Brevet FR2643723A1 — publié le 19900831

DESCRIPTION Dispositif de détermination de la direction du centre énergé- tique d'un objet lumineux'. La présente invention concerne un dispositif de détermination de la direction du centre énergétique d'un objet lumineux, comportant un objectif formant dudit objet lumineux une image sur un détecteur photosensible. OS L'invention trouve une application particulière- ment avantageuse dans le domaine de la visée d'objets lumi- neux, comme le soleil par exemple, notamment pour le recalage de radars au sol ou pour contrôler l'attitude d'engins spa- tiaux sur leur orbite. Parmi les dispositifs de détermination de la di- rection du centre énergétique d'un objet lumineux conformes au préambule, on connaît les viseurs solaires, qui utilisent com- me détecteur photosensible une barrette unidimensionnelle à transfert de charges. Ce type de viseur présente cependant l'inconvénient de ne fournir qu'une seule information quant à la direction de l'objet lumineux visé, à savoir la position sur l'axe de la barrette du barycentre de la tache-image. Afin de remédier à cet inconvénient, et donc dans le but d'obtenir les deux informations permettant de détermi- ner complètement la direction du centre énergétique de l'objet lumineux observé, on peut avoir recours à un détecteur photo- sensible constitué par une matrice à transfert de charges. Ces dispositifs, comme celui commercialisé par la Société Thomson-CSF sous la référence TH 7863, se présentent comme une mosaïque d'éléments d'image divisée en deux parties: une pre- mière moitié, la zone photosensible, est destinée & recevoir et & détecter le rayonnement lumineux venant de l'objet visé, et la deuxième moitié, recouverte d'un film opaque, sert de mémoire dans laquelle sont stockées, par transfert de charges, les informations reçues par la première moitié de la matrice. Cette réduction d'un facteur 2 de la surface du détecteur photosensible a pour conséquence de limiter le champ de visée, ce qui est particulièrement préjudiciable lorsqu'on veut réa- liser un dispositif permettant de déterminer la direction d'un objet lumineux de façon autonome, c'est-à-dire sans l'assis- tance d'un équipement auxiliaire qui amènerait préalablement le viseur grossièrement dans la direction de l'objet recher- ché. Dans ce but, il convient de disposer du champ le plus large offert par la totalité de la surface de la matrice à transfert de charges en utilisant un détecteur identique mais dont la zone mémoire, non recouverte par un film opaque, peut alors également être utilisée comme zone photosensible. Toute- fois, l'utilisation d'une telle matrice sans mémoire n'est pas envisageable du fait de l'apparition inévitable d'une traînée lumineuse verticale qui se superpose à l'image utile et qui, de ce fait, en diminue notablement le contraste. En effet, à l'issue d'un temps, dit temps d'inté- gration, déterminé pour que la tache-image atteigne un niveau énergétique suffisant, la matrice est lue en transférant les lignes successives dans un registre de sortie-intégré à ladite matrice. Or, comme le transfert des lignes et leur lecture dans le registre de sortie ne sont pas instantanés et que la matrice est éclairée en permanence, il se forme sur la zone photosensible une nouvelle image de l'objet lumineux à chaque cycle de lecture du registre de sortie. L'ensemble de ces ima- ges obtenues entre deux intégrations constitue ladite trainée lumineuse néfaste dont le temps d'intégration équivalent est égal au temps de lecture de la tache-image. En général, le temps de lecture de la tache-image n'est pas négligeable de- vant le temps d'intégration, surtout lorsque l'objet lumineux visé étant très intense comme le soleil, le temps d'intégra- tion est relativement court. Il s'ensuit que la traînée lumi- neuse présente un éclairement suffisamment grand pourlimiter le contraste de façon inacceptable. Aussi, le problème techni- que à résoudre par l'objet de la présente invention est de i réaliser un dispositif de détermination de la direction du centre énergétique d'un objet lumineux, comportant un objectif formant dudit objet lumineux une image sur un détecteur photo- sensible, dispositif grâce auquel, en utilisant une matrice à transfert de charges sans mémoire comme détecteur photosensi- ble, on pourrait éliminer en grande partie ladite traînée lu- mineuse de façon à améliorer la précision de la mesure de la position de l'image sur la matrice. Une solution au problème technique posé consiste, selon la présente invention, en ce que, ledit détecteur photo- sensible étant une matrice à transfert de charges sans mémoire de N1 lignes et Nc colonnes avec un registre de sox.e de Nc éléments, et la position du centre énergétique de l'image de l'objet lumineux étant déterminée par calcul barycentrique à l'intérieur d'une fenêtre entourant ladite image et couvrant Pl!Pc éléments de la matrice, ledit dispositif présente: - un premier mode de fonctionnement, dit mode de recherche, au cours duquel, d'une part, ladite matrice est lue en grou- pant, dans le registre de sortie, les N1 lignes m à m (m matrice, 1 (l tie, de façon à déterminer la zone m.l la plus brillante de la matrice définissant la position approximative de l'image sur la matrice, - un deuxième mode de fonctionnement, dit mode de mesure, au cours duquel la matrice est lue, d'abord, en groupant les lignes n à n (n>pl), puis, ligne à ligne dans une zone de - k lignes (k>pl) située autour de ladite zone la plus bril- lante, et, enfin, à nouveau en groupant les lignes n à n jusqu'à épuisement des N1 lignes. Ainsi, en mode de mesure, le fait de transférer à la suite n lignes consécutives avant de lire le résultat de leur accumulation dans le registre de sortie, et ceci lors- qu'on se trouve hors de la zone lue ligne à ligne, conduit à une réduction très sensible de la traînée et donc améliore nettement le contraste de l'image. En effet, si TV est le temps de transfert d'une ligne de la matrice et TH le temps de transfert d'un élément du registre de sortie, le temps d'inté- gration de la traînée, dans le cas d'une lecture ligne à ligne de la matrice, est donné par: Yl (TV+NcTH) YlNcTH o Yl est le nombre de lignes couvertes par l'image de l'ob- jet lumineux. Dans une lecture par paquets de n lignes (n>yi), la traînée est constituée: - d'une traînée proprement dite, uniforme, dont le temps d'in- tégration est: ylTV - et d'une succession d'images parasites au pas de n et dont le temps d'intégration est: NcTH Cependant, étant situées en dehors de la fenêtre de mesure, ces images parasites ne sont pas gênantes et n'interviennent pas dans le contraste. Le rapport d'éclairement entre la trai- née ligne à ligne* et la trafnée un à nu est donc NcTH/TV soit Nc si TV&TH Dans le cas de la matrice Thomson-CSF TH 7863, Nc vaut 384. L'éclairement de la traînée dans le cas de la lecture des li- gnes de la matrice n à n est donc pratiquement négligeable, d'o un contraste maximum de la tache-image, et ceci sans avoir recours à un obturateur mécanique qui se ferme en dehors du temps d'intégration. Il faut noter que la lecture des lignes n à n, n'est possible que dans la mesure o l'on sait qu'avant et après la zone image, aucune information utile n'est présenter et que l'on sait par ailleurs, grâce au résultat de localisa- tion grossière de l'image tiré du fonctionnement en mode de recherche, à quel moment il convient d'arrêter ou de reprendre la lecture par paquets de n lignes. D'autre part, le dispositif selon l'invention pré- sente l'avantage supplémentaire de diminuer notablement le temps de lecture de la matrice. A titre d'exemple, on se pla- cera dans le cas de la matrice,TH 7863 déjà mentionnée qui. comporte au total NI = 576 lignes. Pour une lecture ligne à ligne, le temps de lecture de la matrice est: 576(TV+384TH) - 576.384,TH Pour une lecture par paquets de n = 15 lignes et avec une zone de lecture ligne à ligne de k = 15 lignes, le temps de lecture de la matrice vaut approximativement: 37(15TV+384TH) + 15(TV+384TH) = 576xTV+52,384.TH X 52,384-TH Le gain en temps de lecture est donc de 576/52 soit de l'ordre de 11. La conséquence intéressante de cette réduction du temps de lecture total de la matrice est la possibiiité d'augmenter la fréquence de récurrence du dispositif selon l'irvention. La description qui va suivre en regard des dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs, fera bien comprendre en quoi consiste l'invention et comment elle peut être réalisée. La figure I montre en perspective un schéma d'un dispositif de détermination de la direction du centre énergé- tique d'un objet lumineux, conforme à l'invention. La figure 2 représente une matrice à transfert de charges mise en oeuvre dans le dispositif de la figure 1. La figure I montre de façon schématique un dispo- sitif 100 de détermination de la direction du centre énergéti- que O d'un objet lumineux S, comme le soleil par exemple. Ce dispositif 100 comporte un objectif 110, éventuellement muni d'un diaphragme non représenté, qui forme de l'objet lumineux S une image S' de centre 0' sur un détecteur photosensible 120. Dans le cas du dispositif montré à la figure 1, le détec- teur photosensible 120 est une matrice à transfert de charges placée au foyer F de l'objectif 110, comme dans le cas du soleil, ou dont la position par rapport à l'objectif est ajus- tée, par défocalisation, de telle manière que le diamètre de la tacheimage de l'objet lumineux atteigne quelques éléments d'image, dans le cas de très petits objets. Le centre énergé- tique 0' de l'image S' est repéré par ses coordonnées xo et y0 dans un système d'axes Fx, Fy lié à la matrice. La détermina- tion de xo et yo permet de calculer les angles î et l définis- sant la direction 0'0O recherchée par rapport à l'axe optique z'z de l'objectif 110. Comme l'indique la figure 2, la matrice 120 comporte Nl lignes et Nc colonnes avec un registre 121 de sortie de Nc éléments. La matrice TH 7863 de la Société Thomson-CSF utilisée par la demanderesse est constituée de N1 = 576 lignes et Nc = 384 colonnes sans zone mémoire. si cela est nécessaire la matrice 120 peut être refroidie par un module à effet Peltier, ce sera le cas notamment lorsque le courant d'obscurité est trop important. La position du centre énergétique 0' de l'image S' de.'objet lumineux S est déterminée, conformément à-la figure 2, par calcul barycentrique à l'intérieur d'une fenêtre 122 entourant l'image S' et couvrant Pl.Pc éléments de la ma- trice 120. A titre d'exemple, on peut indiquer qu'avec la ma- trice mentionnée ci-dessus de 16 mm de diagonale et un objec- tif de 11,5 mm le dispositif 100 offre un champ de 72", ce qui est tout à fait remarquable, de même que le rapport entre le champ et la précision de détermination de la position moyenne de l'objet lumineux pendant l'intégration, ce rapport valant 17000 pour une précision de 15". Le diamètre angulaire du soleil étant de l'ordre de 30' d'arc et un élément d'image de la matrice mesurant environ 22 pm, l'image géométrique du so- leil apparaît comme un disque de yl = 4,5 à 5 éléments d'i- mage de diamètre. La tache de diffraction, selon l'ouverture du diaphragme, peut atteindre 1,5 élément d'image, ce qui conduit à une image du soleil de 6,5 éléments d'image. La fe- nètre 122 de mesure (ensemble des éléments sur lequel est cal- culé le barycentre énergétique de l'image) qui entoure l'image S' est formé par un minimum de 8.8 éléments d'image. On peut donc prendre pour fenétre 122 un carré de Pl =-10 lignes et Pc = 10 colonnes. Le système décrit offre aussi la possibi- lité après 'accrochage' initial de suivre l'objet lumineux de manière autonome, c'est-à-dire sans assistance extérieure, pour des mouvements pouvant atteindre quelques f/s. Le dispositif proposé présente un premier mode de fonctionnement, dit mode de recherche, au cours duquel on dé- termine une zone 124 de m lignes et 1 colonnesde signal maxi- mum préfigurant la position approximative du soleil sur la ma- trice. m et 1 sont respectivement inférieurs à PI et Pc et peuvent être pris égaux à 2 par exemple. La détermination de la zone m.l 124 la plus brillante est réalisée en lisant les N1 lignes de la matrice 120 en les groupant m à m dans le registre 121 de sortie, puis en vidant 1 éléments d'image consécutifs dudit registre de sortie dans le dispositif de lecture 123 de la matrice. Cette opération a l'avantage de ré- duire d'un facteur msl, ici 4, le temps d'intégration néces- saire pour obtenir un signal exploitable en mode de recher- che. Il faut également ajouter que, dans le cas not.ment d'une utilisation au sol du dispositif selon l'invention, le mode de recherche a pour but d'adapter le diaphragme de l'ob- jectif et le temps d'intégration sur la matrice à transfert de charges en fonction du signal reçu dont le niveau peut être très variable selon la couverture nuageuse et l'heure d'obser- vation par exemple. Au cours du deuxième mode de fonctionnement, le mode de mesure qui suit le mode de recherche, la matrice 120 est exposée au rayonnement du soleil pendant le temps d'inté- gration et avec le diaphragme déterminés lors de la recher- che. La matrice est ensuite lue, d'abord en groupant les li- gnes n à n avec n>pl, à titre indicatif, une valeur typique de n est 15. Puis, dans une zone 125 située autour de la zone Nul 124 la plus brillante, la lecture de la matrice 120 est effectuée ligne à ligne pendant k lignes. k est également su- périeur à Pl et peut être choisi supérieur ou égal à n, ici k varie de 15 à 30. Enfin, la matrice est à nouveau vidée en groupant les lignes n à n jusqu'à épuisement des Nl lignes. On a vu plus haut que le mode de mesure ainsi mené conduit à une amélioration très sensible du contraste de l'image et, en réduisant le temps de lecture, autorise une fréquence de récurrence accrue. REVENDICATION Dispositif de détermination de la direction du centre énergétique d'un objet lumineux, comportant un objectif formant dudit objet lumineux une image sur un détecteur photo- sensible, caractérisé en ce que, ledit détecteur photosensible étant une matrice à transfert de charges sans mémoire de N1 lig.,es. et Nc colonnes avec un registre de sortie de Nc éléments, et la position du centre énergétique de l'image de l'objet lumineux étant déterminée par calcul barycentrique à l'intérieur d'une fenêtre entourant ladite image et couvrant Pl'Pc éléments de la matrice, ledit dispositif présente: - un premier mode de fonctionnement, dit mode de recherche, au cours duquel, d'une part, ladite matrice est lue en grou- pant, dans le registre de sortie, les NI lignes m à m (m matrice, 1 (l(pc) éléments consécutifs du registre de sor- tie, de façon à déterminer la zone m.1 la plus brillante de la matrice définissant la position approximative de l'image sur la matrice, - un deuxième mode de fonctionnement, dit mode de mesure, au cours duquel la matrice est lue, d'abord, en groupant les lignes n à n (n>pl), puis, ligne à ligne dans une zone de k lignes (k>p1) située autour de ladite zone la plus bril- lante, et, enfin, à nouveau en groupant les lignes n à n jusqu'à épuisement des Nj lignes.