Brevet FR2569924A1 — publié le 19860307

La présente invention se rapporte à un disposi- tif d'obtention d'une image stabilisée de haute résolution, qui évite les inconvénients dés aux vibrations de la ligne de visée et à certains effets atmosphériques sur la résolu- tion d'une image obtenue au moyen d'une caméra à tube de télévision et d'un objectif optique, en particulier avec des objectifs de grande longueur focale. La stabilisation de tels systèmes est un problème difficile qui est résolu en grande partie par le nouveau dis- 1Opositif. Plus particulièrement, l'invention se rapporte à un système électro-optique comprenant un dispositif élec- tro-optique (ultraviolet, visible et infrarouge) de forma- tion d'image à renforcement et un dispositif (obturateur) de commande d'exposition ainsi qu'un circuit de synchroni- sation utilisable avec un objectif optique approprié. Le dispositif est prévu pour l'utilisation dans un système de formation d'image de reconnaissance, surveil- lance et attaque, en temps réel, stabilisé, de haute ré- solution, en lumière du jour ou relativement faible. Dans la plupart des cas, ces dispositifs sont du type à fort grossissement et à champ de vision étroit (ob- jectifs à grande longueur focale), dont les caractéristiques et notamment la résolution sont fortement réduites par le manque de stabilisation de la longue ligne de visée ainsi obtenue et également par la turbulence atmosphérique dans un système à longue portée. Le dispositif de formation d'image renforcée peut être un dispositif d'intensification électronique "dans le détecteur", comme dans un tube de télévision à faible ni- veau de lumière, et certains détecteurs à semi-conducteurs, ou un dispositif en deux parties composé d'un intensifica- teur externe, par exemple du type à plaque à micro-canaux, relié à un tube usuel de détection d'image ou à un détec- teur à semi-conducteurs, par exemple du type CCD ou CID. Le dispositif de commande d'exposition peut être un obturateur mécanique motorisé,ou un obturateur électro- mécanique à solénoXde,ou un obturateur à effet électro-op- tique,ou un dispositif d'interruption qui agissent sur le dispositif d'intensification (plaque à micro-canaux) ou sur le détecteur a transistors et créent un effet d'obtura- tion de l'exposition. Le circuit de synchronisation est nécessaire pour maintenir une périodicité précise entre les ouvertures suc- cessives de l'obturateur et/ou pour synchroniser l'ouvertu- re de l'obturateur et le passage du balayage d'image à une autre image. Le présent dispositif est proposé pour améliorer la stabilité d'un système stabilisé de formation d'image en temps réel, à haute résolution, à la lumière du jour (généralement à longue portée). Ce nouveau dispositif est relativement simple et il permet d'éviter la limitation des caractéristiques des systèmes usuels de formation d'image, due aux niveaux de stabilisation de leur longue ligne de visée et également, à un certain point,à la turbulence atmosphérique (dans les systèmes à longue portée). La qualité de création d'image est en outre éten- due dans la zone de lumière relativement faible d'éclairage de la cible. Dans tout système de formation d'image, le mouve- ment ou la "danse" de l'image créée sur la photo-surface du détecteur pendant la période d'exposition provoque un flou de la sqbne,qui ne permet pas de la reconnaître. L'origine de ce flou peut être: 1) des mouvements aléatoires (tremblement) de la ligne de visée autour de sa position nominale, qui peuvent être des à une formation d'image à partir de plateformes ins- tables, 2) une danse de l'ensemble de l'image en fonction du temps, ou une danse de parties de l'image les unes par rap- port aux autres et en fonction du temps, à cause de la tur- bulence atmosphérique, 3) des mouvements relatifs rapides entre le détecteur et la scène, provoqués par a- le détecteur en mouvement "panoramique" dans une situation de recherche, b- le détecteur placé sur un véhicule en dépla- cement rapide, c- le détecteur prenant l'image d'une scène en mouvement rapide. Le phénomène de flou, qui est un effet de dégra- dation de la résolution, est bien connu. La dégradation de résolution d'image est représentée presque complètement et évaluée par la fonction de transfert optique (FTO) sur la fonction de transfert de modulation (FTM) concernant les effets spécifiques précités. L'effet de dégradation de la résolution est plus sévère dans les systèmes à haute résolution. Dans la plupart des cas, ces systèmes sont à fort grossissement et à champ de vision étroit (objectifs à gran- de longueur focale). La présente invention se rapporte particulièrement à un système à haute résolution placé sur une plateforme ins- table portée par un véhicule (terrestre, aérien ou marin). L'instabilité d'une telle plateforme peut être due à des perturbations mécaniques inhérentes au véhicule (moteurs, résonances internes) ou à des perturbations méca- niques dues à des facteurs extérieurs, ou à l'interaction entre des facteurs extérieurs et le véhicule (vents, cou- rants, routes, etc.). Ces perturbations mécaniques peuvent agir directement sur la plateforme du système (vents et flux d'air secondaire dans le cas d'un véhicule aérien) ou agir sur le corps du véhicule. On connaît un procédé de diminution du flou de l'image de à des mouvements relatifs rapides entre le dé- tecteur et la scène. Ce procédé consiste à réduire le temps d'exposition et il est appliqué en photographie sur film rapide et en photographie en temps réel d'un phénomène ra- pide, au moyen d'un éclairage actif à impulsion et de dé- tectegrs à déclenchement. T1 est évident que le principe de raccourcisse- ment du temps d'exposition n'apporte pas d'amélioration de la résolution d'une image dont le flou provient du tremble- ment de la ligne de visée d'un système placé sur une plate- forme insuffisamment stabilisée, ou d' une image affectée par la turbulence atmosphérique. Cela provient de ce qu'il n'y a presque pas d'effet positif si la fréquence du tremblement de la ligne de visée ou de la danse d'image est supérieure ou égale à l'inverse du temps d'exposition réduit. Jusqu'à présent, tous les efforts pour améliorer les caractéristiques de la création d'lmage (résolution/portée) des systèmes de formation d'image stabilisés et à haute résolution se sont concentrés sur l'obtention d'un degré de stabilité plus éle- vé. Le plus haut degré de stabilité obtenu jusqu'à présent est de l'ordre de 40 microradians de crête à crête et même ce haut degré de stabilité, qui coûte très cher, ne convient pas pour obtenir toute la résolution utilisa- ble par l'oeil si on désire employer des objectifs de lon- gueur focale supérieure à 900 mm environ. Il existe donc une limite au grossissement du système, c'est-à-dire à la portée utile du système. Le dispositif suivant l'invention permet d'obte- nir un système de formation d'image en temps réel à haute résolution, dans lequel le flou d'image dû au défaut de stabilité peut être sensiblement réduit par raccourcisse- ment du temps d'exposition. Le dispositif suivant l'invention permet d'utili- ser un système de formation d'image en temps réel, a la lu- mière du jour et avec un court temps d'exposition. On peut ainsi éviter la limitation de caractéristiques (résolution/ portée), inévitable autrement, imposée à ces systèmes de formation d'image en temps réel à haute résolution par le niveau de stabilité qui pouvait être obtenu jusqu'à pré- sent. La présente invention a pour objet un système de surveillance utilisable en reconnaissance à la lumière du jour, et utilisable avec un éclairage de la cible en lu- mière relativement faible. Le dispositif suivant l'invention est basé sur l'amélioration des caractéristiques d'un système stabilisé à halte gê$olution de formation d'image par télévision. Ce dispositif comporte la projection de l'image sur un détec- teur de télévision approprié, pendant un laps de temps sen- siblement plus court que le temps de balayage normal du dé- tecteur, et l'évaluation de l'image ainsi obtenue. Par di- minution du temps d'exposition d'un tel détecteur de télé- vis4on à faible niveau, pour chaque balayage, de la durée généralement admise de 1/30 s à une durée sensiblement in- férieure, par exemple de l'ordre de 1/10 000 s, on peut é- viter beaucoup des inconvénients inhérents de ces systèmes qui ne peuvent pas être évités même avec les dispositifs de stabilisation mécaniques les plus co teux et les plus compliqués, de sorte qu'on accrott beaucoup la résolution d'image et la portée du dispositif sans stabilisation. Le dispositif suivant l'invention, utilisable dans des systèmes de surveillance optique montés sur un support mobile, comprend un détecteur de télévision à fai- ble niveau de lumière, un objectif optique approprié et des moyens qui permettent d'exposer le détecteur à l'image cible, à travers l'objeetif, pendant une durée sensiblement plus courte que la durée normale de balayage du détecteur. Les moyens interposés entre l'objectif et le détecteur peuvent être un obturateur approprié ou tout autre disposi- tif qui donne le même résultat qu'un obturateur, par exem- ple un dispositif d'interruption de l'intensificateur, etc. Chaque image est balayée pendant 1/30 s. S'il se produit une vibration pendant ce laps de temps, il en ré- sulte un flou qui diminue la qualité de l'image, qui peut même être sans valeur. Les dispositifs usuels de stabili- sation sont compliqués et coûteux et il est pratiquement impossible d'obtenir une stabilité supérieure à 40 micro- radians de crête à crête. Si un tel dispositif est monté par exemple sur un aéronef ou un autre véhicule, les vibra- tions du moteur et des ailes entraînent de graves diffi- cultés. D'autre part, lorsque la lumière doit parcourir une longue distance à faible altitude, il se produit éga- lement un flou de aux turbulences atmosphériques. En général, suivant les critères de Johnson, on doit avoir six paires de lignes sur la cible afin de l'identifier. Les détecteurs usuels ont une dimension de 6,6 X 8,8 mm ou de 9,9 x 11,6 mm. Il existe des détec- teurs à transistors comportant environ 800 x 800 éléments de deteçtion ou 380 x 525 éléments de détection. Le dispositif suivant 1' invention permet d'ob- tenir des résultats correspondants à un degré de stabilité presque impossMble à obtenir par des moyens connus. On peut dépasser la limite de stabilité de l'ordre de 40 microra- dians de crête à crête, ce qui permet d'utiliser effica- ment des objectifs optiques de très grande longueur focale, au lieu de la longueur focale de 900 mm actuellement utili- sée qui est à peu près la limite pour une bonne résolution. La caractéristique de base du dispositif est la projection de l'image sur le détecteur (qui est associé à un dispositif d'intensification également intrinsèque, ou associé à un dispositif usuel d'intensification d'image), pendant une durée sensiblement inférieure au temps de ba- layage normai du détecteur (en général 1/30 s),cette image étant alors balayée pendant ladite durée normale de bala- yage. Comme on atteint facilement une intensification de 1000 fois, la durée d'exposition du détecteur peut être brève, de l'ordre de 1/10 000 s si nécessaire, ce qui don- ne encore une qualité convenable de l'image ainsi obtenue. L'invention procure donc un dispositif utilisa- ble dans des systèmes de formation d'image en temps réel, pour reconnaissance et surveillance, stabilisés et à haute résolution, en lumière du jour et jusqu'à un certain point en lumière faible. Le système comprend un nouveau dispositif élec- tro-optique qui permet d'améliorer les caractéristiques des systèmes stabilisés de formation d'image en temps ré- el, a haute résolution, en lumière du jour, dont les carac- téristiques maximales (résolution/portée) seraient limitées par le niveau de stabilité. On peut considérer par exemple un système à très haute résolution eomprenant un objectif de 2000 mm et un tube de télévision Vidicon de 25,4 mm, stabilisé à la va- leur presque incroyable de 40 microradians de crête à crête de tremblement résiduel, et on peut l'améliorer sensiblement. On suppose que la transmissibilité des isolateurs sur lesquels le système est monté tombe à 50% à 20 Hz et à % à 40 Hz, comme c'est le cas si on choisit par exemple des isolateurs Barry $-44 très efficaces. Pour simplifier, on effectuera le calcul seule- ment pour la fréquence de tremblement de 20 Hz. Afin de res- ter du côté de la sécurité en ce qui concerne l'améliora- tion des cearactéristiques apportées par la présente inven- tion, on effectue le calcul de la fonction de transfert de modulation du mouvement d'image linéaire même dans le cas normal o4 la fréquence de tremblement de 1/20 Hz et la fréquence d'image de 1/30 Hz sont relativement proches. La fonction de transfert de modulation dans le cas du mouvement linéaire est donnée par: FTM(FS) = sinc (f. FSP), dans laquelle U = vitesse linéaire d'image sur li phlotoesur- face FS = fréquence spatiale en paires de lignes(PL) par mm D = U.T = déplacement maximal d'image sur la photosurface, qui est donné par D D = 2. X. Sinc (wT T = temps d'exposition X = vitesse angulaire de tremblement = amplitude du déplacement de tremblement sur la photosurface. Pour une fonction de transfert de modulation de % de çet effet de tremblement, la fréquence spatiale est donnée par 2,85 PL/m SF = r' PL/mm La résolution pour une photosurface de 25,4 mm, qui est éócessaire pour utiliser la résolution normale de l'oeil, est FS = 26 PL/mm. A partir de l'équation ci-dessus pour FTM (10%), on obtient pour le système normal, stabilisé à un tremblement résiduel de 40 microradians de crête à crête, une fréquence spatiale limite de FS = 13 PL/mm, ce qui est done une résolution insuffisante. Conformément à l'invention, on remplace le tube Vidicon de 25,4 mm par un dispositif de formation d'timage de 25,4 mm a intensification qui peut être un tube de télé- vision a faible niveau (par exemple un tube de type SIT, EfBRl, SER ou un autre tube d'intensification),ou un détec- teur de type CCD à couplage de charge ou CID, couplé opti- qgement à un dispositif d'intensification de type MCP à plaque à microcanaux. L'amplification de lumière de ces dispositifs est habituellement supérieure à 1000 fois environ par rap- port à celle du tube Vldicon normal, une amplification de 10 fois étant habituellement suffisante pour le présent cas. Entre e dlspo'if d ,tesf tiQn d'çmage de ,4 mm et l'objóctf normal (dans le Cas ot le dispositif de formation dlimage ne possède pas une commande automati- que d'amplification ou un gain suffisant, il peut être nécessaire d'utiliser un objectif à iris automatique ou un filtre approprié de densité optique neutre), on introduit un heheur qui fonctionne à une fréquence de 30 Hz avec une durde d'exposition de 1/140 s. On diminue ainsi la quantité de lumière dans le rapport de 140/30 = 4,66, mais il faut se souvenir qu'on dispose d'une puissance d'am- plficoation de 1000 fois environ. A l'aide de l'équation FTM (10%), on obtient pour le système suivantl'invention une fréquence spatiale limite de FS - 26 PL/mm qui est la résolution demandée par l'oeil. IZl est clair qu'avec un isolateur moins efficace, l'amélioration serait moins importante, en particulier a vec des objectifs de grande longueur focale. I1l existe bien entendu une grande plage de temps d'exposition possibles, parmi lesquels on peut effectuer une optimisation en fonction du système particulier et des don- nées d'application: longueur focale, niveau de stabilisa- tion, fonction de transfert de l'isolateur, niveau d'éclai- rage de la cible, altitude et mouvement relatif cible-détec- teur. Pour obtenir des images de télévision normales avec des durées d'exposition inférieures à l'inverse de la fréquence d'image normale de télévision (30Hz, 25Hz ou autre), on doit assurer l'une des deux conditions ci-après: a) une commande de fréquence d'obturateur meilleure que le temps de balayage de ligne, ce qui signifie que, pour un système à 30Hz, le réglage de fréquence doit être meilleur que 0,07 %. Dans un obturateur mécani- que rotatif, cela peut être obtenu au moyen d'un dis- positif de codage approprié et d'une bouele de com- mande de vitesse. Dans des obturateurs électromagné- tiqme ou éJectro-optiquep et ans un dippositlf d'in- terruption a effet d'obturateur, cela peut etre obtenu aU moyen d'un signal de synchronisation, b) une synchronisation 1- entre l'ouverture de l'obturateur et le début du balayage de l'image de télévision (avec une tempo- risation adéquate) 2- entre la fin du balayage de champ pair et l'ouver- ture de l'obturateur. Cette synchronisation peut être obtenue au moyen des signaux de synchronisa- tion de la camera de télévision (ou de l'horloge principale dans une caméra a transistors) et dans le premier cas également au moyen d'un capteur de mesure de position sur l'obturateur (mécanique ou électromécanique). La figure annexée est un schéma de principe d'un système de formation d'image conforme à l'invention. Comme représenté sur cette figure, le système comprend en combi- naison une caméra 11 à tube de télévision (de type CCD ou CIDP), ou tout type de caméra de télévision à faible niveau de Iumilre. Ce dispositif peut comporter en outre une commande autQoatique d'amplification et la caméra est alignée,sur l'axe optique,avec des moyens 12 de commande d'exposition, avec un filtre 13 de densité neutre et avec un objectif 14. La caméra de télévision peut être utilisée en assoialtion avec un dispositif éventuel 15 d'intensifica- tion d'image (à plaque à microcanaux). Le dispositif de commande d'exposition peut être un obturateur mécanique, un obturateur électromécanique à solénoïde ou un disposi- tif basé pur des effets électrooptiques. Le dispositif 12 de commande d'exposition n'est pas nécessaire si on uti- lise un dispositif d'intensification 15 à commutation ra- pide. L'objectif 14 peut être de grande longueur focale, supérieure à celle qu'on peut utJilser Actuellement et qui est limitée à cause du flou provoqud par les diverses cau- ses indiquées plus haut. On peut utiliser avec le présent dispositif des longueurs focales bien supérieures à 900mm, sans nuire à la qualité de l'image. I est entendu qu'on peut utiliser,dans le dis- positif conforme à l'invention, toute autre combinaison de composants qui permet une formation d'image sur le détec- teur (tube de télévision) pendant un laps de temps beau- coup plus court que la durée du balayage normal, en combi- naison avec un objectif approprié. Il est également dans le cadre de l'invention de prévoir une exposition brève du tube de télévision ou équivalent et d'effectuer un balayage à une vitesse supé- rieure à la normale, la condition étant que la stabilité de 40 microradians ou moins de crête à orête soit atteinte. On voit que le dispositif suivant l'invention a pour avantage de supprimer les limitations imposées par le niveau de stabilité sur des systèmes de formation d'lma- ge à haute résolution et longue portée, en temps réel, en lumière du jour. * Du fait de l'emploi d'une caméra de télevision à faible niveau de lumière dans le dispositif suivant l'in- vention, il est possible, comme avantage supplémentaire de l'objectif principal, d'étendre les possibilités de forma- tion d'image dans une partie de la cible à faible niveau d'éclairage. Cette conséquence améliore également la portée de "bonne image" des systèmes à longue portée et haute résolution, car ces systèmes sont habituellement très gênés par les turbulences atmosphériques. Celles-ci sont minima- les le matin de bonne heure, c'est-à-dire lorsque le niveau d'éclairage de la cible est trop faible pour permettre l'ob- tention d'une image avec un système usuel. Le racourcissement du temps d'exposition peut supprimer une partie du flou de aux turbulences atmosphéri- ques,puisqqe le phénomène qui pro yque une "danse" de l'i- mage sur 1A photosurface est un effet qui dépend partiel- lement du temps. Le dispositif suivant l'invention et le mode de fonctionnement associé sont particulièrement intéressants pour des missions de reconnaissance aérienne, de surveil- lance et d'attaque. Les systèmes de formation d'image en lumière du jour et en proche infrarouge utilisés dans ces missions sont habituellement limités dans leurs performan- ces (résolution/portée) par la stabilisation, à cause: a) du niveau de stabilisation limité accepté en raison du coût, de la complexité technique et de l'entretien difficile nécessaires pour obtenir un niveau adéquat de stabilisation, par exemple pour des mini-engins télécommandés de surveillance, ou b) des niveaux de stabilisation impossibles à obtenir, quelque soit le prix, qui sont nécessaires pour des applications à haute résolution et longue portée lob- jectifs à grande longueur focale). Le système peut être utilisé avec des objectifs de très grande longueur focale,donnant des images de haute résolution. Le dispositif suivant l'invention supprime les limitations dues au niveau de stabilisation et permet d4ob- tenir de meilleurs résultats avec un niveau de stabilisation moins bon. Le dispositif étend également l'application à la région d'éclairage faible de la cible et permet d'éviter l'effet des turbulences, par utilisation du système aux premières heures du jour. L'invention réduit également di- rectement l'effet de flou provoqué sur la qualité de l'lma- ge par les turbulences atmosphériques. Il est entendu que des modifications de détail peuvent être apportées dans la forme et la construction du dispositif suivant l'invention, sans sortir du cadre de celle-ci. Revendications 1. Dispositif utilisable dans un système stabilisé de formation d'image à haute résolution, en lumière du jour ou éclairage relativement faible, monté sur un support mo- bile, ce système comprenant un élément (11,15) de formation d'image électro-optique à intensification et un objectif optique approprié (14), caractérisé en ce qu'il comprend des moyens (12) de commande d'exposition, prévus pour ex- poser le détecteur (11) à l'image de la cible pendant une durée sensiblement inférieure à la durée normale de balaya- ge du détecteur. 2. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de çommande d'exposition d'image com- prennent un obturateur. 3. Dispositif suivant la revendication 1 ou 2, carac- térisé en ce que des moyens de synchronisation sont prévus pour la synchronisation de la projection d'image et du ba- layage du détecteur. 4, Dispositif suivant l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le détecteur est choisi parmi des tu- bes de télévision à faible niveau de lumière comprenant des moyens d'intensification,ou des détecteurs à transis- tor combinés à un dispositif d'intensification à plaque à micro-canaux ou autre, associes à un tube usuel de dé- tection d'image ou à un détecteur à transistor. 5. Dispositif suivant l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les moyens de commande d'exposi- tion comprennent un obturateur électromécanique ou électro- optique, ou un dispositif de commutation agissant sur le dispositif d'intensification, ou sur un détecteur à tran- sistors,pour créer un effet d'obturation de l'exposition. 6. Dispositif suivant l'une des revendications 1 à 5; qui permet d'obtenir une qualité d'image correspondant à une stabilité meilleure que 50 microradians de crête à crête, caractérisé en ce que la durée d'exposition du dé- tecteur est inférieure à la durée normale de balayage et peut descendre jusqu'à 1/10000 s. 7. Système de surveillance, comprenant un dlpositif de formation d'image à tube de télévision à faible niveau de lumière et un objectif, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens d'obturation selon l'une quelconque des reven- dications 1 à 6.