FR2779830A1 - Procede de poursuite d'etoile et procede pour la mise en oeuvre d'un tel procede - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un procédé et un système de poursuite d'une étoile. Le système comprenant un premier réseau constitué de cellules photosensibles (3'), des moyens optiques focalisant l'image (IS') de l'étoile comprise dans son champ de vision sur la surface du réseau (3'), un second réseau (4') constitué de cellules de mémorisation de charges électriques et des moyens de commutation (K') connectant sélectivement, pendant des périodes d'échantillonnage, une cellule unique de mémorisation de charge (CMxy ) du second réseau (4') aux sorties de toutes les cellules photosensibles illuminées, des moyens d'échantillonnage des sorties des cellules de stockage de charges (CMxy ) et des moyens de calcul (CPU) recevant des signaux électriques issus de l'échantillonnage.

Description

I

PROCEDE DE POURSUITE D'ETOILE ET PROCEDE POUR LA

MISE EN OEUVRE D'UN TEL PROCEDE

La présente invention concerne un procédé de

poursuite d'étoile.

L'invention concerne également un système de poursuite d'étoile pour la mise en oeuvre du procédé, notamment un système de poursuite d'étoile embarqué sur un

satellite en orbite terrestre.

Elle concerne plus particulièrement un système de poursuite d'étoile capable d'accommoder des vitesses angulaires relatives importantes par rapport aux étoiles se

déplaçant dans le champ de vision du système.

De nos jours, les systèmes de poursuite d'étoile constituent l'un des types de capteurs pour le

positionnement des satellites modernes les plus précis.

Cependant, ils présentent un inconvénient important, car leur robustesse est très faible vis-à-vis des vitesses

angulaires relatives importantes.

En ce qui concerne la technologie utilisée, la plupart des systèmes actuels est basée sur des capteurs d'images comprenant des dispositifs à couplage de charges ou "CCD" selon la terminologie anglo-saxonne ("Charge Coupling Device"). Récemment, des capteurs d'images basés sur des systèmes de pixels actifs, ou "APS" selon la terminologie anglo- saxonne ("Active Pixel systems") ont été proposés. Ils permettent une plus grande résistance aux radiations et offrent une meilleure flexibilité pour l'accès aux pixels individuels, ces derniers étant organisés en matrice. En conséquence, ils permettent un processus de traitement des signaux de sortie des pixels plus élaboré. En outre, une telle technologie permet de diminuer le coût et le poids des dispositifs les mettant en oeuvre. Par contre, l'inconvénient de ces dispositifs est qu'ils présentent un mauvais rapport signal sur bruit, bien que ce paramètre soit

en amélioration constante du fait des progrès techniques réalisés.

Une description de dispositifs de ce dernier type

peut être trouvée, à titre d'exemple non limitatif, dans les articles suivants, auxquels on se reportera avec profit: - "Frame-Transfer CMOS Active Pixel Sensor with Pixel Binning", par Zhimin ZOU et al., "IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES", vol. 44, N 10, octobre 1997, pages 1764

à 1768;

- "TP 13.5: A 256x256 CMOS Active Pixel Image Sensor with Motion Detection", par Alex DICKINSON et al., 1995 IEEE International SolidState Circuits Conference", pages 266

à 227.

Bien que le système selon l'invention puisse utiliser les dispositifs du type "CCD", on fera appel de façon préférentielle à un dispositif du type"APS", pour les raisons qui seront précisées ci-après. Pour cette raison, sauf indications contraires, on supposera que le capteur

d'images selon l'invention est à base d'un tel dispositif.

On va maintenant rappeler succinctement le fonctionnement d'un système de poursuite d'étoile 1 selon l'art connu, par référence aux figures la à lc placées en

annexe de la présente description. Un tel système comprend

essentiellement trois composants principaux: un dispositif optique illustré schématiquement par une simple lentille L, une matrice active de pixels PA et un processeur CPU permettant le traitement des signaux de sortie de la

matrice PA.

On suppose, pour simplifier, que le système de poursuite d'étoile 1 reçoit de la lumière d'une seule étoile St. Le dispositif optique L projette la lumière émise

sur la surface sensible des pixels de la matrice PA.

L'image IS de l'étoile sur la matrice de pixels PA se réduit dans la pratique à un cercle lumineux, dont le diamètre est habituellement égal à deux ou trois fois la largeur d'un pixel, que l'on a supposé carré. Habituellement, les pixels sont exposés à la lumière de l'étoile St pendant un temps fixe, que l'on appelle "période d'intégration". Le bombardement de photons pendant la période d'intégration est converti en charges électriques par les organes photosensibles constituant les pixels exposés. À la suite de la période d'intégration, le processeur CPU "lit" les10 charges accumulées dans les pixels de la matrice PA et traite les signaux électriques correspondant pour estimer le centre de l'image de l'étoile IS. Pour ce faire, il peut être utilisé un algorithme de centrage de l'image, par exemple du type connu sous la dénomination anglo-saxonne de

"centroiding algorithme".

On va tout d'abord considérer que l'image IS est statique, c'est-à-dire que le système 1 et l'étoile ne sont pas animés de mouvements angulaires relatifs, par rapport à une perpendiculaire au plan de la matrice PA (axe A), comme illustré plus particulièrement par la figure lb. Les pixels de cette matrice PA sont arrangés en lignes et colonnes, que l'on suppose orthogonales entre elles. On a supposé que la tache produite par l'image IS est circulaire et couvre les pixels Pij à P(i+2) (j+l), avec i et j des rangs de lignes et colonnes arbitraires. La tache s'étend donc sur deux colonnes et trois lignes, dans l'exemple représenté sur la figure lb. Pour dans des conditions statiques, la tache reste projetée sur les pixels précités pendant tout la période d'intégration. Dans ce cas, le procédé de mesure est donc fiable et l'acquisition de la position du centre de la tache, c'est-à-dire en définitive la direction angulaire de l'étoile par rapport à l'axe A peut être obtenu de façon précise. Cette détermination est effectuée de façon

classique par le processeur CPU.

Par contre lorsqu'une l'étoile St et le système de poursuite d'étoile 1 sont animés d'un mouvement angulaire relatif, notamment de grande amplitude, le procédé qui vient d'être rappelé brièvement ne peut plus donner de bons résultats. En effet, comme illustré plus particulièrement par la figure lc, pendant la durée de la période d'intégration, l'image de l'étoile St, ici référencée IS', n'est plus immobile sur la surface de la matrice de pixels PA. Il s'ensuit que la tache élémentaire se déplace sur la surface suivant un axe Ad qui dépend des mouvements relatifs du satellite sur lequel est embarqué le système de poursuite d'étoile 1, par rapport à l'étoile St. La position initiale de la tache, au début de la période d'intégration, recouvre (dans l'exemple décrit sur la figure lc) les pixels référencés arbitrairement Pij à P(i+2) (j+l), soit comme précédemment deux colonnes et trois lignes. À la fin de la période d'intégration, la tache, de même surface, recouvre les pixels P(i+3) (j+3) à P(i+5) (j+4). La figure géométrique qui intègre les différentes positions prises par la tache projetée sur la surface de la matrice PA a une forme

oblongue, d'axe Ad, et délimitée par deux demi-cercles.

Il s'ensuit également que l'énergie "déposée" par l'étoile St sur les pixels de la matrice PA est dispersée sur un plus grand nombre de pixels que précédemment, ce qui a pour effet de diminuer le rapport signal sur bruit, puisque la bruit présent dans un signal de sortie de pixel est constant pour une période d'intégration donnée. Dans le cas présent, puisque la tache se déplace, le temps d'intégration pour un pixel donné est plus faible que dans le cas précédent. Cependant, et corrélativement, cela implique aussi une plus faible précision, ce qui, à la

limite, rend la détection d'une étoile impossible, si celle-

ci se déplace très rapidement par rapport au champ de vision

du système de poursuite d'étoile 1.

L'invention se fixe pour but un système de poursuite d'étoile permettant de traiter des étoiles présentant une

vitesse angulaire relative importante.

Pour ce faire, le système selon l'invention simule l'effet d'un déplacement physique des pixels de la matrice

pour suivre les mouvements relatifs de l'étoile poursuivie.

En effet, si le réseau de pixels sur lequel le dispositif optique projette l'image d'une étoile se déplaçait à la même vitesse angulaire et dans la même direction que l'étoile à poursuive, l'image resterait stationnaire sur la surface de la matrice de pixels, et on se trouverait dans le cas illustré par la figure lb. L'estimation de la position de l'étoile pourrait être effectuée de la même façon que dans

des conditions statiques, avec les mêmes avantages.

De façon pratique, on interpose un circuit supplémentaire de pixels, disposé entre la matrice de l'art

connu et le processeur, de la façon qui sera précisée ci-

après. Une cellule donnée de cet étage supplémentaire reçoit et accumule l'énergie électrique véhiculée par les signaux de sortie des différents pixels exposés à la lumière projetée de l'étoile poursuivie, ce pendant tout la période d'intégration. Il s'ensuit que cette cellule donnée "voit" l'étoile poursuivie comme si l'image de celle-ci était statique. Dans l'exemple de réalisation pratique préféré, le système de poursuite d'étoile selon l'invention exploite la flexibilité d'accès à des pixels individuels accrue offerte

par les dispositifs de type "APS" précités.

L'invention a donc pour objet un procédé de poursuite d'au moins une étoile située dans le champ de vision de moyens optiques d'un capteur d'image composé de cellules photosensibles élémentaires constituant des pixels et arrangées selon une configuration de réseau déterminée, ledit réseau comprenant au moins une rangée desdits pixels disposés suivant un axe déterminé, le procédé comprenant une étape de focalisation de l'image de ladite étoile sur la surface du réseau de cellules photosensibles de manière à les illuminer par l'énergie lumineuse irradiée par cette étoile, les cellules photosensibles convertissant en charges électriques ladite énergie lumineuse, caractérisé en ce qu'il comprend au moins les étapes suivantes: - lecture, en sortie de toutes les cellules photosensibles illuminées par ladite image pendant un intervalle de temps déterminé dit période d'intégration, de charges électriques accumulées pendant cette période d'intégration; - transfert sélectif desdites charges électriques lues dans une cellule unique de stockage de charges, ladite cellule appartenant à un réseau comprenant un nombre de cellules de stockage de charges en nombre égal auxdites cellules photosensibles et arrangées en correspondance avec ladite configuration de réseau déterminée; - lecture, par échantillonnage à une fréquence déterminée, de signaux en sortie desdites cellules de stockage, chacun desdits signaux représentant les charges électriques accumulées par l'une de ces cellules pendant des périodes d'intégration successives; - et transmission desdits signaux à des moyens de calcul, de manière à déterminer la position de ladite étoile dans ledit champ de vision, par l'intermédiaire du calcul du centre de ladite image sur la surface du réseau de cellules photosensibles. L'invention a encore pour objet un système pour la

mise en oeuvre de ce procédé.

L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques et avantages apparaîtront à la lecture de

la description qui suit en référence aux figures annexées,

parmi lesquelles: - la figure la illustre schématiquement l'architecture générale d'un système de poursuite d'étoile; - les figures la et lb sont des figures de détail illustrant la poursuite d'une étoile, avec le système de la figure la, dans des conditions statiques et dynamiques, respectivement; - la figure 2 illustre schématiquement un système de poursuite d'étoile unidimensionnel conforme à l'invention; - la figure 3 illustre schématiquement un système de poursuite d'étoile bidimensionnel conforme à l'invention; - la figure 4 illustre schématiquement l'impact de l'image d'une étoile sur des pixels d'un capteur d'image; - et les figures 5a à 6 sont des diagrammes illustrant

le calcul du rapport signal sur bruit.

On va maintenant décrire un exemple de réalisation d'un système de poursuite d'étoile selon l'invention. Dans un but de simplification, on va tout d'abord considérer que le système de poursuite d'étoile comprend un réseau d'éléments optoélectroniques unidimensionnel. La matrice formant ce réseau ne comprend donc qu'une seule ligne (ou

une seule colonne).

Un tel système est illustré schématiquement par la figure 2. Le système, ici référencé 2, comprend tout d'abord, comme précédemment, un réseau de pixels 3, se résumant à une ligne ou une colonne unique. Les pixels sont référencés po à Pn, n étant un nombre arbitraire égal au

nombre de cellules actives sensibles à la lumière ou pixels.

On appellera ci-après le réseau 3 réseau réel.

Selon une des caractéristiques importantes de l'invention, les signaux de sortie Vsl à Vsn des cellules po à Pn ne sont plus transmis directement au processeur CPU pour un traitement ultérieur, mais à un réseau intermédiaire ou virtuel 4 de cellules de mémoires CMo à CMn, cumulant les charges électriques reçues de différentes cellules optoélectroniques ou pixels po à Pn du réseau réel 3. Le nombre de cellules de stockage CMO à CMn du réseau virtuel 4

est égal au nombre n de cellules po à Pn du réseau réel 3.

On suppose que l'orientation dans l'espace du réseau unidimensionnel 3 est telle (suivant l'axe Ad) que la projection de l'image de l'étoile St (figure la) glisse le long de ce réseau de pixels po à Pn. Puisqu'il s'agit d'un réseau unidimensionnel, on a représenté l'image de l'étoile St sous la forme d'un signal rectangulaire PIS de longueur L supérieur à la largeur d'un pixel (ou cellule) élémentaire. On suppose que la vitesse de déplacement de la tache PIS sur la surface du réseau est VSt, exprimée en pixels par seconde, et que la largeur de cette tache L est très étroite par rapport aux pixels (ce qui implique un haut degré de focalisation par le dispositif optique L: figure la). Dans ce cas, le temps Tp pendant lequel l'image de l'étoile reste sur un pixel est simplement exprimé par la relation suivante: Tp = (l/VSt) (1) Il est clair que Tp constitue aussi la période optimale d'intégration d'un pixel du réseau 3. Le réseau de cellules de mémoires CMj à CMn est échantillonné avec une période d'échantillonnage Tv égale à un multiple m de Tp, soit: Tv = mTp (2) A l'aide de moyens de commutation, représentés par un simple commutateur multipositions K, les charges captées par les cellules du réseau réel 3 pendant une période d'intégration sont transmises, par décalages successifs, à une cellule CMj particulière du réseau dit virtuel 4, avec j compris entre 0 et n. De façon pratique, on réalise le commutateur K à l'aide de circuit électronique, préférentiellement en faisant appel à la même technologie que celle utilisée pour la réalisation des cellules des réseaux 3 et 4. Si le réseau 3 est du type "APS" précité, on

utilise des transistors en technologie "CMOS".

Sur la figure 2, on a représenté quatre cellules Pi-4 à Pi du réseau réel 3 reliées à la cellule CMj du réseau virtuel 4, par l'intermédiaire du commutateur K. De façon plus générale, on connecte en séquence, avec la fréquence d'échantillonnage précitée, m cellules, soit les

pixels Pi-m a Pi-

A un instant t quelconque, le signal de sortie Vs'j de la cellule de mémoire CMj obéit à la relation suivante: Vs'j = pi(t) + Pi-l(t-Tp)+Pi2(t-2Tp)+... +Pi-m(t-mTp) (3) Il est donc clair que l'image de l'étoile St "vue" par le réseau virtuel 4 apparaît stationnaire. L'énergie électrique des charges captées par m pixels, Pi-m à Pi, pendant la période d'intégration s'accumule dans une seule

cellule de mémoire, CMj, du réseau virtuel 4.

Les conditions de travail redeviennent donc celles trouvées pour le cas stationnaire et l'algorithme de détermination de centrage peut être appliqué avec la même précision que dans ce dernier cas, malgré le mouvement relatif effectif de l'étoile St et du système de poursuite

d'étoile 2.

Le système de poursuite d'étoile 2 conforme à l'invention qui vient d'être décrit présente dans la réalité peu d'intérêt du fait qu'il est unidimensionnel. Cependant, il est clair que l'invention permet la réalisation d'un système de poursuite d'étoile bidimensionnel, c'est-àdire à base d'un réseau réel de pixels arrangés suivant les lignes

et les colonnes d'une matrice à deux dimensions.

Une configuration en deux dimensions amène cependant une difficulté supplémentaire qui va être explicitée en

regard de la figure 3.

Le réseau réel, référencé 3', est similaire, per se, au réseau PA représenté sur la figure lc. Sa configuration est celle d'une matrice organisée en lignes et colonnes, se coupant orthogonalement. Comme précédemment, la tache représentant l'image IS' de l'étoile St se déplace sur la surface de la matrice 3', le long d'un axe A'd (formant, dans le cas général, un angle non nul avec les directions des lignes et des colonnes). On a supposé que, pendant la période d'intégration, le centre de la tache se déplaçait du

pixel P(i+l) (j+l) au pixel P(i+5) (j+3)-

Les charges captées par les cellules exposées à la lumière de l'étoile St sont transmises à des cellules d'une matrice de mémoire en deux dimensions 4'. Les cellules des lignes et des colonnes de cette matrice 4' sont en correspondance biunivoque avec celles de la matrice 3'. Le transfert des charges s'effectue de la manière précédemment décrite, à l'aide d'un réseau de commutateurs K', permettant de connecter des cellules ou pixels des lignes de la matrice 3' vers des cellules des lignes de la matrice 4', ou de connecter des cellules ou pixels des colonnes de la matrice

3' vers des cellules des colonnes de la matrice 4'.

Dans la pratique, il n'est généralement pas possible d'effectuer ces transferts en suivant les cellules le long de l'axe A'd. Les seules exceptions concernent des mouvements de translation de la tache projetée le long d'axes parallèles aux directions, soit des lignes, soit des colonnes, ou le long d'une diagonale (angle égal à 45 degrés). Cependant, la difficulté qui vient d'être signalée peut être facilement surmontée en assimilant le mouvement de translation le long de l'axe A'd à une séquence de mouvements en zigzags suivant les directions de lignes et de colonnes, comme le montre la ligne en pointillés partant du point "A" au point "E", dans l'exemple représenté. Chaque

segment de droite s'étend sur au moins deux pixels.

Toujours dans l'exemple représenté sur la figure 3, les opérations d'accumulations par décalages progressifs peuvent s'effectuer tout d'abord suivant le segment de droite "AB" (colonne j+l, soit du pixel P(i+l) (j+l) au pixel P(i+2) (j+l)), puis suivant le segment de droite représentant la diagonale "BC" (soit du pixel P(i+2) (j+l) au pixel P(i+3) (j+2)), puis suivant le segment de droite "CD" (colonne j+2, soit du pixel P(i+4) (j+2) au pixel P(i+5) (j+ 2)), et enfin suivant le segment de droite représentant la diagonale "DE" (soit du pixel P(i+4) (j+2) au pixel p(i+5) (j+3)) Comme dans le cas du système de poursuite d'étoile unidimensionnel 2 de la figure 2, le système de poursuite d'étoile bidimensionnel 2' permet, du fait de l'accumulation dans une seule cellule de mémoire des charges, CMxy, captées par m pixels pendant la durée d'une période d'intégration, de générer un signal unique représentant la somme de sorties de ces m pixels. La seule différence est que ces pixels ne sont plus, dans le cas général, disposés suivant une colonne ou une ligne (ce qui est équivalent à un système unidimensionnel), mais suivant un chemin approximant au

mieux la trace de la tache sur le capteur d'images, c'est-à-

dire sur la matrice 3. Le système de poursuite d'étoile bidimensionnel 2' ne souffre donc plus des limitations du

système de la figure 2.

Bien que jusqu'à présent, il ait été supposé que le réseau dit virtuel, 4 (figure 2) ou 4' (figure 3), était un réseau physique constitué de circuits électroniques, par exemple en technologie "CMOS", il est théoriquement possible d'implémenter directement ce réseau et l'algorithme correspondant d'accumulation-décalage directement dans le processeur CPU. Cependant, dans l'application préférée de l'invention, c'est-à-dire une utilisation sur un satellite en orbite terrestre, cette solution n'est pas réalisable de

façon pratique, ce pour deux raisons.

La première est due au fait que les réseaux sont typiquement constitués de matrices variant en taille entre 500x500 et 1000xO1000 pixels. Pour des vitesses angulaires relatives élevées la période d'échantillonnage Tp précité serait alors typiquement de l'ordre de 10 à 20 ms. Le taux de transfert de données requis pour la matrice réelle serait alors de l'ordre de 50 MO/s ce qui conduirait à un lien entre le processeur et les circuits de la matrice peu compatible compte tenu des technologies actuelles

disponibles.

En second lieu, les ressources de calcul des processeurs utilisés dans les systèmes de poursuite d'étoile sont sollicitées par de nombreuses tâches, tâches qui ont tendance d'ailleurs à augmenter en nombre. L'implémentation15 dans le processeur du réseau virtuel et de l'algorithme d'accumulation-décalage dans le processeur conduirait à le surcharger pour effectuer des calculs très nombreux, mais en

réalité très peu complexes.

Aussi, selon un mode de réalisation préféré de l'invention, le réseau virtuel et les circuits nécessaires à l'implémentation de l'algorithme d'accumulation-décalage seront réalisés sur une seule puce semi-conductrice en technologie dite "ASIC" selon la terminologie anglo-saxonne (pour "Application-Specific Integrated Circuit" ou circuit intégré pour des applications spécifiques), de façon préférentielle sur la même puce qui contient les circuits du

réseau réel.

De même, comme il a été indiqué, le choix de la technologie utilisée pour le réseau réel peut se porter, dans la pratique, sur deux technologies: les technologies "CCD" ou "APS". La technologie "CCD", plus ancienne, présente l'inconvénient suivant: les matrices doivent être lues par lignes (ou colonnes) consécutives. La technologie

"APS" permet un accès plus souple aux pixels individuels.

Aussi, malgré des caractéristiques de bruit moins bonnes, on préférera cette technologie, car elle est plus adaptée à la configuration requise par l'invention. On peut alors lire des cellules ou pixels successifs pour transférer les

charges dans les cellules de la matrice virtuelle.

L'implantation sur une seule "puce" d'un capteur d'image selon l'invention est plus simple en technologie "APS", car elle permet l'ajout de nouvelles fonctions sur

cette "puce".

Il est à noter que l'algorithme de détermination de centrage présuppose la connaissance de la vitesse de

déplacement de l'étoile sur le capteur d'images.

Avant de détailler plus avant cet aspect, il est utile d'exposer diverses considérations concernant les signaux utiles (reflétant l'énergie reçue des étoiles) et le bruit entachant les mesures. Pour ce faire il est nécessaire de disposer d'un modèle adapté au système de poursuite d'étoile conforme à l'invention. De même, il est nécessaire de disposer d'un modèle décrivant la lecture et

l'acquisition de signaux de pixels.

Un système de poursuite d'étoile utilise l'énergie

irradiée par une étoile pour estimer la position de celle-

ci. Pour fixer les idées, on suppose que le capteur d'images compris dans le système est uniquement sensible au spectre visible de l'étoile. Sachant que l'énergie d'un photon unique est donnée par hv, avec h constante de Planck, on peut montrer que la puissance moyenne Imv irradiée par une étoile dans la gamme du spectre visible est donnée par la formule suivante: I=106-0,4M photons (4), mu cm2 avec mv la magnitude visuelle de l'étoile St. Si on désigne par A l'ouverture efficace du capteur et ç l'angle d'inclinaison par rapport à l'axe de visée (figure 1: axe A), l'énergie moyenne du flux capturé est donnée par la formule suivante:

Fo = ImvAcosç (5).

Le dispositif optique L (figure 1) concentre le flux énergétique de l'étoile St sur le réseau de pixel. On suppose que les bords de l'image de l'étoile St sont abrupts, c'est-à-dire que le flux énergétique est homogène en tous points de l'image de l'étoile St. Le flux énergétique dû à l'illumination d'une étoile "vue" par un pixel, à un point donné et à un instant donné, est donné par la formule suivante: FSt(t) = Foe(t) (6), formule dans laquelle e(t) est le coefficient d'exposition représentant la fraction de flux capturée par un pixel à l'instant t. On suppose que l'image ISa d'une étoile St est circulaire et telle que représentée sur la figure 4. Le diamètre de l'image ISa est égal à deux fois la largeur d'un pixel que l'on suppose carré. A l'instant t, l'image circulaire recouvre partiellement quatre pixels, Pij à P(i+l) (j+l), sans déborder. Dans ce cas, le coefficient e(t)

précité est égal à 0,25.

Si le flux énergétique est donné en nombre de photons par seconde, alors le nombre de photons reçus par un pixel pendant un certain intervalle de temps est exprimé au mieux par un processus de Poisson avec un paramètre que l'on appellera uSt moyen, donné numériquement par la formule (6), dans laquelle FSt est exprimé en photons par seconde. Etant donné que le nombre de photons captés est généralement très important, le processus de Poisson peut être approximé par une distribution Gaussienne, avec les paramètres suivants:

ust moyen et une déviation standard (uSt).

Un pixel peut être modélisé comme un dispositif recevant sur son entrée un flot de photons pendant une durée d'intégration, soit l'intervalle de temps [t, t+Tp] et qui génère en sortie un nombre d'électrons à l'instant de la lecture. Les électrons générés sont transmis à un convertisseur analogique-numérique qui convertit le nombre 5 d'électron en signal numérique. Le nombre brut d'électrons, c'est-à-dire non calibré, Npr lus en sortie des pixels peut être exprimé comme suit: Npr = kfkqNSt+Ndc+Nron (7), formule dans laquelle: - kf est le taux de remplissage mesurant la fraction de surface de pixel qui est couverte de matériau

photosensible et qui représente la fraction de photons frappant le pixel qui est effectivement absorbée.

_ kq est le coefficient d'efficacité quantique représentant l'efficacité avec laquelle les photons sont convertis en électrons et dont la valeur de ce coefficient donne le nombre d'électrons générés par un photon unique absorbé. - NSt représente le nombre de photons d'étoile reçus par un pixel. C'est une variable stochastique obéissant à une distribution de Poisson avec comme paramètre /St. Du fait que le nombre de photons est important, il est possible d'approximer cette variable par une variable stochastique à distribution de Gauss avec comme paramètres gSt moyen et une déviation standard (S. en ce basant sur les formules précédemment énoncées, on peut déterminer pst comme suit: t+ Tp Sst Fo | e(t)dt (8) t Ndc représente la contribution au signal de sortie d'un pixel dû au courant d'obscurité. C'est une variable stochastique obéissant à une distribution de Poisson avec les paramètres PdcTp moyen et la déviation standard -dcTP - Nron représente la contribution au signal de sortie du bruit lu. C'est une variable stochastique obéissant à une distribution de Poisson avec le paramètre Pron moyen qui peut s'approximer par une variable stochastique obéissant à une distribution Gaussienne avec les paramètres Pron moyen et la déviation standard opr, ces paramètres étant donnés par les formules suivantes: Nron = kfkplSt + Ndc + Nron (9a) apr=kfkqpSt +dc+ron (9b) La composante moyenne du courant d'obscurité et le bruit stochastique sont normalement compensés. Deux techniques sont utilisées à cette fin. La première consiste à effectuer un échantillonnage à double corrélation: le pixel est échantillonné au début et à la fin de la période d'intégration. Le signal de sortie du pixel est égal à la différence des deux mesures. Cette disposition permet d'enlever la composante moyenne du bruit lu. Comme alternative, la composante moyenne du courant d'obscurité peut être éliminée par soustraction du signal de référence obtenu durant la calibration lorsque le capteur d'image est exposé à l'irradiation du ciel sans étoiles. Il est supposé que cette méthode permet d'éliminer complètement les composantes moyennes de bruit. Il s'ensuit que le signal de sortie calibré d'un pixel peut être exprimé par une variable Gaussienne de paramètres Pron moyen et déviation standard opr, donnés par les formules suivantes: Pron = kfkpPSt (10a)

crpr=jkfkqPst+Pdc+uron (lob).

La fréquence de lecture fp est le dernier paramètre requis pour définir un modèle de lecture de pixel. fp représente la fréquence maximale avec laquelle les pixels du réseau peuvent être lus. Elle donne essentiellement la fréquence maximale de rafraîchissement d'une matrice de

pixels d'une taille déterminée.

Le rapport signal sur bruit est un paramètre crucial pour assurer la qualité de la technique d'acquisition et de suivi d'étoile. Le rapport signal sur bruit SNR est défini pour des pixels individuels comme étant le rapport entre la valeur moyenne de la composante de signal de sortie d'un pixel illuminé et la déviation standard de la composante de bruit du signal de sortie d'un pixel non illuminé. Le rapport signal sur bruit SNR peut être interprété comme un "rapport de détectabilité DR" défini comme étant le rapport entre la valeur moyenne du signal de sortie d'un pixel illuminé et la valeur moyenne du signal de sortie d'un pixel

non illuminé.

Le rapport signal sur bruit SNR détermine la précision avec laquelle un algorithme de centrage peut être appliqué, alors que le paramètre DR détermine la fiabilité avec laquelle des pixels illuminés peuvent être distingués de pixels produisant seulement du bruit. Les paramètres SNR et DR sont numériquement identiques et dans ce qui suit le

même indice est utilisé.

Pour donner une expression plus explicite du rapport signal sur bruit, il est tout d'abord nécessaire de dériver une expression pour le nombre moyen de photons qui se déposent sur un pixel par une étoile en mouvement, ce pendant la durée de la période d'intégration. L'expression générale est celle donnée par la formule (8), formule dans laquelle Tp est la période d'intégration et F0 le flux de

photons et e(t) le coefficient d'exposition du pixel.

Naturellement le rapport signal sur bruit SNR est défini pour un pixel particulier, à chaque instant. Il varie d'un pixel à l'autre puisque, pendant la durée de la période d'intégration, différents pixels sont exposés à différents

degrés de lumière en provenance de l'étoile.

Une solution exacte de l'intégrale e(t) est impossible pour le cas général. Cependant, pour fixer les idées on peut adopter un certain nombre d'hypothèses simplificatrices et adopter le scénario simplifié suivant: l'image de l'étoile est de forme carrée parfaite; - ses bords horizontaux sont parallèles aux lignes de la matrice et égaux en longeur à un nombre nb de largeurs de pixels; - la direction de déplacement s'effectue le long d'une ligne de pixels; - son centre est situé sur le bord de deux pixels consécutifs.

Ce scénario est illustré par les figures 5a et 5b.

Sur la figure 5a, on a représenté l'image ISb d'une étoile St (figure 1) et son profil d'illumination PISb. On a supposé que nb = 2, la tache de l'image ISb s' étendant du

pixel Pij au pixel P(i+2)(j+l), qu'elle recouvre partiel-

lement.

La figure 5b est un diagramme représentant l'évolution de e(t) en fonction du temps. La valeur maximale de e(t) est égale à l/(nbxnb), de t+TS à t+2TS (t étant arbitraire). Elle est égale à zéro pour t (et des valeurs inférieures à t) et t+3TS (et des valeurs supérieures à t+3Ts) TS est le temps de balayage nécessaire pour que l'image ISb traverse un pixel. TS est égal à l'inverse de la vélocité de l'image de l'étoile, exprimée en pixels par seconde, soit:

(11),

vst np avec ç le champ de vision du capteur d'image, np la longueur en nombre de pixels du réseau et la vitesse angulaire de l'étoile. Les performances des systèmes de poursuite d'étoile dépendent, comme il a été indiqué de la vitesse angulaire relative de l'étoile. L'invention se fixant plus particulièrement comme objet de rendre plus robuste le système de poursuite d'étoile à ce paramètre, on va seulement considérer dans ce qui suit le cas d'une étoile se déplaçant à grande vitesse. Il est naturellement entendu que le système selon l'invention convient parfaitement au cas des étoiles immobiles, quasi immobiles ou des cas intermédiaires. Une étoile se déplaçant à grande vitesse implique un temps de balayage TS très faible par rapport au temps d'intégration de pixel que l'on appellera Tu. Ce cas est illustré schématiquement par le diagramme de la figure 6, représentant e(t) en fonction du temps. On retrouve, comme précédemment, une courbe en trapèze, mais de faible durée par rapport à la durée de la période d'intégration Tp. Le nombre moyen de photons déposés sur un pixel par une étoile en mouvement pendant la période d'intégration Tp est donné par la formule ci-dessous: t+T FT Est=Fo J e(t)dt= S (12) t b En mode de poursuite conventionnel, c'est-à-dire avec des systèmes de poursuite d'étoile selon l'art connu, le rapport signal sur bruit est donné par la formule: %oTS k k

R nb,f q (13).

SNR = +|dJTu +lMron Si on met en oeuvre le système de poursuite d'étoile selon l'invention, avec une accumulation dynamique, le rapport signal sur bruit SNR devient: F T m Skkq

SNR f (14).

$-dc Tu + mpron Si on compare les formules (15) et (16), on constate une amélioration sensible de ce rapport signal sur bruit SNR. En fonction du poids relatif du courant d'obscurité et du bruit de sortie lu, l'amélioration du rapport signal sur bruit SNR est compris entre un minimum10 égal à -x6 (dans ce cas le bruit de sortie lu est prépondérant sur le bruit d'obscurité) et un maximum égal à

m (dans ce cas, le courant de bruit d'obscurité est prépondérant sur le bruit de sortie lu).

Puisque le temps de balayage TS est inversement proportionnel à la vitesse angulaire relative de l'étoile, le système selon l'invention permet donc d'accroître la robustesse par un facteur compris dans la gamme précitée,

soit de -i[ à m.

Comme il a été précédemment indiqué, en regard de la figure 3, l'algorithme permettant de suivre le mouvement de l'image sur les pixels de la matrice (dans le cas général d'une matrice à deux dimensions) nécessite de connaître la vitesse de déplacement de la tache et sa direction, pour que l'on puisse approximer la diagonale de déplacement (axe A'd) à une séquence de segments de droites (courbe en escalier), alternativement horizontaux et verticaux (lignes et colonnes

de la matrice).

Pour ce faire plusieurs méthodes peuvent être mises en oeuvre. En général, il est procédé à une acquisition initiale (par exemple juste après le lancement du satellite). Lors de cette acquisition initiale, le système de poursuite d'étoile fonctionne de façon conventionnelle (selon l'art connu). Une fois les paramètres nécessaires acquis, le système est commuté de façon à fonctionner

conformément au procédé de l'invention.

A la lecture de ce qui précède, on constate aisément que l'invention atteint bien les buts qu'elle s'est fixés. Il doit être clair cependant que l'invention n'est pas limitée aux seuls exemples de réalisations explicitement

décrits, notamment en relation avec les figures 2 à 6.

Il doit être clair aussi que, bien que particulièrement adaptée à la réalisation de systèmes de poursuite d'étoile, notamment embarqués sur un satellite en orbite terrestre, on ne saurait cantonner l'invention à ce seul type d'applications. Elle s'applique toutes les fois que l'on poursuit une cible en mouvement dans le champ de vision du système avec une vitesse angulaire connue. On peut également appliquer le système selon l'invention à la

compensation des mouvements d'un capteur d'images.

Claims (7)

REVENDICATIONS

1. Procédé de poursuite d'au moins une étoile (St) située dans le champ de vision de moyens optiques (L) d'un capteur d'image composé de cellules photosensibles élémentaires constituant des pixels et arrangées selon une configuration de réseau déterminée (3), ledit réseau comprenant au moins une rangée desdits pixels disposés suivant un axe déterminé, le procédé comprenant une étape de focalisation de l'image (IS) de ladite étoile (St) sur la surface du réseau de cellules photosensibles de manière à les illuminer par l'énergie lumineuse irradiée par cette étoile (St), les cellules photosensibles convertissant en charges électriques ladite énergie lumineuse, caractérisé en ce qu'il comprend au moins les étapes suivantes: - lecture, en sortie (VSi-4 à Vsi) de toutes les cellules photosensibles (Pi-4 à Pi) illuminées par ladite image (PIS) pendant un intervalle de temps déterminé, dit périodes d'intégration, de charges électriques accumulées pendant cette période d'intégration; - transfert sélectif desdites charges électriques lues dans une cellule unique de stockage de charges (CMx), ladite cellule appartenant à un réseau (4) comprenant un nombre de cellules de stockage de charges (CMo à CMn) en nombre égal auxdites cellules photosensibles (po à Pn) et arrangées en correspondance avec ladite configuration de réseau déterminée; - lecture, par échantillonnage à une fréquence déterminée, de signaux en sortie desdites cellules de stockage (CMo à CMn) chacun desdits signaux (V'sx) représentant les charges électriques accumulées par l'une de ces cellules (CMx) pendant des périodes d'intégration successives; - et transmission desdits signaux (V'sx) à des moyens de calcul (CPU), de manière à déterminer la position de ladite étoile (St) dans ledit champ de vision, par l'intermédiaire du calcul du centre de ladite image (PIS) sur la surface du réseau (3) de cellules photosensibles.

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'image (PIS) d'une desdites étoiles (St) se déplaçant sur la surface dudit réseau (3) de cellules photosensibles (po à Pn) avec une vitesse déterminée, ladite période d'intégration est égale à un multiple

entier de l'inverse de ladite vitesse déterminée.

3. Procédé selon les revendications 1 ou 2,

caractérisé en ce que ledit réseau étant constitué par une matrice bidimensionnelle (3') pour laquelle lesdites cellules photosensibles sont arrangées en lignes et en colonnes, orthogonales entre elles, et ladite image (IS') de l'étoile (St) se déplaçant sur la surface dudit réseau (3') suivant une direction (A'd) formant un angle non nul avec les directions des lignes et des colonnes, de manière à ce que son centre parcourt, pendant une desdites périodes d'échantillonnage, un segment de droite délimité par deux cellules photosensibles extrêmes (P(i+l) (j+l), P(i+5)(j+3)), ledit segment de droite est assimilé à une suite de segments élémentaires (AB à DE), alternativement parallèles aux lignes, aux colonnes ou à une diagonale de ladite matrice (3'), chacun desdits segments de droite élémentaires (AB à DE) s'étendant sur au moins deux cellules photosensibles, et en ce que les charges accumulées dans les cellules photosensibles appartenant à tous ces segments élémentaires sont transférées dans ladite cellule de stockage unique (Mxy) pendant ladite

étape de lecture en sortie des cellules photosensibles.

4. Procédé selon l'une quelconque des

revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comprend une

étape préliminaire consistant, pour chacune desdites étoiles (St) à déterminer sa vitesse et la direction (A'd) du déplacement de son image (IS') sur la surface dudit

réseau (3').

5. Système de poursuite d'au moins une étoile (St) pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque

des revendications précédentes, le système comprenant un

réseau de cellules photosensibles (3, 3') et des moyens optiques (L) focalisant l'image (IS, IS') de chacune desdites étoiles (St) comprises dans son champ de vision sur la surface dudit réseau, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un second réseau (4, 4') constitué de cellules de mémorisation de charges électriques et des moyens de commutation (K, K') connectant sélectivement, pendant lesdites périodes d'échantillonnage, une cellule unique de mémorisation de charges (CMx, CMxy) dudit second réseau (4, 4') aux sorties de toutes les cellules photosensibles illuminées (Pi-4 à Pi), pendant une période d'échantillonnage, par ladite étoile (St), et des moyens d'échantillonnage des sorties des cellules de stockage de charges (CMO à CMn) dudit second réseau (4, 4') et des moyens de calcul (CPU) recevant des signaux électriques

(Vs'x) issus dudit échantillonnage.

6. Système selon la revendication 5, caractérisé en ce que ledit réseau de cellules photosensibles (3, 3') et ledit réseau de cellules de mémorisation de charges électriques (4, 4') sont bidimensionnels et en ce que les cellules de ces réseaux sont organisées suivant une configuration matricielle, en lignes et colonnes

orthogonales entre elles.

7. Système selon les revendications 5 ou 6,

caractérisé en ce que ledit réseau de cellules photosensibles (3, 3') et ledit réseau de cellules de mémorisation de charges électriques (4, 4') sont réalisés en technologie dite à pixels actifs, de manière à pouvoir

accéder individuellement aux cellules desdits réseaux.