Brevet FR2774164A1 — publié le 19990730

La présente invention concerne un système optique pour l'observation avec plusieurs télescopes individuels ayant dans leur plan focal un réseau de détecteurs. Un tel système optique est connu selon le docu- ment US-A-4 713 533. Selon le document "K. Stahl et G. Miosga, Infra- rottechnik, 2 Heidelberg: H thig 1086, p. 222-233", on con- naît des satellites de reconnaissance dans lesquels des dispositifs de balayage de ligne, optomécaniques, génèrent des images dans différents canaux spectraux avec des pixels se chevauchant simultanément pour donner une image. Selon le document US-A-5 581 399, on connaît un double télescope avec des capteurs d'image. L'un des capteurs d'image est un capteur à composants CCD. Selon le document DE 3 731 844 A1, on connaît un dispositif pour la détection de la surface de terrain avec plus de deux télescopes. Selon le document DE-AS 1203010, on connaît deux objectifs basculés l'un vers l'autre dans un dispositif à plusieurs télescopes. Dans d'autres systèmes connus pour l'observation optique terrestre, dans la mesure o il s'agit de l'observation dans un seul canal spectral, on utilise un seul télescope avec un réseau de détecteurs dans son plan focal. Pour augmenter la capacité, c'est-à-dire la résolution au sol, il était nécessaire d'utiliser des télescopes avec une distance focale aussi grande que possible en même temps qu'une ouverture aussi grande que possible, en supposant comme constantes l'altitude et la taille des éléments de dé- tecteur. Comme cela est connu, la distance focale est liée selon une relation linéaire à l'altitude et à la résolution. C'est pourquoi pour doubler la résolution, il faut doubler la distance focale, ce qui double en même temps la longueur de construction d'un tel télescope. L'ouverture est combinée de façon linéaire avec la résolution par l'intermédiaire de la réfraction. C'est pourquoi pour une résolution élevée, il faut également augmenter l'ouverture d'entrée du télescope. De plus, l'ouverture d'entrée comme surface col- lectrice de lumière de l'optique pour un rapport si- gnal/bruit, donné, dépend de la taille de l'élément de surface réfléchissant: si la surface de l'élément de surface de terrain est divisée par deux, alors pour un rapport si- gnal/bruit constant et pour une durée d'éclairage constante, il faut doubler la surface de l'ouverture d'entrée. De plus généralement, la durée d'éclairage disponible dans le cas d'un satellite tournant sur une trajectoire basse, est pro- portionnelle à la dimension de l'élément de surface de ter- rain du fait du mouvement relatif d'environ 7 km par seconde par rapport au sol, dans la direction du vol; des demi- longueurs de l'élément de surface du terrain dans la direc- tion du vol signifient ainsi des durées d'exposition dimi- nuées par deux. C'est pourquoi, il faut doubler la surface de l'ouverture pour un rapport signal/bruit constant si l'on veut diviser par deux les dimensions linéaires de l'élément de surface de terrain. Ainsi, l'ouverture augmente avec la résolution du télescope de même que la distance focale. Cela augmente le volume et la masse du télescope et augmente ainsi de façon correspondante le coût. Partant d'un système optique défini comme ci- dessus, la présente invention a pour but de développer ce système pour avoir une réalisation plus compacte et ainsi moins coûteuse tout en disposant de caractéristiques de puis- sance comparables, et dont le système d'explication convient pour observer un terrain à partir d'une grande hauteur. Ce problème est résolu selon l'invention en ce que les axes optiques des télescopes individuels peuvent être basculés l'un vers l'autre par rapport à leur direction pa- rallèle et le système optique est un système de reconnais- sance pour observer un terrain à partir d'une altitude élevée. Selon une autre caractéristique avantageuse de l'invention des axes optiques, des télescopes individuels sont alignés parallèlement, les télescopes individuels sont disposés transversalement à leur axe optique selon une rangée ou dans des rangées parallèles respectives, le réseau de dé- tecteurs étant décalé pour les télescopes individuels de cha- que ligne dans la direction de la ligne, d'une fraction telle qu'une largeur de détecteur soit décalée par rapport à l'autre, cette fraction étant inversement proportionnelle à la multiplicité des télescopes individuels existant dans la ligne concernée et en ce que le système optique est un sys- tème de reconnaissance pour observer un terrain à partir d'une altitude élevée. Suivant d'autres caractéristiques avantageuses de l'invention: * les télescopes individuels sont montés en série ou en pa- rallèle transversalement à leur axe optique, * les télescopes individuels peuvent basculer dans une série chaque fois dans la même direction avec des incréments d'angle croissants, * transversalement aux séries de télescopes individuels voi- sins, ces télescopes peuvent également être basculés avec des incréments d'angle croissants dans la direction trans- versale. * par plusieurs séries de réseaux de détecteurs transversale- ment à la direction des séries de télescopes individuels qui s'observent les uns des autres, d'une fraction telle d'une largeur de détecteur transversalement à la direction des séries, cette valeur étant inversement proportionnelle à la multiplicité de télescopes individuels voisins dans la direction des séries. La présente invention est destinée à l'obser- vation par exemple de satellites géostationnaires ou à tra- jectoire basse ou encore d'avions volants à très grande alti- tude. Selon l'invention, à la place d'un seul téle- scope, on a ainsi un certain nombre de télescopes distincts dont la longueur focale, l'ouverture et ainsi la résolution, doivent respecter des exigences réduites. Ces télescopes iso- lés sont ainsi alignés pratiquement parallèlement à leur axe optique. Ces télescopes offrent dans leur plan focal, de ma- nière usuelle, chaque fois un réseau de détecteurs. Les dif- férents télescopes doivent être alignés pour que pendant l'observation du terrain, un élément détecteur quelconque, du réseau de détecteurs donne l'image d'un élément de surface de terrain copiée de manière quelconque dans le télescope isolé vers le réseau de détecteurs pour être mise en forme d'image, décalée par rapport au télescope isolé et cela dans une direction située dans le plan focal, sur une fraction de la largeur d'un élément de détecteur. Le décalage croissant des éléments de surface du terrain à chaque fois d'une fraction de la largeur d'un élé- ment détecteur fait que l'ensemble du réseau de détecteurs des différents télescopes donne chaque fois des informations globales légèrement différentes. Les images obtenues à l'aide des différents télescopes ont ainsi une teneur en informa-15 tions différente bien qu'en principe, on observe le même dé- tail du terrain. Le décalage des éléments de surface du terrain dans le plan focal des différents télescopes peut s'obtenir d'une part en basculant légèrement les différents télescopes avec leur axe optique, les uns par rapport aux au- tres ou encore, sans effectuer un tel basculement, on décale les réseaux de détecteurs dans les plans focaux respectifs, de façon croissante par rapport à leur axe optique. Dans le premier cas, il n'y a pas de décalage des réseaux de détec- teurs dans les plans focaux et l'alignement indiqué se fait par basculement des axes optiques; dans le second cas, on peut avoir des axes optiques alignés de façon parallèle. En principe, il importe peu que les différents télescopes soient répartis comme un réseau en colonnes et en lignes ou si leur association se fait dans le sens d'un ré- seau hexagonal ou encore s'ils sont répartis sans aucune ré- gularité. Seul importe que globalement les différents télescopes puissent être définis au moins comme un groupe dont les télescopes séparés sont alignés ou sont réalisés par rapport à la répartition de leur réseau de détecteurs pour être mis fonctionnellement dans une succession avec un déca- lage croissant des éléments de surface de terrain dans une direction du plan focal. Pour cette direction, on peut alors obtenir une résolution plus grande par un procédé de calcul que la résolution que l'on pourrait obtenir de l'image d'un seul télescope. Si par exemple N télescopes distincts sont mis de manière indiquée dans un ordre, il est avantageux de les aligner ou de disposer leur réseau de détecteurs pour que le décalage des éléments de surface du terrain se fasse d'un télescope au télescope suivant de la série, selon une frac- tion égale à 1/N de la largeur d'un élément de détecteur. On peut augmenter la résolution dans une seconde direction du plan focal, par exemple dans la direction per- pendiculaire à celle indiquée, c'est-à-dire la première di- rection en ce que l'on définit de nouveau au moins un autre groupe de télescopes qui peut se mettre fonctionnellement dans une série de façon que les décalages des éléments de surface du terrain à l'intérieur d'une série se fassent de manière croissante dans la seconde direction. On obtient d'une manière compréhensible, une dis- position particulièrement simple avec une résolution élevée dans deux directions orthogonales si les télescopes sont dis- posés dans le sens d'un réseau à des intervalles réguliers en lignes et en colonnes. Le décalage croissant des éléments de surface de terrain image se fait ainsi d'une part dans la di- rection des colonnes et d'autre part dans la direction ortho- gonale, c'est-à-dire la direction des lignes. Le nombre des lignes peut être différent de celui des colonnes. La fraction de la largeur d'un élément de détecteur selon laquelle on dé- cale chaque fois, dépend alors de la direction et correspond chaque fois à la réciproque du nombre des télescopes de cha- que ligne ou chaque colonne. Plus le nombre est élevé et plus faible sera la mesure respective du décalage et ainsi plus élevée sera la résolution possible. Cela peut être pris en compte dans un support d'instruments qui passe au-dessus d'un terrain avec une vi- tesse remarquable (satellite ou avion) en ce que dans un tel réseau de télescopes, par exemple pour la direction des co- lonnes qui correspond à la direction du vol, on disposera d'un plus grand nombre de télescopes que dans la direction des lignes perpendiculaires à la direction précédente. Par contre dans le cas d'un satellite géostationnaire, il est in- téressant d'utiliser un réseau de télescopes ayant le même nombre de télescopes dans la direction des lignes et dans celle des colonnes. La réalisation de l'invention la plus simple dans deux directions orthogonales consiste en un réseau de 4 x 4 télescopes distincts. Par exemple pour un tel réseau, avec un diamètre d'ouverture de 30 cm par télescope, on remplace un télescope unique plus grand d'un diamètre d'ouverture d'environ 1 m. Pour une longueur de côté, d'un élément de surface de terrain, carré de 50 cm, il suffit que ces téle- scopes individuels présentent une longueur focale dimension- née pour une résolution divisée par quatre à savoir pour un élément de surface de terrain d'une longueur de côté de 2 m. On arrive ainsi à un encombrement considérable- ment réduit avec des télescopes plus petits et d'ouverture plus petite. Il n'est pas nécessaire d'utiliser un télescope avec un grand miroir. Au contraire, il suffit d'utiliser les télescopes usuels ayant une résolution considérablement plus réduite. Les temps d'intégration du réseau de détecteurs sont allongés; dans l'exemple de réalisation, simple, indiqué, cet allongement correspond à un coefficient 4. L'utilisation de réseaux de détecteurs usuels suppose un bon rapport si- gnal/bruit. Par le calcul soit à bord de l'avion ou du satel- lite ou par transmission à une station au sol, on obtient la résolution élevée par une synthèse d'ouverture quasi inter- ferrométrique. La combinaison des informations d'image des différents télescopes se fait de manière non cohérente, par le calcul. Cela est contraire au procédé de reconstruction d'image selon l'optique de Fourier, consistant à combiner les différents chemins optiques des télescopes, en phase et en amplitude correctes dans un plan focal. Comme déjà indiqué, chaque télescope observe en principe la même scène au sol ou le même détail du terrain. Du fait du décalage indiqué, le détail du terrain est détecté légèrement différemment par les divers éléments de détecteur du réseau de détecteurs respectif de chaque télescope. Par un choix approprié de la taille et de la dis- tance des éléments de détecteur ainsi que de l'ouverture du télescope, on garantit que la teneur en informations, diffé- rente, évoquée, reste maintenue jusqu'à la fréquence du mi- lieu souhaité. Sans cette différence dans le contenu de l'information des différentes images, on ne pourrait obtenir une résolution plus élevée et seul le rapport signal/bruit pourrait être amélioré par la superposition non cohérente des différentes images. Pour transférer ces informations diffé- rentes des images des télescopes dans une information glo- bale, on superpose les images partielles selon leur décalage géométrique, de manière incohérente, en procédant par calcul. Pour la réalisation technique de l'invention, la réalisation proprement dite des télescopes importe peu, qu'ils soient à réfraction ou à réflexion; il importe peu que l'on utilise un réseau de N x N télescopes qui prend si- multanément une image complète, si le plan focal est équipé d'un réseau de détecteurs selon une matrice; il importe peu que l'on utilise une disposition unidimensionnelle des téle- scopes permettant par un mouvement relatif, de construire une image de manière successive dans le temps, par exemple quatre télescopes disposés transversalement à la direction de vol; il importe peu que l'on utilise des réseaux de détecteurs en forme de matrices ou des réseaux linéaires ou encore que dans le plan focal d'un télescope, on a plus de deux réseaux de détecteurs linéaires avec un décalage géométrique correspon- dant transversalement à la direction de vol. Dans ce dernier cas, les différentes images sont tracées successivement dans le temps selon le décalage du réseau linéaire de détecteurs dans la direction de vol, en mode Push-Broom, ce qui se tra- duit par une augmentation de moyens pour la stabilité du dis- positif. Un exemple de réalisation de l'invention sera dé- crit ci-après de manière plus détaillée à l'aide des dessins annexés, dans lesquels: - la figure 1 montre schématiquement un réseau 4 x 4 de télescopes individuels, - la figure 2 montre la disposition du réseau de détecteurs correspondant dans le plan focal des télescopes individuels de la figure 1. La figure 1 montre un système de reconnaissance optique selon l'invention; ce système se compose principale- ment d'une répartition carrée de 4 x 4 de télescopes indivi- duels Tll-T44 avec des réseaux de détecteurs 11, 12 etc. correspondants qui sont répartis comme les télescopes selon un réseau rectangulaire de lignes et de colonnes. Les axes optiques correspondants 011, 012 etc. sont indiqués dans la zone comprise entre les télescopes individuels et les réseaux de détecteurs correspondants, également d'une manière schéma- tique. La figure 2 montre les télescopes individuels Tll ou les réseaux de détecteurs 11 etc. dans le plan focal, vus à partir des télescopes individuels. Les points d'intersection des axes optiques 011 etc. et des réseaux de détecteurs respectifs sont également montrés. Ces points d'intersection se trouvent à l'intersection d'un réseau or- thogonal de lignes Z1-Z4 et de colonnes Sl-S4 caractérisant la disposition structurelle du réseau de télescopes. Pour certains réseaux de détecteurs par exemple dans le réseau de détecteurs 41, la répartition de la surface des détecteurs est reproduite en 8 x 8 éléments distincts de détecteur. Ces éléments de détecteur sont carrés et ont une largeur de côté (d). Dans le cas du réseau 41, le point d'intersection de l'axe optique 041 se trouve exactement au milieu, si bien que par rapport au bord de la surface occupée par les éléments de détecteur du réseau de détecteurs 41, on a une distance res- pective égale à 4d. La région hachurée autour du centre du réseau de détecteurs 41 symbolise dans deux dimensions, glo- balement quatre éléments de surface de terrain dont on a l'image et dont les dimensions au sol sont définies en tenant compte de la distance focale du télescope ainsi que de l'altitude de vol par rapport au sol et de la taille des dif- férents éléments de détecteur. Partant du réseau de détecteurs 41, en direction de la ligne Z4 vers l'élément de détecteur 44, on a un déca- lage du réseau de détecteurs par rapport aux axes optiques respectifs et cela chaque fois d'un quart de la largeur (d) d'un élément de détecteur. On a également un décalage corres- pondant dans la direction de la colonne Sl par rapport à l'élément de détecteur 11. Le décalage croissant dans la di- rection des colonnes et des lignes est également indiqué de manière détaillée pour la ligne Z2 et la colonne S3. Il appa- raît que les quatre éléments de surface de terrain autour de chaque axe optique, et qui pour un réseau de détecteurs 41 coïncident encore avec les quatre éléments centraux de détec- teur, sont répartis par les décalages, de manière croissante sur plus de quatre éléments de détecteur et cela en partant de l'élément de détecteur 41 dans la direction des lignes ou des colonnes, tout d'abord sur six éléments de détecteur voi- sins de la ligne Z3 et de la colonne S2 vers les nombres dé- croissants des lignes ou croissants de colonnes, et même globalement chaque fois sur neuf éléments de détecteur. On a ainsi une répartition précise en surface de chaque élément de surface de terrain donnant une image et qui partant de la dé- finition de l'exemple du réseau de détecteurs 41, se fait sur les éléments de détecteur participants pour chaque élément distinct de détecteur, de façon différente. Chacun des quatre éléments de surface de terrain obtenus par exemple en image sur le réseau de détecteurs 41 est centré sur l'axe optique 041, si bien que dans les trois autres réseaux de détecteurs, la colonne Sl ou la ligne Z4 donne une image sur chaque fois deux éléments de détecteur voisins et cela avec chaque fois des parties de surface variables. Sur les autres neuf réseaux de détecteurs, chacun des quatre éléments de surface de ter- rain donne une image avec la participation de chaque fois quatre éléments de détecteur pour des éléments de surface également différents. R E V E N D I C A T I ON S 1 ) Système optique pour l'observation avec plusieurs téle- scopes individuels ayant dans leur plan focal un réseau de détecteurs, caractérisé en ce que les axes optiques (011, 012, 013 etc.) des télescopes indivi- duels (Tll-T44), peuvent être basculés l'un vers l'autre par rapport à leur direction parallèle et le système optique est un système de reconnaissance pour observer un terrain à par- tir d'une altitude élevée. 2 ) Système optique selon la revendication 1, caractérisé en ce que les télescopes individuels (Tll-T44) sont montés en série ou en parallèle transversalement à leur axe optique (011, 012). 3 ) Système optique selon la revendication 2, caractérisé en ce que les télescopes individuels (Tll-T44) peuvent basculer dans une série chaque fois dans la même direction avec des incré- ments d'angle croissants. 4 ) Système optique selon la revendication 3, caractérisé en ce que transversalement aux séries de télescopes individuels voi- sins, ces télescopes peuvent également être basculés avec des incréments d'angle croissants dans la direction transversale. ) Système optique d'observation comprenant plusieurs téle- scopes individuels ayant chaque fois un réseau de détecteurs dans leur plan focal, caractérisé en ce que des axes optiques (11 ou 12...) des télescopes individuels (T41-T44) sont alignés parallèlement, les télescopes indivi- duels (Tll-T44) sont disposés transversalement à leur axe op- tique selon une rangée ou dans des rangées parallèles respectives, le réseau de détecteurs (11, 12) étant décalé pour les télescopes individuels de chaque ligne dans la di- il rection de la ligne, d'une fraction telle qu'une largeur de détecteur soit décalée par rapport à l'autre, cette fraction étant inversement proportionnelle à la multiplicité des téle- scopes individuels existant dans la ligne concernée et en ce que le système optique est un système de reconnaissance pour observer un terrain à partir d'une altitude élevée. 6 ) Système optique selon la revendication 5, caractérisé par plusieurs séries de réseaux de détecteurs (11, 12...) trans- versalement à la direction des séries de télescopes indivi- duels (Tll...T44) qui s'observent les uns des autres, d'une fraction telle d'une largeur de détecteur transversalement à la direction des séries, cette valeur étant inversement pro-15 portionnelle à la multiplicité de télescopes individuels voi- sins dans la direction des séries.