Brevet FR2780522A1 — publié le 19991231

a-11, 2780522 PROCEDE ET DISPOSITIF POUR LA PRISE DE VUE A HAUTE RESOLUTION GEOMETRIOUE A BORD D'UN MICROSATELLITE La présente invention concerne un procédé et un dispositif pour la prise de vue à haute résolution géométrique à bord d'un microsatellite. Pour obtenir une haute résolution géométrique avec en même temps une grande largeur de javelle, des capteurs de rangée à CCD sont utilisés dans les systèmes de caméra pour les applications de satellite. Lors de l'augmentation de la résolution géométrique à une hauteur d'orbite donnée, il faut accepter une diminution de l'énergie incidente sur un élément d'image. Afin de compenser en cas d'augmentation de la distance focale de la caméra et de diminution simultanée du champ de visée de pixels la quantité d'énergie qui diminue au niveau du détecteur, deux solutions possibles se présentent: i l'agrandissement de l'ouverture de l'objectif 2 la prolongation du temps d'intégration. L'agrandissement linéaire du diamètre d'objectif nécessaire pour l'agrandissement de la distance focale s'accompagne d'un accroissement cubique de la masse et du volume de l'objectif. Le raccourcissement du temps d'intégration avec la diminution de la taille des pixels au sol aboutit à un agrandissement supplémentaire du diamètre d'objectif. La première solution possible n'est pas envisageable pour l'application de microsatellites puisque ceux-ci doivent seulement présenter une masse très réduite. Le temps d'intégration tit pour des caméras de rangée à CCD fonctionnant en mode "push-broom" est choisi pour être inférieur ou au plus égal au temps tdw, qui est nécessaire pour décaler la projection d'un élément d'image à CCD sur la surface de la terre d'une mesure de pixel ti, rapport signal/ bruit peut être obtenue avec une disposition fixe plate- forme de satellite/ objectif/ plan focal par le principe TDI ("Time Delay and Integration"; Riichi Nagura: "SN Improvement Ratio by Time Delay and Integration for High-Resolution Earth Observatorium System Electronics and Communication in Japan", partie 1, vol. 78, 1995, n 3, pages 74-84). Dans le principe TDI avec n rangées à CCD, le déplacement du satellite et le brouillage de la piste au sol dû à celui-ci est compensé par un balayage à n reprises d'une projection de rangée sur la surface de la terre et une accumulation consécutive de l'information de n rangées décalée respectivement de une fois t11. Pour obtenir cet effet, le dispositif de détecteur doit traiter et comprimer les vitesses de transmission de données multipliées par n. Les moyens nécessaires à cet effet pour les circuits électroniques et l'énergie électrique nécessaire ne permettent pas des applications pour microsatellites. D'après DE 19 502 045, un dispositif pour la prise de vue à haute résolution géométrique à bord de.:satellites est connu dans lequel la plate- forme de caméra est poursuivie au moyen d'une poursuite à l'opposé du vecteur de vitesse du satellite ou le plan focal est poursuivi au moyen de servomoteurs piézo-électriques de sorte que l'effet de brouillage du déplacement de satellite est compensé pendant le temps tda multiplié par n. Les.. impulsions mécaniques générées par le déplacement des masses, à savoir de la plate-forme et de la caméra ou du plan focal avec les composants électroniques pour l'excitation et la lecture des CCD, des composants pour la stabilisation thermique, ainsi que le câblage nécessaire à cet effet, ne doivent pas être négligées avec la faible masse propre du microsatellite et s'opposent à. une haute résolution géométrique de sorte qu'il n'est pas possible d'avoir recours à des mesures de compensation de ce type pour des applications à bord d'un microsatellite. L'invention est donc basée sur le problème technique consistant à prévoir un procédé et un dispositif pour la prise de vue à haute résolution géométrique à bord d'un microsatellite. Par la disposition fixe de l'objectif et du plan focal, entre lesquels une optique intermédiaire est disposée de façon à pouvoir être déplacée au moyen d'un dispositif de positionnement et de rappel, la durée d'action de l'énergie sur le détecteur optique est prolongée pour chaque élément d'image, les éléments d'image étant balayés simplement après la poursuite complète. En raison de la faible masse de l'optique intermédiaire par rapport à l'objectif et au plan focal, les impulsions mécaniques générées sont négligeables tandis que les moyens pour le traitement des données n'augmentent pas en raison du balayage simple, contrairement au procédé TDI. Dans un mode de réalisation préféré, l'optique intermédiaire comprend un dispositif de renvoi de rayon, de sorte que le plan focal peut être disposé dans une large mesure de façon indépendante de l'objectif ce qui permet une construction compacte du microsatellite. Le dispositif de renvoi de rayon peut être composé par exemple de fibres ou prismes optiques, mais de préférence il se compose d'au moins un miroir. Dans un autre mode de réalisation, l'optique intermédiaire comprend un adaptateur optique de champ de visée qui est réalisé entre le dispositif de renvoi de rayon et le plan focal, et est réalisée par exemple comme une lentille convexe. Pour réaliser le déplacement de poursuite, le dispositif de miroir ou l'adaptateur de champ de visée est alors réalisé de façon mobile pour compenser le déplacement propre du microsatellite. Le détecteur optique plan est par exemple réalisé comme une matrice à CCD. Cependant, puisque les matrices à CCD coûtent très chères, le détecteur optique plan est de préférence réalisé par n rangées à CCD disposées en continu. Le dispositif de positionnement et de rappel est réalisé par exemple comme un actionneur piézo-électrique ou un moteur pas-à-pas, auxquels un ressort de rappel peut éventuellement être affecté pour ramener l'optique intermédiaire plus rapidement à la position initiale. Cependant, de préférence, l'optique intermédiaire est intégrée au moins en partie dans le dispositif de positionnement et de rappel. A cet effet, le miroir et le dispositif de positionnement et de: rappel sont fabriqués au moyen de processus d'attaque chimique sélectifs adéquats comme un micromiroir rotatif intégré avec des actionneurs affectés. L'avantage de ces composants fabriqués au moyen de la technique de microsystème réside dans leurs très faibles volume et poids. L'invention est expliquée plus en détail ci-après à l'aide d'un mode de réalisation préféré... La figure 1 montre une représentation schématique d'une photo selon le procédé "pushbroom" (état de l'art) la figure 2 montre une représentation schématique d'une photo avec une durée d'action d'énergie multipliée par n; et la figure 3 montre une représentation schématique d'un dispositif pour la prise de vue:. à haute:,résolution géométrique à bord d'un a. microsatellite. Sur la figure 1, les conditions lors de la prise de vue à bord d'un satellite ou d'un avion selon le procédé "pushbroom" sont représentées schématiquement, le satellite ou l'avion se déplaçant à une vitesse v ai-dessus de la surface. d'observaton,. par exemple la surface de la terre. Un élément d'image 1 du détecteéur optique, qui est par exemple réalisé comme une rangée à CCD, voit alors un certain élément de pixel au sol 2 à un instant t. A l'instant t2, o tdu = t,-t, l'élément d'image 1 est décalé d'un élément de pixel au sol 2. En raison de l'exigence que le brouillage de pixel au sol doit être alors réalisé de préférence par trois rangées à CCD disposés en continu. A l'instant t, le miroir 5 est orienté par un dispositif de positionnement et de rappel non représenté de telle sorte que le rayonnement provenant des pixels au sol 2 qui forment une scène est reproduit complètement sur le détecteur 6. A l'instant t., o le dispositif 3 s'est déplacé plus loin d'un pixel au sol 2, le miroir 5 a été:pivoté de telle sorte que le détecteur optique 6 est à nouveau complètement éclairé, le mouvement de pivotement suivant le déplacement de préférence en continu. A l'instant t, le dispositif 3 s'est déplacé d'un autre pixel au sol et le miroir 5 est à nouveau pivoté de telle sorte que le détecteur optique 6 est à nouveau complètement éclairé par le rayonnement provenant des trois pixels au sol. Le temps d'intégration possible tt a ainsi triplé. A l'issue de l'instant t, le détecteur optique 6 est alors balayé simplement et les pixels de capteur sont lus. Par l'intermédiaire du dispositif de rappel, le miroir 5 est alors ramené à sa position initiale et la photo suivante d'une scène immédiatement consécutive peut être prise. il est donc clair que n éléments de scène, en'.forme de rangées, consécutifs, sont regroupés en une scène et projetés en même temps sur le plan: focal 7. Le déplacement relatif des éléments de scène en raison du déplacement propre du microsatellite est alors compensé par le déplacement inverse régulé de l'optique intermédiaire. Sur la figure 3, un autre mode de réalisation préféré du dispositif 3 est représenté. Sur un plan focal 7, le détecteur optique 6 est disposé qui est réalisé par n rangées à CCD disposés en continu dont seules les deux rangées extérieures sont représentées dans un souci de clarté. Entre le miroir 5 et le plan focal 7, un adaptateur de champ de visée 8 réalisé comme une lentille convexe est disposé qui est réalisé de façon à être mobile perpendiculairement à l'axe optique. Par l'intermédiaire d'une électronique frontale 9, le détecteur optique 6 est alors lu quand la prise de vue d'une scène a été effectuée et numérisé par un convertisseur A/N placé en aval. Les données d'image numérisées sont alors mémorisées dans une mémoire de masse 11 et éventuellement envoyées à une station au sol. Etant donné que l'énergie au détecteur optique 6 est inversement proportionnelle au carré du rapport d'ouverture distance focale/ diamètre d'objectif, le diamètre d'objectif peut être diminué au maximum de la racine carrée de n.- L'exemple de calcul suivant sert à mieux expliquer l'invention Hauteur du satellite H = 500 km Distance de balayage des éléments à CCD =5 7 km .-. Distance focale: f= 1 m En utilisant l'optique limitée par diffraction, soit approximativement selon la théorie de balayage S__ Pour la distance de balayage 8 = 7 prm, avec une distance focale f = 1 m, le diamètre d'objectifl de l'ouverture d'objectif peut être choisi à D = 36 mm. Dans cette configuration, la dimension des pixels au sol X est X = 3,5 m et le temps td,,, = 0,5 ms. Si un rapport d'ouverture F/D = 4 (correspondant à D = 250 mm) est nécessaire pour l'excitation d'un CCD concret dans une caméra dans la plage panchromatique, par exemple X = 0,5 gm...0,75 Pm le résultat de D = 36 mm, f = 1 m, f/D = 28 et le signal étant s = (D/f)2 serait une prolongation du temps d'intégration d'environ 50. Il faudrait donc que n = 50 rangées à CCD soient disposées en parallèle dans le plan focal. Le convertisseur A/N devrait être configuré pour k = 12000 éléments de détecteur par rangée à CCD pour une vitesse de balayage de DRccD = DRADW = K/tdwe, = 24 MSamples/s. Le système de caméra remplirait la mémoire de masse de façon correspondante avec 24 Mpixels/s. Avec une largeur de mot de 8 binaires, une image carrée de 12000 x 12000 pixels produirait un volume de données de 144 Mo 1,2 Gbit qui est généré dans un délai de tqadrat = 6 s. REVENDICATIONS 1. Dispositif pour la prise de vue à haute résolution géométrique à bord d'un microsatellite, comprenant un objectif et un plan focal sur lequel est installé un détecteur optique plan, caractérisé en ce que l'objectif (4) et le plan focal (7) sont fixés solidement au microsatellite et entre l'objectif (4) et le plan focal (7) une optique intermédiaire est disposée qui peut être déplacée au moyen d'un dispositif de positionnement et de rappel. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'optique intermédiaire comprend un dispositif de renvoi de rayon. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le dispositif de renvoi de rayon se compose d'au moins un miroir (5). 4 Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'optique intermédiaire comprend un adaptateur optique de champ de visée (8) qui est disposé entre le dispositif de miroir (5) et le plan focal (7). 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que le dispositif de miroir (5) et/ou l'adaptateur optique de champ de visée (8) peuvent être déplacés par le dispositif de positionnement et de rappel, l'adaptateur optique de champ de visée (8) étant mobile perpendiculairement à l'axe optique du plan focal (7). 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le détecteur optique plan (6) est réalisé par un nombre de rangées à CCD qui sont disposées en continu sur le plan focal (7). 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dispositif de positionnement et de rappel est réalisé comme un actionneur piézo-électrique ou un moteur pasà-pas. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 3 à 6, caractérisé en ce que le miroir est réalisé comme un micromiroir intégré avec un dispositif intégré de positionnement et de rappel. 9. Procédé pour la prise de vue à haute résolution géométrique à bord d'un microsatellite, au moyen d'un dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que par un réglage périodique du dispositif de positionnement et de rappel, l'optique intermédiaire qui se trouve en connexion opérationnelle avec celui-ci est poursuivie de telle sorte que le rayonnement provenant d'une surface à photographier éclaire le détecteur optique (6) toujours complètement de sorte que la durée d'action de l'énergie sur le détecteur optique (6) est prolongée et le détecteur optique (6) est lu et balayé simplement après le rappel de l'optique intermédiaire.