WO1998052348A1 - Procede pour l'acquisition d'une image par balayage pousse-balai surechantillonne - Google Patents

Procede pour l'acquisition d'une image par balayage pousse-balai surechantillonne Download PDF

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Paul Duchon
Alain De Leffe
Marc Pircher
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C11/00—Photogrammetry or videogrammetry, e.g. stereogrammetry; Photographic surveying
    • G01C11/02—Picture taking arrangements specially adapted for photogrammetry or photographic surveying, e.g. controlling overlapping of pictures
    • G01C11/025—Picture taking arrangements specially adapted for photogrammetry or photographic surveying, e.g. controlling overlapping of pictures by scanning the object

Definitions

  • the present invention relates to a method of acquiring an image by "push-broom” scanning (push-broom according to the English terminology generally used) from at least one strip of sensors of the transfer type. CCD charge parading to the right of the observed area.
  • the invention advantageously finds application for satellite observation of the earth or even for observation from air vehicles (aircraft, drone, etc.).
  • An object of the invention is to propose an acquisition which makes it possible to access samples of greater finesse.
  • V ref P / Ti, P being the step on the ground of the bar, Ti la sampling period, m and £ two integers.
  • FIG. 1 is a schematic representation of the image on the ground of a bar of CCD detectors moving with respect to a reference point linked to the ground, on which the roll, pitch and yaw angles of the vehicle have been plotted which transports said strip;
  • FIG. 2 is a schematic representation illustrating a sampling obtained with a bar whose angle between the normal to said bar and the ground speed of the center of the image of said bar is one year;
  • FIGS. 3 and 4 are block diagram representations of the device means according to two particular embodiments of the invention allowing acquisitions of the type illustrated in Figure 2;
  • FIG. 5 shows schematically an advantageous bar arrangement for the implementation of one invention
  • FIG. 6 illustrates a possible embodiment with such an arrangement.
  • the satellite carrying the acquisition strip has been designated by S, by X, Y, Z the local orbital coordinate system whose center S coincides with the center of mass of the satellite, by Vsat and Vsol the vectors corresponding to the absolute speed of the aiming point of the bar and to the relative speed of this image of the bar with respect to the ground.
  • the acquisition strip (s) are conventionally arranged in the plane focal length of an optic, with or without aiming change mirror (if the instrument has a aiming change mirror, this will be fixed at the time of shooting; if the whole instrument is capable of rotating at at the time of shooting with respect to the satellite, this instrument will remain fixed at the time of shooting).
  • the angular roll, pitch and yaw speeds of the satellite are controlled so as to carry out a sampling of the type illustrated in FIG. 2, in the case of a slip angle on the ground of the bar.
  • ctiim Arctg £ / m
  • the longitudinal and lateral ground speeds of the bar being given by: m
  • VL, ongt ⁇ N m + l ' ref
  • P is the ground pitch of the bar
  • Ti the sampling period
  • the crosses represent the ground images of the centers of the detectors at each sampling instant t + kTi, with k integer, t at a given sampling instant.
  • a sliding angle different from the value corresponding to the supermode produced with zero yaw can be obtained with a yaw rotation.
  • means of the type of those illustrated in FIG. 3 can be used for sampling at zero yaw angle.
  • attitude measuring means 1 consisting for example of stellar sensors, terrestrial sensors, gyroscopes or solar sensors. They also use the on-board computer 2 of the satellite which, as a function of the measurements made by the aforementioned means, makes an estimate of the attitude of the satellite and determines the real values of the angles and angular speeds of pitch, yaw and roll. By imposing set values, for example on attitude angles and / or angular speeds, the on-board computer develops commands intended to be applied to attitude actuators 3.
  • the actuators 3 are reaction wheels to which torques C x , C y and C z are imposed, these wheels corresponding to the three axes of the satellite. These wheels must be desatinated continuously or regularly by magnetocouplers.
  • Figure 4 illustrates the general case of controlling a maneuvering satellite.
  • Attitude instructions in the form of a guiding quaternion or absolute angular speed of satellite guidance are calculated on the ground from ooo attitude or speed instructions (cpc, ⁇ c. - ⁇ c, cpc, ⁇ c and - ⁇ c) calculated by the ground segment to carry out the desired samples.
  • Attitude control therefore executes these setpoints after downloading to the satellite "attitude profiles" in the form of time-dependent quaternions or time-dependent absolute angular speed setpoint of the satellite (these are generally time-dependent polynomials) .
  • a plurality of bars B of the charge transfer type is distributed in a sawtooth fashion at the focal plane of the earth observation instrument. These different bars B are identical and parallel and distributed in line in said focal plane.
  • Such an arrangement makes it possible to have to implement only a pitch control of the attitude of the satellite, as well as possibly a weak roll control to compensate for the effect of rotation of the earth.
  • this arrangement allows greater acquisition efficiency.
  • arrays arrays of the integrated circuit type, that is to say electronic chips, a technology which it is not possible to use in the case where one must have a strip in one piece in the focal plane (without special optics, type DIVOLI for example).

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Abstract

Procédé pour l'acquisition d'une image par balayage pousse-balai à partir d'un véhicule satellitaire ou aérien portant au moins une barrette de capteurs de type à transfert de charge, caractérisé en ce que l'on commande l'attitude et les vitesses angulaires de roulis, tangage et lacet du véhicule pour que les vitesses longitudinale et latérale au sol de la barrette vérifient (a), (b) où Vref = P/Ti, P étant le pas au sol de la barette, Ti la période d'échantillonnage, m et l deux entiers.

Description

PROCEDE POUR L'ACQUISITION D'UNE IMAGE PAR BALAYAGE POUSSE-BALAI SURECHANTILLONNE
La présente invention est relative à un procédé d'acquisition d'une image par balayage "pousse-balai" (push-broom selon la terminologie anglo-saxonne généralement utilisée) à partir d'au moins une barrette de capteurs du type à transfert de charge CCD défilant au droit de la zone observée.
L'invention trouve avantageusement application pour l'observation satellitaire de la terre ou encore pour l'observation à partir de véhicules aériens (avion, drône, etc).
Il a déjà été proposé par le Demandeur, dans sa demande de brevet FR 95 09263, un procédé d'acquisition d'images aux moyens de barrettes ou matrices de capteurs CCD selon lequel on oriente la barrette ou la matrice par rapport à la direction de déplacement de façon à réaliser un suréchantillonnage tout en atténuant les effets du repliement de spectre.
Un but de l'invention est de proposer une acquisition qui permette d'accéder à des échantillonnages d'une plus grande finesse.
A- cet effet, elle propose un procédé pour l'acquisition d'une image par balayage pousse-balai à partir d'un véhicule satellitaire ou aérien portant au moins une barrette de capteurs de type à transfert de charge, caractérisé en ce qu'on commande l'attitude et les vitesses angulaires de roulis, tangage et lacet du véhicule pour que les vitesses longitudinale et latérale au sol de la barrette vérifient
V -. m V Lon8' mA : ' ref
V, latérale ~~ 2^ . 0- .'V m + * ref
où Vref = P/Ti, P étant le pas au sol de la barrette, Ti la période d'échantillonnage, m et £ deux entiers.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront encore de la description qui suit. Cette description est purement illustrative et non limitative. Elle doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels :
- la figure 1 est une représentation schématique de l'image au sol d'une barrette de détecteurs CCD se déplaçant par rapport à un repère lié à la terre, sur laquelle on a porté les angles de roulis, de tangage et de lacet du véhicule qui transporte ladite barrette ;
- la figure 2 est une représentation schématique illustrant un échantillonnage obtenu avec une barrette dont l'angle entre la normale à ladite barrette et la vitesse au sol du centre de l'image de ladite barrette est de an ;
- les figures 3 et 4 sont des représentations par schéma bloc des moyens de dispositif conformes à deux modes de réalisation particuliers de l ' invention permettant des acquisitions de type de celle illustrée sur la figure 2 ;
- la figure 5 représente schématiquement une disposition de barrette avantageuse pour la mise en oeuvre de 1 ' invention ; - la figure 6 illustre un mode de réalisation possible avec une telle disposition.
Sur la figure 1 , on a désigné par S le satellite porteur de la barrette d'acquisition, par X, Y, Z le repère orbital local dont le centre S est confondu avec le centre de masse du satellite, par Vsat et Vsol les vecteurs correspondant à la vitesse absolue du point de visée de la barrette et à la vitesse relative de cette image de la barrette par rapport au sol .
Dans cet exemple, la (ou les) barrette(s) d'acquisition sont disposées de façon classique au plan focal d'une optique, avec ou sans miroir de changement de visée (si l'instrument possède un miroir de changement de visée, celui-ci sera fixe au moment de la prise de vue ; si tout l'instrument est susceptible de tourner au moment de la prise de vue par rapport au satellite, cet instrument restera fixe au moment de la prise de vue).
Les angles de roulis, tangage et lacet ont respectivement été référencés par φ, θ et -ψ ; les vitesses
0 Ό angulaires correspondantes par φ, θet ψ. Dans la plupart des satellites d'observation de la terre, le corps du véhicule est calé sur le repère orbital local. Un système de miroirs permet d'orienter l'axe de visée de façon à accéder au maximum de zones possibles.
La vitesse Vsol est la différence entre la vitesse Vsat et la vitesse Vterre d'entraînement due à la rotation terrestre (Ωterre Λ CV avec C centre terre). Plus particulièrement, Vsol = vsat - vterre + Q Λ sV" où V désigne le point de visée sur la terre et Ω la vitesse angulaire absolue du satellite S en supposant l'axe de visée lié et fixé au satellite.
Selon l'invention, les vitesses angulaires de roulis, de tangage et de lacet du satellite sont commandées de façon à réaliser un échantillonnage du type de celui illustré sur la figure 2, dans le cas d'un angle de glissement au sol de la barrette tel que : ctiim = Arctg £/m, les vitesses longitudinales et latérales au sol de la barrette étant données par : m
V L, ongt = ± N m + l' ref
avec Vref = P Ti t
V latérale ~~ * . 7.V . m' + f ref où P est le pas au sol de la barrette, Ti la période d'échantillonnage et m et t des entiers. Sur la figure 2, les croix représentent les images au sol des centres des détecteurs à chaque instant d'échantillonnage t + kTi, avec k entier, t un instant d'échantillonnage donné.
Notamment, si m = 1 et t = n, avec n entier, on obtient un échantillonnage dit "supermode entier" avec des images au sol des centres de détecteurs répartis sur une grille orthonormée. Un tel échantillonnage présente l'avantage d'être d'un pas au sol et d'un effet de filé réduit . A titre d'exemple, on donne dans le tableau ci- après les caractéristiques de plusieurs échantillonnages "supermode entier" possibles.
TABLEAU
Figure imgf000006_0001
* Pour un champ de 60 km en mode de prise de vue normale sous trace (SPOT 1, 2, 3 et 4).
Lorsque l'on ne se trouve pas dans le cas d'un échantillonnage de type supermode entier, on parle alors d'échantillonnage "supermode fractionnaire". Ce type d'échantillonnage présente de nombreux avantages .
Il permet de ne pas utiliser de barrettes doubles, qui sont d'une technologie spécifique au besoin d'observation de la terre par satellite. Il est de ce fait moins onéreux.
Egalement, il est d'une grande souplesse d'utilisation. Notamment, il permet pour un satellite et un instrument d'observation optique donné (figé et/ou déjà en orbite) de pouvoir programmer des prises de vues donnant une résolution de l'image améliorée (après un traitement approprié ) .
Egalement, il permet aussi de pouvoir programmer des "bandes de prises d'images" en biais par rapport à la trace suborbitale du satellite (ou la trace au sol direct de l'avion ou du drône) ce qui peut avoir un intérêt pour prendre quasi-simultanément des images fortement décalées en latéral'.
Globalement, ces "supermodes" permettent d'augmenter les performances en résolution et en accès d'un satellite d'observation de la terre existant ou en développement ; ils fournissent des possibilités supplémentaires et de la souplesse au système.
Par exemple, sur le satellite SP0T1 en orbite depuis février 1986, dont la résolution est de 10 m x 10 m, il est possible avec la solution proposée par l'invention de réaliser des acquisitions avec des pas au sol de 4,5 m x 2,25 m (avec l = 4 et m = 2 ) voir 2,4 m x
2,4 m (avec l = 4 et m = 1).
A titre d'exemple, les vitesses angulaires de
O o roulis et de tangage (cpet θ) peuvent être élaborées avec une contrainte imposant un angle de lacet nul ( ψ= 0) en étant calculées à partir des vitesses VLongi et vlatéraie correspondant à l'échantillonnage souhaité.
En variante, un angle de glissement différent de la valeur correspondant au supermode réalisé à lacet nul peut être obtenu avec une rotation de lacet.
A titre d'exemple, dans le cas d'un satellite à pointage géocentrique, on peut utiliser pour réaliser un échantillonnage à angle de lacet nul des moyens du type de ceux illustrés sur la figure 3.
Ces moyens comportent des moyens 1 de mesure d'attitude constitués par exemple de senseurs stellaires, senseurs terrestres, de gyroscopes ou de senseurs solaires . Ils utilisent également le calculateur de bord 2 du satellite qui en fonction des mesures réalisées par les moyens précités, réalise une estimation de l'attitude du satellite et détermine les valeurs réelles des angles et vitesses angulaires de tangage, lacet et roulis. En imposant des valeurs de consigne, par exemple sur les angles d'attitude et/ou les vitesses angulaires, le calculateur de bord élabore des commandes destinées à être appliquées aux actionneurs d'attitude 3.
Les actionneurs 3 sont des roues de réaction auxquelles on impose des couples Cx, Cy et Cz, ces roues correspondant aux trois axes du satellite. Ces roues doivent être désatinées en continu ou régulièrement par des magnétocoupleurs .
La figure 4 illustre le cas général de la commande d'un satellite manoeuvrant.
Des consignes d'attitude sous forme de quaternion de guidage ou vitesse angulaire absolue de guidage du satellite sont calculées au sol à partir de consignes o o o d'attitudes ou de vitesses ( cpc , θc . -ψc, cpc, θc et -ψc) calculées par le segment sol pour réaliser les échantillonnages souhaités. Le contrôle d'attitude exécute donc ces consignes après téléchargement sur le satellite des "profils d'attitude" sous forme de quaternions fonction du temps ou consigne de vitesse angulaire absolue du satellite fonction du temps (ce sont en général des polynômes fonction du temps) .
On a illustré sur la figure 5 une disposition de barrettes permettant une mise en oeuvre avantageuse de l'invention.
Selon cette disposition, une pluralité de barrettes B de type à transfert de charge est répartie en dents de scie au plan focal de l'instrument d'observation de la terre. Ces différentes barrettes B sont identiques et parallèles et réparties en ligne dans ledit plan focal. Le satellite est guidé en attitude de façon que l'inclinaison des barrettes par rapport à la normale à la vitesse du satellite au sol soit égale à : c m = Arctg £/m la vitesse au sol vérifiant les formules données en page 3 (voir figure 5), Vlongi et vlatérale étant parallèles et perpendiculaires à la direction des barrettes B.
Une telle disposition permet de n'avoir à mettre en oeuvre qu'un contrôle en tangage de l'attitude du satellite, ainsi qu'éventuellement un faible contrôle en roulis pour compenser l'effet de rotation de la terre.
L'acquisition réalisée est donc moins coûteuse que celle décrite en référence aux figures précédentes.
On notera par ailleurs que cette disposition permet une plus grande efficacité d'acquisition. En particulier, à nombre de détecteurs élémentaires égal, il est possible avec une pluralité de barrettes parallèles d'accéder à des images de zones rectangulaires au sol plus grandes qu'avec une seule barrette de détecteurs. Par ailleurs, on notera, comme cela a été illustré sur la figure 6, que cette technique permet d'utiliser, pour la réalisation des barrettes, des barrettes de type à circuit intégré, c'est-à-dire des puces électroniques, technologie qu'il n'est pas possible d'utiliser dans le cas où l'on doit disposer au plan focal une barrette d'un seul tenant (sans optique particulière, type DIVOLI par exemple) .

Claims

REVENDICATIONS
1 . Procédé pour l ' acquisition d ' une image par balayage pousse-balai à partir d ' un véhicule satellitaire ou aérien portant au moins une barrette de capteurs de type à trans fert de charge , caractérisé en ce que l ' on commande l ' attitude et les vitesses angulaires de roulis , tangage et lacet du véhicule pour que les vitesses longitudinale et latérale au sol de la barrette vérifient v L, ng ., = ± m ,lm + t .Z .V rc rf
£
V v latérale = - ->- 2 .2 • V v ,..f m + £ r
où Vref = P/Ti, P étant le pas au sol de la barrette, Ti la période d'échantillonnage, m et £ deux entiers.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on commande l'attitude du véhicule en imposant un angle de lacet constant.
3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on commande l'attitude du véhicule en faisant varier l'angle tangage et l'angle de lacet.
4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le véhicule comporte une pluralité de barrettes disposées parallèlement en dents de scie dans le plan focal d'une optique, le véhicule étant guidé de façon que l'inclinaison des barrettes par rapport à la normale à la vitesse du satellite au sol soit égale à : c^;m = Arctg il .
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