FR2479982A1 - Procede et appareil d'etablissement instantane du rapport entre bandes pour radiometre a reflexion - Google Patents
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Abstract
L'INVENTION CONCERNE UN INSTRUMENT PORTABLE PERMETTANT DE COMPARER LES INFORMATIONS PROVENANT DE BANDES INFRAROUGES ET VISIBLES COMPRISES ENTRE 0,4 ET 2,5 MICRONS, POUR EFFECTUER LE RAPPORT PAR L'INTERMEDIAIRE D'UN CIRCUIT DIVISEUR 17 ET LIRE DIRECTEMENT PAR UN SYSTEME D'AFFICHAGE 18 NUMERIQUE LES VALEURS DES RAPPORTS. LE RADIOMETRE A ETABLISSEMENT DE RAPPORT ET A FAISCEAUX JUMELES CONTIENT DEUX TRAINS OPTIQUES 10, 12, CHACUN COMPRENANT DEUX LENTILLES REPETRICES L1A, L1B ET L2A, L2B ET UN DETECTEUR D1, D2 AU SULFURE DE PLOMB REFROIDI. L'UN DES TRAINS 10 EST MONTE PIVOTANT POUR FACILITER LES MESURES ENTRE UN METRE ENVIRON ETL'INFINI. LES TRAINS OPTIQUES SONT INTERCEPTES PAR UN JEU DE DEUX ROUES DE FILTRAGE F1, F2 MONTEES COAXIALEMENT, CHACUNE CONTENANT JUSQU'A CINQ FILTRES D'INTERFERENCE ET DES FENTES LAISSANT PASSER LES RADIATIONS FILTREES PAR L'AUTRE. ON UTILISE DES FILTRES A BANDES PASSANTES DE 0,01 MICRON DANS LA GAMME DE 0,4 A 2,5 MICRONS.
Description
Procédé et appareil d'établissement instantané
du rapport entre bandes pour radiomètre à réflexion.
La présente invention concerne un radiomètre, plus particulièrement un procédé et un appareil de radiométrie à réflexion à bandes jumelées, et plus spécialement encore un procédé et un appareil établissant le rapport entre des bandes étroites choisies pour obtenir une identification positive de matériaux réfléchissants au moyen d'au moins un rapport entre deux pics spectraux proéminents caractérisant
le matériau.
Les radiomètres à réflexion ont été utilisés avec succès
pour détecter divers minéraux, de l'alunite à la zéolite.
Par exemple, un spectromètre à réflexion portable est décrit par le Dr Alexander F.H.Goetz, l'un des inventeurs de la
présente demande, et d'autres, dans le brevet US 4 043 668.
En bref, le spectromètre décrit comprend un dispositif optique et un dispositif d'enregistrement numérique utilisé pour enregistrer l'intensité de radiations réfléchies dans une gamme spectrale (de 0,4 à 2, 5 microns) choisie par une roue de filtrage. On analyse ensuite les données spectrales enregistrées pour déterminer la composition des matériaux
produisant les données spectrales de radiation par réflexion.
Cette mise au point d'un spectromètre à réflexion portable provient des études effectuées en 1967-1970 dans le cadre de l'expérience "Multispectral Photography Experiment S-158" faisant partie de la mission APOLLO 12. Cette expérience a
mis en oeuvre des systèmes de formation d'images multispec-
trales ayant une capacité d'analyse pour déterminer les limites lithographiques lunaires à distance de l'orbite, mais sans analyse des données spectrales en temps réel. Pour
une description plus complète de l'expérience, voir Alexander
F.H.Goetz et al. "Apollo 12 Multispectral Photography Experiment", Geochimica Acta, volume 3, 2301-2310, MIT
Press, 1971.
Suite à cette mise au point, des nouveaux programmes de recherche ont été établis en 1970-1973 pour améliorer la
précision des systèmes de formation d'images spectroradiomé-
triques télescopiques. Le râle du traitement des images par calculateur en photographie multispectrale orbitale a permis d'obtenir de meilleurs résultats. Les premières recherches géologiques préliminaires ont été effectuées sur le plateau
du Colorado pour évaluer et interpréter les données multi-
spectrales du satellite de la terre (ERTS-1), après amplifi- cation appropriée. On a également effectué des recherches pour déterminer la qualité et l'utilisation d'informations
rédiométriques ERTS en ce qui concerne des régions déserti-
ques et arides. Voir Alexander F.H.Goetz et al., "Symposium 10...", 5 au 9 mars 1973, NASA SP-327 aux pages 403 à 411, et 1159 à 1167. Voir également les rapports de la quatrième conférence annuelle sur la Détection à Distance en Terres Arides, pages 136-147, Univ. of Arizona, Tucson, de novembre 1973. La technologie de l'amélioration des images utilisée dans ce cas est discutée dans un Nouveau Rapport Technologique
de la NASA, NPO-10541.
Des études faites en vue d'applications terrestres ont
été organisées officiellement par le Jet Propulsion Labora-
tory (JPL) du California Institute of Technology. Un nouveau spectromètre à réflexion portable a été mis au point dans la gamme micrométrique comprise entre 0,4 et 2,5, également avec enregistrement numérique sur le site. Cet instrument est l'objet du brevet US-4 043 668 déjà mentionné et déposé par le California Institute of Technology. Le dispositif d'enregistrement électronique constituait un système séparé et indépendant ("backpack"), avec retard inhérent avant l'identification effective du minéral. Ce dispositif ne comprenait pas les caractéristiques de la présente invention et ne possédait pas une capacité de lecture en temps réel en vue de l'analyse, mais pouvait enregistrer environ 200 spectres par jour sur des cassettes à bande numériques
compactes, avec deux opérateurs sur le site.
L'activité accrue qui s'est manifestée de 1975 à 1978
dans le domaine des systèmes de formation d'images et d'ana-
lyse multispectrale au JPL ont conduit à la mise au point de systèmes comprenant des dispositifs de formation d'images à
CCD (dispositifs couplés-chargés) pouvant être reliés faci-
lement par des interfaces à des systèmes d'analyse et de lecture plus rapides à calcultateur, comme décrit plus complètement dans le brevet US 4 134 683 au nom d'Alexander F.H.Goetz et al. On a utilisé un système de formation d'images comprenant plusieurs réseaux de dispositifs couplés chargés (CCD), ou de réseaux de détecteurs linéaires, pour obtenir des données de réflectance spectrale simultanément sur des longueurs d'onde différentes pour une surface d'une cible en utilisant une série de filtres, chacun recevant une largeur de bande particulière. Les données obtenues des réseaux sont enregistrées puis lues en parallèle et envoyées
à un calculateur ou à un microprocesseur.
Le microprocesseur a permi d'analyser les données d'ima-
ge en temps réel et d'afficher les informations superposées
sur l'image de l'un d'entre eux pour déterminer des emplace-
ments géographiques. Cependant et de façon générale on n'a
pu couvrir que des bandes assez largement visibles et pro-
ches des infrarouges, et il n'a été possible que d'effectuer des analyses qualitatives grossières de minéraux ou de zones laissant filtrer du pétrole. Le système n'était pas portable et ne pouvait être programmé que pour un matériau spécifique
à la fois.
L'instrument du brevet US 4 134 683 comprenait "l'éta-
blissement du rapport entre bandes" au moyen de circuits diviseurs. "L'établissement du rapport entre bandes" est une technique cherchant à déterminer une identification positive de matériaux par la mesure ou le calcul de rapports entre deux pics spectraux les plus proéminents, plutôt qu'à partir
d'un pic unique, et caractérisant le matériau. L'établisse-
ment de rapports entre bandes crée donc des rapports entre deux canaux filtrés qui annulent les effets topographiques et autres. L'établissement de rapports entre bandes est également utile pour traiter le problème d'une corrélation élevée de données entre canaux provoquée par des effets
systématiques tels que la topographie.
L'art antérieur décrit ici concerne un radiomètre à
réflexion portable n'effectuant pas le traitement des don-
nées en temps réel, ou un radiomètre de formation d'images par réflexion à multi-canaux et non portable, à capacité de traitement des données en temps réel limitée. Il n'existait pas de radiomètre à réflexion à traitement instantané des données en temps réel, non plus qu'un instrument portable ayant la capacité de surveiller des pics différents de façon continue sans obtenir un spectre total. Et finalement il n'existait pas d'instrument portable prévu pour surveiller simultanément quelques pics choisis dans une bande étroite et, par l'établissement instantané des rapports de bandes d'un canal de bande par rapport à un second canal de bande pour obtenir au moins un rapport, d'identifier la nature du
matériau réfléchissant les radiations. Cependant, les dispo-
sitifs de l'art antérieur décrits ci-dessus ont montré,
lorsqu'ils étaient appliqués à des problèmes d'identifica-
tion de minéraux sur le site, que l'identification instanta-
née devait être possible pour des classes de roches ou de minéraux tels que des carbonates et des silicates si un dispositif portable pouvait établir instantanément des
rapports entre bandes. Il existe donc la nécessité de dispo-
ser d'un nouveau type d'instrument permettant de fournir
directement des informations utiles à un détecteur et d'effec-
tuer l'identification instantanée et en temps réel de la roche. Le but de la présente invention est de procurer ce
nouveau type d'instrument.
En bref, la présente invention concerne un radiomètre déterminant des rapports et capable d'identifier des matériaux choisis qui réfléchissent des radiations dans une bande prédéterminée. L'instrument convient particulièrement à la différenciation entre les argiles les plus communes sur la
terre. L'instrument est un radiomètre indépendant, à fais-
ceaux jumelés et établissant des rapports, comprenant deux trains optiques dirigés vers la même cible. Il fournit une lecture numérique continue de valeurs de rapports à partir de deux trains optiques dont chacun comprend un filtre séparé destiné à la sélection de bandes spectrales étroites
dont on doit établir les rapports pour identifier la présen-
ce d'un minéral particulier sur la base des caractéristiques spectrales connues du minéral. Dans un mode de réalisation exemplaire, les bandes étroites dont on établit les rapports sont choisies dans les bandes infrarouges et visibles dans la gamme comprise entre 0,4 et 2,5 microns, et des moyens sont prévus pour faire pivoter l'axe de l'un au moins des trains optiques par rapport à l'autre, de manière que les deux aient leur axe dirigé vers la cible. Le canal de chaque train optique comprend deux lentilles-relais (répéteurs) avec un filtre que l'on peut choisir et disposer entre les lentilles, et un détecteur à l'arrière. Une caractéristique particulière de l'invention est constituée par le fait que deux roues de filtrage coaxiales alimentent les canaux séparés au moyen de fentes pratiquées dans une roue de filtrage entre des filtres pour laisser passer la lumière vers le filtre choisi dans l'autre roue, et des fentes pratiquées dans l'autre roue de filtrage entre des filtres pour laisser passer la lumière déjà dirigée par un filtre choisi vers une lentille-relais et un détecteur. Ainsi, une roue de filtrage peut tourner indépendamment de l'autre pour placer un filtre sélectionné sur le parcours de la lumière entre des lentilles-relais, alors qu'une fente de l'autre roue de filtrage laisse passer la lumière filtrée vers le second filtre-relais et le second détecteur. En variante, les deux roues de filtrage peuvent tourner ensemble, par exemple quand on a choisi des filtres appariés pour des minéraux particuliers et qu'on les a disposés correctement sur les roues de filtrage. On peut simplifier le contrôle de la présence des différents minéraux dans la zone de la cible en faisant avancer en pas à pas les deux roues de filtrage à la fois et pour toutes les positions, par exemple au nombre de cinq, de manière que pour chaque position, chaque roue de filtrage présente un filtre différent apparié à un filtre de l'autre roue. On peut facilement obtenir le pivotement d'un train optique au moyen par exemple d'une came montée à
l'extrémité avant et agissant sur la console du train opti-
que pivotant pour faire pivoter son axe sur un point de pivotement situé entre la fente et le filtre par lequel passe l'axe optique du train optique pivotant. La console du train optique pivotant porte les deux lentilles-relais, et à l'arrière de la seconde lentille-relais, un détecteur. Un dispositif hacheur monté à l'avant des deux canaux permet de hacher les radiations envoyées aux détecteurs pour pouvoir
utiliser des techniques connues d'amplification et de détec-
tion synchrone en courant alternatif. La détermination
continue des rapports des deux sorties des détecteurs (divi-
sion de la sortie du détecteur d'un canal par la sortie du
détecteur de l'autre canal), et une lecture numérique conti-
nue du rapport en vue de l'affichage ou de l'enregistrement permettent l'identification continue et instantanée du
matériau dans la surface réfléchissante.
Les propriétés nouvelles considérées comme caractéristi-
ques de la présente invention sont indiquées en détail dans
les revendications annexées et l'invention sera maintenant
expliquée par la description non limitative qui suit, faite
avec référence aux dessins ci-annexés dans lesquels: la figure 1 est un diagramme schématique d'un radiomètre
à établissement de rapport et à faisceaux jumelés, utilisa-
ble sur des distances comprises entre un mètre et pratique-
ment l'infini, selon la présente invention, -
La figure 2 est un diagramme schématique isométrique du système optique de la figure 1, la figure 3 représente la disposition de deux roues de filtrage coaxiales pourvues de fentes espacées et de filtres
interceptant les faisceaux jumelés du radiomètre à établisse-
ment de rapport représenté aux figures 1 et 2,
la figure 4 est une vue en plan du radiomètre à établis-
sement de rapport de la figure 4, la figure 5 est une vue en coupe verticale du radiomètre à établissement de rapport de la figure 4, la figure 6 représente les spectres de réflectance de radiations de certains minerais, avec des barres indiquant l'emplacement des centres de quatre bandes filtrées étroites
dont on peut établir les rapports selon différentes combinai-
sons de paires pour déterminer les minéraux de la cible
réfléchissante dans le système des figures 1 à 5.
Si on se réfère d'abord à la figure 1, celle-ci représen-
te un diagramme schématique simplifié d'un radiomètre à établissement de rapport et à faisceau jumelé mettant en oeuvre les principes de l'invention. Le radiomètre comprend deux canaux, un premier canal comportant un train optique
, une fente 11, un détecteur Dl au sulfure de plomb refroi-
di et un amplificateur Ai, et un second canal consistant en un canal 12, une fente 13, un détecteur D2 à sulfure de plomb refroidi, et un amplificateur A2. Le train optique 10 est monté sur une console représentée par une ligne continue 14, de manière à faire pivoter son axe optique autour d'un point P. Sur la console sont montées des lentillesrelais (répéteurs) Lla et Llb, de même que le détecteur Dl. La fente 11 est suffisamment large pour permettre aux radiations de pénétrer dans l'enceinte de l'instrument (représenté par un trait continu 15) et être détectées par la lentille Lla sur son angle de pivotement total, qui est suffisamment petit pour pointer son axe sur le même point de la cible que l'axe du train optique fixe 12 lorsqu'on utilise l'appareil
à distance rapprochée (environ un mètre). Lorsque la distan-
ce est plus grande, le train optique pivotant peut être réglé sur un angle encore plus petit par rapport à l'axe du train optique fixe; lorsque la distance est importante (pratiquement infinie) cet angle est réduit à zéro et les axes des deux trains optiques sont alors parallèles l'un à l'autre.
Dans la pratique, le train optique pivotant est pourvu-
d'une came manoeuvrée par un bouton qui permet de placer son axe dans l'une quelconque des positions extrêmes, à savoir à "un mètre" et à "l'infini", du fait que l'instrument sera
utilisé soit par un opérateur à pied qui le pointera direc-
tement vers le sol, soit par un opérateur monté sur un véhicule et qui le pointera vers le sol à une distance importante telle que de 100 mètres ou plus. L'espace de quelques centimètres qui sépare les deux trains optique est si faible, par rapport à la distance d'environ 100 mètres, que dans tous les cas pratiques les axes des deux trains optiques seront pointés vers le même point, les deux trains optiques recevant les radiations solaires réfléchies par la même cible quand leurs axes sont parallèles. Ce réglage sur "deux extrêmes" est réalisé facilement sans avoir besoin de
mesurer ou d'estimer la distance de la cible.
A l'intérieur du logement de l'instrument est monté un dispositif hacheur 16 qui convertit les signaux en courant
continu qui pénètrent dans l'instrument en signaux en cou-
rant alternatif envoyés aux détecteurs Dl et D2 en utilisant des amplificateurs en courant alternatifs AI et A2. Si on le
désire, on peut utiliser une détection synchrone de l'ampli-
tude des signaux en courant alternatif Il et I2.En tout cas, les amplitudes des signaux Ai et A2 sont détectées et leur rapport est établi dans un circuit diviseur 17. On suppose qu'il existe un circuit diviseur analogique dans ce diagram-
me simplifié, mais il serait possible de convertir périodi-
quement les signaux détectés Il et I2 sous forme numérique
pour utiliser des techniques numériques et former le rapport.
Si on utilise un circuit diviseur analogique, on convertit alors périodiquement le rapport I1/I2 sous forme numérique en vue de l'affichage au moyen d'un dispositif d'affichage classique 18. L'opérateur lit alors la valeur du rapport sur l'affichage par l'intermédiaire d'une fenêtre 19 et il détermine immédiatement à partir de cette Valeur la nature
du matériau réfléchissant de la cible. Dans cette descrip-
tion, on fait référence de façon répétée à un 'matériau réfléchissant", ceci de façon générale, du fait que le radiomêtre à établissement de rapport à bandes Jumelées peut
être utilisé pour détecter par exemple des radiations prove-
nant de grains dans un conteneur, ou d'une végétation, en vue d'en déterminer la teneur en humidité, et non uniquement
pour déterminer la teneur en minéraux de la cible réfléchis-
sante sur la terre.
Cette technique d'établissement de rapports permet une identification positive du matériau réfléchissant par calcul du rapport d'au moins deux des pics spectraux les plus
proéminents du spectre de réflectance du matériau particu-
lier. Ce rapport peut être celui des pics spectraux seule-
ment, en utilisant des filtres à bande três étroite, ou le rapport peut être entre les zones marginales des bandes,
c'est-à-dire les pentes des pics. L'une ou l'autre caracté-
ristique peut faire l'objet de l'établissement d'un rapport.
Dans l'un et l'autre cas, on peut avoir besoin d'effectuer
un second rapport en utilisant un autre jeu de caractéris-
tiques spectrales pour éviter toute ambiguïté en ce qui
concerne un autre matériau présentant un rapport caractéris-
tique très proche du rapport caractéristique du matériau
concerné. On notera que la caractéristique de la zone margi-
nale de bande est un rapport de l'intensité d'une zone marginale de bande par rapport à l'intensité d'une autre bande marginale de bande, et non un rapport entre les pentes dgs pics effectifs, o la pente est définie par I/, mais plutôt des pentes moyennes des pics sur les bandes des filtres. Pour choisir la caractéristique spectrale (pics ou zones marginales de bandes) dont on veut établir le rapport, on règle les roues de filtrage coaxiales Fl et F2 (montées sur un axe fixe entre les deux canaux et parallèle à l'axe optique du train fixe 12) de manière à obtenir un filtrage de bande des radiations réfléchies centrées sur les deux pics choisis pour établir le rapport sur la base d'une connaissance préalable du spectre caractéristique du matériau, comme cela sera décrit plus en détail ci-après. Chaque roue de filtrage peut comprendre jusqu'à cinq filtres, ce qui permet d'obtenir au maximum 25 rapports distincts possibles, bien que dans la pratique il suffise d'un nombre plus limité, tel que les rapports de bandes représentés dans le tableau suivant:
RAPPORT DE BANDES ALUNITE KAOLINITE
2,10/2,17 1,47 1,59
2,10/2,22 0,86 1,41
2,17/2,20 0,80 1,10
2,17/2,22 0,59 0,8&
2,20/2,22 0,74 0,80
2,20/2,35 0,74 0,95
RAPPORT DE BANDES MONTMORILLONITE CALCITE
2,10/2,17 1,04 1,02
2,10/2,22 1,19 1,04
2,17/2,20 1,20 1,00
2,17/2,22 1,14 1,02
2,20/2,22 0,94 1,03
2,20/2,35 1,01 1,27
Ainsi, en prévoyant deux trains ou canaux optiques pour déterminer le rapport entre signaux et la lecture numérique instantanée des rapports d'intensité des canaux, on peut effectuer une identification immédiate et en temps réel de minéraux. Tout ce qui est nécessaire pour identifier un matériau particulier est de choisir les filtres corrects dans les deux roues de filtrage. Les roues de filtrage tournent sur un axe commun; de ce fait, des fentes espacées sont prévues dans chacune d'elles pour laisser passer la lumière de longueur d'onde choisie par le filtre de l'autre, comme cela sera décrit plus complètement plus loin avec référence aux figures 2 et 3. Ainsi, des combinaisons de filtrage de largeur de bande prédéterminée connues pour
donner une analyse optimale se traduisent par l'établisse-
ment du rapport des intensités des canaux respectifs, l'un
par rapport à l'autre.
Il serait parfois souhaitable d'étendre l'échelle d'un rapport particulier, ou d'effectuer un contrôle de linéarité de l'instrument. On peut obtenir ce résultat en inversant le rapport I1/I2 en I2/Il. Pour obtenir ce résultat, on peut monter un commutateur Sl bi-polaire et à double course dans sa seconde position o le même détecteur fournit le même rapport mais inversé. Dans chaque position, il y a affichage
instantané du rapport de l'intensité dans les deux canaux.
De plus, on peut prévoir un commutateur S2 et un commutateur S3 permettant de choisir l'un quelconque des deux canaux pour l'affichage, au lieu de la sortie du rapport. Ceci est
utile pour calibrer ou étalonner l'instrument.
Le calibrage s'effectue au moyen des radiations solaires ou d'une source artificielle telle qu'une lampe à quartz et iode et un matériau de référence fortement réfléchissant pourvu d'une réflectance spectrale uniforme dans lazone d'intérêt. Un matériau de référence approprié est constitué par de la laine céramique blanche vendue dans le commerce sous l'appellation de "Fiberfax" et telle que décrite dans
le brevet 4 043 668 sus-mentionné. Le gain de l'amplifica-
teur dans un canal est d'abord réglé sur une valeur intermé-
diaire entre zéro et le maximum. L'affichage de la valeur de
l'intensité pour ce canal peut être lu de manière à détermi-
ner le moment o le résultat est atteint. On place alors le commutateur S3 dans la position permettant l'affichage du rapport, et on règle le gain du second amplificateur de manière que l'affichage affiche "1,00". Pour effectuer cette
manoeuvre, on peut utiliser une paire quelconque de filtres.
Typiquement, il suffit d'effectuer un calibrage dans le milieu de la journée, quand les conditions des radiations
solaires ne sont pas soumises à des changements rapides.
Cependant, on peut effectuer un contrôle rapide d'une lectu-
re du rapport standard de réflexion du Fiberfax après la lecture du rapport de bandes de la surface inconnue pour confirmer la précision du rapport. Un mode de réalisation du concept décrit avec référence à la figure 1 sera maintenant décrit à titre d'exemple avec référence aux figures 2 à 5. Par commodité et pour obtenir la corrélation entre la structure du mode de réalisation de l'exemple et les éléments du diagramme schématique simplifié de la figure 1, toutes les références utilisées pour les éléments de la figure 1 seront utilisées pour les éléments
correspondants de la structure des figures 2 à 5, des réfé-
rences additionnelles étant utilisées pour les éléments
n'apparaissant pas sur la figure 1.
A la figure 2 est représenté un diagramme schématique isométrique d'un radiomètre à réflexion à établissement de rapport et à bandes jumelées et tenu à la main, comprenant une poignée 20 fixée au fond d'un boîtier 21 comprenant deux côtés et une partie supérieure en dehors d'un fond, et
pourvue de deux plaques terminales, soit une plaque termina-
le frontale 22 pourvue de fentes 11 et 13 et une plaque terminale arrière 23 pourvue d'une fenêtre 24 en vue de
l'affichage numérique des valeurs des rapports. Un disposi-
tif électronique (représenté par un cube en pointillé 25 à l'arrière de l'instrument) comprend des circuits imprimés destinés aux amplificateurs Al et A2, un circuit diviseur 17 et un système d'affichage 18. Les commutateurs nécessaires Si à S3 peuvent être avantageusement montés sur la plaque arrière 23 en dessous de la fenêtre d'affichage 24. Les
boutons de commande de gain des amplificateurs, les connec-
teurs coaxiaux destinés à l'enregistrement des deux canaux et du rapport des deux canaux si on le souhaite, et un connecteur pour câble de puissance provenant d'une batterie peuvent être également avantageusement montés sur la plaque arrière 23 en dessous de la fenêtre d'affichage 24. Entre la plaque terminale avant 22 et le dispositif électronique sont fixées des consoles sur le fond du bottier 21 en vue du montage d'autres éléments. Ces autres éléments sont constitués par le dispositif de hachage 16 et son moteur d'entraînement 16a. Il est à noter que le moteur est placé de manière que son axe soit sur l'axe central situé entre les deux trains optiques commençant par les lentilles Lla et L2a, et se terminent par les détecteurs Dl et D2 à l'arrière des len-
tilles Llb et L2b.
Les éléments du train optique pivotant constitué par les lentilles Lla et Llb et le détecteur Dl sont montés sur une console 14 pivotant sur un point situé entre les roues de filtrage Fl et F2. La console est placée de manière à ne pas gêner les roues de filtrage pour qu'elles puissent rester stationnaires alors que le train optique pivotant pivote
dans un plan entre les roues de filtrage. Ceci est souhaita-
ble du fait que les roues de filtrage coaxiales ne pivotent
pas en même temps que le train optique pivotant, mais res-
tent par contre fixes en position perpendiculaire à l'axe du
train optique fixe.
Les deux roues de filtrage sont représentées séparées sur la figure 3, pour bien montrer qu'une roue (F2) qui coopère avec le train optique fixe 12 comprend un disque de filtrage en alignement optique avec une fente de l'autre roue de filtrage (F1) qui coopère avec le train optique pivotant 10. Dans une position diamétralement opposée à
l'axe optique du train fixe 12 est placé un disque de filtra-
ge de la roue FI, dans l'axe optique du train pivotant, avec une fente directement à son arrière dans la roue de filtrage F2. La fente et le disque de filtrage sont suffisamment
larges pour recevoir le faisceau dirigé par la lentille-
relais Lla à la lentille-relais Llb pour toutes les-positions de pivotement. La plage des positions de pivotement est très limitée, comme on peut le voir sur la vue en plan de la figure 4, mais ce mouvement de pivotement limité suffit pour faire converger l'axe optique des deux trains sur la même cible entre une distance de un mètre et l'infini. Comme noté
jusqu'ici, seuls les deux extrêmes de la gamme sont réelle-
ment intéressants. En conséquence, on prévoit une plage 30 (figure 4) pour faire pivoter la console 14 vers un extrême dans une position et vers l'autre extrême dans l'autre position en tournant simplement la came sur 1800 au moyen du bouton K1 (figure 5). Deux boutons additionnels K2 et K3 sont prévus pour faire tourner les trains d'engrenages Gi et
G2 qui font tourner les roues de filtrage Fl et F2 respecti-
vement. On prévoit un dispositif d'arrêt pour les roues de filtrage en vue de les mettre en coïncidence correcte pour chacune des cinq positions sélectionnables pour chacun des cinq disques de filtrage. Les denturesprévues sur les pourtours des roues de filtrage permettent d'engrener avec un engrenage (non représenté) avec pour résultat la rotation des deux roues en même temps quand on tourne le bouton K2 ou
le bouton K3. Un quatrième bouton K4 positionne sélective-
ment cet engrenage additionnel (non représenté) pour l'aine-
ner en engagement en vue d'obtenir ce résultat. Cette carac-
téristique est utile quand les cinq disques de filtrage d'une roue pour un canal ont été appariées à des disques de filtrage de l'autre roue pour l'autre canal. Dans ce cas, il est plus simple de faire tourner les deux roues ensemble et
en pas à pas dans les cinq positions.
On considérera maintenant brièvement le fonctionnement de l'instrument. L'instrument est d'abord calibré comme indiqué plus haut au moyen des radiations solaires ou d'une
source artificielle réfléchies par un matériau de référence.
Pour ce calibrage, on maintient un matériau de référence à une distance d'environ un mètre. L'instrument est alors prêt
à être utilisé en campagne. En fait, le calibrage est effec-
tué sur place juste avant l'utilisation. On l'effectue habituellement vers le milieu de la journée plutôt que tôt
le matin ou tard dans l'après-midi, de manière qu'un recali-
brage ne soit pas nécessaire après chaque utilisation, mais plutôt après chaque heure environ, bien que la procédure de calibrage puisse être effectuée pour confirmer qu'un rapport particulier est correct, c'est-àdire réalisé alors que
l'instrument est correctement calibré.
Sur la base de signatures spectrales connues, cet instru-
ment peut être utilisé pour comparer des informations prove-
nant de bandes infrarouges et visibles sélectionnées dans la gamme micrométrique comprise entre 0,4 et 2,5 microns, pour effectuer des rapports, et pour lire directement les
valeurs des rapports sur un affichage numérique continu.
Ce qui rend ceci possible est l'organisation du radiomètre à établissement de rapport et à faisceaux jumelés de la figure 1, qui contient deux trains optiques, chacun comprenant des lentilles de répétition et un détecteur au sulfure de plomb refroidi. Les trains optiques sont traversés par un jeu de deux roues de filtrage-montées coaxialement, contenant chacune plusieurs filtres d'interférence. On utilise des filtres à bande passante aussi étroite que 0,01 microns, dans la gamme comprise entre 0,4 et 2,5 microns. La durée totale d'un calibrage et d'une mesure n'est que de quelques secondes. On sait par des études de campagne précédentes utilisant des dispositifs tels que le spectromètre à réflexion du brevet US 4 043 668 référencé ci-dessus que des argiles et des minéraux à base de carbonate tels que de la pierre calcaire ont des propriétés spectrales uniques dans la zone micrométrique comprise entre 2,0 et 2,5 microns. La figure 6 représente la réflectance relative observée pour la kaolinite,
la montmorillonite et l'alunite dans cette région. La présen-
te invention, qui utilise des filtres spectraux correctement choisis et l'établissement des rapports entre les signaux pour éliminer l'effet de la topographie sur la brillance mesurée, peut être utilisée comme outil d'analyse in situ dans cette gamme de même que sur une gamme plus étendue. Sur la figure 6, une série de barres ont été ajoutées pour indiquer l'emplacement approprié des centres spectraux des filtres des canaux à faisceaux jumelés, adaptés à l'analyse
d'une argile.
Quand on utilise des filtres spectraux correctement choisis dans la région plus- limitée comprise entre 2,0 et 2,5 microns, et en établissant le rapport entre les signaux pour éliminer l'effet de la topographie sur la brillance mesurée, on peut identifier toute une série de matériaux. Le tableau donné ci-dessus illustre plus spécifiquement la
tabulation de l'art antérieur qui est nécessaire. Par exem-
ple, la montmorillonite et la kaolinite présentent des
rapports de valeurs très différentes pour des filtres cen-
trés sur 2,10 et 2,17 microns. Donc, en affichant directe-
ment le rapport de brillance pour deux filtres pour ces longueurs d'onde, il est possible d'obtenir la valeur du
24799-82
rapport qui donne le nombre index permettant l'identifica-
tion analytique lors d'études géologiques sur place.
L'exemple ci-dessus, dans cette région plus limitée,
illustre le procédé de fonctionnement de la présente inven-
tion à affichage en temps réel du rapport des valeurs de l'intensité des radiations réfléchies entre les deux trains optiques. On comprendra que le même instrument puisse être utilisé pour indiquer la valeur de l'intensité de radiations
réfléchies dans un unique train optique, comme noté ci-
dessus. La possibilité d'obtenir des résultats instantanés sur place plutôt que d'amener des échantillons dans un laboratoire offre la possibilité d'effectuer une prospection élargie, soit par un opérateur à pied, soit par un opérateur
se trouvant sur un véhicule terrestre ou aérien.
De la description qui précède, il est clair que la
présente invention permet d'effectuer un traitement instanta-
né et en temps réel des données de l'intensité des radia-
tions réfléchies d'une ou plusieurs paires de canaux dans
des bandes étroites sans obtenir la donnée du spectre total.
Plus particulièrement, la présente invention surveille de façon continue au moins deux bandes étroites différentes et choisies, détermine instantanément le rapport entre les intensités des deux canaux et donne une lecture numérique instantanée. On peut surveiller simultanément plus d'une unique paire dans d'autres canaux jumelés. Cet établissement du rapport représente une nouvelle classe d'instrument. Les exemples dans la région de 2,0 à 2,5 microns sont donnés à titre d'explication et ne sont pas limitatifs. La gamme plus large comprise entre 0,4 et 2,5 microns et au-delà, peut être utilisée pour identifier tout matériau lorsque le spectre de réflectance a été établi par tout moyen connu ou à mettre au point. L'utilisation des radiations solaires
pour illuminer la cible est également une question de commo-
dité quand on effectue un travail en campagne. Quand il s'agit d'applications plus spéciales, on peut utiliser toute source de radiations à condition qu'elle comprenne les
bandes étroites présentant de l'intérêt.
Comme il va de soi, et comme il résulte d'ailleurs déjà de ce qui précède, l'invention ne se limite nullement à ceux -de ses modes d'application, non plus qu'à ceux des modes de
réalisation de ses diverses parties, ayant été plus spécia-
lement envisagées; elles en embrasse, au contraire, toutes
les variantes.
Claims (10)
1. Procédé d'identification instantanée d'un matériau réfléchissant particulier, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à détecter simultanément l'intensité des radiations réfléchies par ledit matériau dans plusieurs bandes prédéterminées centrées sur les caractéristiques
spectrales du matériau, à déterminer le rapport entre l'in-
tensité des radiations d'au moins une bande et l'intensité des radiations d'une autre bande, et à afficher le rapport entre les bandes ainsi déterminé, de manière que l'affichage
du rapport soit indicateur du matériau particulier.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à choisir plusieurs bandes appariées différentes, au moins une paire à la fois, pour effectuer instantanément le rapport entre bandes, ceci permettant de contrôler s'il existe sur un corps réfléchissant plusieurs matériaux différents identifiés par au moins une
valeur de rapport particulière pour chaque matériau.
3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que lesdites caractéristiques spectrales du matériau sont
des pics spectraux.
4. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que lesdites caractéristiques spectrales dudit matériau sont des zones marginales des bandes consistant en la mesure
de l'intensité de chaque côté des pics spectraux qui carac-
térisent ledit matériau.
5. Appareil d'identification d'un matériau sélectionné réfléchissant des radiations à l'intérieur d'une bande prédéterminée, caractérisé en ce qu'il comprend deux trains optiques (10, 12) dirigés vers la même cible, chaque train comprenant un détecteur (Dl, D2) pour mesurer l'intensité des radiations réfléchies par la même surface réfléchissante, et chaque train (10, 12) comprenant un filtre (Fl, F2) laissant passer une bande présélectionnée et différente des radiations réfléchies, chaque bande étant choisie de manière
à être centrée sur des caractéristiques spectrales différen-
tes du matériau, des moyens (23) pour produire le rapport entre l'intensité des radiations réfléchies passant par le détecteur (Dl ou D2) de l'un des trains optiques (10 ou 12) et l'intensité des radiations réfléchies détectées par le détecteur (D2 ou Dl) de l'autre train optique (12 ou 10), et des moyens d'affichage (18) de la valeur dudit rapport, ce qui permet d'identifier le matériau particulier au moyen d'une valeur de rapport particulière.
6. Appareil selon la revendication 5, caractérisé en ce
qu'il comprend des moyens pour régler les deux trains opti-
ques (10, 12) destinés à recevoir les radiations de la même
surface de cible sur différentes surfaces.
7. Appareil selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens (K2) pour sélectionner un filtre faisant partie de plusieurs filtres dans l'axe optique de chacun desdits trains optiques (10, 12) pour chacun des matériaux à identifier, chaque matériau étant identifié par
l'affichage d'un unique rapport entre bandes.
8. Appareil selon la revendication 5 ou 6, comprenant deux roues de filtrage (Fl, F2) coaxiales, disposées de manière que leur axe soit situé entre et parallèlement aux axes optiques desdits trains optiques (10, 12), lesdites roues de filtrage (Fl, F2) comprenant des fentes et des filtres disposés de manière qu'une fente d'une roue et un filtre de l'autre roue soient en alignement avec l'axe d'une paire optique (Lla, Llb), et qu'un filtre d'une roue et une fente de l'autre roue soit en alignement avec l'axe de l'autre paire optique (L2a, L2b), grâce à quoi un filtre
parmi plusieurs est choisi dans chacun desdits trains opti-
ques (10, 12) pour chacun des matériaux à identifier,
chaque matériau étant identifié par un rapport unique affi-
ché entre bandes.
9. Appareil selon la revendication 5 ou 6, caractérisé
en ce que lesdites caractéristiques spectrales dudit maté-
riau sont des pics spectraux.
10. Appareil selon la revendication 5 ou 6, caractérisé
en ce que lesdites caractéristiques spectrales dudit maté-
riau sont des zones marginales des bandes consistant en une mesure des intensités de chaque côté des pics spectraux qui
caractérisent ledit matériau.
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