Brevet FR3073295A1 — publié le 20190510

I TELESCOPE SPATIAL GENERANT DES IMAGES COULEUR A DEUX FORMATS GRAND CHAMP ET HAUTE RESOLUTION Le domaine de l'invention est celui des télescopes spatiaux permettant d'obtenir à la fois une haute résolution et un champ (ou fauchée) large pour une même acquisition d'image. Les différentes solutions possibles pour accéder à ce besoin de couverture en champ et de haute résolution sont très couteuses. Elles sont typiquement obtenues au moyen de : 2 types de satellites différents : un satellite avec un télescope à champ large (CL) et un satellite avec un télescope à haute résolution (HR), ou 2 types de satellites identiques évoluant à des altitudes différentes : un satellite avec un télescope à champ large, en orbite haute et un satellite avec un télescope à haute résolution, en orbite basse, ou un satellite avec 2 télescopes différents : un télescope à champ large et un télescope à haute résolution, ou un satellite avec un seul télescope avec un même type de détecteurs, en jouant sur l'altitude (HR en orbite basse, CL en orbite haute), ou - un satellite avec un seul télescope avec une voie champ large et une voie haute résolution, à même focale unique pour les deux voies, avec deux types de détecteurs, des détecteurs dédiés à la haute résolution (= champ étroit) avec des pixels de dimensions a, et des détecteurs dédiés au champ large avec des pixels de dimensions k.a, le facteur de champ entre les deux voies étant égal à k. Mais aucune de ces solutions ne génère la même image (prise au même instant) suivant 2 formats différents HR et CL. Dans le cas d'un même télescope à deux voies, connu pour des acquisitions d'images en noir et blanc uniquement : Le mode « haute résolution » est réalisé avec des pixels de taille réduite. - Les 2 acquisitions d'images (une par voie) ne sont pas réalisées simultanément. 2 Pour passer d'un mode haute résolution (ou champ étroit) à un mode moyenne résolution (ou champ large), le paramétrage du satellite est différent : sa vitesse par exemple est adaptée à la résolution. 5 De plus les limitations matérielles telles que la capacité de la chaine de traitement des images (compression, mémorisation puis transmission au sol) et la consommation électrique, ne permettent pas d'activer simultanément les deux modes CL et HR. L'utilisateur final doit donc choisir à l'avance le type d'observation 10 avec le risque de rater des informations stratégiques en bord de champ et de perdre en réactivité. Le but de l'invention est de pallier ces inconvénients. 15 La solution selon l'invention est fondée sur un télescope spatial équipé de détecteurs panchromatiques (ou PAN) et de détecteurs multispectraux (ou MS) réservés traditionnellement pour colorer l'image acquise en noir et blanc avec les détecteurs PAN, afin de générer une seconde image couleur plus grand format que la première. 20 Plus précisément l'invention a pour objet un télescope spatial comprenant : - un télescope de tête de focale FO comportant deux miroirs, avec en sortie un plan focal intermédiaire, 25 - un plan focal, - une voie panchromatique avec des détecteurs panchromatiques ayant des pixels de taille a, - une voie multispectrale avec des détecteurs multispectraux ayant des pixels de taille k.a avec kkl réel, les détecteurs panchromatiques 30 et les détecteurs multispectraux étant juxtaposés dans le plan focal, et le télescope de tête étant commun aux voies multispectrale et panchromatique. Il est principalement caractérisé en ce que les voies multispectrale et panchromatique sont séparées en sortie du plan focal intermédiaire et re35 juxtaposées dans le plan focal, en ce qu'il comporte des moyens de 3 réduction de la focale sur la voie multispectrale configurés pour obtenir une focale égale à FO/a, a réel positif et une unité de traitement reliée aux détecteurs panchromatiques et aux détecteurs multispectraux, et configurée pour fournir une image couleur à champ large à partir d'images acquises par 5 les détecteurs multispectraux et pour fournir une image couleur à haute résolution à partir de la combinaison des images acquises par les détecteurs multispectraux et d'une image acquise simultanément par les détecteurs panchromatiques. 10 L'avantage pour l'utilisateur est d'avoir dans son image HR la connaissance de l'environnement immédiat et de pouvoir « dé zoomer » le produit final sur un plus grand champ. Les avantages matériels du télescope selon l'invention sont les suivants : 15 - Habituellement dans le cas de deux voies différentes HR et CL, des détecteurs PAN supplémentaires sont installés sur la voie HR, ce qui n'est pas nécessaire dans le cas de l'invention en objet. Le volume de données est donc peu impacté par le télescope selon l'invention. - Il permet l'utilisation de détecteurs MS et PAN ayant les mêmes tailles de 20 pixels, dans la mesure où on réalise en aval des détecteurs MS un regroupement de pixels (« binning »). Avec par exemple un regroupement de pixels deux par deux et en considérant un ratio de focale F0/2, on obtient une quantité de photons récoltée par les détecteur MS similaire à celle des détecteurs PAN, sachant que la largeur des bandes spectrales MS est 25 environ quatre fois plus étroite que celle de la bande panchromatique. - Le champ accessible au niveau du plan focal est généralement limité par la faisabilité technique d'abouter un grand nombre de détecteurs. Ainsi, le télescope selon l'invention permet de s'affranchir de ce problème en adressant un grand champ sur la voie CL avec les mêmes détecteurs. 30 On a typiquement a =2 et k= 2. Selon une caractéristique de l'invention, l'unité de traitement comporte des moyens de regroupement de pixels (binning) de chaque image acquise par les détecteurs multispectraux. 4 L'unité de traitement peut être déportée. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit, faite à titre d'exemple non 5 limitatif et en référence aux dessins annexés dans lesquels : les figure la et 1 b représentent schématiquement un exemple de télescope spatial selon l'état de la technique vu en coupe (fig la) et vu de dessus (fig lb), les figures 2a et 2b sont des zooms sur les détecteurs PAN et MS 10 vus de dessus (fig 2a pour des barrettes et fig 2b pour des matrices), les figures 3a et 3b représentent schématiquement un exemple de télescope spatial selon l'invention vu en coupe (fig 3a) et vu de dessus (fig 3b), les figures 4a et 4b représentent schématiquement deux exemples 15 de télescope à réduction de focale selon l'invention. D'une figure à l'autre, les mêmes éléments sont repérés par les mêmes références. Le télescope selon l'invention est basé sur un télescope spatial 20 utilisant des détecteurs panchromatiques (ou PAN) et des détecteurs multispectraux (ou MS) réservés traditionnellement pour colorer l'image acquise en noir et blanc avec les détecteurs PAN. On décrit figures la et lb un exemple d'un tel télescope. Il s'agit par exemple d'un télescope « Off-Axis » de type Korsch de 25 focale FO, comme montré sur les figure la et lb c'est-à-dire un télescope TMA avec obturation centrale (acronyme de l'expression anglo-saxonne « Three Mirors Anastigmat ») de type Concave-Convexe-Concave, les trois miroirs étant agencés de façon que le premier miroir M1 situé au niveau de la pupille d'entrée PE et le second miroir M2 forment d'un objet à l'infini, qui 30 passe par un trou au centre du miroir Ml, une image intermédiaire située dans un plan de focalisation intermédiaire PFi entre le second et le troisième miroir, le troisième miroir M3 formant de cette image intermédiaire une image finale non inversée dans le plan focal 10 du télescope. On désigne par télescope de tête les optiques situées en amont du plan focal intermédiaire 35 PFi, soit M1 et M2 dans cet exemple. Le sens amont-aval est celui de la 5 lumière arrivant sur le télescope, comme indiqué par les flèches sur les figures. Les miroirs Ml, M2 et M3 sont asphériques et ont une forme classique pour un tel télescope. Ils sont de forme fixe et la position du 5 premier, du deuxième et du troisième miroir est fixe. De préférence on utilise un miroir de repli M4 placé ici entre M2 et M3 comme montré sur la figure ; selon une variante ce miroir de repli peut être placé entre M3 et le plan focal. Un diaphragme 40 est placé dans le plan focal intermédiaire PFi, et on a indiqué la pupille de sortie 50. 10 Les éléments M3, 10, 50 sont montrés sur la vue de dessus de la figure lb sur laquelle on a indiqué la « trace » du trou de Ml. Les rayons en sortie de la pupille 50 sont les rayons extrêmes des champs optiques MS et PAN. Le faisceau focalisé 20 n'est pas perpendiculaire au plan focal 10 15 du télescope mais arrive sur le plan focal 10 avec un angle d'incidence oblique. La détection des images collectées par le télescope est réalisée en juxtaposant dans le plan focal 10 du télescope : des détecteurs PAN 11 dont les pixels ont chacun une taille a, avec un pas au sol GSD-PAN (GSD pour Ground Surface Distance) 20 typiquement compris entre 30 cm et 1m, et un champ de vue FOV- PAN (FOV pour Field Of View) et, des détecteurs MS 12 dont les pixels ont chacun une taille k.a, k étant un réel supérieur ou égal à 1, avec un pas au sol GSD-MS = k. GSD-PAN, et un champ de vue FOV-MS= FOV-PAN. On a 25 typiquement k égal à 4. Les détecteurs MS sont des détecteurs associés à des filtres d'entrée ou à un filtre multispectral permettant d'observer les images dans différentes fenêtres spectrales. Les détecteurs MS et PAN sont juxtaposés dans le plan focal au plus près les uns des autres dans les limites des contraintes d'installation et 30 de manière à ce que l'écart angulaire entre l'image formée sur les détecteurs MS et l'image formée sur les détecteurs PAN ne génère pas d'artefact sur l'image finale colorée liée à la parallaxe entre les deux acquisitions PAN et MS. La figure 2a montre un zoom en vue de dessus, d'un exemple de disposition des détecteurs 11 et 12 selon un plan YZ parallèle au plan focal. 35 Sur cette figure, sont représentées des barrettes 11 de détecteurs PAN 6 juxtaposées à des barrettes 12 de détecteurs MS. Les barrettes PAN et MS sont respectivement disposées par exemple en quinconce. Chaque barrette MS peut comporter plusieurs lignes de détecteurs, par exemple quatre lignes 12a, 12b, 12c, 12d, chaque ligne étant affectée à une bande spectrale. Les 5 détecteurs peuvent être agencés sous forme de barrettes ou de matrices comme montré figure 2b. Une unité de traitement 30 reliée aux sorties des détecteurs MS et PAN, est configurée pour colorer l'image PAN IHR (qui est une image noir et blanc à haute résolution (1 pixel) d'une scène) grâce aux images MS io correspondantes Ic (Rouge, Vert, Bleu pour trois bandes spectrales par exemple), avec pour chaque bande spectrale une image couleur de la même scène (même champ que l'image IHR) vue sous un angle légèrement différent du fait de l'écart angulaire entre les détecteurs PAN et MS, avec une résolution inférieure (k pixels) (dans notre exemple il y a donc 3 images Ic). 15 En sortie de l'unité de traitement 30, l'image colorée obtenue IcHR présente ainsi la haute résolution (1 pixel pour un pas au sol prédéterminé) de l'image PAN. Selon l'invention décrite en relation avec les figures 3, les deux 20 voies sont séparées optiquement en aval du miroir M2 au moyen d'un double diaphragme 40' de sélection de ces deux voies, placé dans le plan focal intermédiaire, puis ré-orientées sur le même plan focal 10. L'écart angulaire entre les voies qui est accentué par rapport à celui indiqué précédemment, est néanmoins minimisé afin de réduire l'écart temporel ou angulaire entre 25 les acquisitions MS et PAN. On a typiquement un écart angulaire entre les champs optiques des deux voies compris entre 0,1° et 0,5°. Le télescope selon l'invention comporte un élément pour faire en sorte que les voies MS et PAN soient de nouveau juxtaposées dans le plan focal et un réducteur de focale sur la voie MS (entre le PFi et le plan focal) pour obtenir sur cette voie 30 une focale égale à FO/a. Le réducteur de focale est par exemple a= 1,8 ou a= 2... a = 4. La limitation sur a est donnée par la combinaison optique. Dans le cas d'un télescope TMA avec obturation centrale, c'est la dimension du trou central du miroir M1 montrée figure 3b qui va limiter. 35 7 Après séparation des deux voies, le télescope comprend un miroir M3, un miroir M4 et une pupille de sortie pour chaque voie, respectivement désignés M3cL, M3HR, M4cL, M4HR et 50cL et 50HR. La réduction de focale est par exemple réalisée en optimisant la 5 forme et la position du miroir M3cL et en adjoignant un miroir M4cL free form (comme montré figure 4a) ou une lame asphérique (comme montré figure 4b) proche de la pupille de sortie. Des éléments optiques de repli sont indiqués en aval des miroirs M3cL et M3HR. De préférence, les voies étant séparées, un diaphragme destiné à bloquer les réflexions parasites entre les 10 deux voies est placé sur chacune des deux voies au niveau des pupilles de sortie 50cL et 50HR et du plan focal 10. Les éléments M3cL, M3HR, 50cL, 50HR et 10 sont montrés sur la vue de dessus de la figure lb sur laquelle on a indiqué la « trace » du trou de Ml. Les rayons en sortie des pupilles 50cL, 50HR sont les rayons extrêmes 15 des champs optiques MS et PAN. Les miroirs du télescope selon l'invention sont dimensionnés pour passer le champ le plus grand, en l'occurrence le champ CL. On obtient : 20 en sortie des détecteurs PAN 11, une image IHR qui est une image noir et blanc à haute résolution (1 pixel) d'une scène, et - en sortie des détecteurs MS 12, plusieurs images couleur In (une pour chaque bande spectrale, par exemple, rouge, verte, bleue) à champ a fois plus large (scène plus large) que celui de l'image IHR et 25 avec un pas au sol a fois plus grand, ces images ayant été acquises simultanément. L'unité de traitement 30' reliée aux sorties des détecteurs MS et PAN, est configurée : - pour fournir à partir des images couleur 'CL, une image couleur à 30 champ large Ici: de même champ et de même pas au sol que ceux des images 'CL et, pour colorer l'image IHR grâce aux images correspondantes lu, bien que les images 'CL couvrent cette fois un champ plus large que celui de l'image IHR. L'image colorée obtenue IcHR` (identique à 35 l'image ICFiR obtenue avec le télescope de la figure 1) présente ainsi la 8 haute résolution (1 pixel pour un pas au sol prédéterminé) de l'image IHR. On obtient ainsi en sortie de l'unité de traitement 30' un couple IcHR` et Ici: d'images couleur selon deux formats, un format haute résolution 5 et un format à champ large. Par exemple pour a = 2 et une image IcHR1 ayant un pas au sol de 30 cm pour un champ (fauchée) de 10 km, on obtient aussi une image Ici: ayant un pas au sol de 60 cm pour un champ de 20 km. 10 Pour a = 4 et une image IcHR' ayant un pas au sol de 30 cm pour un champ de 10 km, on obtient aussi une image lcu ayant un pas au sol de 120 cm pour une fauchée de 40 km. L'unité de traitement 30' est généralement déportée; elle est par 15 exemple déportée au sol. On peut utiliser des détecteurs MS et PAN ayant des pixels de même taille (k=1) tout en conservant une voie CL et une voie HR. Avec des pixels de même taille, si par exemple a =4, alors on retrouve un facteur 4 20 entre la voie PAN et la voie MS sur les résolutions projetées au sol. Sachant que : S Pan proportionnel à: Bande_PAN . Ti_Pan (s_Pan) / (F_PAN)2 S MS proportionnel à: Bande_MS. Ti_MS . (s_MS) / (F_MS)2, avec 25 - S, le signal reçu par le détecteur - Bande : largeur de la bande spectrale - Tl : Temps d'intégration du détecteur - s: surface collectrice du pixel - F : focale de la voie, 30 on obtient : S MS /S PAN = (Bande_MS / Bande_PAN) . (Ti_MS / Ti_PAN) (k)2 (1/a)2 ou : GSD MS = (k /a) * GSD_PAN. On va à présent donner quelques exemples numériques. 9 Avec un télescope de l'état de la technique, on obtient avec k=4 (taille d'un pixel MS 4 fois plus grande que celle d'un pixel PAN) et donc a=1 (pas de réduction de focale) : GSD MS =4 . GSD PAN 5 Ti MS =4 . Ti_PAN Bande_MS / Bande_PAN - 1/4 S MS /S PAN = 1/4 . 4 . 1 = 1. Avec un télescope selon l'invention, on obtient avec k=2 (taille d'un pixel MS 2 fois plus grande que celle d'un pixel PAN) et a=2 : 10 GSD MS =2 . GSD PAN Ti MS =4 . Ti_PAN Bande_MS / Bande_PAN - 1/4 S MS /S PAN = 1/4 . 4 . 4. 1/4 = 1. Avec un télescope selon l'invention, on obtient avec k=1 (même 15 taille d'un pixel MS et d'un pixel PAN) et a=2 : Ti MS =4 . Ti_PAN Bande_MS / Bande_PAN - 1/4 S MS /S PAN = 1/4 . 4. 1 . 1/4 = 1/4 . Le déficit de signal S du facteur 1/4 sera compensé en partie par « binning » 20 (sommation des 2 pixels adjacents) dans l'unité de traitement 30'. D'autres REVENDICATIONS1. Télescope spatial comprenant : - un télescope de tête de focale FO comportant deux miroirs (M1, M2), avec en sortie un plan focal intermédiaire (PFi), - un plan focal (10), - une voie panchromatique avec des détecteurs panchromatiques (12) lo ayant des pixels de taille a, - une voie multispectrale avec des détecteurs multispectraux (11) ayant des pixels de taille k.a avec kk1 réel, les détecteurs panchromatiques et les détecteurs multispectraux étant juxtaposés dans le plan focal, et le télescope de tête étant commun aux voies 15 multispectrale et panchromatique, caractérisé en ce que les voies multispectrale et panchromatique sont séparées en sortie du plan focal intermédiaire et re-juxtaposées dans le plan focal (10), en ce qu'il comporte des moyens de réduction de la focale sur la voie multispectrale configurés pour obtenir une focale 20 égale à FO/a, a réel positif et une unité de traitement (30') reliée aux détecteurs panchromatiques (11) et aux détecteurs multispectraux (12), et configurée pour fournir une image couleur à champ large (lu') à partir d'images (IcL) acquises par les détecteurs multispectraux (12) et pour fournir une image couleur à haute résolution (IcHR') à partir de 25 la combinaison des images (IcL) acquises par les détecteurs multispectraux (12) et d'une image (IHR) acquise simultanément par les détecteurs panchromatiques (11). 2. Télescope spatial selon la revendication précédente, caractérisé en ce 30 que a =2 et k= 2. 3. Télescope spatial selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'unité de traitement (30') comporte des moyens de regroupement de pixels (binning) de chaque image (IcL) acquise 35 par les détecteurs multispectraux (12). 11 4. Télescope spatial selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les détecteurs panchromatiques et multispectraux sont des barrettes ou des détecteurs matriciels. 5 5. Télescope spatial selon l'une des revendications précédentes, de type Korch. 6. Télescope spatial selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'unité de traitement (30') est déportée.10