FR2701321A1

FR2701321A1 - Apparatus making it possible to observe a detailed feature, far away from which a beam of radiation is received

Info

Publication number: FR2701321A1
Application number: FR8705798A
Authority: FR
Inventors: Glasgow John Arthur
Original assignee: GEC Avionics Ltd
Current assignee: Allard Way Holdings Ltd
Priority date: 1986-04-25
Filing date: 1987-04-24
Publication date: 1994-08-12
Also published as: IT1235710B; IT8767333A0

Abstract

An optical system (4), the aperture of which is too small to make it possible to resolve two closely spaced sources (3A, 3B) lying on a remote target (3), is designed to produce an image which is sufficiently large to spread over a certain number of sensors (5) of an array. The shape and orientation of the image depends on the number and orientations of the sources, so that it is possible to use the output signal of the sensor array to identify certain types of source.

Description

La présente invention concerne Les appareils servant à examiner une particuLarité de détail éloignée de laquelle un rayonnement est reçu, du type comprenant : un moyen de mise au point conçu pour focaliser Le rayonnement afin de former une image, et un moyen de détection conçu pour recevoir l'image et reconnaître des images de différentes formes et, ou bien, orientations. The present invention relates to apparatus for examining a particular detail far from which radiation is received, of the type comprising: focusing means designed to focus the radiation to form an image, and detection means designed to receive the image and recognize images of different shapes and, or alternatively, orientations.

Avec une petite source lumineuse éloignée, idéalement une source ponctuelle,et si l'on emploie un système de lentillesFourproduire une image de cette source, L'image réelle qui est formée n'est pas un point, mais une zone d'une étendue considérable, appelée la tache de diffraction d'Airy, dont les dimensions peuvent être calculéesen relation avec La taille de la lentille, sa distance focale et les lois de la diffraction. Ceci est montré dans "Principles of Optics" de Born et Wolf (2e édition révisée, 1964) aux pages 395 et suivantes. With a small distant light source, ideally a point source, and if a lens system is used to provide an image of this source, the actual image that is formed is not a point, but an area of considerable extent , called the Airy diffraction spot, the dimensions of which can be calculated in relation to The size of the lens, its focal length and the laws of diffraction. This is shown in "Principles of Optics" by Born and Wolf (2nd revised edition, 1964) on pages 395 et seq.

En considérant ce qui vient d'être énoncé, on voit que, si deux sources ponctuelles sont très proches L'une de L'autre (telles qu'on les voit avec le système optique), il s'ensuit qu'elles ne peuvent pas obligatoirement être résolues dans le plan d'image, car Les deux images se chevauchent de manière importante. Une telle limite de résolution a été étudiée par Lord Rayleigh, qui a précisé les données d'un critère de résolution, comme décrit dans L'ouvrage ci-dessus mentionné à la page 415. By considering what has just been said, we see that, if two point sources are very close to each other (as we see them with the optical system), it follows that they cannot not necessarily be resolved in the image plane, as the two images overlap significantly. Such a resolution limit was studied by Lord Rayleigh, who specified the data for a resolution criterion, as described in The above-mentioned work on page 415.

Ce critère est réel et a conduit à fixer une limite au grossissement que L'on peut employer dans un système optique en vue de La détection de petites sources rayonnantes éloignées. Avec des capteurs électro-optiques formant un réseau d'éLéments sensibles à La Lumière, ce critère est classiquement agencé de façon que
L'image d'une source ponctuelle distante soit d'une taille comparable à celle du capteur élémentaire. Toute grossissement optique allant au-delà du grossissement nécessaire pour obtenir ceci est fréquemment appelé, en langage vulgaire, "grossissement en vain", car la lumière entrante est alors répartie sur plusieurs détecteurs élémentaires, ce qui réduit le rapport signal-bruit au niveau de chaque élément détecteur et ne fait gagner aucune résolution supplémentaire pour La scène observée. This criterion is real and has led to setting a limit to the magnification that can be used in an optical system for the detection of small distant radiating sources. With electro-optical sensors forming a network of elements sensitive to Light, this criterion is conventionally arranged so that
The image of a distant point source is of a size comparable to that of the elementary sensor. Any optical magnification going beyond the magnification necessary to obtain this is frequently called, in vulgar language, "magnification in vain", because the incoming light is then distributed over several elementary detectors, which reduces the signal-to-noise ratio at the level of each detector element and does not gain any additional resolution for the observed scene.

L'invention propose un appareil du type ci-dessus indiqué, caractérisé en ce que Le moyen de mise au point est ainsi conçu qu'il forme, à partir d'une particularité de détail qui est trop petite et, ou bien, trop éLoignée pour que les parties les plus largement séparées soient résolues par le moyen de mise au point, une image qui est suffisamment grande pour que le moyen de détection reconnaisse sa forme. The invention provides an apparatus of the type indicated above, characterized in that the focusing means is so designed that it forms, from a detail feature which is too small and, or, too far away so that the most widely separated parts are resolved by the focusing means, an image which is large enough for the detection means to recognize its shape.

L'invention peut donc faire usage du "grossissement en vain" pour produire une image dont la forme, en meme temps quelle n'est pas une reproduction correcte de la forme de la particularité de détail examinée, permet néanmoins de déterminer une information utile, concernant par exemple le nombre de sources existant dans La particularité. En examinant la forme de L'image, iL est possibLe de distinguer par exemple entre une source ponctuelle unique, qui produira une image qui est symétrique autour d'un point et une paire de sources ponctuelles ou une source allongée (telle qu'un périscope immergé) qui ne donnent pas une image présentant cette symétrie.On peut donc utiliser la forme et l'orientation de cette image pour déduire des informations concernant Le nombre et, ou bien, la disposition angulaire de sources qui sont trop étroitement rapprochées pour être résoLues par le moyen de mise au point. Ceci permet d'identifier, à une distance plus grande que cela ne serait autrement possible, certains types d'objets tels que des cibles militaires, contenant des nombres et des configurations connus de capteurs optiques rétroréfléchissants. The invention can therefore make use of "vain magnification" to produce an image whose shape, at the same time which is not a correct reproduction of the shape of the particularity of detail examined, nevertheless makes it possible to determine useful information, concerning for example the number of sources existing in La particularité. By examining the shape of the image, it is possible to distinguish for example between a single point source, which will produce an image which is symmetrical around a point and a pair of point sources or an elongated source (such as a periscope immersed) that do not give an image with this symmetry. We can therefore use the shape and orientation of this image to deduce information concerning the number and, or, the angular arrangement of sources that are too closely related to be resolved. by means of focusing. This makes it possible to identify, at a greater distance than would otherwise be possible, certain types of objects such as military targets, containing known numbers and configurations of retro-reflective optical sensors.

Il serait possible pour le "moyen de détection" d'être balayé ou de balayer une image afin qu'il soit produit un signal de sortie qui pourrait ensuite être mis en corrélation avec certaines configurations emmagasinées représentant des types connus de cibles que l'on souhaite détecter. Toutefois, de préférence, le moyen de détection comporte un réseau d'observation fixe formé d'éléments de détection distincts conçu de façon qu'un certain nombre d'entre eux soit simultanément éclairé par L'image d'une source ponctuelle placée à l'infini afin de produire des signaux de sortie simultanés devant être ensuite comparés avec des configurations emmagasinées. It would be possible for the "detection means" to be scanned or to scan an image so that an output signal is produced which could then be correlated with certain stored configurations representing known types of targets that are wants to detect. However, preferably, the detection means comprises a fixed observation network formed by separate detection elements designed so that a certain number of them is simultaneously illuminated by the image of a point source placed at the 'infinite to produce simultaneous output signals which must then be compared with stored configurations.

La lumière venant d'une source ponctuelle éloignée est formée en image par un système optique, non pas sous forme d'un point, mais sous forme d'un disque, entouré d'anneaux d'interférence,
La limite de résolution étant prise approximativement égale aux rayons de ce disque, soit 1,22 A/d. Si l'on utilise un système optique classique, le disque sera d'une plus grande luminance que les anneaux. Le moyen de détection peut être conçu pour ne réagir qu'au disque central, auquel cas le grossissement doit être tel que Le disque ait une dimension plus grande que la Limite de résolution du moyen de détection. Selon une autre possibilité, venant en remplacement, ou en addition, le moyen de détection peut être conçu pour répondre à La forme d'un ou plusieurs des anneaux.Light coming from a distant point source is formed into an image by an optical system, not in the form of a point, but in the form of a disc, surrounded by interference rings,
The resolution limit being taken approximately equal to the radii of this disc, or 1.22 A / d. If a conventional optical system is used, the disc will be of greater luminance than the rings. The detection means can be designed to react only to the central disc, in which case the magnification must be such that the disc has a dimension larger than the resolution limit of the detection means. According to another possibility, coming in replacement or addition, the detection means can be designed to respond to the shape of one or more of the rings.

Dans ce dernier cas, il peut être avantageux d'utiliser un dispositif optique du type qui renforce la Luminance des anneaux au prix de celLe du disque central. Un moyen d'obtenir cela est décrit à la page 142 de "Modern Interferometers", de C. Candler, pub lié en 1951 par Hilger and Watts.In the latter case, it may be advantageous to use an optical device of the type which enhances the luminance of the rings at the cost of that of the central disc. One way to do this is described on page 142 of "Modern Interferometers", by C. Candler, pub linked in 1951 by Hilger and Watts.

ALors que l'on considère L'invention comme présentant un intérêt particulièr lorsque le rayonnement est optique, c'est-à-dire infrarouge, visible ou ultraviolet, Les mêmes principes s'appliquent naturellement à d'autres régions du spectre électromagnétique et, en fait, à d'autres types de rayonnement, par exemple un rayonnement acoustique. When the invention is considered to be of particular interest when the radiation is optical, that is to say infrared, visible or ultraviolet, the same principles apply naturally to other regions of the electromagnetic spectrum and, in fact, to other types of radiation, for example acoustic radiation.

Le moyen de mise au point sera normalement une lentille ou un système de lentilles, mais d'autres possibilités, par exemple des miroirs, peuvent également être mises en oeuvre. La "source ponctuelLe" peut émettre un rayonnement, ou simplement le réfLéchir. The focusing means will normally be a lens or a lens system, but other possibilities, for example mirrors, can also be used. The "point source" can emit radiation, or simply reflect it.

Si L'on souhaite détecter de semblables réflecteurs plutôt que des émetteurs, il sera normalement souhaitable de prévoir une source d'éclairage appropriée. Celle-ci peut être codée pour permettre au moyen de détection de rejeter des réponses dues à la réflexion de la lumière ambiante par des surfaces non rétroréfléchissantes d'une cible.If it is desired to detect such reflectors rather than emitters, it will normally be desirable to provide an appropriate light source. This can be coded to allow the sensing means to reject responses due to the reflection of ambient light from non-reflective surfaces of a target.

Une manière de mettre en oeuvre L'invention va maintenant être décrite, à titre d'exemple, en relation avec les dessins annexés, parmi lesquels
- la figure 1 montre un système d'identification de cible optique conçu selon L'invention ; et
- la figure 2 mcntne une image formée par un autre système, également conçu selon l'invention.One way of implementing the invention will now be described, by way of example, in relation to the accompanying drawings, among which
- Figure 1 shows an optical target identification system designed according to the invention; and
- Figure 2 mcntne an image formed by another system, also designed according to the invention.

On se reporte d'abord à La figure 1. Un système 1 d'identification de cible optique comporte une source de lumière infrarouge 2, sous forme d'un laser. Celui-ci est utilisé pour éclairer une cible éloignée 3 qui porte deux dispositifs optiques optiquement rétroréfléchissants, séparés d'une courte distance verticale, 3A et 3B, qui sont suffisamment petits pour être considérés comme des sources ponctuelles. First, reference is made to FIG. 1. An optical target identification system 1 comprises an infrared light source 2, in the form of a laser. This is used to illuminate a distant target 3 which carries two optically retroreflective optical devices, separated by a short vertical distance, 3A and 3B, which are small enough to be considered as point sources.

La lumière est réfléchie par le réflecteurs 3A et 3B et revient à l'appareil 1, où elle est reçue par une lentille 4 possédant une ouverture de rayon r. L'angle sous-tendu au niveau de la lentille par les réflecteurs 3A et 38 est trop petit pour permettre qu'une lentille possédant ce rayon d'ouverture produise la résolution des deux réflecteurs, mais, comme cela va apparaitre clairement, l'appareil est néanmoins susceptible d'identifier la cible comme étant du type qui porte deux réflecteurs verticalement disposés 3A et 3B. The light is reflected by the reflectors 3A and 3B and returns to the device 1, where it is received by a lens 4 having an opening of radius r. The angle subtended at the level of the lens by the reflectors 3A and 38 is too small to allow a lens having this opening radius to produce the resolution of the two reflectors, but, as will become clear, the apparatus is nevertheless likely to identify the target as being of the type which carries two vertically arranged reflectors 3A and 3B.

Derrière la lentille 4, dans son plan focal, se trouve un réseau 5 de 8 x 8 capteurs de lumière infrarouge. L'écartement des capteurs du réseau et la distance focale de la lentille 4 sont tels qu'une source ponctuelle située à l'infini (et, par conséquent, L'une et L'autre des particularités 3A et 38) produira un disque lumineux circuLaire qui occupera un certain nombre des capteurs du réseau 5. Des anneaux d'interférence sont naturellement produits également, mais la lentille 4 est, dans cet exemple particulier, classique et les anneaux d'interférence sont d'une moindre intensité que le disque central. Les signaux de sortie venant des détecteurs éclairés par ces anneaux sont donc rejetés par des détecteurs de seuil 6. Behind lens 4, in its focal plane, is an array 5 of 8 x 8 infrared light sensors. The spacing of the network sensors and the focal distance of the lens 4 are such that a point source located at infinity (and, consequently, both of the features 3A and 38) will produce a luminous disc. circuLar which will occupy a certain number of the sensors of the network 5. Interference rings are naturally produced also, but the lens 4 is, in this particular example, conventional and the interference rings are of a less intensity than the central disc . The output signals from the detectors lit by these rings are therefore rejected by threshold detectors 6.

Les deux disques produits par les deux sources se chevauchent l'un L'autre et ne peuvent donc être résolus. Toutefois, ils produisent ensemble une forme verticalement allongée 7 analogue à une forme ovale ou une etlipse qui est caractéristique de la présence de deux sources verticalement disposées, caractérisant le type de cible représenté en 3. The two discs produced by the two sources overlap each other and therefore cannot be resolved. However, they together produce a vertically elongated shape 7 similar to an oval shape or an ellipse which is characteristic of the presence of two vertically arranged sources, characterizing the type of target represented in 3.

Une mémoire 8 contient des signaux identiques à ceux attendus de la sortie du réseau 5 pour différents types de cible. A memory 8 contains signals identical to those expected from the output of the network 5 for different types of target.

Il sont alors mis en corréLation, en 9, avec te signal de sortie de 5 pour produire un signal de sortie de 9 lorsqu'une concordance a été détectée.They are then correlated, at 9, to the output signal of 5 to produce an output signal of 9 when a match has been detected.

Dans un autre mode de réalisation de L'invention, la lentille 4 est du type précédemment décrit pour lequel le premier anneau d'interférence est plus brillant que le disque central. Ceci conduit à la formation sur Le réseau de détecteurs d'une configuration telle que représentée sur la figure 2, et la mémoire 8 est chargée à L'aide de signaux correspondant à de semblables configurations. Il faut noter que, dans cet autre système, la puissance de la lentille 4 ne doit pas nécessairement être telle qu'elle amène le disque central à éclairer plus d'un capteur. Le fait qu'il en soit ou non ainsi n'a pas d'importance, puisque toutes Les réponses données au disque central sont rejetées en 6 et que c'est L'anneau d'interférence qui constitue l"'image" dont la forme est détectée. In another embodiment of the invention, the lens 4 is of the type previously described for which the first interference ring is brighter than the central disc. This leads to the formation on the detector network of a configuration as shown in FIG. 2, and the memory 8 is loaded with the aid of signals corresponding to similar configurations. It should be noted that, in this other system, the power of the lens 4 does not necessarily have to be such that it causes the central disc to illuminate more than one sensor. It does not matter whether it is so or not, since all the responses given to the central disk are rejected at 6 and it is the interference ring which constitutes the "image" whose shape is detected.

Il est donc simplement nécessaire que L'anneau d'interférence couvre suffisamment de capteurs pour que sa forme puisse être détectée.It is therefore simply necessary that the interference ring covers enough sensors so that its shape can be detected.

Sur la figure 2, les anneaux sont représentés comme possédant des bords nets pour la facilité de la représentation, mais, en pratique, ils auront naturellement des bords diffus.In Figure 2, the rings are shown as having sharp edges for ease of representation, but, in practice, they will naturally have diffuse edges.

Avec un réseau de 8 x 8 détecteurs élémentaires, il faut un nombre très limité de configurations de cible pour détecter une corrélation et reconnaître une cible. Pour éviter la nécessité d'avoir un certain nombre de configurations de référence qui sont identiques et ne présentent que des changements d'échelle relativement à L'étendue de la cible, la lentille 4 du mode de réalisation représenté sera une lentille à grossissement variable, ou zoom, qui est commandée par un compteur 10 de manière à assurer qu'un nombre constant (par exemple 20) d'éléments produisent un signal qui dépasse Les niveaux de seuil défini en 6. With a network of 8 x 8 elementary detectors, a very limited number of target configurations are required to detect a correlation and recognize a target. To avoid the need to have a certain number of reference configurations which are identical and only present changes of scale relative to the extent of the target, the lens 4 of the embodiment shown will be a lens with variable magnification, or zoom, which is controlled by a counter 10 so as to ensure that a constant number (for example 20) of elements produce a signal which exceeds the threshold levels defined in 6.

Dans le mode de réalisation représenté, chaque configuration contenue dans la mémoire 8 comporte une valeur pour chacun des soixante-quatre éléments du réseau de détecteur. Selon un autre système qui présente un grand angle de visée et beaucoup plus d'élé- ments dans Le réseau, chaque configuration contenue dans la mémoire 8 contient un nombre beaucoup plus petit de valeurs que le nombre total de capteurs du réseau. Ceci donne la possibilité de détecter plus d'une cible dans Le champ visuel. In the embodiment shown, each configuration contained in the memory 8 includes a value for each of the sixty-four elements of the detector network. According to another system which has a large viewing angle and many more elements in the network, each configuration contained in the memory 8 contains a much smaller number of values than the total number of sensors in the network. This gives the possibility of detecting more than one target in the visual field.

Bien entendu, L'homme de l'art sera en mesure d'imaginer, à partir de l'appareil dont la description vient d'être données à titre simplement illustratif et nullement limitatif, diverses variantes et modifications ne sortant pas du cadre de L'invention. Of course, those skilled in the art will be able to imagine, from the device whose description has just been given by way of illustration only and in no way limitative, various variants and modifications that do not go beyond the scope of L 'invention.

Claims

An apparatus for examining a detail feature remote from which radiation is received, comprising focusing means (4) adapted to focus the radiation to form an image; and detection means (5, 6, 8) adapted to receive the image and to recognize images of different shapes and, or alternatively, orientations; characterized in that the focusing means is so constructed and designed that it forms, from a peculiarity of detail which is too small and, or else, too far apart for the most widely separated peculiarities to be resolved by the focusing means, an image which is large enough for the detection means to recognize its shape.

2. Apparatus according to claim 1, characterized in that the detection means comprises an array (5) of separate detection elements and in that the image of a point source placed at infinity, such that it is produced by the focusing means, is large enough to illuminate several of the sensing elements.

3. Apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that the focusing means is designed to reform the intensity of the diffraction rings relative to the central Airy spot.

4. Apparatus according to any one of claims 1 to 3, used to identify targets (3) having certain known arrangements of retroreflective features (3A and 3B) and comprising a source (2) of radiation used to illuminate a target (3 ), a memory (8) of configurations corresponding to output signals of the detection means expected from certain types of targets, and a means (9) used to compare the output signal of the detection means with the stored configurations to allow the identification of a target.

5. Apparatus according to any one of claims 1 to 4, characterized in that it comprises means (10) for adjusting the power of the focusing means so as to maintain constant the size of the image.