Brevet FR2596227A1 — publié le 19870925

La présente invention concerne des caméras thermiques infrarouge, plus particulièrement à analyse série ou sérieparallèle, par exemple pour l'observation de paysages, en particulier de nuit. Une caméra de ce genre comporte, de façon générale, une plaquette de photodétection infrarouge, un système de balayage, une chaine d'amplification pour délivrer un signal vidéo infrarouge, un bloc d'organisation du signal, essentiellement un convertisseur de standard, pour délivrer un signal vidéo de télévision. Dans le cas d'une analyse série, un élément photodétecteur infrarouge unique est disposé devant un dispositif à miroirs montés pivotants pour balayer les lignes d'un paysage une à une. Dans le cas d'une analyse série-parallèle, une pluralité d'éléments photodétecteurs analysent le paysage par groupe de lignes. Dans le premier cas, l'élément détecteur balaye la totalité du champ de vue analysé; dans le second cas, chaque élément détecteur ne balaye qu'une portion du champ de vue analysé. Dans les caméras du type considéré, les différents étages constitutifs sont reliés entre eux par des circuits RC (résistance-condensateur) de liaison. Ces liaisons capacitives, qui se comportent comme des filtres de fréquences passe-haut, existent pour des raisons techniques dont il n'est pas possible de s'affranchir. Le signal vidéo de sortie de ces caméras ne correspond pas au signal de sortie du ou des détecteurs, la composante continue de celui-ci ayant donc été éliminée par un filtre passe-haut théorique équivalent des filtres élémentaires, mis en série, constitués par les liaisons capacitives évoquées ci-dessus. A titre indicatif, la fréquence de coupure est généralement de quelques Hz. En d'autres termes, le signal vidéo de sortie est à valeur moyenne nulle. Or ce filtrage a un effet nuisible, comme il va maintenant être expliqué, en référence aux figures 1A, 1B, 1C et 2A, 2B, 2C ci-jointes, les figures 1 représentant le champ analysé selon trois cadrages ol-ciel différents, et les figures 2, correspondant respectivement aux figures 1, le niveau de luminance L du signal vidéo correspondant suivant le sens du balayage trame télévision t. Par beau temps, le contraste, entre le sol S, qui apparait comme chaud, et le ciel C, qui apparait comme très froid, d'une image infrarouge thermique d'un paysage extérieur naturel par beau temps, est grand. Aux trois cadrages des figures 1 correspondent donc les trois signaux des figures 2, sur lesquelles les zones chaudes, le sol, apparaissent en positif entre une ligne de gris médian(GM) et une ligne de blanc maximal (3M), et les zones froides, le ciel, en négatif entre la ligne GM et une ligne de noir maximal (Nb). Sur un écran de visualisation, les niveaux positifs et négatifs correspondent au blanc et au noir, respectivement. Compte-tenu de ltélimination de la composante continue du signal de détection, pour chacun des trois signaux de trame des figures 2, les surfaces b, comprise entre le niveau moyen du sol SM et la ligne GM, et a, comprise entre le niveau moyen de ciel CM et la ligne GEí, sont égales A A bA p B B k et ce, quel que soit le rapport (cyclique) entre les quantités de sol et de ciel (SA , Sg , SC ) admises dans C le champanalysé.CA C3 C Comme cela apparatt clairement sur les figures 2, plus le S rapport S diminue, ctest-à-dire moins il y a de sol, C plus le niveau moyen de sol 5M s'éloigne du gris médian GM pour se déplacer vers le blanc maximal 3M. Sur l'écran de visualisation, cela provoque un déplacement du niveau de luminosité du sol du gris médian vers le blanc. A la limite, le niveau de luminosité du sol sur l'écran peut approcher, voire atteindre, le niveau de luminosité maximale. Alors, l'observation est fortement perturbée, parfois même impossible à cause de l'écrasement des détails du paysage observé. Comme l'analyse, souvent, concerne le sol, on comprend aisément que la demanderesse ait donc cherché à pallier pareil inconvénient. Un tel problème se pose avec encore plus d'acuité, si l'observation s'effectue avec une caméra dont l'axe est li à la ligne de visée d'un pilote d'aéronef. Dans un tel cas, la proportion de ciel varie constamment et cela provoque une variation néfaste du niveau moyen de luminosité du sol. Outre la solution qui consiste, pour l'opérateur, à tenter d'user de son adresse pour regarder vers le bas et limiter au mieux la proportion de ciel, ou, pour le moins, à la maintenir constante, et qui, d'un point de vue pratique, n'est pas réellement satisfaisante, on a déjà proposé, et depuis quelque temps déjà, de résoudre le probleme à l'aide d'un élément Peltier. Une telle solution est relativement satisfaisante au plan du résultat, mais elle est techniquement délicate à mettre en oeuvre, onéreuse et nécessite un dispositif encombrant. En effet, cette solution repose sur une optique particulière, l'élément Peltier et une chatne d'asservissement, La présente invention vise donc à proposer une solution meilleure à tous égards. A cet effet, la présente invention concerne une caméra thermique infrarouge, comprenant une plaquette de photodétection infrarouge, un système de balayage d'un paysage à analyser, comprenant une portion de sol et une portion de ciel, un étage d'amplification pour délivrer un signal vidéo infrarouge, et un étage de conversion de standard pour délivrer un signal vidéo de télévision; caractérisée par le fait qu'elle comporte des moyens pour extraire une portion du signal vidéo de télévision et des moyens pour asservir cette portion de signal de télévision sur un signal de référence. Si la portion de signal de télévision extraite correspond à une zone inférieure de l'image apparaissant sur un écran de visualisation de ce signal, et que le signal de référence correspond au niveau de luminance du signal vidéo produisant normalement le gris médian de l'écran de visualisation, la luminosité moyenne du sol à analyser est donc alignée sur ce niveau de gris médian. L'invention s'appuie donc sur la constatation que le sol occupe presque toujours une partie de la zone inférieure de l'image. De préférence, la portion de signal de télévision est extraite par échantillonnage du signal de sortie de la caméra sur une durée prédéterminée, en fin de chaque période trame télévision. Ainsi, on peut vouloir par exemple extraire une portion de signal télévision correspondant au quart inférieur de l'image visualisée, c'est-à-dire pendant le dernier quart de la partie visible de la période trame dans lequel se trouve assurément le sol, sauf si la caméra est trop fortement inclinée ou est renversée. En pratique, c'est la valeur moyenne de la portion de signal extraite qui est asservie sur le signal de référence correspondant par réglage au gris médian. On remarquera ici que, dans l'invention, ce n'est pas toute l'image qui est prise en compte, mais une partie seulement. Cela ne servirait d'ailleurs à rien de la prendre en totalité, puisque, comme cela a été vu plus haut, la valeur moyenne du signal trame correspondant à toute l'image est déjà centrée sur le niveau de gris médian. On notera qu'il est plus facile d'asservir cette valeur moyenne de portion de signal, et non pas la valeur moyenne de la portion de signal associée à tout le sol, car le front antérieur de la partie de signal de trame correspondant au sol se déplace d'une trame à l'autre et l'horizon peut être incliné. Par ailleurs, c'est préférable, pour que la mesure ne soit pas faussée par un obstacle isolé et inopiné. On remarquera aussi que l'asservissement d'une portion seulement de la partie de signal correspondant au sol n'est pas gênant, car, sur une période trame, la modulation du signal correspondant au sol évolue peu. La présente invention consiste donc à asservir une portion du signal de sortie de la caméra, pour finalement asservir tout le signal de sortie, ou, en d'autres asservir le signal utile de la caméra sur une portion de ce signal utile ou, encore, à asservir le signal en en asservissant une portion. C'est en cela que l'invention est finalement remarquable. Avantageusement, l'extraction de la portion de signal vidéo de télévision est réalisée par un interrupteur électronique commandé par un signal dtéchantillonnages l'obtention de la valeur moyenne, par un filtre passe-bas. Quant à l'asservissement, il est réalisé par comparaison de cette valeur moyenne, de préférence un signal de tension, et dtune tension de référence ajustée pour correspondre au gris médian de l'écran de visualisation, par amplification de la tension différentielle d'erreur et donc transformation de celle-ci en tension de commande, et par sommation de la tension de commande et du signal vidéo infrarouge, juste avant l'étage de conversion de standard. On notera que la sommation de la boucle d'asservissement est en l'espèce effectuée en aval de toutes les liaisons capacitives, qui, cela peut être rappelé ici, sont à l'origine du problème résolu par la présente invention. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la descriptin suivante de la forme de réalisation préférée de la caméra de l'invention, en référence aux dessins annexés, sur lesquels - les figures 1A, 1B, 1C représentent un champ analysé selon trois cadrages sol-ciel différents; - les figures 2A, 2B, 2C représentent, respectivement, pour les trois cadrages des figures 1, les variations du niveau de luminance L du signal vidéo trame d'une caméra de l'art antérieur; - la figure 3 représente le schéma par blocs de la caméra de l'invention;; - les figures 4A-4D illustrent la génération du signal d'échantillonnage, et représentent, respectivement, un champ à analyser, le signal vidéo trame correspondant, le signal de synchronisation trame, et le signal d'échantillonnage, et - les figures 5A, 5B, 5C représentent, respectivement pour les trois cadrages des figures 1, les variations du niveau de luminance L' du signal vidéo trame de la caméra de l'invention. La caméra thermique infrarouge de l'invention comporte, connectés en série, une plaquette de détection 1, destinée à recevoir un rayonnement infrarouge IR, associée à un système de balayage à miroirspivotanis pour l'analyse d'un paysage, une chaine d'amplification comprenant un étage préamplificateur 2 et un étage postamplificateur 3, chacun suivi d'un circuit de liaison RC 4, 5, pour dclivrer un signal vidéo infrarouge SIR, un étage de conversion de standard 6, prccédc d'un autre circuit de liaison RC 7 et comprenant un convertisseur analogique-numérique S, un bloc 9 de mémoires de conversion de standard infrarouge télévisions un convertisseur numérique-analogique 10 ct un amplificateur 11 d'adaptation sur ligne coaile, pour délivrer un signal vidéo télévision 5T ici aux normes CCIR. Les étages qui viennent entre décrits sont communs à des cameras dc l'art antérieur et à la caméra de l'invention, et c'est pourquoi il ne s?agit que d'une description sommaire La caméra de l'invention comporte en outre un correcteur i2, branc en parallèle sur étage de conversion de standard 6, entre la sortie 13 de la caméra délivrant le signal télévision ST et l'entrée 14 du convertisseur de standard 6, donc en aval de tous les circuits de liaison RC 4, 5, 7. Le correcteur 12 comporte ici un étage 15 d'alignement des paliers de référence du noir télévision sur le potentiel zéro volt, pour recevoir le signal télévision ST, un générateur 16 de signal d'échantillonnage, ou dextrac- tion, un interrupteur électronique 17, en série avec l'étage d'alignement 15 et commandé par le générateur d'échantillonnage 16, un filtre de fréquences passe-bas ls, en série avec l'interrupteur 17, un amplificateur opérationnel 19, pour recevoir, sur son entrée négative, le signal délivré par le filtre 18 et, sur son entrée positive, un signal de référence d'un générateur, en 1100 currence la tension Vref d'un potentiomètre 20 d'ajustage de la consigne du niveau de luminance d'une zone de référence, et un sommateur 21, pour recevoir sur ses entrées le signal vidéo infrarouge et le signal de l'amplificateur 19 et dont la sortie est reliée à l'entrée 14 du convertisseur de standard 6. En l'absence du correcteur 12 les signaux vidéo trame de télévision ST correspondant aux cadrages des figures 1A, lB, 1C, sont représentés par leur niveau de luminance L sur les figures 2A, 2B, 2c, avec les inconvénients qui ont été développés plus haut. Examinons maintenant la fonction du correcteur 12, en liaison avec le signal vidéo trame de télévision en sortie de la caméra, étant entendu que les signaux de service ligne, comme par exemple les tops de synchronisation et les paliers de référence noir, peuvent être négligés et sont d'ailleurs sans importance dans le problème posé. Il en est d'ailleurs de même des signaux de service trame. Soit donc un champ à analyser selon un cadrage sol SDciel CD déterminé, tel que celui de la figure 4A, tournée, ici, de 90" par souci de clarté, le sens trame étant horizontal. A ce cadrage correspond un signal vidéo trame de télévision ST dans le temps t, tel que représenté sur la figure 4B, indépendamment de tout système de coordonnées, le front montant 30, séparant la partie de signal 31 associée au ciel CD et la partie de signal 32 associée au sol SD, correspondant à l'horizon Le correcteur 12 vise à aligner le niveau de la partie de signal 32 sur le niveau de gris médian d'un écran de visualisation utilisé en combinaison avec la caméra. On ne sortirait pas du cadre de l'invention en alignant ce niveau sur un autre niveau de gris, à l'aide du potentiomèc tre 20. Soit TT, sur la figure 4C, le signal de synchronisation trame télévision, dans le temps t, associé notamment à l'image de la figure 4A, avec un top de synchronisation 33, dont le front montant 34 correspond à la partie supérieure de la portion de ciel CD de l'image de la figure 4A, donc au début de la zone visible de la période trame. A partir de ce signal TT, et à l'aide d'un compteur conventionnel, et donc non décrit, le générateur 16 délivre en sortie un signal SE d'échantillonnage, comportant, dans chaque période trame, un créneau d'échantillonnage 35 dont le front descendant 36 correspond à la partie inférieure de la portion de sol SD de l'image de la figure 4A, donc à la fin de la zone visible de la période trame. Quant au front montant 37 du créneau 35, il est déterminé pour que la durée du créneau 35 corresponde, ici, au quart inférieur de l'image de la figure 4A. Dans l'exemple considéré, ce quart inférieur n'est occupé que par une portion de sol PD. D A titre d'exemple encore, pour une période de balayage trame de 20 ms, avec une durée visible de 16 ms, la durée des créneaux d'échantillonnage est de 4 ms, en fin de la zone visible de la période trame. Le signal SE commande l'ouverture et la fermeture de l'interrupteur électronique 17, symbolisé sur la figure 3 par un interrupteur mécanique, l'interrupteur étant fermé pendant les créneaux d'échantillonnage. En d'autres termes, le signal vidéo de télévision ST est échantillonné ou extrait durant les créneaux du signal SE. Ainsi, ne passent à travers l'interrupteur 17 que les portions du signal vidéo de télévision ST correspondant aux quarts d'image inférieurs et qui délimitent une zone de référence PD. On a choisi comme zone de référence le quart inférieur d'image. L'invention s'appliquerait encore bien à des zones comprises entre le cinquième et la moitié d'image En deça et au-delà, l'application, bien que toujours possible, serait moins bonne. En effet, une zone inférieure au cinquième d'image risquerait de ne plus être assez représentative de la moyenne de tout le sol, notamment en cas de présence dans le bas de l'image de sources froides ou chaudes étendues, comme par exemple un plan d'eau. Une zone supérieure à la moitié d'image risquerait par contre d'être occupée par une part trop importante de ciel, ce qui nuirait évidemment à la bonne efficacité du correcteur. Rappelons que si la zone de référence couvrait toute l'image, l'efficacité serait nulle. La plage indiquée pour la zone de référence, entre le cinquième et la moitié d'image, constitue en fait un bon compromis opérationnel. Mais cette plage ne doit nullement être considérée comme limitative, puisque hors de cette plage, et sauf à ses extrémités, le correcteur conserverait quand même une certaine efficacité. Le signal télévision extrait, qui est ici une tension, est appliqué à l'entrée du filtre passe-bas 18, qui délivre, en sortie, la valeur moyenne du signal extrait, c'est-à-dire la composante continue qui est appliquée à l'entrée négative de l'amplificateur 19. Son entrée positive reçoit une tension Vref dite de référence, et déterminée à l'aide du potentiomètre 20, connecté entre la masse et une source de tension V, et qui la délivre en sortie, cette tension de référence Vref correspondant au niveau de luminance du signal vidéo de télévision qui produit normalement le gris médian de l'écran de visualisation quand celui-ci est correctement réglé. Si la luminosité moyenne du sol sur l'écran n'est pas alignée sur ce niveau de gris médian, si donc il existe une tension différentielle d'erreur entre les deux entrées de l'amplificateur 19, cette tension d'erreur est amplifiée dans l'amplificateur qui fournit alors en sortie une tension dite de commande appliquée à l'une des entrées du sommateur 21, son autre entrée recevant le signal de tension vidéo infrarouge SIR. Le niveau de la portion 38 du signal ST associée à la portion de sol de référence et donc le niveau de la partie de signal 32 associée au sol SDS est donc ainsi ramené, dans un sens ou dans l'autre, mais plus généralement vers le bas, sur le niveau de luminance médiane du signal de télévision, déterminé par réglage à l'aide du potentiomètre 20. Le correcteur 12 de la caméra qui vient d'être décrite permet donc d'asservir une portion 38 du signal de sortie de la caméra, plus exactement de sa composante continue, sur une tension de référence Vref, la tension de sortie du potentiomètre 20, c'est-à-dire d'asservir la partie 32 du signal de sortie, c'est-à-dire encore d'asservir tout le signal utile ST sur la portion 38 et la tension Vref. Avec le correcteur 12, les signaux vidéo trame de télévision ST correspondent aux cadrages des figures lA, 1B, 1C, ou plus précisément leurs luminosités L' sont représentées sur les figures 5A, 5B, 5C. Le niveau de luminosité du sol reste toujours aligné sur le niveau de gris médian GM, quelles que soient les proportions de ciel et de sol, dans la mesure, bien entendu, où la proportion de ciel, dans l'exemple considéré, ne dépasse pas les trois quarts. Le paysage apparait comme naturel. Par contre, le niveau de luminosité du ciel est rejeté dans le noir, voire en butée contre le noir maximal NM, puisque le contraste entre le sol et le ciel ne varie pas. Cela n'est d'ailleurs pas gênant, opérationnellement parlant, puisque les détails intéressants à analyser sont situés au niveau du sol. Toutefois, si on voulait retrouver des détails dans le ciel, il faudrait alors diminuer le gain infrarouge, par réglage d'un bloc, au demeurant connu, placé avant l'étage correcteur 12, en amont du sommateur 21.Ce réglage de gain n'affecterait d'ailleurs pas le niveau moyen de luminosité du sol, qui resterait aligné sur le gris médian. Le correcteur décrit ci-dessus peut être monté sans modifications profondes sur tout type de caméra thermique infrarouge existante, mais plus particulièrement sur caméras à analyse série ou série-parallèle. Dans la pratique, l'alignement des paliers de référence du noir télévision est généralement effectué dans le convertisseur de standard. Mais dans le cas où le correcteur est monté sur une caméra non pourvue d'étage d'alignement, un tel étage 15 est donc intégré au correcteur 12, à l'entrée, avant l'interrupteur électronique 17, pour que la mesure de la valeur moyenne du signal extrait soit valable. Il s'agit des paliers amont adjacents aux fronts montants des signaux de modulation ligne et en aval des impulsions de synchronisation ligne. Ces paliers sont alignés sur une tension de référence du correcteur, en l'espèce la tension zéro volt. A cet effet, on connecte, à travers un condensateur série, la sortie de la caméra à la masse du correcteur pendant la durée de ces paliers, à l'aide d'un interrupteur électronique ou d'une diode. Dans la pratique,la boucle d'asservissement constituée par les blocs 8, 9, 10, 11, 15, 17, 18, 19 et 21 ne peut fonctionner correctement que si le signe de la fonction de transfert global, obtenu par la composition des signes des fonctions de transfert de tous les blocs, est négatif, pour constituer ainsi une contre-réaction. S'il advient que le signe de cette fonction de transfert global est positif, il faudra alors impérativement inverser ce signe. Une solution simple pour cela est d'appliquer la tension de référence Vref sur l'entrée négative de l'amplificateur 19 et d'appliquer le signal de sortie du filtre passe-bas 18 sur l'entrée positive de l'ampli- ficateur 19, constituant ainsi une inversion du signe de la fonction de transfert du correcteur 12. Enfin, il faut remarquer que l'ensemble de la description de l'invention donnée ci-dessus concerne une caméra dont les zones chaudes apparaissent en blanc sur l'écran et les zones froides en noir (polarité vidéo-positive). De nombreuses caméras font apparaître les zones chaudes en noir et les zones froides en blanc (polarité vidéonégative), ou, plus souvent encore, les caméras disposent d'une commande permettant à l'opérateur de choisir l'une ou l'autre possibilité de polarité vidéo. L'invention s'applique parfaitement-à ces trois cas. Il faut néanmoins veiller à ce que le signe de la fonction de transfert de la boucle d'asservissement reste toujours négatif, comme cela a été expliqué plus haut, ceci pouvant dans certains cas, notamment lorsque la commande d'inversion de la polarité vidéo agit au niveau du convertisseur de standard 6, nécessiter une inversion du signe de la fonction de transfert du correcteur 12, effec-tuée en association systématique avec l'inversion de la polarité vidéo de la caméra. Cette inversion automatique du signe de la fonction de transfert du correcteur 12 est aisément réalisable, par exemple, à l'aide d'un montage conventionnel comportant des interrupteurs électroniques et un amplificateur opérationnel. Revendications 1. Caméra thermique infrarouge, comprenant une plaquette de photodétection infrarouge (1), un système (1) de balayage d'un paysage à analyser, comprenant une portion de sol et une portion de ciel, un étage d'amplification (2, 3) pour délivrer un signal vidéo infrarouge, et un étage (6) de conversion de standard pour délivrer un signal vidéo de télévision, caractérisée par le fait qu'elle comporte des moyens (16, 17) pour extraire une portion du signal vidéo de télévision et des moyens (19, 20, 21) pour asservir cette portion de signal de télévision sur un signal de référence. 2. Caméra selon la revendication 1, dans laquelle les moyens d'extraction comprennent des moyens (16, 17) d'échantillonnage du signal de sortie de la caméra sur une durée prédéterminée. 3. Caméra selon la revendication 2, dans laquelle les moyens d'échantillonnage (16, 17) sont agencés pour échantillonner le signal de sortie de la caméra sur une durée comprise entre le cinquième et la moitié des périodes trame. 4. Caméra selon l'une des revendications 1 à 3, dans laquelle sont prévus des moyens (18), connectés aux moyens d'échantillonnage (17), pour délivrer la valeur moyenne de la portion de signal extraite avant de l'asservir sur le signal de référence. 5. Caméra selon l'une des revendications 1 à 4, dans laquelle les moyens d'extraction comprennent un interrupteur électronique (17) commandé par un générateur de signal d'échantillonnage (16). 6. Caméra selon la revendication 5, dans laquelle la sortie de l'interrupteur électronique (17) est connectée à un filtre de fréquences passe-bas (18). 7. Caméra selon l'une des revendications 1 à 6, dans laquelle les moyens d'asservissement comprennent un amplificateur opérationnel (19), connecté,par ses entrées, aux moyens d'extraction (17) et à un générateur de signal de référence (20), et, par sa sortie, à l'une des entrées dtun sommateur (21) connecté, par l'autre de ses entrées, à l'étage d'amplification (3) et, par sa sortie, à l'entrée de l'étage de conversion de standard (6). 8. Caméra selon la revendication' 7, dans laquelle le générateur de signal de référence comprend un potentiomètre (20) réglé pour délivrer une tension de référence correspondant au niveau de luminance médiane du signal vidéo de télévision de sortie de la caméra. 9.- Caméra selon l'une des revendications 1 à 8, dans laquelle un étage (1 > ) d'alignement des paliers de référence du noir télévision est connecté à l'entrée des moyens d'extraction (17). 10.- Caméra selon l'une des revendications 1 à 9, dans laquelle les moyens d'asservissement (15, 17, 18, 19, 21) comprennent des moyens agencés pour effectuer une inversion automatique du signe de leur fonction de transfert global. 11.- Caméra selon la revendication 10, dans laquelle les moyens d'inversion automatique du signe de la fonction de transfert desdits moyens d'asservissement sont commandés avec des moyens d'inversion de polarité vidéo de a caméra.