WO2010076520A2 - Engin aeronautique - Google Patents

Engin aeronautique Download PDF

Info

Publication number
WO2010076520A2
WO2010076520A2 PCT/FR2009/052636 FR2009052636W WO2010076520A2 WO 2010076520 A2 WO2010076520 A2 WO 2010076520A2 FR 2009052636 W FR2009052636 W FR 2009052636W WO 2010076520 A2 WO2010076520 A2 WO 2010076520A2
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
filter
radiation
earth
machine
spectral
Prior art date
Application number
PCT/FR2009/052636
Other languages
English (en)
Other versions
WO2010076520A3 (fr
Inventor
Jacques Berthon
Original Assignee
Centre National D'etudes Spatiales
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Centre National D'etudes Spatiales filed Critical Centre National D'etudes Spatiales
Priority to EP09829862.3A priority Critical patent/EP2373962B1/fr
Priority to ES09829862.3T priority patent/ES2449441T3/es
Publication of WO2010076520A2 publication Critical patent/WO2010076520A2/fr
Publication of WO2010076520A3 publication Critical patent/WO2010076520A3/fr

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/28—Investigating the spectrum
    • G01J3/30—Measuring the intensity of spectral lines directly on the spectrum itself
    • G01J3/32—Investigating bands of a spectrum in sequence by a single detector
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/02—Details
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/02—Details
    • G01J3/0205—Optical elements not provided otherwise, e.g. optical manifolds, diffusers, windows
    • G01J3/0218—Optical elements not provided otherwise, e.g. optical manifolds, diffusers, windows using optical fibers
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/02—Details
    • G01J3/0291—Housings; Spectrometer accessories; Spatial arrangement of elements, e.g. folded path arrangements
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/02—Details
    • G01J3/06—Scanning arrangements arrangements for order-selection
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/12—Generating the spectrum; Monochromators
    • G01J3/18—Generating the spectrum; Monochromators using diffraction elements, e.g. grating
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G02B2006/12083—Constructional arrangements
    • G02B2006/12107—Grating

Definitions

  • the present invention relates to an aeronautical machine of the type comprising a spectrometer capable of generating a spectral analysis of radiation reflected by a portion of the surface of the earth, the machine being in orbit around the earth with a relative movement with respect to the surface of the earth.
  • the document EP 0 767 361 describes an aeronautical machine comprising a spectrometer able to determine the spectrum of the radiation reflected by the surface of the earth.
  • the spectrometer mounted in this machine is generally of the interferometer type of Fabry Perrot, Michelson, Mac Zehnder or uses spectrally dispersive elements such as prisms and diffraction gratings.
  • the apparatus also includes means for moving the spectrometer or an element thereof to decompose the incident radiation. This displacement must be precise and reliable.
  • the object of the invention is to propose an aeronautical machine comprising a spectrometer that does not require any means of displacement of the spectrometer or of an element thereof.
  • the subject of the invention is an aeronautical machine comprising a spectrometer capable of generating a spectral analysis of radiation reflected by a portion of the surface of the earth, the machine being in orbit around the earth with a relative movement by relative to the earth's surface, characterized in that the spectrometer comprises a filter comprising a resonant network composed of a periodic nano-structure and supporting a guided mode, the filter being suitable for filtering in a narrow spectral band of dependent incident radiation the angle of incidence of said radiation on the filter; said filtered spectral band being able to vary continuously in a wider spectral range, when the angle of incidence of said incident radiation varies continuously, and the apparatus comprises means for determining the spectral band of filtered radiation coming from the same surface portion for several positions of the machine relative to the surface portion.
  • this machine uses its relative displacement with respect to the surface of the earth to vary the angle of incidence of the radiations penetrating into the spectrometer and thus achieve a spectral decomposition of the radiation reflected by the surface of the earth.
  • the machine comprises one or more of the following characteristics, taken separately or in combination: the determination means comprises means for detecting the amplitude of the filtered radiations in the spectral band, said means detection device comprising at least a first column of pixels arranged in a direction of advancement of the machine, said first column being able to capture the filtered radiation from the surface portion of the earth; the device comprises processing means able to determine the wavelengths of the radiation reflected by the same portion of the earth's surface from the measured data for a period of time equal to the period of time necessary for the displacement of the device causes a variation of the angle of incidence of the radiation coming from a target allowing the spectral sweep of the whole of the spectral range of the filter;
  • the detection means comprise at least one second column of pixels parallel to said first column of pixels, said second column being able to image portions of the surface of the earth adjacent to the surface portion of the earth reflecting the radiations decomposed by the spectrometer;
  • the filter is fixed relative to the machine
  • the present invention also relates to a method of spectral analysis of radiation reflected by a surface portion of the earth using an aeronautical machine capable of moving in orbit around the earth with a relative movement with respect to the surface of the earth, said apparatus comprising a spectrometer comprising a filter comprising a resonant network composed of a periodic nano-structure supporting a guided mode, the filter being capable of filtering a narrow spectral band depending on an angle of incidence of said radiation on the filter, characterized in that the method comprises:
  • a step of filtering the radiation reflected by said surface portion a step of moving the machine relative to said surface portion, said moving step being carried out during the filtering step, the filtered spectral band varying continuously in a wider spectral range when the angle of incidence of the radiations incidents on the filter varies continuously; - A step of determining the spectral band of filtered radiation from the same surface portion for several relative positions of the machine relative to the surface portion.
  • FIG. 1 is a schematic perspective view of an aeronautical device according to the invention flying over part of the earth's surface;
  • FIG. 2 is a schematic view of a spectrometer and detection means equipping the machine of FIG. 1;
  • FIG. 3 is a schematic perspective view of a filter used in the spectrometer illustrated in FIG. 2;
  • FIG. 4 is a schematic representation of the radiation generated by the spectrometer illustrated in FIG. 2, and detection means.
  • an aeronautical machine such as, for example, a satellite 2 according to the invention is equipped with a spectrometer 4 capable of decomposing the radiation reflected by the surface of the earth 5, means 6 for detecting the decomposed radiations, and processing means 8 spectral data detected by the means 6.
  • the satellite 2 is able to move in low orbit around the earth. It has a period of revolution different from the period of rotation of the earth on itself, so that the satellite 2 is in relative displacement with respect to the surface of the earth 5.
  • the spectrometer 4 is suitable for performing the spectral decomposition of radiation reflected by a portion 12 of the surface of the earth 5 disposed under the satellite.
  • the spectrometer 4 realizes the spectral decomposition of a surface band 13 which extends along the direction of advancement of the satellite X. This band is generally called a trace. Since the surface of the earth is distant from the spectrometer 4, the radiation reflected by the surface portion 12 is parallel and has a single angle of incidence ⁇ mc with respect to the spectrometer 4.
  • the spectrometer 4 comprises a resonant filter 14 placed at the input of an imager or high-resolution detection means 6.
  • This imager is composed of an objective that focuses the rays on a matrix detector.
  • the objective is schematized by a convergent lens 16 disposed downstream of the filter 14.
  • the detection means 6 composed of numerous pixels in line and column and placed at the focus of the objective (the convergent lens 16) is able to sample spatially and spectrally the radiation filtered by the resonant filter.
  • the filter 14 can work in transmission and in reflection. It is capable of filtering radiation having wavelengths within a narrow spectral band ⁇ when the angle of incidence ⁇ mc is fixed. This spectral band ⁇ is able to vary continuously in a wider spectral range [ ⁇ o , ⁇ 3], when the angle of incidence ⁇ mc on the filter 14 varies continuously.
  • the mid-height width of the spectral band ⁇ can be as narrow as 0.1 nm thanks to the outstanding performance of resonant filters.
  • the width of the spectral range [ ⁇ o , ⁇ 3 ] may be greater than 100 nm without any noticeable change in filter performance.
  • the filter 14 is a resonant network composed of a periodic nanostructure on a plane waveguide having eigenmodes, the assembly is deposited on a substrate.
  • the theory of resonant networks shows that a guided mode can be excited by an evanescent wave, but not by an incident propagative plane wave (see Thesis of Anne-Laure Fehrembach University of Aix-Marseille 3 supported on September 29, 2003) .
  • the network whose period is less than the wavelength has all these diffraction orders which are evanescent. For a given angle of incidence it can excite a proper mode of the guide and also serve to decouple.
  • the resonant network is thus first a coupler-decoupler network, allowing the excitation of eigen modes of a structure. This results in a resonance peak whose reflectivity curve is a function of the wavelength or the angle of incidence.
  • the filter 14 operates in reflection. It consists of a substrate which may be glass 18 having two parallel main faces. Each main face is covered with a silicon nitride Si 3 N 4 anti-reflection layer and an anti-reflection layer 22 of SiO 2 silica glass deposited by a low pressure chemical vapor deposition method combined with a plasma deposition method.
  • the silica glass layer 22 is formed by a hexagonal network having a period less than the working wavelength.
  • the network is provided with holes whose diameter and depth affect the width of the filter.
  • the transmission by the filter 14 of the narrow spectral band ⁇ reflects the coupling of the incident radiation with a guided mode of the filter 14.
  • rieff ( ⁇ ) is the effective index of the mode of the filter
  • q is a relative integer.
  • the resonance frequency of the filter 14 and therefore the value of the wavelengths transmitted by it depends only on the value of the angle of incidence.
  • the filter 14 In the focal plane of the convergent lens 16, the filter 14 generates areas of iso-wavelength ⁇ , which can be in the form of circles illustrated schematically in FIG. 4. These circles of iso-lengths of wave ⁇ , correspond to angles ⁇ , of incidence on the filter and reflect the fact that an extended object is observed at different wavelengths. The points of the object observed at the same wavelength may be circles giving the same angle of incidence at the input of the filter.
  • the detection means 6 comprise an array of detectors, for example a charge-coupled matrix CCD, comprising several rows of pixels called columns, 30, 32, 34 arranged in the direction of advance of the satellite X.
  • CCD charge-coupled matrix
  • the detection means 6 are arranged to receive the flow in a forward or reverse angular range according to the speed X of the satellite.
  • the lens 16 is able to focus the filtered radiation on a predefined pixel column 30 so that the column 30 is able to capture all the radiation filtered by the filter 14, that is, that is to say all the radiations having wavelengths included in the spectral band [ ⁇ o , ⁇ 3 ] and arriving at an angle of incidence ⁇ ⁇ nc on the filter 14 whose value is between ⁇ 0 and ⁇ 3 .
  • the values measured by the pixels of this column 30 are representative of the wavelengths of the beams reflected by the surface portion 12 of the earth, each pixel thus sees a part of the object in a precise length.
  • the other columns 32, 34 of the detector matrix are able to image the portions 36, 28 of the surface of the earth adjacent to the portion 12 and transverse to the direction of advance X at a given moment.
  • the radiation reflected by the surface band 13 is decomposed by the filter 14 and picked up by the column 30.
  • Each pixel of the column 30 always sees the same wavelength but is of the next ground pixel.
  • the columns 32, 34 imitate the two surface strips 40, 42 extending on either side of the strip 13 when the satellite is moving forward.
  • a pixel on the ground will be seen successively at different wavelengths which will make it possible to obtain a spectrum of the object.
  • the detection means are two-dimensional, they acquire a hyperspectral image with a small spectral shift along the Y axis that can be easily calibrated and compensated by processing.
  • the processing means 8 are able to determine the wavelengths of the radiation reflected by the same surface portion 12 from the data measured by the pixels of the column 30 for a period of time equal to the period of time necessary for the the displacement of the satellite causes a variation of the angle of incidence ⁇ mc allowing the scanning of the spectral range [ ⁇ o , ⁇ 3] of the filter 14.
  • the X axis also corresponds to the axis of movement of the satellite relative to the observed object.
  • the detection means 6 consist of a two-dimensional charge transfer device of the BBD, CID or CMOS type.
  • the detection means 6 comprise a one-dimensional detector or a bar.
  • the linear detector is placed along the X axis and makes it possible to acquire the spectrum of a zone thanks to the advance of the satellite. We will not have the ability to acquire a given image by the two-dimensional detector.
  • the filter 14 can be used in reflection or in transmission.
  • the filter 14 comprises a reflective treatment over the entire spectral band of analysis. Thus only the resonance wavelength will be transmitted, the reflectivity of the filter giving the rejection of the device.
  • the filter 14 further comprises an antireflection layer which passes all the light, so only the resonance wavelength will be reflected by the filter.
  • a band pass filter at the input of this instrument will be used to limit the spectrum of the light entering the instrument to the domain from ⁇ 0 to ⁇ 3 .
  • the spectrometer is capable of performing a spectral decomposition of the radiation reflected by the surface of the earth 5 by using the displacement of the satellite with respect to the surface of the earth 5 to scan the wavelengths of the spectral range [ ⁇ o , ⁇ 3 ] of operation of the spectrometer.
  • the satellite according to the invention makes it possible to capture spectral information and imaging information in a single pass of the satellite.
  • the spectrometer of the invention uses only a resonant filter followed by an imaging device consisting of a lens and a typical matrix detector
  • This spectrometer associates the angular resolution of an imager with the spectral resolution of a resonant filter which is an optical device having a periodicity less than the wavelength and working in zero order.
  • the resolution power ⁇ / ⁇ of the filter 14 may be greater than 10,000.
  • the angular sensitivity of the spectral response of the resonant filter 14 is of the order of 1.7 ⁇ 10 -3 rd / nm.
  • the filter 14 can be optimized to have its spectral performance independent of the polarization of the incident light. According to FIG. 3, as a first approximation, it can be seen that for small angles ⁇ i nc , ⁇ varies linearly with the angle of incidence.
  • the spectrometer is mounted in an aircraft and the displacement of the aircraft is used to perform the spectral analysis.
  • an optical device that provides the function of collimation of light so that the rays from the area to be analyzed are sufficiently parallel for the proper operation of the filter.
  • a mobile device is introduced onto an element of the spectrometer. It can be either a device allowing a rotation of the filter in FIG. 2, or a device allowing a translation of the lens 16 in FIG. 2, or a device allowing a translation of the detector 6 on the figure 2.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Spectrometry And Color Measurement (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)

Abstract

L'invention concerne un engin aéronautique (2) comportant un spectromètre (4) apte à générer une analyse spectrale de rayonnements réfléchis par une portion (12) de la surface de la terre, l'engin (2) étant en orbite autour de la terre avec un mouvement relatif par rapport à la surface de la terre. Le spectromètre comprend un filtre (14) propre à filtrer la lumière dans une bande spectrale étroite de rayonnements incidents dépendant de l'angle d'incidence desdits rayonnements sur le filtre; ladite bande spectrale filtrée étant propre à varier continûment dans une plage spectrale plus large, lorsque l'angle d'incidence desdits rayonnements incidents varie continûment. L'engin (2) comprend des moyens (6, 8) de détermination de la bande spectrale de rayonnements filtrés issus d'une même portion de surface (12) pour plusieurs positions de l'engin (2) par rapport à la portion de surface (12).

Description

Engin aéronautique
La présente invention concerne un engin aéronautique du type comportant un spectromètre apte à générer une analyse spectrale de rayonnements réfléchis par une portion de la surface de la terre, l'engin étant en orbite autour de la terre avec un mouvement relatif par rapport à la surface de la terre.
Le document EP 0 767 361 décrit un engin aéronautique comportant un spectromètre apte à déterminer le spectre des rayonnements réfléchis par la surface de la terre. Le spectromètre monté dans cet engin est généralement du type interféromètre de Fabry Perrot, Michelson, Mac Zehnder ou utilise des éléments spectralement dispersifs comme les prismes et réseaux de diffraction. L'engin comprend également des moyens de déplacement du spectromètre ou d'un élément de celui-ci pour décomposer les rayonnements incidents. Ce déplacement doit être précis et fiable.
L'invention a pour but de proposer un engin aéronautique comportant un spectromètre ne nécessitant pas de moyens de déplacement du spectromètre ou d'un élément de celui-ci.
A cet effet, l'invention à pour objet un engin aéronautique comportant un spectromètre apte à générer une analyse spectrale de rayonnements réfléchis par une portion de la surface de la terre, l'engin étant en orbite autour de la terre avec un mouvement relatif par rapport à la surface de la terre, caractérisé en ce que le spectromètre comprend un filtre comportant un réseau résonant composé d'une nano-structure périodique et supportant un mode guidé, le filtre étant propre à filtrer dans une bande spectrale étroite de rayonnements incidents dépendant de l'angle d'incidence desdits rayonnements sur le filtre ; ladite bande spectrale filtrée étant propre à varier continûment dans une plage spectrale plus large, lorsque l'angle d'incidence desdits rayonnements incidents varie continûment, et l'engin comprend des moyens de détermination de la bande spectrale de rayonnements filtrés issus d'une même portion de surface pour plusieurs positions de l'engin par rapport à la portion de surface.
Avantageusement, cet engin utilise son déplacement relatif par rapport à la surface de la terre pour faire varier l'angle d'incidence des rayonnements pénétrant dans le spectromètre et ainsi réaliser une décomposition spectrale des rayonnements réfléchis par la surface de la terre.
Suivant des modes particuliers de réalisation, l'engin comporte l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément ou en combinaison : - les moyens de détermination comporte des moyens de détection de l'amplitude des rayonnements filtrés dans la bande spectrale, lesdits moyens de détection comprenant au moins une première colonne de pixels disposée selon une direction d'avancement de l'engin, ladite première colonne étant propre à capter les rayonnements filtrés issus de la portion de surface de la terre ; - l'engin comporte des moyens de traitement aptes à déterminer les longueurs d'onde des rayonnements réfléchis par une même portion de surface de la terre à partir des données mesurées pendant une période de temps égale à la période de temps nécessaire pour que le déplacement de l'engin provoque une variation de l'angle d'incidence des rayonnements issus d'une cible permettant le balayage spectral de l'ensemble de la plage spectrale du filtre ;
- les moyens de détection comprennent au moins une seconde colonne de pixels parallèle à ladite première colonne de pixels, ladite seconde colonne étant propre à imager des portions de surface de la terre adjacentes à la portion de surface de la terre réfléchissant les rayonnements décomposés par le spectromètre ;
- le filtre est fixe par rapport à l'engin ; et
- la plage spectrale est plus de 100 fois plus large que la bande spectrale. La présente invention a également pour objet un procédé d'analyse spectrale de rayonnements réfléchis par une portion de surface de la terre à l'aide d'un engin aéronautique propre à se déplacer en orbite autour de la terre avec un mouvement relatif par rapport à la surface de la terre, ledit engin comprenant un spectromètre comportant un filtre comportant un réseau résonant composé d'une nano-structure périodique supportant un mode guidé, le filtre étant propre à filtrer une bande spectrale étroite dépendant d'un angle d'incidence desdits rayonnements sur le filtre, caractérisé en ce que le procédé comporte :
- une étape de filtrage des rayonnements réfléchis par ladite portion de surface ; - une étape déplacement de l'engin par rapport à ladite portion de surface, ladite étape de déplacement étant réalisée pendant l'étape de filtrage, la bande spectrale filtrée variant continûment dans une plage spectrale plus large lorsque l'angle d'incidence des rayonnements incidents sur le filtre varie continûment ; - une étape de détermination de la bande spectrale de rayonnements filtrés issus d'une même portion de surface pour plusieurs positions relatives de l'engin par rapport à la portion de surface.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés, sur lesquels :
- la figure 1 est une vue schématique en perspective d'un engin aéronautique selon l'invention survolant une partie de la surface de la terre ;
- la figure 2 est une vue schématique d'un spectromètre et des moyens de détection équipant l'engin de la figure 1 ; - la figure 3 est une vue schématique en perspective d'un filtre utilisé dans le spectromètre illustré sur la figure 2 ;
- la figure 4 est une représentation schématique des rayonnements générés par le spectromètre illustré sur la figure 2, et des moyens de détection.
En référence à la figure 1 , un engin aéronautique tel que, par exemple, un satellite 2 selon l'invention est équipé d'un spectromètre 4 apte à décomposer les rayonnements réfléchis par la surface de la terre 5, des moyens 6 de détection des rayonnements décomposés, et des moyens de traitement 8 des données spectrales détectés par les moyens 6.
Le satellite 2 est apte à se déplacer en orbite basse autour de la terre. Il présente une période de révolution différente de la période de rotation de la terre sur elle-même, de sorte que le satellite 2 est en déplacement relatif par rapport à la surface de la terre 5.
Le spectromètre 4 est propre à réaliser la décomposition spectrale de rayonnements réfléchis par une portion 12 de la surface de la terre 5 disposée sous le satellite. Lorsque le satellite 2 avance, le spectromètre 4 réalise la décomposition spectrale d'une bande de surface 13 qui s'étend selon la direction d'avancement du satellite X. Cette bande est généralement appelée trace. Comme la surface de la terre est éloignée du spectromètre 4, les rayonnements réfléchis par la portion de surface 12 sont parallèles et présentent un unique angle d'incidence θmc par rapport spectromètre 4.
En référence à la figure 2, le spectromètre 4 comporte un filtre résonnant 14 placé en entrée d'un imageur ou moyens de détection 6 haute résolution. Cette imageur est composé d'un objectif qui focalise les rayons sur un détecteur matriciel. L'objectif est schématisé par une lentille convergente 16 disposée en aval du filtre 14.
Les moyens de détection 6 composé de nombreux pixels en ligne et colonne et placé au foyer de l'objectif (la lentille convergente 16) est apte à échantillonner spatialement et spectralement les rayonnements filtrés par le filtre résonnant.
Le filtre 14 peut travailler en transmission et en réflexion. Il est apte à filtrer des rayonnements ayant des longueurs d'onde compris dans une bande spectrale étroite Δλ lorsque l'angle d'incidence θmc est fixe. Cette bande spectrale Δλ est propre à varier continûment dans une plage spectrale [λo,λ3] plus large, lorsque l'angle d'incidence θmc sur le filtre 14 varie continûment.
La largeur à mi-hauteur de la bande spectrale Δλ peut-être aussi étroite que 0,1 nm grâce aux performances exceptionnelles des filtres résonnants. La largeur de la plage spectrale [λo,λ3] peut- être supérieure à 100 nm sans modification notable des performances du filtre.
En référence à la figure 3, le filtre 14 est un réseau résonnant composé d'une nanostructure périodique sur un guide d'onde plan possédant des modes propres, l'ensemble est déposé sur un substrat. La théorie des réseaux résonnants montre qu'un mode guidé peut-être excité par une onde évanescente, mais pas par une onde plane incidente propagative (cf. Thèse de Anne-Laure Fehrembach Université d'Aix-Marseille 3 soutenue le 29 septembre 2003). Le réseau dont la période est inférieure à la longueur d'onde a tous ces ordres de diffraction qui sont évanescents. Pour un angle d'incidence donné il peut exciter un mode propre du guide et servir également à le découpler. Le réseau résonnant est ainsi d'abord un réseau coupleur-découpleur, permettant l'excitation de modes propres d'une structure. Il en résulte un pic de résonnance dont la courbe de réflectivité est fonction de la longueur d'onde ou de l'angle d'incidence. Le filtre 14 fonctionne en réflexion. Il est constitué d'un substrat qui peut- être en verre 18 présentant deux faces principales parallèles. Chaque face principale est recouverte d'une couche 20 anti-réflexion nitrure de silicium Si3N4 et d'une couche anti-réflexion 22 de verre de silice SiO2 déposée par un procédé de dépôt à vapeur chimique à basse pression combiné à un procédé de dépôt par plasma.
La couche de verre de silice 22 est formée par un réseau hexagonal ayant une période inférieure à la longueur d'onde de travail. Le réseau est muni de trous dont le diamètre et la profondeur influent sur la largeur du filtre. Ce filtre 14 est décrit dans le document intitulé « Unpolarised narrow band filtering with résonant gratings » publié le 22 mars 2005 dans une revue intitulée Applied physics letters 86, 121 105.
La transmission par le filtre 14 de la bande spectrale étroite Δλ traduit le couplage des rayonnements incidents avec un mode guidé du filtre 14. Comme le réseau de la couche de verre de silice 22 est périodique, les rayonnements de la bande spectrale étroite Δλ sont transmises par le filtre 14 lorsque la relation suivante est vérifiée : λ = (nθff(λ) - sin θ,nc)(d/q) dans laquelle : - θinc et λ sont l'angle et la longueur d'onde incidents,
- d est la période du réseau,
- rieff(λ) est l'indice effectif du mode du filtre, et
- q est un entier relatif.
La fréquence de résonance du filtre 14 et donc la valeur des longueurs d'onde transmises par celui-ci ne dépend que de la valeur de l'angle d'incidence
"me-
Dans le plan focal de la lentille convergente 16, le filtre 14 génère des zones d'iso-longueurs d'onde λ,, qui peuvent être en forme de cercles illustrés schématiquement sur la figure 4. Ces cercles d'iso-longueurs d'onde λ, correspondent à des angles θ, d'incidence sur le filtre et traduisent le fait qu'un objet étendu est observé à des longueurs d'ondes différentes. Les points de l'objet observé à une même longueur d'onde peuvent être des cercles donnant le même angle d'incidence en entrée du filtre.
Les moyens de détection 6 comprennent une matrice de détecteurs, par exemple une matrice à couplage de charge CCD, comprenant plusieurs rangées de pixels appelées colonnes, 30, 32, 34 disposées selon la direction d'avancement du satellite X.
Les moyens de détection 6 sont disposés pour recevoir le flux dans un domaine angulaire avant ou arrière suivant la vitesse X de défilement du satellite. En particulier comme visible sur la figure 4, les moyens de détection sont positionnés dans le champ en θx = -10 ° et θy = 0 ° ou en θx = 10 ° et θy = 0 ° dans lequel θx est parallèle à la direction d'avancement X. La lentille 16 est apte à focaliser les rayonnements filtrés sur une colonne de pixels prédéfinie 30 de sorte que la colonne 30 soit propre à capter l'ensemble des rayonnements filtrés par le filtre 14, c'est-à-dire l'ensemble des rayonnements ayant des longueurs d'onde compris dans la bande spectrale [λo,λ3] et arrivant suivant un angle d'incidence θιnc sur le filtre 14 dont la valeur est comprise entre θ0 et θ3. Les valeurs mesurées par les pixels de cette colonne 30 sont représentatifs des longueurs d'onde des faisceaux réfléchis par la portion 12 de surface de la terre, chaque pixel voit ainsi une partie de l'objet dans une longueur précise. Les autres colonnes 32, 34 de la matrice de détecteur sont propres à imager les portions 36, 28 de la surface de la terre adjacentes à la portion 12 et transverses à la direction d'avancement X à un moment donné.
Lorsque le satellite 2 avance d'un pixel sol, les rayonnements réfléchis par la bande de surface 13, sont décomposées par le filtre 14 et captés par la colonne 30. Chaque pixel de la colonne 30 voit toujours la même longueur d'onde mais issue du pixel sol suivant.
De même, les colonnes 32, 34 imagent les deux bandes de surface 40, 42 s'étendant de part et d'autre de la bande 13 quand le satellite avance. Ainsi grâce à l'avance du satellite 2 un pixel au sol sera vu successivement à des longueurs d'onde différentes ce qui permettra l'obtention d'un spectre de l'objet. Comme les moyens de détection sont en deux dimensions, ils acquièrent une image hyperspectrale avec un petit décalage spectrale le long de l'axe Y qui peut être facilement étalonné et compensé par traitement. Les moyens de traitement 8 sont aptes à déterminer les longueurs d'onde des rayonnements réfléchis par une même portion de surface 12 à partir des données mesurées par les pixels de la colonne 30 pendant une période de temps égale à la période de temps nécessaire pour que le déplacement du satellite provoque une variation de l'angle d'incidence θmc permettant le balayage de la plage spectrale [λo,λ3] du filtre 14.
On notera que l'on a choisi de placer le détecteur dans une zone angulaire de fonctionnement du filtre où la longueur d'onde varie rapidement en fonction de θinc suivant l'axe X alors que sur l'axe Y la variation est très faible. L'axe X correspond également à l'axe de déplacement du satellite par rapport à l'objet observé.
En variante, les moyens de détection 6 sont constitués par un dispositif à transfert de charge à deux dimensions de type BBD, CID ou CMOS.
En variante, les moyens de détection 6 comprennent un détecteur à une dimension soit une barrette. Le détecteur linéaire est placé suivant l'axe X et permet d'acquérir le spectre d'une zone grâce à l'avance du satellite. On n'aura pas la capacité d'acquérir une image donnée par le détecteur à deux dimensions. Le filtre 14 peut-être utilisé en réflexion ou en transmission. Pour un fonctionnement en transmission le filtre 14 comporte un traitement réfléchissant sur toute la bande spectrale d'analyse. Ainsi seule la longueur d'onde de résonnance sera transmise, la réflectivité du filtre donnant la réjection de l'appareil. Pour un fonctionnement en réflexion le filtre 14 comporte en outre une couche antireflet qui laisse passer toute la lumière, ainsi seule la longueur d'onde de résonnance sera réfléchie par le filtre. Pour simplifier la réalisation du filtre résonnant on utilisera un filtre passe bande en entrée de cet instrument pour limiter le spectre de la lumière entrant dans l'instrument au domaine de λ0 à λ3.
Avantageusement, le spectromètre est propre à réaliser une décomposition spectrale des rayonnements réfléchis par la surface de la terre 5 en utilisant le déplacement du satellite par rapport à la surface de la terre 5 pour balayer les longueurs d'onde de la plage spectrale [λo,λ3] de fonctionnement du spectromètre. Avantageusement, le satellite selon l'invention permet de capturer une information spectrale et une information d'imagerie en un seul passage du satellite.
Le spectromètre de l'invention utilise uniquement un filtre résonant suivi d'un dispositif d'imagerie constitué d'un objectif et d'un détecteur matriciel type
CCD ou CMOS. Ce spectromètre associe la résolution angulaire d'un imageur à la résolution spectrale d'un filtre résonnant qui est un dispositif optique ayant une périodicité inférieure à la longueur d'onde et travaillant dans l'ordre zéro.
Suivant la figure 2, le pouvoir de résolution λ/Δλ du filtre 14 peut être supérieur e 10000.
La sensibilité angulaire de la réponse spectrale du filtre résonnant 14 est de l'ordre de 1 ,7 10"3 rd/nm.
Le filtre 14 peut être optimisé pour avoir sa performance spectrale indépendante de la polarisation de la lumière incidente. Suivant la figure 3, en première approximation, on voit que pour des angles θinc petits, λ varie linéairement avec l'angle d'incidence.
En variante, le spectromètre est monté dans un avion et on utilise le déplacement de l'avion pour effectuer l'analyse spectrale.
En variante lorsque l'objet n'est pas à l'infini on peut utiliser un dispositif optique qui assure la fonction de collimation de la lumière de façon que les rayons issus de la zone à analyser soient suffisamment parallèles pour le fonctionnement approprié du filtre.
En variante, lorsque le spectromètre n'est pas monté sur un engin de déplacement, on introduit un dispositif mobile sur un élément du spectromètre. Il peut s'agir soit d'un dispositif permettant une rotation du filtre sur la figure 2, soit d'un dispositif permettant une translation de la lentille 16 sur la figure 2, soit d'un dispositif permettant une translation du détecteur 6 sur la figure 2.

Claims

REVENDICATIONS
1.- Engin aéronautique (2) comportant un spectromètre (4) apte à générer une analyse spectrale de rayonnements réfléchis par une portion (12) de la surface de la terre, l'engin (2) étant en orbite autour de la terre avec un mouvement relatif par rapport à la surface de la terre, caractérisé en ce que le spectromètre (4) comprend un filtre (14) comportant un réseau résonant composé d'une nano-structure périodique et supportant un mode guidé, le filtre (14) étant propre à filtrer la lumière dans une bande spectrale (Δλ) étroite de rayonnements incidents dépendant de l'angle d'incidence (θιr,c,) desdits rayonnements sur le filtre (14) ; ladite bande spectrale (Δλ) filtrée étant propre à varier continûment dans une plage spectrale ([λo,λ3]) plus large, lorsque l'angle d'incidence (θιr,c,) desdits rayonnements incidents varie continûment; et en ce que l'engin (2) comprend des moyens (6, 8) de détermination de la bande spectrale (Δλ) de rayonnements filtrés issus d'une même portion de surface
(12) pour plusieurs positions de l'engin (2) par rapport à la portion de surface (12).
2.- Engin aéronautique (2) selon la revendication 1 , dans lequel les moyens de détermination (6, 8) comporte des moyens de détection (6) de l'amplitude des rayonnements filtrés dans la bande spectrale (Δλ), lesdits moyens de détection (6) comprenant au moins une première colonne de pixels (30) disposée selon une direction (X) d'avancement de l'engin (2), ladite première colonne (30) étant propre à capter les rayonnements filtrés issus de la portion (12) de surface de la terre.
3.- Engin aéronautique (2) selon la revendication 1 ou 2, qui comporte des moyens de traitement (8) aptes à déterminer les longueurs d'onde des rayonnements réfléchis par une même portion (12) de surface de la terre à partir des données mesurées pendant une période de temps égale à la période de temps nécessaire pour que le déplacement de l'engin (2) provoque une variation de l'angle d'incidence (θmc,) des rayonnements issus d'une cible permettant le balayage par la bande spectrale (Δλ) de l'ensemble de la plage spectrale ([λo,λ3]) du filtre (14).
4.- Engin aéronautique (2) selon l'une quelconque des revendications 2 et
3, dans lequel les moyens de détection (6) comprennent au moins une seconde colonne (32) de pixels parallèle à ladite première colonne (30) de pixels, ladite seconde colonne (32) étant propre à imager des portions (36, 38) de surface de la terre adjacentes à la portion (12) de surface de la terre réfléchissant les rayonnements décomposés par le spectromètre (4).
5.- Engin aéronautique (2) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le filtre (14) est fixe par rapport à l'engin (2).
6.- Engin aéronautique (2) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la plage spectrale ([λo,λ3]) est plus de 100 fois plus large que la bande spectrale (Δλ).
7.- Procédé d'analyse spectrale de rayonnements réfléchis par une portion
(12) de surface de la terre à l'aide d'un engin aéronautique (2) propre à se déplacer en orbite autour de la terre avec un mouvement relatif par rapport à la surface de la terre, ledit engin (2) comprenant un spectromètre (4) comportant un filtre (14) comportant un réseau résonant composé d'une nano-structure périodique supportant un mode guidé, le filtre (14) étant propre à filtrer la lumière dans une bande spectrale (Δλ) étroite dépendant d'un angle d'incidence (θιr,c,) desdits rayonnements sur le filtre (14) ; caractérisé en ce que le procédé comporte :
- une étape de filtrage des rayonnements réfléchis par ladite portion de surface (12) ;
- une étape déplacement de l'engin (2) par rapport à ladite portion de surface (12), ladite étape de déplacement étant réalisée pendant l'étape de filtrage, la bande spectrale (Δλ) filtrée variant continûment dans une plage spectrale [λo,λ3] plus large lorsque l'angle d'incidence (θmc,) des rayonnements incidents sur le filtre (14) varie continûment ;
- une étape de détermination de la bande spectrale (Δλ) de rayonnements filtrés issus d'une même portion de surface (12) pour plusieurs positions relatives de l'engin (2) par rapport à la portion de surface (12).
PCT/FR2009/052636 2009-01-05 2009-12-21 Engin aeronautique WO2010076520A2 (fr)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP09829862.3A EP2373962B1 (fr) 2009-01-05 2009-12-21 Engin aeronautique
ES09829862.3T ES2449441T3 (es) 2009-01-05 2009-12-21 Vehículo aeronáutico

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FR0950010 2009-01-05
FR0950010A FR2940832B1 (fr) 2009-01-05 2009-01-05 Engin aeronautique

Publications (2)

Publication Number Publication Date
WO2010076520A2 true WO2010076520A2 (fr) 2010-07-08
WO2010076520A3 WO2010076520A3 (fr) 2010-08-26

Family

ID=40933641

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/FR2009/052636 WO2010076520A2 (fr) 2009-01-05 2009-12-21 Engin aeronautique

Country Status (4)

Country Link
EP (1) EP2373962B1 (fr)
ES (1) ES2449441T3 (fr)
FR (1) FR2940832B1 (fr)
WO (1) WO2010076520A2 (fr)

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0767361A2 (fr) 1993-07-22 1997-04-09 C.I. Systems (Israel) Ltd. Procédé et dispositif d'analyse spectrale

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5166755A (en) * 1990-05-23 1992-11-24 Nahum Gat Spectrometer apparatus
JPH04304079A (ja) * 1991-03-30 1992-10-27 Nec Corp 波長域可変撮像装置
JP3203684B2 (ja) * 1991-05-16 2001-08-27 株式会社ニコン 分光結像光学装置

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0767361A2 (fr) 1993-07-22 1997-04-09 C.I. Systems (Israel) Ltd. Procédé et dispositif d'analyse spectrale

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
"Unpolarised narrow band filtering with resonant gratings", APPLIED PHYSICS LETTERS, vol. 86, 3220520, pages 121105

Also Published As

Publication number Publication date
FR2940832A1 (fr) 2010-07-09
FR2940832B1 (fr) 2011-02-04
WO2010076520A3 (fr) 2010-08-26
ES2449441T3 (es) 2014-03-19
EP2373962B1 (fr) 2014-02-12
EP2373962A2 (fr) 2011-10-12

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP0974042B1 (fr) Polarimetre et procede de mesure correspondant
EP2135060A2 (fr) Dispositif de detection optique de gaz a distance
EP1825312B1 (fr) Detecteur et camera spectroscopiques interferentiels
FR2855608A1 (fr) Spectrometre statique par transformee de fourier
EP2502038B1 (fr) Spectrometre optique a reseau de diffraction concave
EP2649431B1 (fr) Systeme et procede d'imagerie multitechniques pour l'analyse chimique, biologique ou biochiimique d'un echantillon.
FR3064355A1 (fr) Spectrometre a transformee de fourier et son procede de gestion
WO2006061543A1 (fr) Refractometre a reseau de bragg en angle, utilisant la puissance optique diffractee vers le continuum de modes radiatifs
WO2016092236A1 (fr) Dispositif de filtrage optique pour la détection de gaz
EP2373962B1 (fr) Engin aeronautique
EP0642005B1 (fr) Dispositif optique d'imagerie permettant l'analyse spectrale d'une scène
EP2260277A1 (fr) Spectrometre compact a echantillonage bidimensionnel
FR2857746A1 (fr) Spectrometre optique miniaturise a haute resolution
FR2841658A1 (fr) Dispositif de couplage optique directionnel et selectif en longueur d'onde
EP2309236B1 (fr) Téléscope concentrateur de champ destiné à des missions de sondage atmosphérique
EP1867969B1 (fr) Système d'imagerie spectrométrique
EP2923196B1 (fr) Dispositif de detection optique de gaz a distance
EP3835756B1 (fr) Dispositif et méthode de détection de particules et procédé de fabrication
FR3064375A1 (fr) Dispositif a capteur optique utilisant une onde optique de surface couplee par un reseau de diffraction
EP1141668B1 (fr) Dispositif a rejet spectral de formation d'une image sur un capteur optique
EP2071308A1 (fr) Dispositif d`analyse spectroscopique interférentielle
WO2016001326A1 (fr) Détecteur propre à détecter une première longueur d'onde et à filtrer une deuxième longueur d'onde
CA3200228A1 (fr) Imageur multispectral a domaine spectral elargi
FR2831265A1 (fr) Procede d'observation d'un objet et satellite le mettant en oeuvre
EP1176452A1 (fr) Procédé et dispositif pour la mesure de la defocalisation d'un instrument d'optique

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 09829862

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A2

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2009829862

Country of ref document: EP

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE