifs photodétecteurs et une seconde entrée connectée à la sortie de l'autre dispositif photodétecteur de manière à évaluer l'identité ou la non-identité des signaux engendrés successivement dans les lignes homologues des deux dispositifs détecteurs, en déduire l'écart angulaire instantané entre la direction des lignes et la direction du déplacement apparent de l'image, cet écart fournissant finalement le signal qui permet d'ajuster les deux vitesses précitées.
Un mode de réalisation de l'instrument suivant l'invention va être décrit ci-après à'titre d'exemple nullement limitatif en se référant aux dessins joints sur lesquels :
- la figure 1 est un dessin schématique montrant, en vue éclatée et en perspective, les composants essentiels de l'instrument suivant l'invention;
- la figure 2 illustre schématiquement un mode d'exécution du dispositif photodétecteur;
- la figure 3 illustre schématiquement une variante du mode d'exécution de la figure 2;
- la figure 4 est un schéma illustrant une option pour assurer le réglage continu de la vitesse du balayage optique et de la vitesse de transfert du signal de photodétection d'un élément du photodétecteur à l'élément suivant dans le mode d'exécution de la figure 2.
Comme on peut le voir à la figure 1, l'instrument suivant l'invention comprend essentiellement un télescope 1, un miroir 2 placé devant l'objectif du télescope et un dispositif photodétecteur 3 placé dans le plan image du télescope. Cet ensemble et les équipements de commande et de contrôle associés sont embarqués sur un engin ou véhicule aérien ou spatial
(non représenté) se déplaçant sur une trajectoire autour de la terre dont une partie de la surface est représentée par la ligne T. La flèche V symbolise
le sens de déplacement de l'engin porteur.
Le télescope 1, de champ angulaire faible, comporte les organes adéquats pour produire plusieurs canaux images matériellement séparés et
de bandes spectrales distinctes. Il est dirigé pour observer la surface de la terre réfléchie
par le miroir 2.
Le. miroir 2 est monté sur un axe de rotation 4 non contenu dans son plan et non perpendiculaire à ce plan. Dans le mode de réalisation le plus simple, cet axe est parallèle à la direction du mouvement de l'engin, porteur. Dans un autre mode de réalisation, cet axe fait, dans le plan horizontal, un angle bêta avec la direction du mouvement de l'engin porteur. Un dispositif mécanique de balayage imprime au miroir un mouvement de rotation périodique autour dudit axe 4 à une vitesse prédéterminée de manière à couvrir le champ d'observation voulu a dans la direction transversale au déplacement de l'engin porteur.
Ce balayage produit ainsi un défilement apparent transversal de chaque point image. La
flèche Vi indique le sens de ce défilement apparent .
Le dispositif photodétecteur 3 comprend, pour chaque canal image, plusieurs éléments photodétecteurs disposés en sorte de former plusieurs lignes détectrices 31 parallèles à la direction de défilement apparent des points images. Cette direction peut avantageusement
être rendue perpendiculaire à l'image de la
trace au sol de l'engin porteur. Pour ce faire, l'axe 4 du miroir de balayage 2 doit être incliné d'un certain angle bêta dans le plan horizontal par rapport à la direction du déplacement de l'engin porteur, cet angle bêta étant fonction à la fois de la vitesse de 1' engin et de la vitesse de balayage. Chaque
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tué par un dispositif qui engendre un signal de détection électrique lorsqu'il est irradié par un faisceau image. Un moyen d'excitation est associé aux éléments détecteurs afin de transférer le signal de détection de chaque élément au suivant le long de chaque ligne détectrice 31 à une vitesse égale à la vitesse de défilement apparent du point image;
le signal de détection de chaque élément s'ajoute ainsi au signal constitué par accumulation sur l'élément précédent de la ligne et l'on obtient alors à l'extrémité de chaque ligne détectrice un signal intégré qu'il ne reste plus qu'à recueillir par l'intermédiaire d'un moyen de lecture apporprié.
Chaque ligne détectrice est avantageusement constituée par un dispositif à transfert de charge, dispositif connu en soi, connecté à un circuit d'excitation destiné à contrôler le transfert des charges.
La figure 2 représente un exemple de mode de réalisation pour excitation à trois phases. Le nombre n de phases pourrait évidemment être supérieur à trois. Les dispositifs à transfert de charge sont montés pour former une plaque 32 dont une face est tournée pour être irradiée par le faisceau image I du télescope. Sur la face opposée de la plaque 32 sont superposées trois grilles isolées 33, 34, 35 auxquelles sont appliquées par les lignes 36, 37 et 38
des impulsions récurrentes pour contrôler le transfert des charges le long de chaque ligne détectrice. Les impulsions appliquées aux trois grilles sont déphasées de 120[deg.] les unes par rap-
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des lignes détectrices sont connectées à un dispositif de multiplexage qui peut être réalisé de diverses manières. Un mode d'exécution est représenté à la figure 3. Un dispositif à transfert de charge 42 est disposé à l'extrémité des lignes détectrices, transversalement à la direction de ces lignes. A ce dispositif est associé un dispositif d'excitation formé par les trois sections 43, 44, 45 ajoutées aux grilles 33, 34 et 35 respectivement pour assurer le transfert des charges accumulées en bout des lignes détectrices vers la ligne de
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de sortie multiplex. Pour réaliser le multiplexage des signaux de sortie des dispositifs photodétecteurs des différents canaux spectraux par intercalation temporelle, chaque dispositif photodétecteur peut comporter encore un dispositif de retard, par exemple un dispositif à transfert de charge supplémentaire (non représenté),
pour retarder le signal d'un laps de tend propre prédéterminé.
Les paramètres conditionnant le fonction-:
nement de l'instrument suivant l'invention sont l'orientation de l'axe de rotation du miroir
de balayage par rapport à la direction du déplacement de l'engin porteur, la vitesse angulaire du miroir de balayage, l'orientation des lignes détectrices et la vitesse de transfert
du signal de détection le long de chaque ligne détectrice. Les valeurs de ces paramètres sont choisies de telle façon que l'image d'un point
du paysage observé parcoure une ligne détectrice rigoureusement à la même vitesse que le mouvement de transfert du signal de détection vers l'organe de lecture. Pour assurer cette égalité, et la conformité des orientations, différents moyens peuvent être prévus. Ces moyens impliquent tous l'ajustement de la vitesse angulaire du miroir et celui de la vitesse de transfert du signal de détection. Des moyens supplémentaires peuvent être prévus pour ajuster l'orientation de l'axe de rotation du miroir ou celle des dispositifs photodétecteurs dans leur propre
plan.
Comme représenté à la figure 4, un dispositif photodétecteur supplémentaire 5 peut
être associé au dispositif photodétecteur 3
.
d'un canal spectral quelconque pour permettre le réglage continu de la vitesse de balayage du miroir et de la vitesse de transfert des signaux de détection. Ces deux photodétecteurs 3 et 5 sont situés dans un même plan de telle manière que leurs lignes détectrices correspondantes se trouvent dans le prolongement l'une de l'autre.
Aux sorties de ces deux photodétecteurs 3 et 5 sont connectées les entrées 61 et 62 d'un dispositif corrélateur 6 afin dévaluer l'identité ou la non-identité des signaux engendrés successivement dans les lignes homologues des deux photodétecteurs, en déduire l'écart angulaire instantané entre la direction commune des lignes et la direction du déplacement apparent de l'image. La mesure de cet écart E est utilisée pour régler la vitesse de balayage du miroir et la vitesse de transfert de charges électriques
le long des lignes détectrices.
Des moyens pourraient également être prévus pour régler la position angulaire des lignes détectrices dans le plan de chaque dispositif photodétecteur.
Dans l'instrument suivant l'invention, grâce à l'utilisation de faisceau:étroits, le nombre d'éléments résolus dans la largeur du champ d'observation, transversale à la direc-
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mentionné à propos des appareils des types
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alors possible de combiner une résolution géo-métrique élevée à une plus grande sensibilité de détection, et cela pour une largeur de champ transversal aussi étendue que l'on veut grâce au réglage de l'amplitude angulaire du balaye e. Cet instrument permet d'obtenir à partir d'un satellite une résolution géométrique dans le visible et le proche infrarouge:de l'ordre de
25 mètres, voire même 10 à 15 mètres, avec une couverture transversale allant jusqu'à quelque
10 à 15 degrés, soit une étendue transversale au sol de quelque 180 à 250 km pour une altitude de l'engin porteur de l'ordre de 800 km.
L'homogénéité spatiale de la sensibilité de détection, intrinsèque de l'appareil, toute considération de transparence atmosphérique étant écartée, est excellente et n'est affectée ni par la valeur de la résolution géométrique ni par celle de l'étendue angulaire du champ transversal. Cette qualité est obtenue par la combinaison des deux dispositions :
balayage d'un télescope à champ étroit dans une étendue angulaire plus large,-et addition des signaux issus, pour la même luminance objet, d'un grand nombre de détecteurs individuels..
Enfin, l'instrument suivant l'invention permet de prévoir une surabondance de canaux spectraux étroits spécifiques d'applications variées, par exemple en combinant un grand nombre de canaux dans le spectre visible et
du proche infrarouge et quelques canaux dans le spectre de l'infrarouge moyen et thermique. Cet instrument permet également des modes d'observation hybrides pour produire un ensemble de données qui serait inconcevable avec n'import,. quel autre instrument actuellement connu. Il serait par exemple possible avec l'instrument suivant l'invention d'obtenir une très haute résolution géométrique dans un certain nombre
de canaux spécifiques avec une sensibilité élevée et une résolution géométrique modérée dans quelques autres canaux spectraux avec une très bonne sensibilité, et tout cela pour un champ transversal d'étendue voulue.
En conclusion, il est clair que l'instrument suivant l'invention permet d'effectuer des observations non seulement avec des performances améliorées par rapport à celles des instruments connus,mais également avec une grande souplesse pour nuancer la pondération des performances
les unes par rapport aux autres dans des applications variées.