Brevet FR2597985A1 — publié le 19871030

Procédé et dispositif de prise de vues d'un objet ligne par ligne. L'invention se rapporte à un procédé et à un 5 dispositif de prise de vues d'un objet à partir d'un engin volant qui survole l'objet en le balayant par voie optique sous un angle de visée déterminé par rapport au sens du vol et suivant des lignes disposées sensiblement transversalement à celui-ci, les lignes d'image alors 10 captées étant réunies en une image entière. Au cours de ces deux dernières décénies, la photoghraphie aérienne, par exemple de la surface de la terre, à l'aide d'appareils photographiques classiques adaptés à chaque but spécifique a été de plus en plus 15 remplacée ou complétée par des procédés de balayage à haute résolution, tout d'abord au moyen de Vidicons, puis plus tard au moyen de capteurs de lignes à semiconducteurs photoélectriques à la manière de mémoires à transfert de charge. L'objet, par exemple la surface de 20 la terre, est en pareil cas survolé par un engin volant, en l'occurrence un satellite d'observation de la terre, se déplaçant à haute altitude et sensiblement parallèlement à la surface de la terre. L'objet est alors balayé par voie optique sous un angle de visée déterminé c( qui se situe dans un plan vertical par rapport au sens du vol, le balayage s'effectuant par lignes successives disposées à peu près transversalement au sens du vol. Les lignes captées sont ensuite réunies eo une image entière. La résolution de la prise de vues transversalement au sens du vol dépend, entre autres, de la distance focale du dispositif de balayage utilisé, de 10 sorte qu'en l'augmentant, on peut théoriquement diminuer autant que l'on veut la grandeur des PELS (point élémentaire d'image) même à des vols à hautes altitudes tels qu'ils ont lieu pour les prises de vues de la surface de la terre à l'aide de satellites. En revanche, 15 fla résolution dans le sens du vol dépend de la vitesse du vol et du temps d'exposition. Pour les satellites, la vitesse de vol est une grandeur prédéterminée, quasiment invariable, d'environ 7000 m/s. Pour obtenir une résolution suffisamment petite au sol aussi dans le sens 20 du vol, il faut donc que le temps d'exposition pour une -ligne soit suffisamment petit ou que la fréquence des lignes soit par conséquent grande. A ces très courts temps d'exposition s'oppose, cependant, la sensibilité limitée du capteur utilisé, si bien que le rapport -25 signal/bruit est très défavorable. Les mêmes considérations s'appliquent aux engins volants se déplaçant & très grandes vitesses à proximité du sol, lorsqu'on exige une grande résolution. Pour les prises de vues cartographiques de la 30 surface de la terre a partir de l'espace, on désire obtenir une haute résolution au sol et par conséquent des PELS de petits diamètres. Pour résoudre ce problème, compte tenu des difficultés ci-dessus, on a développé des capteurs dits TDI, TDI étant les initiales de Time Delay and Integration (temporisation et intégration). Ces capteurs se composent de plusieurs lignes de capteurs qui sont disposées parallèlement et dont les 5 signaux vidéo faibles sont intégrés ligne par ligne. Ces capteurs sont cependant très onéreux. Il faut, en outre, que les lignes de capteurs soient très exactement orientées par rapport au sens du vol et que la fréquence élémentaire des capteurs soit exactement accordée au 10 déplacement de l'image, c'est-à-dire à la vitesse du vol et à l'altitude de l'engin volant. Par ailleurs, la sensibilité du capteur TDI n'augmente pas proportionnellement au nombre des lignes parallèles, mais seulement à peu près à la racine, attendu que le 15 bruit augmente également avec la racine. On trouvera une description globale de la technique de prise de vues numérique à capteurs de lignes dans l'article de O. Hofmann qui a été publié dans la revue "Bildmessung und Luftbildwesen", année 50 20 (1982), numéro 1, pages 16 à 32. L'invention a pour objet de mettre au point un procédé et un dispositif du type en question permettant d'augmenter de façon simple la résolution des PELS de l'objet dans le sens du vol et de l'adapter facilement à 25 la résolution transversalement au sens du vol et de la mettre au même niveau que celle-ci. Ce résultat est atteint selon l'invention par le fait que pendant le balayage, on agrandit l'angle de visée Ci par rapport au sens du vol de manière que 30 pendant un certain temps de la prise de vues, la zone balayée par une ligne de capteurs ait une plus faible longueur dans le sens du vol que la projection de la trajectoire de vol sur l'objet dans le sens vertical. En partant d'une valeur initiale, on agrandit tout d'abord l'angle de visée sur une zone angulaire limitée, puis on le ramène un court instant à la valeur initiale en un mouvement cyclique et approximativement 5 proportionnel à la vitesse du vol. Selon la concordance entre la vitesse de rotation de l'angle de visée et l'altitude et la vitesse du vol de l'engin volant, on capte alors une bande correspondante de l'objet. Les bandes peuvent se raccorder en continu si l'objet est 10 balayé simultanément sous différents angles de visée par plusieurs capteurs qui sont tous déplacés par rapport au sens du vol aux fins de l'invention. La vitesse de ce déplacement peut être accordée de telle sorte que, vue dans le sens du vol, la longueur de la zone balayée pendant un cycle sur la surface de l'objet, corresponde à la projection verticale de la trajectoire du vol pendant le cycle. Il existe plusieurs moyens pour modifier l'angle de visée, par exemple par pivotement de 20 l'ensemble du dispositif de balayage ou de l'engin volant, notamment du satellite d'observation de la terre, autour de son axe de tangage, déplacement de l'objectif à l'encontre du sens du vol par rapport au plan d'image qui contient les lignes de capteurs, ou 25 déplacement des lignes de capteurs dans le sens du vol dans le plan d'image, ou bien on peut aussi prévoir d'autres moyens de déviation optiques. Si l'on installe plusieurs lignes de capteurs, on peut prévoir un objectif propre pour chaque ligne de capteurs ou pour un 30 groupe de lignes de capteurs déterminés de manière que la rotation de l'angle de visée puisse être commandée individuellement. Le meilleur moyen consiste cependant, a utiliser plusieurs lignes de capteurs optoélectroniques 35 parallèles, disposées transversalement au sens du vol, par exemple des lignes de capteurs à semiconducteurs à transfert de charge précités, à installer ces lignes de capteurs sur un support placé dans le plan d'image du dispositif de balayage et, au moyen d'un système 5 d'entraînement fonctionnant de façon cyclique, a déplacer lentement ce support dans le plan d'image pendant le processus de balayage, puis à le ramener rapidement à la position initiale. La vitesse de déplacement est choisie en fonction de la vitesse de vol 10 de l'engin volant, de la distance focale du dispositif de balayage, du nombre de lignes de capteurs et de la hauteur de vol, et ce, de manière que l'objet soit exploré en continu. Bien entendu, il n'est pas absolument 15 nécessaire de prendre en continu des vues de l'objet lorsque, par exemple, on ne s'intéresse qu'à certaines zones spécifiques de celui-ci. Il suffit alors d'augmenter la résolution dans ces zones conformément au principe de l'invention. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description d'un mode de réalisation pris comme exemple, mais non limitatif, et illustré par le dessin annexé, sur lequel: la figure 1 est une vue schématique 25 représentant un satellite destiné à prendre des vues de la surface de la terre au moyen d'un procédé de balayage ligne par ligne selon l'invention; la figure 2 représente schématiquement le procédé selon l'invention; la figure 3 représente une disposition de lignes de capteurs dans un dispositif de balayage selon l'invention. Sur la figure 1, on a représenté schématiquement une partie 1 de la surface de la terre 35 qui est survolée par un satellite 2 se déplaçant dans le sens de la flèche à une vitesse v et à une altitude constante H. La projection verticale de l'orbite du satellite 2 sur la surface 1 de la terre est désignée par 3. A bord du satellite 2 se trouve un dispositif qui sert à prendre des vues de la surface de la terre et qui comprend, en tant que partie essentielle, un dispositif de balayage 4 simplement schématisé à la figure 2. Ce dispositif de balayage comprend une optique d'entrée 5 d'une distance focale c et, installées dans le plan 010 d'image de cette optique d'entrée, plusieurs lignes de capteurs; en l'occurrence trois lignes 6a, 6b et 6c. Ces lignes sont disposées transversalement au sens du vol du satellite et sont installées sur un support 7 conformément à la figure 3. Le support 7 se déplace à la manière d'une bande transporteuse autour de deux rouleaux 8a et 8b, l'un des rouleaux 8a étant entraîné au moyen d'un moteur 9. Le déplacement du support 7 s'effectue dans le sens du vol et la distance entre les différentes lignes de capteurs dans ce sens est désignée 20f par a. Les lignes 10a, lob, 10c sur la surface 1 de la terre sont reproduites par les lignes de capteurs 6a, 6b, 6c, si bien qu'une bande de surface 11 de la largeur des lignes 10 est analysée par le dispositif de balayage 25 lors du vol du satellite. Les faisceaux de rayons plans en forme d'éventails que chaque ligne 10a, lob, 10c forme avec la ligne de capteurs correspondante 6a, 6b, 6c, sont désignés par 12a, 12b, 12c sur les figures 1 et 2. L'angle entre le rayon médian de chaque faisceau de 30 frayons en forme d'éventail 12a, 12b et 12c par rapport au sens v du vol du satellite 2 est défini en tant qu'angle de visée respectif c(i. (i = a, b,...). Comme illustré sur la moitié gauche de la figure 2, les lignes de capteurs 6a, 6b et 6c sont tout 35 d'abord orientées de manière que l'angle de visée de la ligne de capteurs 6c soit de 90 , c'est-à-dire que le faisceau de rayons 12c se situe dans le plan vertical. Le faisceau de rayons 12a est dirigé vers l'avant, de sorte que l'angle de visée de La ligne de capteurs 6a 5 est inférieure à 90 . Pendant le vol du satellite, le support 7 des lignes de capteurs est déplacé à une faible vitesse constante vs dans le sens du vol. Ce déplacement se poursuit jusqu'à ce que, après une trajectoire de vol définie F du satellite 2, la 10 direction de visée du capteur 6a se situe à la verticale. Tous les angles de visée CLn associés aux différentes lignes de capteurs sont agrandis par rapport au sens du vol, si bien qu'à la position du satellite selon la moitié droite de la figure 2, les angles de 15 visée des lignes de capteurs 6b et 6c sont dirigés vers l'arrière. Les faisceaux de rayons associés aux lignes de capteurs après la trajectoire de vol F du satellite 2 sont représentés par une ligne en tirets à la figure 2. Pendant la trajectoire de vol F du satellite, la bande 20 partielle A1 a ét6 explorée par la ligne de capteurs 6a, la bande partielle A2 par la ligne de capteurs 6b et la bande partielle A3 par la ligne de capteurs 6c. Les bandes partielles de même largeur se raccordent en continu les unes aux autres. A partir des corrélations géométriques illustrées à la figure 2, on calcule une vitesse de déplacement vs égale à v. c vs = H n étant le nombre de lignes de capteurs et dans ce cas on pose n = 3. Avec une vitesse de vol prédéterminée v, on peut obtenir sur la surface de la terre une grandeur des PELS dans le sens du vol D qui donne par calcul v D = n.F Dans le cas représenté, le pouvoir de résolution est donc augmenté d'un facteur 3 par rapport à un dispositif de balayage a une seule ligne de capteurs. Un tel pouvoir de résolution ainsi augmenté correspond à celui d'un capteur TDI comprenant alors environ neuf lignes. A la fin de la trajectoire de vol F, le moteur 9 est inversé et ramène à grande vitesse vr le support 7 à sa position initiale. Cela est représenté par une ligne en traits mixtes à la moitié droite de la figure 2. La distance minimale a entre les lignes de capteurs dépend de leur encombrement. La distance maximale est limitée par le champ visuel de l'objectif 5 du dispositif de balayage 4. La vitesse de déplacement de même que la durée du cycle du moteur 9 sont 25 déterminées par le nombre de lignes de capteurs n et par conséquent indirectement aussi par le choix de cette distance a. La vitesse de déplacement du support 7 doit être mesurée exactement et être enregistrée en synchronisme avec l'enregistrement des lignes de 30 balayage, de manière que les coordonnées d'image des lignes des capteurs soient exactement connues à chaque instant du balayage des lignes. Dans les formules indiquées ci-dessus, on n'a pas tenu compte de la courbure de la terre à chaque fois considérée. Si un satellite vole à une altitude de 300 km, la courbure de la terre mesurée par rapport à la tangente médiane pour une trajectoire de vol de 400 km est d'environ 3,5 km, c'est-à-dire représente environ 1% 5 de l'altitude du vol. Des corrections pour tenir compte de la courbure de la terre sont bien entendu possibles. L'invention peut aussi être avantageusement utilisée dans des systèmes de photogramétrie numériques dans lesquels on utilise alors trois groupes de lignes 10 de capteurs qui balayent respectivement la surface de la terre dans différentes directions de visée selon le procédé expliqué ici. REVENDICATIONS 1. Procédé de prise de vues d'un objet a partir d'un engin volant qui survole l'objet en le balayant par voie optique sous un angle de visée 5 déterminé par rapport au sens du vol et suivant des lignes dispos4es sensiblement transversalement a celui-ci, les lignes d'image alors captées étant réunies en une image entière, caract6risé par le fait que pendant le balayage, on agrandit l'angle de visée (Cv) 10 par rapport au sens du vol (v). 2. Procéd6 selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'au cours d'un mouvement cyclique, on agrandit l'angle de visée (c> valeur initiale. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait qu'on balaie l'objet (1) simultanément sous différents angles de visée que l'on 20 agrandit tous simultanément par rapport au sens du vol (y>. 4. Procédé selon la revendication 3, caractéris& par le fait qu'on choisit les différents angles de visée et qu'on les fait varier de façon 25 cyclique de manière que les parties d'image prises pendant un cycle et constituées par les lignes se raccordent directement les unes aux autres conformément aux bandes de surface balayées avec différents angles de visée. 30. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé par le fait que, vue dans le sens du vol, la longueur de la partie de bande (Ai + A2 + A3), balayée pendant un cycle, sur la surface de l'objet (1), il correspond à la projection verticale de la trajectoire de vol (F) de l'engin volant (2) pendant le cycle. 6. Dispositif de prise de vues d'un objet à partir d'un engin volant le survolant, comprenant un 5 dispositif de balayage qui balaie par voie optique sous un angle de visée déterminé (o) par rapport au sens du vol une ligne, disposée sensiblement transversalement à celui-ci, de la surface de l'objet, les lignes employées étant ensuite réunies en une image entière, caractérisé 10 par le fait qu'il est prévu un dispositif (7, 9) destiné à agrandir l'angle de visée (() par rapport au sens du vol (v). 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé par le fait que le dispositif de balayage 15 (4) comprend une optique d'entrée (5) et plusieurs lignes de capteurs optoélectroniques parallèles (6a, 6b, 6c) disposées transversalement au sens (v) du vol, que les lignes de capteurs (6a, 6b, 6c) sont installées sur un support (7) dans le plan d'image et que, pour le 20 déplacement du support (7) dans le plan d'image, il est prévu un système d'entraînement à fonctionnement cyclique qui, au cours d'un cycle, déplace tout d'abord lentement le support (7) dans le sens (v) du vol, puis le ramène rapidement à la position initiale. 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé par le fait que la vitesse (vy) du déplacement du support (7) est réglée à v.c vs = (v) étant la vitesse du vol de l'engin volant (2) par rapport à l'objet (1), (c) la distance focale du dispositif de balayage (4), (n) le nombre de lignes de capteurs et (H) l'altitude de vol de l'engin volant (2) au-dessus de l'objet (1).