FR3064757A1 - Dispositif de calibration d'un systeme d'imagerie et procede de calibration associe - Google Patents

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Abstract

L'invention concerne un dispositif de calibration (22) d'un système d'imagerie (14) pour porteur mobile (10), le système d'imagerie (14) comportant : - un panneau de support (16), - un réseau antennaire (46) comportant des éléments rayonnants (48) disposés sur le panneau de support (16), et - des senseurs optiques (20) propres à fournir des images et disposés sur le panneau de support (16), le dispositif de calibration (22) comprenant au moins un générateur (50) de mire optique, chaque générateur (50) étant solidaire du panneau de support (16).

Description

Titulaire(s) : THALES Société anonyme.
Demande(s) d’extension
Mandataire(s) : CABINET LAVOIX Société par actions simplifiée.
Pty DISPOSITIF DE CALIBRATION D'UN SYSTEME D'IMAGERIE ET PROCEDE DE CALIBRATION ASSOCIE.
FR 3 064 757 - A1
L'invention concerne un dispositif de calibration (22) d'un système d'imagerie (14) pour porteur mobile (10), le système d'imagerie (14) comportant:
- un panneau de support (16),
- un réseau antennaire (46) comportant des éléments rayonnants (48) disposés sur le panneau de support (16), et
- des senseurs optiques (20) propres à fournir des images et disposés sur le panneau de support (16), le dispositif de calibration (22) comprenant au moins un générateur (50) de mire optique, chaque générateur (50) étant solidaire du panneau de support (16).
Figure FR3064757A1_D0001
Figure FR3064757A1_D0002
Dispositif de calibration d’un système d’imagerie et procédé de calibration associé
La présente invention concerne un dispositif de calibration d’un système d’imagerie pour porteur mobile. La présente invention se rapporte également à un système d’imagerie, à un porteur mobile et un procédé de calibration associé.
L'imagerie multi-senseurs est très utilisée dans le domaine de l’aéronautique, notamment pour des utilisations de surveillance, de détection et d'évitement d’obstacles (en anglais « sense-and-avoid »), de désignation de zones d’intérêt ou d’assistance automatique à l’atterrissage.
II est ainsi connu d'équiper un porteur mobile, par exemple un aéronef, de plusieurs systèmes de capture, à la fois d'un système radiofréquence apte à réaliser des fonctions de détection et de surveillance radar, et d'un système optronique apte à fournir des images numériques de scènes ou d'objets surveillés. Dans un tel cas, l’harmonisation des systèmes radiofréquences et optroniques est faite une fois pour toute.
Toutefois, en cas de vibration du système de support sur lequel les différentes optiques du système optronique sont insérées, il n’est pas possible de corriger dynamiquement toute l’image, sauf cas exceptionnel où les cibles d'intérêts sont réparties de façon homogène et symétrique. Une correction partielle d’un endroit de l’image est uniquement possible sans pour autant compenser les dérives de sa position absolue
II existe un besoin de remédier pour un dispositif de calibration d’un système d’imagerie pour porteur mobile permettant des corrections dynamiques, notamment lorsque le porteur se déplace.
A cet effet, il est proposé un dispositif de calibration d’un système d’imagerie pour porteur mobile, le système d’imagerie comportant un panneau de support, un réseau antennaire comportant des éléments rayonnants disposés sur le panneau de support, et des senseurs optiques propres à fournir des images et disposés sur le panneau de support. Le dispositif de calibration comprend au moins un générateur de mire optique, chaque générateur étant solidaire du panneau de support.
Suivant des modes de réalisation particuliers, le dispositif de calibration comprend une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prise(s) isolément ou suivant toute combinaison techniquement possible :
- chaque générateur comporte un émetteur propre à émettre un rayonnement optique et un système optique comportant une unité de conversion propre à obtenir une mire optique à partir du rayonnement optique émis par l’émetteur.
- l’unité de conversion est un prisme, un hologramme ou une lentille de Fresnel.
- chaque générateur comporte une fibre optique intercalée entre l’émetteur et l’unité de conversion.
l’émetteur est un laser.
l’unité de conversion est solidaire du panneau de support.
La description décrit aussi un système d’imagerie pour porteur mobile, le système d’imagerie comportant un panneau de support, un réseau antennaire comportant des éléments rayonnants disposés sur le panneau de support, et des senseurs optiques propres à fournir des images et disposés sur le panneau de support. Le système d’imagerie est pourvu d’un dispositif de calibration du système d’imagerie, le dispositif de calibration comprenant au moins un générateur de mire optique, chaque générateur étant solidaire du panneau de support.
Il est également décrit un porteur mobile, notamment un aéronef, équipé d’un système d'imagerie tel que précédemment décrit.
Il est aussi proposé un procédé de calibration d’un système d’imagerie pour porteur mobile, le système d’imagerie comportant un panneau de support, un réseau antennaire comportant des éléments rayonnants disposés sur le panneau de support, et des senseurs optiques propres à fournir des images et disposés sur le panneau de support. Le système d’imagerie est pourvu d’un dispositif de calibration du système d’imagerie, le dispositif de calibration comprenant au moins un générateur de mire optique, chaque générateur étant solidaire du panneau de support. Le procédé comporte les étapes de génération d’une mire optique par le dispositif de calibration, de collection des images de la mire optique par les senseurs optiques, et d’utilisation des images collectées pour calibrer les senseurs optiques.
Suivant des modes de réalisation particuliers, le procédé de calibration comprend une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prise(s) isolément ou suivant toute combinaison techniquement possible :
- le procédé comporte en outre une étape de calcul de la déformation du panneau de support à l’aide des images collectées.
- il est défini un premier axe de référence pour le réseau antennaire et un deuxième axe de référence pour les senseurs optiques, le procédé comportant en outre une étape d’alignement des deux axes de référence.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description qui suit de modes de réalisation de l'invention, donnée à titre d'exemple uniquement et en référence aux dessins qui sont :
- figure 1, une vue schématique d’un aéronef équipé d’un système d’imagerie,
- figure 2, une vue agrandie du système d’imagerie de la figure 1 comportant un dispositif de calibration,
- figure 3, une vue schématique d’un exemple d’une partie de dispositif de calibration,
- figure 4, une vue schématique d’un autre exemple d’une partie de dispositif de calibration,
- figure 5, une vue schématique d’encore un autre exemple d’une partie de dispositif de calibration, et
- figure 6, une représentation d’un exemple de mire optique utilisé par le dispositif de calibration de la figure 2.
Un aéronef 10 est représenté sur la figure 1.
Un aéronef 10 est un moyen de transport capable de s'élever et de se mouvoir en altitude, au sein de l'atmosphère terrestre.
Un hélicoptère ou un avion sont des exemples d’aéronef 10.
Dans le cas illustré, l’aéronef 10 est un avion.
L’avion 10 comporte une paroi latérale 12 et une paroi frontale 13 pourvue d’un système d’imagerie 14.
Le système d’imagerie 14 est représenté plus précisément à la figure 2.
Le système d’imagerie 14 est un système multi-senseurs permettant notamment d’obtenir conjointement des données d'image numérique et des données radar. Le système d’imagerie 14 comporte un panneau de support 16, une antenne 18, des senseurs optiques 20 et un dispositif de calibration 22 du système d’imagerie 14.
Le panneau de support 16 présente une forme rectangulaire.
Cela signifie que le panneau de support 16 comporte des premiers bords 24 et 26 parallèles et des deuxièmes bords 28 et 30 parallèles, les bords 24, 26, 28 et 30 étant agencés pour former un rectangle.
En outre, il est défini quatre coins 32, 34, 36 et 38 pour le panneau de support 16. Le panneau de support 16 comporte une surface de rayonnement 40, une couche d’espacement 42 et un plan de masse 44.
La surface de rayonnement 40, la couche d’espacement 42 et le plan de masse 44 présentent la même forme que le panneau de support 16.
La couche d'espacement 42 est intercalée entre la surface de rayonnement 40 et le plan de masse 44.
La surface de rayonnement 40 est réalisée, par exemple, en résine époxy.
La couche d’espacement 42 est réalisée dans un matériau diélectrique.
Le plan de masse 44 est réalisé en un matériau conducteur.
L’antenne 18 est une antenne planaire, apte à fonctionner en émission et en réception dans une bande de fréquence donnée.
Par exemple, la bande de fréquences est la bande X, c’est-à-dire une bande de fréquences comprise entre 8 GigaHertz (GHz) et 12 GHz.
En outre, il est défini pour l’antenne 18 un premier axe de référence.
Le premier axe de référence est un axe radioélectrique, l’axe radioélectrique correspondant, par exemple, à la direction principale d’émission et/ou de réception de l’antenne 18.
Dans l’exemple de la figure 2, l’antenne 18 est un réseau antennaire 46.
Le réseau antennaire 46 comporte des éléments rayonnants 48.
Les éléments rayonnants 48 sont parfois dénommés « senseurs radiofréquences » ou patchs.
Les éléments rayonnants 48 sont disposés sur le panneau de support.
Selon l’exemple illustré, chaque élément rayonnant 48 est disposé selon un motif périodique régulier.
Dans l’exemple représenté, le nombre d’éléments rayonnants 48 est de six et ne présente qu’une petite portion de la surface de rayonnement 40.
Chaque élément rayonnant 48 est représenté schématiquement sur la figure 3 sous la forme d’un carré.
D’autres formes géométriques sont envisageables comme un cercle ou une forme plus complexe.
Le réseau antennaire 46 est propre à interagir avec un circuit de traitement permettant de traiter les signaux captés par le réseau antennaire 46.
L’ensemble du réseau antennaire 46 et du circuit de traitement forme un radar.
Les senseurs optiques 20 sont propres à détecter des rayonnements optiques.
Il est possible de définir un deuxième axe de référence, dit axe optique, pour l’ensemble des senseurs optiques 20, l’axe optique correspondant à la direction principale de visée des senseurs optiques 20.
Chaque senseur optique 20 est représenté sous la forme d’un losange dans la figure 2.
Quatre senseurs optiques 20 sont visibles sur la figure 2.
Dans l’exemple décrit, les senseurs optiques 20 sont des capteurs photographiques.
Selon le cas proposé, les senseurs optiques 20 sont des dispositifs à transfert de charge. De tels dispositifs sont souvent désignés sous l’acronyme CCD qui renvoie au terme anglais de « charge coupled device ».
En variante, les senseurs optiques 20 sont des capteurs de type CMOS, CMOS étant un acronyme signifiant « Complementary Métal Oxide Semiconductor » qui signifie littéralement « semiconducteur à oxyde métallique complémentaire ».
Chaque senseur optique 20 est propre à détecter au moins un rayonnement optique dont la longueur d’ondes est comprise dans une gamme de longueurs d’ondes.
Selon l’exemple décrit, la gamme de longueurs d’ondes comporte uniquement des longueurs d’ondes correspondant au domaine visible.
En variante, les senseurs optiques 20 sont propres à fonctionner dans le domaine infrarouge.
Selon un autre exemple, les senseurs optiques 20 sont de plusieurs types, certains senseurs optiques 20 étant propres à fonctionner dans le domaine visible et d'autres senseurs optiques 20 étant sont propres à fonctionner dans le domaine infrarouge.
Les senseurs optiques 20 sont disposés sur le panneau de support 16.
Plus précisément, les senseurs optiques 20 sont positionnés sur au moins un des bords 24, 26, 28 et 30 du panneau de support 16.
Chaque senseur optique 20 est positionné au niveau du milieu d’un bord 24, 26, 28 et 30 respectif.
Plus généralement, les senseurs optiques 20 sont positionnés sur le panneau de support 16 de manière à ne pas perturber le diagramme de rayonnement du réseau antennaire 46.
Chaque senseur optique 20 est propre à interagir avec un circuit de traitement d’images permettant de traiter les signaux captés par chaque senseur optique 20 pour obtenir une image, et notamment une image numérique d'environ 10 mégapixels.
L’ensemble d’un senseur optique 20 et du circuit de traitement d’images forme un imageur.
Le panneau de support 16 comportant une pluralité de senseurs 20 et 48, le plan de support 16 est parfois qualifié de « panneau de support multi-senseurs ».
Le dispositif de calibration 22 est notamment propre à permettre la calibration des senseurs optiques 20.
Le dispositif de calibration 22 est, en ce sens, un « dispositif de calibration optique ».
Le dispositif de calibration 22 comprend au moins un générateur 50 de mire optique.
Selon un cas particulier, le nombre de générateurs 50 est supérieur ou égal à 1.
En variante, le nombre de générateurs 50 est inférieur ou égal à 4.
Dans l’exemple représenté, le dispositif de calibration 22 comprend quatre générateurs 50 de mire optique.
Dans d’autres modes de réalisation, le dispositif de calibration 22 comporte moins de quatre générateurs 50 de mire optique.
Chaque générateur 50 est représenté sous la forme d’un anneau.
En outre, comme visible sur la figure 2, chaque générateur 50 est situé à un coin 32, 34, 36 et 38 du panneau de support 16.
Chaque générateur 50 est solidaire du panneau de support 16.
Par l’expression « solidaire », il est entendu qu’au moins une partie du générateur 50 fait partie du panneau de support 16 pour que la mire optique générée par le générateur 50 suive le mouvement du panneau de support 16.
Des exemples de générateurs 50 sont représentés aux figures 3 à 5.
Il est supposé que chaque générateur 50 de la figure 2 est conforme au mode de réalisation de la figure 3.
Dans ce qui suit, il est d’abord décrit un générateur 50 selon la figure 3, les générateurs selon les figures 4 et 5 étant ensuite décrits par différence avec le générateur 50 de la figure 3.
Comme visible à la figure 3, chaque générateur 50 comporte un émetteur 52 et un système optique 54.
L’émetteur 52 est un émetteur de rayonnement optique dont la longueur d’onde est comprise dans la gamme de longueurs d’ondes des senseurs optiques 20.
L’émetteur 52 est propre à émettre le rayonnement optique à une sortie 56 de l’émetteur 52.
Dans l’exemple décrit, l’émetteur 52 est un laser.
Le système optique 54 comporte une unité de transport 58 et une unité de conversion 60.
L’unité de transport 58 est une unité propre à transporter le rayonnement optique de l’émetteur 52 depuis la sortie 56 de l’émetteur 52 vers l’unité de conversion 60.
L’unité de transport 58 est intercalée entre l’émetteur 52 et l’unité de conversion 60.
Selon l’exemple de la figure 3, l’unité de transport 58 est une fibre optique.
L’unité de conversion 60 est propre à convertir le rayonnement optique incident en un motif formant une mire optique.
Autrement formulé, l’unité de conversion 60 est propre à obtenir une mire optique à partir du rayonnement optique émis par l’émetteur 52.
Un exemple de motif formant une mire optique 62 est visible à la figure 6.
Dans l’exemple représenté, la mire optique 62 est un ensemble de points régulièrement espacés formant une matrice de 5 points par 5 points.
La mire optique 62 est un motif comportant au moins 25 points distincts.
De manière générale, la mire optique 62 est un motif comportant une pluralité de lignes présentant une taille suffisamment grande pour être visible de chaque senseur optique 20.
Dans l’exemple de la figure 3, l’unité de conversion 60 est un élément optique diffractif.
Plus précisément, l'unité de conversion 60 est un hologramme.
En outre, l’unité de conversion 60 est propre à faire diffracter le rayonnement incident selon sept ordres distincts, à savoir les ordres -3, -2, -1,0, 1, 2 et 3.
Dans le cas particulier de la figure 3, l’unité de conversion 60 est solidaire du panneau de support 16.
Cela permet de déporter l’émetteur 52 par rapport au panneau de support 16.
Le dispositif de calibration 22 comporte également un contrôleur propre à contrôler les générateurs 50 et à calibrer les senseurs optiques 20 à l’aide d’un procédé de calibration décrit ci-après.
Le fonctionnement du système d’imagerie 14 et, en particulier, du dispositif de calibration 22 est maintenant décrit en référence à un exemple de mise en œuvre d’un procédé de calibration du système d'imagerie 14.
Pour cela, le procédé de calibration comporte une étape de génération d’une mire optique 62 par le dispositif de calibration 22.
La mire optique 62 ainsi obtenue est enregistrée par les senseurs optiques 20 pour former des images de la mire optique 62.
Le procédé comprend ensuite une étape de collection des images de la mire optique 62 par les senseurs optiques 20. La collection est mise en œuvre au niveau du contrôleur du dispositif de calibration 22.
Le procédé comporte alors une étape d’utilisation des images collectées pour calibrer les senseurs optiques 20, en exploitant le fait que la mire optique 62 affichée est la même pour tous les senseurs optiques 20 et que les propriétés de la mire optique 62 sont connues du contrôleur du dispositif de calibration 22.
L’étape d’utilisation est alors une étape calculatoire mise en œuvre par le contrôleur.
La mire optique 62 peut être projeté sur des surfaces très différentes, notamment des nuages ou au sol. Cela fait que le procédé de calibration peut être mis en œuvre même lors d’un vol de l’aéronef 10.
Par ailleurs, le procédé de calibration utilise une cible solidaire du panneau de support 16 commune à tous les senseurs optiques 20.
Le procédé permet ainsi de réaliser une calibration dynamique des senseurs optiques 20 avec une mire optique 62 sujette aux mêmes vibrations et déformations que le panneau de support 16.
Le procédé assure ainsi une calibration de l’ensemble de l’image et harmonise les erreurs entre l’antenne 18 et les senseurs optiques 20.
Cet effet est renforcé par la colocalisation spatiale sur le même panneau de support 16 de l'ensemble des capteurs.
De plus, la précision est améliorée puisque la calibration est en fait une méthode dite d’«hyper-résolution » ou de « superrésolution » permettant d’obtenir des résolutions inférieures à la taille des pixels des senseurs optiques 20. La précision est obtenue à l’aide d’un traitement numérique de recalage.
Pour cela, selon un mode de réalisation spécifique, le procédé comporte, en outre, une étape d’alignement des deux axes de référence.
L’étape d’alignement est mise en œuvre par estimation du décalage entre le premier axe de référence (axe radioélectrique) et le deuxième axe de référence (axe optique) puis correction numérique du décalage estimé.
Plus précisément, l’antenne 16 par écartométrie ou par mesure monopulse deux axes localise une cible mobile. Les senseurs optiques 20 sont focalisés à la distance et à la direction obtenue par l’antenne 16. La cible est acquise par le système d’imagerie 14 et les erreurs de pointage entre l’axe optique et l’axe radioélectrique sont calculées pour être ensuite pris en compte dans la correction. Par de telles mesures dynamiques sur des cibles d’opportunité, les corrections du décalage sont faites et ajustées au cours de fonctionnement du système d'imagerie 14.
L’étape d’alignement est notamment importante pour des applications de tir ou de guidage.
Le procédé de calibration est également utilisable pour d’autres applications complémentaires.
Par exemple, selon un cas particulier, le procédé comporte une étape de calcul de la déformation du panneau de support 16 à l’aide des images collectées.
Selon un autre exemple, le procédé comprend la détermination de la vibration subie par le panneau de support 16 à l’aide des images collectées. Pour cela, il est utilisé le fait que l’étendue de la tâche lumineuse observée dépend de l’amplitude de la vibration.
Par ailleurs, le procédé de calibration est peu contraignant sur le dispositif de calibration 22, de nombreuses variantes de celui-ci étant envisageables
Ainsi, selon un autre mode de réalisation illustré par la figure 4, l’unité de conversion 60 est un prisme.
Selon encore un autre mode de réalisation visible à la figure 5, l’unité de conversion 60 est une lentille de Fresnel.
Le fonctionnement du système d’imagerie 14 dans les cas des figures 4 et 5 est identique au fonctionnement décrit pour le système d’imagerie 14 des figures 1 à 3.
Les systèmes d’imagerie 14 dans les cas des figures 4 et 5 présentent les mêmes avantages que le système d’imagerie 14 des figures 1 à 3.
Dans chacun des cas illustrés, seule l’unité de conversion 60 est positionnée dans le panneau de support 16, ce qui facilite l’adjonction du dispositif de calibration 22 sur un système d’imagerie 14 existant.
En variante, chaque générateur 50 comporte un émetteur 52 de rayonnement optique propre à fonctionner sur une gamme de longueurs d’onde spécifique.
Cela permet d’envisager un procédé fonctionnant avec des mires de couleur distincte.
Selon un mode de réalisation particulier, le contrôleur du dispositif de calibration 22 est propre à fonctionner avec des mires superposées ou des mires utilisées de manière séquentielle.
En outre, le procédé est compatible avec d'autres configurations des senseurs sur le panneau de support 16.
Selon un exemple particulier, les senseurs optiques 20 sont positionnés sur le panneau de support selon une répartition pseudo-aléatoire.
De plus, le procédé est utilisable pour tout type de porteur mobile comportant un système d’imagerie multi-senseurs, c’est-à-dire tout type de véhicule.
Notamment, le véhicule peut être utilisé dans le domaine aéronautique, ferroviaire, naval ou autre. L’usage du véhicule est également indifférent, que ce soit de la signalisation ou de la surveillance.
Dans chacun des cas proposés, le dispositif de calibration 22 permet des corrections dynamiques d’au moins la partie optronique d'un système d’imagerie 14, notamment lorsque le porteur se déplace.

Claims (11)

  1. REVENDICATIONS
    1, - Dispositif de calibration (22) d’un système d'imagerie (14) pour porteur mobile (10), le système d’imagerie (14) comportant :
    - un panneau de support (16),
    - un réseau antennaire (46) comportant des éléments rayonnants (48) disposés sur le panneau de support (16), et
    - des senseurs optiques (20) propres à fournir des images et disposés sur le panneau de support (16), le dispositif de calibration (22) comprenant au moins un générateur (50) de mire optique, chaque générateur (50) étant solidaire du panneau de support (16).
  2. 2. - Dispositif selon la revendication 1, dans lequel chaque générateur (50) comporte un émetteur (52) propre à émettre un rayonnement optique et un système optique (54) comportant une unité de conversion (60) propre à obtenir une mire optique (62) à partir du rayonnement optique émis par l’émetteur (52).
  3. 3. - Dispositif selon la revendication 2, dans lequel l’unité de conversion (60) est un prisme, un hologramme ou une lentille de Fresnel.
  4. 4, - Dispositif selon la revendication 2 ou 3, dans lequel chaque générateur (50) comporte une fibre optique (58) intercalée entre l’émetteur (52) et l’unité de conversion (60).
  5. 5. - Dispositif selon l’une quelconque des revendications 2 à 4, dans lequel l’émetteur (52) est un laser.
  6. 6. - Dispositif selon l’une quelconque des revendications 2 à 5, dans lequel l’unité de conversion (60) est solidaire du panneau de support (16).
  7. 7. - Système d’imagerie (14) pour porteur mobile (10), le système d’imagerie (14) comportant :
    - un panneau de support (16),
    - un réseau antennaire (46) comportant des éléments rayonnants (48) disposés sur le panneau de support (16), et
    - des senseurs optiques (20) propres à fournir des images et disposés sur le panneau de support (16), le système d’imagerie (14) étant pourvu d’un dispositif de calibration (22) du système d’imagerie (14), le dispositif de calibration (22) comprenant au moins un générateur (50) de mire optique, chaque générateur (50) étant solidaire du panneau de support (16).
  8. 8, - Porteur mobile (10) notamment aéronef, équipé d’un système d’imagerie (14) selon la revendication 7.
  9. 9, - Procédé de calibration d’un système d’imagerie (14) pour porteur mobile (10), le système d’imagerie (14) comportant :
    - un panneau de support (16),
    - un réseau antennaire (46) comportant des éléments rayonnants (48) disposés sur le panneau de support (16), et
    - des senseurs optiques (20) propres à fournir des images et disposés sur le panneau de support (16), le système d’imagerie (14) étant pourvu d’un dispositif de calibration (22) du système d'imagerie (14), le dispositif de calibration (22) comprenant au moins un générateur (50) de mire optique, chaque générateur (50) étant solidaire du panneau de support (16).
    le procédé comportant les étapes de :
    - génération d’une mire optique (62) par le dispositif de calibration (22),
    - collection des images de la mire optique par les senseurs optiques (20), et
    - utilisation des images collectées pour calibrer les senseurs optiques (20).
  10. 10. - Procédé selon la revendication 9, comportant en outre une étape de calcul de la déformation du panneau de support (16) à l’aide des images collectées.
  11. 11. - Procédé selon la revendication 9 ou 10, dans lequel il est défini un premier axe de référence pour le réseau antennaire (46) et un deuxième axe de référence pour les senseurs optiques (20), le procédé comportant en outre une étape d’alignement des deux axes de référence.
    *
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