Brevet FR2940463A1 — publié le 20100625

SYSTEME D'IMAGERIE PASSIVE EQUIPE D'UN TELEMETRE Le domaine de l'invention est celui de la télémétrie laser par mesure de temps de vol, associée à de l'imagerie passive dans un grand champ d'observation. Un dispositif de télémétrie d'une cible est souvent associé à un système d'imagerie passive dans un système optronique multi fonctions. Un exemple d'un tel système optronique multi fonctions est décrit en relation avec la figure 1. Il comprend pour la partie imagerie passive, une configuration optique de formation d'images sur un détecteur matriciel 2 situé dans le plan focal de cette configuration. On a représenté sur la figure l'optique frontale 1 de cette configuration. Le détecteur matriciel 2 comprend une matrice de transducteurs 21 tels que des photodiodes qui convertissent les photons reçus en électrons proportionnellement à l'éclairement reçu ; ces charges électriques sont ensuite intégrées par les intégrateurs 22 respectivement associés aux transducteurs, et proportionnellement converties en tension par un convertisseur charges-tension 23. Le détecteur comprend en outre un circuit d'adressage en lignes 25, un circuit d'adressage en colonnes 26 et un multiplexeur 24 qui multiplexent tous les signaux issus des convertisseurs 23 et génère un signal vidéo de sortie contenant les informations de luminance du détecteur matriciel (désignées images sur la figure) qui sont amplifiées et converties par des amplificateurs et convertisseurs analogique-numérique 11 en vue de leur traitement ultérieur. Le circuit d'adressage en lignes 25 sélectionne la ligne qui est connectée au multiplexeur. Le circuit d'adressage en colonnes 26 génère les signaux de commande du multiplexeur 24. Le circuit de lecture comprend en outre dans certains cas un circuit séquenceur de lecture 27 qui génère la séquence d'adresse de commande des circuits d'adressages afin d'assurer la lecture complète de l'image. Les intégrateurs, le séquenceur de lecture, les circuits d'adressage et le multiplexeur sont des éléments du circuit de lecture du détecteur matriciel. Les intégrateurs 22 sont commandés par un signal de contrôle émis par un générateur d'horloge 3. Dans certains cas le séquenceur de lecture 27 permet de générer les adresses correspondant à une petite sous-matrice de photodiodes pour limiter la lecture à une seule zone d'intérêt. Les signaux de début et de fin d'intégration, les commandes du séquenceur de lecture ou bien directement les entrées des circuits d'adressage sont générés par le générateur d'horloge 3. Il comprend pour la partie télémétrie : - un laser impulsionnel 4 mis en forme par une optique 41, éclairant la cible et dont le signal est en partie rétrodiffusé vers un détecteur de télémétrie 5, - une optique 6 de grande surface de pupille pour maximiser l'amplitude du signal reçu, - le détecteur de télémétrie 5, généralement réalisé avec une diode à avalanche silicium ou InGaAs voire CdHgTe (selon la longueur d'onde du laser utilisé) de grande bande passante et de coefficient de multiplication suffisamment élevé pour permettre la détection de très faibles signaux ; un amplificateur large bande 51 et un filtre passe bande 52 sont reliés à la photodiode, - un module de calcul de distance 7 à partir du signal détecté et du temps écoulé entre le départ de l'impulsion laser (désigné synchro impulsion sur la figure) et la détection dudit signal. Le générateur d'horloge 3 et le module de calcul de distance 7 20 sont hébergés dans une unité de traitement numérique 8. Le champ de réception est supérieur à la couverture de la surface de cible illuminée, pour prendre en compte les défauts d'harmonisation entre les lignes de visée de l'émetteur 4 et du détecteur 2. Parmi les principaux inconvénients et contraintes limitant la portée 25 de ces dispositifs de télémétrie basés sur la mesure du temps de vol, on peut citer - le champ de réception supérieur au champ utile réel qui engendre un bruit photonique dû au fond de scène dégradant le rapport signal utile / bruit et, par suite, la portée, 30 - les détecteurs à avalanche qui présentent des facteurs de bruit relativement importants (typiquement 5 pour InGaAs et Si), - les lasers impulsionnels délivrant de fortes énergies par impulsion qui sont lents, encombrants et coûteux. Un inconvénient supplémentaire s'ajoute à cette liste : la surface 35 de l'optique de réception 6 est souvent limitée par le partage de surface disponible avec les autres optiques dédiées aux fonctions d'imagerie passive (visible et thermique, détection de tache laser pour réaliser de l'éca rtométrie, .... ). En conséquence, il demeure à ce jour un besoin pour un système optronique assurant des fonctions de télémétrie et d'imagerie passive donnant simultanément satisfaction à l'ensemble des exigences précitées, en termes de RSB, portée de télémétrie, réduction de l'encombrement et du coût, temps de réaction. Plus précisément l'invention a pour objet un procédé de télémétrie d'une cible au moyen d'un laser impulsionnel et d'un dispositif de détection des impulsions rétro diffusées par la cible, qui comprend une étape d'émission d'impulsions laser à des instants déterminés et à une fréquence de répétition f. Il est principalement caractérisé en ce que le dispositif de détection comportant un détecteur matriciel qui comprend une matrice de photodiodes associées à des intégrateurs, le procédé comprend les étapes suivantes de localisation grossière puis de localisation fine de la cible. L'étape de localisation grossière comporte les sous-étapes suivantes : intégration par les intégrateurs d'une impulsion rétro diffusée, reçue par les photodiodes, sur une fenêtre temporelle de durée F prédéterminée et décalée d'un décalage Déc entre l'instant d'émission de l'impulsion et celui du début de ladite intégration, avec Déc F et Déc sont par exemple déterminés en fonction d'un intervalle de distance dans lequel la cible est susceptible de se situer. De même, d est déterminé en fonction de la précision de localisation requise. Il comprend de préférence une sous-étape de post-intégration des 15 signaux reçus avant la sous-étape de comparaison. Les seuils sont par exemple déterminés en fonction d'un signal minimal estimé de cible. L'invention a aussi pour objet un système optronique d'imagerie qui comprend un détecteur matriciel et une unité de traitement numérique 20 des images issues du détecteur, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif d'émission d'impulsions laser et en ce que l'unité de traitement comprend des moyens de mise en oeuvre du procédé tel que décrit. Le détecteur matriciel comprend avantageusement une matrice de photodiodes associées à des intégrateurs et est équipé de circuits 25 d'adressage de lignes et de colonnes de la matrice. Ce système permet : l'utilisation d'un ensemble de détection (optique et détecteur) unique pour les fonctions combinées de télémétrie et d'imagerie, d'éviter l'utilisation d'une chaîne électronique d'amplification large 30 bande passante générant un très faible bruit pour la voie de télémétrie, la fonctionnement correct de la télémétrie dans des conditions de forte rétrodiffusion de l'atmosphère à proximité du porteur du système, l'exploitation, pour des fonctions de télémétrie, de lasers peu coûteux et d'encombrement réduit, délivrant des trains d'impulsions de faible énergie mais de fréquence élevée, la combinaison des fonctions d'imagerie passive et de télémétrie de hautes performances par une même optique et un bloc de détection unique. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit, faite à titre d'exemple non limitatif et en référence aux dessins annexés dans lesquels : la figure 1 déjà décrite représente schématiquement un système optronique multi fonction selon l'état de la technique ; un premier zoom sur le détecteur matriciel permet de montrer la matrice de photodiodes et le circuit de lecture et un deuxième zoom sur un élément de cette matrice permet de montrer une photodiode et ses intégrateur et convertisseur associés, les figures 2 illustrent schématiquement la phase de localisation grossière de la cible (fig 2a) et la phase de localisation fine (fig 2b), la figure 3 représente schématiquement un système optronique multi fonction selon l'invention, la figure 4 représente la distance maximale de télémétrie en fonction de la fréquence de répétition du laser. Selon l'invention, le détecteur matriciel du système d'imagerie est également utilisé à des fins de télémétrie. Le calcul de distance n'est plus obtenu à partir de la mesure du temps écoulé entre le départ d'une impulsion et le retour du signal rétrodiffusé correspondant, mais selon le procédé suivant. Les figures 2a et 2b illustrent différentes étapes du procédé de télémétrie selon l'invention. Celui-ci se fonde sur une première phase de localisation grossière mais rapide de la position d'une cible, suivie d'une phase de localisation plus fine. La phase de localisation grossière de la cible comprend les étapes suivantes : émission d'impulsions laser d'une largeur de l'ordre de 10 ns par exemple, à des instants déterminés par le système. La fréquence de répétition f est inférieure à une fréquence limite de manière à éviter l'apparition de chevauchement entre les impulsions émises et reçues. Cette fréquence limite est donc calculée en fonction de la portée maximale de télémétrie illustrée figure 4. Elle est typiquement supérieure à 20 kHz qui correspond à une portée de 10 km. Intégration sur des fenêtres temporelles de dimension déterminée F, à une fréquence égale à celle de l'émission ; on a F A une fenêtre temporelle F de 6,68 ps correspond un intervalle de 1 km, et à un décalage d de 1,33 ps correspond une avancée de 200 m sur le terrain ; dans cet exemple 5 décalages sont suffisants pour couvrir un intervalle de 1 km avec une précision de 200 m. Dans l'exemple de la figure 2, il résulte de la phase grossière que la cible est située entre 3 et 5 km et on a choisi une durée F de fenêtre temporelle de 6,67 ps correspondant à un intervalle de 1 km, et des décalages temporels de 1,33 ps correspondant à des décalages de distance de 200 m. La cible étant située à 3,5 km, son écho apparaît et est détecté sur les 3 premières fenêtres puis disparaît à partir de la 4è fenêtre : la cible est donc située entre 3,4 et 3,6 km. Selon l'invention, le dispositif d'imagerie et le dispositif de télémétrie ont un ensemble de détection commun. Le détecteur de télémétrie 5, l'amplificateur et filtre associés 51, 52 et l'optique associée 6 décrits en préambule deviennent inutiles ; le module de calcul de distance 7 tel que décrit en préambule est remplacé par un module de mise en oeuvre du procédé itératif décrit précédemment, hébergé par l'unité de traitement numérique 8'. Cet ensemble de détection commun procure un gain en sensibilité par maximisation de la taille de l'optique 1. Pour être en mesure d'assurer une fonction de télémétrie telle que décrite précédemment, l'unité de traitement d'images 8' comprend en plus des moyens classiques de l'imagerie décrits en préambule, un module 10 de traitement de détection de tache qui reçoit les images détectées pour, par comparaison à un seuil donné, déterminer la présence ou l'absence d'un signal laser rétrodiffusé par une cible (écho) et des moyens 9 de supervision de la télémétrie. Les moyens 9 de supervision de la télémétrie indiquent au générateur d'horloge 3', la phase de localisation grossière ou fine ainsi que le décalage Déc ou Décf à appliquer. Le générateur d'horloge 3' émet des signaux de contrôle spécifiques de la télémétrie en plus des signaux de contrôle propres à l'imagerie. Ces signaux spécifiques sont : signal de départ de l'impulsion destiné au laser 4, signal de connexion ou déconnexion d'une photodiode 21 à son intégrateur 22' en vue de réaliser la post-intégration et pour réaliser une fonction de � gating �. Aux fins de télémétrie également le détecteur matriciel 2 selon l'invention a les caractéristiques suivantes : - la matrice de photodiodes (de 256 lignes x 320 colonnes par exemple) est réalisée sur un matériau semi-conducteur dont le gabarit spectral est adapté à l'imagerie passive ainsi qu'aux longueurs d'onde de l'illumination laser. On peut citer à titre d'exemple de tels matériaux : - le silicium adapté pour détecter un faisceau laser ayant une longueur d'onde comprise entre 0,4 pm et 1,1 pm, - le CdHgTe adapté pour détecter un faisceau laser ayant une longueur d'onde comprise entre 0,4 pm et 15 pm, - l'InGaAs adapté pour détecter un faisceau laser ayant une 35 longueur d'onde comprise entre 0,4 pm et 2,5 pm, - la capacité d'intégration de chaque intégrateur du circuit de lecture est dimensionnée en taille pour les contraintes de l'imagerie passive et chaque intégrateur 22' dispose pour la télémétrie des ressources nécessaires (des arrangements de transistors) pour ouvrir des fenêtres temporelles d'intégration très courtes (quelques 10 ns à quelques 10 ps) en vue d'assurer une fonction de � gating � et de post-intégrer les signaux reçus ; - en outre ce même circuit de lecture permet : - un contrôle précis du retard (ou décalage) Déc ou Décf entre l'émission de l'impulsion laser et le début de l'intégration du signal rétrodiffusé correspondant, par l'intermédiaire des signaux numériques de contrôle émis par le générateur d'horloge 3' ; - une post-intégration sur plusieurs fenêtres d'intégration de plusieurs impulsions rétro-diffusées grâce à la déconnexion/reconnexion de la photodiode 21 à l'intégrateur 22', commandée par l'intermédiaire des signaux numériques de contrôle émis par le générateur d'horloge 3' ; cela offre la possibilité d'utiliser des lasers 4 de faible puissance par impulsion et fonctionnant à des fréquences élevées ; - de préférence, un fenêtrage aléatoire en taille et position de la matrice de détection par l'intermédiaire d'un adressage sélectif des lignes et colonnes de la matrice, qui offre la possibilité de sélectionner en mode actif, une petite sous-matrice de photodiodes. Cela permet de limiter la lecture à une seule zone d'intérêt en augmentant la fréquence de répétition des impulsions laser jusqu'à des fréquences très élevées, par exemple supérieures à 20 kHz. L'utilisation d'une matrice de détection, capable d'imagerie passive classique, divise le champ total d'observation en un grand nombre de petits champs élémentaires, égal au nombre de transducteurs de la matrice. Pour un champ d'observation donné, si ce champ élémentaire est très réduit, le bruit photonique généré devient quasi-négligeable permettant ainsi la détection de signaux de très faibles amplitudes, compatible d'une fonction de détection d'une tache laser éloignée. L'exploitation d'une petite partie de la matrice (quelques dizaines de pixels) permet une lecture rapide de trames de tailles réduites (en 50ps à 100ps). Cette petite partie de la matrice a néanmoins une taille supérieure à celle d'une photodiode de télémètre classique : il en résulte une forte réduction des contraintes d'harmonisation entre les voies d'émission et de réception du télémètre. A raison de la lecture de la seule petite zone d'intérêt de la matrice (par exemple : 32 colonnes x 10 lignes), l'information distance peut être acquise en quelques ms. Ce fenêtrage spatial présente les avantages suivants : un gain de sensibilité en détection de tache laser et de télémétrie par la minimisation du bruit photonique de fond, une simplification du respect des normes sur la sécurité oculaire, un gain en sensibilité par réduction de la bande passante, et donc du bruit, de l'électronique associée. REVENDICATIONS1. Procédé de télémétrie d'une cible au moyen d'un laser impulsionnel (4) et d'un dispositif de détection des impulsions rétro diffusées par la cible, qui comprend une étape d'émission d'impulsions laser à des instants déterminés et à une fréquence de répétition f, caractérisé en ce que le dispositif de détection comportant un détecteur matriciel (2) qui comprend une matrice de photodiodes (21) associées à des intégrateurs (22'), le procédé comprend les étapes suivantes de localisation grossière puis de localisation fine de la cible, l'étape de localisation grossière comportant les sous-étapes suivantes : intégration par les intégrateurs (22') d'une impulsion rétro diffusée, reçue par les photodiodes (21) sur une fenêtre temporelle de durée F prédéterminée et décalée d'un décalage Déc entre l'instant d'émission de l'impulsion et celui du début de ladite intégration, avec Déc 2. Procédé de télémétrie d'une cible selon la revendication précédente, caractérisé en ce que F et Déc sont déterminés en fonction d'un intervalle de distance dans lequel la cible est susceptible de se situer. 3. Procédé de télémétrie d'une cible selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que d est déterminé en fonction de la précision de localisation requise. 4. Procédé de télémétrie d'une cible selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que F' 5. Procédé de télémétrie d'une cible selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend une sous-étape de post-intégration des impulsions reçues avant la sous-étape de comparaison. 6. Procédé de télémétrie d'une cible selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les seuils sont déterminés en fonction d'un signal minimal estimé de cible et du nombre de post-intégrations éventuelles. 7. Système optronique d'imagerie qui comprend un détecteur matriciel (2) et une unité de traitement numérique (8') des images issues du détecteur, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif d'émission d'impulsions laser (4) et en ce que l'unité de traitement (8') comprend des moyens (10, 9, 3') de mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications précédentes. 8. Système optronique d'imagerie selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le détecteur matriciel (2) comprend une matrice de photodiodes (21) associées à des intégrateurs (22') et est équipéde circuits d'adressage de lignes (25) et de colonnes (26) de la matrice.