Brevet FR2672989A1 — publié le 19920821

"Dispositif de détermination de la direction d'une source émissive de faible luminosité et son application à la visée stellaire". Description La présente invention concerne un dispositif de dé- termination en mode de recherche de la direction d'une source émissive de faible luminosité comportant un objectif formant de ladite source émissive une image sur un détecteur photosen- sible constitué par une matrice de détection par transfert de charges comportant un registre de lecture et un étage de sor- tie du registre de lecture. Une application particulièrement avantageuse du dispositif selon l'invention consiste en la détection d'étoi- les de faible luminosité (de grande magnitude) en présence d'un bruit de fond important. Afin d'obtenir les deux informations (en coordon- nées cartésiennes) permettant de déterminer complètement la direction de l'objet lumineux observé, il est connu, notamment du brevet des Etats-Unis d'Amérique N O 4 430 673 d'utiliser un détecteur photosensible constitué par une matrice de détection à transfert de charges Ce détecteur se présente comme une mo- saïque d'éléments d'image (pixels) divisée en deux parties: une première moitié, la zone photosensible est destinée à re- cevoir et à détecter le rayonnement lumineux en provenance de l'objet visé, et la deuxième moitié, recouverte ou non d'un film opaque, sert de mémoire analogique dans laquelle sont stockées, par transfert de charges, les informations reçues par la première moitié de la matrice pendant une durée dite durée d'intégration Les deux moitiés du détecteur matriciel ont, de préférence, des commandes de transfert de charge sépa- rées Un registre de lecture reçoit ensuite, toujours par transfert de charges, ligne par ligne, les informations conte- nues dans la zone mémoire, puis ces informations sont fournies sous forme analogique à un étage de sortie à partir duquel elles peuvent être lues pixel par pixel de façon à pouvoir re- constituer, sous forme numérique, l'image préalablement obte- nue sur la zone photosensible Pour la visée stellaire notam- ment, un premier mode de fonctionnement du dispositif, dit mo- de de recherche, consiste à définir, dans une sous matrice de détection dite fenêtre de recherche contenue dans la matrice décrite plus haut, la position, au pixel près, de l'objet lu- mineux recherché, étant entendu que la fenêtre de recherche a été préalablement définie à partir d'un senseur inertiel, par exemple, installé sur le même appareil que le dispositif de visée de l'objet lumineux Quelle que soit sa magnitude, l'ob- jet lumineux observé, en général une étoile, résulte, sur la matrice de détection en un point lumineux dont le diamètre est inférieur à celui du pixel en supposant une focalisation cor- recte, effectuée par l'objectif En mode de recherche, le pi- xel qui reçoit ainsi tout le signal de la source émissive (l'étoile) recherché permet d'atteindre le but indiqué ci-des- sus en donnant la direction de l'étoile par ses coordonnées avec une précision égale à 0,5 fois le côté d'un pixel Cepen- dant, le mode de recherche est généralement suivi d'un deuxiè- me mode dit mode de mesure qui vise à déterminer avec une pré- cision encore accrue (dans un rapport 10 environ) la direction de l'étoile Pour le mode de mesure, l'image de l'étoile sur la matrice de détection est défocalisée de façon à recouvrir une surface supérieure à celle d'un pixel et le centre énergé- tique de l'image de l'étoile sur la matrice est déterminé par calcul barycentrique des pixels, en particulier des pixels touchés par le rayonnement défocalisé de l'étoile recherchée. Dans ce cas, il n'est pas prévu de modifier la focalisation entre le mode de recherche et le mode de lecture L'invention se place dans le contexte, soit d'une absence de défocalisa- tion, soit d'une telle défocalisation permanente fixe selon laquelle l'image de la source émissive a un diamètre supérieur au côté d'un pixel et de préférence de l'ordre de 2 à 2,5 fois ce côté L'invention est particulièrement avantageuse en pré- sence de défocalisation. Le problème technique précis qui se pose alors dans le contexte précité, est de collecter, dans la fenêtre de re- cherche, avec une précision de l'ordre du côté du pixel et avec le meilleur rapport signal sur bruit possible, le maximum de signal possible de l'étoile recherchée. Ce problème technique est résolu et les inconvé- nients de l'art antérieur sont atténués grâce au fait que le dispositif de recherche défini en préambule est remarquable en ce que, selon un premier mode de réalisation préféré, il com- porte en outre des moyens de lecture pour lire une sous matri- ce de détection contenant ladite image, par groupes de 4 ou 9 pixels disposés en carré, ladite lecture étant effectuée par transferts successifs dans le registre de lecture des lignes groupées 2 à 2, ou 3 à 3, puis dans l'étage de sortie par transferts successifs des éléments du registre de lecture groupés 2 à 2, ou 3 à 3, en décalant deux transferts succes- sifs depuis le registre de lecture d'un élément de ce registre de façon à obtenir des signaux de lecture de 4 ou 9-pixels groupés de la sous matrice disposés en quinconce et à détermi- ner ainsi la zone carrée de 4 ou 9 pixels la plus brillante de la sous matrice correspondant à ladite image sur la sous ma- trice. Pour une étoile statique, le signal lié au pixel de niveau le plus élevé dans la tache image peut, dans le cas le moins favorable ne représenter que 20 % du signal d'étoile, la tache image s'étendant à parts égales sur 4 pixels Pour amé- liorer la probabilité de détection en supprimant l'inconvé- nient indiqué à la phrase précédente, on effectue la recher- che, selon ce premier mode de réalisation, en cumulant les charges par groupes de pixels en carré répartis en quinconce de sorte que quelle que soit la position de la tache image dans la matrice, un des groupes cumule au moins le tiers du signal étoile dans le cas o le diamètre de cette dernière est double du côté du pixel Ce premier mode de réalisation est efficace dans la mesure o le cumul des charges est effectué directement au niveau de la matrice On évite ainsi de cumu- ler, en même temps que le signal intégré, le bruit de lecture lié à chaque pixel à savoir le bruit propre du détecteur, le bruit ramené par la chaîne de traitement analogique et le bruit de quantification. Selon un deuxième mode de réalisation préféré de l'invention, le dispositif de recherche défini en préambule est remarquable en ce qu'il comporte en outre des moyens de mémorisation du signal de lecture en provenance d'une sous ma- trice de détection, contenant ladite image, pixel par pixel, et des moyens de lecture et de calcul d'information constitués par un microprocesseur pour: extraire desdits moyens de mémorisation l'information de l'ensemble formé par tous les groupes distincts de 4 respec- tivement 9 pixels disposés en carré, groupe par groupe, sommer l'information contenue dans les emplacements mémoire de chaque groupe, déterminer la zone carrée de 4 respectivement 9 pixels la plus brillante de la sous matrice correspondant à ladite image sur la sous matrice. Cette deuxième solution, qu'on peut qualifier d'in- formatique, du problème technique posé, n'est pas optimale en ce qui concerne le rapport signal sur bruit; d'autre part, elle est plus consommatrice d'emplacements mémoire, ce qui est coûteux pour les applications spatiales o il faut utiliser la technologie bipolaire, grosse consommatrice d'énergie Par contre elle permet d'obtenir le maximum de signal possible de l'étoile recherchée, soit au moins les deux tiers de ce si- gnal, dans les mêmes hypothèses que ci-dessus pour le premier mode de réalisation. Pour les deux modes de réalisation, la légère perte en précision due au groupement des pixels ( 4 ou 9 au lieu d'1) est compensée par le gain en niveau obtenu pour l'étoile recherchée, ce qui est le plus important dans la phase de re- cherche. Un autre avantage, propre au premier mode de réali- sation, est de permettre une lecture plus rapide de la matrice de détection, par lecture groupée des lignes par deux ou par trois dans le registre de lecture ce qui raccourcit d'autant la durée de la phase de recherche. On notera que l'idée de base de l'invention consis- te à avoir le moins de fluctuation possible du signal d'étoile en fonction de sa position dans la trame que constituent les pixels de la matrice de détection. La description qui suit 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 est un schéma en perspective d'un dis- positif de recherche selon l'invention. Les figures 2 a et 2 b montrent la répartition éner- gétique de la tache image de la source émissive sur la matrice de détection. La figure 3 représente la matrice de détection d'un premier mode de réalisation de l'invention. La figure 4 est un schéma synoptique d'un deuxième mode de réalisation de l'invention. Sur la figure 1 est représenté schématiquement un viseur d'étoiles et, plus généralement un détecteur de posi- tion d'une source émissive de faible luminosité, référencé 1. Ce viseur ou détecteur de position comporte un objectif 2 qui forme de l'objet lumineux (de l'étoile) E, qui peut être con- sidéré comme ponctuel-et donc confondu avec son centre 0, une image E' de centre O' sur un détecteur photosensible 10 Le détecteur 10 est une matrice à transfert de charges placée par exemple près du foyer F de l'objectif 2, c'est-à-dire dont la position par rapport à l'objectif est ajustée, moyennant une légère défocalisation permanente de telle manière que la tache image E' de l'objet lumineux recouvre plusieurs détecteurs élémentaires (éléments d'image ou pixels) On notera que, quelle que soit la magnitude de l'objet lumineux visé le dia- mètre de ce dernier, légèrement défocalisé, est sensiblement constant sur la matrice et par exemple égal à deux fois le cô- té r d'un pixel, les pixels étant supposés carrés, la quantité de photons reçus étant quant à elle fonction de la magnitude de l'objet lumineux visé Le centre énergétique O' de l'image E' est repéré par ses coordonnées xo et yo dans un système d'axes Fx, Fy lié à la matrice 10 La détermination de xo et yo permet de calculer les angles a et p 3 définissant la direc- tion O '0 recherchée par rapport à l'axe optique z'z du vi- seur 1. Aux figures 2 a et 2 b on a représenté une sous ma- trice 101, respectivement 102, de la matrice 10 sur laquelle apparaît la tache image E'1, respectivement E'2 de diamètre d(d = 2 r) La sous matrice 101 ou 102 symbolise la fenêtre de recherche qui en pratique comporte un nombre de pixels nette- ment supérieur à 25 Sur la figure 2 a, 9 pixels sont touchés par la tache image, le pixel central Pl recevant à lui seul 35,1 % du rayonnement issu de l'objet lumineux E Sur la figu- re 2 b, 4 pixels seulement sont atteints à parts égales, chacun de ces 4 pixels, par exemple le pixel P 2 ne recevant que ,4 % du rayonnement issu de E L'étoile étant a priori la source la plus brillante dans la fenêtre de recherche, la dé- tection est généralement effectuée, de façon connue, par re- cherche du pixel de niveau maximum Toutefois, lors de la vi- sée d'étoiles de magnitude élevée ou en présence d'un fond im- portant, la probabilité de détection, c'est-à-dire la probabi- lité que le pixel de niveau maximal appartienne effectivement à l'image de l'étoile, devient très dépendante de la position de la tache image dans la matrice En effet, dans le cas le plus défavorable de la figure 2 b, pour une étoile statique, le signal lié au pixel de niveau le plus élevé dans la tache ima- ge ne représente que le cinquième du signal d'étoile. Pour améliorer la probabilité de détection en sup- primant l'inconvénient ci-dessus on effectue la recherche, se- lon l'invention, en cumulant les charges par groupes de 4 ou 9 pixels disposés en carré d'une façon particulière. Selon un premier mode de réalisation explicité par la figure 3, les groupes carrés de pixels sont répartis en quinconce La figure 3 représente symboliquement une matrice à transfert de charges 10 dont les bords ne sont pas représentés au dessin Ce dispositif, par exemple celui commercialisé par la Société Thomson-CSF sous la référence TH 7863 se présente comme une mosaïque d'éléments d'image divisée en deux par- ties: une première moitié 105, la zone photosensible, est destinée à recevoir et à détecter le rayonnement lumineux ve- nant de l'objet visé et la deuxième moitié 106, recouverte d'un film opaque, sert de mémoire dans laquelle sont stockées, par transfert de charges ligne à ligne les informations reçues par la première moitié de la matrice Le transfert de charges précité s'effectue de façon connue par action sur les phases de commande PH-I de la zone photosensible vers la zone mémoi- re, comme indiqué par la flèche 4 Le signal d'étoile est donc intégré dans la zone photosensible et forme la tache image E'4, après quoi l'image est transférée, dans le sens de la flèche 4 vers la zone mémoire comme représenté en E'5 La ma- trice 10 comporte aussi un registre de lecture 107 et un étage de sortie 108 du registre de lecture La zone utile, c'est-à- dire typiquement la fenêtre de recherche qui constitue une sous matrice de détection, soit un sous ensemble préalablement connu de la partie 105 puis 106, est transférée deux lignes par deux lignes dans le registre de lecture 107, par action sur les phases de commande PH-M de la partie mémoire 106 dans le sens de la flèche 5 Les charges des pixels des lignes i et i+ 1 sont ainsi cumulées Il est opéré de la même façon ( 2 élé- ments par 2 éléments) pour le transfert des charges du regis- tre de lecture vers l'étage de sortie par action adéquate sur les phases de commande PH-L dans le sens de la flèche 6; j et j+ 1 étant les rangs des colonnes concernés par la tache image, les charges des pixels (i, i), (i, j+ 1), (i+ 1, j) et (i+ 1, j+ 1) de la partie mémoire 106 sont cumulées en 108 en sortie de la matrice 10 De plus, à la fin de chaque transfert du re- gistre de lecture, la sommation est décalée d'1 pixel de façon à obtenir un cumul sur des groupes carrés de pixels disposés en quinconce, comme représenté en caractères gras sur la moi- tié de matrice 106 de la figure 3 La séquence des phases PH-Ir PH-M et PH-L décrite ci-dessus, de préférence programmée sur microprocesseur, est à la portée de l'homme du métier On peut démontrer qu'ainsi, quelle que soit la position de la ta- che image dans la matrice 10, un des groupes carrés cumule au moins le tiers du signal d'étoile On notera que, toutes cho- ses égales par ailleurs on peut, au lieu de groupes carrés de 4 pixels, constituer des groupes carrés de 9 pixels D'autre part, il est aussi possible d'utiliser une matrice qui ne com- porte pas de zone mémoire, et qui est donc constituée par les seules parties 105, 107 et 108 La phase de recherche ayant consisté à déterminer au pixel près la position du centre O' de la tache image, le champ de mesure, contenu dans la fenêtre de recherche, est alors centré sur les 4 (respectivement 9) pixels dont le niveau global est le plus élevé La ou les pha- ses de mesure qui suivent une phase de recherche et qui sor- tent du cadre de la présente invention permettent ensuite d'obtenir une précision de l'ordre de 0,1 pixel pour les coor- données xo et yo du point 0 '. Le principal avantage du mode de réalisation de la figure 3 est l'immunité au bruit; en effet, on évite ainsi de cumuler, en même temps que le signal intégré, le bruit de lec- ture lié à chaque pixel à savoir le bruit propre du détecteur, le bruit ramené par la chaîne de traitement analogique (clas- sique, non représentée, en sortie de l'étage 108) et le bruit de quantification lors de la transformation subséquente du si- gnal analogique en signal numérique Un autre avantage est que l'accumulation par deux (respectivement par trois) des lignes dans le registre de lecture 107 permet de diviser par deux (respectivement par trois) le temps de lecture de la matrice 10. Un deuxième mode de réalisation de l'invention est représenté à la figure 4 Sur la figure 4, on a représenté un détecteur de position (viseur d'étoiles) 1 muni d'une matrice de détection 110 La lecture des pixels de la matrice 110 (avec ou sans zone mémoire) est effectuée de façon classique connue, c'est-à-dire pixel par pixel dans l'étage de sortie (voir 108 figure 3) Le signal analogique est fourni par un conducteur de sortie 11 à un convertisseur analogique-numéri- que 12 relié à un microprocesseur MP, 13 Le microprocesseur 13 commande, au moyen d'un bus de commande 14 l'ensemble ( 1, ), les phases de commande PH-I, PH-M et PH-L, notamment; il est d'autre part relié à une mémoire RAM 15 par un bus de données bidirectionnel 16 et par un bus d'adresses 17 Lors d'une lecture en phase de recherche de la matrice 110, l'in- formation d'image est reconstituée sous forme numérique dans la mémoire 15 positionnée en écriture Ensuite la mémoire RAM est lue en sommant par groupes disposés en carré tous les nom- bres représentatifs de 4 ou 9 pixels Ces sommes sont ensuite comparées entre elles de façon à ne retenir que la somme la plus élevée, le point O ' recherché étant le centre du groupe de pixels correspondant à cette somme maximale Par exemple, en reprenant la configuration de E'5 représentée sur la figure 3, le groupe carré à signal maximal retenu ne serait pas celui indiqué en 108 mais le groupe: (i, j-1) + (i+ 1, j-1) + (i, i) + (i+ 1, j) qui collecte un signal total de valeur plus grande qu'en 108. Comme dans le cas de la figure 3, la recherche est limitée à une sous matrice de détection dont le nombre de pixels est du même ordre que le nombre d'emplacements de la RAM 15 Ce deu- xième mode de réalisation permet d'obtenir de façon systémati- que le groupe carré de pixels ayant reçu le maximum d'éclaire- ment, ce qui n'est pas toujours le cas pour le premier mode de réalisation de la figure 3 Par contre, ce deuxième mode de réalisation n'est pas optimal en ce qui concerne le rapport signal sur bruit Un autre avantage du premier mode de réali- sation sur le deuxième, déjà évoqué ci-dessus est, dans les applications spatiales, de pouvoir effectuer la recherche en temps réel en économisant de la place mémoire Par contre, le deuxième mode de réalisation permet de mieux discerner l'une de l'autre des étoiles de luminosité voisine, ce qui le rend particulièrement applicable aux viseurs d'étoiles. La présente invention s'applique d'une façon géné- rale à la détection de la direction d'une source émissive dont une image a été formée sur la zone sensible d'un détecteur à transfert de charges, notamment au traquage d'un point chaud dans le domaine infrarouge et à la détection récurrente de la position d'étoiles (ou de planètes) de magnitude élevée et à forte vitese de défilement apparent en présence d'un niveau de fond important, auquel cas l'étalement de la tache image lié au temps d'intégration rend en effet le niveau de signal utile très proche du bruit de fond Le viseur selon l'invention peut être utilisé aussi bien à terre, en association avec un téles- cope par exemple pour déterminer o pointe ce dernier sur la voûte céleste, qu'à bord d'un satellite artificiel pour déter- miner son orientation en appui de la centrale inertielle. Le détecteur à transfert de charges décrit ci-des- sus est, de façon classique sensible aux photons dont la lon- gueur d'onde se situe dans le spectre d'absorption du Sili- cium, soit 0,4 à 1,1 p Cependant, des dépôts ad hoc effectués sur la matrice de détection permettent de rendre cette derniè- re sensible aux rayons ultraviolets (bande des 0,25 p à 0,4 p) Il est aussi possible de réaliser des détecteurs à transfert de charges sensibles au rayonnement infrarouge, aux électrons ou aux rayons X. Revendications 1 Dispositif de détermination en mode de recherche de la direction d'une source émissive de faible luminosité com- portant un objectif formant de ladite source émissive une ima- ge sur un détecteur photosensible constitué par une matrice de détection par transfert de charges comportant un registre de lecture et un étage de sortie du registre de lecture, caracté- risé en ce qu'il comporte en outre des moyens de lecture pour lire une sous matrice de détection contenant ladite image, par groupes de 4 ou 9 pixels disposés en carré, ladite lecture étant effectuée par transferts successifs dans le registre de lecture des lignes groupées 2 à 2, ou 3 à 3, puis dans l'étage de sortie par transferts successifs des éléments du registre de lecture groupés 2 à 2, ou 3 à 3, en décalant deux trans- ferts successifs depuis le registre de lecture d'un élément de ce registre de façon à obtenir des signaux de lecture de 4 ou 9 pixels groupés de la sous matrice disposés en quinconce et à déterminer ainsi la zone carrée de 4 ou 9 pixels la plus bril- lante de la sous matrice correspondant à ladite image sur la sous matrice. 2 Dispositif de détermination en mode de recherche de la direction d'une source émissive de faible luminosité com- portant un objectif formant de ladite source émissive une ima- ge sur un détecteur photosensible constitué par une matrice de détection par transfert de charges, caractérisé en ce qu'il comporte en outre des moyens de mémorisation du signal de lec- ture en provenance d'une sous matrice de détection, contenant ladite image, pixel par pixel, et des moyens de lecture et de calcul d'information constitués par un microprocesseur pour extraire desdits moyens de mémorisation l'information de l'ensemble formé par tous les groupes distincts de 4 respec- tivement 9 pixels disposés en carré, groupe par groupe, sommer l'information contenue dans les emplacements mémoire de chaque groupe, déterminer la zone carrée de 4 respectivement 9 pixels la plus brillante de la sous matrice correspondant à ladite image sur la sous matrice. 3 Application du dispositif selon la revendication 1 ou 2 à la visée stellaire pour la détection de la position d'étoiles de faible luminosité en présence d'un bruit de fond important. 4 Application du dispositif selon la revendication 2 à la visée stellaire pour la discrimination d'étoiles de luminosités voisines dans ladite sous matrice de détection.