FR3131006A1 - Système de mesure aéroporté comprenant une caméra SPAD - Google Patents

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Abstract

Système de mesure (1) aéroporté par un aéronef, et comprenant une pluralité de capteurs conventionnels (CC) d’aide à la navigation générant des données dites conventionnelles (DC), au moins une caméra SPAD (CS) comprenant un détecteur matriciel de photodiodes à avalanche à photon unique et générant des données SPAD (DS) comprenant une première (I1) et une deuxième images (I2) d’une scène à observer (Obj), ledit système comprenant une unité de traitement (UT) reliée aux capteurs conventionnels et à ladite au moins une caméra SPAD, l’unité de traitement étant adaptée pour : - choisir, en fonction d’un critère prédéterminé et à partir des données conventionnelles et/ou des données SPAD, une utilisation des données conventionnelles dit mode conventionnel, ou une utilisation des données SPAD, et comprenant éventuellement des données conventionnelles, dit mode SPAD et, - pour le mode conventionnel, générer une information de mesure dite conventionnelle (IC) à partir de données conventionnelles, - pour le mode SPAD : - déterminer, à partir de la première (I1) et de la deuxième image (I2), un intervalle d’erreur de mesure de position horizontale de l’aéronef, appelé rayon de protection (RP), - générer une information de mesure dite renforcée (IR) à partir a minima de données SPAD. Figure pour l’abrégé : Fig.1

Description

Système de mesure aéroporté comprenant une caméra SPAD
La présente invention se rapporte au domaine de l’aéronautique et plus précisément au domaine des systèmes de mesure aéroportés pour aide à la navigation.
Les systèmes de mesure aéroportés par un aéronef comprennent une pluralité de capteurs qui fournissent des données à au moins une unité de traitement. A partir de ces données, l’unité de traitement génère une information délivrée au pilote de l’aéronef ou à un ordinateur de vol (par exemple un pilote automatique). Cette information concerne en général des paramètres fondamentaux du vol de l’aéronef, comme la position, la vitesse par rapport au référentiel terrestre, la hauteur par rapport au sol, la vitesse air calibrée (CAS pour Calibrated Air Speed en anglais) la vitesse air vraie (TAS pour True Air Speed), l’altitude de vol, la distance par rapport à un relief,…Les différents capteurs conventionnels utilisés sont trop nombreux pour être tous énumérés mais ils sont typiquement choisis parmi la liste suivante : un capteur météorologique, un capteur de localisation comme un récepteur GNSS (pour Géolocalisation et Navigation par un Système de Satellites) par exemple un récepteur GPS, ou un capteur VOR (pour VHF Omnidirectional Range), ou encore un capteur DME (pourDistance Measuring Elementen anglais). Le système de mesure peut aussi comprend des capteurs anémobarométriques comme des sondes Pitot ou des lidars pour générer des données, par exemple la portance via l’angle d’incidence de l’avion, la CAS, la TAS, l’altitude de vol,… Les systèmes de mesure peuvent être enrichis par des bases de données embarquées comme les bases de données concernant les approches.
En conditions de visibilité dégradée, les systèmes de mesure de l’art antérieur d’aide à la navigation utilisent les données de localisation fournies par les capteur de localisation (GPS, VOR, DME, …), de radioaltimétrie et dans certains cas des caméras sont utilisées en complément notamment dans les systèmes de visualisation améliorée (Enhanced Vision System – EVS) tels que les systèmes de visualisation synthétique (Synthetic Vision System – SVS) ou de réalité augmentée (Enhanced Flight Vision System – EFVS). Ces caméras présentent des sensibilités limitées et ne sont pas utilisables dans des conditions de vol dégradées comme en présence de brouillard, de chutes de neige, de forte pluie, ou encore de nuage de poussière comme par exemple lors de l’atterrissage d’un hélicoptère.
Les systèmes de mesure existants nécessitent :
  • soit un haut niveau d’équipement des aéronefs pour naviguer en conditions de visibilité dégradée, notamment lors des phases de décollage, d’approche et d’atterrissage dites IFR (pourInstrument Flight Rulesen anglais), de sauvetage,
  • soit la présence au sol d’aides notamment pour les atterrissages tout temps (Instrument Landing Systemen anglais),
  • soit la limitation des opérations à des catégories d’approches ILS (Instrument Landing System) de faible niveau (CATégorie I telle que définie dans l’Annexe 10 de la Convention de Chicago).
Les systèmes de vision existants ne permettent que des améliorations marginales mais sans réel gain opérationnel comme la réduction de l’altitude de décision lors des approches faisant (la hauteur de décision est la hauteur au-dessus du sol à laquelle le pilote doit avoir les références visuelles suffisantes pour se poser sinon il est tenu de remettre les gaz et d’abandonner l’approche), par exemple, baisser la hauteur de décision d’un niveau d’approche donné.
L’invention vise à augmenter les capacités liées à l’utilisation de systèmes de vision de l’art antérieur. Pour cela, un objet de l’invention est un système de mesure aéroporté comprenant au moins une caméra SPAD (pourSingle Photon Avalanche Diodeen anglais) c’est-à-dire comprenant un détecteur matriciel de photodiodes à avalanche à photon unique. Comparativement aux caméras CMOS ou CCD traditionnelles, les caméras SPAD présentent notamment une sensibilité de détection et une cadence de prise de vue nettement plus élevée, une résolution temporelle nettement plus fine. Cela les rend plus performantes dans des phases de vol spécifiques ou des conditions de visibilité dégradées.
Un objet de l’invention est un système de mesure aéroporté par un aéronef, et comprenant une pluralité de capteurs conventionnels d’aide à la navigation générant des données dites conventionnelles, au moins une caméra SPAD comprenant un détecteur matriciel de photodiodes à avalanche à photon unique et générant des données SPAD comprenant une première et une deuxième images d’une scène à observer, ledit système comprenant une unité de traitement reliée aux capteurs conventionnels et à ladite au moins une caméra SPAD, l’unité de traitement étant adaptée pour :
  • choisir, en fonction d’un critère prédéterminé et à partir des données conventionnelles et/ou des données SPAD, une utilisation des données conventionnelles dit mode conventionnel, ou une utilisation des données SPAD, et comprenant éventuellement des données conventionnelles, dit mode SPAD et,
  • pour le mode conventionnel, générer une information de mesure dite conventionnelle à partir de données conventionnelles,
  • pour le mode SPAD :
  • déterminer, à partir de la première et de la deuxième image, un intervalle d’erreur de mesure de position horizontale de l’aéronef, appelé rayon de protection,
  • générer une information de mesure dite renforcée à partira minimade données SPAD.
Selon un mode de réalisation, le dispositif comprend une seule caméra SPAD. Préférentiellement, dans ce mode de réalisation, la première image est acquise à un premier instant et la deuxième image étant acquise à un deuxième instant, le rayon de protection étant déterminé à partir d’une valeur de mouvement de l’aéronef entre le premier instant et le deuxième instant. Encore préférentiellement, la première image est acquise à un premier instant et la deuxième image étant acquise à un deuxième instant, le rayon de protection étant déterminé à partir d’une valeur de mouvement de l’aéronef entre le premier instant et le deuxième instant. Préférentiellement, la détermination de la valeur de mouvement est une valeur de rotation et/ou une valeur de translation déterminée par comparaison de points d’intérêt entre la première et la deuxième image.
Selon un mode de réalisation, le dispositif comprend comprenant un laser émettant un rayonnement laser, et dans lequel la caméra SPAD est adaptée pour détecter un rayonnement laser réfléchi par la scène, l’unité de traitement est adaptée pour déterminer alors une distance entre un point de la scène et l’aéronef à partir du rayonnement réfléchi, ladite information renforcée comprenant alors ladite distance . Préférentiellement, l’unité de traitement est adaptée pour calculer une image 3D de profondeur de la scène à partir d’une pluralité de distance entre des points de la scène et l’aéronef, chaque distance étant déterminée par l’unité de traitement à partir du rayonnement détecté un pixel de la caméra SPAD différent des autres, ladite information renforcée comprenant alors ladite image 3D de profondeur de la scène.
Selon un mode de réalisation, le dispositif comprend une première caméra SPAD et une deuxième caméra SPAD. la première et la deuxième caméra SPAD sont synchronisées, la première et la deuxième image étant acquises simultanément respectivement par la première et par la deuxième caméra SPAD. Préférentiellement, dans ce mode de réalisation, l’unité de traitement est adaptée pour calculer une image 3D de profondeur de la scène de ladite scène à partir de la première et de la deuxième image, ladite information renforcée comprenant alors ladite image 3D de profondeur de la scène.
Selon un mode de réalisation les capteurs conventionnels comprennent : un radar météorologique et/ou un système de réception de relevés météorologiques par liaison sol/air ou air air/satellite, le choix du mode conventionnel ou SPAD étant effectué à partir des données conventionnelles fournies par le radar météorologique et/ou le système de relevés météorologiques, et éventuellement par un récepteur GPS.
Selon un mode de réalisation, ladite au moins une caméra SPAD détecte, à des temps de réception et avec un temps d’exposition , des signaux lumineux émis, à des temps d’émission prédéfinis, par une station émettrice comprise dans la scène à observer, l’unité de traitement étant configurée pour recevoir une information sur les temps d’émission et pour générer une information renforcée qui est une distance de l’aéronef à ladite scène pour tous les temps de réception , déterminée à partir des signaux lumineux détectés et de ladite information sur les temps d’émission . Préférentiellement, les temps d’émission sont précis à 0.01 ou moins. Préférentiellement, dans lequel les capteurs conventionnels comprennent un récepteur GPS fournissant des données GPS utilisées par l’unité de traitement afin de lever une ambiguïté de distance entre l’aéronef et ladite scène.
Selon un mode de réalisation, les données conventionnelles sont choisies parmi la liste suivantes : des données de localisation de type GPS, IRS, VOR ou DME par exemple ; des données météorologiques ; des données anémobarométriques ; des données radioaltimétriques.
Un autre objet de l’invention est un procédé de mesure avionique par un système comprenant aéroporté par un aéronef, et comprenant une pluralité de capteurs conventionnels d’aide à la navigation générant des données dites conventionnelles, au moins une caméra SPAD comprenant un détecteur matriciel de photodiodes à avalanche à photon unique et générant des données SPAD comprenant une première et une deuxième images d’une scène à observer, ledit procédé comprenant :
  • choisir, en fonction d’un critère prédéterminé et à partir des données conventionnelles et/ou des données SPAD, une utilisation des données conventionnelles dit mode conventionnel, ou une utilisation des données SPAD, et comprenant éventuellement des données conventionnelles, dit mode SPAD et
  • pour le mode conventionnel, générer une information de mesure dite conventionnelle à partir de données conventionnelles,
  • pour le mode SPAD :
  • déterminer, à partir de la première et de la deuxième image, un intervalle d’erreur de mesure de position horizontale de l’aéronef, appelé rayon de protection,
  • générer une information de mesure dite renforcée (IR) à partira minimade données SPAD.
D’autres caractéristiques, détails et avantages de l’invention ressortiront à la lecture de la description faite en référence aux dessins annexés donnés à titre d’exemple et qui représentent, respectivement :
une vue schématique d’un système de mesure selon l’invention ;
une vue schématique d’un mode de réalisation de la première variante de l’invention ;
une vue schématique d’une deuxième variante de l’invention ;
une vue schématique du système selon un mode de réalisation.
Dans les figures, sauf indication contraire, les éléments ne sont pas à l’échelle.

Claims (15)

  1. Système de mesure (1) aéroporté par un aéronef, et comprenant une pluralité de capteurs conventionnels (CC) d’aide à la navigation générant des données dites conventionnelles (DC), au moins une caméra SPAD (CS) comprenant un détecteur matriciel de photodiodes à avalanche à photon unique et générant des données SPAD (DS) comprenant une première (I1) et une deuxième images (I2) d’une scène à observer (Obj), ledit système comprenant une unité de traitement (UT) reliée aux capteurs conventionnels et à ladite au moins une caméra SPAD, l’unité de traitement étant adaptée pour :
    • choisir, en fonction d’un critère prédéterminé et à partir des données conventionnelles et/ou des données SPAD, une utilisation des données conventionnelles dit mode conventionnel, ou une utilisation des données SPAD, et comprenant éventuellement des données conventionnelles, dit mode SPAD et,
    • pour le mode conventionnel, générer une information de mesure dite conventionnelle (IC) à partir de données conventionnelles,
    • pour le mode SPAD :
      • déterminer, à partir de la première (I1) et de la deuxième image (I2), un intervalle d’erreur de mesure de position horizontale de l’aéronef, appelé rayon de protection (RP),
      • générer une information de mesure dite renforcée (IR) à partira minimade données SPAD.
  2. Système selon la revendication précédente, comprenant une seule caméra SPAD.
  3. Système selon la revendication précédente, dans lequel la première image est acquise à un premier instant (t1) et la deuxième image étant acquise à un deuxième instant (t2), le rayon de protection étant déterminé à partir d’une valeur de mouvement de l’aéronef entre le premier instant (t1) et le deuxième instant (t2).
  4. Système selon la revendication précédente, dans lequel, la détermination de la valeur de mouvement est une valeur de rotation et/ou une valeur de translation déterminée par comparaison de points d’intérêt entre la première (I1) et la deuxième image (I2).
  5. Système selon l’une des revendications 2 à 4, comprenant un laser (L) émettant un rayonnement laser (RL), et dans lequel la caméra SPAD est adaptée pour détecter un rayonnement laser réfléchi (RR) par la scène, l’unité de traitement est adaptée pour déterminer alors une distance entre un point de la scène et l’aéronef à partir du rayonnement réfléchi, ladite information renforcée comprenant alors ladite distance .
  6. Système selon la revendication précédente, dans lequel l’unité de traitement est adaptée pour calculer une image 3D de profondeur de la scène à partir d’une pluralité de distance entre des points de la scène et l’aéronef, chaque distance étant déterminée par l’unité de traitement à partir du rayonnement (RR) détecté un pixel de la caméra SPAD différent des autres, ladite information renforcée comprenant alors ladite image 3D de profondeur de la scène.
  7. Système selon la revendication 1, comprenant une première caméra SPAD (CS1) et une deuxième caméra SPAD (CS2).
  8. Système selon la revendication 7, dans lequel la première et la deuxième caméra SPAD sont synchronisées, la première et la deuxième image étant acquises simultanément respectivement par la première et par la deuxième caméra SPAD.
  9. Système selon la revendication précédente, dans lequel l’unité de traitement est adaptée pour calculer une image 3D de profondeur de la scène de ladite scène à partir de la première et de la deuxième image, ladite information renforcée comprenant alors ladite image 3D de profondeur de la scène.
  10. Système selon l’une des revendications précédentes, dans lequel les capteurs conventionnels comprennent : un radar météorologique et/ou un système de réception de relevés météorologiques par liaison sol/air ou air air/satellite, le choix du mode conventionnel ou SPAD étant effectué à partir des données conventionnelles fournies par le radar météorologique et/ou le système de relevés météorologiques, et éventuellement par un récepteur GPS.
  11. Système selon l’une des revendications précédentes, dans lequel ladite au moins une caméra SPAD détecte, à des temps de réception et avec un temps d’exposition , des signaux lumineux (LP) émis, à des temps d’émission prédéfinis, par une station émettrice comprise dans la scène à observer, l’unité de traitement étant configurée pour recevoir une information sur les temps d’émission et pour générer une information renforcée qui est une distance de l’aéronef à ladite scène pour tous les temps de réception , déterminée à partir des signaux lumineux détectés et de ladite information sur les temps d’émission .
  12. Système selon la revendication précédente, dans lequel lesdits temps d’émission sont précis à 0.01 ou moins.
  13. Système selon la revendication 11 ou 12, dans lequel les capteurs conventionnels comprennent un récepteur GPS fournissant des données GPS utilisées par l’unité de traitement afin de lever une ambiguïté de distance entre l’aéronef et ladite scène.
  14. Système selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les données conventionnelles sont choisies parmi la liste suivantes : des données de localisation de type GPS, IRS, VOR ou DME par exemple ; des données météorologiques ; des données anémobarométriques ; des données radioaltimétriques.
  15. Procédé de mesure avionique par un système comprenant aéroporté par un aéronef, et comprenant une pluralité de capteurs conventionnels (CC) d’aide à la navigation générant des données dites conventionnelles (DC), au moins une caméra SPAD (CS) comprenant un détecteur matriciel de photodiodes à avalanche à photon unique et générant des données SPAD (DS) comprenant une première (I1) et une deuxième images (I2) d’une scène à observer (Obj), ledit procédé comprenant :
    • choisir, en fonction d’un critère prédéterminé et à partir des données conventionnelles et/ou des données SPAD, une utilisation des données conventionnelles dit mode conventionnel, ou une utilisation des données SPAD, et comprenant éventuellement des données conventionnelles, dit mode SPAD et
    • pour le mode conventionnel, générer une information de mesure dite conventionnelle (IC) à partir de données conventionnelles,
    • pour le mode SPAD :
      • déterminer, à partir de la première (I1) et de la deuxième image (I2), un intervalle d’erreur de mesure de position horizontale de l’aéronef, appelé rayon de protection (RP),
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