Brevet FR2595026A1 — publié le 19870828

_- 1 _- DISPOSITIF DE FILTRAGE D'UN SIGNAL VIDEO MULTIPLEXE. L'invention concerne un dispositif d'élimination des signaux parasites inhérents à un signal vidéo multiplexé en sortie d'un détecteur constitué d'une barrette d'éléments disposés suivant une même ligne et effectuant le balayage de la scène, ledit signal étant d'abord amplifié puis converti en numérique pour effectuer le traitement de l'image et enfin re- converti en analogique. Ce dispositif trouve une application par exemple lors de l'utilisation de détecteurs infra-rouge de nouvelle génération. Ces détecteurs sont constitués par des capteurs IR couplés à des dispositifs à transfert de charges ou équiva- lents. On réalise ainsi en sortie de ces détecteurs, d'une part la fonction de transformation du flux incident en signal électrique et d'autre part la fonction d'intégration des cou- rants et leur multiplexage pour former un signal vidéo série. Les anciens détecteurs dits de première génération réalisaient uniquement ladite fonction de transformation du flux. L'élimination des signaux parasites issus de ces détec- teurs s'opérait simplement par l'adjonction d'un condensateur de filtrage à chaque élément détecteur au niveau du préampli- ficateur. On effectuait ensuite l'opération de multiplexage des signaux au moyen de circuits appropriés. Dans les détecteurs de nouvelle génération, on n'a pas accès aux informations élémentaires de chaque détecteur. Les fonctions de transformation du flux et de multiplexage ne sont plus séparées. De ce fait le signal en sortie du détec- teur ne se présente plus de la même manière. Les signaux utiles résultant du balayage de la scè- ne en coordonnées polaires ou rectangulaires apparaissent maintenant en série à la sortie du détecteur et sont modulés dans une certaine plage de fréquences. A ces signaux utiles se superpose un signal continu et basse fréquence parasite qu'il s'agit d'éliminer et qui résulte de la réponse du détecteur à la température moyenne du fond ou à la température de la mon- ture de l'objectif, des offsets électriques entre les diffé- rents canaux et du bruit BF de l'ensemble intégration et mul- tiplexage. Le dispositif de l'invention est destiné à jouer un rôle comparable au condensateur de filtrage placé entre le dé- tecteur et son préamplificateur lorsqu'on utilise un système de détecteurs de première génération, cette liaison capacitive n'existant pas dans les systèmes détecteurs infra-rouge dits de nouvelle génération. t15J Lu réalisation d'untel dispositif destiné à couper les fréquences basses sur chaque canal à partir d'un signal multiplexé provenant de la mise en série de n canaux est à re- jeter sous forme analogique car elle nécessiterait de mettre en oeuvre: n échantillonneurs-bloqueurs et leur système de pilotage pour effectuer le démultiplexage du signal vidéo série. - n filtres analogiques (soit n réseaux résistance-condensa- teur au minimum) pour effectuer le filtrage proprement dit. - n commutateurs analogiques et leur système de pilotage pour multiplexer ces n voies parallèles avant d'en effectuer la conversion analogique-numérique. Le démultiplexage, nécessaire pour traiter chaque canal indépendamment, étant aisé en numérique grâce à l'utili- sation de mémoires, le dispositif de l'invention est remarqua- ble en ce qu'il comporte en sortie du convertisseur analogi- que-numérique un premier circuit de mise en forme du signal suivi d'une première mémoire RAM adressée en coordonnées de chaque élément d'image analysé et fonctionnant en registre à décalage, l'information d'entrée correspondant à l'élément d'image en cours d'analyse étant transmise à une borne d'en- - 3 - trée de ladite première mémoire servant également de borne de sortie, ladite information d'entrée étant simultanément trans- mise à un premier additionneur et à un deuxième additionneur, ledit premier additionneur recevant de plus en provenance de ladite borne de sortie du registre à décalage, l'information changée de signe à travers un inverseur d'un autre élément d'image décalé de n éléments par rapport à l'élément en cours d'analyse pour effectuer la différence desdites informations d'entrée et de sortie et le quotient de cette différence par le nombre d'éléments n de ladite tranche, ledit quotient étant transmis à un troisième additionneur qui reçoit d'une deuxième mémoire RAM la valeur moyenne des informations d'entrée de la tranche d'éléments associée à l'élément d'image précédant l'élément en cours d'analyse pour former la valeur moyenne des informations d'entrée de la tranche d'éléments associée à l'élément en cours d'analyse, la valeur moyenne des informa- tions d'entrée de la tranche d'éléments associée au premier élément analysé ayant été calculée et mémorisée dans ladite deuxième mémoire lors d'une phase d'initialisation, ladite va- leur moyenne issue du troisième additionneur étant, après pas- sage dans un deuxième circuit de mise en forme du signal, d'une part mémorisée dans ladite deuxième mémoire RAM pour servir au calcul de la valeur moyenne associée aux éléments d'image de la tranche suivante, et d'autre part transmise à une troisième mémoire RAM qui introduit un certain retard fi- xant la position de chaque tranche de n éléments par rapport à l'élément d'image en cours d'analyse, la sortie de ladite troisième mémoire étant reliée après inversion de signe du si- gnal à une autre entrée dudit deuxième additionneur qui effec- tue ainsi la différence entre la valeur de l'information d'en- trée correspondant à l'élément en cours d'analyse et la valeur moyenne des informations de la tranche de n éléments qui lui. est associée, issue de ladite troisième mémoire, cette derniè- re différence correspondant au traitement de l'opération de - 4 - filtrage étant transmise à travers un troisième circuit de mi- se en forme du signal. La description suivante en regard des dessins anne- xés, le tout donné à titre d'exemple fera bien comprendre com- ment l'invention peut être réalisée. La figure 1 montre le schéma d'un détecteur de nou- velle génération. La figure 2 représente une trame obtenue pour un balayage de la scène effectué en coordonnées polaires. - La figure 3 représente le schéma synoptique du fil- tre conforme à l'invention. La figure 4 montte une tranche d'éléments en forme de couronne pour un balayage effectué en coordonnées polaires. La figure 1 représente le schéma d'un ensemble dé- tecteur de nouvelle génération comportant une barrette B d'éléments détecteurs disposés suivant une même colonne. Cha- cun d'eux est couplé à un dispositif à transfert de charge t ou équivalent dont les sorties sont interconnectées en S pour transmettre un signal vidéo série. L'ensemble est contenu dans un vase 'Dewar' D. Le signal analogique qui apparaît sur la sortie S est amplifié (A) et converti en numérique (CAN). Le signal numérique subit un traitement (T) puis peut subir une reconversion en analogique (CNA). On suppose par exemple que le balayage de la scène est effectué en coordonnées polaires. Une analyse complète de la scène délimite le champ selon les caractéristiques d'un au- to-directeur infra-rouge. L'image obtenue dans le plan focal de l'objectif constitue une trame représentée sur la figure 2. Les détecteurs sont disposés en une barrette B de n élé- ments. Un prisme tournant au niveau de l'objectif produit la rotation de l'image dans le plan de la scène. Chaque élément détecteur analyse donc une couronne circulaire centrée en Co. Le flux qu'il reçoit est intégré et lu séquentiellement pen- dant un certain temps selon la vitesse de rotation tous les 1/128 tour. La trame ainsi décomposée en 128 positions succes- sives de la barrette de détecteurs elle-méme découpée géogra- phiquement en n éléments est formée de 128 fois n éléments d'image ou pixels (contraction des mots anglais picture ele- ments). L'un de ces éléments est représenté autour du point M de coordonnées polaires r et 0. Si la vitesse du balayage est de 200 t/s, la période de la trame est de 5 ms. Si par ail- leurs n = 32 éléments, le temps qui s'écoule entre l'analyse de deux pixels consécutifs est de l'ordre de la microseconde. Le filtre de l'invention est situé en sortie du CAN. Sa fonction de transfert a pour expression: n+ko-1 H(z) = 1 - n -k = 1 - n Eko + z-(ko+1) + (n+ko- avec n = 2, 4, 8, 16, 32 ou 64 positions successives de la barrette de détecteurs, ko = 0, 1, ou 2 dans laquelle z représente un opérateur retard. Soit y(t) le niveau de luminance du pixel analysé à un instant t. L'opérateur z faisant correspondre à zn la valeur y(t+nz), la transformation H appliquée à y(t) engendre une fonction u(t) telle que: y(t) H u(t) = y(t) - 1 {(t-kor) + y t-(ko+1)j ±-- + yt-(n+kO-1)-i Dans cette expression, y(t) est l'information brute - du niveau de luminance d'un pixel analysé à l'instant t et qui inclut celle des signaux parasites énumérés ci-dessus. y(t-kor), yFt-(ko+1)i,..., y t-(ko+n-1)] représentent les niveaux de luminance de n pixels analysés respectivement aux instants t - kor, t - (ko+1)c,..., t - (n+ko-1)r et qui in- cluent également les niveaux des signaux parasites, r étant - 6 l'intervalle de temps entre les passages de deux informations consécutives. Le quotient par n de leur somme représente la valeur moyenne du niveau de luminance des n pixels et là sous- traction de cette valeur moyenne à la valeur de luminance du pixel analysé à l'instant t conduit à l'élimination des si- gnaux parasites. Le nombre ko fixe la position de la tranche des n pixels analysés antérieurement par rapport au pixel en cours d'analyse à l'instant t. Le schéma synoptique du filtre conforme à l'inven- tion est représenté sur la figure 3. Les coordonnées e et ? liées au balayage en coor- données polaires (G étant la position angulaire de la barrette et y le numéro du détecteur), deviennent eL et ?L après remise en forme des signaux. Y (sortie CAN) représente un message vidéo série qui en sortie du convertisseur analogique-numérique est cons- titué par une suite de mots de 9 bits qui sont les signaux nu- mérisés des niveaux de luminance. Après passage à travers le bloc L1 qui opère une remise en forme des signaux pour les faire durer le maximum de temps et à travers le bloc L'1 de protection contre les courts-circuits, les informations successives Y sont transmi- ses au bloc mémoire RAM "1" adressé en EL et FL et utilisé comme ligne à retard. Cette mémoire est constituée de regis- tres à décalage empilés horizontalement, chaque pile corres- pondant à un numéro de la barrette de détecteurs (t) et chaque case d'un registre correspondant verticalement à une position de e mais qui se déplace pour opérer le transfert de l'infor- mation introduite sur les entrées/sorties I/O. Ce sont en ef- fet les mêmes broches qui servent à entrer les données d'en- trée et à sortir les données de sortie. Aux adresses EL et GL qui sont les coordonnées des pixels analysés, on vient ranger les valeurs y des niveaux de luminance. Par le mécanis- me de transfert des registres à décalage, une entrée y(t) à l'instant t s'effectue immédiatement après une sortie i y(t-nt). Ainsi pour chaque pixel analysé à un instant t, une tranche d'informations successives correspondant au même numé- ro du détecteur (PL) est conservée en mémoire pendant l'in- tervalle de temps nr. Dans le laps de temps de l'ordre de 1,s séparant l'analyse de deux pixels consécutifs, il n'est pas possible d'aller chercher n valeurs en mémoire, d'en effectuer la moyenne et de soustraire cette moyenne de la valeur d'analyse en cours. Un calcul de valeur moyenne est fait une fois pour toutes dans une étape d'initialisation sur la tranche de pi- xels-délimitée par les valeurs de n et de-k0. On choisit par exemple n = 32 et k0 = O. Pour une valeur constante de v (numéro du détecteur) la figure 4 montre la tranche de couronne ainsi délimitée. Entre les positions O et 31 de la barrette, la va- leur moyenne du niveau de luminance d'un détecteur a pour ex- pression: - 1 Y31 = (YO + Yl +... + Y31) Cette valeur moyenne calculée dans la phase d'ini- tialisation est mise en mémoire dans la RAM "2". Pour le pixel correspondant à la position suivante de la barrette (O = 32), la valeur moyenne du niveau de lumi- nance sur les 32 positions précédentes s'écrit: - i y32 = (yl + y2 + -... + y32) En effectuant la différence de ces deux valeurs moyennes, on obtient: _ - 1 Y32 - Y31 = 3 (Y32 - YO) On voit d'après cette relation que le calcul de la valeur moyenne Y32 est relativement simple puisqu'il n'y a plus qu'une seule valeur Y31 à aller chercher en mémoire au- lieu de 32. La valeur moyenne Y32 est ensuite mise en mémoi- re dans la RAM "2" afin de pouvoir calculer de la même façon y33 au moyen de la relation déduite par récurrence de la -8- précédente: Y33 - Y32 = 3 (Y33 - Yl) Par le mécanisme des registres à décalage de RAM 1', YO sort de cette mémoire pour y laisser entrer Y32; de même l'analyse du pixel suivant fait sortir Yl pour laisser entrer Y33 et ainsi de suite. En revenant au schéma synoptique du filtre, on voit qye yO est aiguillé à travers l'inverseur I vers l'entrée B de l'additionneur (AD1) dont l'entrée A reçoit Y32- On a donc sur la sortie de cet additionneur la valeur Y32 - Yo. La divi- sion de cette valeur par 32 qui consiste simplement à éliminer les cinq bits de poids le plus faible est introduite sur le- entrées A de l'additionneur (AD2) qui reçoit sur ses entrées B la valeur moyenne Y31 précédemment mise en mémoire dans RAM '2" et fournit donc sur ses sorties t, - i Y31 + (Y32 - yo) qui n'est autre que la valeur moyenne Y32. Après remise en forme dans le bloc L2, Y32 est mise en mémoire d'une part dans RAM "2" pour servir au calcul de y3.3 et d'autre part dans RAM "3" qui fonctionne en ligne à retard (avec un retard nul pour k0 = O) et d'o elle ressort inversée pour être transmise aux entrées B d'un autre additionneur (bloc AD2) qui reçoit Y32 sur ses entrées A. Ainsi les sorties Yde cet additionneur fournissent Y32 - Y32 c'est-à-dire le traitement de l'opération de filtrage des signaux parasites objet de l'invention dont la remise en forme est effectuée à travers le bloc L3. Dans l'exemple ci-dessus, on a traité le cas le plus simple pour lequel k0 = 0, c'est-à-dire que l'on a asso- cié-à l'information Y32 arrivant à l'instant t, la valeur moyenne Y32 calculée sur la tranche de 32 pixels incluant le pixel en cours d'analyse à cet instant. Si l'on fixe ko = 1 ou 2, la tranche de 32 pixels sur laquelle la valeur moyenne est calculée se trouve décalée 25950Z6 -9- de 1 ou 2 pixels par rapport à l'information Y32. La mémoire RAM "3" remplit alors pleinement son riôle de ligne à retard en même temps qu'elle effectue l'inversion de la valeur moyenne. Le filtre coupe-bas ainsi réalisé, de pente - 6 dB/octave a une fréquence de coupure basse à - 3-dB égale à fcb donnée dans le tableau suivant, selon n et k0 (fcb en Hz), dans le cadre de l'exemple considéré: L'analyse de la scène peut également être effectuée en coor- données rectangulaires. Le traitement du problème est identi- que. Pour plus de généralités, on désigne par k et i les coordonnées du pixel analysé (k = et i = S dans le cas de l'analyse en coordonnées polaires considéré ci-dessus). Soient Y le niveau de luminance en sortie du convertisseur analogi- que-numérique et tk,i l'instant auquel le point de coordon- nées k,i est analysé. Ces coordonnées devenues kL et iL après régénération des signaux sont les adresses de la mémoire RAM '1" (schéma de la figure 3) qui joue le rôle de ligne à retard. La capacité de cette mémoire est de 2048 mots de 16 bits, capacité utilisée totalement si n = 64 ou partielle- ment pour n = 2, 4, 8, 16 ou 32. Durant la première partie du cycle correspondant au pixel de coordonnées k,i, le niveau de luminance du point k,i-n est lu et durant la deuxième partie celui du point k,i est écrit en RAM "1'. Les additionneurs du bloc 5 et les inverseurs du bloc AD1 permettent de calculer Yk,i - Yk,i-n = 4k,i- La RAM "2" rebouclée sur elle-même grâce aux addi- tionneurs du bloc AD3 et aux circuits de remise en forme du bloc L2 contient à l'adresse k,i (modulo n) l'information k0o n 2 4 8 16 32 64 O fcb-- 6500 2100 900 410 200 100 2 fcb-> 550 320 170 - 10 - n Ek,i-1 = - Yk,i-j qui est extraite pour lui additionner j=1 àki dans la deuxième partie du cycle pixel k,i. Ainsi à la fin du cycle pixel k,i, l'information de sortie du bloc 7 cor- respond à Zk,i-1 + Ak,i = rk,i- Cette information divisée par n est introduite en RAM "3" qui joue le rôle de ligne à retard pour la génération de ko. Dans tous les cas, cette information est égale à la va- leur moyenne Yk de n niveaux de luminances consécutives sur le même détecteur k. L'opération nk,i = Yk,i - Yk est effectuée grâce aux additionneurs du bloc AD2. Le xésultet du calcul (luminance différentielle du point k,i) est remise en forme grâce aux circuits du bloc L3. L'initialisation du dispositif pourra se faire au- tomatiquement à la mise sous tension ou à chaque début de cy- cle d'acquisition par exemple. En plus des fonctions à assurer pour lesquelles il est prévu, ce filtre: a - a l'avantage d'effectuer un filtrage BF du signal multi- plexé et donc de participer à l'élimination du bruit BF du dispositif à transfert de charge (CCD). b - doit pouvoir permettre de s'affranchir des corrections de nonuniformités des détecteurs et du CCD qui se traduisent par des offsets (qu'il s'agisse des offsets systématiques dûs à la réponse des détecteurs excités par un flux photo- nique à travers des angles solides différents ou d'offsets "électriques" des différents canaux du CCD). Ainsi seules les corrections de non-uniformités de la responsivité du capteur IR couplé à des CCD devraient être à effectuer. c - provoque une augmentation de bruit que l'on peut estimer à (1 + 1/n) 1/2 (soit + 0,13 dB pour n = 32) ce qui est parfaitement négligeable. - 1'1 - REVENDICATIONS: 1. Dispositif d'élimination des signaux parasites in- hérents à un signal vidéo multiplexé en sortie d'un détecteur constitué d'une barrette d'éléments disposés suivant la même colonne et effectuant le balayage de la scène, ledit signal étant d'abord amplifié puis converti en numérique pour faire son traitement d'image et enfin reconverti en analogique, ca- ractérisé en ce que ledit dispositif comporte en sortie du convertisseur analogique-numérique un premier circuit de mise en forme du signal suivi d'une première mémoire RAM adressée en coordonnées de chaque élément d'image analysé et fonction- nant en registre à décalage, l'information d'entrée correspon- dant à l'élément d'image en cours d'analyse étant transmise à une borne d'entrée de ladite première mémoire servant égale- ment de borne de sortie, ladite information d'entrée étant si- multanément transmise à un premier additionneur et à un deu- xième additionneur, ledit premier additionneur recevant de plus, en provenance de ladite borne de sortie du registre à décalage, l'information changée de signe à travers un inver- seur d'un autre élément d'image décalé de n éléments par rap- port à l'élément en cours d'analyse pour effectuer la diffé- rence desdites informations d'entrée et de sortie et le quo- tient de cette différence par le nombre d'éléments n de ladite tranche, ledit quotient étant transmis à un troisième addi- tionneur qui reçoit d'une deuxième mémoire RAM la valeur moyenne des informations d'entrée de la tranche d'éléments as- sociée à l'élément d'image analysé précédant l'élément en cours d'analyse pour former la valeur moyenne des informations d'entrée de la tranche d'éléments associée à l'élément en cours d'analyse, la valeur moyenne des informations d'entrée de la tranche d'éléments associée au premier élément analysé ayant été calculée et mémorisée dans ladite deuxième mémoire, lors d'une phase d'initialisation, ladite valeur moyenne issue du troisième additionneur étant, après passage dans un deuxiè- me circuit de mise en forme du signal, d'une part mémorisée - 12 - dans ladite deuxième mémoire RAM pour servir au calcul de la valeur moyenne associée aux éléments d'image de la tranche suivante et d'autre part, transmise à une troisième mémoire RAM qui introduit un certain retard fixant la position decha- que tranche de n éléments par rapport à l'élément d'image en cours d'analyse, la sortie de ladite troisième mémoire étant reliée après inversion de signe du signal à une autre entrée dudit deuxième additionneur qui effectue ainsi la différence entre la valeur de l'information d'entrée correspondant à l'élément en cours d'analyse et la valeur moyenne des informa- tions de la tranche de n éléments qui lui est associée, issue de ladite troisième mémoixc, cette dernière diftrenLe coiies- pondant au traitement de l'opération de filtrage étant trans- mise à travers un troisième circuit de mise en forme du si- gnal.