ES2252547T3 - Dispositivo opto-electronico de vigilancia pasiva. - Google Patents

Abstract

Dispositivo opto-electrónico de vigilancia pasiva, que comprende una óptica frontal (1) de campo instantáneo útil dado, medios de barrido (2) de una escena con un campo total de observación dado, medios de formación (3) de la imagen de la escena y medios de detección (4) de dicha imagen, caracterizado porque los medios de detección comprenden un detector matricial (41) de dos dimensiones, el campo del detector según cada una de las dimensiones siendo superior o igual a dicho campo instantáneo útil de la óptica frontal según dicha dimensión, y permiten la adquisición, para cada zona elemental de la escena correspondiente al campo instantáneo útil de la óptica frontal, de N imágenes más pequeñas formadas sobre dicho detector, N >= 1, con un tiempo de integración dado para cada imagen más pequeña, y porque el dispositivo comprende medios de contra-barrido (6) que permiten compensar los movimientos de la imagen debidos al barrido de la escena durante la adquisición de las N imágenes más pequeñas.

Description

Dispositivo opto-electrónico de vigilancia pasiva.

La presente invención concierne a un dispositivo opto-electrónico de vigilancia pasiva, destinado específicamente a ser instalado en una aeronave para detectar las amenazas potenciales.

Los dispositivos opto-electrónicos de vigilancia pasiva son particularmente interesantes desde el punto de vista operacional ya que son sistemas que no necesitan emisión de radiación y son por lo tanto discretos. En un sistema tal, es necesario poder hacer una observación en un campo con frecuencia importante aún cuando la óptica frontal del dispositivo presenta un campo instantáneo útil limitado. Esto entonces conduce a utilizar medios de barrido de forma de poder observar la escena en el campo total de observación, las figuras de barrido siendo optimizadas en función específicamente del campo total de observación y de la velocidad de barrido.

En los sistemas de vigilancia infrarrojos por ejemplo, los detectores típicamente utilizados están basados en geometrías del tipo barretas de detectores sensibles en la banda 3-5 \mum o en la banda 8-12 \mum. En la mayor parte de los sistemas existentes, se trata de barretas MxQ detectores elementales sensibles, igualmente llamados píxeles, por ejemplo 288x4 píxeles. Gracias al dispositivo de barrido, el campo total a observar es analizado por la barreta de detectores que permanece fija en el sistema. Disponiendo de barretas de MxQ píxeles (288x4 en el ejemplo dado), es posible hacer un análisis de un campo elemental con M puntos en una dirección (por ejemplo 288) y acumular las informaciones dadas por los puntos Q (por ejemplo 4) en la otra dirección, de manera de mejorar la relación señal sobre ruido de la detección a fin de obtener una sensibilidad global más importante, y por lo tanto un mayor alcance de detección.

Sin embargo, la tasa de acumulación posible está limitada por el número Q de puntos sobre el cual es realizada. Además, la señal útil total está limitada por el tiempo total durante el cual un blanco puntual a detectar es visto por un píxel de la barreta. Este tiempo, de otro modo llamado tiempo de integración, está en particular vinculado a la velocidad a la cual es necesario barrer la escena.

La presente invención permite remediar los inconvenientes antes citados proponiendo un dispositivo opto-electrónico de vigilancia pasiva que permite la utilización de un detector matricial y no de una barreta.

Más precisamente, la invención propone un dispositivo opto-electrónico de vigilancia pasiva, que comprende una óptica frontal de campo instantáneo útil dado, medios de barrido de una escena con un campo total de observación dado, medios de formación de la imagen de la escena y medios de detección de dicha imagen. Tal dispositivo especificado en el preámbulo de la reivindicación 1, es conocido de la patente FR-A-2739192. El dispositivo según la invención está caracterizado porque los medios de detección comprenden un detector matricial de dos dimensiones, el campo del detector según cada una de las dimensiones siendo superior o igual a dicho campo instantáneo útil de la óptica frontal según dicha dimensión, y permite la adquisición, para cada zona elemental de la escena correspondiente al campo instantáneo útil de la óptica frontal, de N imágenes más pequeñas formadas sobre dicho detector, Nº 1, con un tiempo de integración dado para cada imagen más pequeña, y porque el dispositivo comprende medios de contra-barrido que permiten compensar los movimientos de la imagen debidos al barrido de la escena durante la adquisición de las N imágenes más pequeñas.

Ventajosamente, varias imágenes más pequeñas son adquiridas para cada zona elemental de la escena, lo que permite aumentar la relación señal sobre ruido de la imagen detectada.

Según una variante preferida de la invención, las imágenes más pequeñas son formadas sobre zonas diferentes del detector matricial a fin de reducir el riesgo de error debido a defectos eventuales del detector matricial.

Otras ventajas y características aparecerán más claramente con la lectura de la descripción que sigue, ilustrada por las figuras anexadas que representan:

- La figura 1, un esquema de un ejemplo de dispositivo de vigilancia pasiva según la invención;

- Las figuras 2A y 2B, esquemas que ilustran en función del tiempo los movimientos de los medios de barrido y de contra-barrido en un ejemplo dado;

- La figura 3, un ejemplo de realización del dispositivo según la invención;

- La figura 4, un ejemplo de detector matricial del dispositivo según la invención.

La figura 1 representa el esquema de un ejemplo de dispositivo de vigilancia pasiva según la invención. Se trata por ejemplo de un dispositivo de vigilancia infrarrojo para la detección de objetos lejanos caracterizado por su firma infrarroja. El dispositivo de vigilancia comprende una óptica frontal 1 de campo instantáneo dado y medios de barrido 2 que permiten la observación de una escena con un campo total dado. Los medios de barrido, cuya ejecución es conocida del estado del arte, son controlados por una unidad de tratamiento 5, y permiten el barrido de la escena según figuras de barrido y con una velocidad de barrido dada, que depende del campo a observar y de otros parámetros operacionales. En el caso de detección multi-espectral, la óptica frontal y los medios de barrido pueden de forma conocida, estar formados por un sistema catadióptrico. El dispositivo de vigilancia comprende igualmente medios de formación de la imagen 3 y medios de detección 4, con un detector 41.

En el caso de un dispositivo de vigilancia infrarrojo, se trata por ejemplo de un detector sensible en la banda 3-5 \mum o 8-12 \mum, enfriado según las técnicas conocidas. En los dos casos, un material compuesto de Mercurio, Cadmio y Telurio (HgCdTe) puede ser utilizado (con composiciones adaptada para las dos bandas). Otros materiales pueden ser utilizados como los materiales multi-pozos cuánticos en los compuestos Arseniuro de Galio / Arseniuro de Galio y de Aluminio (GaAs/AlGaAs). El compuesto Antimoniuro de Indio (InSB) puede igualmente ser utilizado pero solamente en la banda 3-5\mum.

Según la invención, el detector 41 es un detector matricial de dos dimensiones, el campo del detector según cada una de las dimensiones siendo superior o igual al campo instantáneo útil de la óptica frontal según dicha dimensión. Además, los medios de detección aseguran la adquisición, para cada zona elemental de la escena correspondiente al campo instantáneo útil de la óptica frontal, de N imágenes más pequeñas formadas sobre dicho detector, N \geq 1, con un tiempo de integración dado para cada imagen más pequeña. El dispositivo según la invención comprende además medios de contra-barrido 6 que permiten compensar los movimientos de la imagen debidos al barrido de la escena durante la adquisición de las N imágenes más pequeñas. Por ejemplo, la unidad de tratamiento 5 sincroniza la adquisición de las imágenes más pequeñas por los medios de detección con el movimiento de los medios de contra-barrido 6. Gracias a la utilización de un detector matricial con un gran número de píxeles, el campo observado instantáneamente es más importante y se puede de esta forma aprovechar el tiempo ganado durante el barrido de la escena para adquirir varias imágenes más pequeñas de un mismo campo elemental. Ventajosamente, medios de tratamiento permiten acumular las informaciones de las diferentes imágenes más pequeñas que habrían "visto" el mismo punto a detectar. Como estas informaciones provienen de varias imágenes más pequeñas independientes, esto permite disminuir las falsas alarmas que pueden ser generadas por ejemplo por el ruido aportado por la electrónica.

Los medios de contra-barrido 6 permiten compensar los movimientos de la imagen de la escena observada debidos al barrido del dispositivo durante la adquisición de las N imágenes más pequeñas. Más precisamente, el tiempo de adquisición de la imagen más pequeña estando compuesto por una parte por un tiempo de integración T_{i} para el detector y por otra parte por un tiempo T_{l} necesario para la lectura de la información suministrada por el detector matricial, los medios de contra-barrido permiten guardar la zona observada fija sobre el detector durante todo el tiempo necesario para la integración de la señal y evitar así un efecto de "flujo" sobre la imagen más pequeña.

La figura 2A ilustra según un ejemplo los movimientos angulares en una dirección dada, medios de barrido 2 y de contra-barrido 6 en función del tiempo. La figura 2B es un agrandamiento de una zona de la figura 2A, marcada con un círculo. Sobre la figura 2A está representada una primera curva 21 que representa el movimiento angular de los medios de barrido 2 en función del tiempo. En este ejemplo, la amplitud del campo total de observación en la dirección de barrido es de más o menos 6º aproximadamente. La curva 22 representa el movimiento angular en la misma dirección de los medios de contra-barrido 6 en función del tiempo. Este movimiento es detallado en la figura 2B. En este ejemplo, se ha supuesto que para cada zona elemental de la escena correspondiente a un campo instantáneo de la óptica frontal de 1,5º, seis imágenes más pequeñas son adquiridas por los medios de detección. Los medios de contra-barrido aseguran un movimiento de rotación contrario a los medios de barrido y permiten de esta forma mantener fija cada imagen más pequeña sobre el detector matricial durante el tiempo T_{i} (figura 2B) de integración de una imagen más pequeña. Después de la adquisición de seis imágenes más pequeñas, los medios de contra-barrido vuelven a la posición inicial para recomenzar el proceso con la zona elemental siguiente de la escena cuyo campo es igualmente de 1,5º.

Ventajosamente, el campo del detector matricial 41 según una al menos de las direcciones de barrido es estrictamente superior al campo instantáneo útil de la óptica frontal según esta dimensión, los medios de contra-barrido permiten la formación de las imágenes más pequeñas sobre las zonas diferentes del detector matricial; por ejemplo, estas zonas son separadas según esta dimensión de uno o varios píxeles de dicho detector. Esto permite librarse de errores que pudieran resultar de defectos del detector (no uniformidades, píxeles defectuosos, etc.). Se aprovecha el tiempo de lectura T_{l} de las imágenes más pequeñas para asegurar esta separación. De esta forma, en la figura 2B, el movimiento angular \theta_{l} de los medios de contra-barrido durante el tiempo de lectura T_{l} permite una separación sobre el detector matricial de una imagen con relación a la precedente de un número dado de píxel, por ejemplo de un píxel.

El funcionamiento general del dispositivo según la invención será mejor comprendido detallando el ejemplo siguiente.

Se supone que el campo de observación total es de 18ºx7,5º y la velocidad de barrido de 22º.seg^{-1} en la dirección del campo más grande (en este ejemplo, la dirección en la cual es necesario cubrir 18º). El detector matricial presenta dimensiones estándar de 240x320 píxeles. En este ejemplo, el campo instantáneo útil de la óptica frontal está limitado a 1,5ºx7,5º, lo que corresponde a 64x320 píxeles del detector matricial. El tiempo de integración por imagen más pequeña es típicamente de 3 mseg (2 mseg de tiempo de integración, 1 mseg de tiempo de lectura). La zona de observación es observada por campos sucesivos de 1,5x7,5º, formando así 12 zonas elementales sucesivas. Como la velocidad de barrido es de 22º.seg^{-1}, se dispone de 66 mseg por zona elemental. Es por lo tanto posible adquirir 22 imágenes más pequeñas por zona elemental. Esto significa por lo tanto que se puede "ver" el punto a detectar sobre el detector matricial 22 veces y efectuar operaciones de tratamiento de la señal como la integración de las señales, con el fin de disminuir los ruidos. Esta operación puede ser realizada según técnicas conocidas y en este caso una ganancia de un factor 22^{1/2} puede ser obtenida sobre la relación señal sobre ruido. La adquisición de cada imagen más pequeña es permitida gracias a la utilización de medios de contra-barrido que estabilizan la imagen durante el tiempo de integración de la matriz (2 mseg). Ventajosamente, los medios de contra-barrido se reposicionan durante el tiempo de lectura de la imagen más pequeña (1 mseg) provocando por ejemplo una separación de un píxel sobre el detector matricial de una imagen más pequeña con relación a la otra. En este caso, al principio de las 22 imágenes más pequeñas, el punto a detectar se habrá desplazado 22 píxeles sobre el detector. El número de imágenes más pequeñas que es posible acumular por zona elemental depende así directamente de la velocidad de barrido y del campo total a barrer.

Retomando el ejemplo de realización precedente, se observa que, incluso en el caso donde 22 imágenes más pequeñas son adquiridas con una separación de un píxel cada vez, la talla de la matriz utilizada es de 64+22, o sea 86 píxeles. Dicho de otra forma, de 240 píxeles, 86 son utilizados para analizar una zona elemental del campo total. Según una variante del dispositivo según la invención, el detector matricial presenta un campo superior a p veces el campo instantáneo útil de la óptica frontal según una al menos de sus dimensiones, p número entero superior o igual a 2, el dispositivo de vigilancia comprende medios de proyección de la imagen de una zona elemental de la escena sobre p zonas distintas del detector matricial. En el ejemplo precedente, es así posible proyectar la imagen de una zona elemental sobre tres zonas distintas del detector matricial. De esta forma, diferentes zonas de la matriz pueden ser utilizadas para mejorar las ejecuciones de la detección. Por ejemplo, atributos propios a los flujos emitidos por los objetos presentes en la escena, tales como la firma espectral o la polarización, pueden ser utilizados para mejorar las ejecuciones de la detección.

Por ejemplo, los medios de proyección comprenden una red de difracción posicionada sensiblemente en la pupila de los medios de formación de la imagen. La figura 3 representa otro ejemplo de realización en el cual los medios de proyección están formados por prismas 31 posicionados sensiblemente en la pupila de los medios de formación de la imagen 3 y que permiten proyectar la imagen de una zona elemental de la escena sobre diferentes zonas del detector matricial 41.

Según una variante, las zonas del detector matricial así definidas permiten detectar bandas espectrales diferentes de la banda espectral total observada. La figura 4 representa así en el ejemplo de realización precedentemente descrito, 3 zonas espectrales diferentes 42, 43, 44. Para obtener zonas de banda espectral diferente, los medios de detección comprenden por ejemplo filtros pasa-banda posicionados sobre las zonas del detector matricial y que permiten la detección de imágenes según bandas espectrales dadas. El detector matricial puede igualmente presentar una sensibilidad espectral distinta según cada una de dichas zonas. Por ejemplo, la zona central (zona 42 en la figura 4) detecta toda la banda y las dos zonas laterales (43, 44) detectan respectivamente la parte inferior y la parte superior de la banda de sensibilidad del detector matricial. Según una variante, los medios de proyección sobres zonas distintas del detector matricial pueden igualmente hacer a la vez la separación angular y el filtrado en longitud de onda utilizando hologramas o redes tupidas, cuyas propiedades son sensibles a la longitud de onda. En el caso de utilización de prismas como medios de proyección (ver figura 3), filtros paso-banda pueden igualmente ser realizados sobre los propios prismas.

En el caso de vigilancia infrarroja específicamente, las bandas espectrales detectadas pueden ser seleccionadas de tal manera de caracterizar más finamente la naturaleza del objeto a detectar. Por ejemplo, un objeto fabricado por el hombre puede tener características espectrales diferentes de un objeto natural, animado o no. Las bandas espectrales detectadas pueden igualmente ser seleccionadas, según un procedimiento conocido (ver por ejemplo la solicitud de patente francesa FR 2 305 503) para permitir una evaluación de la distancia del objeto al origen de la detección. Esto puede ser importante por ejemplo para diferenciar un objeto de pequeñas dimensiones situado a corta distancia y un objeto de mayores dimensiones situado a mucha mayor distancia.

Otro atributo que puede ser utilizado es la característica en polarización del flujo recibido. En este caso, las zonas del detector matricial, por ejemplo en número de tres, detectan componentes diferentes de la polarización recibida. Esto puede permitir diferenciar igualmente un objeto natural de un objeto artificial (metálico por ejemplo). La misma configuración que aquella descrita en la figura 3 puede ser utilizada para analizar los atributos de polarización insertando analizadores de polarización sobre los prismas de deflexión 31.

Otras variantes pueden ser previstas a fin de mejorar la detección. Se pueden por ejemplo acoplar los aspectos bandas espectrales y polarización.

En una variante suplementaría de la invención, los medios de proyección son escamoteables de tal manera de poder pasar de un modo de funcionamiento mono atributo a un modo multi atributos.

Claims (19)

1. Dispositivo opto-electrónico de vigilancia pasiva, que comprende una óptica frontal (1) de campo instantáneo útil dado, medios de barrido (2) de una escena con un campo total de observación dado, medios de formación (3) de la imagen de la escena y medios de detección (4) de dicha imagen, caracterizado porque los medios de detección comprenden un detector matricial (41) de dos dimensiones, el campo del detector según cada una de las dimensiones siendo superior o igual a dicho campo instantáneo útil de la óptica frontal según dicha dimensión, y permiten la adquisición, para cada zona elemental de la escena correspondiente al campo instantáneo útil de la óptica frontal, de N imágenes más pequeñas formadas sobre dicho detector, N \geq 1, con un tiempo de integración dado para cada imagen más pequeña, y porque el dispositivo comprende medios de contra-barrido (6) que permiten compensar los movimientos de la imagen debidos al barrido de la escena durante la adquisición de las N imágenes más pequeñas.

2. Dispositivo según la reivindicación 1, caracterizado porque el número de imágenes más pequeñas adquiridas para cada zona elemental de la escena es superior o igual a 2 y porque el dispositivo comprende medios de tratamiento de dichas imágenes más pequeñas que permiten aumentar la relación señal sobre ruido de la imagen detectada.

3. Dispositivo según una de las reivindicaciones 1 o 2, caracterizado porque el número de imágenes más pequeñas adquiridas para cada zona elemental de la escena es superior o igual a 2, y porque el campo del detector según una al menos de sus dimensiones es estrictamente superior al campo instantáneo útil de la óptica frontal según dicha dimensión, los medios de contra-barrido permiten además la formación de las imágenes más pequeñas sobre zonas diferentes del detector matricial.

4. Dispositivo según la reivindicación 3, caracterizado porque dichas zonas están separadas según una de las dimensiones del detector matricial de uno o varios píxeles de dicho detector.

5. Dispositivo según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el detector matricial presenta un campo superior a p veces el campo instantáneo útil de la óptica frontal según una al menos de sus dimensiones, p número entero superior o igual a 2, el mismo comprende medios de proyección de la imagen de una zona elemental de la escena correspondiente a dicho campo instantáneo útil sobre p zonas distintas del detector matricial.

6. Dispositivo según la reivindicación 5, caracterizado porque dichos medios de proyección son escamoteables.

7. Dispositivo según una de las reivindicaciones 5 o 6, caracterizado porque cada una de las imágenes proyectadas está caracterizada por una banda espectral dada.

8. Dispositivo según la reivindicación 7, caracterizado porque los medios de proyección comprenden una red de difracción posicionada sensiblemente en la pupila de los medios de formación de la imagen.

9. Dispositivo según la reivindicación 7, caracterizado porque los medios de proyección están formados por prismas (31) posicionados sensiblemente en la pupila de los medios de formación de la imagen.

10. Dispositivo según la reivindicación 9, caracterizado porque filtros pasa-banda son realizados sobre los prismas.

11. Dispositivo según una de las reivindicaciones 7 a 9, caracterizado porque los medios de detección comprenden filtros pasa-banda posicionados sobre dichas p zonas del detector matricial que permiten la detección de p imágenes según p bandas espectrales dadas.

12. Dispositivo según una de las reivindicaciones 7 a 9, caracterizado porque el detector matricial presenta una sensibilidad espectral distinta según cada una de dichas p zonas que permiten la detección de p imágenes según p bandas espectrales dadas.

13. Dispositivo según una de las reivindicaciones 5 a 7, caracterizado porque cada una de las imágenes proyectadas está caracterizada por un atributo de polarización dado.

14. Dispositivo según la reivindicación 13, caracterizado porque los medios de proyección están formados por prismas posicionados sensiblemente en la pupila de los medios de formación de la imagen y porque analizadores de polarización son colocados a la salida de cada uno de los prismas a fin de atribuir a cada una de dichas imágenes proyectadas dicho atributo de polarización.

15. Dispositivo según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el detector matricial es sensible en la banda 8-12 \mum.

16. Dispositivo según una de las reivindicaciones 1 a 14, caracterizado porque el detector matricial es sensible en la banda 3-5 \mum.

17. Dispositivo según la reivindicación 16, caracterizado porque el detector matricial está formado por materiales a base de InSb.

18. Dispositivo según una de las reivindicaciones 15 o 16, caracterizado porque el detector matricial está formado por materiales a base de compuestos HgCdTe, o de tipo multi-pozos quánticos.

19. Dispositivo según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el campo del detector es sensiblemente igual al campo instantáneo según una primera dirección, superior a tres veces el campo instantáneo según la segunda dirección, y porque el número de imágenes más pequeñas adquiridas por cada zona elemental de la escena es de aproximadamente una veintena.