Brevet FR3039654A1 — publié le 20170203

INSTRUMENT D'OBSERVATION EMBARQUABLE SUR UN VAISSEAU SPATIAL ET VAISSEAU SPATIAL EQUIPE D'UN TEL INSTRUMENT L'invention porte sur un instrument d'observation pouvant être embarqué sur un vaisseau spatial tel qu'un satellite, ainsi que sur un vaisseau 5 spatial équipé d'un tel instrument. L'invention s'applique principalement à l'observation de la Terre dans le domaine optique, visible ou proche infrarouge, mais peut également s'appliquer à l'étude des planètes extra-terrestres. L'observation de la surface terrestre est couramment réalisée 10 en utilisant des télescopes embarqués sur des satellites. On entend par « téléscope » tout système optique capable de collecter de la lumière et de former une image d'un objet à l'infini. Un télescope peut comprendre uniquement des miroirs, des miroirs et des lentilles ou même uniquement des lentilles. 15 Pour obtenir des images à haute résolution, on a recours à des satellites à orbite basse (LEO, de l'anglais « Low Earth Orbit »), qui présentent un point sub-satellite défilant, équipés de télescopes présentant un miroir d'entrée de grandes dimensions (plusieurs dizaines de centimètres de diamètre). A cause de la faible altitude du satellite (typiquement, quelques 20 centaines de kilomètres), le champ de vision du télescope ne couvre qu'une petite portion du sol, ayant typiquement une surface de l'ordre de quelques kilomètres carrés à quelques dizaines de km2. Ainsi, si le télescope conservait une orientation fixe, par exemple dirigée vers le nadir, était pointé directement vers le centre de la Terre, chaque passage du satellite ne permettrait 25 d'observer qu'une bande étroite de la surface terrestre. Pour obtenir une couverture plus large et une meilleure accessibilité, il est connu d'effectuer un balayage du champ de vision du télescope dans une direction perpendiculaire à la vitesse de déplacement du satellite (ou, plus exactement, du point subsatellite sur la surface terrestre). De cette façon, un seul satellite peut 30 observer une portion de surface beaucoup plus large. Cela est illustré sur la figure 1 (qui n'est pas à l'échelle) où la référence PSS identifie le point subsatellite sur la surface terrestre STR, V la vitesse de déplacement du satellite 3039654 2 et du point sub-satellite, TO le télescope optique, CV le champ de vision de ce télescope lorsque sa ligne de visée LV est dirigée vers le point sub-satellite (supposé de forme carrée, bien que cela ne soit pas essentiel) et CV son champ de vision lorsque sa ligne de visée est déportée latéralement, dans 5 une direction, dite transversale (référence T), perpendiculaire à la vitesse V. On peut remarquer que, lorsque la ligne de visée LV du télescope TO est déportée latéralement, son champ de vision CV' est déformé, allongé dans la direction transversale. Il en résulte une dégradation de la résolution au sol dans ladite direction transversale, alors que la 10 résolution au sol dans la direction longitudinale (parallèle à la vitesse V) reste approximativement constante ou tout au plus ne se dégrade que légèrement avec l'angle de dépointage. Ainsi, la qualité des images acquises au cours du balayage se dégrade au fur et à mesure que l'on observe des régions de plus en plus éloignées du point sub-satellite. 15 Actuellement, si on souhaite obtenir des images haute résolution sur toute l'étendue du balayage on doit : - soit limiter fortement le dépointage latéral maximal, sacrifiant l'étendue de la couverture ; - soit dimensionner le télescope pour que la résolution dans 20 la direction transversale reste acceptable lors du dépointage maximal, mais cela implique une augmentation très sensible de son coût et de son encombrement. Même dans ce cas, le problème de la non-homogénéité de la résolution dans les directions longitudinale et transversale subsiste. L'invention vise à surmonter les inconvénients précités de l'art 25 antérieur. Plus précisément, l'invention vise à procurer un instrument d'observation spatioporté permettant d'obtenir une résolution angulaire (définie comme étant la largeur angulaire à mi-hauteur de la réponse impulsionnelle de l'instrument) élevée, correspondant typiquement à une résolution au sol d'un mètre ou moins, et homogène même en cas de 30 dépointage latéral important, typiquement 20 à 40°, tout en présentant un faible encombrement. Cela rend l'invention particulièrement adaptée, entre autre, à une application aux microsatellites. 3039654 3 Une idée à la base de l'invention consiste à utiliser un télescope présentant une pupille d'entrée ayant une dimension plus importante dans la direction transversale que dans la direction longitudinale. Cette structure « asymétrique » permet de compenser la perte de résolution due au dépointage latéral. Ainsi, un objet de l'invention est un instrument d'observation embarquable sur un vaisseau spatial, comprenant un télescope optique et un dispositif de pointage configuré pour déplacer un champ de vision dudit télescope optique dans une direction dite transversale, caractérisé en ce que ledit télescope optique a une pupille d'entrée présentant une première dimension, mesurée dans une direction dite transversale, supérieure à une seconde dimension, mesurée dans une direction, dite longitudinale, perpendiculaire à ladite direction transversale. Selon différents modes de réalisation de l'invention : - Ledit télescope optique peut présenter un objectif unique, de forme allongée dans ladite direction transversale. En particulier, ledit objectif peut être un miroir concave de forme oblongue, de préférence elliptique. - En variante, ledit objectif peut être un objectif composite, 20 comportant une pluralité d'objectifs élémentaires coopérant avec un recombineur interférométrique. - Le dispositif peut comprendre également un dispositif de pointage configuré pour déplacer un champ de vision dudit télescope optique dans ladite direction transversale. En particulier ledit dispositif de pointage 25 peut comprendre un miroir de renvoi oscillant, ou bien un actionneur configuré pour faire pivoter ledit télescope optique. - Ledit télescope optique peut être configuré pour être monté à plat sur une face d'un vaisseau spatial, son axe optique et ladite direction transversale étant parallèles à ladite face, l'instrument comprenant 30 également un miroir de renvoi configuré pour orienter une ligne de visée dudit télescope suivant une direction ayant au moins une composante perpendiculaire à ladite face. 3039654 4 - Le rapport entre la première et la deuxième dimension de la pupille d'entrée du télescope optique peut être choisi pour que ledit télescope présente la même résolution dans la direction transversale et dans 5 la direction longitudinale en correspondance d'un déplacement maximal dudit champ de vision dans ladite direction transversale. - Le rapport entre la première et la deuxième dimension de la pupille d'entrée du télescope optique peut être compris entre 1,2 et 2,5. - L'instrument peut comprendre également un capteur 10 d'images coopérant avec ledit télescope pour acquérir des images pixélisées, ainsi qu'un dispositif de traitement d'images configuré pour fusionner des pixels desdites images adjacents dans ladite direction transversale en fonction du déplacement dudit champ de vision. Un autre objet de l'invention est un vaisseau spatial équipé 15 d'un tel instrument d'observation. Ce vaisseau spatial peut notamment être du type satellite pour orbite basse et présentant une vitesse de déplacement par rapport au sol perpendiculaire à ladite direction transversale et à une ligne de visée dudit instrument d'observation. Le vaisseau spatial peut comprendre aussi des moyens de contrôle d'attitude configurés pour modifier son orientation de manière à déplacer un champ de vision du télescope optique dudit instrument d'observation dans ladite direction transversale. D'autres caractéristiques, détails et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description faite en référence aux dessins annexés, donnés à titre d'exemple, dans lesquels : 2 5 - La figure 1, décrite en précédence, illustre un problème de l'art antérieur ; - Les figures 2A, 2B et 2C montrent trois vues, selon des directions orthogonales respectives, d'un instrument selon un premier mode de réalisation de l'invention ; 30 - La figure 3 illustre schématiquement un instrument selon un deuxième mode de réalisation de l'invention ; 3039654 5 - La figure 4 illustre schématiquement un instrument selon un troisième mode de réalisation de l'invention ; La figure 5 permet de comprendre comment un instrument selon l'invention permet d'assurer une résolution homogène même en 5 présence d'un dépointage latéral important ; et - La figure 6 illustre un critère de dimensionnement d'un instrument selon un mode de réalisation de l'invention. Les figures 2A à 2C montrent un satellite SAT portant un instrument selon un premier mode de réalisation de l'invention. Plus 10 précisément, la figure 2A correspond à une vue suivant une direction transversale T, perpendiculaire à la vitesse V du satellite et à la direction ST satellite - Terre ; la figure 2B correspond à une vue suivant ladite direction ST ; et la figure 2C correspond à une vue par derrière, suivant la direction de la vitesse V du satellite. 15 Dans ce premier mode de réalisation, l'instrument d'observation comprend un télescope optique TO, un capteur matriciel d'images CMI - par exemple du type CCD - coopérant avec ce télescope, un dispositif de traitement d'images DTI - par exemple un processeur de traitement numérique de signaux (DSP, de l'anglais « Digital Signal 20 Processor ») programmé de manière opportune - configuré pour traiter les images acquises par ledit capteur, et un miroir oscillant de renvoi MOR. Le télescope est monté sur la face du satellite orienté vers la Terre (face Terre), avec son axe optique parallèle à ladite face. Le miroir de renvoi MOR permet d'orienter la ligne de visée LV du télescope vers la Terre ; en oscillant, en outre, ce miroir effectue un balayage de ladite ligne de visée dans la direction transversale. Le télescope TO est du type Cassegrain ; il présente un miroir principal concave parabolique MP qui sert d'objectif et un miroir secondaire convexe hyperbolique MS qui réfléchit la lumière focalisée par le miroir primaire vers un trou pratiqué au centre de ce dernier. Le capteur d'images CMI, équipé d'une lentille oculaire (non représentée), est positionné en correspondance de ce trou. Comme on peut le voir sur les figures 2A et 2B, le 3039654 6 miroir primaire MP présente une section elliptique, avec son plus grand axe al orienté selon la direction transversale T et son plus petit axe a2 orienté selon la direction ST (plus généralement, le miroir primaire pourrait présenter toute forme allongée dans la direction transversale). 5 Avantageusement, l'axe optique AO du télescope est parallèle à la vitesse V du satellite et le miroir de renvoi MOR oscille en pivotant autour d'un axe AP également parallèle à V. Alternativement, l'axe optique du télescope pourrait être perpendiculaire à V et le miroir de renvoi MOR pivoter autour d'un axe parallèle à V. D'autres configurations sont également 10 possibles. Il peut être avantageux, du point de vue de la stabilité mécanique et de l'encombrement, que le plus grand axe du miroir primaire soit parallèle à la face du satellite sur laquelle est monté le télescope (ici, la face-Terre). Dans le mode de réalisation de la figure 3, le télescope TO est du type composite. Il se présente sous la forme d'une pluralité de télescopes 15 élémentaires T01, T02, T03, par exemple de type Cassegrain comme dans le cas des figures 2A - 2C, dont les objectifs élémentaires MP1, MP2, MP3 n'ont pas nécessairement une forme allongée, mais sont agencés principalement suivant la direction transversale. Un recombineur interférométrique RI, connu en soi, synthétise une pupille de forme allongée à 20 partir des pupilles des télescopes élémentaires. Dans ce cas, le capteur d'images (non représenté) ne détecte pas directement une image de la surface terrestre, mais un interférogramme, dont un traitement approprié permet d'extraire une image exploitable. Dans le mode de réalisation de la figure 3, les télescopes élémentaires partagent un même miroir de renvoi 25 oscillant MOR, mais cela n'est pas essentiel ; par exemple, chaque télescope élémentaire pourrait avoir son propre miroir de renvoi, ou encore un tel miroir pourrait être absent comme expliqué ci-après en référence au troisième mode de réalisation. Dans le mode de réalisation de la figure 4, il n'y a pas de 30 miroir de renvoi. Le balayage latéral de la ligne de visée est obtenu en inclinant directement le télescope TO (de type simple ou composite) au moyen d'un actionneur AC approprié ou bien simplement en réorientant le 3039654 7 satellite entier par une bascule autour de l'axe vitesse en utilisant des moyens de contrôle d'attitude, tels que des roues de réaction, des actionneurs gyroscopiques, des magnéto-coupleurs ou des moteurs-fusées. Un inconvénient de ce mode de réalisation est son encombrement plus élevé, car 5 l'axe optique du télescope doit s'écarter de la face du satellite sur laquelle l'instrument est monté. La figure 5 montre que, grâce à l'utilisation d'un télescope présentant une pupille de forme allongée, le champ de vision CV' présente une résolution acceptable, et au moins approximativement homogène, lorsque 10 la ligne de visée est déportée latéralement, dans la direction transversale. Certes, à proximité du point sub-satellite PSS le champ de vision CV présente une forme allongée dans la direction longitudinale (parallèle à la vitesse de défilement V), et donc une résolution transversale plus élevée que la résolution longitudinale. Mais, si cela n'est pas acceptable, il est possible d'y 15 remédier par un traitement numérique approprié, par exemple en fusionnant plusieurs pixels adjacents dans la direction transversale. Le nombre de pixels fusionnés dépend avantageusement du déplacement du champ de vision par rapport au point sub-satellite. Par exemple, lorsque le champ de vision est centré sur le point sub-satellite on peut fusionner trois pixels pour diviser par 20 trois la résolution dans la direction transversale ; en cas de dépointage modéré on peut ne fusionner que deux pixels, et en correspondance du dépointage maximal on ne fusionnerait pas de pixels. Ce traitement peut être effectué au sol, mais il est plus avantageusement effectué à bord du satellite par le dispositif de traitement d'images embarqué DTI afin de réduire le 25 volume de données à transmettre au sol. D'autres traitements peuvent être mis en oeuvre, au sol ou au bord du satellite, pour rectifier géométriquement et radiométriquement les différents champs de vision. Par exemple, l'on peut proposer une option de suréchantillonnage permettant, au moyen d'un traitement numérique 30 approprié, d'améliorer la résolution à la verticale du satellite. Ce traitement est par exemple implémenté sur les satellites Spot 5 sous la dénomination « Supermode » du CNES (http://spot5.cnes.fr/systeme/3110.htm). Son 3039654 inconvénient est que la capacité d l'instrument à transmettre les détails (fonction de transfert de modulation) reste limitée par l'inhomogénéité de résolution entre les points subsatellite et ceux en bord de balayage (dépointage latéral maximal). 5 Selon un mode de réalisation avantageux de l'invention, la pupille du télescope optique est dimensionnée de telle sorte que la résolution transversale soit égale à la résolution longitudinale en correspondance du déplacement maximal dudit champ de vision dans ladite direction transversale. La manière d'obtenir un tel dimensionnement sera décrite ci- 10 après à l'aide de la figure 6. Comme cela a été indiqué plus haut, la résolution angulaire d'un instrument optique est définie comme sa réponse impulsionnelle, c'est à dire la largeur (par exemple à mi-hauteur) de la tache image que l'on obtient lorsqu'on observe un objet ponctuel. En supposant une optique parfaite 15 observant une scène à l'infini, la tache image I est proportionnelle à la transformée de Fourier bidimensionnelle de la fonction P qui définit la pupille de l'optique : 1(ax, ay)=C- TF[P(a-x, a-y)], où C est une constante de normalisation, a une constante qui dépend de la longueur d'onde, (x,y) des coordonnées spatiales, (ilx, cLy) les fréquences spatiales correspondantes et 20 TF l'opérateur transformée de Fourier . La résolution au sol est égale à la résolution angulaire multipliée par la distance d'observation. En observation au nadir, l'équation ci-dessus peut être utilisée directement pour déterminer la dimension minimale de la pupille permettant d'atteindre la résolution angulaire souhaitée. En 25 observation latérale, le point observé est plus éloigné que le point au nadir d'un facteur ky qui est donné par : ky(0) = SA/H = (1 +R/H).cos(0) - [(R/H)2-(1+R/H)2.sin2(0)]1/2 (1) où (cf. la figure 6) : - le point S correspond à la position du satellite ; 30 - H est l'altitude du satellite ou, de manière équivalente, sa distance du point sub-satellite ; 3039654 9 - le point A représente le point observé de la surface terrestre ; - R est le rayon terrestre ; et - 0 est l'angle de dépointage latéral. 5 Ce facteur représente l'augmentation de taille du point au sol dans la direction y. Dans la direction x, l'augmentation de taille du point au sol est représentée par le facteur kx suivant : kx(0) = [(R/H)2 + (1+R/H)2 - 2R(1+R/H)-cos(aresin((H/R+1)-sin(0))-0)] (2) Pour avoir une résolution au sol aussi bonne en visée latérale 10 (supposée, dans un but de simplification mais sans perte de généralité, dans la direction ocx) qu'au nadir, on doit diminuer la largeur de la fonction Image(ax, Cty) dans la direction ocx. D'après les propriétés bien connues de la transformée de Fourier, cela est obtenu en augmentant la dimension de la pupille dans la direction x de ce même facteur k. Ainsi, si l'on souhaite que la résolution de 15 l'instrument soit la même dans la direction longitudinale et dans la direction transversale en correspondance d'un déplacement latéral maximal du champ de vision défini par un angle de dépointage maximal OMAX, le rapport entre la première (plus grande) dimension de sa pupille et la seconde dimension, orthogonale à la première dimension, doit être égal à 20 kmAx = kx(emAx) ky(OmAx) (3) Alternativement et dans le même esprit, si l'on souhaite que la résolution transversale au sol soit la même en bord de couverture et sous le satellite, le rapport entre la première (plus grande) dimension de sa pupille et la seconde dimension, orthogonale à la première dimension, doit être égal à 25 kmAx = kx(OmAx) (4) Tout autre choix de la valeur de kmAx conduira à un équilibrage différent des résolutions longitudinale et transversale mais dans tous les cas améliorera l'homogénéité de résolution dans la couverture par rapport à une pupille symétrique. 30 Le rayon terrestre est d'environ 6371 km, l'altitude H du satellite est généralement comprise entre 200 et 1000 km et l'on souhaite 3039654 10 obtenir un angle de dépointage maximal OMax d'environ 20° à 45°. Par conséquent, le rapport kmAx doit de préférence être compris entre 1,3 et 1,5 si on applique le critère de dimensionnement de l'équation (3), et entre 1,7 et 2,1 si on applique celui de l'équation (4). Plus généralement, le rapport kmAx peut 5 avantageusement être compris entre 1,2 et 2,5. L'invention a été décrite en référence à plusieurs modes de réalisation donnés à titre d'exemples non limitatifs, mais de nombreuses autres variantes sont possibles. Par exemple : - Le satellite ne doit pas nécessairement être en orbite 10 basse ; il pourrait notamment être géostationnaire. - L'invention n'est pas limitée à l'observation de la Terre : elle peut s'appliquer également à l'observation d'autres corps célestes, tels que les planètes, au moyen de sondes spatiales. - Dans les modes de réalisation décrits en détail, le 15 télescope optique est un télescope à réflexion de type « Cassegrain ». D'autres types de télescopes, à réflexion mais également à réfraction, peuvent convenir à la mise en oeuvre de l'invention. Dans le cas d'un télescope à réflexion, le miroir primaire peut éventuellement être segmenté. - Le télescope ne doit pas nécessairement être monté sur 20 la face Terre du satellite. - L'instrument peut être adapté pour acquérir des images dans une ou plusieurs plages spectrales du domaine qu'on peut qualifier d'optiques, incluant le proche infrarouge, le visible et le proche ou moyen ultraviolet, et correspondant à des longueurs d'onde comprises entre 200 nm 25 et 3000 nm, et plus particulièrement entre 400 nm et 2400 nm. - Les figures 1 et 5 illustrent un balayage « unilatéral », effectué d'un seul côté du point sub-satellite. Il est également possible de réaliser un balayage bilatéral, symétrique ou pas par rapport au point subsatellite. Dans certains cas, en outre, la ligne de visée du télescope pourra 30 toujours être dépointée latéralement, le point sub-satellite n'étant pas observé. REVENDICATIONS1. Instrument d'observation embarquable sur un vaisseau spatial (SAT), comprenant un télescope optique (TO) et un dispositif de 5 pointage (MOR, AC) configuré pour déplacer un champ de vision (CV, CV') dudit télescope optique dans une direction dite transversale, caractérisé en ce que ledit télescope optique a une pupille d'entrée présentant une première dimension, mesurée dans une direction dite transversale (T), supérieure à une seconde dimension, mesurée dans une direction (V), dite longitudinale, 10 perpendiculaire à ladite direction transversale. 2. Instrument selon la revendication 1 dans lequel ledit télescope optique présente un objectif unique (MP), de forme allongée dans ladite direction transversale. 15 3. Instrument selon la revendication 2 dans lequel ledit objectif est un miroir concave de forme oblongue, de préférence elliptique. 4. Instrument selon la revendication 1 dans lequel ledit 2 0 objectif est un objectif com posite, comportant une pluralité d'objectifs élémentaires (MP1, MP2, MP3) coopérant avec un recombineur interférométrique (RI). 5. Instrument selon l'une des revendications précédente, 25 comprenant également un dispositif de pointage (MOR, AC) configuré pour déplacer un champ de vision (CV, CV') dudit télescope optique dans ladite direction transversale 6. Instrument selon la revendication 5 dans lequel ledit 30 dispositif de pointage comprend un miroir de renvoi oscillant (MRO). 3039654 12 7. Instrument selon la revendication 5 dans lequel ledit dispositif de pointage comprend un actionneur (AC) configuré pour faire pivoter ledit télescope optique. 8. Instrument selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ledit télescope optique est configuré pour être monté à plat sur une face d'un vaisseau spatial, son axe optique (AO) et ladite direction transversale étant parallèles à ladite face, l'instrument comprenant également un miroir de renvoi (MOR) configuré pour orienter une ligne de visée dudit télescope suivant une direction ayant au moins une composante perpendiculaire à ladite face. 9. Instrument selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le rapport entre la première et la deuxième dimension de la pupille d'entrée du télescope optique est choisi pour que ledit télescope présente la même résolution dans la direction transversale et dans la direction longitudinale en correspondance d'un déplacement maximal dudit champ de vision dans ladite direction transversale. 10. Instrument selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le rapport entre la première et la deuxième dimension de la pupille d'entrée du télescope optique est compris entre 1,2 et 2,5. 11. Instrument selon l'une des revendications précédentes comprenant également un capteur d'images (CMI) coopérant avec ledit télescope pour acquérir des images pixélisées, ainsi qu'un dispositif de traitement d'images configuré pour fusionner des pixels desdites images adjacents dans ladite direction transversale en fonction du déplacement dudit champ de vision. 12. Vaisseau spatial (SAT) équipé d'un instrument d'observation selon l'une des revendications précédentes. 3039654 13 13. Vaisseau spatial selon la revendication 12, du type satellite pour orbite basse, présentant une vitesse de déplacement (V) par rapport au sol perpendiculaire à ladite direction transversale et à une ligne de visée (LV) dudit instrument d'observation. 14. Vaisseau spatial selon l'une des revendications 12 ou 13 comprenant des moyens de contrôle d'attitude configurés pour modifier son orientation de manière à déplacer un champ de vision (CV, CV') du télescope 10 optique dudit instrument d'observation dans ladite direction transversale.