EP0039263A1 - Dispositif corrélateur bidimensionnel - Google Patents

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EP0039263A1
EP0039263A1 EP81400544A EP81400544A EP0039263A1 EP 0039263 A1 EP0039263 A1 EP 0039263A1 EP 81400544 A EP81400544 A EP 81400544A EP 81400544 A EP81400544 A EP 81400544A EP 0039263 A1 EP0039263 A1 EP 0039263A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
line
correlation
lines
image
signals
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP81400544A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Pierre Tournois
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Thales SA
Original Assignee
Thomson CSF SA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Thomson CSF SA filed Critical Thomson CSF SA
Publication of EP0039263A1 publication Critical patent/EP0039263A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06G—ANALOGUE COMPUTERS
    • G06G7/00—Devices in which the computing operation is performed by varying electric or magnetic quantities
    • G06G7/12—Arrangements for performing computing operations, e.g. operational amplifiers
    • G06G7/19—Arrangements for performing computing operations, e.g. operational amplifiers for forming integrals of products, e.g. Fourier integrals, Laplace integrals, correlation integrals; for analysis or synthesis of functions using orthogonal functions
    • G06G7/1928—Arrangements for performing computing operations, e.g. operational amplifiers for forming integrals of products, e.g. Fourier integrals, Laplace integrals, correlation integrals; for analysis or synthesis of functions using orthogonal functions for forming correlation integrals; for forming convolution integrals

Definitions

  • the present invention relates to the two-dimensional correlation in real time of an image obtained line by line and of an image in memory.
  • the device provides the image correlation signals for a certain number of lines with the image in memory, in time corresponding to a line scan.
  • the device according to the invention applies in particular to systems on board a vehicle and which provide images such that the lines are renewed by advancing the vehicle. More particularly, the device is applicable to radar, sonar or optical imagery which must necessarily operate in real time and for which the rate of renewal of the image lines is high and also to systems for which the volume and the consumption of means used must be reduced to the maximum. Among these systems, there may be mentioned the on-board systems for guiding, locating and resetting maps.
  • high definition sonar systems are used to visualize the seabed.
  • These systems consist of a transmitting antenna which sends signals in the form of waves, ultrasonic, electromagnetic, or infrared, in all or part of the surrounding space.
  • the signals received by the same antenna are processed to separate the energies coming from different directions.
  • the separation distance obtained depends on the angular resolution of the antenna, which is a function of the ratio between the wavelength ⁇ of the signals transmitted and the length L of the antenna, ie ⁇ / L.
  • a lateral vision radar antenna (called “side-looking” in Anglo-American literature) operating as a synthetic antenna, 1 that is to say say using the displacement of the carrier vehicle to synthesize longer antenna length.
  • the signals received are recorded on photographic film and then processed to restore the true image, the processing consisting in correlating the signals with the reference signal as a function of displacement. of the vehicle and the distance to the object.
  • the data collected is therefore important and the correlation treatments long. They are carried out optically by reading the film as described for example in an article by L.J. Cutrona et al (Proceedings IEEE, Vol. 54 no. 8, 1966, p. 1026).
  • processing operations are performed digitally because they are more precise and flexible, these processing operations being mainly focused on measurements of time of arrival, sorting and identification of signals.
  • the device comprises, on the one hand a correlator receiving simultaneously on these two inputs the two electrical signals of a line of the reference image and of a line of the scanned image providing a one-dimensional correlation line formed of points corresponds to the offsets of the two input signals and that it also comprises a summing device summing the signals for the points corresponding to the same offset, for all of the one-dimensional correlation lines of the two images, the summation signal providing a two-dimensional correlation line, and that the device provides a new two-dimensional correlation line, after each new scanned line of the image obtained by scanning .
  • Figure 1 shows an example of lateral vision imagery.
  • the antenna Mounted on the vehicle 1 moving in a direction yy ', the antenna transmits and receives along the beam F which intercepts the object plane along a line J parallel to the axis xx'.
  • the image points forming this line J correspond to a distance between L 1 and 1.2.
  • the resolution along yy ' corresponds to the angular width at half power of the beam F while the resolution along xx' is inversely proportional to the frequency band of the signals transmitted.
  • the image lines thus obtained are stored and used to be correlated with an image already in memory.
  • the one-dimensional correlation function of two signals s 1 and s 2 depending on the dimension x is: where X is the dimension of the space for which the function corresponding to an offset l along Ox is calculated.
  • the still image 10 has K lines of M points and the scanned image 11 has L line, such as J, of N points.
  • the scanning is done parallel to the direction Ox.
  • fig 2 we took the case of K less than L and M greater than N.
  • the K points corresponding to the same offset t are summed over all of the K lines to obtain MN two-dimensional correlation points C (l, m) for an offset m along Oy (2), these MN points forming a correlation line such as 13.
  • a correlation line 13 is obtained each time a line of the image 11 is renewed.
  • the proposed device makes it possible, thanks to the use of acoustic convolvers, to obtain a two-dimensional correlation line in a time interval which is generally less than the period of renewal of the lines of images obtained by imaging systems using a vehicle, as will be shown later in the applications.
  • the proposed device applied to imaging systems therefore provides the two-dimensional correlation function of two images in real time.
  • FIG. 3 shows the organization of the device for correlating the two images 30 and 31. Only two consecutive lines r l , r 1 1 of the image 30 and r 2 , r 1 2 of l have been represented. image 31. The two images 30 and 31 are correlated line to line, r 1 with r 2 then r 1 1 with r 1 2 , etc. in a correlating device 32. Each time two lines, for example r 1 and r 21 are correlated the correlating device provides a one-dimensional correlation line composed of points each corresponding to a certain offset l. In circuit 33 the points of all the correlation lines are added by offset l and when all the image lines 30 and 31 have been processed, circuit 33 provides a line of the two-dimensional correlation corresponding to an offset m in the direction of movement line by line of one of the two images.
  • the correlating device 32 can for example consist of a computer which can also include the circuit 33. Preferably, it will consist of an analog device formed by an acoustic convolver.
  • FIG. 4 shows the known principle of the elastic wave convolution device. It comprises a rod made of piezoelectric material 20, comprising at these ends two interdigitated transducers Ti and T 2 between which a pair of planar electrodes 21 and 22 is disposed.
  • the two signals from which we want to obtain the convolution F (t) and G (t) are modulated by a pulsation carrier w capable of generating acoustic waves in the bar 20.
  • the signal H (t) represents the convolution function of F and G compressed in time in a ratio 2, and in a time interval corresponding to the time during which the two signals interact over the entire length S of the electrodes 21 and 22 , along the axis of propagation. So if the two signals had the same duration only one point of the correlation function would be valid. On the other hand, if the two signals have a different duration, a number of valid correlation points is obtained equal to the difference in the number of points between the two signals.
  • acoustic beam compressors or a plate of semiconductor material placed between the electrodes 21 and 22 and the bar 20 are used.
  • each signal has two components called complex components.
  • the two signals are stored in the form of complex digital samples in random access memories of RAM type. To simplify, only the reading circuits of these memories have been shown.
  • the real and imaginary parts of the signal representative of the image scrolling line by line are stored line by line in the memories 40 and 41 while the real and imaginary parts of the reference signal are also stored line by line in the memories 42 and 43.
  • the digital samples of the stored signals are quickly read line by line at the rate of a clock signal H M supplied by the generator 46.
  • the clock signal H M is applied to the addressing devices 61 and 62 which supply the addresses of RAM memories 40, 41, 42 and 43.
  • the clock signal also controls the rate of analog-digital conversion of the samples read in the converters 44.1, 44.2, 44.3 and 44.4 so as to synchronize the sending of the two signals on two modulator circuits 45.1 and 45.2.
  • a modulator circuit for setting on a carrier frequency is represented in FIG. 6. It is of conventional type, namely composed of two multipliers 65 and 66 in cos (2 ⁇ f o t) and sin (27rf t), where the frequency f is supplied by a local oscillator 47.
  • the real part P of each of the input signals is multiplied by the term in cosine while the imaginary part P 1 is multiplied by the term in sine.
  • the two signals obtained are then added in a circuit 63 and the resulting signal is filtered in a bandpass filter 64 centered on f 0 of band B 0 as a function of the frequency of the clock signal H M.
  • the two signals s (t) and r (t) obtained at the output of the two modulators 45.1 and 45.2 are sent after amplification on the transducers of a piezoelectric convolver device 50, whose central frequency is equal to f and the band equal to B .
  • TH is the period of the signal of the control clock H M , N and M respectively the number of samples per line in the image memories 40, 41 and in the reference memories 42, 43, the signal durations s (t) and r (t) which correspond to each line read are respectively equal to NT H and MT H.
  • the signal u (t) is sent to a demodulator circuit 49 shown in FIG. 8, in which the signal is multiplied in circuits 82 and 83 by sin (2 ⁇ f 1 t) and cos (Z ⁇ f 1 t), the frequency f I being supplied. by a local oscillator 48 the two signals obtained then being filtered in two low-pass filters 84 and 85 whose cut-off frequency is close to B o / 2.
  • the two signals are sent in two sampler-coder circuits 55.1 and 55.2 controlled by a clock signal H T with a period 2 times smaller than H M and restoring the signals in the form of digital samples.
  • the M - N samples obtained are stored in a line of memories 57 and 58, at the rate of a clock H S of the same period as H m forming a two-dimensional correlation line.
  • the process thus described begins again each time a line is renewed in the process image.
  • the memories 57 and 58 are filled and correspond to the two-dimensional correlation of the reference image, with the image which has passed line by line over L lines.
  • the number of correlation lines at output can be arbitrary; however, from a number L of lines formed, the two original images which correspond to line i and to line i + L are entirely distinct.
  • the output signals of circuit 56 can be processed to obtain either the module or the phase, a single output memory then being used.
  • the device according to the invention applies to guiding a machine by resetting cards.
  • a machine follows a trajectory 72 and at each instant it acquires the image of a portion of terrain 70. It has in memory a reference map 71 composed of lines identified according to an axis system rectangular Oxy and whose ordinate is known there.
  • the navigation systems on board the device make it possible to provide an image at all times, the lines of which remain parallel to the axis Oy of the reference map.
  • the two-dimensional correlation line corresponding to this instant has a maximum whose position will make it possible to measure the abscissa x and to readjust the machine.
  • the device is applicable for aerial systems with radar and infrared and also for underwater systems with sonar.
  • the device can be applied to the detection of changes in terrain or seabed; in particular it can be applied to satellites taking into account the reduced dimensions for this type of machine.
  • the device described also applies to the recognition of shapes: the copy representing the shape to be recognized is then smaller than the image read.
  • the central frequency f o and the band B o of the convolver are chosen to be 50 MHz and 10 MHz respectively.
  • the duration MT H of the signal r (t) is equal to 40 us and the length S is close to 12 cm providing a reduced bulk.
  • the circuit 56 of FIG. 6 comprises an 8-bit x 300 buffer memory and a 16-bit x 300 accumulator. An addition operation being carried out in a time of 50 ns, period of the clock H T , the time to add 300 samples remains below MT H, ie 40 us using a single adder.
  • a two-dimensional correlation line is therefore obtained in 40 ⁇ s x 100, or 4 ms, using a single convolver.
  • higher operating speeds can be achieved by using several convolvers in parallel to process several lines in parallel.
  • the fastest digital circuits allow the calculation of a point of the correlation function in the same order of magnitude of time where the whole function is reconstituted by the convolver device, that is to say a speed ratio of around 100.
  • a line of the two-dimensional correlation between a line of 100 x 100 and an image of 400 x 100 is obtained in 4 ms using a single convoluting device.
  • this duration corresponds to the maximum duration that must be respected between two two-dimensional correlations images for two shifts depending on the progress of the vehicle.
  • This duration corresponds to a distance traveled of the order of 1 meter at a speed of Mach 1 and this resolution is of the order of magnitude of that sought, in general, for soil exploration systems.
  • the resolution obtained at a hundred meters is of the order of 15 centimeters.
  • the renewal period of an image line is equal to 15 ms and only the use of the proposed device makes it possible to obtain the two-dimensional correlation function in real time.
  • the digital memories 41, 42, 43 and 44 are replaced by charge transfer devices or C.C.D. These devices can have 512 stages and be controlled at a frequency of 10 MHz making their use possible. Also a charge transfer device can be used in place of an acoustic convolver.
  • this correlation is done on the intensities and not on the amplitudes.
  • the reference image and the scanned image are stored respectively in a single memory such as 40 and 42 in FIG. 5.

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Abstract

Dispositif de corrélation bidimensionnelle d'une image obtenue par balayage d'ondes électromagnétiques ou acoustiques avec une image de référence.
L'image balayée est écrite dans les mémoires (40) et (41) et l'image de référence dans les mémoires (42) et (43). Un couple de mémoires stocke la partie réelle et la partie imaginaire du signal des images correspondantes. Après conversion numérique-analogique les signaux sont mis sur porteuse et corrélés ligne à ligne dans le convoluteur à ondes élastiques (50). Le signal de corrélation après conversion analogique-numérique et démodulation complexe est appliqué à un sommateur etl'image de corrélation est stockée avec ses parties réelles et imaginaires dans les mémoires (57) et (58).
Application au recalage sur cartes de la position du véhicule.

Description

  • La présente invention a pour objet la corrélation bidimensionnelle en temps réel d'une image obtenue ligne par ligne et d'une image en mémoire. Le dispositif fournit les signaux de corrélation de l'image pour un certain nombre de lignes avec l'image en mémoire, dans le temps correspondant à un balayage ligne.
  • Le dispositif suivant l'invention s'applique en particulier aux systèmes embarqués sur un véhicule et qui fournissent des images telles, que les lignes se- renouvellent par avancement du véhicule. Plus particulièrement le dispositif s'applique à l'imagerie par radar, sonar ou optique qui doivent nécessairement fonctionner en temps réel et pour lesquels la cadence de renouvellement des lignes d'image est élevée et aussi aux systèmes pour lesquels le volume et la consommation des moyens mis en oeuvre doivent être réduits au maximum. Parmi ces systèmes on peut citer les systèmes embarqués de guidage, de repérage et de recalage de cartes.
  • Par exemple dans le domaine de l'imagerie acoustique sous-marine on utilise des systèmes sonar à haute définition pour visualiser les fonds marins.
  • Egalement dans le domaine de la cartographie aérienne on utilise des systèmes radar aéroportés ou encore des systèmes à infrarouge actif ou passif.
  • Ces systèmes sont constitués d'une antenne d'émission qui envoie des signaux sous forme d'ondes, ultrasonores, électromagnétiques, ou infrarouges, dans tout ou partie de l'espace environnant. Les signaux reçus par la même antenne sont traités pour séparer les énergies provenant de différentes directions. La distance de séparation obtenue dépend de la résolution angulaire de l'antenne, qui est fonction du rapport entre la longueur d'onde À des signaux émis et de la longueur L de l'antenne soit λ/L.
  • Par exemple, de manière à obtenir un pouvoir séparateur élevé, il est connu d'utiliser une antenne radar à vision latérale (appelé "side-looking" dans la littérature anglo-américaine) fonctionnant en antenne synthétique, 1 c'est-à-dire utilisant le déplacement du véhicule porteur pour synthétiser une longueur d'antenne plus grande.
  • Dans les systèmes aéroportés destinés à faire de la cartographie aérienne par radar à antenne latérale synthétique, les signaux reçus sont enregistrés sur film photographique puis traités pour restituer l'image véritable, le traitement consistant à corréler les signaux avec le signal de référence fonction du déplacement du véhicule et de la distance à l'objet. Les données collectées sont donc importantes et les traitements de corrélation longs. Ils sont effectués de manière optique par lecture du film comme décrit par exemple dans un article de L.J. Cutrona et al (Proceedings IEEE, Vol. 54 n° 8, 1966, p. 1026).
  • Dans d'autres applications d'exploitation des signaux radar, où les fonctions de corrélation et aussi de convolution jouent un rôle important, les traitements sont faits numériquement car ils présentent plus de précision et de souplesse, ces traitements étant sourtout axés sur des mesures de temps d'arrivée, de tri et d'identification des signaux.
  • Les dispositifs numériques compte tenu de la vitesse de calcul ont un encombrement et une consommation électrique trop importants pour des systèmes embarqués, aéroportés ou sous-marins.
  • Pour remédier à ces inconvénients, le dispositif suivant l'invention, utilise pour la corrélation des composants à ondes élastiques particulièrement bien adaptés au traitement rapide des signaux analogiques. On trouve une application au traitement de signal radar dans les articles suivants :
    • 1) P. Anthouard et T. Beauvais AGARD Conférence Proceeding N° 230, et
    • 2) E.C.S. Paiges, Proc. Int. Seminar on Component Performances and System Application of SAW devices (Avemore Scotland) p. 167-180, 1973, TEE Publication.
  • Brièvement c'est un dispositif de corrélation bidimensionnelle, entre une image de référence d'un plan Oxy et ayant des lignes orientées suivant la direction Ox et une image obtenue par balayage dans le plan Oxy, les lignes balayées étant parallèles à Ox, caractérisé par le fait que le dispositif comporte, d'une part un corrélateur recevant simultanément sur ces deux entrées les deux signaux électriques d'une ligne de l'image de référence et d'une ligne de l'image balayée fournissant une ligne de corrélation monodimensionnelle formée de points corresponds aux décalages des deux signaux d'entrée et qu'il comporte d'autre part un sommateur effectuant la sommation des signaux pour les points correspondants à un même décalage, pour l'ensemble des lignes de corrélation monodimensionnelles des deux images, le signal de sommation fournissant une ligne de corrélation bidimensionnelle, et que le dispositif fournit une nouvelle ligne de corrélation bidimensionnelle, après chaque nouvelle ligne balayée de l'image obtenue par balayage.
  • D'autres caractéristiques et avantages ressortiront de la description qui va suivre illustrée par les figures qui représentent :
    • - la figure 1, le schéma de balayage d'un plan Oxy obtenu par avancement d'un véhicule muni d'une antenne émettrice et réceptrice ;
    • - figure 2, le schéma du principe de la corrélation bidimensionnelle de deux images ;
    • - figure 3, un convoluteur à ondes élastiques ;
    • - figure 4, un organigramme simplifié du corrélateur bidimensionnel ;
    • - figure 5, le schéma d'un corrélateur bidimensionnel pour des images mises en mémoire avec corrélation par un convoluteur à ondes élastiques ;
    • - figure 6, le schéma des circuits par une mise sur porteuse d'un signal complexe ;
    • - figure 7, quelques signaux temporels ;
    • - figure 8, le schéma des circuits pour l'obtention des composantes complexes du signal de corrélation ;
    • - figure 9, le schéma montrant le calage d'une image balayé à partir des signaux de corrélation.
  • La figure 1 montre un exemple d'imagerie par vision latérale. Montée sur le véhicule 1 se déplaçant suivant une direction yy', l'antenne émet et reçoit suivant le faisceau F qui intercepte le plan objet suivant une ligne J parallèle à l'axe xx'.
  • Les points image formant cette ligne J correspondent à une distance comprise entre L1 et 1,2. La résolution suivant yy' correspond à la largeur angulaire à puissance moitié du faisceau F tandis que la résolution suivant xx' est inversement proportionnelle à la bande de fréquence des signaux émis.
  • Par l'avancement du véhicule 1 on obtient une succession de lignes ' formant une image dite en mode B.
  • Dans d'autres systèmes plusieurs faisceaux F peuvent être formés simultanément à la réception permettant d'obtenir plusieurs lignes formant une image.
  • Les lignes d'images ainsi obtenues sont mises en mémoires et utilisées pour être corrélées à une image déjà en mémoire.
  • La fonction de corrélation monodimensionnelle de deux signaux s1 et s2 dépendant de la dimension x est :
    Figure imgb0001
    où X est la dimension de l'espace pour lequel est calculé la fonction correspondant à un décalage ℓ suivant Ox.
  • La fonction de corrélation bidimensionnelle de deux signaux s1 et s2 dépendant des deux dimensions x et y s'écrit :
    Figure imgb0002
    où X et Y sont les dimensions de l'espace pour lequel est calculée la fonction correspondant à un décalage A suivant Ox et un décalage m suivant Oy.
  • Il est possible d'obtenir de manière simple la fonction de corrélation bidimensionnelle de deux images, dans le cas où l'une des deux images est obtenue par un système tel que celui de la figure 1, l'autre image étant fixe. En effet dans ce cas le décalage suivant la direction de propagation du véhicule, par exemple Oy, s'effectue automatiquement par l'avancement du véhicule.
  • Le principe de corrélation entre une image fixe et une image obtenue par balayage est montré par la figure 2.
  • L'image fixe 10 comporte K lignes de M points et l'image balayée 11 comporte L ligne, telle que J, de N points. Le balayage se fait parallèlement à la direction Ox. Sur la figue 2 on a pris le cas de K inférieur à L et M supérieur à N.
  • Le principe de fonctionnement du dispositif selon l'invention est le suivant :
    • On corrèle suivant la dimension x et ligne à ligne les K premières lignes de l'image balayée 11, avec les K lignes de l'image fixe 10 pour obtenir K lignes de (M-N) points de la fonction de corrélation monodimensionnelle C(ℓ) suivant la direction Ox (1), chaque point correspondant à un décalage ℓ.
  • On effectue la sommation des K points correspondants à un même décalage t sur la totalité des K lignes pour obtenir M-N points de corrélation bidimensionnelle C (ℓ,m) pour un décalage m suivant Oy (2), ces M-N points formant une ligne de corrélation telle que 13.
  • Le même processus est recommencé avec les lignes 2 à K + 1 de l'image 11 fournissant une deuxième ligne de corrélation bidimensionnelle et ainsi de suite jusqu'à obtenir L-K lignes de corrélation de M-N points formant la corrélation bidimensionnelle 12 des deux images 10 et 11.
  • Ce principe appliqué aux systèmes d'imagerie rappelés précédemment conduit naturellement à obtenir le décalage ligne par ligne de l'image 11 par l'avancement du véhicule suivant Oy et le système peut donc fournir une image 11 formée seulement de K lignes.
  • Une ligne de corrélation 13 est obtenue chaque fois qu'une ligne de l'image 11 est renouvelée. Le dispositif proposé permet, grâce à l'utilisation de convoluteurs acoustiques, d'obtenir une ligne de corrélation bidimensionnelle dans un intervalle de temps qui est généralement inférieur à la période de renouvellement des lignes d'images obtenues par les systèmes d'imagerie utilisant un véhicule, comme on le montrera plus loin dans les applications.
  • Le dispositif proposé appliqué aux systèmes d'imagerie fournit donc la fonction de corrélation bidimensionnelle de deux images en temps réel.
  • Le schéma de la figure 3 montre l'organisation du dispositif de corrélation des deux images 30 et 31. On n'a représenté que deux lignes consécutives rl, r1 1 de l'image 30 et r2, r1 2 de l'image 31. Les deux images 30 et 31 sont corrélées ligne à ligne, r1 avec r2 puis r1 1 avec r1 2, etc ... dans un dispositif corrélateur 32. A chaque fois que deux lignes, par exemple r1 et r21 sont corrélées le dispositif corrélateur fournit une ligne de corrélation monodimensionnelle composée de points chacun correspondant à un certain décalage ℓ. Dans le circuit 33 les points de toutes les lignes de corrélation sont additionnés par décalage ℓ et lorsque toutes les lignes images 30 et 31 ont été traitées, le circuit 33 fournit une ligne de la corrélation bidimensionnelle correspondant à un décalage m dans le sens de déplacement ligne par ligne de l'une des deux images.
  • Le dispositif corrélateur 32 peut être par exemple constitué d'un calculateur pouvant comprendre également le circuit 33. Préférentiellement il sera constitué d'un dispositif analogique formé d'un convoluteur acoustique.
  • Sur la figure 4 est montré le principe connu du dispositif de convolution par ondes élastiques. Il comporte un barreau en matériau piézoélectrique 20, comportant à ces extrémités deux transducteurs interdigités Ti et T2 entre lesquels est disposée une paire d'électrodes planes 21 et 22.
  • Les deux signaux dont on veut obtenir la convolution F (t) et G (t) sont modulés par une porteuse de pulsation w capable de générer des ondes acoustiques dans le barreau 20.
  • Ces signaux sont appliqués aux transducteurs T et T2 et les deux ondes acoustiques contradirectives ainsi émises sont de la forme :
    • F(t-z/v) ej(ωt - kz) et G (t + z/v) ej(ωt + kz) où z est la coordonnée pour les ondes à la vitesse v et k le nombre d'onde w/v. Du fait des propriétés non linéaires du substrat, on obtient entre les bornes des deux électrodes 21 et 22 un signal H (t) = Kc e2jωt F (τ) - G (2t -τ) dT (2), où Kc est lié au rendement énergétique.
  • Le signal H (t) représente la fonction de convolution de F et G comprimés dans le temps dans un rapport 2, et dans un intervalle de temps correspondant à la durée pendant laquelle les deux signaux interagissent sur toute la longueur S des électrodes 21 et 22, suivant l'axe de propagation. Ainsi si les deux signaux avaient la même durée un seul point de la fonction de corrélation serait valable. Par contre si les deux signaux ont une durée différente on obtient un nombre de points de corrélation valables égal à la différence du nombre des points entre les deux signaux.
  • Généralement pour augmenter le rendement de ces dispositifs on utilise des compresseurs de faisceau acoustique ou une plaque en matériau semi-conducteur placée entre les électrodes 21 et 22 et le barreau 20.
  • Le fonctionnement en corrélateur nécessite l'inversion dans le temps de l'un des signaux. Cette opération est aisément mise en oeuvre lorsque les signaux sont stockés en mémoire, puisqu'il suffit alors d'effectuer la lecture en sens inverse de l'écriture.
  • Un exemple de réalisation suivant l'invention est montré par le schéma de la figure 5, pour le traitement de signaux correspondant aux deux images à corréler. Pour garder l'information à la fois d'amplitude et de phase, chaque signal a deux composantes appelées composantes complexes. Les deux signaux sont stockés sous forme d'échantillons numériques complexes dans des mémoires à accès aléatoire de type RAM. Pour simplifier on n'a représenté que les circuits de lecture de ces mémoires. Ainsi les parties réelle et imaginaire du signal représentatif de l'image défilant ligne par ligne sont stockées ligne par ligne dans les mémoires 40 et 41 tandis que les parties réelle et imaginaire du signal de référence sont stockées également ligne par ligne dans les mémoires 42 et 43.
  • Les échantillons numériques des signaux mémorisés sont lus rapidement ligne par ligne à la cadence d'un signal d'horloge HM fourni par le générateur 46. Le signal d'horloge HM est appliqué aux dispositifs d'adressage 61 et 62 qui fournissent les adresses des mémoires types RAM 40, 41, 42 et 43.
  • Le signal d'horloge commande également la cadence de conversion analogique-numérique des échantillons lus dans les convertisseurs 44.1, 44.2, 44.3 et 44.4 de manière à synchroniser l'envoi des deux signaux sur deux circuits modulateurs 45.1 et 45.2. Un circuit modulateur de mise sur une fréquence porteuse est représenté sur la figure 6. Il est de type classique à savoir composé de deux multiplicateurs 65 et 66 en cos (2πfot) et sin (27rf t), où la fréquence f est fournie par un oscillateur local 47. La partie réelle P de chacun des signaux d'entrée est multipliée par le terme en cosinus tandis que la partie imaginaire P1 est multipliée par le terme en sinus. Les deux signaux obtenus sont ensuite additionnés dans un circuit 63 et le signal résultant est filtré dans un filtre 64 passe-bande centré sur f0 de bande B0 fonction de la fréquence du signal d'horloge HM.
  • Les deux signaux s(t) et r(t) obtenus en sortie des deux modulateurs 45.1 et 45.2 sont envoyés après amplification sur les transducteurs d'un dispositif convoluteur piézoélectrique 50, dont la fréquence centrale est égale à f et la bande égale à B .
  • Si TH est la période du signal de l'horloge de commande HM, N et M respectivement le nombre d'échantillons par ligne dans les mémoires d'image 40, 41 et dans les mémoires de référence 42, 43, les durées des signaux s(t) et r(t) qui correspondent à chaque ligne lue sont respectivement égales à NTH et MTH.
  • Le diagramme en temps des signaux d'entrée et de sortie du convoluteur 50 est indiqué sur la figure 7 lorsque M = 2N. A l'instant t les deux signaux r(t) et s(t) représentés respectivement sur les lignes a et b sont envoyés sur les deux transducteurs 51 et 52 (figure 5) distants d'une longueur So = M TH.v, si v est la vitesse des ondes élastiques dans le barreau piézoélectrique. Compte tenu de la compression en temps d'un facteur 2, le signal obtenu u(t) représenté sur la ligne c, a une durée égale à
    Figure imgb0003
     et il est décalé par rapport aux signaux d'entrée d'un temps égal à
    Figure imgb0004
     ; en outre il est à la fréquence f1 = 2 f comme le montre la formule (2).
  • Le signal u(t) est envoyé dans un circuit démodulateur 49 représenté figure 8, dans lequel le signal est multiplié dans les circuits 82 et 83 par sin (2πf1t) et cos (Zπf1t), la fréquence fI étant fournie par un oscillateur local 48 les deux signaux obtenus étant ensuite filtrés dans deux filtres 84 et 85 passe-bas dont la fréquence de coupure est voisine de Bo/2.
  • En sortie du démodulateur 49 les deux signaux sont envoyés dans deux circuits échantillonneur-codeur 55.1 et 55.2 commandé par un signal d'horloge HT de période 2 fois plus petite que HM et restituant les signaux sous forme d'échantillons numériques.
  • A la sortie de chacun des circuits 55:1 et 55.2, on obtient donc pour une ligne traitée et à la cadence MTH, M-N échantillons codés sur un nombre de bits n choisi par exemple égal au nombre de bits d'origine dans les mémoires et occupant une durée (M - N) TH/2.
  • Ces M-N échantillons correspondant par exemple à la ligne i + 1 sont additionnés avec les M-N échantillons provenant de la somme des échantillons des i lignes précédentes dans un circuit 56 composé d'une mémoire tampon, d'un accumulateur, formés de M-N cases de n bits et d'un ou plusieurs additionneurs. Ainsi les échantillons de chacun de ces deux registres sont. additionnés case par case séquentiellement ou en parallèle dans un intervalle de temps au plus égal à t2 = MTH. Lorsque l'ensemble des L lignes a été traité les M - N échantillons obtenus sont stockés dans une ligne des mémoires 57 et 58, à la cadence d'une horloge HS de même période que Hm formant une ligne de corrélation bidimensionnelle.
  • Le processus ainsi décrit recommence à chaque fois qu'une ligne est renouvelée dans la mémoire image. Lorsque un nombre L de lignes ont été renouvelées les mémoires 57 et 58 sont remplies et correspondent à la corrélation bidimensionnelle de l'image de référence, avec l'image qui a défilé ligne par ligne sur L lignes. Le nombre de lignes de corrélation en sortie peut être quelconque ; cependant à partir d'un nombre L de lignes formées les deux images d'origine qui correspondent à la ligne i et à la ligne i + L sont entièrement distinctes.
  • Les signaux de sortie du circuit 56 peuvent être traités pour obtenir soit le module soit la phase, une seule mémoire de sortie étant alors utilisée.
  • Bien entendu, il est possible d'inverser la taille des mémoires, la copie étant alors plus petite que l'image lue.
  • Le dispositif suivant l'invention s'applique au guidage d'engin par recalage de cartes. En se reportant à la figure 9, un engin suit une trajectoire 72 et à chaque instant il acquiert l'image d'une portion de terrain 70. Il possède en mémoire une carte de référence 71 composée de lignes repérées suivant un système d'axe rectangulaires Oxy et dont l'ordonnée y est connue. Les systèmes de navigation à bord de l'engin permettent de fournir à chaque instant une image dont les lignes restent parallèle à l'axe Oy de la carte de référence. A l'instant où l'ordonnée de l'image lue est égale à y la ligne de corrélation bidimensionnelle correspondant à cet instant présente un maximum dont la position permettra de mesurer l'abscisse x et de recaler l'engin.
  • Le dispositif s'applique pour les systèmes aériens avec radar et à infrarouges et aussi pour les systèmes sous-marins avec sonar. En outre, si l'engin est capable de suivre plusieurs fois la même trajectoire avec une grande précision dans un laps de temps relativement long, le dispositif peut s'appliquer au repérage de modifications de terrain ou de fonds marin ; en particulier il peut s'appliquer sur satellites compte tenu des encombrements réduits pour ce type d'engin.
  • Le dispositif décrit s'applique également à la reconnaissance de formes : la copie représentant la forme à reconnaître est alors de dimensions plus petites que l'image lue.
  • Dans un exemple de réalisation les dimensions des mémoires image et référence sont par exemple :
    • - nombre de ligne L = 100
    • - nombre de points par ligne N = 100 et M = 400
    • - échantillons numériques sur 8 bits.
  • Ces mémoires sont choisies en technologie MOS dynamique. En découpant la mémoire en plans dont les cycles se recouvrent partiellement la lecture d'un point mémoire peut être faite en 100 ns et la période d'horloge TH est égale à cette valeur, soit une fréquence horloge de 10 MHz.
  • La fréquence centrale fo et la bande Bo du convoluteur sont choisies respectivement égales à 50 MHz et 10 MHz.
  • La durée MTH du signal r(t) est égale à 40 us et la longueur S est voisine de 12 cm procurant un encombrement réduit.
  • Le circuit 56 de la figure 6 comporte une mémoire tampon de 8 bits x 300 et d'un accumulateur de 16 bits x 300. Une opération d'addition étant effectuée dans un temps de 50 ns, période de l'horloge HT, le temps pour sommer 300 échantillons reste inférieur à MTH c'est-à-dire 40 us en utilisant un seul additionneur.
  • Une ligne de corrélation bidimensionnelle est donc obtenue en 40 µs x 100, soit 4 ms, en utilisant un seul convoluteur. Bien entendu des vitesses de fonctionnement plus élevées peuvent être atteintes en utilisant en parallèle plusieurs convoluteurs pour traiter plusieurs lignes en parallèle.
  • A titre de comparaison les circuits numériques les plus rapides permettent d'effectuer le calcul d'un point de la fonction de corrélation dans le même ordre de grandeur de temps où toute la fonction est reconstituée par le dispositif convoluteur c'est-à-dire un rapport de vitesse de l'ordre de 100.
  • Dans l'exemple indiqué une ligne de la corrélation bidimensionnelle entre une ligne de 100 x 100 et une image de 400 x 100 est obtenue en 4 ms en utilisant un seul dispositif convoluteur.
  • Pour un traitement en temps réel, cette durée correspond à la durée maximum qu'il faut respecter entre deux corrélations bidimensionnelles d'images pour deux décalages suivant l'avancement du véhicule. Cette durée correspond à une distance parcourue de l'ordre de 1 mètre à une vitesse de Mach 1 et cette résolution est de l'ordre de grandeur de celle recherchée, en général, pour les systèmes d'exploration du sol.
  • Dans le domaine de l'imagerie acoustique sous-marine, la résolution obtenue à une centaine de mètres est de l'ordre de 15 centimètres. Pour un bateau allant à 20 noeuds la période de renouvellement d'une ligne d'image est égale à 15 ms et seule l'utilisation du dispositif proposé permet d'obtenir la fonction de corrélation bidimensionnelle en temps réel.
  • Suivant une variante de l'invention les mémoires numériques 41, 42, 43 et 44 sont remplacés par des dispositifs à transfert de charges ou C.C.D. Ces dispositifs peuvent avoir 512 étages et être commandés à une fréquence de 10 MHz rendant possible leur utilisation. Egalement un dispositif à transfert de charges peut être utilisé à la place d'un convoluteur acoustique.
  • Pour la corrélation d'images obtenues par des méthodes optiques, cette corrélation se fait sur les intensités et non sur les amplitudes. Dans le cas, l'image de référence et l'image balayée sont stockées respectivement dans une seule mémoire telle que 40 et 42 de la figure 5.

Claims (8)

1. Dispositif de corrélation bidimensionnelle entre une image de référence d'un plan Oxy et ayant des lignes orientées suivant la direction Ox et une image obtenue par balayage dans le plan Oxy, les lignes balayées étant parallèles à Ox, caractérisé par le fait que le dispositif comporte, d'une part un corrélateur recevant simultanément sur ses deux entrées les deux signaux électriques d'une ligne de l'image de référence et d'une ligne de l'image balayée fournissant une ligne de corrélation monodimensionnelle formée de points correspondants aux décalages de deux signaux d'entrée et qu'il comporte d'autre part un sommateur effectuant la sommation des signaux pour les points correspondant à un même décalage, pour l'ensemble des lignes de corrélation monodimensionnelles des deux images, le signal de sommation fournissant une ligne de corrélation bidimensionnelle, et que le dispositif fournit une nouvelle ligne de corrélation bidimensionnelle, après chaque nouvelle ligne balayée de l'image obtenue par balayage.
2. Dispositif de corrélation bidimensionnelle suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que les lignes de l'image de référence sont orientées en sens inverse par rapport à l'image obtenue par balayage et que le signal de corrélation est fourni par un dispositif du type convoluteur à ondes de surface et que le corrélateur est un convoluteur analogique.
3. Dispositif de corrélation bidimensionnelle suivant la revendication 2, caractérisé par le fait que le convoluteur analogique est du type convoluteur à ondes de surfaces.
4. Dispositif de corrélation suivant la revendication 2, caractérisé par le fait que le convoluteur analogique est du type convoluteur à transfert de charge.
5. Dispositif de corrélation bidimensionnelle suivant les revendications 2 ou 3, caractérisé par le fait que l'image de référence (10) se compose de K lignes de M points et que l'image balayée (11) se compose de L lignes de N points, où L> K et N < M, que les K lignes de l'image de référence sont corrélées ligne à ligne avec tous les ensembles de K lignes tels que i à i + K - 1 de l'image balayée (11) où 1≤ i ≤ L - K, fournissant ainsi après sommation pour un même décalage i suivant Ox, (L-K) lignes de corrélation (13) de (M-N) points.
6. Dispositif de corrélation suivant la revendication 5, caractérisé par le fait que les signaux correspondant à l'image de référence et à l'image balayée sont mis en mémoire dans au moins deux mémoires à accès aléatoire (40, 41, 42, 43), ces mémoires étant lues sous le contrôle d'une horloge HMI les deux signaux de lignes étant lus l'un suivant Ox et l'autre en sens opposé, et appliqués à des circuits de conversion numérique-analogique (44.1, 44.2, 44.3, 44.4) et les signaux analogiques obtenus étant appliqués à des circuits de mise sur une porteuse de fréquence f (45.1, 45.2) et corrélés dans le convoluteur analogique (50), que le signal de corrélation est appliqué à un circuit de démodulation à la fréquence f (49), que les signaux démodulés sont appliqués à des convertisseurs analogiques-numériques (55.1, 55.2), suivi d'un circuit sommateur (56) composé d'une mémoire de stockage et d'un accumulateur.
7. Dispositif de corrélation suivant la revendication 6, caractérisé par le fait que les signaux de l'image de référence et de l'image balayée sont mis en mémoire avec leurs composantes complexes respectivement dans deux couples de mémoires (40, 41 et 42, 43).
8. Dispositif de corrélation suivant la revendication 6 ou 7, caractérisé par le fait que les mémoires de stockage des deux images et des lignes de corrélation sont réalisées par des dispositifs à transfert de charge.
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