Brevet FR2738097A1 — publié le 19970228

La présente invention conceme un dispositif optronique d'aide au pilotage de nuit pour aéronef. Les solutions actuellement mises en oeuvre sur les aéronefs qui permettent de foumir aux pilotes, de nuit, L'image du paysage environnant, sont basées sur l'emploi d'un imageur thermique grand champ. Cet imageur est connu sous la l'abréviation anglosaxonne FLIR de "Forward Looking Infra Red" .Sa bande spectrale de fonctionnement est comprise entre 8 et 121Jm.11 possède un grand champ angulaire typiquement 1 8x24 et une grande résolution angulaire. Il est également sensible aux émissions propres des objets constituant le paysage ce qui lui permet de fonctionner même lorsque la nuit est très noire, en ciel couvert sans lune. Cependant, avec un tel imageur il n'est pas possible de distinguer tous les éléments d'un paysage et notamment des parties de sol possédant une texture identique même si celles ci sont situées à des distances différentes. En effet, dans la bande spectrale 8 à12 clam, I'émissivité des objets est très forte et dépend surtout de l'état de surface et notamment de la rugosité des objets. Lorsque les textures des objets sont identiques les contrastes thermiques relatifs sont en effet très faibles et font perdre toute notion de relief. Ainsi un objet en béton et un fond de terre peuvent être distingués facilement même s'ils sont situés à une distance identique de l'imageur. Par contre, une bosse en terre très proche sur un fond de terre plus lointain sera difficile à percevoir. Après plusieurs accidents d'hélicoptères dus à ce phénomène, un senseur intensificateur de lumière permettant l'intensification de la lumière résiduelle venant des étoiles par nuit sombre a été adjoint au senseur thermique. Cette intensificateur de lumière permet de voir des objets en utilisant leur pouvoir réflecteur et non plus leur pouvoir émissif, dans une bande spectrale comprenant le visible et le proche infrarouge. Compte tenu de l'écart important entre les bandes spectrales des deux senseurs il est rare que les objets du paysage soient peu contrastés en même temps dans les deux bandes. Ceci permet en fusionnant les informations issues des deux senseurs de fournir au pilote une image toujours contrastée du paysage en utilisant par exemple une visualisation en fausse couleur. Cette dernière solution qui est actuellement couramment employée présente cependant deux inconvénients majeurs à savoir d'une part, que l'intensification de lumière est d'un domaine d'emploi limité car elle a besoin pour fonctionner qu'il existe toujours un éclairement résiduel sur le paysage d'environ 10 mlux et que d'autre part, la fusion de deux images de senseurs différents n'est réalisable efficacement que si les senseurs présentent d'excellentes qualités de géométrie d'image (absence de distorsions)ce qui conduit à des réalisations coûteuses. Egalement, I'intensification de lumière reste une solution qui est sensible aux éblouissements dus aux sources intenses comme sont les feux, les leurres largués par le système d'auto protection de l'aéronef, etc.... Le but de l'invention est de pallier les inconvénients précités. A cet effet l'invention a pour objet, un dispositif optronique d'aide au pilotage de nuit pour aéronefs comportant un moniteur couleur couplé à une caméra infrarouge par l'intermédiaire de circuits de mise en forme de signaux vidéo fournis par la caméra pour visualiser des images en fausse couleur d'une scène observée, chaque couleur identifiant une distance séparant chaque point de la scène observée de la caméra caractérisée en ce qu'elle comprend un détecteur matriciel à multipuits quantiques disposé dans le plan image de l'objectif et foumissant à partir d'une tension de commande appliquée sur une de ses entrées, des signaux vidéo représentatifs d'une première image et d'une deuxième image de la scène observée, filtrées respectivement dans deux bandes spectrales étroites centrées respectivement sur une première et une deuxième longueur d'onde déterminée la première bande spectrale étant située dans la partie du spectre non atténuée de l'atmosphère et l'autre bande spectrale étant située au bord de la partie atténuée du spectre de la lumière dans l'atmosphère, ainsi qu'un premier circuit de mise en forme et un deuxième circuit de mise en forme couplé à la sortie du détecteur matriciel par l'intermédiaire d'un commutateur pour appliquer sélectivement les signaux vidéo représentatifs de la première et de la deuxième image sur des entrées de canal image respectives du moniteur couleur. L'invention a principalement pour avantage qu'elle permet une utilisation tout temps de nuit comme de jour de l'imageur; en fournissant au pilote une notion de distance de tous les points de l'image. Le système a également pour avantage d'être entièrement passif c'est à dire qu'il n'émet aucun rayonnement susceptible de révéler sa présence, à la différence par exemple des imageurs à lasers actifs de type LIDAR. D'autre part1 sa consommation en énergie est faible ce qui est une qualité particulièrement appréciable à bord des aéronefs. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront dans la description qui suit faite en regard des dessins annexés qui représentent: La figure 1, I'allure de la courbe d'atténuation de la lumière dans l'atmosphère pour une bande de transmission comprise entre 8 et 12clam. La figure 2, un exemple de réalisation d'un dispositif selon l'invention. Les figures 3, 4 et 5 des courbes représentatives de la transmittance de l'atmosphère pour différentes altitudes et différents climats. Comme exposé précédemment, I'invention est basée sur l'emploi d'un senseur capable de foumir d'une scène observée, deux images analysées dans deux bandes spectrales fines et proches l'une de l'autre, tout en étant bien distinctes. Le principe de fonctionnement du senseur repose sur l'exploitation du fait que l'atténuation des rayonnements infrarouges des objets dans I'atmosphère est un phénomène fortement non linéaire ,comme le montre sur la figure 1 la courbe d'atténuation de ces rayons représentée. Selon l'invention, une première image est analysée par le senseur dans une bande de sensibilité étroite centrée sur la longueur d'onde #1 et une deuxième image est analysée dans une bande étroite centrée sur X2. Dans ces conditions l'intensité apparente d'un objet situé à la distance D peut s'écrire: IA(#1)= I0(#1)l-#1D(1) et IA(X2)=10(X2) l-#2D (2) lo étant l'intensité intrinsèque de l'objet et ai ,a2 les coefficients d'extinction de l'atmosphère aux longueurs d'ondes hl et A2. Le rapport R entre ces deux grandeurs ,soit: R=R= IO(#1)l-(#1-#2)D (3) I0(#2) montre que lorsque les deux raies hl et X2 sont suffisamment proches, on peut considérer que: lo(A1 )=lo(A2) Ceci est dû au fait que les sources se comportent comme des corps noirs à température proche de l'ambiante et que k1 et A2 sont situées dans l'infrarouge thermique. Dans ces conditions R vaut: R = W-( 2) (4) Ainsi pour une atmosphère déterminée R apparaît directement représentatif de la distance de la cible et permet donc de l'estimer. Pour cela, la différence (#1-#2) ne doit pas être trop faible, si non R vaudrait 1 quelque soit la distance D.Ce résultat est obtenu comme le montre la figure 1 en choisissant #1 dans la bande de transmission atmosphérique et X2 en bord de cette bande de transmission, là où l'atténuation commence à être importante. Pour obtenir une valeur significative de R la largeur de raie ## est choisie suffisamment faible mais pas trop pour que le flux capté ne soit pas non plus trop faible par rapport au bruit de lecture du détecteur. D'autre part, le filtre déterminant la bande passante Ak doit être "froid" afin de ne pas engendrer du bruit de réémission en dehors de sa bande passante, qui risquerait de masquer le signal utile reçu dans la bande de transmission. La solution proposée par l'invention permet de respecter ces diverses contraintes grâce à l'utilisation de détecteurs infrarouge à multi-puits quantiques connus sous la désignation MPQ. Ces détecteurs présentent des caractéristiques intrinsèques qui les rendent en effet très bien adaptés à ce type d'usage. Comme ils sont naturellement sensibles à la lumière dans une bande étroite de longueur d'onde ,ils excluent de ce fait la présence de filtres optiques spécifiques qu'il faudrait refroidir Ils présentent aussi l'avantage que leur bande spectrale de sensibilité peut être modifiée par l'application d'une tension électrique de bas niveau. Ils permettent d'autre part la réalisation de matrices comportant un nombre élevé de points ce qui permet d'obtenir des imageurs de bonne sensibilité malgré la faiblesse du rendement quantique et l'étroitesse de la bande spectrale. Une description de détecteurs à multipuits quantiques peut par exemple être trouvée dans l'article de la revue La Recherche 248 volume 23 Novembre 1992 ayant pour titre "Les puits quantiques et la détection infrarouge". Ceux ci possèdent une bande de sensibilité étroite comprise entre 0,5 et 1 pu. Ils sont intégrés au détecteur pour éviter une réémission en dehors de la bande de sensibilité , et de façon à être équivalent à ce qui pourrait être obtenu avec un filtre froid. Ils présentent également une très grande résistance aux agressions lumineuses telles que celles produites par les lasers grâce au fait que lorsque le détecteur est saturé celui ci devient transparent. Le dispositif pour la mise en oeuvre de l'invention qui est représenté à la figure 2 comporte, un détecteur matriciel à puits quantiques 1 disposé dans le plan image d'un objectif infrarouge de caméra.2. Un dispositif d'entrelacement 3 commandé par un séquenceur 4 est disposé entre le détecteur matriciel 1 et l'objectif 2. Un commutateur 5 commandé également par le séquenceur 4 assure le transfert des signaux foumis par le détecteur matriciel 1 alternativement vers un premier et un deuxième étage de mise en forme référencés respectivement 6 et 7. Ces étages de mise en forme transforment les signaux fournis par le commutateur 5 en deux signaux vidéo avant de les appliquer respectivement sur deux entrées de canal couleur ,par exemple vert et rouge ,d'un moniteur de télévision 8. La troisième entrée de canal couleur1 entrée de canal bleu dans l'exemple, reçoit des informations de pilotage du poste de pilotage non représenté de l'aréonef. Le détecteur matriciel 1 est commandé par un générateur de tension 9 en fonction du niveau d'un signal obtenu en sortie d'un dispositif de calcul 10 dépendant du niveau relatif des signaux obtenus en sortie du commutateur 5. A titre d'exemple, le détecteur matriciel 1 peut être un détecteur comportant une matrice de 288x768 éléments, compatible du standard vidéo CCIR 625 lignesl50Hz dont la largeur spectrale 0,5 pm est déplaçable dans une bande 8 à 12 pm de large à l'aide d'une tension de commande foumie par le générateur 9. De préférence le détecteur 1 est plaçé à l'intérieur d'un cryostat non représenté, pour être refroidi à une température suffisante d'environ 60 à 77 K Le dispositif qui vient d'être décrit permet de délivrer des images en fausse couleur à la cadence de 50Hz pour les trames et de 25Hz pour les images complètes. La sélection des trames s'effectue par l'intermédiaire du dispositif d'entrelacement 3 et du commutateur 5. Les trames paires comportent les éléments d'image obtenus par une analyse de la scène observée par l'objectif 2 dans une bande spectrale de 0,5clam de large centrée sur la longueur d'onde A1. Les trames impaires sont constituées par les éléments de l'image de la scène observée par l'objectif 2 dans une bande spectrale centrée sur la longueur d'onde k2. Ces trames sont enregistrées respectivement à l'intérieur des dispositifs de mise en forme 6 et 7 avant d'être visualisées sur l'écran du moniteur 8. L'image qui est ainsi visualisée apparaît en fausse couleur1 les parties proches de la scène apparaissant en vert. Pour les distances intermédiaires la couleur des éléments de la scène résulte d'un mélange de rouge et de vert qui est variable en fonction de la distance. En fonction du type d'atmosphère dans laquelle évolue l'aéronef, le niveau de signal mesuré dans les trames par le dispositif de calcul 10 est très variable comme le montrent les courbes de transmission atmosphériques des figures 3, 4 et 5 dans lesquelles A1 a été choisi égal à 9 pm et A2 égal à 8,25 clam. Aussi pour que l'impression de relief reste exploitable par le pilote quelque soit le type d'atmosphère, il est nécessaire que la longueur d'onde hl qui est calée sur la figure 1 au maximum de transmission atmosphérique reste fixe et que le dispositif de mise en forme 6 ajuste le niveau du signal vidéo pour qu'il reste constant en moyenne dans l'image. Cette régulation du signal VIDEO peut être réalisée par tout moyen connu mettant par exemple en oeuvre une boucle à commande automatique de gain. La longueur d'onde A2 est ajustée pour que le rapport de niveau entre les niveaux des signaux appliqués sur les entrées du dispositif de calcul 10 reste en moyenne constant. II est aussi possible d'ajuster le niveau des signaux de longueur d'onde A2 à partir d'une commande du pilote appliquée sur une entrée du générateur de tension 9 ce qui lui donne ainsi le choix entre une commande manuelle ou automatique. Le mode de fonctionnement précédemment décrit est un mode de fonctionnement séquentiel qui demande que des circuits de mémorisation soient prévus dans les dispositifs de mise en forme 6 et 7 pour restituer sur l'écran du moniteur 8 des images vertes et rouges simultanées, alors qu'elles sont prises à des instants différents. Cela peut présenter des inconvénients lorsque notamment l'image évolue rapidement. Mais ce problème peut être résolu si les images de longueur d'onde hl et A2 sont analysées en même temps. Ce résultat peut être atteint par exemple, en utilisant un détecteur matriciel ayant deux fois plus de lignes (576x768) et en commandant indépendamment les tensions de puits quantiques des lignes paires et des lignes impaires et en affectant dans les trames paires les lignes paires à l'image de longueur d'onde hl et les lignes impaires à l'image de longueur d'onde A2 .Les lignes impaires peuvent alors être traitées de façon connue par interpolation ligne à ligne pour foumir un équivalent aux lignes paires d'image à la fréquence A2. Les trames impaires sont traitées de façon similaire à la différence cependant que ce sont les lignes impaires qui forment l'image de longueur d'onde hl, et que les lignes paires forment l'image de fréquence A2 par un procédé d'interpolation ligne à ligne. Une autre solution peut aussi consister à utiliser comme détecteur matriciel une matrice MPQ de 288 x 768 pixels mais possédant des pixels doubles à détecteurs superposés. II faut dans ce cas que les tensions de commande des deux détecteurs d'un même pixel soient accessibles séparément pour pouvoir ajuster la longueur d'onde A2 comme indiqué précédemment. Une seule tension commune aux deux détecteurs reste toutefois envisageable si l'écart AA=A1-A2 ne varie pas trop dans la zone d'ajustement. Cette solution présente naturellement l'avantage sur la précédente de remplir complètement les conditions de superposition spatiale et temporelle des deux images de longueurs d'onde B1 et A2. Naturellement les différents modes de réalisation de l'invention qui viennent d'être décrits ne sont pas uniques et on conçoit que ceux ci peuvent encore subir certaines modifications sans pour autant sortir du cadre même de l'invention. Ceci vaut par exemple pour le dispositif de visualisation 8 qui peut très bien être formé par un écran monochrome bien qu'un écran de visualisation fausse couleur soit préférable au sens où il procure au pilote un certain confort d'utilisation. II suffit pour cela d'adjoindre un organe de calcul qui va déterminer pour chaque point de l'image le rapport A1/x2, en déduire une échelle de distance et coder le niveau vidéo en fonction de la distance à l'aide d'une table de correspondance qui ne sera pas forcément linéaire. Cette table peut toujours être établie à la suite de calculs et de simulation d'images, ou tout simplement à la suite d'essais et de mesures sur le terrain. Egalement, la réalisation du dispositif selon l'invention n'est pas non plus limitée au fonctionnement qui vient d'être décrit dans la bande 8-12pm. II est également possible de transposer ce même dispositif pour lui permettre également de fonctionner dans tout autre bande, comme par exemple la bande 3-5 pm comme le montre la figure 5, en choisissant par exemple les longueurs d'onde de fonctionnement B1=4 pm et X2=4,6 pm ce qui reste compatible avec le fonctionnement des détecteurs MPQ. On conçoit également que les modes de réalisation de l'invention décrits précédemment sont également transposables à n'importe quel autres standards vidéo et notamment aux standards 525 lignes/60HZ format 4 x 3 ou lxi ou TVHD format 4 x 3,1 x 1, 16/9 etc... En effet, le nombre de points de la matrice peut être quelconque, et le système peut fonctionner également avec un détecteur à balayage barrette ou multi barrette. Revendications 1. Dispositif optronique d'aide au pilotage de nuit pour aéronefs comportant un moniteur couleur couplé à une caméra infrarouge par l'intermédiaire de circuits de mise en forme de signaux vidéo foumis par la caméra pour visualiser des images en fausse couleur d'une scène observée, chaque couleur identifiant une distance séparant chaque point de la scène observée de la caméra caractérisée en ce qu'elle comprend un détecteur matriciel à multipuits quantiques (1) disposé dans le plan image de l'objectif (2) et foumissant à partir d'une tension de commande appliquée sur une de ses entrées, des signaux vidéo représentatifs d'une première image et d'une deuxième image de la scène observée, filtrées respectivement dans deux bandes spectrales étroites centrées respectivement sur une première et une deuxième longueur d'onde déterminée (A1,A2), la première bande spectrale étant située dans la partie du spectre non atténuée de l'atmosphère et l'autre bande spectrale étant située au bord de la partie atténuée du spectre de la lumière dans l'atmosphère, ainsi qu'un premier circuit de mise en forme (6) et un deuxième circuit de mise en forme (7) couplé à la sortie du détecteur matriciel (1) par l'intermédiaire d'un commutateur (5) pour appliquer sélectivement les signaux vidéo représentatifs de la première et de la deuxième image sur des entrées de canal image respectives du moniteur couleur (8). 2. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comprend un générateur (9) de la tension de commande du détecteur à puit quantique (1) commandé par la sortie d'un dispositif de calcul (10) du niveau relatif des premier et deuxième signaux vidéo obtenus en sortie du commutateur (5). 3. Dispositif selon la revendication 2 caractérisé en ce que le niveau de la tension de commande appliquée sur le détecteur à puits quantique (1) est déterminé à partir du dispositif de calcul (10) pour maintenir la première bande spectrale de l'image centrée sur la première longueur d'onde (X1 ) et ajuster la deuxième longueur d'onde X2 pour que le rapport de niveau entre les premier et deuxième signaux vidéo reste en moyenne à peu près constant. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif d'entrelacement (3) interposé entre l'objectif (2) et le détecteur matriciel à puits quantique (1). 5 Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé en ce qu'il comprend un séquenceur (4) de trames paires et impaires couplé à un générateur (9) de commande du détecteur à puits quantique (1) pour commander indépendamment les tensions des puits quantiques des lignes paires et impaires en affectant dans les trames paires les lignes paires de la première image de longueur d'onde A1 et les lignes impaires à l'image de longueur d'onde A2. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 caractérisé en ce que la première bande spectrale est centrée autour d'une longueur d'onde XI d'environ 9 pm et la deuxième bande spectrale est centrée autour d'une longueur d'onde d'environ 8,5 pm. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 caractérisé en ce que la première bande spectrale est centrée autour d'une longueur d'onde d'environ 4clam et la deuxième bande spectrale est centrée autour d'une longueur d'onde d'environ 4,6 clam.