Brevet FR2879761A1 — publié le 20060623

PROCEDE DE CORRECTION DE LA FONCTION DE TRANSFERT D'UN INTERFEROMETRE IMAGEUR A PUPILLES MULTIPLES La présente invention se rapporte aux procédés de mise en oeuvre des interféromètres imageurs à pupilles multiples, plus particulièrement à ceux du type optique. Elle peut néanmoins s'appliquer à tous les interféromètres imageurs fonctionnant avec un rayonnement électromagnétique, en particulier dans le domaine des hyperfréquences_ Elle est particulièrement destinée à être utilisée dans les appareils de ce type fonctionnant à bord des satellites artificiels pour l'observation de la terre. II est nécessaire, en particulier pour augmenter le pouvoir séparateur d'un télescope, d'utiliser des miroirs de grandes dimensions. On est limité dans cette voie par les difficultés de fabrication et de mise en orbite, la masse et le coût de tels miroirs. Une solution bien connue pour résoudre ce problème est d'associer plusieurs collecteurs de plus petites dimensions. Ces collecteurs peuvent être des télescopes confocaux ou des miroirs. On citera notamment à ce sujet la demande PCT numéro WO 2004/001457 A2 déposée au nom de Geoffrey RHOADS et publiée le 31 décembre 2003 sous le titre "RING OPTICAL INTERFEROMETER", ainsi que la demande de brevet français numéro FR 0309420 déposée par la demanderesse le 31 juillet 2003 sous le titre "INSTRUMENT D'OBSERVATION A SYNTHESE D'OUVERTURE OPTIQUE A PUPILLES EN MOUVEMENT ET PROCEDE ASSOCIE". La fonction caractérisant le contraste avec lequel un instrument d'observation optique perçoit les composantes fréquentielles de l'objet observé est appelée Fonction de Transfert Optique (FTO). Elle est déduite de la pupille du télescope au moyen d'une autocorrélation. Son module est la Fonction de Transfert de Modulation (FTM). Lorsque le télescope est composé de plusieurs collecteurs associés, 30 sa pupille d'entrée est dite multiple, car elle est formée de plusieurs sous-pupilles. Le principe d'acquisition par interférométrie correspondant à l'addition cohérente des fronts d'onde issues de chacune des sous-pupilles induit une FTM de l'instrument à pupille multiple ni monotone ni isotrope. Elle peut présenter des minima locaux de faible contraste qui rendent difficile l'application d'algorithmes de déconvolution. Pour corriger au moins partiellement ces distorsions, l'invention propose un procédé de correction de la fonction de transfert d'un interféromètre imageur comportant un ensemble de sous-pupilles, principalement caractérisé en ce que l'on procède à des regroupements en effectuant des acquisitions séparées de sous-ensembles de sous-pupilles sélectionnés délivrant des images élémentaires, pour obtenir, après traitement de combinaison, une image dont la fonction de transfert de modulation est adaptée au type d'image de sortie souhaitée. Selon une autre caractéristique, les acquisitions séparées se font par acquisitions successives. Selon une autre caractéristique, au moins l'une des acquisitions successives est effectuée avec un temps d'acquisition différent de celui des autres acquisitions. Selon une autre caractéristique, les acquisitions séparées se font par des acquisitions éventuellement simultanées sur des plans focaux différents 20 correspondant chacun à l'un des ces sous-ensembles. Selon une autre caractéristique, la composition des sous-ensembles et la séquence des acquisitions éventuellement successives est adaptée pour niveler les pics latéraux correspondant au contraste de la FTM pour les composantes hautes fréquences, au détriment d'une augmentation relative du pic central de la FTM. Selon une autre caractéristique, la composition des sous-ensembles et la séquence des acquisitions éventuellement successives est adaptée pour sélectionner au maximum les composantes fréquentielles perceptibles par l'interféromètre à l'intérieur du carré de Nyquist lié à l'échantillonnage de l'imageur interférométrique. Selon une autre caractéristique, l'interféromètre comporte quatre sous-pupilles A B C D situées aux quatre coins d'un carré, et on procède aux acquisitions séquentielles suivantes -- acquisition du couple A-B avec un temps de pose élémentaire TO; -- acquisition du couple B-D avec ce même temps de pose TO; -- acquisition du couple C-B avec ce même temps de pose TO; et - - acquisition du couple A-D avec ce même temps de pose TO. Selon une autre caractéristique, on effectue les acquisitions éventuellement successives en utilisant des couples de pupilles dont l'éloignement est suffisamment faible pour que leur apport se situe essentiellement à l'intérieur du carré de Nyquist de l'interféromètre. Selon une autre caractéristique, l'ensemble de pupilles est disposé selon une configuration de type connu dite GOLAY. D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront clairement dans la description suivante, présentée à titre d'exemple non 15 limitatif en regard des figures annexées qui représentent: - la figure 1, un premier exemple de réalisation d'un interféromètre à quatre pupilles d'entrée sur lequel on peut mettre en oeuvre le procédé selon l'invention; - la figure 2, la FTM de l'interféromètre de la figure 1 quand l'image de 20 sortie est formée de manière classique; - la figure 3, la FTM de l'interféromètre de la figure 1 quand l'image de sortie est formée par le procédé selon l'invention; - la figure 4, un deuxième exemple de réalisation d'un interféromètre à neuf pupilles sur lequel on peut mettre en oeuvre le procédé selon 25 l'invention; - la figure 5, la FTM, vue en plan suivant une échelle logarithmique, de l'interféromètre de la figure 4 quand l'image de sortie est formée de manière classique; - la figure 6, une représentation de la figure 4 sur laquelle on a fait 30 figurer les couples de pupilles qui, selon l'invention, ne sont pas pris en compte pour former l'image de sortie; 2879761 4 - la figure 7, la FTM, vue en plan suivant une échelle logarithmique, de l'interféromètre de la figure 4 quand l'image de sortie est formée par le procédé selon l'invention. Dans un exemple de réalisation simple représenté sur la figure 1, on utilise un système comportant quatre pupilles circulaires identiques 101 à 104, respectivement nommées A B C et D, et disposées aux quatre coins d'un carré. Si l'on utilise ce système de manière habituelle, c'est-à-dire en faisant interférer les faisceaux des quatre collecteurs simultanément et pendant un temps de pose commun, on obtient une FTM représentée sur la figure 2. On constate sur cette figure, qu'outre le pic central 201, on obtient 4 autres pics de hauteur élevée, 2 pics 202 pour les hautes fréquences verticales et 2 pics 203 pour les hautes fréquences horizontales. Pour les hautes fréquences diagonales, on obtient par contre quatre pics 204 de hauteur nettement plus faible. Cette différence provient du fait que les hautes fréquences horizontales (respectivement verticales) sont acquises grâce aux deux couples de pupilles A-B et C-D (respectivement A-C et B-D), alors que les hautes fréquences diagonales ne sont acquises que par le seul couple C-B dans une direction et par le seul couple A-D dans l'autre direction. Lorsque que la configuration de la pupille multiple est déterminée, la FTM est définie "physiquement" par l'autocorrélation de la pupille composite. Pour contourner ce lien entre la FTM et l'autocorrélation de l'ensemble des pupilles, l'invention propose de procéder à des acquisitions séquentielles de plusieurs images correspondant aux interférences de différents sous-ensembles de pupilles, en utilisant éventuellement des temps de pose différents pour un ou plusieurs sous- ensembles. De cette manière, on peut changer la forme de la FTM pour l'adapter et l'optimiser en fonction des besoins. En reprenant l'exemple du système à quatre pupilles de la figure 1, dans un exemple de mise en oeuvre du procédé selon l'invention on 2879761 5 procédera aux acquisitions séquentielles suivantes: -- acquisition du couple A-B avec un temps de pose élémentaire TO; -- acquisition du couple B-D avec ce même temps de pose TO; -- acquisition du couple C-B avec ce même temps de pose TO; et -- acquisition du couple A-D avec ce même temps de pose TO. Grâce à cette séquence d'acquisition, la FTM résultante, représentée sur la figure 3, ne défavorise aucune direction dans les hautes fréquences. On constate en effet qu'autour du pic central 301 on trouve quatre pics 302 correspondant aux hautes fréquences horizontales et verticales et quatre pics 303 correspondant aux hautes fréquences diagonales, ces 8 pics étant d'une même hauteur relativement réduite par rapport à la hauteur du pic central 301. Ceci montre bien qu'on peut modifier la FTM pour l'adapter aux besoins de la mission de l'appareil et qu'il est même possible d'obtenir plusieurs FTM différentes pour des besoins différents en modifiant les sous- groupes de pupilles, et également en modifiant les temps de pose pour ces différents sous-groupes. Le nombre de degrés de liberté supplémentaires ainsi obtenus sera d'autant plus grand qu'il y aura plus de pupilles à associer et que l'on sélectionnera des temps de pose différents. En outre, comme chaque édition de la séquence ne concerne qu'un groupe restreint de pupilles par rapport à l'ensemble de celles-ci, les algorithmes utilisés pour mesurer les erreurs de front d'onde afin de contrôler la qualité image, par exemple par la méthode de diversité de phase, seront plus simples à mettre en oeuvre. Dans un deuxième exemple de réalisation, on utilise un système comportant, comme représenté sur la figure 4, 9 pupilles 401 regroupées selon une configuration du type connu GOLAY comportant essentiellement un regroupement central de trois pupilles selon une disposition triangulaire compacte et six autres pupilles entourant ce regroupement central à une certaine distance de celui-ci, en formant un autre triangle dont trois pupilles occupent les sommets et les trois autres les milieux des côtés. Cette disposition permet une acquisition qui minimise la redondance fréquentielle. 2879761 6 Elle est décrite à titre de simple exemple de réalisation, mais l'invention s'applique aussi à de nombreuses autres configurations. Lorsque l'on effectue, de manière courante, une acquisition numérique de l'image, on utilise une matrice de détecteurs, de type CCD ou CMOS par 5 exemple, qui délivre un signal de sortie échantillonné. De manière connue, cette matrice de détecteurs à une capacité de perception des fréquences spatiales incluses dans un carré, appelé carré de Nyquist, centré sur la fréquence nulle et de côté inversement proportionnel au pas d'échantillonnage. Pour dimensionner un tel système d'observation numérique, on cherche à placer ce carré de Nyquist de façon à être en adéquation avec la capacité de perception de l'instrument d'optique. Cette capacité est obtenue à partir des valeurs non nulles de la FTM de l'instrument. Ceci revient essentiellement à chercher à "remplir" le plus possible ce carré tout en minimisant au maximum les zones perceptibles par l'instrument en dehors du carré. En effet, les composantes fréquentielles perceptibles par l'instrument en dehors du carré de Nyquist créent du repliement de spectre, aussi connu sous le nom anglo-saxon de "aliasing", qui dégrade l'image finalement obtenue. On a représenté sur la figure 5 la FTM, vue en plan suivant une échelle logarithmique, du système de la figure 4, lorsque l'on effectue une acquisition globale des images provenant des neuf pupilles de l'instrument. On constate que si l'on a bien rempli le carré de Nyquist 501, la FTM présente une configuration comportant une partie centrale continue hexagonale 502 qui déborde largement du carré de Nyquist, et qu'elle comporte en outre un ensemble de parties circulaires isolées 503 situées à l'extérieur de cette partie centrale. Ces composantes fréquentielles perçues inutilement par l'instrument 30 génèrent du repliement de spectre lors de l'échantillonnage spatial. L'invention propose d'éliminer directement ces fréquences inutiles en 2879761 7 effectuant une acquisition sélective des images provenant de l'interférence de sous-ensembles de sous-pupilles individuelles, par exemple une acquisition par couples, et en éliminant la sélection des configurations, par exemple des couples, dont l'éloignement est tel que leur apport est en dehors du carré de Nyquist. À titre d'exemple, on éliminera l'acquisition des couples représentés sur la figure 6 par les traits 602. Bien évidemment l'acquisition s'effectuera sur tous les couples pouvant être obtenus en dehors de ceux ainsi éliminés. La FTM obtenue en utilisant une telle séquence d'acquisition est I D représentée sur la figure 7 dans les mêmes conditions que celles de la figure 5. On constate que la FTM 702 rempli bien le carré de Nyquist 501 et qu'elle ne déborde de celui-ci que par de petits lobes dont l'importance est bien plus faible que les débordements de la partie 502 de la figure 5. En outre il n'y a pas de parties extérieures isolées telles que les parties 503 de cette figure 5. On obtient ainsi par le procédé selon l'invention un instrument dont la capacité d'acquisition présente une adéquation excellente avec la capacité d'échantillonnage du capteur utilisé. On peut également obtenir des degrés de liberté supplémentaires en agissant sur les temps d'acquisition respectifs des différents couples acquis. L'invention a été décrite ci-dessus essentiellement dans le cadre de couple de pupilles, mais elle s'étend aussi à une acquisition sur des sous-ensembles comportant plus de deux pupilles. En outre l'invention s'étend également à la sélection des sous- ensembles de pupilles en effectuant des acquisitions éventuellement simultanées, mais sur des plans focaux différents correspondants chacun à l'un de ces sous-ensembles. Les images provenant de ces acquisitions séparées sont ensuite regroupées pour obtenir l'image finale. 8 REVENDICATIONS 1 - Procédé de correction de la fonction de transfert d'un interféromètre imageur comportant un ensemble de sous-pupilles (401), caractérisé en ce que l'on procède à des regroupements en effectuant des acquisitions séparées de sous-ensembles de sous-pupilles sélectionnés délivrant des images élémentaires, pour obtenir, après traitement de combinaison, une image dont la fonction de transfert de modulation (FTM) - 0 est adaptée au type d'image de sortie souhaitée. 2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les acquisitions séparées se font par acquisitions successives. 3 - Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que au moins l'une des acquisitions successives est effectuée avec un temps d'acquisition différent de celui des autres acquisitions. 4 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les acquisitions séparées se font par des acquisitions éventuellement simultanées sur des plans focaux différents correspondant chacun à l'un des ces sous-ensembles. - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la composition des sous-ensembles et la séquence des acquisitions éventuellement successives est adaptée pour niveler les pics latéraux (302,303) correspondant au contraste de la FTM pour les composantes hautes fréquences, au détriment d'une augmentation relative du pic central (301) de la FTM. 6 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, 2879761 9 caractérisé en ce que la composition des sous-ensembles et la séquence des acquisitions éventuellement successives est adaptée pour sélectionner au maximum les composantes fréquentielles perceptibles par l'interféromètre à l'intérieur du carré de Nyquist (501) lié à l'échantillonnage de l'imageur interférométrique. 7 - Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que, l'interféromètre comportant quatre sous-pupilles A B C D (101 -- 104) situées aux quatre coins d'un carré, on procède aux acquisitions séquentielles suivantes - - acquisition du couple A-B avec un temps de pose élémentaire TO; - - acquisition du couple B-D avec ce même temps de pose TO; - - acquisition du couple C-B avec ce même temps de pose TO; et - acquisition du couple A-D avec ce même temps de pose TO. 8 - Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'on effectue les acquisitions éventuellement successives en utilisant des couples de sous-pupilles (401) dont l'éloignement (602), est suffisamment faible pour que leur apport se situe essentiellement à l'intérieur du carré de Nyquist (501) de l'interféromètre. 9 - Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'ensemble de sous-pupilles est disposé selon une configuration de type connu dite GOLAY.