Brevet FR2661510A1 — publié le 19911031

PROCEDE ET DISPOSITIF D'IMAGERIE OPTIQUE A TROIS DIMENSIONS L'invention concerne les procédés et dispositifs d'imagerie optique destinés à fournir l'image entre trois dimensions d'une scène ayant des reliefs, le terme "imagerie" devant être interprété de façon générale et comme indiquant aussi bien la représentation de la scène sur un écran que le stockage de données indiquant, pour chaque point de la scène, sa position dans un trièdre de références. De nombreuses applications requièrent l'imagerie en trois dimensions, avec rafraîchissement à fréquence élevée, pour suivre l'évolution d'une scène située à un emplacement fixe ou pour effectuer une surveillance sectorielle ou panoramique. Des applications dans l'espace sont constituées par l'établissement de la topographie de l'environnement d'un vaisseau (emplacement d'astéroides et de planètes) et la navigation. Parmi les applications générales, on peut citer la robotique. Une autre application envisageable est la constitution de systèmes anti-collision entre véhicules automobiles. On sait déjà déterminer la distance entre une cible et un dispositif comportant un illuminateur fournissant des impulsions de lumière destinées à éclairer la cible et un détecteur sur lequel on forme l'image d'une zone dans laquelle se trouve la cible. La mesure du temps d'allerretour de l'impulsion fournit une indication de distance. La plupart des procédés connus se heurtent au problème de l'identification de l'écho dans l'image, où apparaissent des parasites dus à des sources lumineuses permanentes situées dans le champ créant des parasites. Cet inconvénient est particulièrement grave lorsque le détecteur est constitué par une matrice de capteurs à couplage de charges, dans lesquels on intègre les charges générées dans chacun des capteurs par les photons incidents pendant une durée très supérieure à celle de l'impulsion. Le problème de la mesure de distance entre un dispositif et une cible ponctuelle a cependant été résolu par le procédé décrit et revendiqué dans le document EP-A-0 254 634. Suivant ce procédé, on émet, à partir d'une source vers une cible, de façon répétitive, des impulsions lumineuses brèves, on recueille le flux lumineux réfléchi par la cible sur un détecteur matriciel à lecture par transfert ligne à ligne ou point à point et on effectue ce transfert à fréquence déterminée et élevée pendant le retour de l'écho. En répétant la séquence d'émission, de recueil et de transfert pour au moins deux fréquences de transfert différentes, on déduit la distance entre la source et la cible du décalage entre des lignes ou points ayant reçus l'écho pour les deux fréquences différentes. Ce procédé, destiné essentiellement à détecter et à poursuivre une cible et à extraire des paramètres caractéristiques de cette cible (distance, ligne de visée, éventuellement attitude) présente le grand avantage d'autoriser l'emploi de sources impulsionnelles ne consommant qu'une faible puissance électrique en dépit d'une puissance de crête très élevée, du fait du fonctionnement par impulsions brèves. L'effet de sources parasites dont l'image se forme sur le détecteur est très atténué, car l'énergie lumineuse émise par ces sources pendant la durée d'intégration se répartit sur tous les capteurs d'une même colonne alors qu'un seul capteur reçoit la totalité de l'écho sur la cible. Ce procédé effectue donc un véritable filtrage. L'invention vise notamment à fournir un procédé d'imagerie optique en trois dimensions reprenant certains éléments du procédé ci-dessus défini, permettant également de faire ressortir l'information utile du fond avec un gain important, n' exigeant qu'un traitement simple du signal, sans application d'algorithmes de reconstruction compliqués du genre de ceux nécessaires pour la stéréovision. Dans ce but, l'invention propose notamment un procédé d'imagerie optique permettant de former l'image à trois dimensions d'une scène, suivant lequel - on émet, à partir d'une source et de façon répétitive, des impulsions lumineuses brèves en décalant le trajet d'émission d'une impulsion à la suivante, suivant une direction de balayage, - on recueille le flux lumineux réfléchi par la scène sur un détecteur matriciel à lecture par transfert ligne à ligne (ou point à point) vers une zone mémoire ayant un nombre de lignes ou de points égal à celui du vecteur matriciel, - on effectue le transfert à fréquence déterminée pendant le retour de l'écho à une fréquence telle que la durée du transfert soit au moins égale à la durée maximale d'aller-retour (ou à la durée d'aller-retour correspondant à la variation maximale de distance, avec un décalage par rapport à l'émission correspondant au temps minimum d'aller-retour), - on calcule les positions relatives des points de la scène selon la direction d'aller-retour des impulsions par comparaison entre les décalages entre les réceptions d'échos provenant de points différents de la scène, à partir de l'identification du site de la zone mémoire qui a reçu l'écho, - on calcule les positions relatives des points de la scène et on mémorise ou on affiche l'image des points ou lignes successives de la scène à partir de leur emplacement suivant la direction de transfert, la direction transversale à la direction de transfert et la durée d'aller-retour. Suivant un premier mode de réalisation de l'invention, on utilise un détecteur matriciel comportant des capteurs photo-sensibles répartis suivant un réseau à deux dimensions dont l'une est dans le sens du transfert : on envoie alors les impulsions lumineuses sous forme d'un pinceau plat transversalement au sens du transfert, dont l'écho se forme sur le détecteur sous forme d'une ligne transversale à la direction de transfert : on peut ainsi, à chaque émission de la source, former l'image d'une tranche de la scène. Dans un autre mode de réalisation, on utilise un détecteur matriciel comportant des capteurs photo-sensibles répartis suivant un réseau linéaire suivant la direction de transfert. On envoie alors des impulsions sous forme d'un pinceau étroit et on effectue une exploration transversale à ladite direction de transfert par déflexion du pinceau et de la lumière réfléchie, par exemple à l'aide d'un miroir de balayage. La présente invention propose également un dispositif permettant de mettre en oeuvre le procédé ci-dessus défini, comprenant - une source d'émission répétitive d'impulsions lumineuses brèves, - un détecteur à état solide comportant une matrice de capteurs électro-optiques à accumulation de charges'; des moyens de lecture par transfert ligne à ligne (ou point à point) à fréquence déterminée des charges accumulées dans l'ensemble des cap teurs d'abord vers une matrice de mémoire dont la répartition de points mémoires est identique à celle des capteurs, puis de la matrice de mémoire vers un organe de sortie caractérisé par des moyens de calcul pour déduire la position relative des points de la scène, dans la direction d'émission de la source, de l'emplacement du point mémoire qui reçoit l'écho. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit de modes particuliers de réalisation, donnés à titre d'exemples non limitatifs. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels - la figure 1 est un schéma de principe montrant un dispositif suivant l'invention monté sur un aéronef d'exploration terrestre - la figure 2 est un schéma montrant les composants principaux du dispositif de la figure 1 - les figures 3A, 3B, 3C sont des diagrammes représentant une répartition des échos en zone mémoire du dispositif, les distances r correspondantes et les amplitudes z de signal réfléchi - la figure 4 est un exemple de séquence de traitement dans le cas d'un détecteur à n=10 lignes de sites photosensibles - la figure 5 est un schéma montrant un exemple de répartition de signal suivant une colonne de détecteur. A titre d'exemple, on décrira tout d'abord un dispositif fournissant une image à trois dimensions ayant une source d'émission à illumination linéaire, un détecteur fournissant à chaque séquence une mesure suivant une dimension et des moyens de balayage à une dimension. Un tel dispositif 10 peut être placé sur un aéronef pour donner une image à trois dimensions d'une bande de terrain à partir de l'aéronef d'exploration. L'aéronef effectue un balayage du type fréquemment appelé "push broom" suivant une direction x, du fait de son mouvement (figure 1). L'image en trois dimensions est obtenue avec une source d'illumination fournissant un faisceau plat d'ouverture angulaire , transversal à la direction x, éclairant une tranche 10 orientée suivant la direction y orthogonale à x.Le dispositif doit permettre de déterminer, pour chaque point de coordonnées x et y dans la bande balayée, sa distance r au dispositif ou sa distance par rapport à un repère dont la distance au dispositif est connue et invariable. Un dispositif similaire peut être utilisé pour former une image d'une scène fixe en position x-y par rapport au dispositif, afin de suivre les variations de la distance r des points de la scène : dans ce cas, le dispositif comporte des moyens, tels qu'un miroir, de balayage suivant x. Le détecteur du dispositif 12 montre schématiquement en Figure 2, fournissant une image à une dimension, met en oeuvre une matrice de capteurs à deux dimensions. La cadence d'émission de sa source d'émission répétitive (non représentée) fixe l'intervalle 1 entre deux lignes successives observées sur la scène. Cette source peut être constituée par une diode laser suivie d'une lentille cylindrique permettant d'émettre toute la puissance dans un champ d'émission plat, d'ouverture angulaire 2 dans la grande dimension, 6 (de l'ordre de a/100) dans la petite dimension. Le détecteur du dispositif comprend un élément photosensible 14, dit zone image, ayant un réseau matriciel à deux dimensions de sites photosensibles groupés en n lignes et m colonnes. Chaque site photosensible constitue un puits de potentiel qui piège les électrons générés par interaction des photons incidents qu'il reçoit. Le dispositif représenté est à transfert de trame vers une zone de mémoire 24 interposée entre la zone image 14 et un registre de sortie 18. Cette zone de mémoire 24 est constituée d'éléments répartis suivant une matrice identique à celle de la zone image, mais non photosensibles. Le transfert du contenu de la zone image 14 dans la zone de mémoire 24 s'effectue à une cadence fixée par une horloge 25 de transfert de lignes.Puis chaque ligne est lue successivement par transfert ligne à ligne au registre de sortie 18, puis transfert séquentiel, pixel par pixel, vers une voie de lecture comprenant un préamplificateur 26, un condensateur de stockage 28 et des moyens de conversion analogique-numérique ayant des moyens d'échantillonnage et un convertisseur analogique-numérique proprement dit 30 qui quantifie les tensions de sortie provenant chacune d'un site photosensible, avec une résolution suffisante pour permettre le traitement ultérieur. La voie de lecture est suivie d'une chaîne de traitement numérique du signal comprenant une mémoire vive 32 de capacité suffisante pour stocker simultanément tous les signaux numériques ; cette mémoire doit être agencée, éventuellement par adjonction d'une mémoire tampon, pour rendre disponibles à la fois, sur des sorties 34, les n signaux correspondant à une même colonne. Le circuit de traitement 36 fournit alors sur une sortie 38, par un processus qui sera décrit plus.loin, les distances r (y) et les intensités r (y) du signal reçu par le site pour les points correspondant à une même tranche d'abscisse x. Il sera surtout fait référence par la suite à un dispositif qu'on peut considérer comme représentatif, dont le détecteur à m=200 colonnes, destiné à former des images correspondant à 200 tranches de balayage, exigeant 200 illuminations impulsionnelles consécutives. Dans la mise en oeuvre de l'invention, la phase classique d'intégration des charges sur les sites photosensibles de la zone image 14 est réduite à la durée du temps de transfert d'une ligne. L'image fournie par la zone de mémoire 24 est alors constituée de colonnes dans lesquelles chaque pixel représente la somme des charges élémentaires accumulées chacune entre deux impulsions de transfert fournies par l'horloge 25. Si la scène avait un éclairement constant dans le temps, tous les pixels d'une même colonne recevraient le même nombre de photons et leur signaux de sortie auraient tous le même niveau. Mais, du fait de l'envoi d'impulsions lumineuses brèves par la source, l'un des sites photosensibles de chaque colonne reçoit un écho intense. La position du site de la zone mémoire 24 qui reçoit le signal réfléchi dépend du temps de propagation de l'onde lumineuse en ce qui concerne la position dans le sens des colonnes ; de la position du point réfléchissant suivant la direction y dans le sens des lignes. La figure 3A montre, sous forme d'une bande, la répartition des sites de la zone mémoire 24 qui ont reçu le signal d'écho, pour une variation r (y) de distance entre le dispositif et la scène du genre montré en figure 3B. Le signal z reçu peut avoir une variation du genre montré en figure 3C, fonction de la distance r et de l'albédo de la zone observée. Si on souhaite, sur tout l'intervalle entre le dispositif 12 et le point le plus éloigné, obtenir une résolution de 1/1000 et si on peut, par des techniques d'interpolation, déterminer r avec une résolution de 1 centième de pixel, il sera nécessaire de prévoir un détecteur comportant au moins n=10 lignes. Dans le cas envisagé plus haut où l'on souhaite obtenir 200 points par tranche de balayage et former une image correspondant à 200 tranches successives, la chaîne de traitement devra lire et traiter 200 fois 200 colonnes de 10 pixels. Pour un renouvellement d'images d'une cadence de 10 Hz, cela correspond à une fréquence de lecture de pixels de. 4 MHz, ce qui est possible avec les technologies disponibles à l'heure actuelle. Il reste à déterminer si les composants existants permettent de donner au dispositif les caractéristiques requises du point de vue de la puissance d'illumination. On désignera dans ce qui suit par - Pe : la puissance totale émise au cours d'une durée brève, inférieure à la durée de transfert d'une ligne, - m le nombre de sites photosensibles dans la direction de y - a : l'albedo de la scène, - r : la distance entre un point de la scène et le dispositif (source et détecteur). On supposera que le détecteur a un rendement r = 2,34 x 10-19 J pour un photon à la longueur d'onde de 850 mm qui sera souvent utilisée, qu'un site photosensible se sature à Esat = 3. 10-13J, que la dynamique du détecteur est supérieure à 2000 et que la surface Sr du détecteur est de 10 cm2. Si la réémission de la scène est de type Lambertien, la puissance d'écho Pr arrivant sur un site du détecteur est Pr = (Pe/n) (1/fil) (Sr/r2 )a. Pour une imagerie en trois dimensions à r = 100 m au maximum avec a = 0,1 et une durée d'illumination de 100 ns, la puissance Pa choisie pourra être telle que Pr.t soit inférieure à 94 W. Il existe des diodes laser permettant de fournir cette puissance à une cadence compatible avec un rafraichissement à 10 Hz. Le traitement du signal est, pour partie, le meme que celui décrit dans le document EP-A-0 254 634 auquel on pourra se reporter. Il ne sera donc que sommairement indiqué, en faisant référence à la Figure 4 correspondant au cas d'un détecteur à n = 10 lignes. Le traitement s'effectue en temps réel, la durée qui s'écoule entre l'acquisition d'une image de représentation d'une tranche et la fin de la détermination des distances r de tous les éléments de la tranche, étant de deux périodes d'exploration d'une tranche : cela correspond, pour la formation d'une image ayant 200 tranches dans le cas d'un dispositif à balayage d'une scène fixe, à un retard égal à 1/100 de la période de répétition d'image. Au cours d'une première étape, le contenu de la zone image 14 est transféré dans la zone mémoire 16, à vitesse élevée et à partir d'un instant initial choisi de façon que l'écho lumineux soit reçu avant la fin du transfert quelle que soit la distance du point observé le long de la direction y, dans la dynamique choisie. Au cours de la période de tranche i, il y a ainsi illumination, acquisition d'image par la zone image 14 et transfert dans la zone mémoire 24. Au fur et à mesure du transfert, il y a lecture ligne par ligne de la zone mémoire 24, par l'intermédiaire du registre 18, puis conversion analogique-numérique et stockage dans la mémoire 32, à n = 10 lignes de chacune 200 pixels. Finalement, la mémoire 32 stocke, par exemple sous forme de mots de huit bits, des tensions proportionnelles à l'éclairement reçu par chacun des sites de la zone image 14. Une seconde étape .intervient à l'issue de l'acquisition, au cours de la période de tranche i+1. La mémoire 32 est alors commutée pour être lue. Dans la pratique, cela imposera en général de prévoir deux mémoires 32 utilisées en alternance. Le circuit de traitement numérique effectue alors le calcul de r et de z. Etant donné que ce calcul s'effectue en série, le temps alloué pour chaque point de la tranche ne peut pas dépasser dix fois la période de décalage de ligne, c'est-à-dire 2,5 rs dans le cas envisagé plus haut. Pour une colonne d'ordre j, la répartition des valeurs mémorisées z(k) (où k varie de à 10) peut être celle montrée en Figure 5. On peut considérer que la valeur du fond est sensiblement constant et on peut la supposer égale à zéro. Il est cependant possible de déterminer d'abord le niveau moyen du fond et d'effectuer un calcul en tenant compte. Une première opération consiste à déterminer, pour chaque colonne j de chaque image i, l'éclairement moyen Z On détermine ensuite un paramète R représentatif de la distance pour chaque pixel, mais en coordonnées liées à la position des pixels dans la zone mémoire. La distance réelle r peut alors être obtenue à partir de - la position R(i,j) en coordonnées liées à la position des pixels, - la fréquence de transfert f de la zone image à la zone mémoire, - la vitesse de la lumière c, - le temps de vol t. Ces paramètres sont liés entre eux. On a en effet t = 2r/c R(i,j) = f.t La distance r peut donc être déterminée par la formule r = (R(i,j).c]/2 f (3) On voit que la résolution de la mesure en distance est fonction de la fréquence f. Elle peut être améliorée en faisant débuter le transfert au bout d'un temps déterminée après illumination, en réduisant évidemment par là la dynamique de mesure. On donnera maintenant quelques exemples de mise en oeuvre du procédé. Dispositif de mesure dans l'intervalle de distance de 10 m à 100 m, avec résolution de 1% sur la. plage de mesure Le dispositif utilisé avait un champ de vision de 100 m à 100 m de distance et formait l'image de tranches de 0,5 m de large à 100 m, de 5 cm de large à 10 m. La puissance émise était de 100 W, avec une fréquence d'illumination de 2 kHz et un rapport cyclique de 0,02% (correspondant à des durées d'impulsion de 100 ns). La zone image comportait 10 x 200 pixels. Avec une fréquence de transfert de 10 MHz, on obtient une résolution en distance de 15 cm à 100 m. Cette même fréquence ne permet plus d'obtenir la résolution requise à 10 m : en général, on utilisera en conséquence une fréquence de transfert d'environ 15 MHz, si on souhaite la conserver por toute la plage de mesure. Dispositif de mesure de distance au-dessous de 10 m Le même dispositif que ci-dessus peut être adapté à une mesure de distance au-dessous de 10 m, en le munissant de moyens de modulation de la source permettant de diminuer la puissance émise et en prévoyant des moyens de modification de la fréquence de transfert, si du moins on souhaite conserver la résolution de 1% sur la distance : à 5 m, une fréquence de 30 MHz est nécessaire. D'autres modifications peuvent être apportées au dispositif pour porter la distance mesurable au-delà de 100 m, pour augmenter la résolution image, etc. Quel que soit le mode de réalisation adopté, le dispositif permet de fournir des images en trois dimensions à fréquence élevée avec des technologies existantes. Il est encore possible de substituer, à un détecteur ayant un réseau matriciel à deux dimensions en zone image et en zone mémoire, un détecteur ayant uniquement une barrette de sites photosensibles. Mais dans ce cas on forme, à chaque séquence, l'image d'un seul point et non pas d'une tranche complète, de sorte qu'un double balayage, dans le sens x et dans le sens y de la Figure 1, devient nécessaire. REVENDICATIONS 1. Procédé d'imagerie optique permettant de former l'image à trois dimensions d'une scène, caractérisé en ce que - on émet, à partir d'une source et de façon répétitive, des impulsions lumineuses brèves en décalant le trajet d'émission d'une impulsion à la suivante, suivant une direction de balayage, - on recueille le flux lumineux réfléchi par la scène sur un détecteur matriciel à lecture par transfert ligne à ligne (ou point à point) vers une zone mémoire ayant un nombre de lignes ou de points égal à celui du vecteur matriciel, - on effectue le transfert à fréquence déterminée pendant le retour de l'écho à une fréquence telle que la durée du transfert soit au moins égale à la durée maximale d'aller-retour (ou à la durée d'aller-retour correspondant à la variation maximale de distance, avec un décalage par rapport à l'émission correspondant au temps minimum d'aller-retour), - on calcule les positions relatives des points de la scène selon la direction d'aller-retour des impulsions par comparaison entre les décalages entre les réceptions d'échos provenant de points différents de la scène, à partir de l'identification du site de la zone mémoire qui a reçu l'écho, - on calcule les positions relatives des points de la scène et on mémorise ou on affiche l'image des points ou lignes successives de la scène à partir de leur emplacement suivant la direction de transfert, la direction transversale à la direction de transfert et la durée d r aller-retour. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le détecteur matriciel comporte des sites photosensibles répartis suivant un réseau à deux dimensions dont l'une est dans le sens du transfert, on envoie les impulsions lumineuses sous forme d'un pinceau plat transversalement audit sens, dont l'écho se forme sur le détecteur sous forme d'une ligne transversale à la direction de transfert. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, le détecteur matriciel comportant des sites photosensibles répartissuivant un réseau linaire suivant la direction de transfert, en ce qu'on envoie les impulsions sous forme d'un pinceau étroit et on effectue une exploration transversale à ladite direction de transfert par déflexion d'un pinceau. 4. Dispositif de mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, comprenant - une source d'émission répétitive d'impulsions lumineuses brèves, - un détecteur à état solide comportant une matrice de capteurs électro-optiques à accumulation de charges ; des moyens de lecture par transfert ligne à ligne (ou point à point) à fréquence déterminée des charges accumulées dans l'ensemble des cap teurs d'abord vers une matrice de mémoire dont la répartition de points mémoires est identique à celle des capteurs, puis de la matrice de mémoire vers un organe de sortie ; caractérisé par des moyens de calcul pour déduire la position relative des points de la scène, dans la direction d'émission de la source, de l'emplacement du point mémoire qui reçoit l'écho.