Brevet FR3009756A1 — publié le 20150220

L'invention concerne un système électro-optique de prises de vues aériennes panoramiques à partir d'au moins une caméra embarquée à bord d'un porteur se déplaçant au-dessus d'un terrain à observer. Le domaine de l'invention se rapporte à la reconnaissance aérienne dont une des missions est d'explorer des zones de terrain de très grande dimension pour y recueillir des informations relatives à des moyens ou des activités dont la localisation n'est pas connue a priori. Pour ce type de mission, lorsqu'elle peut être accomplie à basse 10 ou à moyenne altitude, il est connu d'utiliser des appareils panoramiques permettant d'imager une bande de terrain perpendiculaire au déplacement du porteur, et s'étendant d'un horizon à l'autre. On distingue deux catégories d'appareils panoramiques : les appareils à films et les appareils électro-optiques. 15 Pour les appareils à films, le champ sur 180° peut être obtenu de plusieurs façons : - par balayage angulaire, un composant mobile, par exemple un prisme est placé avant la première lentille de l'objectif permettant ainsi d'explorer tout le champ. Le déplacement de ce composant est synchrone du 20 déplacement du film. - par balayage angulaire de l'objectif, celui-ci pivote autour d'un axe, son mouvement s'accompagne de celui d'une fente placée devant le film ; la rotation de l'objectif et de la fente permet de couvrir le champ. - par juxtaposition de plusieurs objectifs ayant des axes orientés 25 dans les différentes directions, pour n'utiliser qu'un seul film pour tout le champ. Les images obtenues peuvent être juxtaposées à l'aide de renvois à prismes. L'utilisation d'appareils photographiques à films, donnent 30 d'excellentes images mais a comme inconvénient majeur de nécessiter un délai entre la prise des images et leur exploitation ; les films devant être d'abord ramenés au sol puis développés. La deuxième catégorie d'appareils panoramiques concerne les appareils électro-optiques. Une réalisation connue utilise un objectif grand champ (140°) à focale fixe ainsi qu'une barrette de détecteur couplé à l'objectif. Les systèmes électro-optiques de prises de vue permettent l'enregistrement des images directement sous forme électrique et ne 5 présentent pas l'inconvénient majeur des appareils photographiques à film consistant à ramener les films au sol pour leur développement, les données pouvant être transmises instantanément vers une station au sol. Dans le cas où ces données ne peuvent être transmises, elles doivent être enregistrées. La liaison ou l'enregistreur d'images ont des capacités mémoires limitées qui 10 impliquent de gérer avec soin la quantité de données délivrées par le détecteur optique, ou senseur, du système de prises de vue. Dans l'état actuel de la technique il est connu des dispositifs électro-optiques de prises de vues où des images sont formées sur des barrettes CCD, abréviation anglo-saxonne pour "Charge-Coupled Device", 15 ou des films argentiques ; les angles de champ du ou des objectifs étant fixes quelle que soit l'altitude du porteur, ce qui a pour effet de réduire l'espace observé par le dispositif lorsqu'on s'approche du sol, et de diminuer la résolution lorsqu'on s'en éloigne. La présente invention a pour but de remédier à ces inconvénients 20 en adaptant l'agencement des voies formées respectivement par chaque objectif, en asservissant la focale des objectifs et leur angle de visée à l'altitude du porteur, cet agencement pouvant être fait manuellement par le pilote ou le copilote, ou automatiquement à partir d'informations fournies par un détecteur d'altitude, ou par le système de navigation propre au porteur. 25 A cet effet, l'invention a pour objet un système électro-optique de prises de vues aériennes panoramiques à partir d'au moins une caméra embarquée à bord d'un porteur se déplaçant au-dessus d'un terrain à observer, caractérisé en ce qu'une première caméra, comportant un objectif à focale variable couplé à un détecteur optique et dont l'axe optique est fixe, 30 est disposée à la verticale du terrain à observer, et en ce qu'il comporte en outre, au moins une deuxième et une troisième caméras, comportant respectivement un objectif, à focale fixe ou variable, couplé à un détecteur optique, disposées de part et d'autre de la première caméra, l'orientation des axes optiques des deuxième et troisième caméras, l'angle de visée de 35 chaque caméra, ainsi que la focale des caméras étant asservis, par l'intermédiaire d'un dispositif de commande, aux conditions de vol du porteur pour que les champs couverts par ces deux caméras soient complémentaires de celui couvert par la première caméra sans laisser de zones de terrain non observées, et en ce que les caméras sont couplées à s un dispositif de lecture des signaux délivrés par les détecteurs permettant d'optimiser le débit d'informations sans sur-échantillonner l'image du terrain dans le sens de déplacement du porteur. La présente invention a pour principaux avantages d'être souple d'emploi, d'avoir une résolution adaptée aux conditions de vol, et d'adapter lo au mieux le débit des données recueillies par les détecteurs optiques de chaque caméra. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit faite en regard des figures annexées qui représentent : 15 - la figure 1, un schéma de principe d'un système de prises de vues aériennes selon l'invention, - les figures 2a et 2b, un agencement des voies formées par le système selon l'invention, respectivement pour une altitude de 100 m et une altitude de 1000 m, et 20 - la figure 3, une projection au sol des barrettes CCD des caméras du système selon l'invention. Sur ces figures, les éléments homologues sont désignés par le même repère. Le schéma de principe d'un système selon l'invention est illustré 25 par la figure 1. Il est organisé autour d'une première caméra 1 embarquée à bord d'un porteur 2 matérialisé sur la figure par un cadre en trait interrompu. Le système de prises de vues aériennes forme des images au sol par balayage lors du déplacement du porteur à la verticale du terrain 3 à 30 observer à une altitude déterminée. Ce mode de balayage est connu sous la terminologie anglo-saxonne "push-broom". La première caméra 1, comporte essentiellement un objectif 4 à focale variable (zoom) couplé à un détecteur optique 5, par exemple une barrette CCD, et dont l'axe optique X, fixe, passe à la verticale du terrain 3 à 35 observer. Une deuxième et une troisième caméras, respectivement 6 et 7, sont disposées de part et d'autre de la première caméra 1. Elles comportent respectivement un objectif à focale fixe ou variable 8, 9 couplé à un détecteur optique 10, 11, une barrette CCD par exemple. Les axes optiques des deux caméras 6 et 7, respectivement Y et Z, sont orientables symétriquement autour de l'axe optique X de la première caméra 1. Chacun des axes Y et Z peuvent être orientés tout en restant dans un même plan perpendiculaire au sens de déplacement du porteur 2 10 afin d'optimiser les conditions de prises de vues. Un dispositif de commande 12, par exemple un moteur pas à pas à commande électronique, couplé aux différentes caméras 1, 6 et 7, assure l'orientation des axes Y et Z des caméras 6 et 7, le grandissement du zoom 4 de la première caméra, et éventuellement ceux des deuxième et troisième 15 caméras 6 et 7 dans le cas où elles sont équipées d'objectifs à focale variable, et leur angle de visée. L'agencement des voies formées par chacune des caméras 1, 6 et 7 du système selon l'invention, référencées respectivement par leurs axes optiques X, Y et Z, est ainsi asservi automatiquement à l'altitude du 20 porteur 2 de sorte que les champs couverts respectivement par les caméras 6 et 7 soient complémentaires de celui couvert par la première caméra 1, sans laisser de zone du sol non observée. Les signaux délivrés respectivement par chaque barrette de détecteur 5, 10 et 11 sont traités par un dispositif de lecture 13 embarqué à 25 bord du porteur 2, permettant d'optimiser le débit d'informations sans sur-échantillonnage de l'image du terrain dans le sens de déplacement du porteur 2. La description détaillée d'un agencement de voies d'un système selon l'invention est donnée ci-après en référence aux dessins des figures 30 2a et 2b respectivement pour une altitude du porteur 2 de 100 m et de 1000 m. Sur ces figures, ne sont représentées, par souci de clarté, que les voies formées par chaque caméra et ayant pour origine fictive un point 0 matérialisant également le porteur 2. Dans cet agencement, le système comporte cinq caméras formant respectivement cinq voies 1A, 1B, 2A, 2B et Vc, référencées respectivement par leur axe optique, situées dans un même plan perpendiculaire à l'axe de déplacement du porteur 2 pour une altitude du porteur 2 variant entre 100 et 1000 m par rapport au sol 3. La voie centrale Vc disposée à la verticale du porteur 2 est formée à partir d'un zoom de focale pouvant varier entre 28 et 70 mm. Les voies 1A et lg sont formées respectivement par un objectif de focale f = 70 mm ; elles sont disposées de façon symétrique par rapport à la 10 voie centrale Vc. Les voies 2A et 26 sont formées respectivement par un objectif de focale fixe f = 100 mm ; elles sont également symétriques par rapport à la voie centrale Vc. Toutes les barrettes CCD qui reçoivent les images du terrain survolé sont des barrettes 4000 points, de longueur 40 mm et de résolution 0,010 mm. 15 Le champ angulaire total couvert pour une altitude de 100 m, suivant la figure 1 a, est de 180°. Ce champ angulaire devient égal à 140° pour une altitude de 1000 m selon la figure lb. En effet, pendant le passage de l'altitude 100 m à 1000 m, un indicateur d'altitude, non représenté, entraîne automatiquement, par l'intermédiaire du dispositif de commande 12, 20 la rotation de la bague de commande du zoom, dont la focale varie continûment de 28 à 70 mm, couvrant au sol un champ de 143 m pour l'altitude 100 m et un champ de 571 m pour l'altitude 1000 m, le champ angulaire variant respectivement de 71° à 32°. En même temps, le même indicateur commande automatiquement le dispositif de commande 12 pour 25 faire pivoter l'ensemble des objectifs respectifs aux voies 1A et 2A et aux voies 16 et 26 entre 0 et 20°, les barrettes CCD restant perpendiculaires à l'axe optique de chacun d'eux, chaque valeur angulaire intermédiaire étant liée à l'angle de rotation de la bague du zoom donc à sa focale. Il en résulte que, pour une altitude de 100 m, la distance observée au sol est 30 théoriquement illimitée, tandis qu'elle est de 5,5 km pour une altitude de 1000 m. L'automatisation du dispositif de commande 12 peut être débrayable pour une commande manuelle du pilote ou du co-pilote. Enfin, le pouvoir séparateur, ou résolution, au sol à la verticale du porteur 2 est de 3,5 cm à 100 m et de 14 cm à 1000 m. Il faut bien entendu comprendre que le système selon l'invention décrit précédemment n'est pas limité à l'utilisation de cinq objectifs ni à l'agencement décrit précisément. On peut en effet employer plus ou moins de cinq objectifs, avec un minimum de trois, et un zoom de plus grand 5 rapport. L'ensemble de ces objectifs et barrettes CCD associés peut être disposé dans des plans parallèles donc distincts pour faciliter leurs mouvements respectifs sans nuire aux résultats. Il est aussi possible d'envisager l'emploi de plusieurs zooms remplaçant les objectifs à focales fixes notamment si l'on doit considérer une variation d'altitude supérieure à 10 l'exemple de la présente description, quitte à ce qu'ils ne soient pas tous utilisés lorsqu'on s'approche du sol ou que le champ angulaire dans cette situation soit supérieur à 180°, permettant alors de compenser un effet de roulis du porteur 2 autour de son axe de déplacement. La figure 3 représente un exemple de projection au sol des 15 barrettes CCD obtenu dans le mode de réalisation précédent. La géométrie de la projection et le choix des focales font que la dimension p au sol selon la direction de balayage, du pixel central peut être différente. Dans cet exemple, la dimension p est inférieure à la dimension p' du premier pixel de la première barrette latérale. De même, la dimension p" de la deuxième 20 barrette latérale peut être différente de p et de p'. Un échantillonnage correct de l'image nécessite l'extraction du signal de chacune des barrettes à une fréquence de l'ordre de V- où V est la Pi vitesse du porteur et pi la dimension projetée au sol d'un pixel de la barrette considérée. Un agencement particulier des différents objectifs mis en jeu 25 dans un système selon l'invention permet de faire travailler les barrettes à des cadences différentes puisqu'elles sont distinctes et adaptées à la géométrie de la prises de vue. Le système selon l'invention permet donc ainsi de travailler avec des rapports V- adaptés à chaque barrette, et ainsi Pi limiter le débit des données, puisque chaque caméra travaille à une cadence 30 juste suffisante. Dans le cas d'un système panoramique utilisant un objectif très grand angle et une seule barrette, l'échantillonnage correct au centre du champ nécessite de travailler à une fréquence d'échantillonnage telle que celle-ci conduise à un fort sur-échantillonnage au bord du champ. Le système selon l'invention s'applique à toutes les bandes spectrales, de l'ultraviolet à l'infrarouge pour lesquelles sont fabriqués des optiques, des zooms et des barrettes de détecteurs. REVENDICATIONS1. Système électro-optique de prises de vues aériennes panoramiques à partir d'au moins une caméra (1) embarquée à bord d'un porteur (2) se déplaçant au-dessus d'un terrain (3) à observer, caractérisé en ce qu'une première caméra (1), comportant un objectif (4) à focale variable couplé à un détecteur optique (5) et dont l'axe optique (X) est fixe, est disposée à la verticale du terrain (3) à observer, et en ce qu'il comporte en outre, au moins une deuxième et une troisième caméras (6 et 7), comportant respectivement un objectif (8,9) à focale fixe couplé à un détecteur optique (10,11), disposées de part et d'autre de la première caméra (1), l'orientation des axes optiques (Y,Z) des deuxième et troisième caméras (6 et 7), l'angle de visée de chaque caméra (1,6 et 7) ainsi que la focale de la première caméra (1) étant asservis, par l'intermédiaire d'un dispositif de commande (12), aux conditions de vol du porteur (2) pour que les champs couverts par ces deux caméras (6 et 7) soient complémentaires de celui couvert par la première caméra (1) sans laisser de zones de terrain (3) non observées, et en ce que les caméras (1,6 et 7) sont couplées à un dispositif de lecture (13) des signaux délivrés par les détecteurs (5, 10 et 11) permettant d'optimiser le débit d'informations sans sur-échantillonner l'image du terrain dans le sens de déplacement du porteur (2). 2. Système électro-optique de prises de vues aériennes panoramiques à partir d'au moins une caméra (1) embarquée à bord d'un porteur (2) se déplaçant au-dessus d'un terrain (3) à observer, caractérisé en ce qu'une première caméra (1), comportant un objectif (4) à focale variable couplé à un détecteur optique (5) et dont l'axe optique (X) est fixe, est disposée à la verticale du terrain (3) à observer, et en ce qu'il comporte en outre, au moins une deuxième et une troisième caméras (6 et 7), comportant respectivement un objectif (8,9), à focale variable, couplé à un détecteur optique (10,11), disposées de part et d'autre de la première caméra (1), l'orientation des axes optiques (Y,Z) des deuxième et troisième caméras (6 et 7), l'angle de visée de chaque caméra (1,6 et 7) ainsi que la focale des trois caméras (1,6 et 7) étant asservis, par l'intermédiaire d'un dispositif de commande (12), aux conditions de vol du porteur (2) pour que les champs couverts par ces deux caméras (6 et 7) soient complémentairesde celui couvert par la première caméra (1) sans laisser de zones de terrain (3) non observées, et en ce que les caméras (1,6 et 7) sont couplées à un dispositif de lecture (13) des signaux délivrés par les détecteurs (5, 10 et 11) permettant d'optimiser le débit d'informations sans sur-échantillonner l'image du terrain dans le sens de déplacement du porteur (2). 3. Système selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le dispositif de lecture (13) extrait le signal délivré par chaque détecteur optique (5, 10 et 11) à des fréquences déterminées en fonction de la vitesse (V) du déplacement du porteur (2) et de la dimension projetée au sol (pi) du pixel du détecteur considéré. 4. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'ensemble des objectifs (4, 8 et 9) et des détecteurs associés (5, 10 et 11), sont respectivement disposés dans des plans distincts et parallèles permettant la mise en place de mécanismes nécessaires aux mouvements des différentes caméras (1,6 et 7). 5. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, 20 caractérisé en ce que chaque détecteur optique (5,10 et 11) est constitué d'au moins une barrette de détecteur CCD. 6. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que chaque détecteur optique (5,10 et 11) est constitué 25 d'au moins une barrette de détecteur fonctionnant dans le domaine spectral infrarouge.