Brevet FR2737376A1 — publié le 19970131

La présente invention est relative à un procédé et un dispositif pour l'acquisition d'une image par échantillonnage d'une zone observée par une barrette ou une matrice de détecteurs optiques élémentaires du type à transfert de charge (CCD), se déplaçant au droit de ladite zone (balayage "Pousse-balai" ou "Push-broom" selon la terminologie anglo-saxonne). L'invention trouve avantageusement application pour l'observation satellitaire de la surface de la terre. Le principe d'un balayage de type "pousse-balai" a été illustré sur la figure 1 dans le cas d'une barrette 1 de détecteurs. La barrette 1 réalise l'observation successive, au cours du défilement du satellite qui la porte, de lignes L1, L2,..., Ln perpendiculaires au déplacement (flêche D). Une optique 2 d'instrumentation forme à chaque instant l'image d'une ligne de paysage sur la ligne des détecteurs, la barrette 1 étant placée dans le plan focal de l'optique 2, perpendiculairement au vecteur vitesse du satellite. Le paysage défile devant chaque détecteur qui intègre le flux lumineux pendant le temps de pose et le transforme en une charge électrique proportionnelle. On a illustré sur la figure 2 une chaine de traitement classique des images ainsi relevées. Cette chaine de traitement comporte de façon schématique une unité 3 de traitement et d'amplification en sortie des détecteurs de la barrette 1, un codeur 4 analogique-numérique recevant le signal en sortie de l'unité 3, des moyens 5 pour la transmission au sol à partir du satellite des images numériques ainsi relevées, une unité 6 pour la reconstitution au sol des images. L'unité 3 comporte en particulier un registre à décalage dans lequel les informations intégrées et stockées dans chaque détecteur de la barrette 1 sous forme de charge sont transférés à l'issue d'un temps de pose. Ce registre assure ensuite un transfert électronique des charges, qui sont converties en une succession de tensions proportionnelles aux flux lumineux reçus et intégrés. Unité 6 au sol reconstruit les images en mettant notamment en oeuvre des traitements de déconvolution destinés à compenser les défauts instrumentaux, ainsi que le cas échéant des traitements d'interpolation pour reconstituer certains pixels de l'image. Usuellement, le temps d'acquisition entre deux lignes successives, ou temps d'échantillonnage, est tel que la fréquence d'échantillonnage dans le sens d'avancement du satellite est égale à la fréquence de coupure des détecteurs, celle-ci étant principalement fonction des dimensions des détecteurs. Toutefois, cette approche ne tient pas compte de la Fonction de Transfert de Modulation (FTM) instrumentale, si ce n'est au travers du pas d'échantillonnage en ligne et en colonne égal à la taille physique de la projection au sol des détecteurs élémentaires. On rappelle que la Fonction de Transfert de Modulation d'un système optique est une fonction de l'espace fréquentiel qui traduit l'aptitude du système à transmettre les diverses fréquences. Elle est caractéristique du contraste du système. Dans le cas d'une acquisition de type poussebalai, la Fonction de Transfert de Modulation dépend principalement de l'optique du système, de l'effet de filé (affaissement de contraste dû au déplacement), ainsi que des détecteurs. Les instrumentations habituellement utilisés conduisent généralement à des valeurs de Fonction de Transfert de Modulation importantes à la fréquence de coupure. Dans le cas d'une acquisition classique où la fréquence d'échantillonnage fe est égale à la fréquence de coupure fc, la condition de Shannon (fe > 2.fmax) n'est donc pas respectée et il en résulte un fort repliement de spectre qui rend difficile toute tentative de déconvolution et d'interpolation. Un but de l'invention est de proposer un procédé de traitement qui permet - de limiter le repliement du spectre, afin d'autoriser au sol une restauration et/ou interpolation convenable de l'image - de minimiser la redondance de l'information transmise au sol de façon à pouvoir utiliser au mieux les capacités de transmission de données des instruments. Une fonction de transfert de modulation typique pour des instruments d'observation satellitaires est le produit d'une fonction de transfert de modulation ligne ftml et d'une fonction de transfert de modulation colonne ftmc. A titre d'exemple, celle de SPOT 5 peut s'écrire e(-l7l55fx) sin (nfx) ftml = ufx e(-1.515fy) sin (nfy)2 ftmc = ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ 52fi2 où fx et fy sont les fréquences normalisées par rapport à la fréquence d'échantillonnage. Le spectre des images est replié à la fréquence de Shannon (fx et fy = 0,5). Ce repliement induit une pollution de l'image lorsque le paysage est riche en hautes fréquences. On a représenté sur la figure 3 un plan de Fourier sur lequel on a porté le quart du spectre bidimensionnel obtenu en mettant en oeuvre un échantillonnage classique pour une telle FTM. Le reste du spectre se déduit par symétrie. Ce spectre est principalement contenu dans le carré Cs dont les points sont définis dans le plan de Fourier par les points (0, 0) ; (0, 0.5) ; (0.5, 0.5) (0.5, 0). Sur le carré unité, on a représenté en gris les zones où le repliement spectral est supérieur à 0,03, c'est à dire où l'information est noyée dans le bruit. Comme on peut le constater, seule une faible partie de l'information est peu polluée (moins de 15 % portion de diagonale en blanc sur la figure 3). Par conséquent, l'échantillonnage classique ne permet pas de contenir toute l'information spectrale. Un but de l'invention est donc de proposer un échantillonnage qui permette d'atténuer les effets de repliement de spectre. Plus particulièrement, le procédé par l'invention est caractérisé en ce que l'on oriente obliquement ladite barrette ou ladite matrice par rapport à sa direction de déplacement, l'angle dans le plan de déplacement entre la (ou les) ligne(s) de ladite barrette ou matrice et la direction de déplacement étant choisi, avec le temps d'échantillonnage des détecteurs élémentaires, de façon à atténuer les effets de repliement de spectre. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui suit. Cette description est purement illustrative et non limitative. Elle doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels - la figure 3, déjà analysée, illustre dans le plan de Fourier la zone du plan occupée par le spectre dans le cas d'une technique d'échantillonnage classiquement utilisée dans l'art antérieur, ainsi que les zones où les repliements spectraux sont non négligeables - la figure 4 illustre un mode d'acquisition conforme à l'invention - la figure 5 illustre une acquisition en quinconce réalisée conformément à un mode de mise en oeuvre possible pour l'invention - la figure 6 est une représentation dans le plan de Fourier du repliement de spectre pour l'acquisition de la figure 5 - la figure 7 illustre un autre mode d'acquisition possible conforme à l'invention - la figure 8 illustre un autre mode d'acquisition conforme à l'invention - la figure 9 illustre un autre mode de mise en oeuvre de l'invention - la figure 10 représente le spectre obtenu avec l'acquisition de la figure 9 - la figure 11 illustre un autre mode d'acquisition possible conforme à l'invention - la figure 12 est une représentation schématique d'une barrette de détecteur CCD sur laquelle on a porté différents paramètres sur lesquels il est possible d'intervenir pour optimiser la résolution du procédé d'acquisition proposé par l'invention. On se réfère à la figure 3. La barrette 1 de détecteurs CCD qui y est représentée est tournée d'un angle a par rapport à sa direction de déplacement D. Les centres des détecteurs élémentaires de la barrette 1 sont deux à deux séparés d'un intervalle dp selon la direction selon laquelle ladite barrette 1 s'étend. Comme on l'aura compris, une telle configuration permet de réaliser un échantillonnage selon un maillage de parallélogrammes tels qu'illustrés sur la figure 4. Les côtés correspondent à dp dans la direction selon laquelle la barrette 1 s'étend et au temps d'échantillonnage te dans la direction D. L'angle a et le temps d'échantillonnage te dans la direction de déplacement D sont ajustés en fonction du type d'échantillonnage désiré de façon que le repliement spectral soit négligeable. Une telle configuration peut notamment être utilisée pour réaliser un échantillonnage en quinconce tel qu'illustré sur la figure 5. La barrette 1 est à cet effet orientée à 450 par rapport à sa direction de déplacement D. Le temps te d'échantillonnage selon la direction de déplacement D est choisi de façon à correspondre à dp/2, où dp est le pas d'échantillonnage le long de la barrette 1. L'échantillonnage ainsi généré correspond à un échantillonnage carré de pas dp/ç2. La zone représentée en gris sur la figure 6 est la zone du plan de Fourier où, pour un échantillonnage quinconce du type précité, le repliement spectral est supérieur à 3%. Comme on peut le voir sur cette figure, le repliement spectral est négligeable sur la zone dans laquelle se trouve le spectre, cette zone correspondant au triangle supérieur Ts. On a également représenté sur la figure 6 (ainsi que sur la figure 3) la courbe du plan de Fourier FTM0,03 où la Fonction de Transfert de Modulation est égale à 3 %. En dessous de cette courbe, on considère expérimentalement que les valeurs de FTM sont trop faibles pour permettre la restitution de l'information. On voit que cette courbe tangente la zone Ts où se trouve le spectre, la FTM étant supérieure à 3 % sur sensiblement l'ensemble de la zone Ts. De façon générale, le fait que la Fonction de Transfert de Modulation soit faible le long de la diagonale du spectre permet d'effectuer une déconvolution dans de bonnes conditions. On notera par ailleurs que la résolution est doublée pour une réduction du champ d'un facteur 2 et pour une multiplication du débit par f2. Cet échantillonnage est donc intéressant sous le rapport qualité-débit. En outre, on notera que l'effet de filé y est également réparti en ligne et en colonne. Ainsi qu'on l'a illustré sur la figure 7, des résultats similaires peuvent également être obtenus avec des détecteurs élémentaires disposés selon des matrices carrées ou rectangulaires que l'on oriente obliquement par rapport à leur direction de déplacement. Par exemple, si la matrice est à échantillonnage carré distant de dp, le spectre sera déplié en prenant seulement deux prises de vue distantes de dp/ç2, les registres des détecteurs élémentaires étant vidés entre les deux prises de vue. On a illustre sur la figure 8 une autre configuration d'échantillonnage qui peut être réalisée conformément à un mode de mise en oeuvre de l'invention. Cette configuration permet un échantillonnage rectangulaire, les colonnes et lignes de l'échantillonnage correspondant respectivement à la direction de déplacement D des barrettes et à sa direction perpendiculaire. Pour un échantillonnage de pas dx suivant les lignes et de pas dy suivant les colonnes, on choisit l'angle a tel que a = arctg(dx/dy) (1) Le temps te d'échantillonnage est choisi de façon à correspondre au pas dy. Avec dx = dp cos (a) dy =.vote = dp sin (a) (2) où V est la vitesse de déplacement de la barrette. Bien entendu, un tel échantillonnage rectangulaire peut également être obtenu avec des matrices de détecteurs CCD rectangulaires. En variante encore, il est possible de réaliser, ainsi qu'on l'a illustré sur la figure 9, un échantillonnage en losange. Le temps te d'échantillonnage est alors choisi de façon à correspondre à la dimension élémentaire dp des détecteurs CCD. Les axes d'une maille élémentaire de l'échantillonnage sont de longueurs 2dp cos (a/2) et 2dp sin (a/2). Sur la figure 10, on a représenté cet échantillonnage dans l'espace spectral. Les axes Ofx et Ofy sont les axes représentatifs des détecteurs. La fréquence d'échantillonnage temporel fe est égale ici à l'inverse de la maille du détecteur. Lorsque la maille d'échantillonnage est un losange défini par les vecteurs (a, b), la frontière du domaine de Fourier accessible est un losange défini par les vecteurs (a/ a 2, b/ b 2). On suppose que les dimensions de la zone photosensible des détecteurs sont les mêmes selon les directions Ox et Oy et égales à la distance entre détecteurs voisins - La distance entre le point O et les côtés du losange élémentaire généré par l'échantillonnage dans le plan de Fourier est égale à la fréquence de Shannon (OA = OB = fe/2). On choisit l'angle a de façon à éviter le repliement du spectre le long d'une direction, ici celle définie par l'axe fy représentant l'un des côtés du détecteur. Au premier ordre, la condition d'anti-repliement impose d'annuler la FTM dans cette direction au point d'intersection avec la frontière du domaine de Fourier accessible, c'est à dire au point I. Ceci est réalisé si la fonction sin(fy/fe) intervenant dans l'expresision de la FTM s'annule en I, donc si fy=OI=fe. Comme sin(a)=OB/OI avec OB=fe, on en déduit que sin(a)=0,5, soit a=30". En variante encore, il est possible d'utiliser le procédé proposé par l'invention pour réaliser un échantillonnage de type hexagonal. Un tel échantillonnage est optimal dans le cas de Fonction de Transfert de Modulation à symétrie radiale. On utilise à cet effet avantageusement une barrette 1 avec deux séries de registres indépendants. L'angle a entre la barrette 1 et la direction de déplacement est de 600. Pour un temps d'échantillonnage de te, l'intervalle dp entre les centres de deux détecteurs élémentaires voisins de la première et de la deuxième séries de registres correspond à ce temps d 'échantillonnage. Les centres des détecteurs élémentaires successifs de la première série de registres (représentés par des carrés sur la figure 11) sont alternativement séparés dans la longueur de la barrette d'une distance correspondant à te et 2te. Il en est de même des centres des détecteurs élémentaires de la deuxième série de registres (représentés par des cercles sur la figure 11), deux détecteurs séparés d'une distance correspondant à te de la première série de registres étant situés entre deux détecteurs successifs séparés d'une distance correspondant à 2te de la deuxième série, les détecteurs de la première série et de la deuxième série qui sont voisins étant séparés d'une distance correspondant à te/2. Les registres de détecteurs élémentaires sont alternativement vidés dune ligne à l'autre, avec changement de séries de registres élémentaires à chaque ligne. On réalise ainsi un échantillonnage hexagonal, les côtés des hexagones élémentaires correspondant à te. Dans la description qui suit, on s'intéresse à l'optimisation de la résolution que permet la rotation de la barrette. Les paramètres sur lesquels il est possible d'intervenir sont l'orientation de la barrette, ainsi que la Fonction de Transfert de Modulation, qu'il est possible de modifier par changement des dimensions de la zone photosensible des détecteurs élémentaires. Pour une optique donnée, la résolution d'une image dépend de trois facteurs principaux - la Fonction de Transfert de Modulation prise dans son ensemble (et non pas seulement en un point donné), - le rapport signal à bruit, - le type d'échantillonnage choisi. On a illustré sur la figure 12 les différents paramètres sur lesquels il est possible d'intervenir. Ces paramètres sont les suivants - dimensions dx, dy des détecteurs, - temps d'échantillonnage te, - échantillonnage dp dans la longueur de la barrette (distance entre les centres deszones photosensibles des détecteurs), - angle a de la barrette 1 par rapport à direction de déplacement D, - temps d'intégration ti. L.' échantillonnage dépend principalement des paramètres dp, te et a. I1 s'écrit par conséquent sous la forme d'une fonction de ces différentes variables. ECHANT = echant (dp, te, a) La Fonction de Transfert de Modulation peut être modifiée en réglant l'effet de filé, c'est à dire en adaptant le temps d'intégration ti (qui peut être différent du temps d'échantillonnage te), et dépend bien entendu également des dimensions dx, dy. Elle s'écrit par conséquent sous la forme d'une fonction des paramètres ti, dx, dy, à savoir FTM (fx, fy) = ftm (fx, fy ; ti, dx, dy), où fx et fy sont des coordonnées fréquentielles. Le rapport signal à bruit ne dépend quant à lui principalement que des paramètres ti, dx et dy, soit SNR = snr (ti, dx, dy) Les trois paramètres (échantillonnage, FTM, rapport signal à bruit) qui interviennent dans la résolution de l'image sont les mêmes qui interviennent dans la déconvolution. La FTM et le bruit jouent en sens inverse. La FTM exprime en effet le contenu fréquentiel qu'un instrument peut restituer, tandis que le rapport signal à bruit mesure la précision avec laquelle le contenu fréquentiel est exprimé. Par contre, le repliement du spectre, lié à l'échantillonnage, se traduit par un effet brutal. Au-delà d'un certain seuil S de repliement de la Fonction de Transfert de Modulation, une déconvolution est hasardeuse. Pour optimiser la qualité de l'image, il est donc proposé un critère d'optimisation sous contrainte, dépendant de la qualité de la déconvolution. La capacité de déconvolution est fonction de la FTM et de la génération de bruit, soit capabeconvol (snr, ftm) = capa deconvol (fx, fy ; ti, dx, dy) La contrainte de non repliement s'exprime quant à elle en fonction de l'échantillonnage et de la FTM, c'est à dire sous la forme rep~ftm (echant, ftm) = rep ftm (fx, fy ; dp, te, a, ti, dx, dy). Le critère proposé est fonction de l'intégrale sur la surface du spectre de l'image du produit de deux contributions favorables, à savoir - la FTM d'une part, - la capacité à déconvoluer d'autre part. Soit K=ffictre imageftm( fx, fy ; ti,dx,dy) xcapa~deconvol( snr, ftm) dfxdfy sous la contrainte rep ftm (fx,fy ; dp,te,a,i,dx,dy) L'optimisation se réduit donc à la recherche de valeur maximum pour K sous cette contrainte de repliement. Un exemple de fonction de déconvolution est le suivant (déconvolution linéaire de Wiener) 1 ftS capa~deconvol = ftm ftm2 + 1/snr2 SNR est le rapport signal à bruit. En l'absence de repliement spectral - la valeur de K est égale à 1 en l'absence de bruit, - la valeur de K est égale à 0 lorsqu'il n'y a que du bruit (snr=). L'optimisation ainsi proposée restitue l'ensemble des paramètres de l'échantillonnage et notamment l'angle a d'orientation de la barrette et le temps te d'échantillonnage souhaité. Ainsi, pour optimiser la résolution, il est possible de choisir les dimensions des détecteurs élémentaires, le temps d'échantillonnage, la distance entre les détecteurs élémentaires d'une même ligne, l'orientation de la barrette ou matrice et le temps d'intégration des détecteurs de façon à optimiser, sous une contrainte de non repliement, l'intégrale double sur le spectre de l'image du produit de la Fonction de Transfert de Modulation et d'une fonction représentant la capacité à déconvoluer. Le dispositif d'acquisition proposé par l'invention comporte des moyens pour orienter la barrette ou matrice de détecteurs élémentaires dans son plan de déplacement. Comme on l'azura compris, selon l'orientation de la matrice ou barrette, le rapport champ/résolution varie. Lorsque l'angle entre la direction de déplacement et là où les lignes de la matrice ou barrette est égal à 900, le champ est maximum, mais le spectre est replié. Lorsque cet angle est égal à 450, le champ est divisé par 2, mais le spectre n'est pas replié. La résolution est pratiquement multipliée par deux ; le débit de télémesure est multiplié par 2. REVENDICATIONS 1. Procédé d'acquisition d'une image par échantillonnage d'une zone observée par une barrette (1) ou une matrice de détecteurs optiques élémentaires du type à transfert de charge se déplaçant au droit de ladite zone, caractérisé en ce que l'on oriente obliquement ladite barrette (1) ou ladite matrice par rapport à sa direction de déplacement, l'angle (a) dans le plan de déplacement entre la (ou les) ligne(s) de ladite barrette (1) ou matrice et la direction de déplacement étant choisi, avec le temps d'échantillonnage (te) des détecteurs élémentaires, de façon à atténuer les effets de repliement de spectre. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, pour réaliser un échantillonnage en quinconce, ledit angle ( ) est choisi égal à 450, le temps d'échantillonnage (te) étant choisi de façon que le pas d'échantillonnage dans la direction de déplacement corresponde à dp/ç2, où dp est le pas d'échantillonnage dans la direction correspondant à la (ou aux) ligne(s) de la barrette (1) ou matrice. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, pour réaliser un échantillonnage rectangulaire de pas dx, dy, on choisit l'angle a et le temps d'échantillonnage te dans la direction de déplacement de la matrice ou barette tel que a = arctg (dx/dy) (1) dy = Vte = dp sin (a) (2), où V est la vitesse de déplacement de la barrette (1). 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, pour réaliser un échantillonnage en losange, l'angle (a) est choisi égal à 300, le temps d'échantillonnage (te) étant choisi de façon à correspondre au pas d'échantillonnage dans la direction correspondant à la (ou les) lignes de la barrette (1) ou matrice. 5. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que pour réaliser un échantillonnage hexagonal au moyen de deux registres de détecteurs, l'angle (cri) est choisi égal à 600. 6. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que, pour optimiser la résolution, on choisit les dimensions (dx, dy) des détecteurs élémentaires, le temps d'échantillonnage (te), la distance (dp) entre les détecteurs élémentaires d'une même ligne, l'orientation a de la barrette (1) ou matrice et le temps d'intégration (ti) des détecteurs de façon à optimiser, sous une contrainte de non repliement, l'intégrale double sur le spectre de l'image du produit de la Fonction de Transfert de Modulation et d'une fonction représentant la capacité à déconvoluer. 7. Application du procédé selon l'une des revendications précédentes à l'observation satellitaire. 8. Dispositif de prise de vue comportant une barrette (1) ou une matrice de détecteurs élémentaires du type à transfert de charge, se déplaçant au droit d'une zone observée, caractérisé en ce que pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications 1 à 6, ledit dispositif comporte des moyens pour orienter ladite barrette (1) ou matrice dans son plan de déplacement.