FR2547426A1 - Dispositif de prise de vues aeriennes a basse altitude - Google Patents

Abstract

LE DISPOSITIF, DESTINE A LA PRISE DE VUES AERIENNE A TRES BASSE ALTITUDE, NOTAMMENT A PARTIR D'UN AVION COMPRENANT UN OPTIQUE FIXE DE FORMATION D'IMAGES SUR DES MOYENS PHOTOSENSIBLES QUI PEUVENT ETRE CONSTITUES PAR UN FILM OU PLUS FREQUEMMENT PAR UNE BANDE DE PHOTODETECTEURS A ACCUMULATION DE LUMIERE. L'OBJECTIF 10 A UN CHAMP ANGULAIRE SUPERIEUR A 110, UNE FOCALE COURTE ET UNE LOI D'ECLAIREMENT EN COSTH. L'IMAGE FORMEE SUR LES MOYENS PHOTOSENSIBLES PAR L'OBJECTIF EST LIMITEE A UNE BANDE DONT LA LONGUEUR CORRESPOND A LA MAJEURE PARTIE DU CHAMP ANGULAIRE DE L'OBJECTIF ET DONT LA LARGEUR ET INFERIEURE A LA LONGUEUR DE PLUSIEURS ORDRES DE GRANDEUR.

Description

Dispositif de prise de vues aériennes à basse altitude
L'invention a pour objet un dispositif de prise de vue aerienne à très basse altitude, du type comprenant une optique fixe de formation d'image sur des moyens photosensibles et elle trouve une application particulièrement importante dans le cas ou un balayage suivant une première direction, qu'on peut considérer comme la direction de balayage de trame, est atteint par déplacement d'un aéronef porteur du dispositif.

A l'heure actuelle, la prise de vues aériennes à très basse altitude, nécessitant donc un très grand champ, est en général réalisée par ce procédé, qu'on qualifie souvent de "Fush-broom". On utilise pour cela des caméras photographiques ou électroniques. Pour obtenir le champ de vision requis, pou vant atteindre 180 , les caméras photographiques utilisent une optique à réflecteur tournant, projetant l'image d'tune fente sur un film placé sur un cylindre. Ces caméras panoramiques doivent comporter un dispositif de compensation de filé du fait du mouvement de l'avion sur lequel elles sont installées.

Du fait de la faible quantité de lumière utilisée, le film doit être très sensible et la résolution est assez faible. Ce type de caméra ne permet évidemment pas la transmission au sol de l'image en temps réel.

Deux types de caméras électroniques sont actuellement utilisés. Un premier type est constitué d'une mosaique de photodiodes associées a un prisme ou a un miroir tournant.

L'image obtenue est une image type télévision, pour laquelle le balayage ligne est dû a la rotation du prisme et le balayage trame par le mouvement de l'avion. La tension électrique provenant des photodiodes peut être transmise après amplification et enregistrée sous forme analogique ou nuffé-rique. Nais les caméras électroniques de ce type, habituellement dénommées "scanner", existant à l'heure actuelle ont un champ limité a 140 environ. Leur résolution est limitée par les caractéristiques du détecteur et, notamment, sa bande passante et sa sensibilité.Comme la caméra photographicue panoramique, la caméra électronique à balayage a l'inconvénient de comporter un prisme ou miroir tournant, élément fragile et peu fiable.

On a enfin proposé d'utiliser une caméra électronique à plusieurs objectifs, dont chacun couvre une fraction du champ. Dans le plan focal des objectifs sont placées des barrettes de photodiodes associées à des dispositifs de transfert de charge, de façon à accumuler l'énergie reçue par les photodiodes en parallèle. L'image résultant de la juxtaposition des différents plans focaux est entachée d'une distorsion 'importante, liée notamment au non-parallélisme du plan focal. et du plan objet.Au surplus, ce type de caméra est délicat à réaliser, car on doit aligner optiquement, à quelques microns près, les images fournies par les différents objectifs et ce quelles que soient les conditions d'environnement
La présente invention -vise à fournir un dispositif de prise de vues aériennes à très basse altitude (pratiquement de 90 a 300 m) répondant mieux que ceux antérieurement connus aux exigences de la pratique, notamment en ce qu'il est d'une constitution relativement simple, autorise un champ très étendu et présente des aberrations plus faibles que les dispositifs antérieurs.

Dans ce but, 17 invention propose notamment un dispositif du type ci-dessus défini, caractérisé en ce que l'optique est constituée par un objectif photographique (10) ayant un'champ angulaire supérieur à 110 , de focale courte, ayant une loi d'éclairement en cos2 e (e étant le demi-angle de champ).

Grâce a l'utilisation d'un objectif a grand champ de courte focale, complet en dépit du fait que l'image formée se réduit à une bande étroite et qu'il serait donc en théorie possible de se limiter à un tronçon d'objectif, la quantité de lumière arrivant sur les moyens photosensibles est importante et la résolution peut être élevée. On peut en conséquence réaliser ainsi une caméra photographique ou cinématographique à fente, matérialisée par un diaphragme et correspondant à la largeur de la bande, et qui ne présente qu'à un degré très atténué les déficiences des caméras antérieures.

Dans un autre mode de réalisation, les moyens photosensibles sont constitués par une bande ou barrette de photodétecteurs à accumulation de lumière, ce qui apporte l'avantage d'une sensibilité très supérieure à celle des dispositifs de balayage, par exemple par miroir tournant. Dans ce cas, le, dis- positif, lorsqu'il est prévu pour que le balayage suivant une première direction s'effectue par déplacement du dispositif, comprend une optique de formation d'image sur au moins une bande de photodétecteurs a accumulation de lumière, bande disposée orthogonalement à la première direction. Cette bande est associée à des moyens de lecture, avantageusement en série.L'optique est encore constituée par un objectif photographiquement ayant un champ angulaire pouvant atteindre ou dépasser 1800, de focale courte, ayant une loi d'éclairement en cos2e (o étant le demi-angle de champ).

La bande de photodétecteurs peut notamment être constituée par une barrette de photodiodes. La largeur de cette barrette (quelque 10 a 15 pm en général) correspond a celle de la fente dans le cas précédent. La barrette est munie de moyens de lecture. On peut notamment utiliser des circuits disponibles dans le commerce dont la barrette est associée a un dispositif a transfert de charges monté en registre à décalage. Plusieurs barrettes et/ou dispositifs a transfert de charges peuvent d'ailleurs être juxtaposés dans le sens de défilement, c'est à-dire suivant la première direction.Les moyens de lecture en série sont avantageusement prévus pour que les lectures soient effectuées a intervalles égaux correspondant approximativement à la durée de parcours au sol, suivant la première direction, de la longueur de la zone dont l'optique forme l'image sur la partie centrale de la bande de photodétecteurs. Mais on risque de se heurter alors à la limitation de la fréquence de lecture en série des éléments du dispositif à transfert de charge. Pour pallier l'effet de cette limitation, il est possible-de fractionner la bande en plusieurs parties, lues en parallèle.

Par ailleurs, plutôt que de modifier de façon progressive la
fréquence de lecture en fonction de l'altitude et de la vitesse, il est
plus avantageux de stocker plusieurs fréquences présélectionnées en mé
moire et de prévoir des moyens, par exemple à commande manuelle, de
sélection de celle des fréquences qui se rapproche le plus de la fréquence
théoriquement préférable.

L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit d'un dispositif qui en constitue un mode particulier de réalisation, donné a titre d'exemple non limitatif et d'une variante. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels
- la Figure 1 est un schéma montrant la disposition relative de l'optique et de l'ensemble photodétecteur du dispositif;
- la Figure 2 est un synoptique simplifié de l'ensemble de photodétecteurs et de l'électronique associée;
- la Figure 3 est un schéma faisant apparaître les paramètres intervenant dans la détermination des caractéristiques du dispositif;
- la Figure 4 montre l'allure de la zone au sol dont l'image est formée parl'optique sur la barrette de photodétecteurs;;
- la Figure 5 est une courbe représentative de la ligne délimitant la zone montrée en Figure 4;
- les Figures 6 et 7 sont des courbes représentatives de la distorsion en fonction de l'angle de champ, permettant de comparer la distorsion du dispositif suivant l'invention et celle suivant des dispositifs antérieurs.

Le dispositif de prise de vues montré en Figure 1 comporte une optique 10 de formation d'image et un ensemble photodétecteur 12 associé à une électronique de traitement 14.

L'optique 10 doit avoir un très grand champ, atteignant
typiquement 1800. Cette optique 10 est constituée par un objectif photographique unique du type habituellement dénommé "oeil de poisson" ou "fish eye". Ces objectifs ont pour caractéristiques d'avoir un champ très élevé, une focale réduite, une résolution voisine de celle des objectifs traditionnels, mais une loi d'éclairement qui varie en cos2e (e étant l'écart angulaire par rapport à l'axe optique). Cette loi en cos2O est due, d'une part, au fait que l'angle de sortie des rayons lumineux reste faible, généralement inférieur à 150 pour un angle d'entrée de 80 , et, d'autre part, au grandissement pupillaire dû aux lentilles frontales divergentes 14, 16 et 18.Mais en contrepartie ces objectifs présentent une distorsion géométrique importante en bord du champ. Ils comportent un grand nombre de lentilles. Dans le mode d'exécution montré en figure 1, l'optique 10 comprend un groupe avant de trois ménisques divergents 14, 16 et 18 suivis d'un doublet 20 et un groupe arrière convergent de deux multiplets 22 et 23.

L'optique 10 forme l'image du terrain sur au moins une bande de photodétecteurs 24 appartenant à l'ensemble 12, bande orientée perpendi-culairement au sens Oy de déplacement du véhicule porteur, constitué par un avion volant à basse altitude, typiquement 90 à 300 m.

Sur la figure 1, on a indiqué en 25 l'allure de la zone du plan objet vue par la bande de photodétecteurs à travers l'optique 10.

Les photodétecteurs 24 (figure 2), généralement constitués par des photodiodes, convertissent le flux lumineux reçu en tension électrique et sont associés à un dispositif à couplage de charge ou CCD 26 présentant une plage associée à chaque photodétecteur et destinée à accumuler les charges électriques fournies par ce photodétecteur. Les plages du dispositif CCD accumulent ainsi les charges fournies entre lectures successives par les photo détecteurs associés et donnent au système une sensibilité bien supérieure à celle du système à balayage optique.

L'accumulation de toutes les charges s'effectue en paral lêle et la lecture est effectuée en série par fonctionnement du dispositif CCD en registre à décalage.

Le signal video analogique ainsi fourni est ensuite numérisé a l'aide d'un convertisseur analogique/numérique, par exemple sur neuf éléments binaires. Il n'est pas nécessaire de décrire ici de façon détaillée la structure du dispositif CCD, étant donné qu'il peut être de n'importe quel type b!en connu. A titre d'indication, on peut cependant indiquer que des résultats satisfaisants pour la prise de vue à basse altitude pourront être obtenus avec une barrette te comportant une ligne de six mille photodétecteurs élédentaires de 10v x 10v, jointifs, de sorte que la barrette a une longueur de 60 mm.

L'ensemble photosensible 12 peut comporter au lieu d'une bande de photodétecteurs, un film photosensible placé immédiatement derrière une fente étroite située dans le plan focal de objectif photographique. Le film est muni d'un dispositif de défilement permettant d'entraîner le film a une vitesse ajustable en fonction du rapport entre la vitesse V et l'altitude H de l'avion équipé du dispositif de prise de vues et/ou de l'éclairement. Il n'est pas nécessaire de décrire un tel dispositif de défilement, car il peut être d'un des types à vitesse d'entraînement réglable. La fente aura toujours une largeur inférieure de plusieurs ordres de grandeur à sa longueur.

Une telle version photographique du dispositif présente une sensibilité très supérieure à celle des caméras panoramiques à balayage antérieures du fait que tous les points du film situés face a la fente sont simultanément impressionnés.

La figure 1 montre que la trace au sol de la barrette (comme d'ailleurs celle de la fente qui la remplace dans la version à film photosensible) est limitée par des lignes qui divergent en bord de champ. Mais le flux reçu par chaque photodétecteur, qui correspond à un point élémentaire d'image ou pixel, est sensiblement constant pour un éclairement uniforme de la scène.

Sur la figure 2, la bande 24 de photodétecteurs est montrée associée à un dispositif CCD 26 dont la barrette comporte également l'électronique associée 28 de balayage et de lecture. La lecture est commandée par un circuit d'horloge 30 qui, a intervalles réguliers, interrompt l'accumulation des charges et provoque llapplication des charges accumulées par les plages successives a un convertisseur analogique/numérique.

Lorsque la barette comprend un grand nombre de photodétecteurs, la lecture en série de tous ces photodétecteurs aurait une durée incompatible avec l'obtention d'une fréquence suffisante de lecture au cours de l'avancement de l'avion porteur. Pour cette raison, le dispositif CCD est fractionné en plusieurs groupes, associés chacun à un convertisseur analogique/numérique 32. Les données numérisées fournies par les convertisseurs sont stockées dans une mémoire numérique 34.

I1 est important de comparer la distorsion fournie par le dispositif suivant l'invention à celle de dispositifs classiques pour la même application. La Figure 3 montre la distorsion d'image présentée par l'optique 10. Cette distorsion est constituée par le pourcentage de réduction de l'image par rapport à la dimension théorique de l'image, c'est-a-dire à sa dimension en l'absence de distorsion.Si on désigne par 1, r i;a longueur réelle de l'image et par lt ,sa longueur théorique, pour un demiangle de champ e, la distorsion d'image D est

Il faut également considérer la distorsion relative
DR en bord de champ, qui est constituée par le pourcentage de réduction de l'image d'un objet de faible longueur dL dir
DR = 1 - - (2)
dît
Il est toutefois plus important de prendre en consi * dération la distorsion relative apparente DR qui correspond à la distorsion comparée a l'image que-verrait l'oeil humain regardant l'objet de longueur dL.L'oeil verrait en effet l'objet sous une longueur apparente dL cos e. La distorsion relative apparente est donc

<tb> <SEP> 1-DR <SEP> dir
<tb> DR* <SEP> = <SEP> 1 <SEP> - <SEP> ~~~~~~~~ <SEP> - <SEP> 1 <SEP> - <SEP> - <SEP> (3)
<tb> <SEP> cose <SEP> dît <SEP> cose
<tb>
Dans le cas d'un objectif oeil de poisson classique, la distorsion relative DR pour un demi-angle de champ e peut, avec une approximation de l'ordre du pour cent, être assimilée a sin2 e. La distorsion D peut, dans les mêmes conditions, être assimilée à 1 -e.cotge .Après la distorsion transversale, c'est-à-dire suivant l'axe x parallèle à la barrette et normal à l'axe Oy de déplacement de l'avion, il convient de considérer la distorsion longitudinale, c'est-à-dire suivant l'axe y.

La Figure 4 montre, dans le système OXY du plan image conjugué des axes Oxy, le point image théorique Mt et le point image réel M r correspondant au point objet A situé sur l'axe Oy à la distance correspondant à l'angle de champ e max. (Figures 1 et 3). Elle montre également le point image Pr tel que P r M r corresponde à une demi-largeur de pixel, c'est-à-dire de bande de photodétecteurs. C'est l'image d'un point B (Figure 1) dont l'image théorique serait Pt tel que O Pt et Pr soient alignés et que

L'équation des lignes limitant la projection au sol de la bande de photodétecteurs peut être déterminée par le calcul.On surdosera la bande constituée d'une ligne de 2n pixels carrés de côté p, fa longueur totale de la bande étant donc 2np. Les lignes limitant la bande correspondent aux équations

<tb> <SEP> pH <SEP> 1 <SEP> pH <SEP> tge
<tb> y <SEP> = <SEP> - <SEP> - <SEP> - <SEP> <SEP> (4)
<tb> <SEP> 2F <SEP> 1 <SEP> - <SEP> D(A) <SEP> F <SEP> s
<tb> x <SEP> = <SEP> H <SEP> 0(A) <SEP> tge <SEP> e
<tb>
Dans ces formules, H désigne l'altitude, F la focale.

La Figure 5 montre la variation de y en fonction de x et de e pour p = 10p , F = 22 mm, H = 150 m. La courbe est limitée à un demi-angle de champ de 80", ce qui correspond à une demi-largeur au sol de 850 m.

Une comparaison entre les caractéristiques d'un tel dispositif et d'un dispositif suivant l'art antérieur destiné au même usage fait apparaître que la distorsion du dispositif utilisant une optique du type oeil de poisson est la même suivant l'axe x que celle d'un dispositif à balayage, mais nettement inférieure à celle d'-un dispositif ayant une caméra à deux objectifs. Ces résultats plus favorables apparaissent sur la Figure 6, où la courbe en traits pleins donne la distorsion relative transversale Dxr (e) du dispositif suivant l'invention et du dispositif à balayage tandis que la courbe en tirets donne la distorsion pour un dispositif à deux objectifs.Quant à la distorsion suivant Oy, donnée sur l'a Figure 7, elle est toujours plus faible pour le dispositif suivant l'invention (courbe en trait Dlein) que pour le dispositif à balayage (courbe en traits mixtes) et le dispositif à deux objectifs (courbe en tirets).

On voit, ce qui n'était nullement évident a priori, que le dispositif suivant l'invention permet d'obtenir une distorsion plus faible que les dispositifs antérieurement connus.

Le calcul montre également que le flux reçu par chaque pixel est à peu près constant pour un éclairement uniforme de la scène.

L'un des paramètres importants dans la mise en oeuvre de I'invention est constitué par la période d'échantillonnage de ligne T. Le déplacement de la trace de la barrette au sol est égal à VT ent.re deux échantillonnages (V étant la vitesse de l'avion normalement à la direction de la barrette). Il est généralement avantageux de choisir la période X de façon que l'écartement des pixels au centre de la scène soit tel que leurs images au sol soient join tives, comme indiqué sur la Figure 1. Dans ce cas, on a un suréchanti I lonnage au bord du champ qui est dans un rapport 4 dans le cas où le demi-angle de champ e est de 800. La dégradation reste cependant tolérable. Mais, pour les valeurs habituelles de la vitesse de l'avion et de l'altitude, on peut être amené à trouver une fréquence de balayage de ligne incompatible avec la rapidité maximale de fonctionnement des dispositifs à transfert de charge lorsque la barrette comprend plusieurs milliers d'éléments.

En rague générale, on peut admettre qu'à l'heure actuelle la fréquence maximale d'échantillonnage des éléments d'une barrette de CCD est de 10 MHz. Une première solution permet de s'affranchir dans une certaine mesure de cette limitation. Elle consiste à découper la barrette en plu s sieurs parties, six parties de mille points par exemple, do de leur affecter chacune une sortie, comme indiqué sur la Figure 2.

Comme par ailleurs il n'est pas commode de faire varier de façon continue la période d'échantillonnage, il est plus avantageux de présélectionner quelques valeurs, trois par exemple, choisies de telle sorte que la distorsion sur l'axe y ne dépasse pas 25%. Dans le cas ci-dessus mentionné d'une barrette en six parties de mille points, on peut par exemple prévoir les valeurs suivantes Dour les fréquences de balayage élémentaire :
2,25 MHz pour V/H > 0,77et < 1,27
3;7 MHz pour V/H > 1,27 et < 2,09
6,1 MHz pour V/H > 2,O9et < 3,44

Claims (9)

REVENDICATIONS

1. Dispositif de prise de vues aériennes à très basse altitude, comprenant une optique fixe de formation d'image sur des moyens photosensibles, caractérisé en ce que l'optique est constituée par un objectif photographique (10) ayant un champ angulaire supérieur à 110", de focale courte, ayant une loi d'éclairement en cos2e (e étant le demi-angle de champ) et en ce que l'image formée sur les moyens photosensibles par l'optique est limitée à une bande dont la longueur correspond à la majeure partie du champ angulaire de l'objectif et dont la largeur est inférieure à la longueur de plusieurs ordres de grandeur.

2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens photosensibles sont constitués par un film photographique et en ce que l'image est limitée à ladite bande par une fente étroite.

3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2 a balayage par déplacement de l'aéronef porteur du dispositif, carac trois en ce que la bande est orthogonale à la direction de déplacement.

4. Dispositif de prise de vues aériennes à très basse altitude et à balayage suivant une première direction par déplacement du dispositif, comprenant une optique de formation d'image sur au moins une bande de photodétecteurs à accumulation de lumière, bande disposée orthogonalement à la première direction et associée à des moyens de lecture en série, caractérisé en ce que l'optique est constituée par un objectif photographique (10) ayant un champ angulaire supérieur à 1000, de focale courte, ayant une loi d'éclairement en cos 2e (e étant le demi-angle de chamD).

5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que la bande de photodétecteurs est constituée par une barrette de photodiodes (24) associée a un dispositif à transfert de charges monté en registre à décalage.

6. Dispositif selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce que les moyens de lecture en série sont prévus pour effectuer des lectures à intervalles égaux correspondant

approximativement à la durée de parcours au sol

7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que lesdits moyens sont prévus pour stocker plusierus fréquences de lecture présélectionnées compatibles avec la fréquence maximale de lecture de la bande et comportent des moyens de sélection de l'une des fréquences.

8. Dispositif suivant la revendication 2, caractérisé en ce que le film photographique, ,situé immédiatement derrière la fente au plan focal de -l'objectif, est muni d'un dispositif de défilement à vitesse variable en fonction du rapport entre vitesse et altitude, de l'éclairement, ou des deux.

9. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que î'objecti-f a un champ d'environ 1800.