FR2769980A1

FR2769980A1 - Dispositif d'imagerie par polarimetrie

Info

Publication number: FR2769980A1
Application number: FR9713032A
Authority: FR
Inventors: Philippe Clemenceau; Sebastien Breugnot; Laurent Collot
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1997-10-17
Filing date: 1997-10-17
Publication date: 1999-04-23
Anticipated expiration: 2017-10-17
Also published as: GB2335977B; GB9822680D0; GB2335977A; FR2769980B1

Abstract

L'invention concerne un dispositif d'imagerie par polarimétrie.L'image d'un objet (4) étant codée en degré de polarisation, il comporte au moins des moyens d'émission (1) d'au moins deux ondes (2, 3) à polarisation elliptique vers l'objet (4), un détecteur (8) des intensités des ondes rétrodiffusées par l'objet (4), et des moyens de traitement de signal (9) réalisant le rapport (l1 - l2 ) / (l1 + l2 ) où l1 , l2 sont les intensités correspondant respectivement à la première (2) et à la deuxième (3) onde émise, le rapport (Dp) étant le degré de polarisation de l'objet.Application : notamment pour de l'imagerie active dans le cadre par exemple de reconnaissance ou de surveillance d'objets.

Description

La présente invention concerne un dispositif d'imagerie par polarimétrie. Elle s'applique notamment pour de l'imagerie active dans le cadre par exemple de reconnaissance ou de surveillance d'objets.

En imagerie active, un flux de photons est envoyé sur la scène à observer, à l'aide d'une source, par exemple un laser ou une lampe. Un des atouts principaux de ce type d'imagerie réside dans le choix de nombreux paramètres à l'émission, tels que notamment la longueur d'onde, la fréquence, la fréquence ou la durée d'impulsions, en fonction des informations recherchées dans la scène. En imagerie Doppler, la fréquence de l'onde radiodiffusée est comparée à celle de la source afin de détecter des vibrations ou des déplacements de la scène. En imagerie par télémétrie, c'est le temps de parcours de l'onde émise par la source qui est mesuré afin de coder l'image en fonction de la distance entre la source et la scène.

II existe un autre paramètre intéressant qui peut permettre d'améliorer les informations contenues dans l'image obtenue. Cette information est la polarisation de l'onde reçue. La connaissance de cette information renseigne sur la dépolarisation induite par la diffusion des différentes parties de la scène. Cette dépolarisation dépend notamment de la rugosité des différentes parties de la scène. Les objets naturels tels que par exemple les arbres ou le sable dépolarisent plus que les objets fabriqués par les hommes. En particulier, une réflexion spéculaire ne dépolarise pas. II est alors possible de quantifier cette capacité à dépolariser en introduisant le degré de polarisation de façon à coder l'image en terme de polarisation. De la sorte, une image par polarimétrie peut être obtenue. Une telle image permet notamment de décamoufler les objets d'une scène dont l'albédo est identique à celui du fond, c'est-à-dire qui ne peuvent être séparés par la simple observation de leur coefficient de réflexion, mais qui ont un degré de polarisation différent de celui du fond de la scène. En d'autres termes, une image codée en degré de polarisation améliore la distinction des objets composant une scène.

Pour connaître parfaitement les propriétés de polarimétrie associées à la rétro-diffusion d'un objet, il est nécessaire de mesurer une matrice, connue sous le nom de matrice de Mueller. Le terme rétro-diffusion désigne ici la diffusion d'une onde par l'objet à la suite d'une onde incidente sur l'objet. La matrice de Mueller dépend de l'objet et notamment de l'angle d'incidence du faisceau sur l'objet, de l'angle d'observation, de la rugosité de l'objet et de son matériau. Le coefficient de réflexion, mais aussi le degré de polarisation peuvent être obtenus de cette matrice. Cependant, pour obtenir la matrice de Mueller qui comporte 16 coefficients, il est nécessaire de faire 16 mesures. Cela augmente la complexité d'un système d'imagerie donc son coût. Par ailleurs, le temps de calcul de l'image codée en degré de polarisation est augmenté, ce qui est un inconvénient pour de l'imagerie à cadence vidéo. De plus, ce grand nombre de mesures engendre une grande incertitude sur le degré de polarisation, puisque les incertitudes sur les 16 mesures s'ajoutent.

Le but de l'invention est de réduire le nombre de mesures nécessaires au codage d'une image en degrés de polarisation. A cet effet,
I'invention a pour objet un dispositif d'imagerie, caractérisé en ce que l'image d'un objet étant codée en degré de polarisation, il comporte au moins des moyens d'émission d'au moins deux ondes à polarisation elliptique vers l'objet, un détecteur des intensités des ondes rétrodiffusées par l'objet, et des moyens de traitement de signal réalisant le rapport (1i - 12)1 (1i + 12) OÛ
i, 12 sont les intensités détectée correspondant respectivement à la première et à la deuxième onde émise, le rapport étant le degré de polarisation de l'objet.

L'invention a pour principaux avantages qu'elle permet une grande rapidité d'obtention d'une image codée par polarimétrie, qu'elle améliore le contraste de l'image, qu'elle est simple à mettre en oeuvre et qu'elle est économique.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à l'aide de la description qui suit faite en regard de dessins annexés qui représentent:
- la figure 1 : par une vue synoptique, un exemple de dispositif selon l'invention;
- la figure 2 : un exemple de réalisation possible d'un dispositif selon l'invention.

Le formalisme de STOKES-MUELLER permet de décrire l'état de polarisation d'une onde monochromatique. Ce formalisme est caractérisé par un vecteur S, dit de STOKES, composé de paramètres I, Q, U et V définis par la suite. En considérant une onde qui se propage suivant un axe Oz et un repère O, x, y, tel que les axes Ox et Oy soient perpendiculaires à l'axe Oz, le vecteur Ê représentant le champ électromagnétique peut être décomposé comme suit:
EX(t) = E0x(t)cos[#t + 8x(t)] (1)
Ey(t) = E0y(t)cos[#t + by(t)] (2)
où EX(t) et Ey(t) sont respectivement les composantes du vecteur E le long des axes Ox et Oy.

# est la pulsation du champ électromagnétique, et 8x(t) et by(t) les déphasages des composantes EX(t) et Ey(t). Les composantes du vecteur S de STOKES-MUELLER sont définies par les relations suivantes:
I = E0x2 + E0y2 (3)
O=Eo2x - E0y2 (4)
U = 2EoxEoy cosô (5) V = 2E0xE0y sin# (6)
8 = 8x(t) - 8y(t) étant la différence de phase entre les deux composantes EX(t) et Ey(t) du champs.

Les composante I, Q, U, V forment les paramètres, dits de
STOKES, de l'onde émise vers la scène à observer.

La matrice M de MUELLER d'un objet en rétrodiffusion permet d'exprimer le vecteur Sr de STOKES rétrodiffusé en fonction du vecteur S de
STOKES incident, soit:
Sr=M.S (7)
Le degré de polarisation Dp(M) de la matrice M est défini selon la relation suivante, où mij représente un élément de cette matrice 4x4:

Dp(M) est une caractéristique du matériau de l'objet. Dp(M) = 0% signifie notamment que le matériau dépolarise totalement l'onde incidente et que l'onde rétro-diffusée est totalement dépolarisée, c'est-à-dire que les phases des composantes du champ rétrodiffusé sont devenues totalement incohérentes. Un exemple d'onde totalement dépolarisée est la lumière naturelle.

Dp(M) = 100% signifie que l'onde rétro-diffusée est polarisée, c'est-à-dire que les phases du champ rétro-diffusé sont totalement cohérentes.

Dp(M) < 100% signifie que l'onde rétro-diffusée est partiellement polarisée, c'est-à-dire qu'elle serait la somme d'une lumière dépolarisée et d'une vibration elliptique. En fait Dp(M) représente le taux de lumière polarisée de l'onde rétro-diffusée.

L'obtention de la matrice de MUELLER d'un objet permet donc de connaître parfaitement les propriétés de polarimétrie en rétro-diffusion de cet objet et permet donc son codage en degrés de polarisation, et éventuellement en coefficient de réflexion. Comme il a été indiqué précédemment, I'obtention de cette matrice nécessite seize mesures.

L'invention permet de réduire le nombre de mesures nécessaires au codage, de seize à deux.

La figure 1 présente, par une vue synoptique, un dispositif selon l'invention. II comporte au moins des moyens 1 d'émission de deux ondes 2, 3 vers une scéne, plus particulièrement vers un objet 4 dont l'image est à obtenir, le choix des ondes émises est décrit par la suite. Le dispositif comporte encore un détecteur 8 des intensités des ondes rétrodiffusées par l'objet 4, et des moyens de traitement de signal 9 réalisant le rapport Dp suivant:
Dp = (I -12) / (11 + 12)
où li, 12 sont les intensités détectées correspondant respectivement à la première 2 et à la deuxième 3 onde, le rapport Dp étant le degré de polarisation de l'objet comme le montre le reste de la description.

La précision du degré de polarisation peut par exemple être affinée en jouant sur l'utilisation de moyens de réceptions 5 et de moyens d'analyses particuliers 10 des ondes rétrodiffusées.

Par la suite, un vecteur de STOKES, tel que défini selon les relations (3) à (6), sera assimilé à son onde associée E0x ,E. II pourra donc être question de l'émission ou de la réception d'un vecteur de STOKES.

Selon l'invention, les matrices de MUELLER des objets composant les scènes de l'entourage quotidien sont considérées comme étant diagonales. A titre d'exemple, des matrices de MUELLER Mp et Mb correspondant respectivement à de la peinture et à du béton sont les suivantes:

Ces matrices ont déjà été définies par des méthodes à soixante quatre ou à seize mesures.

Les éléments non diagonaux des matrices sont très inférieurs aux éléments diagonaux. Ils sont sensiblement égaux à l'incertitude et peuvent être interprétés comme du bruit de mesure. La matrice M de MUELLER est donc considérée, pour un objet commun, comme ayant la forme suivante:

Son degré de polarisation D(p) est alors le suivant:
Dp = (M,1 + M + M33) / 3Moo (9)
De plus, en faisant comme hypothèse supplémentaire que l'objet possède une symétrie circulaire , c'est-à-dire en considérant que la matrice de MUELLER est la même si l'objet est tourné selon l'axe défini par le faisceau incident, perpendiculaire aux composantes Ex et Ey du champ, il vient que cette matrice M commute avec toute matrice de rotation autour de l'axe précité. II s'ensuit alors que seuls trois éléments diagonaux sont libres, c'est-à-dire que deux sont égaux. Ces trois éléments sont:
- M00 qui est le coefficient de réflexion de l'objet cible;
- M11 = M22 qui est le coefficient de dépolarisation linéaire;
- M33 qui est le coefficient de dépolarisation circulaire.

La matrice M a alors la forme suivante:

et son degré de polarisation Dp est donné par la relation suivante:
Dp = (2M11 + M33) / 3Moo (10)
Les moyens d'émission 1 comportent un élément actif permettant d'émettre deux vecteurs de STOKES judicieusement choisis. Pour cela, les moyens d'émission envoient, par exemple successivement, deux ondes elliptiques 2, 3 bien choisies vers l'objet 4. A titre d'exemple les deux vecteurs de STOKES émis sont les suivants, à un facteur scalaire près:

Le dispositif selon l'invention comporte des moyens de réception 5 et des moyens d'analyse 10 d'une onde 6, 7 rétrodiffusée par l'objet 4. Les deux vecteurs de STOKES émergeant de l'objet 4 sont:

Les moyens d'analyse 10 sont par exemple réalisés de telle sorte que les intensité |1 et 12 sortant de ce système soient en fait les produits scalaires du vecteur Vs suivant avec ces vecteurs de STOKES S1r et S2r:

Le dispositif selon l'invention comporte un détecteur 8 recueillant les intensités li et 12 précitées I, 0,5(M, +1/ 3(M,, + M,, + M33)) (11)
I2 = 0(M-1/3(M11 +M22 s + M22 + M33 )) (12)
Le dispositif selon l'invention comporte des moyens 9 de traitement du signal permettant le codage de l'image de l'objet 4 en intensité I et en degré de polarisation Dp:
I = Moo = li + 12 (13)
Dp = (M11 + M + M33) / 3Moo = (l1 - 12)1 (1i + 12) (14)
Pour le codage en degré de polarisation, le facteur 0,5 peut par exemple être supprimé dans le vecteur Vs, ce facteur n'intervenant pas dans le codage en polarisation Dp.

Ainsi il apparaît bien qu'un dispositif selon l'invention permet un codage d'une image en intensité et en degré de polarisation avec seulement deux mesures d'intensités.

La figure 2 présente à titre d'exemple, un mode de réalisation possible d'un dispositif selon l'invention. Les moyens d'émission 1 comportent par exemple, dans le sens de propagation Oz de la lumière, respectivement une diode laser 21, un polariseur 22, une cellule à cristal liquide 23 commandée en tension et une lame à retard 24. Le polariseur est par exemple à axe vertical. La source laser est par exemple une diode de puissance maximal 100 mW à 830 nm et de polarisation verticale, elle peut cependant être remplacée par tout autre type de source lumineuse par exemple monochromatique. Un système à deux miroirs 25, 26 permet d'orienter le faisceau émis et de confondre l'axe d'émission 27 avec l'axe 28 d'un télescope 29 décrit par la suite. L'élément actif est la cellule à cristal liquide 23. Cette cellule est par exemple commandée par une tension de fréquence 100 Hz permettant d'envoyer sur la lame à retard 24 une polarisation rectiligne verticale ou horizontale de l'onde fournie par la source laser 21 selon le niveau de tension, par exemple +5V ou -5V. La lame à retard 24 est par exemple une lame lambda /8 dont l'axe rapide fait un angle de -27,835 avec l'axe Oy précédemment défini, l'axe vertical, le sens positif retenu étant le sens trigonométrique.

Les moyens 5 de réception comportent par exemple un télescope 29 par exemple du type Newton. Les moyens d'analyse comportent par exemple une lame à retard 30 et un polariseur 31. Le détecteur 8 est par exemple un détecteur à transfert de charges 32. L'image de l'objet sur le détecteur 8 est formée à l'aide du télescope 29. Le premier miroir 25, suivant le sens de propagation, est par exemple parabolique et ouvert au quart de sa distance focale f/4, cette distance focale étant par exemple de 610 mm. Le deuxième miroir 26 est par exemple elliptique plan et de diamètre équivalent de 50 mm. Le système d'analyse comporte la lame à retard 30 située après le télescope, suivant le sens de propagation. Cette lame 30 est par exemple une lame lambda /8 dont l'axe rapide fait un angle de 62,615 avec l'axe Oy précité. L'axe du polariseur 31 qui suit la lame 30 est vertical.

Après le premier polariseur 22, celui des moyens d'émission, la polarisation étant rectiligne et verticale, le vecteur de STOKES correspondant est, à un facteur d'échelle près:

puisque Eox = 0, la direction verticale étant la direction de l'axe Oy.

Après la cellule à cristal liquide 23, qui agit comme une lame lambda /2 si on lui applique une tension, les deux vecteurs suivants sont obtenus selon le niveau de tension appliqué à cette cellule:

Les vecteurs Sjn1 et Sjn2 correspondent respectivement à une polarisation verticale ou horizontale opérée par la cellule à cristal liquide 23.

Ces deux vecteurs sont différents des vecteurs S1 et S2 précédents. En fait, ils diffèrent de ces derniers seulement d'une rotation de 62,615 , et cela notamment pour avoir des polarisations verticales et horizontales et faciliter ainsi la mise en oeuvre.

Après la première lame à retard 24, celle des moyens d'émission, deux vecteurs V1 et V2, respectivement images des vecteurs Sjn1 et Sjn2í sont obtenus. Mlame1 étant la matrice de MUELLER de la première lame 24, V1 et
V2 s'obtiennent selon les relations suivantes:
V1 = Mlame1.Sin1 (15) etV2 = Mïamei.Sin2 (16)
Soit, étant donné la matrice Mïamei

Ces vecteurs sont rétrodiffusés par l'objet 4 pour donner les vecteurs suivants :

Mlame2 et Mpolar2 étant respectivement les matrices de MUELLER de la deuxième lame 30 et du deuxième polariseur 31, ceux des moyens d'analyse, la matrice W des moyen d'analyse est telle que W = Mpolar2.Mlame2.

Les vecteurs de STOKES Sd1 et Sd2 des ondes pris au niveau du détecteur 8 sont alors donnés par les relations suivantes:
5d1 = W.Vir (17) et Sd2 = W.V2r (18)
Les intensités 11, 12 arrivant sur le détecteur 8 sont égales au produit scalaire de la première ligne de la matrice W avec les vecteurs Sd1, S en sortie des moyens d'analyse 30, 31. La première ligne de la matrice W du système d'analyse étant (0,5 ; -0,402 ; 0,065 ; 0,289), il vient:
I1=0,5M + O,324M11 + 0,009Mn + 0,167M33 (19)
I2 = 0,5Moo - (0,324M11 + 0,009M22 +0,167M33) (20)
On retrouve donc:
M00 = I1 + I2 et
(I1 - I2)/(I1 + I2) = (0,648M11 +0,018M22 + 0,334M33)/M00
En prenant M,1 = Maze, il vient: (1i - I2)/(I1 + 12) = (2M11 + M33) / 3M00)
Selon la relation (10): (11 - I2) / (I1 + 12) = Dp qui est le degré de polarisation.

M11 = M22 exprime en fait que par rotation du système du dispositif selon l'invention, donc du repère Oxy, la matrice de MUELLER de l'objet 4 reste inchangée. Cela assure notamment que le même degré de polarisation
Dp est mesuré quelque soit la rotation autour de l'axe de propagation 27 du faisceau envoyé vers l'objet. Le codage en intensité peut être égal à la somme des intensités détectées li + 12, par exemple à un facteur près.

Les moyens de traitement du signal 9 sont par exemple à base de microprocesseurs et de mémoires associés, ils sont par exemple compris dans un ordinateur 32 relié au détecteur 8. L'écran de l'ordinateur présente par exemple une image codée en degré de polarisation et/ou une image codée en intensité, c'est-à-dire une visualisation du codage en degré de polarisation etlou en intensité. Un dispositif selon l'invention nécessite au moins deux mesures d'intensité, il pourrait néanmoins être envisagé avec des mesures supplémentaires en cas de besoins.

Dans cet exemple de réalisation l'image est codée en intensité et en degré de polarisation, il est possible de prévoir des dispositifs selon l'invention où l'image est seulement codée en degré de polarisation.

L'invention a notamment comme avantage qu'elle améliore le contraste d'une image obtenue par polarimétrie. En effet, pour le codage en degré de polarisation, un codage en seize mesures classique a une incertitude plus grande qu'un codage en deux mesures comme pour l'invention. Le grand nombre de combinaisons linéaires effectuées sur les seize intensités mesurées augmente l'incertitude sur le degré de polarisation Dp. Par ailleurs, un codage qui ne nécessite que deux mesures permet une plus grande rapidité de traitement de l'image, et peut permettre ainsi de suivre une cadence vidéo. L'invention est aussi simple à mettre en oeuvre dans la mesure où elle ne nécessite pas de montages compliqués. A la suite des avantages précédents, elle est évidemment économique.

Claims

REVENDICATIONS

1. Dispositif d'imagerie, caractérisé en ce que l'image d'un objet (4) étant codée en degré de polarisation, il comporte au moins des moyens d'émission (1) d'au moins deux ondes (2, 3) à polarisation elliptique vers l'objet (4), un détecteur (8) des intensités des ondes rétrodiffusées par l'objet (4), et des moyens de traitement de signal (9) réalisant le rapport (Dp): (1i - 12)1 (11 + 12)

où li, 12 sont les intensités détectées correspondant respectivement à la première (2) et à la deuxième (3) onde émise, le rapport (Dp) étant le degré de polarisation de l'objet.

2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les vecteurs de STOKES associés aux ondes (2, 3) émises sont sensiblement les suivants, à un facteur scalaire près et par une matrice de rotation près autour de l'axe (Oz) de propagation des ondes:

3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de réception (5) et d'analyse (10) des ondes rétrodiffusées, réalisés de telle sorte que les intensité li 12 prises en compte par le détecteur (8) soient en fait les produits scalaires du vecteur Vs suivant avec les vecteurs de STOKES (sir, S2r) des ondes rétrodiffusées:

à un facteur scalaire près.

4. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que les deux vecteurs de STOKES, sont sensiblement:

5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens d'émission comportent au moins une source lumineuse (21) de polarisation verticale1 un polariseur (22) d'axe vertical et une cellule à cristal liquide (23) commandée en tension pour envoyer une polarisation rectiligne verticale ou horizontale de l'onde fournie par la source lumineuse selon le niveau de tension.

6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que les moyens d'émission comportent une lame à retard (24) de type lambda/8 dont l'axe rapide fait un angle sensiblement de -27,835 avec l'axe vertical (Oy), le sens positif étant le sens trigonométrique.

7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que comportant des moyens de réception (5) des ondes rétrodiffusées par l'objet (4), ces moyens (5) comportent un télescope (29) pour former l'image de l'objet (4) sur le détecteur (8), un système de deux miroirs (25, 26) permettant d'orienter le faisceau émis par les moyens d'émission de façon à confondre son axe d'émission (27) avec l'axe (28) du télescope (29).

8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que le télescope (29) est du type Newton.

9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 7 ou 8, caractérisé en ce que le premier miroir (25), suivant le sens de propagation, est parabolique.

10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 7 à 9, caractérisé en ce que le deuxième miroir (26) est elliptique plan.

11. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que comportant des moyens d'analyse (10) connectés entre les moyens de réception (5) et le détecteur d'intensités (8), les moyens d'analyse comportent une lame à retard (30) du type lambda/8 dont l'axe rapide fait un angle sensiblement de 62,615 avec l'axe vertical (Oy), le sens positif étant le sens trigonométrique.

12. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que comportant des moyens d'analyse (10) connectés entre les moyens de réception (5) et le détecteur d'intensité (8), les moyens d'analyse comportent un polariseur (31 ) à axe vertical.

13. Dispositif selon l'une quelconque des revendication précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte une codification en intensité.

14. Dispositif selon la revendication 13, caractérisé en ce que la codification en intensité est donnée par la somme des deux intensités li + 12 détectées par le détecteur (8), à un facteur près.

13. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens de traitement du signal (9) sont compris dans un ordinateur.

14. Dispositif selon la revendication 13, caractérisé en ce que l'écran de l'ordinateur présente une image de l'objet codée en polarisation et/ou en intensité.