FR2736491A1 - Dispositif de detection optique - Google Patents

Abstract

La présente invention concerne un dispositif de détection optique d'objets (1, 2) doté d'un émetteur (4), d'un récepteur (6) et d'un système de représentation. Il est caractérisé en ce qu'un faisceau lumineux émis par le dispositif émetteur est orienté sur des points quelconques d'un espace donné. La partie du faisceau renvoyée pour chacun de ces points est enregistrée par le récepteur, puis réunie en une matrice d'images dans le système de représentation. Application au guidage des missiles.

Description

1g 2736491 L'invention concerne un dispositif permettant la détection

optique d'objets. De tels procédés jouent notamment un rôle important dans le pilotage d'approche de cible par des missiles et engins ou la protection d'objets. Pour la détection d'objets, on connaît la méthode du radar, dans laquelle un rayonnement électromagnétique est émis par une antenne directive et la partie réfléchie par un objet est enregistrée par un récepteur. Ce dispositif présente l'inconvénient qu'en raison de la gamme d'ondes choisie et du dispositif émetteur nécessaire, l'angle d'émission du rayonnement électromagnétique est très grand par rapport à la lumière focalisée, ce qui rend impossible l'obtention d'une image nette des objets. A cause de la longueur des ondes électromagnétiques utilisées, il est possible en outre de rendre la surface des objets telle que quasiment aucune partie mesurable du rayonnement ne puisse se refléter en direction de l'émetteur et du récepteur, ce qui rend les objets presque

invisibles pour le dispositif de détection.

Le procédé du radar est donc inadapté pour produire

une image nette des objets.

En outre, on sait utiliser des caméras CCD (charge coupled device) qui enregistrent avec une grande sensibilité lumineuse des images d'objets à détecter. Ces dispositifs ont l'inconvénient d'être passifs et de ne pouvoir être utilisés qu'à la lumière du jour. Dans l'obscurité totale, les objets à détecter n'émettent pas de lumière susceptible d'être enregistrée par ces caméras. C'est pourquoi il est impossible

d'utiliser celles-ci par mauvaises conditions de visibilité.

L'invention propose donc un dispositif de détection optique capable de détecter des objets dans des conditions météorologiques et de luminosité très critiques, et d'en

restituer une image à haute résolution.

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Ce problème est résolu selon l'invention par un dispositif de détection optique d'objets qui comporte un dispositif émettant un faisceau lumineux, un récepteur interceptant une partie du rayon réfléchi par les objets à détecter, et un système de représentation combiné avec le récepteur, qui établit à partir des données élaborées par celui-ci une représentation des objets à reconnaître, le rayon pouvant être dirigé sur les points d'un échantillon quelconque, la partie du rayon renvoyé par les objets étant enregistrée par le récepteur pour chacun de ces points et les données élaborées par le récepteur et correspondant aux différents points étant

regroupées en une matrice dans le système de représentation.

A cet égard, la lumière de l'émetteur peut se situer aussi bien dans le domaine spectral visible qu'invisible. En particulier, il faut accorder la préférence aux longueurs d'onde lumineuses comprises entre l'infrarouge lointain et

l'ultraviolet lointain.

En outre, on peut prévoir un déflecteur permettant

d'orienter le rayon sur certains points d'un espace donné.

Afin de pouvoir dévier le faisceau lumineux, le déflecteur peut être muni d'un miroir mobile et/ou d'une autre optique de déflexion (un ou plusieurs prismes). On peut aussi le remplacer

par un déflecteur acousto-optique ou lui en adjoindre un.

Il sera utile d'orienter séquentiellement le rayon dans le temps par des lignes ou des fentes. Pour restituer une image en temps réel, il faudrait choisir une fréquence de

modulation élevée pour l'émetteur, par ex. de 10 MHz ou plus.

Même en régime quasi-continu ou continu, il est

possible d'effectuer des mesures.

Pour l'émetteur, on peut utiliser des lasers à diodes semi-conductrices ou des lasers pulsés à diodes. Les lasers à diodes semi-conductrices peuvent émettre en continu. Mais on

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peut déjà utiliser des diodes super-luminescentes si la portée envisagée ne doit pas être trop grande. Mais d'autre part, il est également possible d'utiliser d'autres lasers si on peut focaliser suffisamment leur faisceau lumineux, ce qui est le cas par exemple pour le laser HeNe, le laser à argon, etc. Afin que le processus de balayage demeure invisible pour l'oeil humain, il est conseillé de choisir la longueur d'onde de la lumière émise par le dispositif supérieure à 800 nm ou inférieure à 350 nm. Comme les lasers à semi-conducteurs de structures GaAs/GaAlAs, InGaAsP/InAs et les lasers comparables tertiaires et quaternaires à semi-conducteurs fonctionnent au-delà de 770 nm, on dispose d'une bonne réserve

dans le commerce pour réaliser l'invention.

Pour les récepteurs, on peut utiliser des photodiodes ou, de préférence, des photodiodes à avalanche (APD) en raison de leur grande sensibilité. Les APD en silicium constituent un outil optimisé pour la réception du domaine spectral compris entre 800 et 900 nm. En général, les APD, mais aussi les photodiodes pin, permettent des fréquences de répétition de

mesure dans le domaine des GHz.

Pour obtenir une représentation en temps réel de l'image balayée, il est utile de transmettre les données créées par le récepteur directement au système de représentation. Il est notamment avantageux de synchroniser séquentiellement dans le temps les signaux reçus par le récepteur avec le faisceau orienté. Pour la synchronisation entre les signaux de commande pour le déflecteur et la représentation d'images, on utilise un seul signal de commande, qui communique par exemple une tension en dents de scie au déflecteur et créé simultanément une image

sur l'écran d'observation.

Pour la représentation des données captées par le système de représentation, il peut être avantageux de prévoir

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un écran lorsque le dépouillement de l'image ne doit pas

s'effectuer de manière entièrement automatique ou électrique.

En particulier, il est alors utile que les signaux de commande

du déflecteur servent en même temps à la commande de l'écran.

Afin de poursuivre l'analyse de l'image créée par le système de représentation en temps réel, il peut s'avérer utile de prévoir un dispositif de traitement d'image capable de reconnaître les objets représentés. Pour le traitement d'image et la reconnaissance d'objets définis, on a recours à des procédés faisant appel à l'holographie et/ou à des réseaux

neuronaux, qui comparent les signatures connus aux signaux.

Toutefois, on préférera souvent mettre à profit l'aptitude humaine à reconnaître un objet. Afin d'obtenir une meilleure netteté au niveau des contrastes, on utilisera en particulier

les filtres digitaux.

Etant donné que la création d'images peut s'effectuer sans optique représentative, on peut agrandir un extrait d'un

élément quelconque de l'espace (effet de zoom).

L'agrandissement d'un extrait commence par l'éclairage et l'enregistrement d'un champ plus grand. Dès que l'on reconnaît un objet intéressant, on réduit la zone sélectionnée, ce qui

augmente considérablement la résolution.

Comme déflecteur apte à dévier un faisceau laser balayant, on peut par exemple utiliser celui décrit dans la demande de brevet allemand n P 40 10 375 de la demanderesse, dont il est fait expressément référence ici, étant donné que les caractéristiques qui y figurent peuvent être essentiellement en liaison avec les caractéristiques décrites ici. Si on utilise plusieurs déflecteurs, les caractéristiques de déviation peuvent différer ou par exemple être perpendiculaires entre elles, si bien que la déflexion

peut se faire de manière très souple.

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Conformément à l'invention, la déviation du rayon permet d'effectuer des mesures à haute résolution en deux dimensions. Si l'on disposait côté réception deux ou plusieurs récepteurs aux réponses différentes (par exemple par des distances différentes à l'objet de mesure), on pourrait ajouter une nouvelle dimension afin d'obtenir des représentations en

trois dimensions et/ou des renseignements sur l'éloignement.

Les limites de la résolution de l'image dépendent de l'éloignement de l'objet. La résolution peut être de l'ordre de quelques millimètres pour un éloignement de par exemple cent mètres, selon l'angle de dispersion du laser et l'ouverture de

l'éventuelle optique de focalisation.

Dans certaines applications, il peut être avantageux que le système de représentation soit séparé spatialement du reste de l'invention et lui soit relié par télémesure, en effectuant par exemple la mesure à partir d'un missile et de

transmettre la valeur obtenue à une station au sol.

Le dispositif est particulièrement adapté pour le pilotage d'engins pour l'approche des objectifs. Dans ce cas,

on prévoit généralement le dispositif dans la tête du missile.

En outre, le dispositif peut servir à observer des terrains avant tout inaccessibles si on prévoit de le placer dans un engin survolant le terrain à observer. En choisissant judicieusement les longueurs d'onde de rayonnement, on peut obtenir des informations sur le degré de maturité des fruits dans les champs survolés comportant des plantations, etc. Une autre utilisation de l'invention est la protection d'objets, dans laquelle le dispositif est placé à distance visible de l'objet à observer et le faisceau balaie

l'objet à observer ainsi que ses alentours.

On peut par exemple aussi assurer le pilotage automatique d'un véhicule de cette façon, puisque la haute

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résolution permet d'identifier clairement des détails tels que le bord d'une route, etc. L'invention présente également l'avantage de pouvoir être utilisée par tous les temps, puisque le disposition de détection ne dépend pas de la lumière émise activement par les objets à détecter. En règle générale, la méthode n'est pas

affectée par les fortes pluies ou une chute de neige modérée.

Un brouillard dense pourrait gêner le dispositif conforme à l'invention dans tous les domaines de longueurs d'onde

optiques, en fonction de l'épaisseur du brouillard.

De plus, le dispositif peut produire, par la déflexion du faisceau lumineux, une image à haute résolution de l'objet à détecter. Du fait de l'optique de représentation manquante, il est possible d'agrandir le zoom de l'objet à détecter, en regroupant plus étroitement les points de balayage. L'invention a également l'avantage de permettre la création d'images aux mouvements rapides en temps réel, puisque la résolution est uniquement couplée à la fréquence de modulation de la source lumineuse et que cette dernière peut être choisie très élevée (dans le domaine des gigahertz) selon

la technique présentée dans ce rapport.

Dans ce qui suit, un mode de réalisation non limitatif de l'invention est décrit en référence au dessin sur lequel: Fi 1 montre une représentation schématique de l'invention

pour une application spécifique.

Le dispositif de détection présente un dispositif 4 émettant un faisceau lumineux. Les émetteurs les plus appropriés sont en particulier les lasers à diodes ou les

lasers pulsés à diodes en matériau semi-conducteur.

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Comme longueurs d'onde, on peut utiliser toutes les longueurs d'onde de la lumière. Toutefois, les plus appropriées sont les diodes laser à infrarouge ou ultraviolet, car leur

lumière est invisible.

En outre, le dispositif comprend un récepteur 6 qui enregistre une partie du rayon renvoyé par les objets à reconnaître et la transforme en signaux électriques. Pour ce faire, il est particulièrement utile de recourir à une diode lumineuse à rayonnement ponctuel sensible dans le domaine des longueurs d'onde utilisées. On peut également employer des photodiodes à avalanche, qui présentent une sensibilité au

moins 102 fois supérieure aux circuits CCD classiques.

Le dispositif conforme à l'invention peut, en outre, comporter un système de représentation relié au récepteur 6, qui regroupe les données créées par le récepteur 6 en une matrice de points d'image. Le système peut être relié électriquement directement au récepteur 6. Il peut également être séparé du reste du dispositif et y être relié par télémesure. Une telle configuration est avantageuse si le dépouillement d'images et les ordinateurs à haute performance nécessaires à cet effet sont prévus au sol et que le reste du

dispositif se trouve par exemple dans un engin.

Pour dévier le faisceau lumineux, on peut prévoir un déflecteur conformément à l'invention. Pour dévier le faisceau lumineux, des miroirs mobiles sont appropriés. Cette façon connue de dévier la lumière - par exemple dans les imprimantes laser ou les photocopieurs - est facile à réaliser. En règle générale, elle exige pourtant une position relativement calme du dispositif. Si celui-ci se trouve exposé à une forte accélération, il est particulièrement avantageux de prévoir un déflecteur acousto-optique, dans lequel l'application d'une tension électrique modifie la structure d'un réseau cristallin traversé par le faisceau lumineux, et par conséquent son indice de réfraction. Ce déflecteur permet une déviation du faisceau lumineux; celle-ci est sans inertie et résistante aux

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trépidations, et se prête surtout aux fréquences de balayage

très élevées.

Une configuration de plusieurs déflecteurs acousto-

optiques avec des plans de mesure ou de déflexion différents permet de balayer de manière contrôlée un espace conique plus large. Le balayage de l'objet s'obtient en dirigeant le

faisceau lumineux sur différents points de la zone à balayer.

Afin d'obtenir un balayage systématique de la zone, il est avantageux d'utiliser une déflexion ligne par ligne comparable à celle d'un faisceau d'électrons dans le système de

télévision. On peut aussi utiliser un balayage fente par fente.

Afin de créer une image dans le système de représentation, il est avantageux de synchroniser séquentiellement dans le temps et en deux dimensions les signaux captés par le récepteur avec le faisceau lumineux (faisceau laser) dévié dans l'espace. Cette synchronisation permet d'obtenir une image en temps réel. Pour produire une image immobile pour l'oeil humain, il faut au moins 25 images par seconde. Pour cela, il est opportun que les signaux de commande de la déflexion XY (balayage ligne par ligne) du déflecteur (modulateur) acousto-optique servent en même temps à la commande du système de représentation, qui peut être un écran. Ainsi, on peut exploiter de manière optimale la puissance de sortie disponible de l'émetteur (laser), étant donné que pour chaque point image (pixel) du système de représentation, l'ensemble de l'énergie laser est sur une surface de l'objet à détecter de quelques millimètres carrés ou centimètres carrés à un instant donné. Par comparaison avec un scénario éclairé sur la surface, l'éclairement lumineux

momentané augmente pour chaque point d'au moins un facteur 105.

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On peut encore améliorer le système en utilisant un laser pulsé à diodes, qui possède pour le processus de

représentation une puissance de sortie plus grande.

On peut aussi recourir à des lasers à semi- conducteurs, dont la caractéristique d'émission est modifiée par l'application de champs, afin de créer un faisceau mobile

dans une zone spatiale.

Pour constituer par exemple 25 images par seconde à une résolution de 500 x 500 points- images, il suffit d'une fréquence de modulation pour le laser de 100 MHz, qui est

disponible dans l'état actuel de la technique.

Si on utilise, comme mentionné ci-dessus, des photodiodes à avalanche pour améliorer conformément à l'invention la réception des signaux réfléchis ou renvoyés, on peut obtenir une sensibilité au moins 102 fois supérieure à celle des circuits CCD conventionnels. Ainsi la sensibilité de détection augmente au total d'un facteur supérieur à 107 par

rapport aux systèmes actuels.

Comme la création d'images s'effectue sans optique représentative et que par conséquent, le faisceau lumineux est utilisé dans sa largeur de dispersion naturelle, on peut obtenir un agrandissement quelconque d'un extrait d'élément spatial (effet de zoom) en jouant sur les modulateurs ou les

déflecteurs acousto-optiques.

L'invention se prête au pilotage d'engins pour l'approche des objectifs. Le signal élaboré par le récepteur à bord de l'engin est transmis par télémesure à un système de représentation situé au sol, qui restitue l'objet-cible intéressant au moyen d'un dispositif de traitement et de reconnaissance d'images. Ensuite, on peut déterminer les ordres

de pilotage de la phase finale et les transmettre à l'engin.

Comme engins, on pense surtout aux fusées sol-air ou sol-sol guidables ainsi qu'aux missiles de croisière. Les cibles

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typiques à détecter sont, dans l'air, les hélicoptères 1 et les avions à réaction et, au sol, les véhicules à chenilles tels

que les blindés 2, et d'autres véhicules automobiles.

En décalant dans l'espace les récepteurs 6, on peut aussi obtenir des données spatiales et/ou procéder à des

mesures de distance.

Il est également possible d'utiliser plusieurs émetteurs, par exemple pour obtenir une résolution supplémentaire. On peut aussi prévoir une optique pour le(s) émetteur(s) et/ou le(s) récepteur(s), par exemple des supports lenticulaires en silicium corrodées par un procédé micromécanique et portant des lentilles, etc. L'invention peut aussi servir à observer des terrains ou des objets inaccessibles. Pour cela, le dispositif est embarqué dans un projectile ou une fusée d'observation qui survole l'objet ou le terrain à observer et en établit une image. Par ailleurs, l'invention peut servir à la protection d'objets si le dispositif est placé à une distance visible de l'objet à protéger et que le faisceau balaie l'objet. Le dispositif conforme à l'invention peut enregistrer aussi bien des intrus mobiles que des modifications quasi-statiques, qui seront ensuite représentés par exemple sur un écran au moyen du système de représentation. Là encore, la grande netteté d'image s'avère avantageuse, car elle permet par exemple de reconnaître

les traits du visage de l'intrus.

D'autres applications du dispositif consistent à balayer des documents lors de la création d'images, par exemple

dans les télécopieurs ou les scanners.

il 2736491 De même, il est possible d'utiliser le dispositif dans les systèmes réglant la circulation la nuit, par exemple pour surveiller les feux rouges non respectés ou mesurer la vitesse des voitures (en utilisant l'effet Doppler) en liaison avec une représentation schématique de la voiture. En outre, on peut utiliser l'invention en robotique pour obtenir des images de surfaces de traitement, surtout de

celles qui ne sont pas bien éclairées.

L'utilisation d'un rayonnement monochromatique de différentes longueurs d'onde permet de créer des images sélectives spectrales d'objets, car les différentes longueurs d'onde de surfaces aux couleurs variées des objets à détecter

sont réfléchies diversement.

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Claims (22)

REVENDICATIONS

1. Dispositif de détection optique, comprenant au moins un émetteur (4) qui émet un faisceau lumineux, au moins un récepteur (6) qui intercepte les réflexions des faisceaux lumineux, et un système de représentation qui dépouille les données obtenues par le récepteur (6), caractérisé en ce que l'on oriente le faisceau lumineux dans un modèle quelconque; le modèle enregistré par le récepteur (6) comprend des informations sur l'environnement, et le modèle enregistré est réuni en une matrice par le

système de représentation.

2. Dispositif conforme à la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est prévu au moins un déflecteur (5) qui dirige

le faisceau sur des points définis dans un espace donné.

3. Dispositif conforme à la revendication 2, caractérisé en ce que le déflecteur (5) comprend des éléments optiques, par exemple un miroir mobile, qui sont de préférence réglables.

4. Dispositif conforme à l'une des revendications 2 ou 3,

caractérisé en ce que le déflecteur (5) présente au moins

un déflecteur acousto-optique.

5. Dispositif conforme aux revendications 1 à 4, caractérisé

en ce que l'orientation séquentielle du faisceau dans le temps a lieu linéairement, de préférence ligne par ligne

ou fente par fente.

6. Dispositif conforme aux revendications 1 à 5, caractérisé

en ce que le faisceau à fréquence de balayage élevée peut

être orienté sur différents points.

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7. Dispositif conforme à la revendication 6, caractérisé en

ce que la fréquence de balayage est supérieur à 10 MHz.

8. Dispositif conforme aux revendications 1 à 7, caractérisé

en ce que l'émetteur (4) comprend un laser à diodes.

9. Dispositif conforme à l'une des revendications 1 à 8,

caractérisé en ce que l'émetteur (4) émet de la lumière ayant une longueur d'onde supérieure à 800 nm ou

inférieure à 350 nm.

10. Dispositif conforme à l'une des revendications 1 à 9,

caractérisé en ce que le récepteur (6) comporte une photodiode.

11. Dispositif conforme à l'une des revendications 1 à 10,

caractérisé en ce que le récepteur (6) comporte une

photodiode à avalanche.

12. Dispositif conforme à l'une des revendications 1 à 11,

caractérisé en ce que les données créées par le récepteur (6) pour chaque point balayé sont transmises directement

au système de représentation.

13. Dispositif conforme à l'une des revendications 1 à 12,

caractérisé en ce que les signaux reçus par le récepteur (6) sont synchronisés séquentiellement dans le temps avec

le faisceau orienté.

14. Dispositif conforme à l'une des revendications 2 à 13,

caractérisé en ce que les signaux de commande destinés au déflecteur (5) servent en même temps à la commande d'un écran.

15. Dispositif conforme à l'une des revendications 1 à 14,

caractérisé en ce que le système de représentation

comporte un dispositif de traitement d'image.

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16. Dispositif conforme à la revendication 15, caractérisé en ce que le dispositif de traitement d'image possède un

réseau neuronal.

17. Dispositif conforme à l'une des revendications 15 ou 16,

caractérisé en ce que le dispositif de traitement d'image

possède des filtres digitaux.

18. Dispositif conforme à l'une des revendications 1 à 17,

caractérisé en ce que le système de représentation, séparé ou non spatialement du reste du dispositif, est relié par

télémesure au récepteur (6).

19. Dispositif conforme à l'une des revendications 1 à 18,

caractérisé en ce que le faisceau est orienté, pour l'agrandissement d'un extrait, sur des points dans une

partie de la zone balayée.

20. Dispositif conforme à l'une des revendications 1 à 19,

caractérisé en ce qu'au moins deux récepteurs (6) sont placés à une certaine distance l'un de l'autre respectivement dans le sens du faisceau ou de réflexion du faisceau.

21. Dispositif conforme à l'une des revendications 1 à 20,

caractérisé en ce qu'il prévoit au moins deux récepteurs placés à une certaine distance l'un de l'autre dans un

plan perpendiculaire au sens de réflexion du faisceau.

22. Dispositif conforme à l'une des revendications 1 à 21,

caractérisé en ce que respectivement les systèmes de déviation et les déflecteurs (5) dirigent le faisceau dans

des directions différentes.