Brevet FR2755337A1 — publié le 19980430

La présente invention concerne un système de caméra et, en particulier, un système de caméra destiné à la surveillance au sol et à la détection à distance à partir de l'espace. Des systèmes de caméra de surveillance à partir de l'espace susceptibles d'effectuer une imagerie o la distance d'échantillonnage est de moins de 10 mètres sont bien connus. Mais ces systèmes sont onéreux et les coûts deviennent très élevés, en atteignant par exemple $2 milliards, pour des systèmes qui permettent une imagerie encore plus fine, par exemple de moins de 1 mètre. Un exemple d'un système connu de caméra qui est susceptible de réaliser une imagerie à basse résolution est le système BADR-B qui consiste en optiques de lentilles pour focaliser l'image lumineuse sur un réseau carré de dispositifs de transfert de charges, ou CCD selon les initiales du terme anglo- saxon: charge coupled device. La présente invention cherche à réaliser un système de caméra qui soit susceptible d'effectuer une imagerie qui permette une distance d'échantillonnage au sol inférieure à 1 mètre en réduisant significativement les coûts d'ensemble du système de caméra par rapport à des systèmes connus. La présente invention réalise un système de caméra caractérisé en ce qu'il comprend: une série de détecteurs d'objets, chaque détecteur d'objets comprenant un réseau implanté conformément aux pixels, de dispositifs de transfert de charge, ou CCD, et un agencement optique plié de miroirs pour focaliser un objet sur la série de détecteurs d'objet; en ce que le nombre de pixels à CCD de chaque réseau implanté conformément aux pixels, dans un plan orthogonal à la direction de balayage du système de caméra, est supérieur au nombre de pixels à CCD dans un plan parallèle à la direction de balayage et en ce que la série des détecteurs d'objet est alignée de façon sensiblement linéaire. Chaque détecteur d'objet peut être positionné sensiblement dans le plan focal du système de caméra. Que ce soit ou non le cas, au moins l'une des extrémités de chaque détecteur d'objet peut recouvrir partiellement une extrémité d'un détecteur adjacent d'objet. Le système peut comprendre en outre un circuit d'adressage pour adresser les pixels à CCD de chacun des réseaux implnatés conformément aux pixels, le circuit d'adressage étant apte à exécuter une intégration de retard de temps des sorties en provenance des pixels à CCD. On peut alors prévoir que chaque réseau, implanté conformément aux pixels, de CCD soit divisé en une série de secteurs adressables séparément et que le circuit d'adressage soit connecté séparément à chaque secteur adressable, ce qui permet une lecture parallèle des sorties de chaque secteur. Le système de caméra peut être un dispositif d'imagerie du type appelé push-broom, littéralement à balai de poussée. L'agencement optique plié de miroirs peut être un agencement de télescope hors axe. Lorsque l'agencement des miroirs est du type de télescope hors axe, il peut comporter une pupille décentrée. Le rapport entre le nombre de pixels à CCD dans un plan orthogonal à la direction de balayage du système de caméra et le nombre de pixels à CCD dans un plan parallèle à la direction de balayage peut être d'au moins 2: 2. On peut alors prévoir que le rapport soit d'au moins 10: 1, et en particulier, que. le rapport soit voisin de 64: 1. La résolution au sol atteinte par le système peut être d'au moins 4 m, et même sa résolution au sol peut être d'au moins 1 m. La présente invention réalise un système de caméra qui peut atteindre, à partir de l'espace, une distance d'échantillonnage au sol inférieure à 4 mètres et, selon un mode de réalisation préféré, d'environ 1 mètre, selon une structure modulaire qui assure que le système est plus compact et plus léger que des systèmes classiques. Puisque le système de caméra est prévu pour être utilisé en orbite dans l'espace, les dimensions et le poids du système de caméra sont un facteur important puisqu'ils déterminent la facilité et les coûts de positionnement en orbite du système de caméra. En outre, la présente invention permet de réaliser, par comparaison avec des systèmes classiques, des économies d'environ un ordre de grandeur pour le coût d'ensemble du système de caméra. Les buts, avantages et particularités de la présente invention ressortiront mieux de la description qui suit d'un mode de réalisation préféré, qui sert d'exemple, en se référant aux dessins annexés dans lesquels: la Figure 1 est un schéma d'un système à 3 miroirs formant le système optique de la présente invention; la Figure 2 est un schéma d'un détecteur à CCD du système de caméra de la présente invention; et la Figure 3 est un schéma d'un agencement de détecteurs à CCD du système de caméra de la présente invention. Il faut comprendre que se référer ici à un réseau linéaire de pixels à CCD consiste à se référer à un réseau de pixels à CCD dans lequel le nombre de pixels individuels est beaucoup plus grand dans un plan orthogonal à la direction de balayage du système de caméra que le nombre de pixels dans un plan parallèle à la direction de balayage. Le rapport entre le nombre de pixels à CCD dans un plan orthogonal à la direction de balayage et le nombre de pixels à CCD dans un plan parallèle à la direction de balayage est supérieur à 2: 1. De préférence, le rapport minimal est de : 1, et idéalement, le rapport est de 64: 1. Le système de caméra qui réalise une surveillance au sol et une détection à distance à partir de l'espace consiste en un système optique plié représenté à la Figure 1 qui focalise, sur une série de réseaux de détecteurs à CCD représentés à la Fig. 3, des objets situés dans la bande des ondes visibles. Une détection par infrarouges peut également être réalisée, mais la résolution est alors réduite. En utilisant un système optique plié, les dimensions d'ensemble du système de caméra peuvent être réduites. Le système de caméra est un système d'imagerie du type à balai de poussée, qui est de structure modulaire et comprend plusieurs longs réseaux linéaires de CCD agencés orthogonalement à la direction de balayage S, qui est la direction selon la piste de balayage. Le système de caméra est prévu pour fonctionner à une altitude quelconque. Par exemple, à une altitude de 600 km, la vitesse équivalente au sol est approximativement de 6,91 km/s. Ceci implique que la caméra surveille 1 m sur le sol en un laps de temps d'environ 145 ps. Pour une résolution o la distance d'échantillonnage au sol est de 1 m, ceci signifie que chaque détecteur doit pouvoir être lu en 145 gs. A des altitudes plus élevées, il faut des longueurs focales plus grandes pour la même distance d'échantillonnage au sol, ce qui augmente donc les dimensions et le poids du système de caméra. Le système optique est basé sur une structure 2 de télescope à trois miroirs hors axe, comme représenté à la Figure 1, qui est un agencement optique de miroirs bien connu. Le télescope hors axe exerce un effet déflecteur vis-à-vis des lumières parasites, ce qui est particulièrement important lorsque le système de caméra doit être utilisé, comme dans le cas présent, pour effectuer une imagerie de la terre, et non une détection astronomique. Le système 2 à trois miroirs comporte une pupille décentrée de façon qu'il n'existe aucune obstruction centrale dans le faisceau. Dans le cas contraire, de telles obstructions peuvent réduire de façon significative le contraste d'image. Cependant, l'utilisation d'une pupille décentrée réduit le champ d'observation dans le plan de décentrage de la pupille tandis que le champ de vision dans le plan orthogonal reste sensiblement non affecté. Pour cette raison, on ne considère classiquement pas la structure à pupille décentrée comme l'option préférée. Mais, puisque les détecteurs de caméra sont agencés en un réseau linéaire dans la structure de caméra décrite ici, une perte du champ d'observation dans un plan n'affecte pas la performance du système de caméra puisque le plan de décentrage de pupille est aligné transversalement au réseau des détecteurs. Les miroirs 4 sont généralement de forme asphérique pour constituer des structures à diffraction limitée. Dans la mesure du possible, on n'utilise que des formes à sections coniques, pour permettre des tests précis des miroirs individuels pendant la fabrication, avant l'assemblage du système. Une diffraction à la pupille d'entrée du système définit une limite ultime à la résolution qui peut être atteinte. Cependant, à la différence d'une détection astronomique dans laquelle l'image est interprétée comme un ensemble d'images ponctuelles, l'image est étendue dans le cas d'une détection au sol, ce qui signifie que l'image est une carte à distribution d'intensité bidimensionnelle dans laquelle l'information souhaitée est l'agencement spatial et le contraste dans la répartition d'intensité. Une information concernant le contenu spectral de l'image peut également être requise. Ces exigences d'imagerie affectent elles-mêmes la définition de la résolution optique souhaitée par exemple dans le cas o des structures incluses dans un objet étendu sont suffisamment petites pour que leurs images soient dégradées par diffraction, bien que l'objet étendu dans son ensemble soit plus grand que la limite de diffraction. De telles structures sont reproduites dans une certaine mesure dans l'image, mais leur contraste dans l'image est moindre que pour des structures plus grandes. Pour traiter ce problème, la résolution du système est spécifiée en utilisant la fonction de transfert de contraste ou fonction de transfert de modulation, désignée par MTF selon les initiales du terme anglo-saxon Modulation Transfert Function, qui spécifie une résolution en termes de la variation de contraste dans l'image en fonction des dimensions de la structure d'image, en cycles par millimètre. A une altitude orbitale de 600 km, le système de caméra exige une pupille d'entrée ou diamètre d'ouverture d'environ 0,5 m, si le disque d'Airy, pour la lumière visible, c'est-à-dire le point central brillant dans le système d'anneaux de diffraction formés par la source ponctuelle, est d'un diamètre 7 2755337 ? approximatif de 1,5 m sur le sol. Ceci signifie que la fonction de transfert de modulation de l'image produite par le système de caméra diminue à zéro pour des objets dont les dimensions sont de 1,5 m ou moins. Les dimensions du plus petit objet résoluble varient de façon inversement proportionnelle à la dimension d'ouverture d'entrée et directement proportionnelle à la longueur d'onde. Pour enregistrer les images focalisées par le système optique plié 2 de miroirs, le système de caméra comporte plusieurs réseaux 6 de détecteurs. Chaque réseau 61, 62, 63, 64 de détecteurs consiste en un réseau linéaire de dispositifs de transfert de charges, dont quatre sont représentés à la Figure 3. Les réseaux 6 de détecteurs sont alignés de façon sensiblement linéaire le long d'un plan 0, orthogonal à la direction S de balayage du système de caméra. Le plan 0 définit la largeur de rangée du système de caméra. Comme on peut clairement le voir, chacun des réseaux de détecteurs recouvre partiellement un réseau adjacent le long d'au moins l'une des extrémités. Ainsi, dans le cas du réseau 61 situé le plus à gauche à la Figure 3, l'extrémité côté droit du réseau 61 recouvre l'extrémité côté gauche du réseau adjacent 62, et ainsi de suite. Le réseau de CCD comporte de préférence des pixels de 12 gm, agencés selon un réseau à intégration de retard de temps, ou TDI selon les initiales du terme anglo-saxon Time Delay Integration, de 8192 x 128, comme représenté à la Figure 2. Ceci permet une couverture totale de plan focal de 4 x 8000 pixels. Le fait que les pixels ne sont pas infiniment petits exerce cependant l'effet de dégrader légèrement la fonction de transfert de modulation. Le registre de lecture 8 est agencé le long de l'un des bords longs, ou longitudinaux, du réseau, et il est divisé de préférence en 8 sous-registres pourvus chacun de son port de sortie parallèle: 8a à 8h. Ceci permet une lecture parallèle qui permet d'augmenter huit fois, par exemple, la fréquence effective de lecture de trame. Lorsque des résolutions plus grandes sont acceptables, des sous-registres 8a à 8h peuvent être groupés de façon que le faisceau soit lu par quatre des huit ports potentiels. Ainsi, le système de caméra permet d'optimiser le nombre de canaux parallèles de traitement et de numérisation de signaux vidéo qui sont nécessaires, ce qui permet dès lors une optimisation de la cadence de lecture de pixels. Le grand axe du réseau, qui s'étend sur 8192 pixels, est aligné avec la rangée O du système de caméra, de sorte qu'il existe 128 lignes de CCD alignées avec la direction de balayage S. Tandis que le système de caméra parcourt son orbite autour de la terre, l'image projetée sur les pixels traverse les 128 lignes de CCD vers le registre de lecture 8 à une cadence qui est déterminée par la vitesse équivalente au sol et la configuration optique. L'intégration de retard de temps permet à l'image d'être "rythmée" à la même cadence tandis qu'elle traverse le réseau. Ceci signifie que l'image est intégrée sur elle-même 128 fois tandis qu'elle traverse le réseau et que tout problème de marbrure d'image peut être évité. Ainsi, la sensibilité du réseau de CCD à intégration de retard de temps à 128 lignes est effectivement 128 fois plus grande que celle d'un détecteur classique à CCD, à une ligne. Les 128 lignes de CCD à intégration de retard de temps sont de préférence groupées par exemple en quatre batteries 10, 12, 14, 16, de 32 lignes de pixels chacune, comme représenté à la Figure 2. Ainsi, la première batterie 10 groupe les lignes 1 à 32 du réseau de pixels, la batterie 12 groupe les lignes 33 à 64, la batterie 14 groupe les lignes 65 à 96 et la batterie 16 groupe les lignes 97 à 128. Chaque groupe est rythmé 18 indépendamment et permet aux lignes de pouvoir être sélectionnées. Par exemple, certaines des lignes peuvent être rythmées, si nécessaire, en sens inverse vers une diode 20 de drain "d'extraction", représentée à la Figure 2 sur le port longitudinal opposé du réseau, opposé au registre de lecture 8. A la Figure 2, la flèche I représente la direction nominale du transfert de charge pendant une intégration d'image tandis que la flèche D représente la direction du transfert de charge pendant une "extraction" d'image. La possibilité de sélectionner le nombre de lignes qui sont utilisées dans une intégration donnée fournit une forme de commande d'exposition et permet un ajustement limité pour des conditions variables d'éclairage pendant le parcours de l'orbite. Le rythme, la commande et la lecture des détecteurs sont simples. Une compression de données et un chiffrage peuvent être effectués pour une utilisation efficace et sûre du système de caméra. Chaque réseau 6 de CCD intervient comme canal unique de détecteur. Dans le cas du système de caméra décrit ici, plusieurs canaux de détecteurs sont agencés, de préférence quatre, pour permettre une couverture accrue de rangées. Comme représenté à la Figure 3, les quatre canaux 61, 62, 63, 64 de détecteurs sont agencés dans le plan focal le long de la rangée O, c'est-à-dire de façon orthogonale à la direction de balayage, et les canaux de détecteurs sont décalés, comme mentionné précédemment, de façon à réaliser un léger recouvrement entre chacun des réseaux de CCD. Ceci assure qu'il n'existe aucun intervalle dans l'image obtenue ultérieurement à partir des quatre détecteurs, après l'intégration de retard de temps. Par exemple, le recouvrement peut être d'approximativement 192 pixels. La longueur d'ensemble du détecteur est donc d'environ 38 cm. Puisque les dimensions de chaque pixel sont de 12 Mm, le réseau linéaire des quatre détecteurs, qui correspond à environ 32000 éléments, exige un champ d'image de 384 mm dans l'une des dimensions. L'exigence de champ de l'autre dimension est plus faible. Pour une longueur focale effective de 7200 mm, ceci correspond à un angle de champ de 1,520. Le système de caméra représenté à la Figure 3 donne une rangée de 32 km lorsque le système de caméra est établi pour une distance d'échantillonnage au sol de 1 m par pixel. Dans des circonstances o une moindre résolution au sol suffit, par exemple 4 m, 10 m ou davantage par pixel, la longueur focale de l'instrument diminue, ce qui diminue donc les dimensions et le poids du système de caméra. De plus, les détecteurs peuvent être lus plus lentement parce que le temps pris pour parcourir 4 m au sol est plus grand, selon un facteur de 4. Puisque le système de caméra doit être transporté dans l'espace et qu'il est prévu pour être en orbite autour de la terre, les matières employées sont particulièrement importantes. Par exemple, du béryllium et du carbure de silicium permettent une réduction de poids et une rigidité accrue par rapport à d'autres matières employées classiquement dans ce domaine. Le système de caméra décrit permet de réaliser des images du sol de haute résolution en employant un système plus compact et plus léger que les systèmes classiques. De plus, le système de caméra offre un degré de flexibilité, tant en ce qui concerne la résolution que la cadence de données, qui dépend d'un ensemble particulier d'exigences. On réalise évidemment que des variantes de valeurs de détecteurs de canaux et de pixels dans chaque réseau peuvent être utilisées sans s'écarter du concept d'ensemble du système de caméra qui implique un réseau linéaire de détecteurs et un système d'imagerie plié à 3 miroirs. REVENDICATIONS 1. Système (2) de caméra caractérisé en ce qu'il comprend: une série de détecteurs (6) d'objets, chaque détecteur (6) d'objets comprenant un réseau (61, 62, 63, 64), implanté conformément aux pixels, de dispositifs de transfert de charge, ou CCD, et un agencement optique plié de miroirs (4) pour focaliser un objet sur la série de détecteurs (6) d'objet; en ce que le nombre de pixels à CCD de chaque réseau (61, 62, 63, 64) implanté conformément aux pixels, dans un plan (0) orthogonal à la direction de balayage du système (2) de caméra, est supérieur au nombre de pixels à CCD dans un plan parallèle à la direction de balayage (S) et en ce que la série des détecteurs (6) d'objet est alignée de façon sensiblement linéaire. 2. Système (2) selon la revendication 1 caractérisé en ce que chaque détecteur (6) d'objet est positionné sensiblement dans le plan focal du système (2) de caméra. 3. Système (2) selon la revendication 1 ou la revendication 2 caractérisé en ce que au moins l'une des extrémités de chaque détecteur (6) d'objet recouvre partiellement une extrémité d'un détecteur adjacent (6) d'objet. 4. Système (2) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un circuit d'adressage pour adresser les pixels à CCD de chacun des réseaux (61, 62, 63, 64) implantés conformément aux pixels et en ce que le circuit d'adressage est apte à exécuter une intégration de retard de temps des sorties en provenance des pixels à CCD. 5. Système (2) selon la revendication 4 caractérisé en ce que chaque réseau (61, 62, 63, 64), implanté conformément aux pixels, de CCD est divisé en une série de secteurs adressables séparément et en ce que le circuit d'adressage est connecté séparément à chaque secteur adressable, ce qui permet une lecture parallèle des sorties de chaque secteur. 6. Système (2) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le système (2) de caméra est un dispositif d'imagerie à balai de poussée. 7. Système (2) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'agencement optique plié de miroirs (4) est un agencement de télescope hors axe. 8. Système (2) selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'agencement de télescope hors axe, des miroirs (4), comporte une pupille décentrée. 9. Système (2) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le rapport entre le nombre de pixels à CCD dans un plan (0) orthogonal à la direction de balayage du système (2) de caméra et le nombre de pixels à CCD dans un plan parallèle à la direction (S) de balayage est d'au moins 2: 2. 10. Un système (2) de caméra selon la revendication 9, caractérisé en ce que le rapport est d'au moins 10: 1. 11. Système (2) selon la revendication 10, caractérisé en ce que le rapport est voisin de 64: 1. 12. Système (2) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la résolution au sol atteinte est d'au moins 4 m. 13. Système (2) selon la revendication 12, caractérisé en ce que la résolution au sol atteinte est d'au moins 1 m.