FR3000032A1 - Dispositif et procede de capture d'images pour satellite - Google Patents

Abstract

La présente invention concerne un dispositif d'observation et d'acquisition d'images dans l'espace, pour satellite d'observation qui comprend un instrument de prise de vue pointant vers une cible observée, apte à recevoir un signal lumineux provenant de ladite cible et à délivrer une vue de ladite cible sous forme d'un signal analogique, un module d'acquisition vidéo apte à intégrer successivement ledit signal analogique à une fréquence donnée et à délivrer pour chaque intégration une séquence d'échantillons numériques à une périodicité prédéfinie, et un module de traitement couplé au module d'acquisition apte à effectuer sur chaque séquence d'échantillons numériques des calculs consistant à sélectionner parmi les échantillons numériques de chaque séquence l'échantillon de valeur maximale inférieur à la saturation.

Description

Dispositif et Procédé de capture d'images pour satellite Domaine technique L'invention concerne le domaine des satellites et en particulier l'observation du sol à partir d'un satellite. Etat de la technique La terre vue de l'espace présente la particularité que la luminosité peut être très fortement variable, et ce en des zones parfois très petites par rapport à la taille de la zone observée depuis un satellite. Par ailleurs, la variation de luminosité est difficilement prédictible, ceci pouvant être dû par exemple à des réflexions solaires sur des nuages ou sur des étendues d'eau. Les instruments d'observation de la terre utilisent couramment des matrices de photoéléments ou des lignes de photoéléments qui, par des prises de vues synchronisées avec le défilement du satellite, reconstituent des images équivalentes à celles prises par des matrices. Pour des raisons de simplification de l'exposé, l'ensemble de la ou des matrices de photoéléments présentes dans un instrument d'observation, ou l'ensemble des lignes de photoéléments sont désignés par la suite le 'capteur' A ce capteur est associée une électronique de lecture et de numérisation et l'ensemble capteur plus électronique est généralement désigné comme 'ensemble de détection'. L'ensemble de détection est inséré dans une 'chaîne image' qui assure le transfert des images depuis le capteur jusqu'à leur émission sous forme de signaux radio vers une station sol de réception. L'électronique de la chaîne image répond à des contraintes très spécifiques du domaine spatial, qui sont : - une forte intégration pour diminuer masse et volume ; - une faible consommation d'énergie ; - une haute fiabilité pour répondre aux exigences de durée de vie sans maintenance (de l'ordre de 5 à 15 ans) ; - une tenue aux radiations et aux sollicitations mécaniques et thermiques sévères de l'environnement spatial. De surcroît, la particularité dans les applications spatiales pour l'électronique de détection par rapport aux 10 autres applications commerciales ou industrielles est la haute résolution radiométrique de la chaîne : de un à quelques bits de poids faible pour des échantillons de 12 à 16 bits. Pour s'adapter aux variations de luminance d'une scène 15 observée, les solutions existantes consistent à ajuster la sensibilité du capteur « à priori » en anticipant le niveau de signal de l'image à acquérir et en ajustant le temps d'intégration du capteur. Un tel pré-ajustement ne résout que partiellement le problème rencontré, car: 20 - un temps d'intégration trop faible a l'inconvénient de ne pas permettre la détection d'objets faiblement lumineux présents dans la scène ou bien d'avoir une image noyée dans le bruit de mesure de l'instrument, en dehors des zones très fortement lumineuses ; et 25 - un temps d'intégration trop important a l'inconvénient de saturer l'image sur de grandes zones, avec un risque de débordement de la saturation sur les photoéléments adjacents à la zone saturée. Par ailleurs, il ressort à l'évidence qu'il résulte un 30 risque important d'erreur de prédiction de la luminance. Des systèmes de détection plus élaborés disposent également de commandes permettant d'ajuster le gain du signal en sortie de capteur, à temps d'intégration donné. Ce réglage de gain peut intervenir sur tout le capteur ou sur un ou plusieurs ensembles de lignes ou colonnes. Dans d'autres approches, le capteur est doté de systèmes d'anti-éblouissement de façon à ce qu'une saturation locale du 5 capteur n'entraîne pas de dégradation sur tout un ensemble de lignes ou de colonnes de photoéléments par des effets de débordements « électroniques » des charges électriques de photoéléments aux photoéléments suivants. Ces solutions présentent l'inconvénient d'adapter le niveau de signal 10 recherché à des zones relativement importantes et de ne pas permettre de traiter les problèmes très locaux. Par ailleurs, les réglages sont également effectués à priori et ils nécessitent de prévoir un réglage sur un seuil bas pour se prémunir des risques de saturation, cependant renonçant à 15 détecter des objets dans l'image ayant une luminosité faible. De plus, dans les différentes solutions connues, l'ensemble de détection doit également disposer d'un système de numérisation du signal avec une dynamique importante et un faible bruit intrinsèque, afin de tolérer des variations les 20 plus importantes possibles de la luminosité de la scène observée. Ceci complexifie le système complet et en augmente son coût. Une autre solution connue pour résoudre le problème posé est d'utiliser un capteur à réponse logarithmique ayant une 25 dynamique très élevée, pouvant atteindre 120 dB. Cette solution est plus simple d'utilisation car elle ne requière pas de traitement numérique dans l'électronique de lecture et de numérisation, mais elle nécessite de linéariser le signal en sortie de capteur, ce qui introduit une erreur qui n'est pas 30 forcément compatible avec les exigences d'une mission spatiale. Ainsi les solutions connues présentent les inconvénients précités. Il existe alors le besoin d'une solution qui palie à ces inconvénients. La présente invention vise à remédier aux limitations existantes en proposant un nouveau système d'acquisition et de traitement d'images pour satellite d'observation. Résumé de l'invention La solution proposée permet une saisie d'images basée sur une séquence d'accumulation, de lecture et de réinitialisation pour l'ensemble de la matrice de photodétecteurs, séquence dans 10 laquelle une ou plusieurs lectures sont effectuées sans réinitialisation, soit pour l'ensemble, soit pour une partie des photodétecteurs de la matrice. Avantageusement, la présente invention s'applique à 15 l'observation optique satellitaire mais elle est également applicable à des observations aéroportées. Avantageusement, la présente invention opère en traitement automatique temps réel, au sein d'une même image, permettant à 20 la fois de se prémunir de saturations locales, tout en détectant des objets faiblement lumineux en d'autres endroits de l'image. Toujours avantageusement, la présente invention permet d'augmenter la dynamique de détection d'un photoélément donné 25 sans connaître à priori la luminance locale d'une image. Ainsi, l'invention a pour objet un dispositif d'observation et d'acquisition d'images dans l'espace, pour satellite d'observation. Le dispositif comprend : 30 - un instrument de prise de vue pointant vers une cible observée, apte à recevoir un signal lumineux provenant de ladite cible et à délivrer une vue de ladite cible sous forme d'un signal analogique; un module d'acquisition vidéo apte à intégrer successivement ledit signal analogique à une fréquence donnée et à délivrer pour chaque intégration une séquence d'échantillons numériques à une périodicité prédéfinie ; et - un module de traitement couplé au module d'acquisition apte à effectuer sur chaque séquence d'échantillons numériques des calculs consistant à sélectionner parmi les échantillons numériques de chaque séquence l'échantillon de valeur maximale inférieur à la saturation.

Dans un aspect particulier de l'invention, l'instrument de prise de vue comporte une optique et une pluralité de photoéléments, et chaque séquence d'échantillons numériques est délivrée pour chacun des photoéléments.

Dans un aspect particulier de l'invention, le module d'acquisition comprend un amplificateur de signal et un convertisseur analogique-numérique.

Dans un aspect particulier de l'invention, le module de traitement comprend des moyens de traitements numériques pour compresser les échantillons numériques sélectionnés sous forme d'images dites images compressées.

Dans un aspect particulier de l'invention, le dispositif comprend en outre un module de stockage pour stocker les images éventuellement compressées. Dans un aspect particulier de l'invention, le dispositif 30 comprend des moyens de radio-transmission pour transmettre les images vers le sol. Dans un aspect particulier de l'invention, les moyens de transmission comprennent en outre des moyens aptes à effectuer des fonctions de cryptage, de modulation, de conversion en fréquence et d'amplification sur les images compressées. Dans une variante d'implémentation, les calculs du module de 5 traitement sont opérés par un programme d'ordinateur. L'invention a également pour objet un satellite d'observation qui comprend le dispositif d'observation et d'acquisition d'images dans l'espace selon l'invention. 10 L'invention a également pour objet un procédé d'observation et d'acquisition d'images dans l'espace qui comprend les étapes de : - recevoir un signal lumineux provenant d'une cible observée 15 par un instrument de prise de vue ; - délivrer un signal analogique comme vue de ladite cible ; - intégrer successivement ledit signal analogique à une fréquence donnée ; délivrer pour chaque intégration une séquence 20 d'échantillons numériques à une périodicité prédéfinie ; - sélectionner parmi les échantillons numériques de chaque séquence l'échantillon de valeur maximale inférieur à la saturation; et - transmettre les échantillons sélectionnés vers une station 25 sol. Dans un aspect particulier du procédé de l'invention, l'étape de sélection est exécutée par un programme d'ordinateur, lorsque ledit programme est exécuté sur un ordinateur. 30 L'invention a également pour objet un produit programme d'ordinateur comprenant le programme d'ordinateur pour exécuter la fonction de sélection.

L'invention a également pour objet un satellite d'observation comportant au moins une plateforme spatiale d'accueil et un système d'observation et d'acquisition d'images dans l'espace selon l'invention, ledit système étant embarqué sur ladite plateforme. Description des figures D'autres caractéristiques et avantages de l'invention 10 apparaîtront à l'aide de la description qui suit faite en regard des dessins annexés qui représentent : La figure 1, un synoptique de l'architecture d'un satellite d'observation selon l'invention; 15 La figure 2, une représentation schématique d'une séquence d'acquisition et de traitement des images selon le principe de la présente invention ; 20 La figure 3, un chronogramme de l'acquisition d'images selon les principes de l'invention ; La figure 4, un synoptique du traitement numérique des images dans un exemple d'implémentation. 25 Description détaillée de l'invention La figure 1 décrit une architecture fonctionnelle d'un 30 satellite d'observation 100 selon l'état de l'art. Un tel satellite a pour fonction la prise d'images, terrestres ou spatiales, il peut être à basse altitude ou géostationnaire, en orbite autour de la terre ou d'une autre planète, ou même en vol interplanétaire. 8 3000032 Le satellite d'observation 100 comporte une plateforme d'accueil sur laquelle est embarqué un module instrument 120. Le module instrument 120 comporte un instrument de prise de vue 121, par exemple un instrument optique tel qu'un télescope spatial, qui reçoit la lumière provenant d'un cible à surveiller, par exemple une région de la surface du globe terrestre ou une région de l'espace, laquelle est réfléchie sur un ou plusieurs miroirs constituant le télescope, puis concentrée en un point du plan focal dudit télescope. Le plan focal comporte une matrice de photoéléments 122. Les charges électriques générées par la conversion en énergie électrique des photons reçus et accumulées dans les photoéléments sont amplifiées, corrigées des biais et filtrées dans un module d'acquisition vidéo 123. Ce signal analogique est ensuite numérisé, via un convertisseur analogique numérique pour obtenir une image numérique de la cible à un instant donné. L'ensemble des images ainsi numérisées dans une même saisie constituent des séquences d'échantillons, chaque séquence d'échantillon étant issue d'un même photoélément de la matrice de photoéléments 122. Ainsi, avantageusement l'invention permet de faire plusieurs numérisations intermédiaires d'un même signal intégré, sans réinitialisation, ce qui constitue la séquence d'échantillons issus d'un même photoélément.

Un module de traitement des données 124 est couplé au module d'acquisition vidéo pour opérer le procédé de la présente invention tel que détaillé plus loin en référence aux figures 4 et 5.

Les données issues du module de traitement 124 peuvent être stockées dans la mémoire de stockage à bord. Avant stockage, les données peuvent être compressées dans un module de compression couplé au module de traitement. A cet effet, un dispositif de compression numérique d'images en temps réel est inséré entre le module de traitement numérique 124 et la mémoire de stockage d'images 125. Ainsi, le flux de données d'images est compressé en temps-réel avant stockage ce qui permet d'économiser la place en mémoire et de rester compatible du dimensionnement de cette mémoire. Les images compressées stockées peuvent ensuite être transmises vers le sol par des moyens de radio-transmission 126 lorsque le satellite se trouve en visibilité d'une station de contrôle au sol.

La figure 2 montre sous une représentation schématique une séquence d'acquisition et de traitement des images selon le principe de la présente invention. Les éléments identiques entre la figure 1 et la figure 2 portent les mêmes références. La chaîne image fonctionne selon le principe suivant : - les images captées par l'instrument 120 sur la matrice de photoéléments 122 sont fournies comme signal analogique d'entrée 220 du module d'acquisition vidéo 123. - Les signaux analogiques sont convertis en signaux numériques 228 par les circuits du module d'acquisition qui comprennent au moins un amplificateur de signal 222 et un convertisseur analogique-numérique (CAN) 224. Un circuit d'asservissement 226 en gain et en offset (correction de biais) peut être inclus en contre-réaction entre la sortie du CAN et l'amplificateur 222. - Le module d'acquisition 123 transmet les signaux numérisés 228 au module de traitement 124. Le module de traitement comprend des moyens pour échantillonner les signaux reçus selon le principe de l'invention. Il peut aussi comprendre des circuits pour réaliser la compression des images. Le flux de données d'images est compressé en temps-réel avant stockage ce qui permet d'économiser la place en mémoire 125 et permet de rester compatible du dimensionnement de cette mémoire. 10 3000032 Les données numériques traitées 230 sont stockées sous forme stockage 125, aussi appelée de fichier image dans le module de mémoire de masse. Les fichiers images sont ensuite 5 transmission 126 pour effectuer modulation, de conversion en transmis à l'équipement de des fonctions de cryptage, de fréquence et d'amplification avant d'aller vers l'antenne pointée vers la station de réception au sol. 10 La figure 3 montre un chronogramme de l'acquisition d'images selon les principes de l'invention. De façon générale, le signal électrique proportionnel à la luminance de la cible (en ordonnée) est intégré pendant une durée programmable (en abscisse), puis réinitialisé pour recommencer une nouvelle 15 intégration au bout d'un temps d'intégration noté 'Ti' qui correspond à la fréquence « image ». Pendant l'intégration, le signal va être lu plusieurs fois, sur tout ou sur une partie de la matrice de photoéléments, sans effectuer de réinitialisation du signal intégré. Le signal est lu au bout d'un premier temps 20 Ti, puis avec une périodicité T2 dite élevée. De manière préférentielle, Tl correspond au temps minimal nécessaire pour avoir un signal supérieur au bruit intrinsèque à l'instrument dans le cas de cibles très lumineuses, T2 correspond à la périodicité la plus rapide possible compatible 25 de la technologie des circuits électroniques de numérisation et de traitement. Des valeurs préférentielles sont T1=5ms, T2=30ms et un temps d'intégration Ti=ls. L'exemple de la figure 3 illustre deux intégrations 30 successives à la période Ti, avec réinitialisation entre les deux intégrations. Chaque intégration comprend quatre lectures intermédiaires (L1, L2, L3, L4) sans réinitialisation, chaque lecture intervenant après avoir intégré le signal pendant une durée de Ti, Tl+T2, T1+2*T2 et T1+3*T2.

Le procédé de l'invention consiste à effectuer à la périodicité T2 un traitement sur le signal numérisé de chaque photoélément. A chaque lecture, la valeur du signal est comparée à un niveau seuil. La valeur seuil peut être prédéfinie ou programmable. Quand le signal lu dépasse le niveau seuil, la valeur du signal est mémorisée et les acquisitions suivantes pour le photoélément lu ne sont pas prises en compte car elles risquent de conduire à la saturation du photoélément. Si le signal est inférieur au seuil, le traitement est renouvelé à l'acquisition suivante où il aura été intégré pendant une durée augmentée de la période T2. A la fin d'une période d'intégration, un niveau de signal est disponible pour chaque photoélément avec son temps d'intégration associé.

Les données alors issues du traitement sont transmises au sol à la cadence Ti, avec des données auxiliaires permettant de reconstituer la durée d'intégration choisie. Sur l'exemple de la figure 3, les données auxiliaires peuvent être constituées de 2 bits permettant de savoir quel est 20 le temps d'intégration retenu parmi les 4 valeurs possibles Tl, T1+T2, T1+2*T2 et T1+3*T2. La figure 3 est un exemple choisi pour décrire le principe de l'invention, cependant des traitements plus élaborés ou complémentaires peuvent être implémentés dans le module de 25 traitement. Avantageusement, il est possible d'ajouter une fonction afin de déterminer le nombre de photoéléments saturés ou au dessus du seuil sur une image à la cadence Ti de manière à adapter le gain du photoélément ou la durée maximale d'intégration Tl+nT2 pour l'intégration suivante de la même 30 zone. Le module de traitement offre un fonctionnement qui permet de réduire la dynamique nécessaire du convertisseur de signal analogique-numérique. Le nombre de bits de ce convertisseur peut être réduit, laissant la place pour des données auxiliaires et permettant ainsi de ne pas augmenter le débit bord-sol et d'utiliser des convertisseurs moins onéreux ou plus rapides. La figure 4 illustre sous un synoptique le traitement 5 numérique des images dans un exemple d'implémentation. Le procédé général comprend un traitement associé à chaque photodétecteur opéré à chaque acquisition d'une séquence de saisie d'image. Après la numérisation d'une séquence d'échantillons (402) de la matrice de photodétecteurs, les 10 échantillons issus d'un même photoélément sont traités successivement. La figure 4 illustre les échantillons (402-i, 402-(i+1), 402-(i+2)) pour trois photoéléments, mais l'homme de l'art étendra les principes décrits sur cet exemple simplifié à une matrice comprenant une pluralité de photoéléments. Pour 15 chaque photoélément, un nombre 'n' d'échantillons est lu à une périodicité définie. Dans l'exemple choisi, quatre lectures (n=4) d'échantillons sont effectuées aux instants (TO+Tl, T0+Tl+T2, T0+T1+2*T2, T0+T1+3*T2). A chaque lecture (404) d'un échantillon 'k', le procédé 20 permet de comparer (406) la valeur lue à une valeur seuil préétablie. Si la valeur lue de l'échantillon est supérieure au seuil préétabli (sortie OUI), la valeur de l'échantillon est transmise avec son index 'k' (408). 25 Si la valeur lue de l'échantillon est inférieure au seuil, préétabli, l'échantillon est rejeté (sortie NON). Dans une étape suivante, le procédé teste si l'échantillon traité est le dernier pour le photoélément en cours. Si l'échantillon est le dernier (k=n), la valeur de l'échantillon 30 est transmise (412) avec son index 'k'. Si l'échantillon traité n'est pas le dernier (k<n) pour le photoélément en cours, le procédé permet d'incrémenter l'index de l'échantillon (414) et l'échantillon d'index suivant est traité (404).

Le procédé permet la transmission du signal vidéo traité (420) provenant soit de l'étape 408 ou de l'étape 412 selon la première des deux conditions atteintes (416). Ainsi, pour chaque acquisition d'un photoélément, seul 5 l'échantillon supérieur à la valeur seuil ou si le seuil n'a pas été atteint le dernier échantillon lu avant une réinitialisation de la séquence de saisie d'image, est transmis avec son index. Avantageusement, à la sortie du traitement numérique, il est 10 possible de reconstituer une acquisition « absolue ». La présente invention a pour avantage de permettre un temps d'intégration des images relativement long avec une dynamique détecteur modérée, compatible des technologies actuelles. Un 15 temps d'intégration relativement long permet en effet de détecter des objets peu lumineux par rapport au fond de l'image. Par ailleurs, la saturation des photoéléments soumis à un éclairement local plus important dû à la présence d'objets particuliers est évitée par le procédé de l'invention, qui 20 réduit automatiquement et de façon adaptative, le temps d'intégration sur les photoéléments impactés. De tels objets peuvent être des missiles en phase propulsée, des avions avec post-combustion, des feux de forêt, des éruptions volcaniques ou des reflets du soleil sur des nuages, sur des plans d'eau ou sur 25 toute surface plane réfléchissante. Le procédé automatique de l'invention permet par ailleurs de ne transmettre qu'une image, avec la meilleure qualité possible sans saturation comparé aux procédés connus utilisant des capteurs à lecture non destructive qui transmettent l'ensemble des images prises entre deux 30 réinitialisations conduisant à des débits de transmissions et des volumes de stockage bien plus importants. Ainsi la présente description illustre une implémentation préférentielle de l'invention, mais n'est pas limitative. Un exemple a été choisi pour permettre une bonne compréhension des principes de l'invention, et une application concrète, mais il n'est en rien exhaustif et doit permettre à l'homme du métier d'apporter des modifications et variantes d'implémentation en gardant les mêmes principes. La présente invention peut s'implémenter à partir d'éléments matériel et/ou logiciel. Une partie de l'invention peut être disponible en tant que produit programme d'ordinateur sur un 10 support lisible par ordinateur. Le support peut être électronique, magnétique, optique, électromagnétique ou être un support de diffusion de type infrarouge. De tells supports sont par exemple, des mémoires à semi-conducteur (Random Access Memory RAM, Read-Only Memory ROM), des bandes, des disquettes 15 ou disques magnétiques ou optiques (Compact Disk - Read Only Memory (CD-ROM), Compact Disk - Read/Write (CD-R/W) and DVD).

Claims (2)

1. REVENDICATIONS1. L Un dispositif d'observation et d'acquisition d'images dans l'espace, pour satellite d'observation (100), comprenant : un instrument de prise de vue (120) pointant vers une cible observée, apte à recevoir un signal lumineux provenant de ladite cible et à délivrer une vue de ladite cible sous forme d'un signal analogique (220) ; un module d'acquisition vidéo (123) apte à intégrer successivement ledit signal analogique à une fréquence donnée et à délivrer pour chaque intégration une séquence d'échantillons numériques (402) à une périodicité prédéfinie ; et un module de traitement (124) couplé au module d'acquisition apte à effectuer sur chaque séquence d'échantillons numériques des calculs consistant à sélectionner parmi les échantillons numériques de chaque séquence l'échantillon de valeur maximale inférieur à la saturation.
2. 2. Le dispositif selon la revendication 1 dans lequel l'instrument de prise de vue comporte une optique (121) et une pluralité de photoéléments (122) et où chaque séquence d'échantillons numériques est délivrée pour chacun des photoéléments. 1 Le dispositif selon la revendication 2 dans lequel le module d'acquisition comprend un amplificateur de signal (222) et un convertisseur analogique-numérique (224). 4. Le dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 où le module de traitement comprend en outre des moyens de compression pour compresser les échantillons numériques sélectionnés sous forme d'images compressées.5. Le dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 comprenant en outre un module de stockage (125) pour stocker les images compressées. 6. Le dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 comprenant en outre des moyens de radio-transmission (126) pour transmettre les images vers le sol. 7. Le dispositif selon la revendication 6 dans lequel les moyens de transmission comprennent en outre des moyens apte à effectuer des fonctions de cryptage, de modulation, de conversion en fréquence et d'amplification sur les images compressées. 8. Le dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 pour lequel les calculs du module de traitement sont opérés par un programme d'ordinateur. 9. Un satellite d'observation comprenant un dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8. 10.Un procédé d'observation et d'acquisition d'images dans l'espace comprenant les étapes de : recevoir un signal lumineux provenant d'une cible observée par un instrument de prise de vue ; délivrer un signal analogique comme vue de ladite cible ; intégrer successivement ledit signal analogique à une fréquence donnée ; délivrer pour chaque intégration une séquence d'échantillons numériques à une périodicité prédéfinie ; sélectionner parmi les échantillons numériques de chaque séquence d'échantillons numériques l'échantillon de valeur maximale inférieur à la saturation; et- transmettre les échantillons sélectionnés vers une station sol. 11.Le procédé selon la revendication 10 dans lequel l'étape de sélection est exécutée par un programme d'ordinateur, lorsque ledit programme est exécuté sur un ordinateur. 12.Un produit programme d'ordinateur comprenant le programme d'ordinateur selon la revendication 11.