FR2753328A1 - Millimetric wave camera for adverse weather conditions - Google Patents

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Abstract

The camera receives input visible and millimetric signals. The visible signals pass straight through an input dichroic strip (32) while the millimetric signals are reflected. Two millimetric sweep mechanisms (20,22) are used to provide vertical and horizontal scans of the scene. The millimetric signals are sent to a second dichroic strip (30) which reflects signals onto an image receiver. A filter removes unwanted frequencies. Optical signals pass straight through the strip and are focussed onto a second image receiver. The two images can then be compared.

Description

La présente invention concerne une caméra à onde millimétrique autorisant notamment une certaine vision dans des conditions difficiles, notamment dans le brouillard ou dans un vent de sable. The present invention relates to a millimeter wave camera allowing in particular a certain vision in difficult conditions, in particular in fog or in a sand wind.

La vision dans le brouillard reste un problème pour tous ceux qui conduisent un véhicule. Pour tenter de résoudre ce problème sur la route, le document FR-A-2 666 906 décrit un dispositif installé dans un véhicule automobile et permettant à ce véhicule d'être détecté dans le brouillard par un autre véhicule muni d'une caméra thermique. Vision in the fog remains a problem for everyone who drives a vehicle. In an attempt to resolve this problem on the road, document FR-A-2 666 906 describes a device installed in a motor vehicle and enabling this vehicle to be detected in the fog by another vehicle equipped with a thermal camera.

Le véhicule est pourvu de résistances chauffantes revêtues de polyéthylène pouvant être détectées par une caméra thermique. Si ce dispositif permet de détecter un véhicule pourvu du même dispositif, il reste sensiblement impuissant pour détecter un véhicule non pourvu d'un tel dispositif. Ceci est donc dangereux, car il donne un sentiment injustifié de confiance au conducteur du véhicule ainsi équipé. En outre, même si tous les véhicules routiers étaient ainsi équipés, ce dispositif serait totalement incapable de détecter des obstacles fixes. Enfin, une caméra à infrarouge a des difficultés importantes à "voir" dans le brouillard.The vehicle is fitted with polyethylene coated heating resistors which can be detected by a thermal camera. If this device makes it possible to detect a vehicle provided with the same device, it remains substantially powerless to detect a vehicle not provided with such a device. This is therefore dangerous, since it gives an unwarranted feeling of confidence to the driver of the vehicle thus equipped. In addition, even if all road vehicles were so equipped, this device would be completely incapable of detecting fixed obstacles. Finally, an infrared camera has significant difficulty in "seeing" in the fog.

L'utilisation d'un radar n'est pas non plus satisfaisante, puisque l'image obtenue est dans un plan horizontal et qu'il lui manque la dimension verticale. The use of a radar is also not satisfactory, since the image obtained is in a horizontal plane and it lacks the vertical dimension.

Un article intitulé "Millimeter-Wave Imaging Sensor", publié dans IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol. An article entitled "Millimeter-Wave Imaging Sensor", published in IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol.

MTT-34, n 10, Octobre 1986, décrit un système à résolution modérée à utiliser sur un avion léger ou un hélicoptère pour obtenir des images du sol à travers des nuages, du brouillard ou de la pollution atmosphérique, lorsque des dispositifs à vision directe ou à infrarouge ne sont pas utilisables. Un tel système, même s'il donne de bons résultats, reste un système expérimental qui nécessite un équipement important au sol et un équipement complexe à bord, avec des moyens de synchronisation et de stabilisation très sophistiqués. MTT-34, no.10, October 1986, describes a moderate resolution system for use on a light aircraft or helicopter to obtain images of the ground through clouds, fog or air pollution, when direct vision devices or infrared are not usable. Such a system, even if it gives good results, remains an experimental system which requires significant equipment on the ground and complex equipment on board, with very sophisticated synchronization and stabilization means.

On connait également un dispositif de balayage optomécanique des documents FR-A-2 585 204, FR-A-2 586 519 et FR-A-2 593 657 qui décrivent ensemble des moyens de balayage horizontal et de balayage vertical prévus pour permettre une vision de nuit de certains obstacles. Ce dispositif de balayage apporte des solutions intéressantes pour résoudre certains problèmes du système expérimental précité, mais n'apporte pas directement de solution à une vision dans le brouillard ou équivalent, notamment du fait des fréquences utilisées. There is also known an optomechanical scanning device for documents FR-A-2,585,204, FR-A-2,586,519 and FR-A-2,593,657 which together describe horizontal scanning and vertical scanning means provided to allow vision. some obstacles at night. This scanning device provides interesting solutions to solve certain problems of the aforementioned experimental system, but does not directly provide a solution to vision in the fog or equivalent, in particular because of the frequencies used.

La présente invention a pour but d'obvier à ces inconvénients avec une caméra efficace d'un coût modeste et ne nécessitant que des moyens rustiques de mise en oeuvre, tout en ayant des résultats remarquables indépendamment de l'équipement des obstacles rencontrés. The present invention aims to overcome these drawbacks with an efficient camera at a modest cost and requiring only rustic means of implementation, while having remarkable results regardless of the equipment of the obstacles encountered.

La présente invention concerne donc une caméra à onde millimétrique du type précité. Selon l'invention, elle comprend, en combinaison
- un objectif d'entrée incluant une lentille de tête déterminant un signal optique d'entrée
- un dispositif opto-mécanique de balayage vertical et de balayage horizontal de ce signal optique d'entrée
- un dispositif de filtrage du dit signal optique pour ne traiter qu'un signal optique d'une longueur d'onde déterminée
- un miroir de focalisation du signal issu du dispositif opto-électrique
- un dispositif de traitement du signal dont la fenêtre d'entrée est disposée au foyer indirect de la lentille de focalisation, et engendrant une image visible à un foyer direct du même miroir de focalisation, les dits foyers direct et indirect étant déterminés au travers d'une première lame dichroïque transparente pour le signal visible et réfléchissante pour les ondes millimétriques, et disposée entre ce miroir de focalisation et le dispositif de traitement précité ; et
- une deuxième lame dichroïque identique à la première lame dichroïque et disposée entre l'objectif et le dispositif optomécanique de balayage pour déterminer une image visible à travers un objectif de sortie.
The present invention therefore relates to a millimeter wave camera of the aforementioned type. According to the invention, it comprises, in combination
- an input objective including a head lens determining an optical input signal
- an opto-mechanical device for vertical scanning and horizontal scanning of this optical input signal
a device for filtering said optical signal in order to process only an optical signal of a determined wavelength
- a signal focusing mirror from the opto-electric device
- a signal processing device, the input window of which is arranged at the indirect focus of the focusing lens, and generating a visible image at a direct focus of the same focusing mirror, the so-called direct and indirect focuses being determined through 'a first transparent dichroic plate for the visible and reflective signal for millimeter waves, and disposed between this focusing mirror and the aforementioned processing device; and
- A second dichroic blade identical to the first dichroic blade and disposed between the objective and the optomechanical scanning device to determine an image visible through an output objective.

Selon un premier mode de réalisation, la lentille de tête est réalisée en téflon chargé en particules métalliques pour déterminer le dispositif de filtrage. According to a first embodiment, the head lens is made of Teflon loaded with metal particles to determine the filtering device.

Selon un deuxième mode de réalisation, la fenêtre d'entrée du dispositif de traitement est pourvue d'un dispositif de filtrage. According to a second embodiment, the input window of the processing device is provided with a filtering device.

De préférence, la longueur d'onde du signal optique traité par le dispositif de traitement est de l'ordre de 3 millimètres environ, de telle manière que celui-ci fonctionne entre 90 et 100 GHz environ. Preferably, the wavelength of the optical signal processed by the processing device is of the order of approximately 3 millimeters, so that the latter operates between approximately 90 and 100 GHz.

L'invention sera mieux comprise, et d'autres buts, avantages et caractéristiques de celle-ci apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit d'un mode préféré de réalisation donné à titre non limitatif et à laquelle une planche de dessins est annexée sur laquelle
la Figure unique représente schématiquement une caméra conforme à l'invention.
The invention will be better understood, and other objects, advantages and characteristics thereof will appear more clearly on reading the following description of a preferred embodiment given without limitation and in which a sheet of drawings is attached on which
the single figure schematically represents a camera according to the invention.

En référence maintenant à la Figure unique sur laquelle on a représenté schématiquement une caméra conforme à l'invention, on reconnaître en 10 l'objectif de la caméra. Cet objectif est constitué d'une pupille 12 déterminant une ouverture et d'une lentille convergente 14 présentant un axe optique 16. Selon un mode de réalisation, cette lentille 14 fait, en outre, office de filtre pour ne laisser passer que les ondes millimétriques d'une longueur d'onde déterminée. Referring now to the single FIGURE in which a camera according to the invention has been shown diagrammatically, the lens of the camera can be recognized at 10. This objective consists of a pupil 12 determining an opening and a converging lens 14 having an optical axis 16. According to one embodiment, this lens 14 also acts as a filter to let pass only the millimeter waves. of a determined wavelength.

Dans toute la présente description, par l'expression 'lentille', on entend, bien entendu, tout dispositif optique apte à faire converger un faisceau optique vers un foyer, que ce soit une lentille au sens propre du terme ou un miroir approprié. Un miroir sphérique sera, par exemple, préféré pour un objectif présentant un grand champ et une grande ouverture. Un élément de filtrage du faisceau incident peut être ajouté, si besoin est, en tête de la caméra, pour permettre de ne laisser passer qu'un faisceau de la longueur d'onde souhaitée. Throughout the present description, the expression "lens" means, of course, any optical device capable of converging an optical beam towards a focal point, whether it be a lens in the proper sense of the term or an appropriate mirror. A spherical mirror will, for example, be preferred for a lens having a large field and a large aperture. An incident beam filtering element can be added, if necessary, at the top of the camera, to allow only a beam of the desired wavelength to pass.

Dans un mode de réalisation préféré, cette longueur d'onde est de l'ordre de 3 mm., ce qui correspond à une fréquence de travail de la caméra comprise entre 90 et 100 GHz environ. In a preferred embodiment, this wavelength is of the order of 3 mm., Which corresponds to a working frequency of the camera of between 90 and 100 GHz approximately.

Pour obtenir un tel filtrage, la lentille peut favorablement être réalisée dans un matériau connu sous la marque 'Téflon', ou équivalent, chargé en particules métalliques. D'autres matériaux appropriés peuvent également être utilisés. To obtain such filtering, the lens can favorably be made of a material known under the brand name “Teflon”, or equivalent, loaded with metallic particles. Other suitable materials can also be used.

La lentille de tête 14 fait converger le signal optique filtré d'entrée issu du faisceau incident, sur une lentille de champ 18 permettant de différencier clairement le balayage vertical et le balayage horizontal. Ces deux balayages sont effectués par un dispositif opto-mécanique 20, 22 selon des techniques connues. La partie 20 du dispositif assure un balayage vertical ou de trame, tandis que la partie 22 du dispositif assure un balayage horizontal ou de ligne. La partie 20 du dispositif peut être favorablement constitué d'un miroir plan tournant d'un mouvement alternatif autour d'un axe, tandis que la partie 22 du dispositif est généralement constituée par un tambour de forme prismatique tournant de façon uniforme autour de son axe. The head lens 14 converges the filtered input optical signal coming from the incident beam, on a field lens 18 making it possible to clearly differentiate between vertical scanning and horizontal scanning. These two scans are carried out by an opto-mechanical device 20, 22 according to known techniques. Part 20 of the device provides vertical or weft scanning, while part 22 of the device provides horizontal or line scanning. Part 20 of the device may favorably consist of a plane mirror rotating in an alternating movement around an axis, while part 22 of the device generally consists of a prismatic drum rotating uniformly around its axis .

Le signal optique issu de ce dispositif opto-mécanique est appliqué à un miroir de focalisation 24 permettant de le faire converger sur la fenêtre d'entrée d'un dispositif de traitement 26 disposée au foyer indirect du miroir de focalisation 24. Ce miroir de focalisation 24 est, bien sûr, obtenu par un jeu de miroirs appropriés.  The optical signal from this opto-mechanical device is applied to a focusing mirror 24 allowing it to converge on the input window of a processing device 26 disposed at the indirect focus of the focusing mirror 24. This focusing mirror 24 is, of course, obtained by a set of suitable mirrors.

Le dispositif de traitement 26 est d'un type connu sur le marché. La société Hughes Millimeter Waves Products Inc. en commercialise plusieurs modèles, et il est jugé inutile d'en décrire un ici, puisqu'il est bien connu de l'homme du métier. The processing device 26 is of a type known on the market. Hughes Millimeter Waves Products Inc. markets several models, and it is considered unnecessary to describe one here, since it is well known to those skilled in the art.

Ce dispositif de traitement 26 délivre une image visible en 28, par exemple au moyen d'un jeu matriciel de diodes électroluminescentes disposées à un foyer direct du miroir de focalisation 24. Les foyers direct et indirect précités sont obtenus au moyen d'une lame dichroïque 30 transparente pour la lumière visible, mais réfléchissante pour les ondes millimétriques. Cette lame dichroïque 30 est disposée entre le miroir de focalisation 24 et le dispositif de traitement 26. Cette image visible est réinjectée dans le système par l'intermédiaire de cette lame dichroïque 30 et subit donc les balayages horizontal et vertical avant d'atteindre une deuxième lame dichroïque 32 envoyant l'image visible sur un objectif de sortie 34. Cette deuxième lame dichroïque 32 est disposée en entrée de la caméra entre la lentille de tête 14 et le dispositif de balayage opto-mécanique 20, 22. This processing device 26 delivers a visible image at 28, for example by means of a matrix set of light-emitting diodes disposed at a direct focus of the focusing mirror 24. The aforementioned direct and indirect focuses are obtained by means of a dichroic blade 30 transparent for visible light, but reflective for millimeter waves. This dichroic blade 30 is disposed between the focusing mirror 24 and the processing device 26. This visible image is reinjected into the system via this dichroic blade 30 and therefore undergoes horizontal and vertical scanning before reaching a second dichroic blade 32 sending the visible image to an output objective 34. This second dichroic blade 32 is arranged at the input of the camera between the head lens 14 and the opto-mechanical scanning device 20, 22.

Selon un mode préféré de réalisation, le balayage vertical est effectué à une fréquence de l'ordre d'une dizaine de Hertz, de manière à éviter une usure prématurée et/ou une fragilisation de la mécanique qui doit rester une mécanique fiable de précision. According to a preferred embodiment, the vertical scanning is carried out at a frequency of the order of ten Hertz, so as to avoid premature wear and / or weakening of the mechanics which must remain a reliable precision mechanics.

On obtient ainsi une image visible d'une définition modérée de 5 lignes de 13 points chacune, c'est à dire une définition totale de l'ordre de 60 à 70 éléments d'image et, plus précisément ici de 65 éléments d'image, chaque élément d'image présentant plusieurs niveau de gris entre le blanc et le noir. Cette image visible est obtenue à travers un objectif de sortie, avant agrandissement éventuel, de 40 mm. de large sur 20 mm. de haut, lorsque le rayon du cercle inscrit du tambour rotatif de balayage vertical est de l'ordre de 20 mm. Une telle définition modérée permet de reconnaître aisément des formes de tout obstacle dans le brouillard. L'objectif de sortie 34 présente des caractéristiques identiques à celles de l'objectif d'entrée 10, en ce qui concerne la distance focale et le champ. Il n'est toutefois pas filtrant et est transparent pour la lumière visible. This gives a visible image with a moderate definition of 5 lines of 13 points each, that is to say a total definition of the order of 60 to 70 image elements and, more precisely here of 65 image elements , each picture element having several gray levels between white and black. This visible image is obtained through an output objective, before possible enlargement, of 40 mm. wide by 20 mm. high, when the radius of the inscribed circle of the rotary vertical scanning drum is of the order of 20 mm. Such a moderate definition makes it easy to recognize the shapes of any obstacle in the fog. The output objective 34 has characteristics identical to those of the input objective 10, with regard to the focal distance and the field. However, it is not filtering and is transparent for visible light.

Une telle caméra corrige automatiquement toutes les aberrations géométriques de type coma, astigmatisme, courbure de champ, distorsions, etc... Such a camera automatically corrects all geometric aberrations such as coma, astigmatism, field curvature, distortions, etc.

Pour permettre un fonctionnement d'une telle caméra dans toutes les conditions thermiques possibles, par exemple entre -40 C et +70 C, le dispositif opto-électronique de balayage est commandé par l'intermédiaire d'un bloc de régulation 36 de type connu en soi et comportant essentiellement une boucle de réaction en fréquence au moyen d'une roue phonique ou stroboscopique liée aux éléments mobiles du dispositif opto-électronique 20, 22. To allow operation of such a camera under all possible thermal conditions, for example between -40 ° C. and +70 ° C., the opto-electronic scanning device is controlled by means of a regulation block 36 of known type. per se and essentially comprising a frequency feedback loop by means of a phonic or stroboscopic wheel linked to the mobile elements of the opto-electronic device 20, 22.

Bien que l'on ait représenté et décrit ce que l'on considère actuellement être le mode de réalisation préféré de la présente invention, il est évident que l'Homme de l'Art pourra y apporter différents changements et modifications sans sortir du cadre de la présente invention tel que défini ci-après. Although we have represented and described what is currently considered to be the preferred embodiment of the present invention, it is obvious that those skilled in the art will be able to make various changes and modifications without departing from the scope of the present invention as defined below.

Par exemple, la caméra qui vient d'être décrite est une caméra passive, puisqu'elle n'émet pas de rayonnement tel un radar, et elle trouve ainsi des applications supplémentaires dans le domaine militaire puisqu'elle n'est pas détectable en soi. Cependant, on peut y adjoindre une partie active permettant d'obtenir une meilleure définition de l'image dans certaines conditions de l'environnement. For example, the camera which has just been described is a passive camera, since it does not emit radiation such as a radar, and it thus finds additional applications in the military field since it is not detectable in itself . However, we can add an active part to obtain a better definition of the image under certain environmental conditions.

Autre exemple, le filtrage du faisceau optique incident peut également être effectué au niveau de la fenêtre d'entrée du détecteur 26 plutôt qu'au niveau de l'objectif 14. As another example, filtering of the incident optical beam can also be carried out at the level of the input window of the detector 26 rather than at the level of the objective 14.

On aura compris que la caméra à onde millimétrique conforme à l'invention a de nombreuses applications, notamment pour la conduite des automobiles, la conduite des navires et celle des aéronefs, et la détection d'obstacles en milieu hostile. It will be understood that the millimeter wave camera according to the invention has many applications, in particular for driving automobiles, driving ships and aircraft, and detecting obstacles in a hostile environment.

-O-  -O-

Claims (8)

REVENDICATIONS 1 - Caméra à onde millimétrique autorisant une vision notamment dans le brouillard, caractérisée en ce qu'elle comprend, en combinaison 1 - Millimeter wave camera allowing vision in particular in fog, characterized in that it comprises, in combination - un objectif d'entrée (10) incluant une lentille de tête (14) déterminant un signal optique d'entrée - an input objective (10) including a head lens (14) determining an optical input signal - un dispositif opto-mécanique de balayage vertical (20) et de balayage horizontal (22) du dit signal optique d'entrée - an opto-mechanical device for vertical scanning (20) and horizontal scanning (22) of said optical input signal - un miroir de focalisation (24) du signal issu du dit dispositif opto-électrique (20, 22) - a focusing mirror (24) of the signal from said opto-electric device (20, 22) - un dispositif de filtrage du dit signal optique pour ne traiter qu'un signal optique d'une longueur d'onde déterminée a device for filtering said optical signal in order to process only an optical signal of a determined wavelength - un dispositif de traitement (26) du dit signal dont la fenêtre d'entrée est disposée au foyer indirect du dit miroir de focalisation (24), et engendrant une image visible à un foyer direct du dit miroir de focalisation, les dits foyers direct et indirect étant déterminés au travers d'une première lame dichroïque (30) transparente pour le signal visible et réfléchissante pour les ondes millimétriques, et disposée entre le dit miroir de focalisation (24) et le dit dispositif de traitement (26); et - a processing device (26) of said signal, the input window of which is disposed at the indirect focus of said focusing mirror (24), and generating a visible image at a direct focus of said focusing mirror, the so-called direct focuses and indirect being determined through a first dichroic plate (30) transparent for the visible and reflective signal for millimeter waves, and disposed between said focusing mirror (24) and said processing device (26); and - une deuxième lame dichroïque (32) identique à la dite première lame dichroïque (30) et disposée entre le dit objectif et le dit dispositif opto-mécanique de balayage (20, 22) pour déterminer une image visible à travers un objectif de sortie (34). - a second dichroic blade (32) identical to said first dichroic blade (30) and disposed between said objective and said opto-mechanical scanning device (20, 22) to determine a visible image through an output objective ( 34). 2 - Caméra à onde millimétrique selon la revendication 1 caractérisée en ce que la lentille de tête (14) est réalisée en téflon chargé en particules métalliques de manière à déterminer le dit dispositif de filtrage en entrée de la dite caméra.  2 - Millimeter wave camera according to claim 1 characterized in that the head lens (14) is made of Teflon loaded with metal particles so as to determine said filtering device at the input of said camera. 3 - Caméra à onde millimétrique selon la revendication 1 ou 2 caractérisée en ce que la fenêtre d'entrée du dit dispositif de traitement (26) est pourvue du dit dispositif de filtrage pour sélectionner un signal optique de la dite longueur d'onde déterminée. 3 - Millimeter wave camera according to claim 1 or 2 characterized in that the input window of said processing device (26) is provided with said filtering device for selecting an optical signal of said determined wavelength. 4 - Caméra à onde millimétrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisée en ce que la longueur d'onde du dit signal optique traité par le dit dispositif de traitement (26) est de l'ordre de 3 millimètres environ. 4 - Millimeter wave camera according to any one of claims 1 to 3 characterized in that the wavelength of said optical signal processed by said processing device (26) is of the order of approximately 3 millimeters. 5 - Caméra à onde millimétrique selon la revendication 4 caractérisée en ce que le dit dispositif de traitement (26) fonctionne à une fréquence comprise entre 90 et 100 GHz environ. 5 - Millimeter wave camera according to claim 4 characterized in that said processing device (26) operates at a frequency between about 90 and 100 GHz. 6 - Caméra à onde millimétrique selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisée en ce que la fréquence du balayage vertical est de l'ordre de la dizaine de Hertz. 6 - Millimeter wave camera according to any one of the preceding claims, characterized in that the frequency of the vertical scanning is of the order of ten Hertz. 7 - Caméra à onde millimétrique selon la revendication 6 caractérisée en ce que l'image visible à travers le dit objectif de sortie (34) présente une définition comprise entre 60 et 70 points. 7 - Millimeter wave camera according to claim 6 characterized in that the image visible through said output lens (34) has a definition between 60 and 70 points. 8 - Caméra à onde millimétrique selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisée en ce que le dispositif opto-mécanique de balayage (20, 22) est régulé au moyen d'une boucle de réaction en fréquence (36).  8 - Millimeter wave camera according to any one of the preceding claims, characterized in that the opto-mechanical scanning device (20, 22) is regulated by means of a frequency feedback loop (36).
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