Brevet FR2808600A1 — publié le 20011109

PROCEDE DE PRISES DE VUES HOLOGRAPHIQUES A GRANDE RESOLUTION La présente invention se rapporte à un procédé de prises de vues holographiques à grande résolution. L'holographie est un procédé de saisie de front d'onde d'image exploitant la détection des interférences de ce front d'onde avec une onde de référence comme décrite par GABOR dès 1945. Elle n'a fait l'objet de réalisations expérimentales intéressantes qu'après la découverte du laser. Les applications industrielles de l'holographie restent toutefois très limitées, voire inexistantes car les moyens photographiques demandent une grande stabilité des paramètres relatifs à la prise de vues (stabilité de l'appareil photographique, de la scène photographiée, des conditions atmosphériques, de la température) et n'offrent donc aucune souplesse d'utilisation (difficilement embarquables à bord de véhicules, prise de vue très rapprochées dans le temps...). Par ailleurs, les moyens électroniques actuels de prise de vue ont une résolution limitée peu compatible avec les caractéristiques de l'imagerie holographique, et, de plus, la résolution du système de prise de vues est dégradée lors de la formation de l'image conjuguée, et lorsque l'on analyse l'image restituée sous toute sa bande passante, on constate que sa qualité est très faible. Dans le domaine des hyperfréquences, on connaît un procédé de prise de vues, le SAR (SYNTHETIC APERTURE RADAR), qui permet de réaliser des prises de vues en illuminant la scène à prendre à l'aide d'une source en mouvement. Le détecteur, lui-même en mouvement, permet d'obtenir une information unidimensionnelle de cette scène après une transformation globale des signaux recueillis du type transformée de Fourier. L'aspect bi-dimensionnel est obtenu par analyse temporelle de la profondeur de la scène. Le capteur unique faisant une seule fois le balayage lointain de la scène recueille une information de phase grâce à la connaissance de la trajectoire balistique de ce capteur. Il en résulte que ce procédé d'imagerie est difficilement applicable, ou même inapplicable dans le domaine des fréquences optiques, qui sont très supérieures à celles des radars, ce qui nécessiterait de déterminer la trajectoire du capteur avec une très grande précision, qui ne peut être atteinte en pratique qu'en laboratoire. De plus, il n'existe pas actuellement de capteurs radar à très grand nombre de détecteurs élémentaires (c'est-à-dire un nombre comparable à celui des capteurs optiques du type CCD). La présente invention a pour objet un procédé de prises de vues à grande résolution, qui permette de prendre des vues à grande résolution de scènes, en particulier de scènes lointaines, sans nécessitée de grande stabilité des moyens de prises de vue et/ou de connaître avec une grande précision leur trajectoire. La présente invention a également pour objet un dispositif de mise en oeuvre de ce procédé, dispositif utilisant des composants courant, 1o qui soit peu encombrant et de prix de revient le plus faible possible. Le procédé conforme à l'invention consiste à éclairer avec au moins une source cohérente d'éclairage des scènes à prendre, et à analyser par interférométrie les fronts d'ondes rétrodiffusés par ces scènes et il est caractérisé en ce que l'on déplace la (les) source(s) et/ou les détecteurs de fronts d'ondes, que l'on analyse une surface de front d'onde plus grande que celle de l'optique de collection, et que l'on reconstruit l'image de la scène en corrélant des images partielles successives ayant au moins une partie commune. Selon un autre aspect de l'invention, on corrige les défauts de lI'optique de collection par calcul à partir de l'information d'amplitude et de phase fournie par les détecteurs. Selon encore un autre aspect de l'invention, on reconstitue le front d'onde à partir d'éléments de prises de vues dont l'intersection des surfaces dans le front d'onde analysé est non nulle, la position relative de ces éléments étant calculée dans la direction de visée par comparaison des informations reçues sur la partie commune de ces éléments, de manière à reconstruire la cohérence de phase entre les éléments de prises de vues. Selon encore d'autres aspects de l'invention, la position relative des éléments dans un plan perpendiculaire à la direction de visée est calculée par comparaison avec les informations reçues sur la partie commune et la position relative des éléments en site et azimut de la direction de visée est calculée par comparaison avec les informations reçues sur la partie commune. Pour corriger les erreurs dues aux conditions aérologiques, on compare des fronts d'ondes issus de deux sources laser et pour corriger les erreurs dues aux conditions aérologiques, on compare des fronts d'ondes issus de deux impulsions du même laser après déplacement du système d'imagerie. La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée d'un mode de mise en oeuvre, pris à titre d'exemple non limitatif et illustré par le dessin annexé, sur lequel: - la figure 1 est une vue schématique simplifiée illustrant le principe de l'imagerie de tavelures en optique incohérente, - la figure 2 est une vue schématique illustrant le principe de I'imagerie d'objets diffusants en optique cohérente, - la figure 3 est une vue schématique illustrant, de façon simplifiée, la mise en oeuvre de l'invention pour l'imagerie de tavelures à l'aide de plusieurs capteurs, - la figure 4 est un diagramme illustrant les principales étapes du procédé de l'invention, - la figure 5 est un diagramme illustrant l'analyse des aberrations dues à des perturbations atmosphériques, conformément à un aspect du procédé de l'invention, - la figure 6 est un diagramme illustrant la correction des déformations des capteurs, et - la figure 7 est un bloc-diagramme d'un dispositif de mise en oeuvre du procédé de l'invention. On a illustré en figure 1 le principe de l'imagerie de tavelures (plus connues sous le nom de " speckles "). Un projecteur 1 de lumière incohérente illumine une boule 2 à grand nombre de facettes recouvertes chacune d'un miroir de dimensions correspondantes. Les miroirs éclairés par le projecteur 1 réfléchissent sa lumière sur une surface 3, par exemple un mur, en formant un ensemble 4 de taches (tavelures) dont chacune correspond à une facette de la boule 2. Lorsque la boule 2 tourne d'un angle a, la tavelure 4 tourne d'un angle 2cL. Si l'observateur se place dans un repère pour lequel la boule 2 est fixe, la tavelure 4 lui paraît tourner d'un angle 13, opposé à l'angle -13 défini par la rotation apparente du projecteur 1. Si l'on remplace le projecteur 1 par un faisceau cohérent 5, et la boule 2 par un objet diffusant 6 (voir figure 2), la tavelure 7 rétrodiffusée est soumise aux mêmes lois optiques que la tavelure 4 de la figurel. En particulier, lorsque la source du faisceau cohérent 5 se déplace (source en 5' sur la figure 2), la tavelure 7 se déplace en 7', dans une direction opposée à celle du déplacement de la source 5. Cependant, il faut remarquer qu'il existe une différence théorique fondamentale dans la correspondance entre les taches et leur source. En effet, dans le cas de la figure 1, chaque point de la tavelure 4 correspondait à une facette de la boule 1, alors que dans le cas de la figure 2, chaque tache de la tavelure 7 ou 7' correspond à une composante spatiale de l'ensemble de l'objet 6. Une propriété fondamentale de l'imagerie de la figure 2 est qu'une erreur de pointage du faisceau 5 ou 5' sur la cible 6 grande par rapport à la longueur d'onde de ce faisceau, mais petite par rapport aux dimensions de la zone éclairée de l'objet 6 n'introduit pas de modification sensible de la tavelure 7 ou 7'. On a représenté en figure 3 un ensemble 8 de détecteurs disposés dans le même appareil que la source de lumière cohérente (appareil et source non représentés), cet appareil se déplaçant dans la direction D. La tavelure correspondante 8 se déplace dans la direction opposée D'. Selon le procédé de l'invention, si on corrèle de proche en proche, en amplitude et en phase, les résultats d'analyse des tavelures successives ainsi observées, on obtient une pupille d'observation synthétisée bien plus grande que celle de l'optique coopérant avec les détecteurs 8. La résolution de cette pupille synthétisée a une résolution nettement supérieure à celle de cette optique, et elle est déterminée par les lois bien connues de la diffraction. Toutefois, la reconstruction de cette pupille synthétique doit se faire en respectant la cohérence de phase entre les différents éléments du système de prises de vues. La tavelure observée au niveau dudit appareil comportant la source et les détecteurs possède des qualités remarquables: elle peut avoir une forte modulation (de 100%), elle a un spectre blanc, et elle est invariante lors du défilement. Si l'on dispose deux réseaux de détecteurs recevant la même tavelure à des instants différents ou en des positions différentes, on peut facilement corréler les mesures ainsi effectuées sur des tavelures ayant une partie commune (puisque, comme précisé ci-dessus, chaque tache de la tavelure correspond à l'ensemble de l'objet imagé) soit en éclairement, soit en amplitude et en phase. Dans ce dernier cas, la fonction d'autocorrélation complexe présente un pic en module dont les coordonnées permettent le recalage spatial des deux tavelures considérées. De plus, I'argument de ce pic permet de faire la remise en phase de ces deux tavelures. Ceci est fondamental pour la génération de la pupille synthétique et pour la correction des défauts de phase apportés par les imperfections mécaniques, balistiques ou aérologiques. On a illustré en figure 4 les principales étapes du procédé de l'invention. A la première étape (11), on effectue les prises de vues holographiques d'une scène en lumière cohérente: prises de vues N 1, l0 2,3,... A l'étape suivante (12), on corrige, pour chacune des prises de vues, les défauts inhérents à ces prises de vues (défauts de phase précités), de la façon exposée ci-dessous en référence aux figures 5 et 6. Ensuite (étape 13), on corrèle à chaque fois deux prises de vues successives ( à condition, comme précisé ci-dessus, que les tavelures correspondantes aient à chaque fois une partie commune, ce qui est possible si les prises de vues successives sont suffisamment proches les unes des autres), grâce aux pics d'auto- corrélation correspondants. Les images ainsi corrélées sont remises en phase (étape 14) grâce à la connaissance de l'argument du pic d'auto- corrélation, comme précisé ci-dessus. Enfin, à l'étape 15, on obtient les prises de vues holographiques corrigées à grande résolution, en correspondance avec celles de départ. Le fait de procéder à des prises de vues holographiques permet d'avoir une information en amplitude et en phase de la répartition du champ rétrodiffusé par la scène à imager. Cette information permet de corriger (étape 12) tous les défauts connus de propagation entre la scène et le point o la lumière rétrodiffusée interfère avec un faisceau de référence (nécessaire pour l'holographie), généralement issu de la même source que celle du faisceau de prise de vues. Parmi ces défauts identifiables, on peut citer - les aberrations du système de collection de la lumière issue de la scène, - les perturbations atmosphériques rencontrées par la lumière issue de la scène, - les aberrations du faisceau de référence, - les variations de pointage entre prises de vues, - l'écart de vergence entre le faisceau de référence et le faisceau issu de la scène. A l'étape 13, la corrélation des répartitions complexes des champs rétrodiffusés fait apparaître à chaque fois un pic de puissance dont la position permet de connaître le décalage spatial entre les prises de vues successives. La phase de ce pic est significative du décalage axial entre prises de vues successives. Selon un aspect du procédé de l'invention, I'auto- corrélation sert à corriger le pointage du dispositif de prises de vues. A cet effet, on calcule le produit conjugué des zones communes repositionnées et corrigées des défauts d'aberrations précités, puis, en appliquant la transformée de Fourier à ce résultat, on recherche la fonction (linéaire dans le plan de l'image) de phase qui permet la correction de pointage et la mise en phase des prises de vues successives. A l'étape 15, I'image à haute résolution est obtenue par calcul. A partir de la description de la répartition du champ rétrodiffusé par rapport à un plan, et l'image à l'infini, il suffit d'appliquer un simple transformation de Fourier et de calculer le carré du module du résultat. Comme précisé ci-dessus, l'étape 12 permet de procéder à des corrections d'aberrations. Ces aberrations sont de deux sortes: les aberrations du système de collection de la lumière issue de la scène à imager (système comportant en particulier les détecteurs 8, les éléments optiques coopérant avec ces détecteurs, et les moyens produisant le faisceau de référence pour l'holographie), et les perturbations atmosphériques rencontrées par la lumière issue de la scène à imager. Ces perturbations peuvent être considérées comme fixes entre deux prises de vues successives sur tout le trajet de la lumière issue de la scène, sauf celles proches du système de prises de vues, qui peuvent perturber le champ rétrodiffusé. On a schématiquement représenté en figure 5 la façon de corriger de telles aberrations. Soit une scène 16 à imager. Le système d'imagerie 17 comporte en particulier deux sources de lumière cohérente (émetteurs laser) L1 et L2 proches l'une de l'autre (leur distance peut être par exemple égale à environ 1/10è de la largeur du champ de front d'onde rétrodiffusé et collecté par le système de prises de vues) et deux détecteurs D1 et D2, également proches l'un de I 'autre. Le champ de tavelures de la deuxième source L2 est déduit de celui de la première (L1) par translation inverse de celle faisant passer de L1 à L2. L'écart de phase observé entre les deux couples L1-D1 et L2-D2 est significatif de la différence de perturbation observée sur les chemins optiques source- scène-détecteur de chacun de ces couples. Avec deux sources laser et un ensemble de détecteurs, il est possible de reconstruire la pente (référencée oa sur la figure 5) de la fonction " turbulence " en tout point de cette fonction, et donc de connaître cette fonction. Dans la direction de déplacement, on peut économiser une source en envoyant deux impulsions laser à des instants voisins. Le déplacement dans l'espace de l'appareillage comportant la source et les détecteurs permet alors de réaliser l'équivalent du déplacement entre L1 et L2. Pour caractériser les défauts de planéité d'un ensemble de capteurs, on peut observer un point brillant isolé de la scène à imager, et évaluer les différentes phases reçues par ces capteurs. Toutefois, les vibrations et déformations de la structure supportant les détecteurs peuvent modifier rapidement la relation existant entre ces phases. Afin d'évaluer ces déformations, on peut doubler le système de prises de vues, de manière que la même structure de tavelure soit vue à des instants successifs par ces deux systèmes. La corrélation entre les deux prises de vues permet de corriger des déformations larges de la structure de support des capteurs si l'on postule qu'il n'y a pas de déformations entre points voisins. On a schématiquement représenté en figure 6 une telle disposition des détecteurs du système de prises de vues. Les capteurs sont disposés en deux rangées 18, 19 parallèles à la direction de déplacement de l'appareil de prises de vues (ou, plus concrètement, à la direction 20 de déplacement du véhicule sur lequel est embarqué le système de prises de vues). Les capteurs individuels de chaque rangée sont adjacents entre eux et en quinconce, c'est-à-dire que le point commun de deux capteurs adjacents d'une rangée est en vis-à-vis du milieu d'un capteur de l'autre rangée. Ainsi, lorsqu'un front d'onde rétrodiffusé arrive au temps t sur les capteurs de la rangée 18, il arrive au temps t+At ( At = 2 ms. Par exemple) sur les capteurs de la rangée 19 (ceux-ci étant supposés recevoir le front d'onde après ceux de la rangée 18). Grâce à cette disposition des capteurs, il est facile de corréler les informations recueillies par chacune des deux rangées de capteurs. On a schématiquement représenté en figure 7 I'architecture d'un système 21 de prises de vues conforme à l'invention. Ce système comprend un bloc optique 22, ayant sensiblement la forme d'un parallélépipède rectangle dont la plus grande dimension est par exemple d'environ 50 cm. Ce bloc 22 contient deux sources laser 23, 24 disposées aux extrémités de sa plus grande longueur, et deux rangées de capteurs 25, 26, qui peuvent être disposés comme représenté en figure 6. Les sources 23, 24 peuvent 0 être multiplexées temporellement ou de fréquences légèrement différentes. La fréquence d'une source peut être modifiée de façon connue en soi: miroir ou réseau en mouvement, ou défilecteurs acoustooptiques. Les faisceaux produits par les sources 23, 24 sont dirigés vers la scène 27 à imager par un miroir mobile 28 qui peut être asservi en direction de la scène 27 ou bien télécommandé par un opérateur. Le front d'onde 29 rétrodiffusé par la scène 27 est envoyé sur les capteurs par le miroir 28. Chaque capteur est associé à une optique collectrice (non représentée) et est suivi d'un mélangeur 30 qui reçoit par ailleurs une onde de référence 31. Cette onde de référence peut être issue du laser d'illumination de la scène. Elle est alors compensée de I'effet Doppler dû au déplacement du système d'imagerie. Un détecteur 32 reçoit le résultat de ce mélange (franges d'interférences). Une erreur de pointage du système imageur se traduit, dans le plan du détecteur, par un ensemble de franges d'interférence plus serrées. On peut donc chercher un compromis entre une meilleure précision de pointage et un plus grand nombre de capteurs. REVENDICATIONS 1. Procédé de prises de vues holographiques à grande résolution consistant à éclairer avec au moins une source cohérente d'éclairage des scènes à prendre, et à analyser par interférométrie les fronts d'ondes rétrodiffusés par ces scènes, caractérisé en ce que l'on déplace la (les) source(s) (23, 24) et/ou les détecteurs de fronts d'ondes (25,26), que l'on analyse une surface de front d'onde plus grande que celle de l'optique de collection, et que l'on reconstruit l'image de la scène en corrélant des images partielles successives ayant au moins une partie commune. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on lo corrige les défauts de l'optique de collection par calcul à partir de l'information d'amplitude et de phase fournie par les détecteurs. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'on reconstitue le front d'onde à partir d'éléments de prises de vues dont l'intersection des surfaces dans le front d'onde analysé est non nulle, la position relative de ces éléments étant calculée dans la direction de visée par comparaison des informations reçues sur la partie commune de ces éléments, de manière à reconstruire la cohérence de phase entre les éléments de prises de vues. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que la position relative des éléments dans un plan perpendiculaire à la direction de visée est calculée par comparaison avec les informations reçues sur la partie commune. 5. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que la position relative des éléments en site et azimut de la direction de visée est calculée par comparaison avec les informations reçues sur la partie commune. 6. Procédé selon lune des revendications précédentes, caractérisé en ce que pour corriger les erreurs dues aux conditions aérologiques, on compare des fronts d'ondes issus de deux sources laser. 7. Procédé selon lune des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que pour corriger les erreurs dues aux conditions aérologiques, on compare des fronts d'ondes issus de deux impulsions du même laser après déplacement du système d'imagerie. 8. Dispositif de prises de vues holographiques à grande résolution comportant au moins une source cohérente (23, 24) éclairant une scène à imager (27) et un dispositif d'analyse interférométrique (30, 31, 32) comprenant au moins un détecteur (25, 26), caractérisé par le fait que la(les) source(s) et/ou le(les) détecteur(s) sont mobiles et que le dispositif d'analyse comporte un corrélateur (13) de prises de vues successives. 9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé par le fait qu'il comporte un dispositif de mise en phase (14) d'images corrélées. 10. Dispositif selon la revendication 8 ou 9, caractérisé par le fait l0 qu'il comporte deux rangées de détecteurs (18, 19 - 25, 26).