Brevet FR2696843A1 — publié le 19940415

APPAREIL DE PRISE DE VUES A DISTANCE, A HAUTE RESOLUTION, POUR PORTEUR AERIEN La présente invention concerne les appareils de prise de vues destinés à être montés sur un porteur aérien et à fournir des images enregistrables à haute résolution d'une scène en forme de bande allongée dans le sens de déplacement du porteur. L'invention trouve une application particulièrement importante dans le domaine des appareils de reconnaissance aérienne à distance de sécurité, placés sur un porteur aérien (aéronef en général) dont le mouvement propre assure le balayage de la scène dans la direction de l'avance du porteur La vitesse du porteur fixe la vitesse du défilement de la scène et la cadence à laquelle les images doivent être prises pour qu'il y ait recouvrement entre images succes- sives dans le sens de l'avancement. Dans beaucoup de cas, les images obtenues doivent avoir une résolution élevée, compatible avec la dimension des plus petits objets à identifier Lorsqu'on souhaite disposer d'une image immédiatement exploitable, ce qui exclut la caméra photographique, le détecteur le plus approprié est la caméra à matrice de capteurs, généralement à couplage de charges, donnant une résolution élevée dans le plan focal En dépit de cette résolution élevée, l'identifi- cation d'objets à distance de sécurité, généralement au delà de 15 km, en visée oblique, oblige à réduire le champ à une valeur très faible par emploi d'une optique à longue focale. En conséquence, le défilement de l'image est trop rapide pour que la restitution de cette image sur un moniteur permette au pilote de l'aéronef d'exercer une surveillance sur la bande balayée Dans la pratique, un écran complet défile en moins d'une seconde. On a proposé de nombreux types d'appareils de prise de vue à distance, à haute résolution Mais les solutions connues présentent un ou plusieurs défauts: elles exigent une stabilisation gyroscopique du détecteur, pour conserver une cohérence entre images successives dans le sens du défilement, permettant de les raccorder les unes aux autres en dépit des mouvements du porteur en tangage, et surtout en roulis et en lacet; elles excluent la possibilité d'asso- ciation avec les détecteurs et outils de visualisation déjà utilisés de façon courante à bord des avions de reconnais- sance; elles ont une sensibilité insuffisante en éclaire- ment faible; elles ne permettent pas une supervision de l'acquisition d'images par le pilote, du fait d'un défile- ment trop rapide. La présente invention vise à fournir un appareil de prise de vues à distance répondant mieux que ceux anté- rieurement connus aux exigences de la pratique, notamment en ce qu'il permet de concilier les impératifs a priori contradictoires de résolution de l'image, de supervision et d'acquisition sous une forme directement exploitable (enregistrement sur magnétoscope notamment). Dans ce but, l'invention propose notamment un appareil comprenant un premier détecteur, à matrice de capteurs électro-optiques et à saisie simultanée de l'ensem- ble de l'image, associé à une optique à longue focale, et un second détecteur, associé à une optique donnant un grand champ recouvrant le champ du premier détecteur et en débordant, ainsi que des moyens de synchronisation des saisies d'image par les deux caméras et de leur enregistre- ment. Chacun des détecteurs utilise avantageusement une matrice de capteurs à couplage de charges ou CCD, avec un temps d'intégration choisi en fonction de la vitesse du porteur de façon que le filé et les écarts transversaux dûs aux mouvements de l'avion au cours de l'intégration restent compatibles avec la définition A titre d'exemple, pour un avion volant à 300 m/s et pour un temps d'intégration de 1 millième de seconde, le filé représente 0,3 m au sol, ce qui est compatible avec la période spatiale maximale de 1,6 à 2 m que l'on veut détecter en général. Le détecteur, peut être une caméra CCD au standard CCIR compatible avec les magnétoscopes de bord les plus courants De telles caméras comportant une matrice de 580 x 750 pixels existent et autorisent une acquisition à la cadence de vingt-cinq images entières par seconde, la restitution pouvant s'effectuer par trames entrelacées alors que l'acquisition doit s'effectuer simultanément pour toute l'image Une telle cadence de vingt-cinq images par seconde permet de disposer d'un recouvrement élevé des images successives dans le sens de l'avance de l'avion, permettant de reconstituer la scène entièrement La restitution per- manente de l'image fournie par le second détecteur, sur un moniteur de visualisation, permet au pilote d'exercer une supervision L'enregistrement en synchronisme des images fournies par les deux détecteurs, par exemple en commandant leur fonctionnement par la même horloge, ainsi que l'enre- gistrement sur deux voies d'un même magnétoscope ou sur deux magnétoscopes synchronisés munis de moyens d'incrustation indiquant les instants de prise de vue, permet ultérieure- ment de raccorder les images les unes aux autres par repérage des images à champ faible dans les images à grand champ, sans qu'il soit nécessaire de stabiliser les détec- teurs en orientation. Dans un mode particulier de réalisation, destiné à la prise d'image sur une plus large bande que le champ faible, l'appareil comprend de plus un organe optique de balayage transversalement à la direction de déplacement, pouvant prendre plusieurs positions successives pour lesquelles le champ du premier détecteur recouvre des zones différentes au sol On obtient ainsi une mosaïque d'images qu'il est possible de recaler les unes par rapport aux autres grâce à l'enregistrement fourni par le détecteur à grand champ, qui ne nécessite pas d'organe de balayage. Pour permettre l'utilisation de l'appareil en éclairement faible, un intensificateur de lumière est avantageusement interposé entre le détecteur et l'optique à longue focale Cet intensificateur permet de réduire le temps d'intégration et, dans un mode avantageux de réalisa- tion, de l'adapter au niveau d'éclairement L'intensifica- teur peut être également utilisé en tant qu'obturateur. Dans un autre mode particulier de réalisation, o le premier détecteur comporte une matrice de capteurs disposés en ligne et colonne (cible d'une caméra CCD par exemple), l'appareil comprend plusieurs guides de lumière formant, sur des zones constituées chacune d'une fraction des lignes de la matrice, l'image de parcelles décalées latéralement les unes par rapport aux autres dans le sens de la bande et pouvant ou non être décalées longitudinalement Ces guides peuvent être des nappes de fibres optiques courbes ou obliques, leurs faces terminales étant alors usinées pour être dans un même plan parallèle à celui de la matrice. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit d'un mode particulier de réalisation, donné à titre d'exemple non limitatif La description se réfère aux dessins qui l'accompagent, dans lesquels: la figure 1 est un schéma de principe montrant la superposition des champs de deux détecteurs d'un dispositif suivant l'invention; la figure 2 montre deux images successives prises par le détecteur à champ faible et le décalage qui permet de les raccorder; la figure 3 montre une mosaïque de champs succes- sifs permettant de reconstituer l'image d'une scène en forme de bande ayant une largeur supérieure à celle du champ du détecteur à champ faible; la figure 4 est un schéma d'un appareil permettant une reconstitution du genre montré en figure 3; la figure 5 est un schéma montrant un détecteur muni d'un intensificateur de lumière pouvant également constituer obturateur; la figure 6 est un schéma de principe montrant comment une mosaïque peut être reconstituée sans élément mobile; la figure 7 montre une disposition possible des parcelles dont l'image est formée simultanément; la figure 8 montre le recouvrement de parcelles similaires à celles de la figure 7 lors de l'avance du porteur du dispositif; la figure 9 montre un dispositif constituant une variante de celui montré en figure 6. La figure 1 montre, à titre d'exemple, un aéronef 10 à partir duquel on souhaite obtenir une image d'une scène 12 constituée par une bande parallèle au sens de déplacement de l'aéronef, décalée latéralement d'une distance de sécurité: en pratique, cela conduit à une distance entre la bande et la trace au sol de la trajectoire de l'avion dépassant km. Pour cela, l'aéronef est muni d'un détecteur ayant une optique à focale suffisamment longue pour que la résolution du détecteur permette de déceler des objets ayant une longueur de l'ordre de 0,8 m Cela conduit à un champ faible Dans le cas représentatif d'un détecteur constitué par une caméra à matrice de CCD ayant 750 x 580 pixels, la focale est telle que le champ au sol a dans chaque direction une dimension de l'ordre de 200 m En prenant les vues par trames entières, à cadence de 25 Hz, on obtient un recouvre- ment entre images successives 16 a, 16 b, de l'ordre du vingtième de la longueur de l'image, ce qui en principe permet de reconstituer la scène à partir d'un enregistrement sur magnétoscope Le filé et le bougé peuvent être rendus acceptables en adoptant un temps d'intégration suffisamment court, par exemple 1 msec pour un avion volant à 300 m/s qui correspond à un filé de 0,3 m. Cette possibilité est cependant théorique lorsque la caméra n'est pas gyrostabilisée Dans ce cas en effet, deux images successives 16 a et 16 b sont prises alors que l'atti- tude de l'aéronef a changé Elles ne peuvent donc pas être raccordées par un simple décalage Elles doivent de plus subir une rotation relative amenant l'image 16 b en 16 b' Au surplus, les images défilent trop vite sur un écran de visualisation pour que le pilote puisse superviser la prise de vues. Ces inconvénients sont levés en enregistrant, en même temps que les images à haute résolution et à faible champ du premier détecteur, les images à champ plus grand (avantageusement dix fois environ dans le sens longitudinal) fourni par un autre détecteur, fonctionnant en synchronisme avec le premier A l'image enregistrée, 16 a par exemple, est en conséquence associée une image 18 a prise simultanément (figure 1) ou en relation temporelle déterminée avec elle. La seconde image permet: de situer avec précision le lieu de prise de vues de l'image à haute résolution, de faciliter le recalage des images à la restitu- tion. Pour certaines applications, il est nécessaire de disposer de l'image d'une scène constituée par une bande 12 de largeur supérieure au champ du premier détecteur. Ce résultat peut être atteint en modifiant cyclique- ment l'angle de site a (figure 1) du premier détecteur de façon à obtenir des images à haute résolution décalées latéralement les unes par rapport aux autres et présentant un recouvrement La figure 3 montre les champs au sol 16 aa, l 6 ae du premier détecteur pour des angles de site progressivement décroissants du premier détecteur, à des instants 1, 2,, 5 Un temps d'intégration d'une mil- liseconde laisse la possibilité, entre deux images succes- sives 16 aa et 16 ba alignées, de prendre des images cor- respondant à des angles de sites différents en conservant un recouvrement. De nouveau, il est possible de recaler les vues les unes par rapport aux autres par référence à l'image fournie par le détecteur à grand champ et faible résolution. L'appareil peut avoir la constitution de principe montrée en figure 4 L'appareil représenté comprend un premier détecteur 20 et un second détecteur 22 fixés sur le porteur, ayant des champs angulaires respectifs a et b, constitués l'un et l'autre par une caméra à matrice CCD Les caméras 20 et 22 sont reliées à des magnétoscopes d'enre- gistrements respectifs 24 et 26 Le fonctionnement des caméras et des magnétoscopes est synchronisé par une base de temps commune 28 Un moniteur 29 permet de visualiser la scène enregistrée par la caméra 22 à grand champ b. Comme on l'a indiqué plus haut, la largeur de la scène observée peut être accrue en modifiant périodiquement l'angle de site de la caméra 20 De façon que la caméra 20 puisse rester fixe, on modifie avantageusement l'angle de site à l'aide d'un déflecteur 30, tel qu'un miroir, commandé par un moteur pas à pas non représenté. La faible ouverture a de l'optique à longue focale équipant la caméra 20 et le faible temps d'ouverture se traduisent par un faible éclairement au plan focal o se trouve la matrice de CCD Pour pallier cette insuffisance, un intensificateur de lumière est avantageusement interposé entre l'optique et la caméra proprement dite Pour éviter la distorsion des images, l'intensificateur utilisé est avantageusement à focalisation de proximité (pouvant avoir une résolution intrinsèque de 80 pixels par millimètre), à sortie sur fibre optique La caméra 20 a alors avantageuse- ment une fenêtre d'entrée à fibres optiques pour assurer un bon couplage optique. La figure 5 montre une constitution possible de l'intensif icateur La lumière focalisée par l'optique à longue focale 31 traverse une dalle de protection 32, puis une plaque 34 portant sur sa face arrière une photocathode 36 Un espace d'accélération des photo-électrons, d'environ 1 mm d'épaisseur, soumis à un champ électrique élevé sépare la photocathode 36 d'une dalle 38 à fibres optiques, portant sur sa face avant une couche électro-luminescente à rémanen- ce courte 39 La dalle 38 est directement en contact avec la fenêtre d'entrée 40, également à faisceau de fibres opti- ques, de la caméra à matrice de CCD 42 L'image photonique amplifiée, est ainsi acheminée point par point par conver- sion photons-électrons-photons sur la cible CCD matricielle. Le gain de conversion peut être de quelques centaines. La haute tension V de création du champ électrique d'accélération peut être pulsée pour que l'intensificateur constitue également obturateur L'ouverture peut être réduite à un temps très bref, inférieur à lms, la faible durée d'intégration étant compensée par l'amplification. Un tel intensificateur permet une prise de vue dans des conditions d'éclairement très variables, pratiquement à partir d'environ 300 lux, en utilisant des composants existants et notamment une caméra au standard CCIR compati- ble avec les magnétoscopes courants L'ensemble caméra- intensificateur n'introduit pas de distorsion d'image s'ajoutant à celle de l'optique Si le temps d'intégration reste faible en regard des mouvements de l'avion, il n'y a pas de bougé. Une caméra 20 en standard CCIR fournit un signal qui est compatible non seulement avec les magnétoscopes d'enre- gistrement courants, mais aussi avec d'autres équipements tels que les cartes de numérisation qui permettent d'obte- nir, à partir du signal de sortie de la caméra, des données enregistrables sous forme numérique et pouvant être traitées sous forme numérique. La caméra n'est cependant pas utilisée classique- ment, avec acquisition en deux trames entrelacées de 290 lignes, car les deux demi-trames seraient décalées spaciale- ment La caméra peut être classique, mais elle est modifiée pour saisir simultanément deux trames entrelacées, à une cadence de vingt cinq images complètes par seconde Cela n'empêche pas de transférer ensuite les données d'image vers un magnétoscope par trame (paire et impaire) de façon que l'enregistrement ait une constitution classique. Le mode de réalisation montré en figures 3 et 4 utilise un miroir 30 à N positions angulaires (N étant supé- rieur à 1) Dans certains cas la commande mécanique du changement de champ constitue un inconvénient Il est en effet nécessaire d'attendre la stabilisation complète du miroir entre deux acquisitions d'image Le retour à la position d'origine du miroir rompt légèrement la cadence de balayage et nécessite de connaître avec précision la position du miroir avant de reprendre les acquisitions. Enfin le mécanisme à miroir mobile est encombrant. On décrira maintenant une variante de réalisation permettant d'éviter un balayage mécanique, au prix d'une réduction de la longueur de chaque image élémentaire 16 aa, 16 bb, dans le sens du défilement. Le principe de cette variante est schématisé sur la figure 6 La matrice de capteurs 42 est associée à N nappes (N étant égal à 4 dans le cas illustré) de fibres optiques 44 placées de façon à avoir des champs d'observation décalés angulairement les uns des autres dans le sens latéral. Sur la figure 6, on voit que les centres des champs sont décalés angulairement de al, a 2, par rapport à la verticale-avion 46. Chaque nappe est couplée à une fraction 1/N de la fenêtre d'entrée à fibres optiques ( 40) de la caméra ou de l'intensificateur doté, dans le cas de cette variante, de fenêtres d'entrée 32 et 34 à fibres optiques Dans le cas illustré, chaque nappe illumine 145 lignes de 756 pixels. Ainsi l'image prise au sol à un instant donné peut avoir l'aspect montré en figure 7 Elle est constituée de quatre parcelles 16 aa,, 16 ad Chaque parcelle constitue une image composée de 145 x 756 pixels et l'arrangement relatif des parcelles est parfaitement cohérent et ne souffre d'aucun biais Une acquisition peut avoir lieu toutes les ms Entre deux acquisitions l'avion progresse Une nouvelle image est prise Elle correspond à la saisie simultanée de quatre parcelles suivantes, 16 ba,, 16 bd sur la figure 8 Le cadencement de la prise d'information est tel qu'il y ait toujours un recouvrement entre les images successives, par exemple 16 aa et 16 ba. Diverses constitutions de nappes permettent d'obte- nir la répartition en parcelles montrée en figures 7 et 8. Dans le cas illustré en figure 6, chaque nappe a des faces terminales d'entrée et de sortie usinées de sorte qu'elles fassent un angle avec l'axe principal des fibres qui est de al, a 2, Ces nappes de fibres s'écartent les unes des autres selon des plans parallèles et leurs faces terminales d'entrée sont contenues dans un plan parallèle à celui de la cible. Dans le mode de réalisation montré en figure 9, les N nappes sont courbes de façon que la lumière entre et sorte axialement dans les fibres La forme représentée en figure 9 peut être obtenue par courbure à chaud. Le rendement de collection est égal pour toutes les parcelles dans le cas de la figure 9 Dans le cas de la figure 6 au contraire, la transmission de lumière vers l'intensificateur et vers la caméra n'est pas identique d'une nappe à l'autre, du fait des différences entre les angles d'incidence des photons sur les nappes de fibres optiques Il faut de plus veiller que les angles extrêmes d'incidence soient inférieurs à l'ouverture angulaire des fibres optiques, qui ne dépasse guère 30 . Pour tenir compte des écarts entre nappes on calibrera alors chacune des zones de la caméra pour lui affecter un coefficient correcteur de gain lors du dépouil- lement des images. Quelle que soit celle des deux solutions qui est utilisée, on multiplie par N (qui peut dépasser 4) la largeur apparente de la matrice CCD tout en conservant une résolution élevée. Etant donné que chaque image enregistrée contient quatre zones, des décalages sont nécessaires pour reposi- tionner spatialement les images fournies les unes par il rapport aux autres Ce repositionnement s'effectue après numérisation, par des traitement ne présentant pas de difficulté particulière. Le recalage des images successives à haute défini- tion enregistrées sur magnétoscope peut être réalisé par autocorrélation avec les images de la caméra grand champ, par exemple en application du procédé décrit dans la demande de brevet FR 92 07977. Les images successives présentent en général un recouvrement important dans le sens longitudinal Par exemple, dans le cas illustré en figure 8, pour un avion volant à 300 mètres par seconde à 8 500 mètres d'altitude, avec prise de vues à 25 images par seconde et une optique donnant aux parcelles une longueur dans le sens du défile- ment de 55 mètres, le recouvrement est de 78 % Un point du sol est donc balayé 4,6 fois en moyenne. Cette superposition d'images peut être utilisée de plusieurs façons. On peut améliorer le rapport signal/bruit dans un rapport sensiblement égal à la racine carrée du nombre de balayages, c'est-à-dire 2,2 fois environ. On peut également, en échantillonnant les images recueillies et en les superposant avec précision, accroître la résolution spaciale du système. Plus précisément, l'amélioration de la résolution peut s'effectuer en suréchantillonnant toutes les images prises d'une même scène, en recalant les différentes trames suréchantillonnées pour les superposer. REVENDICATIONS 1 Appareil de prise de vues destiné à être monté sur un porteur aérien et à fournir des images enregistrables à haute résolution d'une scène en forme de bande allongée dans le sens de déplacement du porteur, le dit appareil comprenant un premier détecteur ( 20), à matrice de capteurs électro-optiques et à saisie simultanée de la totalité de l'image, associé à une optique à longue focale, caractérisé en ce qu'il comprend également un second détecteur ( 22) associé à une optique donnant un grand champ, recouvrant le champ du premier détecteur et en débordant, ainsi que des moyens ( 28) de synchronisation des saisies d'image par les deux caméras et de leur enregistrement. 2 Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que chacun des détecteurs utilise une matrice de capteurs à couplage de charges ayant un temps d'intégration choisi en fonction de la vitesse du porteur de façon que le filé et les écarts transversaux dûs aux mouvements de l'avion au cours de l'intégration restent compatibles avec la défini- tion recherchée. 3 Appareil selon la revendication 2, caractérisé en ce que chaque détecteur ( 20, 22) est associé à des moyens de transfert de chaque image à un enregistreur ( 24, 26) en deux trames entrelacées. 4 Appareil selon l'une quelconque des revendica- tions précédentes, caractérisé en ce que le premier détec- teur ( 20) est muni d'un intensificateur de lumière placé derrière l'optique à longue focale. 5 Appareil selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'intensificateur de lumière est à alimentation haute tension pulsée lui permettant de donner des temps d'ouver- ture courts et de constituer un obturateur. 6 Appareil selon la revendication 4 ou 5, carac- térisé en ce que l'intensificateur est à focalisation de proximité et sortie sur faisceau de fibres optiques. 7 Appareil selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 6, caractérisé en ce que l'appareil comprend de plus un organe optique ( 30) de balayage transversalement à la direction de déplacement, pouvant prendre plusieurs positions successives pour lesquelles le champ du premier détecteur ( 20) recouvre des zones différentes au sol, présentant un recouvrement partiel. 8 Appareil suivant l'une quelconque des revendica- tions 1 à 6, caractérisé en ce que le premier détecteur comporte une matrice de capteurs disposés en lignes et colonnes et en ce que l'appareil comprend, de plus, plu- sieurs guides de lumière, formant sur des zones constituées chacune d'une fraction des lignes de la matrice, l'image de parcelles décalées latéralement les unes par rapport aux autres. 9 Appareil selon la revendication 8, caractérisé en ce que les guides sont des nappes de fibres optiques, lesdites nappes étant soit obliques les unes par rapport aux autres et à faces terminales usinées pour être dans un même plan parallèle à celui de la matrice, soit courbées. Appareil selon l'une quelconque des revendica- tions précédentes, caractérisé par des moyens de recalage relatif des images formées par le premier détecteur par corrélation avec les images fournies par le second détec- teur.