FR2742554A1 - Systeme d'imagerie par defilement, notamment systeme d'observation satellitaire - Google Patents
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Abstract
Système d'imagerie par défilement comportant des moyens optiques de focalisation (3), ainsi que des moyens de photodétection disposés dans le plan focal (A) de ces moyens optiques (3), caractérisé en ce que ces moyens de photodétection sont constitués par une pluralité de matrices (1) de détecteurs élémentaires réparties en ligne(s) dans ledit plan focal (A), en ce qu'un miroir oscillant (4) est disposé sur le trajet de la lumière à proximité du plan focal (A) et est animé d'un mouvement cyclique qui est tel que, à chaque cycle, les lignes de visée des détecteurs élémentaires sont figées sur des points fixes de la zone imagée pendant le temps d'intégration desdits détecteurs élémentaires, et en ce que le nombre de lignes des matrices (1) est supérieur à deux fois le nombre de lignes dont un point image se déplace pendant la durée d'un cycle, de sorte qu'une même matrice prend plusieurs images successives d'une même zone, le système comportant des moyens pour traiter plusieurs images successives acquises par les matrices (1) de façon à obtenir une image suréchantionnée des zones observées.
Description
La présente invention est relative aux systèmes d'imagerie par défilement, et plus particulièrement, mais non limitativement, à un système d'observation satellitaire de ce type.
Le balayage par défilement - ou < < push-broom selon la terminologie anglo-saxonne généralement utilisée par l'Homme du Métier - est classiquement utilisé pour l'observation de la terre à partir de satellites se déplaçant au-dessus des régions du globe à observer.
Généralement, ainsi qu'illustré sur la figure 1, une ou plusieurs barrettes
B de détecteurs photosensibles sont disposées dans le plan focal d'une optique portée par le satellite, référencé par S sur la figure.
B de détecteurs photosensibles sont disposées dans le plan focal d'une optique portée par le satellite, référencé par S sur la figure.
Ces barrettes B sont orientées dans ce plan focal perpendiculairement à la projection dans ce plan du vecteur vitesse du satellite par rapport au sol observé.
Elles acquièrent successivement dans le temps les images des différents lignes transversales au-dessus desquelles le satellite S défile.
Un problème rencontré avec les systèmes d'imagerie à défilement tient en ce qu'il est difficile d'augmenter leur résolution sans perdre en qualité photométrique. En effet, à diamètre d'optique et altitude de satellite constants, la quantité de photons captés sur une barrette par un détecteur élémentaire varie comme l'inverse du cube de la résolution spatiale.
En particulier, dans le cas de l'observation satellitaire, si des tailles de pixels projetés au sol de l'ordre de 10 m permettent des qualités photométriques satisfaisantes, par contre, avec des tailles de pixels au sol de l'ordre de 1 m, le bilan photométrique est considérablement dégradé, et ce même avec des diamètres d'optique collectrice augmentés.
L'augmentation des diamètres des optiques se heurte en outre à des impératifs de dimensionnement, puisque la réalisation et l'emport à bord de satellite de pièces optiques présentant un diamètre supérieur au mètre sont techniquement complexes et onéreux.
Par contre, des niveaux photométriques satisfaisants peuvent être obtenus en augmentant le temps d'intégration des détecteurs élémentaires, soit par ralenti sur objectif, soit par implantation de rangées multiples de détecteurs et report de charges entre rangées successives.
Toutefois, ces deux méthodes sont d'une mise en oeuvre délicate et onéreuse. Elles nécessitent en particulier un pilotage du satellite de grande précision.
L'état actuel de la technique ne permet pas de disposer de matrices de détecteurs ayant une dimension suffisante pour réaliser une image de très grande largeur (en nombre de pixels).
Un but de l'invention est donc de proposer un système d'imagerie par défilement qui ne présente pas ces inconvénients et qui permette d'accéder à une résolution accrue sans perte de qualité photométrique.
Généralement, les conditions de Shannon obligent les systèmes d'imagerie par défilement à travailler avec des fréquences spatiales inférieures à la demi-fréquence de coupure de leur fonction de transfert de modulation, de façon à éviter les phénomènes de repliement de spectre lors de la restitution des images.
Cette fréquence de coupure est souvent prise approximativement comme étant l'inverse de la taille au sol d'un détecteur élémentaire du système.
Récemment, il a été montré, notamment par la publication - Jacquemod et al. - Repliement spectral lié à l'utilisation de détecteurs constitués de cellules
CCD > > - Traitement du signal - Vol. 5, n" 1, 1988 -, ainsi que dans le brevet français publié sous le numéro FR - 2.678.460 que, pour une fréquence de coupure donnée, il était possible de repousser cette limitation de résolution, par un suréchantillonnage des images, la fréquence d'échantillonnage étant choisie égale à k fois la fréquence de coupure, k étant un nombre entier supérieur à 1.
CCD > > - Traitement du signal - Vol. 5, n" 1, 1988 -, ainsi que dans le brevet français publié sous le numéro FR - 2.678.460 que, pour une fréquence de coupure donnée, il était possible de repousser cette limitation de résolution, par un suréchantillonnage des images, la fréquence d'échantillonnage étant choisie égale à k fois la fréquence de coupure, k étant un nombre entier supérieur à 1.
L'invention propose quant à elle un système d'imagerie à défilement comportant des moyens optiques de focalisation, ainsi que des moyens de photodétection disposés dans le plan focal de ces moyens optiques, caractérisé en ce que ces moyens de photodétection sont constitués par une pluralité de matrices de détecteurs élémentaires réparties en ligne(s) dans ledit plan focal, en ce qu'un miroir oscillant est disposé sur le trajet de la lumière à proximité du plan focal et est animé d'un mouvement cyclique qui est tel que, à chaque cycle, les lignes de visée des détecteurs élémentaires sont figées sur des points fixes de la zone imagée pendant le temps d'intégration desdits détecteurs élémentaires, et en ce que le nombre de lignes de détecteurs sur chaque matrice est supérieur à deux fois le nombre de lignes dont un point image se déplace pendant la durée d'un cycle, de sorte qu'une même matrice prend plusieurs images successives d'une même zone, le système comportant des moyens pour traiter plusieurs images successives acquises par les matrices de façon à obtenir une image suréchantillonnée des zones observées.
L'invention proposée permet notamment d'associer de nombreuses matrices de détecteurs pour réaliser lesdites images ; d'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront encore de la description qui suit.
Cette description est purement illustratrice et non limitative. Elle doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels
- la figure 1, déjà discutée, est une représentation schématique illustrant le principe d'une observation satellitaire par défilement;
- la figure 2 est une représentation schématique en coupe d'un système d'imagerie conforme à un mode de réalisation possible pour l'invention;
- la figure 3 illustre une disposition de matrices de détecteurs élémentaires du système de la figure 2
- la figure 4 illustre un exemple de cinématique possible pour le miroir mobile du système de la figure 2;
- la figure 5 illustre le suréchantillonnage réalisé avec le système de la figure 2;
- la figure 6 illustre un mode de réalisation possible pour le miroir du système de la figure 2.
- la figure 1, déjà discutée, est une représentation schématique illustrant le principe d'une observation satellitaire par défilement;
- la figure 2 est une représentation schématique en coupe d'un système d'imagerie conforme à un mode de réalisation possible pour l'invention;
- la figure 3 illustre une disposition de matrices de détecteurs élémentaires du système de la figure 2
- la figure 4 illustre un exemple de cinématique possible pour le miroir mobile du système de la figure 2;
- la figure 5 illustre le suréchantillonnage réalisé avec le système de la figure 2;
- la figure 6 illustre un mode de réalisation possible pour le miroir du système de la figure 2.
Le système d'imagerie push-broom illustré sur la figure 2 comporte une pluralité de matrices 1 de détecteurs élémentaires disposées dans le plan focal A d'une optique 2 recevant la lumière diffusée par le sol depuis la terre en direction du satellite.
Cette optique 2 comporte des moyens 3 formant télescope, ainsi qu'un miroir mobile 4 disposé entre ces moyens 3 et le plan focal A, à proximité de celuici.
Les matrices 1 de détecteurs élémentaires sont réparties de façon que dans la direction perpendiculaire à l'avancement, toute la largeur de la fauchée soit couverte.
Par exemple, les matrices 1 sont de format 51 2x5 12 et sont au nombre de 40, de sorte qu'une largeur de fauchée est balayée par des lignes d'environ 20.000 détecteurs élémentaires.
Ainsi qu'illustré sur la figure 3, les matrices 1 sont avantageusement réparties de façon alternée sur deux lignes de façon à éviter le recouvrement des supports mécaniques de ces matrices 1 sur lesquelles les détecteurs élémentaires sont implantés.
Le miroir 4 est animé d'un mouvement cyclique de pivotement autour d'un axe parallèle à la direction selon laquelle les matrices 1 de détecteurs élémentaires sont alignées.
Cette oscillation cyclique compense temporairement le mouvement de l'image de façon à figer les images reçues sur les détecteurs élémentaires des matrices 1 pendant les temps d'intégration de ceux-ci.
Ces temps d'intégration sont avantageusement de l'ordre de 1 à 5 ms, ce qui correspond à des fréquences d'oscillation pour le miroir 4 de l'ordre de 100 Hz.
Le système d'imagerie proposé par l'invention permet par conséquent des durées d'intégration augmentées par rapport à celles classiquement utilisées dans l'art antérieur. Ces durées d'intégration augmentées permettent un meilleur rapport signal sur bruit.
A titre illustratif, le miroir mobile 4 peut être situé à 100 mm du plan focal A ; ce miroir présente alors une longueur de 250 mm et une largeur de 50 mm.
Les vitesses de rotation dont il est animé sont de l'ordre de 0,3 radians/seconde (soit environ 200/s).
L'angle de rotation de l'axe optique est de 1,5 mrad pour un temps d'intégration utile de 5 ms, soit une amplitude de rotation pour le miroir de 0,725 mrad.
On a illustré sur la figure 4 un exemple de cinématique possible pour le miroir 4. Cette cinématique est telle que le miroir 4 oscille angulairement selon un cycle en dents de scie, ce type de cinématique permettant une durée utile d'intégration importante par rapport à la durée du cycle.
Le temps d'intégration t au cours duquel le miroir 4 bascule d'une position à une autre est suivi d'un temps t2 pendant lequel le miroir 4 revient à sa position d'origine. Ce temps t2 constitue un temps mort au cours duquel les informations stockées dans les détecteurs élémentaires sont lues.
D'autres types d'oscillations sont bien entendu possibles, par exemple des oscillations sinusoïdales.
Si, pendant la durée d'un cycle, L'image progresse sur la matrice d'environ 70 détecteurs, avec les matrices 1 précitées de format 512x512, on dispose ainsi de 6 à 7 images successives d'une même série.
Cette situation est mise à profit pour réaliser un suréchantillonnage des images, par décalage de la grille d'échantillonnage d'une image à l'autre.
La grille d'échantillonnage est définie comme étant l'ensemble des positions géométriques des centres des détecteurs constituant les matrices.
Ce décalage peut être contrôlé rigoureusement, par un calcul précis des temps et de l'alignement des matrices par rapport au vecteur vitesse du satellite, le suréchantillonnage réalisé étant alors par exemple du type de celui décrit dans le brevet français publié sous le N" 2 678 460.
En variante, le décalage de la grille d'échantillonnage peut également être laissé aux aléas des dérives d'orbite et des défauts de contrôle d'attitude.
En effet, ainsi qu'on l'a illustré sur la figure 5, ces dérives sont suffisantes pour que l'image d'un point A au sol traverse une matrice 1 de détecteurs en se décalant de façon aléatoire en fonction de l'avance du satellite.
Sur cette figure 5, les points Al, A2, etc..., An correspondent aux différents échantillonnages successifs qu'une même matrice 1 réalise sur un point Ao.
Les différentes images d'une même zone obtenues sur une même matrice 1 sont ensuite recalées a posteriori par des moyens de calcul en utilisant à cet effet les traitements de recalage désormais classiquement connus de l'Homme du Métier et par exemple décrits dans - T. Tyson, G. Bernstein, M. Bouke, B. Lee, Unlocking the sky's secrets with CCD mosaics , Photonics Spectra, Vol. 5, pp. 153-158, 1992-.
Que le décalage soit contrôlé ou aléatoire, dans les deux cas, le suréchantillonnage à pas fin ainsi réalisé élimine les risques de repliement de spectre et permet d'améliorer la résolution de l'image restituée.
On notera que la solution retenue par l'invention pour figer les lignes de visée des détecteurs élémentaires sur des points fixes sur le sol pendant les temps d'intégrations est d'une bien plus grande simplicité que les solutions de l'art antérieur, qui mettaient en oeuvre un basculement du satellite ou de l'ensemble de l'optique, ou encore d'un miroir situé devant la pupille du télescope autour d'un axe de tangage.
Etant donné qu'il est situé à proximité du plan focal A, le miroir 4 est de relative petite dimension. Son inertie est faible et son mouvement cyclique est donc facilement contrôlable.
Par ailleurs, le miroir 4 présente avantageusement une structure du type de celle illustrée sur la figure 6. Une telle structure, symétrique, permet de stabiliser le miroir 4 dans le satellite.
Le miroir 4 représenté sur cette figure 6 est constitué de deux miroirs identiques 4a, 4b montés sur un axe de pivotement commun P, et reliés l'un à l'autre par des moyens d'excitation 5 et 6 disposés de part et d'autre de cet axe P.
Les deux miroirs 4a, 4b vibrent alors en opposition de phase, de sorte que leurs vibrations se compensent.
Bien entendu, I'invention n'est pas limitée à l'observation satellitaire et s'applique de façon générale à tout système d'imagerie par défilement, dans le domaine optique ou infrarouge. L'invention trouvera en particulier également avantageusement application à la saisie de documents en vue de leur stockage ou de leur transmission électronique, (surveillance à balayage panoramique, photocopieuses grande vitesse, télécopieurs, etc).
Claims (10)
1. Système d'imagerie par défilement comportant des moyens optiques de focalisation (3), ainsi que des moyens de photodétection disposés dans le plan focal (A) de ces moyens optiques (3), caractérisé en ce que ces moyens de photodétection sont constitués par une pluralité de matrices (1) de détecteurs élémentaires réparties en ligne(s) dans ledit plan focal (A), en ce qu'un miroir oscillant (4) est disposé sur le trajet de la lumière à proximité du plan focal (A) et est animé d'un mouvement cyclique qui est tel que, à chaque cycle, les lignes de visée des détecteurs élémentaires sont figées sur des points fixes de la zone imagée pendant le temps d'intégration desdits détecteurs élémentaires, et en ce que le nombre de lignes de détecteurs sur les matrices (1) est supérieur à deux fois le nombre de lignes dont un point image se déplace pendant la durée d'un cycle, de sorte qu'une même matrice prend plusieurs images successives d'une même zone, le système comportant des moyens pour traiter plusieurs images successives acquises par les matrices (1) de façon à obtenir une image suréchantillonnée des zones observées.
2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que les matrices (1) sont réparties de façon alternée sur deux lignes du plan focal (A).
3. Système selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour réaliser un décalage contrôlé de la grille d'échantillonnage entre deux images successives.
4. Système selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les moyens de traitement comportent des moyens de calcul pour le recalage a posteriori de deux images successives acquises par les matrices (1).
5. Système selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le miroir (4) est constitué de deux miroirs (4a, 4b) identiques montés symétriquement sur un axe de pivotement commun (P) et reliés l'un à l'autre par des moyens d'excitation (5, 6) disposés de part et d'autre de cet axe, de telle sorte que la fréquence d'oscillation du miroir (4) est de l'ordre de 100 Hz.
6. Système selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le miroir (4) oscille angulairement selon un cycle en dents de scie.
7. Système selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le nombre de détecteurs élémentaires en ligne est de l'ordre de 20.000 et en ce qu'il y a au moins une centaine de lignes de détecteurs élémentaires.
8. Système selon la revendication 7, caractérisé en ce que les matrices (1) sont de forme carrée, de dimensions 512x512.
9. Système d'observation satellitaire selon l'une des revendications précédentes.
10. Système d'imagerie par défilement selon l'une des revendications précédentes.
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| FR9514874A FR2742554B1 (fr) | 1995-12-14 | 1995-12-14 | Systeme d'imagerie par defilement, notamment systeme d'observation satellitaire |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| FR2742554A1 true FR2742554A1 (fr) | 1997-06-20 |
| FR2742554B1 FR2742554B1 (fr) | 1998-03-06 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| ST | Notification of lapse |
Effective date: 20081020 |