Brevet FR2519756A1 — publié le 19830718

La présente invention concerne les dispositifs de mesure et a notamment pour obJet un spectromètre. L'invention peut s'appliquer à l'étude à distance de la Terre à partir d'engins spatiaux et à la photographie aérienne dans la gamme optique. L'étude de la Terre à distance repose sur les mesures du champ de luminance de la surface terrestre. Etant une fonction de la longueur d'onde du rayonnement et des coordonnées, le champ de luminance contient des informations sur les propriétés spectrales et le relief de la surface terrestre à étudier. La solution de l'ensemble des problèmes se posant dans les différents domaines scientifiques de l'étude de la Terre nécessite l'emploi de systèmes de télémesure informatisés à commande dynamique des paramètres de prise de vue (adaptabilité), y compris la précision de mesure du rayonnement, la résolution spatiale b S et la résolution spectrale A J. L'adaptabilité du dispositif est imposée par la nécessité d'obtenir une combinaison optimale des principaux paramètres de prise de vue pour l'étude particulière à effectuer. I1 existe des dispositifs destinés à l'étude à distance par les méthodes photographiques fouissant une image de la surface à explorer avec une haute résolution spatiale et capables d'emmagasiner de grandes quantités de données. Ces dispositifs ont toutefois le désavantage de posséder une gamme d'ondes utiles limitée, d'être lents, de manquer d'adaptabilité des paramètres de prise de vue et d'être peu informatifs sur le spectre. L'évolution des moyens d'exploration à distance a fait apparaître des systèmes de prise de vue multispectrale mettant en oeuvre les prises de vues de la surface à explorer en plusieurs régions b it du spectre à la fois. La prise de vue multispectrale fournissant, outre les caractéristiques spatiales de la surface explorée, les spectrogrammes de celles-ci, permet d'identifier les objets par leurs différences spectrales. Parmi les inconvénients desdits dispositifs on peut citer l'utilisation insuffisante des informations spectrales et le manque d'adaptabilité des paramètres de prise de vue. Il est également à noter que dans le cas d'un nombre de régions spectrales supérieur à quatre, l'équipement de prise de vue multispectrale devient compliqué, encombrant et onéreux. Il existe des spectromètres pour l'exploration à distance de la surface terrestre dont on veut étudier les caractéristiques spatiales et spectrales. Toutefois, ces appareils, qui fournissent beaucoup de renseignements spectraux en temps réel et réalisent l'analyse spatiale, s'opposent à l'adaptabilité des paramètres de prise de vue. Il existe un spectromètre dans lequel le rayonnement à mesurer tombe sur un miroir en balayage dans le sens perpendiculaire à celui du vol. Réfléchi par le miroir, le rayonnement est dirigé vers un système optique comportant un objectif d'entrée, un diaphragme d'exploration et un polychromateur. Le polychromateur est constitué par un objectif collimateur, un prisme, un objectif focalisateur, un coupleur à fibres optiques et un bloc de récepteurs photo-électriques. Le rayonnement décomposé par le prisme est concentré par l'objectif sur la face terminale du coupleur à fibres optiques. Le coupleur à fibres optiques distribue les composantes spectrales isolées par le polychromateur entre les récepteurs photoélectriques dont chacun sert à produire un signal seulement à partir de l'une des composantes spectrales du rayonnement transférées par le coupleur à fibres optiques. Le signal émis par les récepteurs est reçu par un système d'enregistrement. Ce spectromère connu est doué d'adaptabilité, quoique limitée, sa résolution spatiale étant variable avec les dimensions du diapragme d'exploration qu'on peut modifier. Ledit spectromètre, qui a pour inconvdnienteasmt,ie1 l'impossibilité de contrôler " en ligne" les principaux paramètres de prise de vue : précision de mesure, résolution spatiospectrale tant au cours de l'utilisation du spectromètre que lors du prédépouillement de l'information obtenue, est lui aussi incapable de fournir les caractéristiques spatiales de la surface à explorer. La présente invention a donc pour but de créer un spectromètre assurant, grtce à la modification apportée à son système opto-électronique, une meilleure résolution spatio-spectrale. Ce problème est résolu à l'aide d'un spectro-mètre destiné à l'exploration de la surface terrestre à partir d'aéronefs et d'engins spatiaux et comportant un système optique d'entrée et-un diaphragme d'exploration qui dirigent le flux de rayonnement provenant de la portion de surface terrestre à étudier vers un récepteur photo-électrique à deux dimensions relié à un système d'enregistrement et de traitement de l'information incidente, ledit spectromètre étant, selon l'invention, caractérisé en ce que le diaphragme d'exploration, placé après le système optique d'entrée, est conçu de manière à effectuer la décomposition spatiale de l'image de la portion de surface terrestre à explorer et que le spectromètre contient également un dispositif dispersif servant à la décomposition spectrale du rayonnement transmis par le diaphragme d'exploration dans une direction perpendiculaire à sa longueur et à former l'image du spectre sur la surface photosensible du récepteur photo-électrique bidimensionnel qui transforme le rayonnement reçu en signal électrique et dont les dimensions sont optiquement compatibles avec celles du diaphragme d'exploration. Il est utile que le dispositif dispersif soit suivi d'un élément à fibres optiques dont la face terminale reçoit l'image du spectre et qui sert à adapter dimension nellement cette image à la surface photosensible du récepteur photo-électrique bidimensionnel. Il est raisonnable également que le système d'enregistrement et de traitement de l'information se présentant sous forme d'un signal électrique porteur d'une information sur les caractéristiques spectrales et spatiales, comporte une mémoire vive reliée par un convertisseur analogique-mumérique à la sortie du récepteur photo-électrique bidimensionnel, une unité de formation de fichiers d'informations spectrales et une unité de formation de fics d'informations spatiales, reliées chacune à la sortie de ladite mémoire vive, ainsi qu'une unité de commande par progaamme de la formation des fichiers d'informations, reliée aux unités de formation desdits fichiers. On a ainsi la possibllité de contrôler "en ligne" la précision de mesure et la résolution spatiale et spectrale. L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, détails et avantages de celle-ci apparattront mieux à la lumière de la description explicative qui va suivre de différents modes de réalisation donnés uniquement à titre d'exemples non limitatifs, avec références aux dessins non limitatifs annexés dans lesquels - la figure 1 est une représentation schématique du système optique d'un spectromètre selon l'invention - la figure 2 illustre un autre mode de réalisation particulier du système optique du spectromètre selon l'invention -le figure 3 représente le système d'enregistrement et de traitement selon l'invention - la figure 4 représente l'unité de formation de fichiers d'informations selon l'invention. Le spectromètre considéré comporte, disposés successivement l'un après l'autre, un objectif d'entrée 1 (figure 1), un diaphragme d'exploration 2, un dispositif dispersif réalisé sous forme d'un réseau holographique transparent 3, et un récepteur photo-électrique bidimensionnel à l'état solide 4. Le flux de rayonnement converti par le récepteur photo-électrique 4 en un signal électrique est reçu par le système d'enregistrement et de traitement de l'information 5. Le diaphragme d'exploration est conçu de façon à pouvoir effectuer la décomposition spatiale de l'image de la portion 6 de la surface terrestre 7 à étudier. Le rayonnement émis par la surface explorée 7 est réuni et projeté par l'objectif d'entrée 1 sur le diaphragme d'exploration 2 destiné à former une ligne d'image correspondant à la bande 8 sur la portion à étudier 6 et conjugué optiquement avec la ligne 9 sur le récepteur photo-électrique bidimensionnel à l'état solide 4 suivant l'axe X. Le rayonnement sortant du diaphragme d'exploration 2 tombe sur le réseau hDlographique transparent 3 qui le décompose en composantes spectrales suivant l'axe de dispersion Y perpendiculaire à sa longueur pour les concentrer sur la surface du récepteur photo-électrique bidimensionnel à l'état solide 4. Ces récepteurs se présentent sous forme de dispositifs à semiconducteurs à structure MOS. Lorsque la surface photosensible du récepteur photoélectrique bidimensionnel à l'état solide 4 reçoit un flux de rayonnement portant l'information spatiospectrale, il se forme dans la masse du semi-conducteur des paires électrontrou. Arrivés dans la zone dépeuplée, les porteurs se divisent et les trous se concentrent dans les puits de potentiel (la charge accumulée est proportionnelle à l'éclairement). Au bout d'un certain temps (quelques millisecondes) suffisant pour la perception de l'image, la matrice du récepteur 4 va conserver l'image des paquets de charges correspondant à la répartition de l'éclairement. A l'apparition d'impulsions d'horloge, les paquets de charges vont progresser de proche en proche jusqu'à un dispositif de lecture qui les transforme en impulsions de différentes amplitudes dont l'enveloppe traduit le signal vidéo sur la surface photosensible du récepteur 4. Les dimensions d'une ligne sur la surface photosensible du récepteur 4 sont optiquement conjuguées avec la largeur du diaphragme d'exploration 2. Ces dimensions sont accordées entre elles par l'élément à fibres optiques 10 (figure 2) placé à la suite do réseau holographique 3 et dont la face terminale 11 reçoit l'image du spectre. L'emploi de l'adaptateur à fibres optique 10, qui a sa face terminale d'entrée 11 disposée à la sortie du dispositif dispersif, et sa face terminale de sortie 12, reliée au récepteur photo-électrique bidimensionnel 4, permet de transférer dans le plan de ce dernier l'image réduite du spectre. il devient ainsi possible d'augmenter le facteur géométrique sans avoir à modifier les dimensions du récepteur 4, ou, inversement, d'en effectuer la réduction pour un diamètre donné de la pupille d'entrée de l'objec- tif 1. Dans l'un et l'autre cas, la précision de mesure (pour une certaine résolution spatiospectrale) ou la résolution spatiospectrale (pour une certaine précision) est améliorée à peu près dans un rapport K, où K est le facteur de réduction de l'adaptateur à fibres optiques 10. L'application de l'adaptateur à fibres optiques 10 à facteur de réduction K permet d'améliorer le facteur géométrique du système optique du spectromètre sans modifier dimensionnellement le récepteur 4 et par conséquent d'obtenir une résolution spatiospectrale plus élevée en vue de l'amélioration de la précision de mesure. Le dispositif selon l'invention est beaucoup plus performant que ses homologues utilisant le balayage mécanique en spectre ou en espace et des récepteurs photoélectriques à tubes à vide. On a pu améliorer plusieurs paramètres, par exemple la fiabilité, ce qui est dd à la suppression des organes mobiles et au remplacement des récepteurs photoélectriques à tubes à vide dont le taux de pannes est de l'ordre de 10 5 l/heure par des récepteurs photsEectriques à semi-conducteurs ayant un taux de pannes de l'ordre de 10 8 1/heure. La consommation électrique a subi une réduction considérable. La substitution d'un récepteur photo-électrique à plusieurs éléments photosensibles au balayage mécanique a pour résultat un rapport signal-bruit amélioré, ce qui permet de multiplier par n le temps de stockage, n étant le nombre d'éléments photosensibles, et, partant, d'augmenter dea n fois le rapport signal-bruit. La réduction qu'ont subie les dimensions du récepteur photo-électrique et la puissance des sources d'alimentation (qui sont par conséquent devenues moins encombrantes), ainsi que la suppression de certains sousensembles optiques, ont abouti à un gain sur le poids total et l'encombrement du dispositif. Les spectromètres ont ainsi une meilleure efficacité en utilisation et des possibilités d'application plus étendues. Ceci est surtout vrai en ce qui concerne l'étude des caractéristiques spectrales à partir d'engins spatiauxXles exigences auxquelles doivent satisfaires les appareils étant dans ce cas particulièrement sévères. Le signal électrique de sortie du récepteur 4 étant porteur d'informations sur les caractéristiques spectrales et spatiales de la portion 6 de la surface terrestre, le système 5 d'enregistrement et de trattement d'informations est conçu comme suit. Selon l'invention, le système 5 (figure 3) comporte une mémoire vive 13 relide par un convertisseur analogique-numérique 14 à la sortie du récepteur 4, ainsi que des unités 15 et 16 de formation de fichiers d'infor mations spectrales et spatiales reliées à la sortie de la mémoire vive 13. La formation des fichiers d'informations est régie par une unité de commande par programme 17 reliée aux unités 15 et 16 et à un bloc de commande 18. L'unité 15 et l'unité 16 comportent chacune une mémoire vive autonome 20 et un microprocesseur 21 réalisant la sélection, l'intégration des données analogiques et numériques et leur répartition entre les cellules de mémoire. La figure 4 montre schématiquement, à titre d'exemple, la cellule élémentaire des unités électroniques 15 et 16. Elle contiént des éléments de mémoire intégrés 22, une mémoire vive autonome 23 et un bloc de commande 24. Le nombre d'éléments 22 est déterminé par le programme porté parle bloc de commande 24. Chaque élément de mémoire intégré 22 reçoit à son entrée un signal électrique qui est envoyé par tous ses éléments 22 à la mémoire vive 23 fonctionnant conformément aux instructions du bloc de commande 24 pour la sélection d'une ligne sur la mosaSque du récepteur photo-électrique 4, l'écriture, la lecture et la sélection du code-d'adresse de 10 instructions à transférer. Le système 5 (figure 3) comporte également un enregistreur 25 servant à transmettre les informations à la Terre. Pour une précision de mesure donnée, les résolutions spatiale et spectrale du récepteur 4 varient en raison inverse l'une de l'autre, c'est-à-dire que lorsque la résolution spatiale baisse la résolution spectrale augmente et inversement. C'est ainsi que la formation du fichier de caractéristiques spatiales se fait au moyen de l'abaissement de la résolution spectrale par addition des signaux provenant des n éléments photosensibles du récepteur 4, disposés suivant la direction Y. La formation du fichier d'informations spectrales s'effectue, d'une part, par addition des signaux fournis par K éléments photosensibles du récepteur 4, consécutifs suivant la direction X, et d'autre part, par addition des signaux provenant des éléments correspondants pendant K balayages. Les paramètres n et K dépendent de la précision de mesure requise, celle-ci étant une fonction semi-quadratique du nombre d'éléments photosensibles fournissant les signaux à additionner. De cette façon, le dispositif permet d'étudier simultanément les caractéristiques spatiales et spectrales de la surface terrestre avec une combinaison optimale de paramètres tels que la précision de mesure et la résolution spatiospectrale. Le spectromètre fonctionne de la façon suivante. Le rayonnement issu de la surface 7 à explorer est reçu par l'objectif d'entrée 1 et dirigé vers le diaphragme d'exploration 2 qui forme une ligne de l'image. Le rayonnement transmis par le diaphragme d'exploration 2 et le système dispersif 3 arrive sur l'adap- tateur à fibres optiques 10. L'image spectrale du diaphragme d'exploration 2 se concentre dans le plan du récepteur photo-électrique bidimensionnel 4, qui forme suivant son axe X une ligne de l'image de la surface à explorer 7, la ligne ainsi formée subissant une décomposition spectrale suivant son axe Y. Ainsi, chaque ligne suivant la direction X représente une image du diaphragme d'exploration 2 en lumière monochromatique, c'est-à-dire l'image d'une ligne sur une longueur d'onde déterminée. Le signal de sortie du récepteur 4, amplifié et converti en code numérique arrive à la mémoire vive à accès aléatoire 13. La commande dynamique de l'enregistrement de l'information se fait à l'aide des unités 15 et 16 par sortie programmée de l'information de la mémoire 13. La formation du fichier d'informations spectrales est réalisée par l'unité 15 pour résolution spatiale réduite. Ceci est obtenu par division de chaque ligne sur le récepteur photo-électrique bidimensionnel 4 suivant l'axe X en groupes de K éléments. A l'intérieur de chaque groupe on effectue l'addition des signaux en provenance des éléments particuliers, après quoi on fait la somme des signaux fournis par les groupes d'éléments respectifs pendant K balayages. L'addition des signaux au cours de plusieurs balayages permet d'obtenir la même résolution spatiale tant suivant la ligne que suivant la direction du vol du véhicule. La formation du fichier d'informations sur le relief de la surface explorée est effectuée par l'unité 16 par addition des signaux en provenance des n éléments consécutifs le long de l'axeYpendant chaque balayage. Le système selon l'invention est capable de réaliser la commande dynamique des principaux paramètres : résolution spectrale, résolution spatiale et précision de mesure, ce qui permet d'optimiser leur combinaison. Une telle optimalisation conduit à une extension substantielle du domaine d'application du spectromètre, étant donné qu'telle permet d'adapter ses paramètres aux conditions d'une étude concrète. Il est à noter, de plus, que l'optimalisa- tion des paramètres a pour effet une réduction considérable de la redondance de l'information venant directement du récepteur photo-électrique, ce qui diminue l'encombrement du support de transmission ou de l'enregistreur. Ceci est d'une grande importance, surtout en cas d'utilisation du dispositif à bord d'engins spatiaux. REVENDICATIONS 1.- Spectromètre destiné à l'étude à distance de la surface terrestre à partir d'aéronefs et d'engins spatiaux, du type comportant un système optique d'entrée et un diaphragme d'exploration dirigeant le flux de rayonnement en provenance de la portion explorée de la surface terrestre vers un récepteur photo-électrique bidimensionnel relié à un système d'enregistrement et de traitement de l'information incidente, caractérisé en ce que le diaphragme d'exploration (2) consécutif au système optique d'entrée (1) est réalisé de telle façon qu'il effectue la décomposition spatiale de l'image de la portion explorée(7) de la surface terrestre, ledit spectromètre comportant -en outre un dispositif dispersif décomposant le rayonnement transmis par le diaphragme d'exploration (2) en spectre suivant une direction perpendiculaire à sa longueur et formant l'image du spectre sur la surface photosensible du récepteur photo-électrique bidimensionnel (4) qui transforme le rayonnement incident en un signal électrique et dont les dimensions sont conjuguées optiquement avec celles du diaphragme d'exploration(2). 2.- Spectromètre selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif dispersif est suivi d'un élément à fibres optiques (10) dont la face terminale (11) reçoit l'image du spectre et qui sert à adapter les dimensions de ladite image à celles de la surface photosensible du récepteur photo-électrique bidimensionnel (4). 3.- Spectromètre selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le système (5) d'enregistrement et de traitement de l'information sous forme d'un signal électrique portant l'information sur les caractéristiques spectrales et spatiales contient une mémoire vive (13) reliée par un convertisseur analogique-numérique (14) à la sortie du récepteur photo-électrique bidimensionnel (4), une unité (15) de formation de fichiers d'informations spectrales et une unité (16) de formation de fichiers d'informationsspatiales, reliées chacune à la sortie de ladite mémoire vive, ainsi qu'une unité (17) de commande par programme de la formation des fichiers d'informations, raccordée aux unités (15) et 06) de formation desdits fichiers.