Brevet FR2677207A1 — publié le 19921204

DISPOSITIF DE PRISE DE VUES OPTO-ELECTRONIQUE A DEFILEMENT L'invention concerne les dispositifs de prise de vues à défilement et à haute résolution spatiale Elle trouve une application particulièrement importante, bien que non exclusive, dans le domaine de l'observation des ressources terrestres à partir d'un satellite placé sur une orbite basse à défilement, à l'aide d'un dispositif à fonc- tionnement dit en râteau ou "push-broom". On connait déjà des dispositifs de prise de vues à défilement du type comprenant une optique formant simulta- nément l'image des points de toute une ligne orthogonale à la direction du défilement, une barrette de capteurs placée dans le plan focal de l'optique et des moyens pour transfé- rer les données de tous les capteurs de la barrette simul- tanément, à une fréquence déterminée par le pas d'échantil- lonnage choisi dans le sens du défilement et la vitesse du défilement, en vue de leur lecture. On utilise notamment des dispositifs de prise de vues du genre ci-dessus dont la barrette est constituée de capteurs dits à couplage de charge ou CCD Pour augmenter le rapport signal à bruit, la barrette est souvent consti- tuée non pas d'une seule rangée ou ligne de capteurs, mais d'une matrice o les capteurs sont disposés en rangées ou lignes et en colonnes dont le nombre correspond respective- ment au niveau de sommation souhaité et au nombre d'élé- ments de la scène. La figure 1 montre schématiquement le fonctionne- ment d'un tel dispositif, dit à intégration et report de charges L'optique à grand champ 10 forme l'image d'une bande de terrain 12 sur une des lignes 14 de capteurs d'un réseau matriciel 16 Le déplacement du satellite dans la direction f O fait que l'image du champ 12 passe successive- ment d'une ligne à la suivante, dans la direction indiquée par la flèche fl Une électronique associée au dispositif permet de transférer les charges accumulées par les cap- teurs d'une ligne à la suivante à la cadence correspondant au pas d'échantillonnage d dans le sens fo du défilement, le pas étant lui-même lié à la distance entre lignes de la barrette 16, et au grossissement de l'optique. On voit qu'une même ligne de la scène est analysée successivement par chacune des M lignes de capteurs de la barrette 16 Le décalage des charges suivant la flèche fi en synchronisme avec la vitesse de défilement de l'image dans le plan focal de l'optique résulte en un accroissement du signal finalement disponible. Classiquement, les charges accumulées sont finale- ment transférées de la dernière ligne de la barrette dans un registre à décalage et ce dernier est lu en série pen- dant l'intervalle de temps qui sépare deux transferts Dans le cas d'une utilisation sur satellite, les données analo- giques de sortie sont numérisées en temps réel, dans un convertisseur puis mémorisées ou transmises. Le débit de données en sortie du registre est très élevé lorsqu'on recherche une très haute résolution spatia- le Le débit de pixels en sortie du registre est égal à C.V/d 2 o C est la largeur du champ transversal, V est la vitesse de défilement au sol et d est le pas d'échantillonnage (supposé égal dans le sens du défilement et dans le sens transversal). Le débit binaire de transmission vers le sol est le produit du débit de pixels par le nombre de bits par pixel. Beaucoup d'applications de télédétection par satel- lite, ainsi qu'un certain nombre d'autres applications, ne nécessitent pas une couverture globale ininterrompue Des prises de vues localisées sont suffisantes. La première idée qui vient à l'esprit, lorsqu'il suffit de transmettre des images réparties à intervalles réguliers, est de placer une mémoire numérique vive en aval du convertisseur analogique-numérique et d'utiliser la to- talité du temps disponible entre deux prises de vues pour la transmission Mais la cadence des échantillons analogi- ques reste très élevée et nécessite de nombreuses chaînes de traitement à conversion analogique-numérique présentant une large bande passante, donc des circuits complexes et à forte dissipation de puissance. La présente invention vise à fournir un dispositif de prise de vues du type ci-dessus défini, permettant de réduire notablement la complexité des systèmes placés en aval de la partie opto-électronique et applicable à la pri- se de vues localisées. L'invention propose dans ce but un dispositif dont le détecteur comporte, en plus de la barrette à M lignes de N capteurs (M étant au moins égal à 1) une zone mémoire de P lignes de N sites (P étant supérieur à M d'au moins un ordre de grandeur et généralement d'au moins deux ordres de grandeur) et des moyens pour, en alternance, transférer les charges des capteurs de ladite barrette à la zone mémoire jusqu'à remplissage au moins partiel de cette dernière et transférer chaque ligne à son tour de la zone mémoire vers le registre à décalage de lecture, à une cadence très infé- rieure à la cadence de transfert de la barrette vers la zone mémoire. Grâce à cette disposition, la cadence de lecture du registre à décalage de sortie peut être très réduite par rapport à la cadence qui est nécessaire dans un dispositif de couverture ininterrompue. Ce principe de fonctionnement spécifique peut être appliqué à une matrice à transfert de trame dont la zone mémoire serait grande devant la zone image. L'invention vise également à augmenter le format des images fournies par un dispositif de prise de vues à défilement du type ci-dessus défini, au moins dans la di- rection du défilement du satellite, à résolution donnée. La solution qui vient immédiatement à l'esprit pour étendre le format des images consiste à accroître la taille du détecteur Mais des raisons technologiques S'y opposent. D'une part la dimension des tranches de semi-conducteur est limitée, ce qui limite à son tour la dimension du détecteur que l'on peut former sur la tranche D'autre part la probabilité que le détecteur présente un défaut conduisant à l'écarter augmente de façon rédhibitoire avec la di- mens ion. On peut également envisager de disposer deux détec- teurs bout à bout dans le plan focal Dans la pratique, cette solution n'est pas acceptable, pour plusieurs rai- sons Elle encombre le plan focal, ce qui est inacceptable pour certaines applications, notamment spatiale o la masse, l'autonomie et l'encombrement sont des considéra- tions essentielles De plus, il n'est pas possible d'acco- ler parfaitement deux détecteurs, la présence du registre de décalage de lecture et des électrodes de commande de la barrette constituant la zone image donnant naissance à une zone morte Enfin, les optiques utilisées pour la prise de vue à défilement n'ont en général un champ étendu que selon la direction perpendiculaire au défilement, de sorte qu'il est essentiel que la barrette reste la plus proche possible d'une ligne transversale passant par l'axe optique. L'invention utilise une approche du problème diffé- rente de celles antérieurement connues, reposant sur la sé- paration temporelle de l'image en deux sous-images pouvant avoir chacune le format d'une image habituelle, et cela en utilisant un diviseur d'image. L'invention propose également la mise en oeuvre alternée de moyens optiques pour partager le flux lumineux reçu de l'optique en deux fractions correspondant à deux demi-vues successives dans le sens du défilement et pour diriger chaque fraction vers l 'une de deux barrettes de capteurs et comportant des moyens de transfert de charges affectés chacun à une barrette et fonctionnant de façon alternée. De façon plus précise, l'invention propose un dis- positif du type ci-dessus défini comportant des moyens op- tiques, mécaniques et/ou électriques pour reconstituer une image complète à partir de la saisie alternée de deux frac- tions d'image ou sous-images dans le sens du défilement. Pour ce faire, le flux provenant de la scène observée est partagé, chaque fraction étant dirigée vers l'une des deux barrettes de capteurs; les moyens de transfert de données affectés chacun à une barrette fonctionnent de façon alternée. L'opération de rabouttage peut être effectuée en utilisant un partage des flux par des moyens optiques tra- vaillant soit en transmission soit en réflexion Le choix entre les deux variantes sera fait en fonction des condi- tions particulières rencontrées En particulier il sera préférable de travailler en réflexion lorsqu'il est essen- tiel d'éviter tout affaiblissement de flux lumineux. L'invention présente un intérêt particulier dans le cas d'un dispositif de prise de vues dans des champs non jointifs du genre mentionné plus haut. 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, déjà mentionnée, est un schéma de principe destiné à rappeler le principe de la prise de vues à défilement du type en râteau; la figure 2 est un schéma de principe destiné à montrer une répartition possible des champs dans le sens de défilement, en cas de mise en oeuvre d'un aspect de l'invention; la figure 3 est un chronogramme montrant l 'éche- lonnement de la prise d'images et de la transmission dans le cas d'une mise en oeuvre schématisée en figure 2; la figure 4 est un synoptique de principe d'un dispositif selon un mode particulier de réalisation de l'invention; les figures 4 A et 4 B sont des schémas montrant la séquence de fonctionnement du dispositif de la figure 4; la figure 5 est un chronogramme de fonctionnement du détecteur de la figure 4; les figures 6 A et 6 B montrent la constitution de principe d'un dispositif de prise de vues selon un autre mode de réalisation mettant en oeuvre des détecteurs du ty- pe de celui de la figure 4 fonctionnant en rabouttage tem- porel de sous-images; la figure 7 est un chronogramme montrant l'éche- lonnement des signaux dans un dispositif correspondant au schéma de la figure 6; les figures 8 et 9, respectivement similaires aux figures 6 et 7, correspondent à un autre mode de réalisa- tion de l'invention; la figure 10 est un schéma de principe d'une autre variante encore de réalisation, montrant comment quatre sous-images peuvent être assemblées transversalement et longitudinalement par des moyens optiques. L'invention sera décrite dans son application à la prise de vues terrestres à défilement, à partir d'un satel- lite en orbite basse, à l'aide d'un détecteur à intégration et report de charges, c'est-à-dire fonctionnant comme indi- qué sur la figure 1 Elle serait cependant applicable à d'autres types de prise de vues, et notamment à des prises de vues dans lesquelles le défilement est obtenu à l'aide d'un miroir de balayage. Comme cela a déjà été indiqué, il suffit souvent de disposer d'images de N x P pixels non jointives, séparées d'un nombre minimum de formats d'image, par exemple d'au moins neuf formats d'image, comme indiqué sur la figure 2. L'invention permet dans ce cas de réduire dans le rapport 9/1 la cadence de transmission nécessaire à partir du détecteur La ligne inférieure de la figure 3 montre la durée 9 T disponible pour transmettre les pixels d'une image acquise pendant la durée T (ligne supérieure). Le dispositif peut avoir la constitution montrée en figure 4 Le détecteur comporte, de façon classique, une barrette 16 constituant zone image, à M lignes de N cap- teurs Le nombre de lignes ne dépasse pas 64 en général On supposera dans ce qui suit que le détecteur comporte M = 4 lignes. Le détecteur comporte également une zone mémoire 18 à P lignes de N sites, de même constitution que les cap- teurs, mais "aveugle" c'est-à-dire à l'abri de la lumière. Le nombre de lignes P est choisi en fonction de la taille de l'image à obtenir, dans le sens du défilement. Enfin le détecteur comporte une zone de lecture, constituée par un registre à décalage 20 dont la sortie est reliée à une voie de lecture Cette voie comprend un préam- plificateur 26, des moyens 28 d'échantillonnage et un con- vertisseur analogique-numérique 30 qui quantifie les ten- sions de sortie provenant chacune d'un site photosensible, avec une résolution suffisante pour permettre le traitement ultérieur Les mots de sortie, représentant chacun un pixel d'image, sont inscrits dans une mémoire vive 32 pouvant être commandée en écriture par une entrée 34 et en lecture par une entrée 36 La mémoire 32 peut être suivie d'un cir- cuit de traitement 38 ou reliée directement à un modulateur d'émission Etant donné que la zone mémoire joue elle-même un rôle de tampon, la mémoire 32 peut être réduite à quel- ques lignes seulement, pour permettre le fonctionnement correct des circuits de traitement. Le dispositif comporte également des moyens de ca- dencement qui seront décrits plus loin et le font fonction- ner par cycles de deux phases successives: Au cours d'une phase de détection et de stockage (figure 4 A), les charges générées par illumination sont in- tégrées et sommées de façon cohérente le long de chacune des N colonnes de la barrette et transférées vers la zone mémoire 18 en synchronisme avec le défilement de la scène. Si la zone image ne comporte qu'une ligne de capteurs, il n'y a pas de sommation. Pendant cette phase, les zones image 16 et mémoire 18 sont commandées de façon synchrone Les charges créées dans la zone image sont transférées dans la zone mémoire au fur et à mesure de leur accumulation Le registre de lec- ture 20 n'est pas utilisé La phase de détection et de stockage cesse lorsque la zone mémoire a reçu le contenu des pixels correspondant à ses P lignes, ou éventuellement à un nombre inférieur lorsque l'image à acquérir a une longueur inférieure au maximum possible. Au cours d'une phase de lecture (figure 4 B), l'intégration et le transfert des charges vers la zone mé- moire sont interrompus Seuls la zone mémoire et le regis- tre de lecture sont mis en oeuvre Les charges contenues dans les sites de la zone mémoire sont transférées, ligne par ligne, vers le registre de lecture 20 à partir duquel elles sont lues en série L'opération de lecture peut être répartie sur toute la durée 9 T, T étant la durée de la pha- se de détection. Pour réaliser ces phases de fonctionnement, chaque zone 16, 18 et 20 comporte son propre séquenceur 40, 42 ou 44 L'horloge fournie par le séquenceur 42 dépend de la phase de fonctionnement Les fréquences d'horloge sont com- mandées, ainsi que la répartition des phases opératoires, par une électronique de commande 46. Le dispositif est complété par des circuits de po- larisation, fournissant les tensions nécessaires aux trois zones, indiquées par V. La figure 5 montre à titre d'exemple, un chrono- gramme représentatif du séquencement Les signaux sont identifiés sur chaque ligne de la figure 5 par des lettres indiquées sur la figure 4 aux emplacements o ils apparais- sent Pour simplifier la représentation, on a décrit un système fonctionnant en biphase; mais le principe s'applique évidemment quel que soit le nombre de phases On a désigné par: +Il et *I 2 les signaux d'horloge biphase de fonc- tionnement de la zone d'images, les signaux d'horloge étant au niveau O en dehors des périodes de prise d'images de durée T; +M 1 et *M 2 les signaux appliqués à la zone mémoi- re, à deux fréquences différentes pendant la phase de dé- tection et pendant la phase de lecture; #p la phase de transfert-ligne de la zone mémoire vers le registre de lecture; +L 1, +L 2 et +R les signaux de transfert-série et de remise à zéro appliqués au registre à décalage, encore avec un fonctionnement biphase. La rétention des charges dans la zone mémoire 18 peut atteindre plusieurs secondes dans certains cas Pour éviter que les charges d'origine thermique dans les sites, lorsqu'il s'agit d'une matrice à couplage de charges, ne dégradent la performance, la matrice peut être refroidie, à une température de -200 C. Que le dispositif soit prévu pour fournir des ima- ges non jointives, avec une zone mémoire constituant tam- pon, ou qu'il fonctionne de façon classique, la taille des images élémentaires est limitée par celle des tranches Le dispositif montré en figure 6 de façon schématique permet, par partage du flux lumineux reçu de l'optique en deux fractions correspondant à deux demi-vues successives dans le sens du défilement, d'augmenter la taille des images élémentaires. Le diviseur d'image 48, dont les figures 6 A et 6 B montrent schématiquement les deux phases de fonctionnement en alternance, travaille en transmission Il peut être constitué par deux prismes de verre 50 et 52, présentant35 chacun une section en forme de triangle rectangle isocèle, collés par leurs faces hypoténuses, l'une étant recouverte d'un dépôt semi-réfléchissant 54 Sur chacune des deux faces de sortie du diviseur 48 est fixé un détecteur 56 I ou 56 II Les zones images 16, et 16 II des détecteurs sont centrées sur l'axe optique et conjuguées optiquement de façon à voir la même scène au même moment Aux détecteurs 561 et 56,, sont associés des séquenceurs du genre montré en figure 4, mais fonctionnant avec un décalage temporel, comme le montre la figure 7. Au cours des périodes I (figure 6 A), les zones ima- ge et mémoire du détecteur 561 détectent et stockent la sous-image I Pendant cette période de fonctionnement, le détecteur 56 îî est inactif ou en cours de lecture d'une sous-image précédente. Au cours des périodes II (figure 6 B), les zones image et mémoire du détecteur 5611 effectuent la détection et le stockage de la sous-image II: pendant cette période, le détecteur 56, retient ou transmet les données de la sous-image I. Après la fin de la période II, les données rela- tives à la sous-image II peuvent être lues à leur tour. Cette lecture se termine avant la fin de la période I suivante. Le mode de réalisation qui vient d'être décrit est de mise en oeuvre très simple Mais dans certains cas, la division du flux lumineux n'est pas acceptable du fait que l'illumination est faible Dans ce cas il est possible d'utiliser le mode de réalisation montré en figure 8, uti- lisant un diviseur fonctionnant en réflexion Sur la figure 8, les éléments correspondant à ceux de la figure 6 sont désignés par les mêmes numéros de référence Un diviseur 58 à deux miroirs orthogonaux sépare le champ en deux demi- images qui sont reçues par les zones images 161 et 1611 de deux détecteurs 561 et 56 II Du fait de la séparation spa- tiale liée au principe de division par miroirs, le séquen- cement est prévu pour éliminer toute zone morte au milieu de l'image Le chronogramme de fonctionnement est alors il celui donné en figure 9. Dans ce cas, les deux détecteurs 561 et 56 II sont montés tête-bêche. Il est possible, en combinant les réalisations mon- trées en figures 6 et 8, de constituer une image de format doublé en largeur et en longueur par rabouttages latéral et longitudinal Dans le cas montré en figure 10, ce résultat est atteint en utilisant un séparateur 58 fonctionnant en réflexion pour effectuer un rabouttage le long du défile- 1 O ment fo et de deux séparateurs en transmission 48 permet- tant de raboutter deux demi-images dans la direction norma- le au sens de défilement fo, à l'aide de quatre détecteurs 56. REVENDICATIONS 1 Dispositif de prise de vues à défilement comprenant une optique ( 10) formant simultanément 1 'image des points de toute une ligne orthogonale à la direction du défilement sur un détecteur ayant une barrette ( 16) de capteurs opto-électroniques placée dans le plan focal de l'optique et des moyens pour transférer les données de tous les capteurs de la barrette simultanément, à une fréquence déterminée par le pas d'échantillonnage choisi dans le sens du défilement et par la vitesse du défilement, caractérisé en ce que le détecteur comporte, en plus de la barrette ( 16) à M lignes de N capteurs (M étant un entier au moins égal à 1) une zone mémoire de P lignes de N sites (P étant supérieur à M d'au moins un ordre de grandeur et généralement d'au moins deux ordres de grandeur) et des moyens de cadencement pour, en alternance, transférer les charges de ladite barrette ( 16) à la zone mémoire ( 18) jusqu'à remplissage au moins partiel de cette dernière et transférer chaque ligne à son tour de la zone mémoire ( 18) vers un registre à décalage de lecture ( 20), à une cadence très inférieure à la cadence de transfert de la barrette ( 16) vers la zone mémoire ( 18). 2 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de cadencement sont prévus pour trans- férer les charges de ladite barrette ( 16) à la zone mémoire ( 18) uniquement pendant des intervalles de temps séparés les uns des autres de la durée nécessaire aux transferts de la zone mémoire vers le registre à décalage. 3 Dispositif selon la revendication 1 ou 2, carac- térisé en ce que, la barrette ayant un nombre M de lignes supérieur à 1, la cadence de transfert d'une ligne à l'autre de la barrette et de la barrette à la zone mémoire est choisie pour correspondre à la vitesse de défilement de la scène sur les lignes successives. 4 Dispositif selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé par la mise en oeuvre alternée de moyens opti- ques ( 48,58) pour partager le flux lumineux reçu de l'opti- que en deux fractions correspondant à deux demi-vues suc- cessives dans le sens du défilement et pour diriger chaque fraction vers l'une de deux barrettes de capteurs ( 56,,56,I) et comportant des moyens de transfert de charges affectés chacun à une barrette et fonctionnant de façon alternée. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que lesdits moyens optiques ( 48) travaillent en transmission pour envoyer la moitié du flux lumineux à l'un des capteurs et l'autre moitié à l'autre. 6 Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que les moyens optiques travaillent en réflexion pour séparer le champ en deux portions adressées chacune à l'un des détecteurs. 7 Dispositif selon la revendication 4, 5 ou 6, caractérisé en ce que les moyens optiques travaillent en transmission et réflexion pour reconstituer une image dans les deux dimensions.