FR2656182A1 - Dispositif de surveillance infrarouge. - Google Patents

Abstract

Le dispositif de balayage optique en thermographie infrarouge comporte, de façon connue, une première partie optico-mécanique munie d'un objectif d'entrée (1), d'au moins un élément de balayage trame (2) et d'un plan de détecteurs infrarouges (8) sur lequel est focalisé sous forme de lignes le rayonnement infrarouge, et une deuxième partie optico-mécanique constituée par un miroir de tête périscopique incliné orientable (13) et un dérotateur (14). Selon l'invention, pour un fonctionnement en mode panoramique, le dérotateur est maintenu calé par rapport au miroir de tête par des moyens de couplage dans une première position angulaire prédéterminée telle que toutes les lignes explorées soient parallèles entre elles, le mouvement de balayage trame étant obtenu par le maintien en position fixe de l'élément (2) et par l'entraînement en rotation simultané du miroir (13) et, à vitesse moitié, du dérotateur (14). Application à la vision nocturne en thermographie infrarouge dans la bande spectrale 3 à 5mu ou 8 à 12mu .

Description

DISPOSITIF DE SURVEILLANCE INFRAROUGE.

L'invention concerne un dispositif de balayage optique d'un champ de vision d'une scène observée pour un système de thermographie infrarouge comportant une première partie optico-mécanique constituée par un objectif d'entrée qui, par l'intermédiaire d'un dispositif de balayage comportant au moins un élément de balayage lent de trame et permettant d'analyser la scène en lignes successives, focalise le rayonnement infrarouge sur un plan de détecteur(s) infrarouge(s), et une deuxième partie optico-mécanique comportant d'une part un miroir de tête périscopique incliné par rapport à l'axe optique de l'objectif d'entrée et pouvant tourner autour de ce dernier, d'autre part un dérotateur tournant à une vitesse moitié de celle du miroir de tête, ledit système comportant en outre des moyens électroniques pour transformer en une image visible du champ de vision le signal de sortie du (des) détecteur(s) Notamment, l'invention concerne un dispositif de balayage optique comportant une première partie optico-mécanique constituée par un objectif d'entrée, un miroir de renvoi susceptible d'osciller autour d'un premier axe de basculement orthogonal à l'axe optique dudit objectif d'entrée et réalisant, lorsqu'il oscille un balayage lent de trame, une lentille de champ, un tambour prismatique tournant autour d'un axe orthogonal à l'axe dudit miroir de renvoi et réalisant un balayage rapide, et un ensemble de lentilles et de miroirs qui focalise le rayonnement infrarouge sur un plan de détecteurs infrarouges L'invention concerne également un système de thermographie infrarouge

faisant application de ces dispositifs de balayage optique.

Des dispositifs de ce type sont utilisés notamment dans les appareils de visualisation de paysage perçu selon un

rayonnement infrarouge de longueur d'onde supérieure au micron.

Cette visualisation peut s'effectuer de jour ou de nuit, étant généralement plus utile de nuit lorsque la vision directe est

très réduite ou impossible Les bandes spectrales de rayonne-

ment détecté par ces dispositifs correspondent aux fenêtres de transparence atmosphérique, soit 3 à 5 p ou 8 à 12 p Cette dernière bande spectrale est particulièrement visée par l'invention parce qu'elle est parfaitement adaptée à l'imagerie des corps à la température ambiante, un corps noir à 3001 K ayant son maximum d'émission aux environs de 10 p On connaît, de l'ouvrage intitulé "La thermographie infrarouge" par G. GAUSSORGUES, publié par Technique et Documentation le 2 décembre 1980, des dispositifs de balayage optique pour systèmes de thermographie infrarouge décrits au chapitre 7

"Les systèmes d'analyse spatiale", pages 219 à 248.

On sait qu'en thermographie infrarouge il n'est pas possible de convertir le rayonnement reçu en une image électronique de la scène, c'est-à-dire d'utiliser des cibles semblables à des photocathodes, étant donné que ce rayonnement reçu est trop peu énergétique pour arracher des électrons à une électrode et qu'il peut seulement exciter une photodiode ou un photoconducteur Il n'est donc pas possible d'obtenir sur une cible une image électronique d'une scène à observer, comme c'est le cas avec une caméra de télévision ou un Vidicon Pour reconstruire l'image de la scène, un balayage optico-mécanique est alors nécessaire, comme ce fut le cas pour les premières caméras de télévision, ce balayage consistant en une exploration systématique point par point de la-scène à observer, chaque point de la scène, qualifié de champ élémentaire étant, en conséquence, converti en une image réelle sur le détecteur La présente invention s'applique de préférence aux balayages d'un champ d'exploration sensiblement rectangulaire qui consistent généralement en l'association d'un balayage ligne et d'un balayage trame Dans les dispositifs classiques connus tels que celui indiqué en préambule, le balayage trame est effectué par un miroir de renvoi disposé derrière l'objectif d'entrée à raison d'une image pour chaque oscillation du miroir autour du premier axe de basculement et le balayage ligne est effectué par un tambour prismatique rotatif qui peut fonctionner en transmission ou en réflexion à raison d'une ligne pour une rotation du tambour égale à 2 11/m, m étant le nombre des faces du prisme Ces dispositifs connus peuvent comporter un ou, de préférence, plusieurs détecteurs, ce qui permet d'obtenir notamment plusieurs lignes simultanément Les signaux électriques de sortie du (des) détecteur(s) sont traités pour reconstituer une image de la scène, par exemple sur un récepteur de télévision dans lequel le balayage de l'écran par le faisceau électronique est en synchronisme et identique au balayage de l'image réelle de la scène sur le détecteur infrarouge, ce qui caractérise un mode de restitution de la scène qualifié de mode imagerie Pour le mode imagerie, on adapte généralement le dispositif aux standards utilisés en télévision, soit 25 images par seconde, chaque image étant composée de 230 000 points répartis en 575 lignes utiles de 400 points chacune Les objectifs utilisés ont généralement un angle d'ouverture faible, de l'ordre de quelques degrés seulement, ce petit champ de vision étant nécessaire lorsqu'on désire une haute résolution dans le but de capter en quantité suffisante du flux de rayonnement émis par des objets lointains que l'on souhaite reconnaître La contrainte énoncée à la phrase précédente s'accommode mal d'un mode d'exploration

semblable à celui-des radars, c'est-à-dire un mode d'explora-

tion sectoriel ou panoramique alors que les problèmes de surveillance infrarouge sont nombreux: surveillance panoramique du ciel, de l'horizon terrestre ou maritime; surveillance dans un secteur donné Une telle surveillance infrarouge pourrait permettre de remplacer des radars lorsqu'ils sont brouillés ou lorsque leur fonctionnement en émission provoque le risque d'être détecté Dans ces conditions, il est envisageable de faire fonctionner le dispositif infrarouge en mode imagerie en le faisant pivoter sur lui-même Le problème technique qui se pose alors est de devoir faire tourner le système tout en conservant les liaisons avec ses accessoires, notamment le dispositif générateur de froid indispensable pour le maintien des détecteurs à basse température et la partie électronique du dispositif qui comporte notamment le tube cathodique de restitution de l'image Conserver fixe le dispositif générateur de froid pose des problèmes d'étanchéité presque insolubles et lier en rotation ce dernier au mouvement de l'optique complique et alourdit le système ce qui est très préjudiciable lorsqu'il est embarqué Par ailleurs, il faut aussi prévoir un collecteur électrique tournant entre le (les) détecteur(s) et la partie électronique qui lui (leur) fait suite Un autre moyen de procéder consiste à disposer un miroir de tête périscopique placé devant le système et tournant autour de l'axe optique de ce système, comme indiqué aux pages 230 et 231 de l'ouvrage de G GAUSSORGUES déjà cité Comme la rotation du miroir de tête introduit ce qu'on appelle un dévers d'image, il est nécessaire de redresser cette image à l'aide d'un dérotateur tel qu'un prisme de Wollaston, un prisme de Péchan ou un dérotateur de Rântsch par exemple Le dérotateur doit avoir, autour de l'axe du faisceau, une valeur de position angulaire moitié de celle du miroir de tête, c'est-à-dire que lorsque le miroir de tête est entraîné en rotation, la vitesse de rotation instantanée du dérotateur doit être deux fois plus faible que celle du miroir de tête Dans ce fonctionnement, on conserve le mode imagerie, c'est-à-dire que le balayage trame est effectué par le miroir de renvoi et le balayage ligne par le tambour prismatique, le mode imagerie étant mal

adapté à une surveillance panoramique.

Le but principal de l'invention est de réaliser un système de détection infrarouge apte à exercer une

surveillance sectorielle ou panoramique à la façon d'un radar.

Ce but est atteint et les inconvénients de l'art antérieur sont atténués ou supprimés grâce au fait que le dispositif défini en préambule est remarquable en ce que, pour un fonctionnement en mode panoramique du dispositif, ledit dérotateur est maintenu calé par rapport au miroir de tête par des moyens de couplage dans une première position angulaire prédéterminée telle que toutes les li-

gnes explorées du champ de vision soient parallèles entre elles in-

dépendamment de l'orientation du miroir de tête, selon une direc-

tion oblique, par rapport à une horizontale apparente du champ de vision, et que le mouvement de balayage lent de trame est obtenu par le maintien en position fixe de l'élément de balayage lent de trame et par l'entraînement en rotation simultané du miroir de tête et du dérotateur à des vitesses telles que les lignes explorées sur

la scène observée soient sensiblement contig Ues.

En mode imagerie, chaque ligne explorée de la scène est parallèle à l'axe de basculement du miroir de renvoi c'est-à-dire en général horizontale Selon l'invention, on met à profit la présence du miroir de tête et du dérotateur pour que l'image demeure tournée de préférence de 900 par rapport à son sens habituel c'est-à-dire pour que chaque ligne explorée corresponde à une verticale apparente de la scène et le balayage trame est alors réalisé par le mouvement de rotation du miroir de tête Pour obtenir ainsi une image homogène il est nécessaire que le miroir de tête tourne à une vitesse régulière et que, de plus, cette vitesse de rotation soit compatible avec le balayage trame habituel, c'est-à-dire sensiblement égale à celle du miroir de renvoi lorsque ce dernier oscille en mode imagerie, et que le miroir de tête et le dérotateur sont, de

préférence, immobiles.

Selon un premier mode de réalisation, les moyens de couplage angulaire sont essentiellement mécaniques, les axes de rotation du miroir de tête et du dérotateur étant entraînés de façon desmodromique à partir d'un moteur électrique unique Ce premier mode de réalisation convient

surtout pour un fonctionnement uniquement en mode de surveil-

lance sectorielle ou panoramique à la façon d'un radar.

Selon un deuxième mode de réalisation de l'invention lesdits moyens de couplage angulaire sont électriques, le miroir de tête et le dérotateur étant entraînés par un premier, respectivement un deuxième moteur électrique munis chacun d'un indicateur de position, un organe de commande électronique étant prévu pour régler les positions et les vitesses mutuelles

des deux moteurs.

Le deuxième mode de réalisation peut avoir, moyennant un réglage simple, soit un fonctionnement en mode surveillance, soit un fonctionnement en mode imagerie, selon

les besoins.

La description qui suit en regard des dessins

annexés, le tout donné à titre d'exemple, fera bien comprendre

comment l'invention peut être réalisée.

La figure 1 est un schéma en perspective montrant le principe de fonctionnement du dispositif de balayage optique

selon l'invention.

La figure 2 représente un premier mode de réalisation de l'invention comportant des moyens de couplage angulaire

essentiellement mécaniques.

La figure 3 représente un deuxième mode de réalisation de l'invention comportant des moyens de couplage

angulaire électriques.

La figure 4 représente un troisième mode de réalisation de l'invention selon lequel le miroir de tête

est monté sur cardan.

La figure 5 représente, sur une sphère, les modes d'exploration du-champ de vision qu'il est possible d'obtenir

au moyen du troisième mode de réalisation.

Sur les figures, les mêmes références désignent

les mêmes éléments avec les mêmes fonctions.

La figure 1 représente un système de thermographie infrarouge, pour lequel on a détaillé le dispositif de balayage optique d'un champ de vision Le dispositif de balayage optique comporte de façon connue un objectif d'entrée fixe symbolisé par une lentille unique 1, un miroir de renvoi 2 susceptible d'osciller selon un mouvement alternatif autour d'un axe de basculement 3 dans les deux sens de rotation comme l'indique la flèche double 4, avec une faible amplitude, une lentille de champ fixe 5, un tambour prismatique de balayage ligne 6 et un objectif de sortie schématisé par une lentille unique fixe 7 qui focalise le rayonnement infrarouge sur un plan de détecteurs infrarouges 8 L'objectif 1 a un axe optique 9 qui est orthogonal à l'axe 3 (en l'occurrence perpendiculaire en un point appartenant au miroir 2) Le tambour prismatique 6 porte latéralement un grand nombre de

faces réfléchissantes Il de préférence régulièrement répar-

ties autour d'un axe de rotation 12 Il peut fonctionner en transmission, auquel cas il est transparent au rayonnement infrarouge, ou en réflexion, comme représenté à la figure 1 o les faces Il sont réfléchissantes Alors que le miroir 2 effectue un balayage trame lent du champ de vision à raison d'une image par oscillation, le tambour 6 effectue un balayage ligne rapide, dans un sens sensiblement perpendiculaire au balayage trame, à raison d'une ligne (ou plusieurs lignes si plusieurs détecteurs sont montés en parallèle) pour le passage de chaque face devant la lentille de champ 5, les lignes correspondant généralement à des horizontales en apparence superposées du champ de vision Après focalisation par l'objectif de sortie 7 l'image infrarouge réelle de la scène, de forme sensiblement rectangulaire, défile ainsi point par point sur un détecteur ou un groupe de détecteurs infrarouges fixes 8 Le dispositif de balayage optique comporte en outre un miroir de tête périscopique 13 que traverse l'axe optique 9, incliné par rapport à ce dernier et pouvant tourner autour de cet axe Grâce à son mouvement de rotation le miroir 13 permet une vue panoramique du paysage, ce qui évite avantageusement d'avoir à faire tourner l'ensemble du dispositif de balayage optique, mais cette rotation introduit un dévers d'image, c'est-à-dire une rotation de l'image sur elle-même, autour de l'axe 9 ce qui est inacceptable pour l'affichage de cette image Pour compenser le dévers d'image, on introduit de façon connue un dérotateur tel que 14, qui peut tourner autour de l'axe 9 Sur la figure 1, les lignes brisées référencées 10 indiquent la marche des rayons infrarouges à travers le dispositif de balayage optique Plusieurs balayages optiques du champ de vision sont possibles à partir du dispositif décrit ci-dessus, selon les mouvements relatifs qu'on imprime aux miroirs 2 et 13 et au dérotateur 14 Le fonctionnement classique est le mode dit mode imagerie, selon lequel une horizontale apparente du champ de vision est restituée sous forme d'une ligne horizontale sur le (les) détecteur(s) en 8 Pour obtenir ce fonctionnement, un réglage préalable des positions relatives du miroir de tête 13 et du dérotateur 14 est nécessaire: le miroir 13 étant supposé placé dans une position fixe donnée, il faut caler en rotation le dérotateur 14 dans une position telle que l'image restituée en 8 lorsque l'élément 2 est en mouvement d'oscillation et que l'élément 6 est en mouvement de rotation soit la même que celle qu'on obtiendrait sans la présence du dérotateur et du miroir de tête et le dispositif étant supposé tourné de 900 dans le sens rétrograde par rapport à sa position sur la figure 1, ce qui de façon habituelle consiste à restituer les horizontales apparentes de la scène sous forme de lignes de balayage horizontales et les verticales apparentes de la scène sous forme d'alignements verticaux de points A partir de cette position de réglage initial, si l'on fait tourner le miroir de tête 13 d'une valeur angulaire donnée, le dérotateur 14 doit tourner d'une valeur angulaire moitié pour que l'image réelle restituée en 8 conserve les mêmes propriétés de verticalité et d'horizontalité Le balayage ainsi réalisé permet d'obtenir des images grâce à des moyens électroniques référencés 15 comportant un écran de visualisation qui transforment de façon connue en images visibles le signal de sortie du (des) détecteur(s) 8 sur le

conducteur 16 Si l'on imprime au miroir 13 un mouvement de rota-

tion semblable à celui d'une caméra classique de cinéma ou de té-

lévision, il faut que le dérotateur 14 conserve, à partir du ré-

glage initial décrit ci-dessus, une vitesse de rotation instantanée moitié de celle du miroir 13. On a décrit ci-dessus un fonctionnement en mode imagerie, dans lequel le miroir 2 assure seul le balayage trame tout comme pour le dispositif habituel o le dérotateur 14 et le miroir 13 sont

absents L'invention consiste pour l'essentiel à réaliser le balaya-

ge trame au moyen du miroir 13, de façon à obtenir un balayage pano-

ramique semblable à celui d'un radar, pour une surveillance panora-

mique ou sectorielle de la scène Pour cela on effectue un réglage initial de la position relative en rotation du miroir de tête 13 et du dérotateur 14 différent de celui décrit ci-dessus pour le mode imagerie en ce sens que le faisceau convergent reçu par le miroir 2

est tourné d'un angle prédéterminé et de préférence de 900 par rap-

port à ce qu'il est en mode imageriece qui revient à dire que le miroir 2 ne renvoit plus en instantané vers le tambour prismatique 6

à travers la lentille de champ 5 une horizontale apparente de la scè-

ne mais une oblique ou, de préférence verticale apparente Faire tourner l'image de 90 au moyen du dérotateur signifie que ce dernier présente un décalage angulaire de + 45 modulo 1800, par rapport à

ce qu'il était en mode imagerie (voir ci-dessus), soit quatre posi-

tions possibles A ces quatre positions angulaires correspondent, par paires, deux renversements possibles de l'image, décalés entre eux de 1800 En fonction de la convention choisie pour la représentation

de l'image au niveau de l'affichage en 15, seul l'un des deux renver-

sements d'image convient, soit deux positions possibles pour le déro-

tateur 14 décalées de 1800 l'une par rapport à l'autre A partir de cette position de réglage, le fonctionnement est le suivant

le miroir de renvoi 2 est maintenu fixe, de préférence dans sa posi-

tion médiane autour de l'axe 3 et le miroir de tête 13 est entraîné en rotation dans l'un ou l'autre sens à vitesse uniforme Dans ces conditions, le dérotateur 14 doit tourner dans le même sens que le miroir de tête 13 à une vitesse uniforme rigoureusement moitié de

celle du miroir 13 On obtient ainsi un balayage sur le (les) détec-

teur(s) 8 dans des sens perpendiculaires par rapport au sens de balaya-

ge en mode imagerie, c'est-à-dire que leslignes horizontales en 8 cor-

respondent à des verticales apparentes de la scène et que le balayage trame, dans un sens sensiblement perpendiculaire au balayage ligne, correspond à un défilement horizontal de la scène et non plus vertical

comme c'est le cas en mode imagerie au moyen de l'oscillation du mi-

roir de renvoi 2 A ce sujet, on notera que l'image de la scène est renversée de 900 par rapport à ce qu'elle est en mode imagerie et que

si aucune mesure particulière n'etait prise pour l'affichage de l'in-

formation en mode panoramique, on verrait, sur l'écran d'affichage fai-

sant partie des moyens électroniques 15, défiler verticalement dans un sens ou en sens opposé selon le sens de rotation du miroir de tête 13,

l'image horizontale apparente panoramique de la scène Cependant, com-

me décrit ci-dessous, des mesures particulières pour l'affichage sont

prises dans ce cas, ces mesures pouvant inclure un redressement de l'i-

mage si nécessaire ou plus généralement un affichage semblable à celui des échos radar On notera aussi que le sens de la ligne affichée en

dépend du sens de rotation du tambour prismatique 6 Selon la vi-

tesse de rotation du miroir 13 les lignes juxtaposées reproduites en 8

peuvent se chevaucher, être adjacentes, ou être disjointes De préfé-

rence, les lignes sont adjacentes et pour ce faire, la vitesse de rota-

tion du miroir 13 doit être choisie égale à celle, notée v 0, qu'on im-

primerait au miroir de renvoi 2 pour le balayage trame en mode imagerie pendant la majeure partie de sa période d'oscillation durant laquelle s'effectue l'exploration de chaque image On notera que l'on obtient

ainsi une image continue de la scène: alors qu'en mode imagerie le re-

tour rapide du miroir de renvoi 2 marquait le passage d'une image à.

l'image suivante (généralement l'image de la même ou sensiblement la

même partie de la scène), dans le mode de surveillance panoramique con-

forme à l'invention, au contraire, la notion d'images séparées compor-

tant un nombre prédéterminé constant de lignes n'existe plus puisque le

mouvement du miroir 13 qui assure le balayage trame peut être continu.

Lorsque ce mouvement est continu, on obtient une surveillance panorami-

que sur 3600 de la scène Il est aussi possible, selon l'inventiond'ob-

tenir une surveillance sectorielle en donnant au miroir 13 tout mouve-

il

d'oscillation en rotation désiré entre des positions angulaires choi-

sies à l'avance, le retour du miroir 13 d'une position angulaire à une autre, en sens inverse de la rotation à vitesse v, s'effectuant de préférence à une vitesse rapide par rapport à la vitesse v le temps de retour n'étant de préférence pas exploité pour la restitution en

image visible du rayonnement infrarouge reçu par le système.

Il est à noter que ce mode de fonctionnement panoramique ou sectoriel pose un problème d'affichage de l'information qui existe aussi pour l'affichage des échos radars, ce problème étant dû d'une part au nombre très élevé de points élémentaires par unité de temps à traiter associé à une redondance faible par rapport à ce qui est obtenu en mode imagerie, d'autre part à la faible cadence de fonctionnement du

système Ceci signifie que, dans le cas général un traitement particu-

lier de l'information doit être conçu et adapté pour ce mode de fonction-

nement avant l'affichage Ce traitement qui dans sa généralité est connu

pour la restitution des images radar peut revêtir plusieurs formes tel-

les que l'élimination des zones étendues, des structures filamentaires, de ce qui en imagerie radar correspond à des échos fixes, de façon à privilégier les points ou telles que l'utilisation d'algorithmes basés sur les propriétés statistiques des cibles et du fond, ces traitements devant être effectués en temps réel ou quasi réel Ces traitements d'information peuvent être associés à des systèmes de lever de doute tels que le retour en mode imagerie ou l'utilisation d'un télémètre

pour connattre la vitesse et la distance de la cible par exemple.

On décrit ci-dessous une application numérique qui montre la compatibilité d'un système de thermographie infrarouge classique adapté aux standards de récepteurs de 'télévision avec des systèmes de surveillance infrarouges panoramiques ou sectoriels Le système de thermographie infrarouge choisi à titre d'exemple analyse la scène, en mode imagerie par blocs de plusieurs lignes à la-fois, ce qui permet de

réduire d'autant la vitesse de rotation du tambour prismatique 6 L'a-

nalyse se fait par exemple à raison de 11 lignes simultanément, ce qui correspond à au moins 11 détecteurs rangés verticalement de façon non

représentée en 8 sur la figure 1 D'autre part, pour améliorer la ca-

pacité d'intégration du système on dispose de préférence de façon connue

de plusieurs détecteurs infrarouges par ligne, par exemple quatre dé-

tecteurs disposés côte à côte le long de chaque ligne En fonctionne-

ment, les signaux de sortie des quatre éléments sont sommés après re-

mise en phase, au bout de chaque intervalle de temps T qui correspond à un point de la ligne à visualiser et à un module de valeur angulaire

sur la scène, appelé champ élémentaire, cet intervalle de temps cor-

respondant d'un point de vue pratique au temps que met le rayonnement infrarouge issu d'un point de la scène pour passer d'un détecteur au détecteur adjacent La remise en phase est réalisée au moyen de lignes à retard qui relient trois parmi les quatre détecteurs d'une ligne au

sommateur associé à cette ligne, les valeurs de ces retards étant res-

pectivement 3 T, 2 T et T dans l'ordre qui correspond au sens de passage du rayonnement sur les détecteurs concernés On obtient ainsi en sortie

des Il sommateurs 11 signaux en parallèle qui sont emmagasinés en al-

ternance à la vitesse du balayage ligne dans deux registres parallèle-

série, l'un des registres fournissant en série à une vitesse 11 fois

plus rapide sur le conducteur 16 les Il lignes déjà emmagasinées pen-

dant que l'autre registre est chargé avec les 11 lignes suivantes puis réciproquement A la sortie du module d'organisation du signal non représenté mais que l'on peut associer aux détecteurs 8, les lignes sont ainsi remises en série et-présentées aux moyens électroniques 15 à une cadence régulière L'utilisation de quatre détecteurs par ligne double la sensibilité du système Chaque ligne comporte par exemple 400 points pour une largeur angulaire du champ dans le sens ligne qui est comprise entre 2,20 et 450 Cette largeur angulaire O est ici supposée égale à 50 En mode imagerie, la cadence est de 25 images par seconde, soit une période d'oscillation du miroir de renvoi 2 de ms par trame paire ou impaire, et chaque image comporte 510 lignes

utiles et un temps de retour correspondant à la durée de 115 lignes.

Etant donné qu'en mode de surveillance panoramique il n'y a pas de

retour d'image, la cadence d'exploration en nombre de lignes par se-

conde est égale à: ( 510 + 115) = 15 625 lis

par blocs contigus de 11 lignes.

D'autre part, la largeur angulaire a d'un champ élémen-

taire qui correspond à l'espacement entre deux points de l'image dans le sens ligne ou dans le sens trame, calculé le long d'une ligne, est égal: fi = o

400

On en déduit la vitesse d'exploration v: v = 15 625 e = 39,06 1 /s o 400

pour O = 50, on obtient: v = 195,3 /s, soit un tour en 1,54 seconde.

pour 9 = 10 , on obtiendrait un tour en 0,92 seconde.

Ces ordres de grandeur correspondent à des valeurs couramment réali-

sées dans les systèmes de surveillance.

En ce qui concerne les ordres de grandeur de sensibilité du système de surveillance infrarouge, on peut faire les observations et les calculs suivants: pour évaluer la sensibilité d'un système de

surveillance contre des cibles aériennes, par exemple, on utilise gé-

néralement la notion de NIEI respectivement HEP (toise Equivalent Irradiance, respectivement Power en langue anglaise, c'est-à-dire Irradiation Equivalente au Bruit respectivement Puissance Equivalente au Bruit) exprimée en w/m 2 dans le plan de la pupille d'entrée Le ealcul peut facilement être fait avec un système de thermographie infrarouge classique dont certaines caractéristiques ont déjà été indiquées cidessus Il vient: HEP = VE: AV 1 en watts À t Vn D* 2 avec: S: surface d'un détecteur: ( 0,0035)2 cm 2 n: nombre de détecteurs: 4 x 11 = 44 t: transmission de l'optique: 0,7 D* > 3,5 10 en cm x Hz 1/2 x w-1

AF = N 400 2 È 15 625 en Hz d'o: IEP = 4,77 10-11 w Avec une pupille de 150 mm de

diamètre dont la surface est notée Sp, on obtient: NEI = NSP = 2,710-9 w/m 2 3 109 w/m 2 p Cet ordre de grandeur est également compatible avec des systèmes de

surveillance A titre d'exemple, on suppose que l'on cherche à connat-

tre en surveillance panoramique infrarouge la distance minimale ou

portée de détection d d'un avion arrivant à basse altitude, rayon-

nant: I = 100 watts par stéradian, dans la bande 8 à 12 p L'atmosphè-

re correspond à un coefficient d'extinction a = 0,24 km 1 Le taux de fausse alarme toléré est égal à 2,8 10-4 fois par seconde et la possibilité de détection (automatique) doit être de 0,9; tous calculs

faits, ceci conduit à un rapport signal sur bruit minimal S/B de 8.

L'énergie minimale reçue nécessaire pour être détectée, R, peut se calculer de deux façons: R = S x NEI, soit R = 8 x 3 10-9 = 2,4 10-8 w/m 2 d'autre part R = 2 e d= Des deux équations précédentes, on déduit la valeur de d: d = 13,3 km Pour un hélicoptère rayonnant 15 watts par stéradian, la portée de détection d serait de 8,8 km A noter qu'avec une pupille d'entrée de 150 mm de diamètre, la largeur angulaire du champ dans le sens ligne est égale à 3,35 Dans ce cas, la vitesse d'analyse v est de

,890/s soit un tour en 2,75 s.

Selon la façon dont est réalisé l'entraînement du miroir

de tête 13 et du dérotateur 14, les modes d'analyse imagerie et sur-

veillance panoramique peuvent être ou ne pas être compatibles comme décrit ci-dessous en référence aux figures 2 et 3 sur lesquelles le rectangle référencé 17 symbolise l'ensemble des éléments 2, 3, 5 à 8, 11, 12, 15 et 16, et qui représentent chacune un mode de réalisation

des moyens de couplage angulaire entre le miroir de tête 13 et le dé-

rotateur 14.

Sur-la figure 2 sont représentés des moyens de coupla-

ge angulaire essentiellement mécaniques: un moteur électrique 18 entraîne simultanément, à partir d'un arbre de sortie commun 19,

le miroir de tête 13 à la vitesse v et le dérotateur 14 à la vi-

tesse vo/2 L'entraînement peut être effectué par poulies et cour-

roies, poulies 21 et 22 reliées par la courroie 23 pour l'entrai-

nement du miroir 13 et poulies 24 et 25 reliées par la courroie 26 pour entraîner le dérotateur 14, le rapport de démultiplication entre les poulies 21 et 22 d'une part, 24 et 25 d'autre part étant calculé pour satisfaire à la condition sur les vitesses indiquée ci-dessus: par exemple, comme représenté à la figure 2, lspou Ues 21, 22 et 24 ont le même diamètre de gorge, alors que le diamètre de la poulie 25 a un diamètre de gorge double de celui des trois

autres poulies La proportion de 1 à 2 entre les vitesses de rota-

tion des éléments 14 et 13 devant être maintenue rigoureusement constante, il peut être avantageux de réaliser l'entraînement par engrenages avec les rapports de denture qui conviennent Pour le

fonctionnement en mode panoramique, ou en mode sectoriel seuls pos-

sibles dans ce cas, il est nécessaire de régler, modulo 1800, les positions relatives initiales entre le dérotateur 14 et le miroir 13 pour obtenir l'orientation des lignes conforme à l'analyse en mode panoramique selon l'invention, comme indiqué ci-dessus Dans ce mode de réalisation, le miroir de renvoi 2 est arrêté et, comme

il n'a plus de fonction de balayage trame, il peut même être sup-

primé, moyennant de rendre perpendiculaires les axes 9 et 12 au centre de symétrie du tambour prismatique 6 On notera que si le

miroir de renvoi 2 est conservé, un mode de fonctionnement image-

rie reste possible, moyennant d'accepter une image sur l'écran tournée de 900 par rapport à l'image reçue par le miroir 13 Pour

obtenir ce fonctionnement il suffit de donner au miroir 2 son mou-

vement d'oscillation de balayage trame, le miroir 13 pouvant alors

être immobile ou animé d'une vitesse de rotation quelconque.

Les moyens de couplage angulaire représentés à la fi-

gure 3 sont électriques et nécessitent deux moteurs, un moteur 28 pour l'entraînement (par exemple direct) du miroir de tête 13 et un moteur 29 pour l'entraînement indirect du dérotateur 14 par l'intermédiaire de poulies 31, 32 et d'une courroie 33 ou par l'intermédiaire d'engrenages Dans ce cas, la position relative

du miroir de tête et du dérotateur est gérée par un organe éléc-

tronique de commande 34, ce qui permet d'obtenir une direction des lignes analysées sur le paysage indépendante de la position du miroir de tête 13 Ainsi, en mode surveillance panoramique la direction des lignes peut être verticale et en mode imagerie, la

direction des lignes peut être horizontale pour faciliter l'affi-

chage sur un récepteur de télévision classique La réalisation de l'organe électronique de commande 34 est à la portée de l'homme de

métier Pour obtenir les fonctionnements souhaités décrits ci-

dessus, les moteurs 28 et 29 comportent chacun un détecteur de position 35, respectivement 36 qui traduisent sous forme de signaux électriques les positions relatives des éléments 13 et 14 Ces signaux sont envoyés au moyen de conducteurs 37, 38, respectivement,

à l'organe 34 dans lequel ils sont comparés Une boucle d'asservis-

sement qui prend en compte l'écart entre la position relative réel-

le des éléments 13 et 14 et la position relative théorique permet

d'agir de préférence sur la commande du moteur 29 au moyen du con-

ducteur 39 dans le sens d'une diminution de l'écart, la commande

du moteur 28 étant quant à elle assurée au moyen d'un conducteur 41.

Dans le mode de réalisation de la figure 3, les arbres des moteurs

28 et 29 ne sont pas couplés mécaniquement, ce qui permet de pou-

voir faire fonctionner le dispositif aussi bien en mode de surveil-

lance panoramique qu'en mode imagerie Le dispositif étant supposé fonctionner en mode de surveillance panoramique, c'est-à-dire avec des positions relatives instantanées pour les éléments 2, 13

et 14 identiques à celles décrites ci-dessus en référence à la fi-

gure 2, le passage en mode imagerie, destiné à donner une image dans une direction prédéterminée, se fait de la manière suivante, sous la commande de l'organe électronique de commande: le miroir

13 est arrêté dans la direction prédéterminée souhaitée, par exem-

ple la direction dans laquelle une cible chaude a été détectée en mode panoramique, le dérotateur 14 qui a été arrêté en même

temps que le miroir 13 est ensuite tourné de + 450 ou 1350, res-

pectivement de 450 ou + 1350 selon le renversement initial donné à l'image du champ de vision pour l'analyse en mode panoramique, de

façon à faire tourner l'image de 900 et le miroir de renvoi 2 est re-

mis en route pour assurer le balayage trame Le passage du mode de balayage imagerie du mode de balayage panoramique se fait de façon

inverse à celle décrite ci-dessus.

La figure 4 représente un mode de réalisation de l'inven-

tion qui permet d'assurer les fonctionnements du dispositif décrits cidessus en référence à la figure 3 mais qui offre des possibilités

supplémentaires Sur la figure 4, le miroir de tête 13 est monté mo-

bile sur un cardan 43, sous la commande d'un troisième moteur élec-

trique 44 muni d'un indicateur de position 45 Le moteur 44 est ali-

menté à partir d'un organe électronique 46 qui reçoit en retour

l'indication de position en rotation du moteur 44 Les liaisons élec-

biques entre les organes 44, 45 et 46 sont représentées de façon très schématique sur la figure 4; dans la pratique ces liaisons transitent par des conducteurs non représentés solidaires du cardan 43 et un jeu de bagues-et de balais non représentés est nécessaire sur l'axe du

moteur 28 et sur l'axe du moteur 44 Il est ainsi possible de comman-

der la ligne de visée dans les deux directions angulaires de site et

de gisement et de balayer une grande partie de la sphère que cons-

titue le champ de vision apparent complet avec une complète indépen-

dance entre la direction de visée et l'orientation du système En

effet, selon le-schéma de la figure 4 tel que positionné, l'entrat-

nement du cardan 43 en rotation par le moteur 28 fait tourner l'angle de visée, c'est-à-dire l'axe 47 dans la direction verticale, soit en

site mais introduit un déversement de l'image c'est-à-dire une rota-

tion autour de son centre Ce déversement est compensé par une rota-

tion du dérotateur 14 au moyen du moteur 29 L'entraînement du mi-

roir en rotation par le moteur 44 fait tourner l'angle de visée dans la direction horizontale, soit en gisement, ce qui n'entraîne pas de déversement d'image En combinant les mouvements du miroir, du cardan et du dérotateur, il est possible d'explorer une grande partie de la sphère avec différentes orientations des lignes La figure 5 donne quelques exemples de ces modes d'exploration possibles, le dispositif de la figure 4 étant supposé placé au centre 48 de la sphère 49

avec la même orientation qu'à la figure 4 La référence 51 indi-

que la surveillance d'une bande ayant la largeur d'une ligne le long d'un grand cercle de la sphère 49, par rotation du cardan 43, les lignes d'exploration étant parallèles à l'axe 9, le fonction- nement étant identique à celui décrit en référence à la figure 3,

à l'orientation près du dispositif de balayage optique Par incli-

naison lente du miroir au moyen du moteur 44, continue ou par pas

à raison d'un pas par tour il est possible de réaliser une explora-

tion de la sphère par des bandes 52, 53 etc qui s'étendent sensi-

blement le long de méridiens et de préférence adjacentes, au moins à l'équateur Il est aussi possible de surveiller une zone angulaire

solide telle que 54 ou 55, limitée par quatre arcs de grands cer-

cles perpendiculaires entre eux deux à deux Le mode de surveillance

désigné par la référence 54 est obtenu par la rotation continue li-

mitée du cardan qui s'accompagne d'un retour rapide et, après chaque retour, par la rotation par pas du miroir 13 par le moteur 44, les lignes étant parallèles entre elles et, en projection cylindrique non représentée, parallèles à l'axe 9 On notera que le dispositif de la figure 4 permet aussi le mode de surveillance référencé 55, selon lequel les mouvements des moteurs 28 et 44 sont inversés par

rapport à ceux décrits ci-dessus pour la surveillance de la zone 54.

Dans ce dernier cas, les lignes, sur la sphère 49, sont orthogona-

les à l'axe 9 Pour la surveillance des zones telles que 54 ou 55, pratiquement en tout point de la sphère sauf aux endroits occultés

par le dispositif-optique lui-même, le dérotateur accompagne les mou-

vements du cardan pour maintenir les lignes dans la bonne direction.

Le dérotateur 14 peut être constitué par un dièdre, un prisme de Péchan ou de Wollaston dans un matériau approprié ou

* un système de lentilles cylindriques ou tout autre système de re-

dressement d'image De préférence, on utilise un prisme de Rântsch

tel que décrit dans-l'article du Dr D W SWIFT intitulé "Procee-

dings of the technical Programme" paru dans"Electrooptics 71 In-

ternational conference""pages 33 à 43, conférence faite à BRIGHTON,

Angleterre, les 23, 24 et 25 mars 1971 Ce type de dérotateur pré-

sente une longueur optique assez faible pour pouvoir être inséré entre l'objectif 1 et le système de balayage à un endroit o le faisceau de rayonnement infrarouge est relativement focalisé, ce qui permet d'utiliser un dérotateur de dimensions réduites Il va de soi, cependant, que le dérotateur peut être placé en tout point du trajet optique du rayonnement infrarouge situé en amont de la partie 17 du dispositif D'autre part l'invention n'est pas limitée aux systèmes de balayage à deux mouvements mécaniques comportant un miroir de renvoi susceptible d'osciller et un tambour prismatique tournant, et peut s'appliquer aussi aux systèmes de balayage à un seul mouvement mécanique qui ne comportent qu'un miroir de renvoi et au moins autant de détecteurs que de lignes d'image à raison d'au

moins un détecteur par ligne.

Claims (8)

REVENDICATIONS

1 Dispositif de balayage optique d'un champ de vision d'une scène observée pour un système de thermographie infrarouge comportant une première partie optico-mécanique constituée par un objectif d'entrée ( 1) qui, par l'intermédiaire d'un dispositif de balayage comportant au moins un élément de balayage lent de trame ( 2) et permettant d'analyser la scène en lignes successives, focalise le rayonnement infrarouge sur un plan de détecteur (s) infrarouges ( 8), et une deuxième partie optico- mécanique comportant d'une part un miroir de tête périscopique ( 13) incliné par rapport à l'axe optique de l'objectif d'entrée et pouvant tourner autour de ce dernier, d'autre part un dérotateur ( 14) tournant à une vitesse moitié de celle du miroir de tête ( 13), ledit système comportant en outre des moyens électroniques ( 15) pour transformer en une image visible du champ de vision le signal de sortie du (des) détecteur (s) ( 8), caractérisé en ce que, pour un fonctionnement en mode panoramique du dispositif, ledit dérotateur ( 14) est maintenu calé par rapport au miroir de tête ( 13) par des moyens de couplage dans une première position angulaire prédéterminée telle que toutes les lignes explorées du champ de vision soient parallèles entre elles indépendamment de l'orientation du miroir de tête ( 13), selon une direction oblique par rapport à une horizontale apparente du champ de vision, et que le mouvement de balayage lent de trame est obtenu par le maintien en position fixe de l'élément de balayage lent de trame ( 12) et par l'entraînement en rotation simultané du miroir de tête ( 13) et du dérotateur ( 14) à des vitesses telles que les lignes explorées sur la scène observée soient

sensiblement contiguës.

2 Dispositif de balayage optique comportant une première partie opticomécanique constituée par un objectif d'entrée ( 1), un miroir de renvoi ( 2) susceptible d'osciller autour d'un premier axe de basculement orthogonal à l'axe optique dudit objectif d'entrée ( 1) et réalisant, lorsqu'il oscille un balayage lent de trame, une lentille de champ ( 5), un tambour prismatique ( 6) tournant autour d'un axe ( 12) orthogonal à l'axe ( 3) dudit miroir de renvoi et réalisant un balayage rapide, et un ensemble de lentilles ( 7) et de miroirs ( 11) qui focalise le rayonnement infrarouge sur un plan de

détecteurs infrarouges ( 8), selon la revendication 1.

3 Dispositif de balayage optique selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que lesdits moyens de couplage angulaire sont essentiellement mécaniques, les axes de rotation du miroir de tête ( 13) et du dérotateur ( 14) étant entraînés de façon desmodromique à partir d'un moteur électrique

unique ( 18).

4 Dispositif de balayage optique selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que lesdits moyens de couplage angulaire sont électriques, le miroir de tête ( 13) et le dérotateur ( 14) étant entraînés par un premier ( 28), respectivement un deuxième ( 29) moteur électrique munis chacun d'un indicateur de position ( 35, 36), un organe de commande électrique ( 34) étant prévu pour régler les positions et les

vitesses mutuelles des deux moteurs.

Dispositif de balayage selon la revendication 4, caractérisé en ce que pour un fonctionnement en mode imagerie du dispositif, ledit organe de commande ( 34) commande d'une part le calage en rotation entre le miroir de tête ( 13) et le dérotateur ( 14) dans une deuxième position angulaire qui diffère de 45 degrés modulo 180 par rapport à ladite première position angulaire et d'autre part la mise en mouvement dudit élément de

balayage trame ( 2) destiné à assurer le balayage trame.

6 Dispositif de balayage selon la revendication 5 caractérisé en ce que ledit organe de commande ( 34) maintient

immobiles le miroir de tête ( 13) et le dérotateur ( 14).

7 Dispositif de balayage selon les revendications 1 à

6, caractérisé en ce que le miroir de tête ( 13) est monté sur un cardan ( 43) dont l'axe s'étend le long de l'axe optique ( 9) de l'objectif d'entrée ( 1), de façon à pouvoir pivoter autour d'un deuxième axe de basculement contenu dans son plan et

perpendiculaire audit axe optique ( 9).

8 Dispositif de balayage selon les revendications 4

et 7 prises ensembles caractérisé en ce que ledit deuxième axe de basculement peut être entraîné en rotation continue, respectivement par pas de rotation par un troisième moteur électrique ( 44) muni d'un indicateur de position ( 45) et commandé par ledit organe de commande électronique ( 34) qui imprime auxdits premier et deuxième moteurs électriques une

rotation par pas, respectivement une rotation continue.

9 Dispositif de balayage selon l'une des

revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le dérotateur ( 14)

est un dérotateur de Rântsch inséré entre ledit objectif

d'entrée ( 1) et ledit élément de balayage trame ( 2).

Système de thermographie infrarouge faisant application du dispositif de balayage selon l'une des

revendications 1 à 4 et 7 à 9, caractérisé en ce que les signaux

électriques de sortie du (des) détecteur (s) sont traités pour reconstituer une image en mode surveillance ou panoramique

selon une technique analogue à celle des radars.