Cours 2 : Imagerie active
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Cours 2 : Imagerie active 1. Introduction – imagerie de nuit Il existe plusieurs types de technologies utilisées pour la vision de nuit. On peut citer l’imagerie passive de nuit qui utilise des détecteurs ultra-sensibles (back-illuminated CCD, low light level CCD,…) ou des détecteurs munis d’intensificateurs d’image. Ces techniques sont très performantes et permettent de faire de l’imagerie dans des conditions de luminosité très faible (lune, étoiles, …), mais nécessitent des temps de pose ou temps d’intégration de plusieurs ms ce qui les excluent des bon nombre d'applications embarquées. Une autre technique très utilisée pour l’observation de nuit est l’imagerie infrarouge dans les bandes 3 à 5 µm et 8 à 12 µm (figure 1). Figure 1 : Rappel des principales fenêtres spectrales pour l'imagerie Le capteur d’image peut être constitué d’une matrice de microbolomètres qui ne nécessitent pas de refroidissement ou encore d'une matrices de PtSi ou autres. Ces techniques d’imagerie sont basées à la fois sur les propriétés d’émissivité des corps ainsi que sur leurs rayonnements thermiques. Comme pour l’imagerie passive à très faible niveau de lumière, les temps d’intégration nécessaires pour ce type d’imagerie restent relativement élevés. Une autre limitation est liée à la longueur d’onde élevée dans l’IR. La fréquence de coupure fc donnée par la tâche de diffraction (e1) est inversement proportionnelle à la longueur d’onde, il est donc plus favorable, en terme de fréquence de coupure de travailler à faible longueur d’onde. (e1) La troisième voie possible pour faire de l’observation de nuit est d’utiliser la technique de l’imagerie active. Dans ce cas, on associe au système d'observation une source d’éclairage artificielle permettant d’illuminer la scène à observer. Pour respecter la contrainte de temps d’intégration court, il faut utiliser une source d’éclairage capable de délivrer une forte puissance d’éclairage pendant la durée d’intégration du récepteur. Cette condition est parfaitement réalisable avec les sources laser actuelles qui possèdent, en plus, des propriétés de directivité du faisceau fondamentales pour ce type d’application. L’utilisation de sources laser pulsées permet de travailler à des longueurs d’onde dans le visible ou le proche IR, correspondant à des 2 fréquences de coupure (liées à la diffraction) supérieures à celles obtenues dans le cas de l’imagerie IR. Le grand avantage de cette technique est qu’elle permet de travailler même en l’absence totale de lumière (ciel couvert de nuit). C’est cette technique que nous allons étudier. 2. Principe de l'imagerie active θ Emetteur ∆t Récepteur FOV Figure 2: illumination de scènes et réception d'images Exemple de système d'imagerie active à crénelage temporel (ISL) La technique de l’imagerie active, qui consiste à associer au système d’imagerie sa propre source d’éclairage, comporte plusieurs variantes. La variante la plus simple consiste à éclairer la scène en continu et à limiter le temps de pose en commandant la caméra par un obturateur. On peut aussi éclairer la scène en mode impulsionnel (correspondant au temps de pose) et maintenir la caméra ouverte en mode acquisition continue. Ce type de fonctionnement est par contre très sensible aux lumières parasites provenant de la scène. Pour éliminer le problème des lumières parasites et pour augmenter l’efficacité de l’éclairage, on synchronise l’éclairage avec l’ouverture de la caméra (∆t=0). Dans ce mode de fonctionnement le temps d’ouverture de la caméra correspond à la durée de l'impulsion d'éclairage. Lorsqu'on synchronise l'ouverture de la caméra avec l'émission laser, la rétrodiffusion de la lumière sur les particules présentes dans l'atmosphère (brouillard, poussière,…) vient perturber la 3 qualité d'image (effet feux de route dans le brouillard) et la diffusion avant vient atténuer le signal de retour (voir cours sur la télémétrie impulsionnelle). Pour contourner ces limitations on a recours à une technique appelée crénelage temporel (figure 3) ou "range-gating" qui est basée sur le temps de vol d’une très courte impulsion de lumière (de l'ordre de la ns). Dans ce cas on va décaler temporellement l'émission laser et l'ouverture de la caméra (∆t≠0). Fig. 3 : Principe de fonctionnement du crénelage temporel Le principe de fonctionnement du crénelage temporel est le suivant : Au départ, à t0, la caméra est fermée par son obturateur ; à t1, l’impulsion laser est émise en direction de la scène, l’obturateur est toujours inactif, la caméra n’est pas affectée par la lumière rétro-diffusée par les particules atmosphériques. A t2, l’impulsion laser qui s’est propagée jusqu’à la scène est réfléchie en direction de la caméra. A ce moment, l’obturateur est toujours inactif. A t3, la lumière réfléchie par la scène atteint la caméra, l’obturateur est ouvert de façon à récupérer cette image. Le délai entre l’émission de l’impulsion laser et l’activation de l’obturateur est déterminé de sorte que la caméra ne voit que l'information provenant de la scène. Le temps d’ouverture (s’il est supérieur à la durée de l’impulsion) de la caméra détermine la profondeur de scène qui sera enregistrée. A l’instant t4, l’obturateur est de nouveau inactif, de sorte que la caméra reste protégée de la lumière parasite. Cette technique complexe est recommandée lorsque l’on veut faire de l’imagerie dans des conditions atmosphériques difficiles telles que brouillard, tempête de neige, nuage de poussière, fumée,… Avant de passer à l'aspect théorique, une illustration des performances de cette technique est donnée sur la figure 4 qui représente une même scène enregistrées de nuit pendant une tempête de neige avec et sans crénelage temporel. 4 Fig. 4 : Images enregistrées lors d'une tempête de neige (avec et sans crénelage temporel) 3. Equations de liaison 3.1 Eclairement dans le plan image Figure 5 : Rétrodiffusion de l'impulsion Reprenons l'équation (e10) (qui devient (e1) ici) de la télémétrie qui définit l'éclairement énergétique E en [W.m-2] d'une surface réceptrice A après éclairement d'une surface S par un faisceau laser selon la figure ci-dessus. (e1) Avec : R : Coefficient de réflexion ou Albédo de la cible P : Puissance en [W] du laser d'éclairage τ : Transmission de l'atmosphère, avec : τ = e −αd d : Distance système cible A travers une optique de focalisation (objectif), on définit l'éclairement énergétique dans le plan image par : (e2) 5 avec, (e1) devient, φ étant la pupille de l'objectif : (e3) Cette équation montre que si l'on veut augmenter l'éclairement dans le plan image, il faut augmenter la puissance du laser d'éclairage ou augmenter la pupille d'entrée de l'objectif. Sim étant lié à S par les caractéristiques de l'objectif qui sont sa pupille φ et sa focale f, on peut écrire : on peut écrire (e3) sous la forme : (e4) Ces équation ne sont valables que dans le cas où la divergence du faisceau laser d'éclairage est strictement superposée au champ de vue de l'optique (illustration de la figure 2). 3.2 Qualité d'image 3.2.1. La Fonction de Transfert de Modulation théorique et expérimentale Le niveau de détail nécessaire dans une image dépend du type de mission et du type de cible. La résolution nécessaire pour un système est croissante suivant que l'on désire Détecter, Reconnaître ou Identifier un objet dans une image. Le critère de Johnson et le STANAG 3769 sont deux normes de résolution utilisées par les militaires. Ces normes décrivent pour chaque mission et type de cible, la résolution nécessaire ou le nombre de points élémentaires dans une dimension de cible, soit : Détection 1 lp/dmc, Reconnaissance 4 lp/dmc, Identification 6,4 lp/dmc (lp : ligne pair, dmc : dimension minimale cible) Les performances du système, du point de vue de la résolution, seront décrites et caractérisées par la fonction de transfert de modulation. La figure 7 décrit le principe de la FTM. 6 Fig. 6 : Principe de la FTM Pour une mire sinusoïdale de fréquence fx , la FTM quantifie le contraste avec lequel le système donne une image de cette mire. Pour tous les systèmes, la FTM est, par définition, toujours égale à 1 pour la fréquence nulle (par exemple un bord de plage) et les fréquences plus élevées seront transmises avec un contraste de plus en plus faible, jusqu'à atteindre la fréquence limite de coupure fc . La courbe donne l'allure générale d'une FTM. En abscisse, on aura la fréquence spatiale d'entrée définie en paire de lignes par mm (lp/mm) ou en paire de lignes par milliradians (lp/mrad). En ordonnée, le contraste sera défini entre 0 et 1. Du point de vue pratique, les mires sinusoïdales étant difficiles à reproduire avec la qualité requise, nous utilisons des mires constituées de traits rectilignes, parallèles et équidistants, à profil rectangulaire. Le fait d'utiliser des lignes à profil rectangulaire conduit à la fonction de transfert de contraste (CTF). Le passage de la CTF à la FTM se fait par un calcul de combinaison linéaire de CTF, tel que : ∞ FTM (f x)=π ∑ Bk 4 k =1 CTF(kf x) k (e5) où k prends les valeurs impaires 1, 3, 5,… et Bk est égal à –1 ou 1 selon : m Bk = (−1) (−1) et Bk = 0 k −1 2 pour r = m pour r < m où fx est la fréquence de la mire mesurée, m est le nombre total de nombres premiers par lequel k peut être factorisé, et r le nombre de ces facteurs différents dans k (exemples : pour k = 9 = 3*3, m = 2, r = 1, Bk =0, pour k = 15 = 3*5 ; m = 2, r = 2, Bk = -1 ). La figure 7 montre le principe du montage de mesure de la FTM d'un système avec de telles mires. 7 Fig. 7 : Principe de la mesure de la FTM On présente d'abord au système un bord de plage qui sert de référence, puis des mires de plus en plus serrées (donc des fréquences spatiales de plus en plus grandes). Le contraste des profils est mesuré directement sur le signal vidéo d'une caméra CCD à l'aide d'un oscilloscope. Il faut décrire ici quelques précautions importantes : - Pour éviter tout problèmes dû à la discrétisation de l'information par le capteur, une barre de la mire la plus petite devra couvrir plusieurs pixels. - La mesure du contraste des profils doit se faire directement sur le signal vidéo à l'aide d'un oscilloscope doté d'un trigger ligne. Toute mesure de contraste faite sur une image acquise par un système d'acquisition d'images serait biaisée, car elle contiendrait la fonction de transfert de la carte d'acquisition. - La taille de la série des mires présentée au système (en progression k fx) est adaptée à chaque système étudié, de façon à bien couvrir les possibilités du système depuis la fréquence la plus basse jusqu'à la fréquence de coupure. - L'éclairage des mires se fait à la longueur d'onde à laquelle on souhaite qualifier le système. La figure 7 illustre également la correspondance entre le contenu fréquentiel de l'objet et celui de l’image obtenue à travers le système. En règle générale, le contenu fréquentiel dans le plan objet (fpo) est exprimé en paire de lignes (lp) par mrad. On a : (e6) où dpo est la taille d'une paire de lignes en m et d la distance en m. Pour établir les performances du système, c’est généralement à partir du contenu fréquentiel dans le plan image que sont effectués nos calculs. On doit donc ramener le contenu fréquentiel dans le plan objet à son équivalent dans le plan image (fim) à l’aide de la relation suivante : (e7) 8 Si fpo est exprimé en lp/mrad, f' la focale du système doit être exprimée en m pour avoir fim en lp/mm. 3.2.2. FTM du système global : Modèle théorique Le modèle théorique du système d'imagerie active est basé sur l’approximation initiale que chaque élément a une réponse linéaire. Cette approximation permet d’utiliser les outils développés par la théorie des systèmes linéaires pour modéliser le comportement du système global à partir des réponses de chacun de ces éléments. Il est alors possible de définir pour chacun des éléments du système (figure 8), une équation qui correspond à la fonction de transfert dans le domaine des fréquences spatiales. Affichage Optique d'imagerie réfractive ou réflective Intensificateur d'image Caméra CCD Elément de relais Fig. 8 : Diagramme synoptique du système de détection En multipliant les FTM de chacun des éléments constituant le système, on obtient la réponse globale du système. (e8) Le système est uniquement modélisé dans le domaine spatial, on néglige le comportement temporel. Cette approximation reste valable pour des temps de pose courts. Etant donné que l’ensemble des calculs se fait dans le domaine des fréquences, il est fondamental de définir leur signification. L’analyse dans le domaine des fréquences spatiales est effectuée dans quatre plans distincts : le plan objet, le plan image (ou plan de la photocathode de l'intensificateur), le plan CCD et le plan affichage. Chacune de ces zones est définie par des fréquences spatiales qui lui sont propres puisque le système effectue un agrandissement ou un rétrécissement de l’objet pour qu’il s’inscrive dans chacun des plans mentionnés. 3.2.2.1. FTM simplifiée de l'optique d'imagerie Un système optique consiste en une succession de plusieurs lentilles et/ou miroirs de différentes focales. Dans le cas de télescopes réflectifs, l'ouverture contient une occultation centrale due au 9 miroir secondaire. Dans tous les cas, le système optique d'imagerie sera considéré comme une lentille unique ayant la même longueur focale (f ') que l'objectif ou le télescope complet. En première approximation, l'optique d'imagerie peut être considérée comme étant uniquement limitée par la diffraction. Dans le cas d'une optique à ouverture circulaire, limitée par la diffraction, on a : (e9) où fc = ∅ / λ f ' est la fréquence de coupure optique du système ayant une longueur focale f', ∅ est le diamètre de l’iris du système et λ est la longueur d’onde de travail. La FTM optique est homogène pour les fréquences spatiales horizontales et verticales. 3.2.2.2. FTM de l'intensificateur d'image Lors de l’achat d’un intensificateur de lumière, on ne dispose que de peu d’informations sur les performances de celui-ci. En général, on dispose du diamètre de l’intensificateur d’image et d'une valeur de fréquence exprimée en lp/mm qui correspond à la FTM à 5% ou à 50% (resFTM50%) suivant les constructeurs. La FTM d'un intensificateur peut être décrite par une simple fonction gaussienne en première approximation. On aura : (e10) σ est défini à partir de la donnée FTM à 50%, tel que : (e11) 3.2.2.3. FTM du système de couplage Comme le système de couplage est généralement de très bonne qualité (diamètre des fibres inférieur à 5 µm), sa FTM ne sera pas incluse dans ce calcul. Par contre, on tiendra compte au niveau du CCD du rapport de grandissement donné par cet élément. 3.2.2.4. FTM de la caméra CCD La fonction de transfert sur un détecteur rectangulaire est définie par : (e12) où d pixel est la largeur ou la hauteur du pixel et f CCD la fréquence spatiale sur le plan CCD. On note que contrairement aux FTM présentées précédemment, la FTM de la caméra CCD pourra 10 varier selon la direction puisque les pixels peuvent être de forme rectangulaire. Il conviendra alors de définir une FTM horizontale et une FTM verticale. En connaissant le diamètre de l’écran de phosphore composant la fenêtre de sortie de l'intensificateur, il est possible de ramener le contenu fréquentiel du plan CCD au plan image (surface de l’écran de phosphore de l’intensificateur d’image) en trouvant les dimensions du rectangle de 4 : 3 s’inscrivant dans le plan image tel que présenté sur la figure 9. Fig. 9 : Inscription d'un rectangle 4:3 sur la surface de l'écran de l'intensificateur Le passage des fréquences spatiales au plan image vers le plan CCD s’effectuera en utilisant les relations suivantes : (e13) où Dint est le diamètre de l’intensificateur d’image et D x −CCD , D y −CCD sont les dimensions horizontales et verticales du CCD. 3.2.2.5. FTM du système d'affichage La FTM du système d'affichage ne sera utilisée que si on souhaite afficher l'image sur un écran TV. Dans le cas d'une application où l'image est directement traitée à la sortie du système, on ne tiendra pas compte de cet élément. La FTM du système d’affichage TV est définie à partir de la largeur à mi-hauteur du faisceau du tube (spot-size) en utilisant l’approximation d’un faisceau gaussien : (e14) Où f raster est la fréquence spatiale sur la trame de l’écran et S le diamètre du faisceau (FWHM) Les expressions qui lient le contenu fréquentiel dans le plan affichage à celles dans le plan image sont définies comme suit : (e15) 11 où W et H sont respectivement la largeur et la hauteur de l’affichage sur l’écran, Dint est le diamètre de l’écran de phosphore de l’intensificateur d’image. L’expression de la FTM du système d’affichage peut alors être exprimée sous la forme suivante : (e17) Le diamètre du faisceau du tube n’apparaît généralement pas sur les fiches de spécifications techniques des moniteurs vidéo, on peut cependant le déduire à partir du facteur limitant la résolution qui est soit la résolution du moniteur soit le format vidéo utilisé (EIA-170, NTSC, PAL, SECAM). Par exemple, les formats NTSC et EIA-170 ont une résolution de 525 lignes horizontales (485 effectives) alors que les formats PAL et SECAM ont une résolution de 625 lignes horizontales (575 effectives). Avec un rapport 4:3, on obtient 647 lignes verticales pour les formats PAL, SECAM. Dans le cas des formats vidéo, on spécifie la résolution à partir du nombre de lignes horizontales pouvant être affichées. Par contre dans le cas des moniteurs, il est d’usage de définir la résolution par le nombre de lignes verticales (nombre de colonnes) qui peuvent être affichées à l’écran. En général, un tube écran de basse résolution affichera 300 lignes verticales alors qu’un système à haute résolution affichera plus de 550 lignes verticales. Par contre, un moniteur ayant une résolution supérieure à 650 lignes sera limité par le format vidéo. Il conviendra alors de définir un "spot size" horizontal et un "spot size" vertical en supposant qu’il est égal à la dimension du pixel écran selon les relations suivantes : (e18) où NLV et NLH sont respectivement le nombre de lignes verticales et le nombre de lignes horizontales qui peuvent être produites par le système d’affichage. On suppose ici un facteur de remplissage de 1 pour les pixels. Les images sont affichées sur un moniteur d’ordinateur. On doit cependant s’assurer que la résolution du moniteur est plus grande que celle des images, ce qui ne pose pas de problèmes avec un moniteur SVGA (800 x 600). L’observateur représente un des points clés dans l’évaluation des performances d’un système. Bien qu’il existe des modèles permettant de prédire les performances d’un observateur, nous ne les inclurons pas dans la simulation. 3.2.3. Evaluation du rapport signal à bruit L'évaluation du rapport signal à bruit se fait de la façon suivante. On considère comme signal l'image de l'objet que l'on souhaite détecter, et comme bruit son environnement. L'environnement est généralement constitué par l'arrière-plan sur lequel apparaissent les objets. La méthode de calcul utilise la réflectivité du fond et celle de la cible. 12 Le SNRt-b de détection d'une cible par rapport à un fond est défini par : (e19) où Et arg et et Ebcg représentent les éclairements réfléchis par la cible et par le fond. Ethresh est l’éclairement correspondant à un SNRt-b =1 et FTMsys(fx) est la fonction de transfert de modulation pour la fréquence spatiale fx . En utilisant l’approximation d’un faisceau circulaire de profil "flat top", l’éclairement incident sur la cible est donné par E=P/S. Les éclairements réfléchis par la cible et par le fond dépendent des coefficients de réflexion respectifs. D'après (e4), on obtient : (e20) (e21) où ∅ représente la surface collectrice de l'optique d'imagerie, f' sa focale, τopt sa transmission. Rtarget et Rbcg sont les coefficients de réflexion de la cible et du fond. 4. Solutions technologiques 4.1. La source de lumière Pour l'imagerie active, la source laser doit être capable d’émettre une forte puissance crête pendant des durées courtes (typiquement 200ns à quelques µs), avec une cadence de répétition au moins égale à la fréquence vidéo. Le faisceau doit être directif , la longueur d’onde doit correspondre au maximum de sensibilité des détecteurs d’image que nous allons utiliser. Les autres critères de sélection sont : • • • • • Le rendement optique-électrique La compacité La robustesse La simplicité Le coût de revient Pour répondre au mieux à ces critères, une source de lumière incohérente de type flash n’est pas adaptée, seule une source laser peut convenir. Parmi les différents types de source laser, le laser à semi-conducteur ou laser à diode semble répondre au mieux aux critères énoncés. Etant donné que la cavité laser est directement intégrée au substrat, aucun réglage ni ajustement n’est nécessaire. Sa taille très réduite répond aux critères d’encombrement et de robustesse. Concernant le rendement optique/électrique, on a un gain d’au moins un ordre de grandeur par 13 rapport au laser à solide le plus performant. Enfin, le prix de revient reste très compétitif par rapport aux autres types de source laser. Dans le domaine des lasers à semi-conducteur, on trouve principalement deux familles : les diodes laser utilisées pour le pompage des lasers à solide et les diodes servant aux applications des télécommunications. Ces dernières ont un spectre d’émission situé vers 1550 nm et des puissances d’émission faibles. Leur structure physique n’est souvent constitué que d’un seul émetteur. Les diodes conçues pour le pompage des lasers à solide émettent principalement vers 800 nm et 980 nm. Les puissances disponibles sont beaucoup plus élevées. En mono-émetteur les puissances atteignent 2 watt en régime continu. Pour augmenter la puissance émise, on a recours à une technique qui consiste à juxtaposer les émetteurs les uns à coté des autres sur une ligne (figure 9). Fig. 9 : Disposition linéaire des émetteurs Fig.10 : Disposition matricielle des émetteurs Dans ce cas, on appellera le composant une barrette de diodes. Pour augmenter encore la puissance émise, on empile ces barrettes les unes sur les autres pour former une matrice (stack) de diodes laser (figure 10). Dans le cas des matrices de diodes laser, les puissances émises atteignent plusieurs dizaines de watts en régime continu et jusqu’à plusieurs kilowatts en régime impulsionnel. Un inconvénient rencontré lors de l’utilisation de lasers à semi-conducteur est le traitement complexe du faisceau de sortie. En effet, le faisceau issu d’un émetteur à semiconducteur présente une divergence asymétrique. La divergence suivant la plus grande dimension de l’émetteur (de 3 à 200 µm appelée aussi axe lent) a une valeur relativement constante autour de 10° à mi-hauteur, celle suivant la plus petite dimension de l’émetteur (1µm) 14 a également une valeur relativement constante autour de 40°. Ces caractéristiques font que l’on va devoir associer à l’utilisation d’une diode laser un système de collimation de faisceau. Dans le cas des matrices de diodes, la densité des émetteurs va déterminer la puissance moyenne. Une matrice possédant des émetteurs espacés va être plus facile à refroidir, elle pourra donc émettre une puissance moyenne plus importante. Sa brillance (puissance émise par unité de surface et par angle solide) va par contre être limitée, de même que l’encombrement total et la robustesse. 4.2 La caméra intensifiée 4.2.1. L'intensificateur de lumière 4.2.1.1. Principe Le principe de l’intensificateur de lumière est de convertir par effet photo-émissif un rayonnement lumineux (l’image à amplifier) en signal électronique. Après amplification, ce signal est ensuite reconverti en lumière pour obtenir une image intensifiée. Ces trois étapes de l'intensification sont la conversion optique-électronique, l’amplification et la conversion électronique-optique. La première permet de générer des électrons dans le tube. La seconde les amplifie. La troisième transforme l’énergie des électrons en un signal optique. Le tube intensificateur est constitué d’une enceinte sous vide, fermée aux deux extrémités par des fenêtres optiques (figure 12). Sur les faces internes de ces fenêtres sont déposées, une couche photo-émissive pour la fenêtre d’entrée (la photocathode) et une couche luminophore pour la sortie (l'écran). Fenêtre d’entrée Flux incident Fenêtre de sortie e- Couche photo-émissive Couche luminophore Fig. 12 : Schéma de principe du tube intensificateur 15 Fig . 13 : Sensibilité spectrale de différents types de photocathodes suivant le substrat (d'après DEP) Fig. 14 : Exemples d'émission d’écran luminophore (d'après DEP) 4.2.1.3. Les différents types d'intensificateur Dans le monde industriel, l’habitude a été prise de classer les intensificateurs en catégories tenant compte des évolutions techniques. 4.2.1.3.1. Intensificateurs à accélération d’électrons – GEN 1 16 C’est le modèle le plus simple qui applique directement le principe de base (voir figure 15). Optique de focalisation ee- Photocathode Ecran Photocathode Ecran fig. 15 : Schéma du tube intensificateur à accélération d'électrons et de l'intensificateur de proximité La photocathode est déposée directement sous forme de couche sur la fenêtre d’entrée concave, l’écran sur la fenêtre de sortie, également concave. En appliquant une tension élevée (de l’ordre de 10 à 15 KV) entre ces deux dépôts, il se crée un champ électromagnétique qui va accélérer les électrons émis par la photocathode vers l’écran. Cette accélération augmente l’énergie libérée lors de l’impact de l’électron sur la couche luminophore. L’optique de focalisation, composée de pièces métalliques, a pour but de permettre aux électrons émis en un point particulier de la photocathode d’impacter un point donné de l’écran et ce indépendamment de l’angle d’émission. L’image obtenue sur l’écran peut directement être observée à l’œil ou au moyen d’un oculaire. Celle-ci est monochrome (une seule couleur qui dépend du luminophore utilisé) et inversée. Ceci est dû à la forme concave des fenêtres d’entrée et de sortie ainsi qu’au système de focalisation. Les intensificateurs dit de proximité évitent cet effet d'inversion puisqu'ils utilisent des fenêtres planes. Ce deuxième type d'intensificateur de génération 1 a été développé en rapprochant la photocathode et l'écran de façon à utiliser les effets de proximité. Les électrons émis viennent directement impacter l'écran et l'image n'est plus renversée. C'est ce modèle qui a été amélioré pour donner la génération 2. Le gain en luminosité est fonction de l’énergie fournie aux électrons pendant leur accélération. Pour obtenir des images plus intenses, des intensificateurs à microcanaux sont utilisés. 4.2.1.3.2. Intensificateurs à microcanaux – GEN 2 Cette nouvelle génération de tubes comprend le modèle de base auquel a été ajouté un système de multiplication d’électrons. Cette multiplication est réalisée à l’aide de galettes à microcanaux, assemblage de tubes élémentaires de petit diamètre (4 à 25 µm) disposés en parallèle. La surface interne des tubes élémentaires est recouverte d’un film réémetteur d’électrons, connecté électriquement à chaque extrémité de la galette. 17 Matériau à forte émission secondaire eVth Figure 16 : Tube élémentaire Pour créer un effet d’avalanche dans les tubes élémentaires, on utilise le principe de l’émission secondaire (figure 16). Celle-ci consiste à arracher un électron de la bande de conduction ou de valence du matériau avec un électron libre. Pour réaliser cette extraction, il faut que l’électron libre possède une énergie suffisante qui lui est transmise par l’accélération entre la photocathode et la face d’entrée de la galette à microcanaux. Dans le tube élémentaire, l’électron va percuter la surface et arracher un électron secondaire. Lors du choc, il va perdre une partie de son énergie. Pour que le processus puisse se répéter jusqu'à la fin du tube élémentaire, il faut compenser cette perte par la réaccélération de l’électron. Il existe un champ électromagnétique entre la photocathode et la galette. Grâce à ce champ, l’électron réfléchi par la face d’entrée de la galette est dirigé vers le tube élémentaire le plus proche. Il existe deux structures d’intensificateurs à microcanaux, l’une avec le modèle de base et l’autre qui utilise l’intensificateur dit à double focalisation de proximité (figure 17). La seconde structure est la plus répandue puisqu’elle est très compacte. En plaçant la galette de microcanaux très près des fenêtres d’entrée et de sortie, on utilise l’effet de proximité qui consiste à faire entrer les électrons émis par la photocathode directement dans les tubes élémentaires. Optique de focalisation Photocathode Galette à microcanaux Ecran Galette à microcanaux Photocathode Ecran Fig. 17 : Intensificateur inverseur et à double focalisation de proximité En plaçant l’écran proche de la face de sortie de la galette, les électrons iront impacter sur le luminophore proche de la position de leur émission. Ainsi, l’image obtenue est plus intense et non inversée. L’avantage de l’intensificateur dit à double focalisation de proximité, est d’avoir un gain important, d’être compact et de ne plus inverser l’image. Ces intensificateurs portent la dénomination "GEN 2". Les améliorations techniques et les connaissances des matériaux ont permis d'introduire sur le marché à la fin des années 80, les intensificateurs de génération 3. 18 4.2.1.3.3. Intensificateurs GEN 3 Les tubes intensificateurs "GEN 3" sont virtuellement identiques aux intensificateurs à microcanaux, la différence réside dans l’utilisation d’un nouveau type de semi-conducteur pour la photocathode. Barrière ionique Photocathode Galette à microcanaux Ecran Fig.18 : Intensificateur "GEN 3" L’avantage de ces nouvelles photocathodes est qu’elles ont permis d’étendre le domaine spectral de l’intensificateur. L’inconvénient est que le matériau utilisé est chimiquement fragile et que le vide dans les intensificateurs n’est pas total. Le gaz restant est ionisé par les champs électromagnétiques existants entre les différents éléments (photocathode, galette et écran) et les ions ainsi créés détériorent le matériau constituant la photocathode. Afin d’éviter cela il a été rajouté une barrière ionique (figure 18) permettant leur capture. Cette barrière est constituée d'un film d'oxyde d'aluminium ou de magnésium placé sur la face d’entrée de la galette de microcanaux. Ce film joue bien son rôle de barrière en capturant les ions mais présente aussi l’inconvénient de bloquer les électrons de faible énergie, ce qui entraîne des pertes. Pour compenser ces pertes, il faut augmenter la sensibilité de la photocathode (ce qui est réalisé avec ces nouveaux semi-conducteurs) ainsi que son gain. C’est au cours des années 1990 qu’un nouveau modèle a fait son apparition sur le marché : les intensificateurs de génération 4. 4.2.1.3.4. Intensificateurs GEN 4 Cette génération n’est pas vraiment une nouvelle évolution pour les intensificateurs, mais plus une action commerciale utilisée par les constructeurs. En réalité, chez certains fabricants le terme 4ème génération regroupe des intensificateurs de seconde et troisième génération munis de capteurs CCD (Coupled Charge Device). Chez d’autres fabricants, ce sont des intensificateurs de troisième génération dont certaines caractéristiques ont été améliorées (principalement le gain et la résolution). Néanmoins, cette technologie n'est pas encore accessible en Europe (sauf chez DEP) et réservé aux laboratoires nord-américains, ce matériel étant considéré comme sensible du point de vue militaire. En plus de toutes ces différentes générations, il existe des intensificateurs hybrides. 19 4.2.1.3.7. Tableau récapitulatif des performances Comme nous l’avons vu précédemment, il existe trois catégories de caractéristiques principales. Les valeurs données dans ce paragraphe proviennent principalement de la société DEP. Les photocathodes étant communes à toutes les générations, il suffit de choisir la courbe de sensibilité en fonction du domaine spectral souhaité. De la même façon, les écrans sont communs aux différentes générations, et leurs caractéristiques sont données par le tableau JEDEC qui se trouve en annexe A.3.2. On trouve couramment, pour les différents constructeurs, les écrans du type P11, P20, P43, P46 et P47. Les caractéristiques de l’ensemble sont décrites par le tableau figure 19. 20 Génération Résolution Gain (lp/mm) à (cd/m2/lx) FTM de 5% 30 - 300 32 – 34 100 - 1000 45 - 48 3000 - 10000 55 - 64 7000 - 10000 GEN1 GEN2 GEN3 GEN4 EBCCD S/N (108 µlux) Durée de vie (heures) 12 – 14 18 – 20 20 – 24 5000 10000 15000 Fig. 19 : Performances des différents types d'intensificateur 4.2.2. Le capteur CCD 4.2.2.1. La sensibilité spectrale Pour permettre le choix des caractéristiques de l'écran de sortie de l'intensificateur, il est nécessaire de connaître la courbe de sensibilité spectrale du capteur CCD que l'on veut lui associer. Celle-ci peut varier d'une caméra à l'autre, mais on retrouve toujours plus ou moins l'allure générale de la courbe de sensibilité du silicium. La figure 20 montre deux relevés typiques de sensibilité spectrale de caméra CCD. 1000,0 900,0 sensibilité relative 800,0 700,0 Sensibilité CCD sans filtre IR 600,0 Sensibilité CCD avec filtre 500,0 400,0 300,0 200,0 100,0 0,0 400 500 600 700 800 900 1000 1100 lambda (nm) Fig. 20 : Sensibilité spectrale des caméras CCD avec et sans fenêtre "filtre IR" La courbe avec les points en triangle est en adéquation avec la sensibilité du silicium. C'est la courbe de sensibilité des caméras CCD en général. Néanmoins, il peut arriver que certains fabricants mettent un filtre IR devant le CCD pour rétablir la courbe de sensibilité de l'œil. On perd alors la sensibilité au dessus de 800nm et l'image restituée par ce capteur ressemble à ce que voit l'observateur humain (courbe bleue). Les relevés ont été réalisés à l'aide d'une source de lumière blanche étalonnée et d'un monochromateur projetant un mince pinceau de lumière "monochromatique" à travers une fente 21 sur le capteur CCD à caractériser. Une carte de traitement d'image permet de quantifier la sensibilité du capteur aux différentes longueurs d'onde. 4.2.2.2. Les différents modes de fonctionnement Suivant le CCD couplé à l'intensificateur, il faut distinguer différents modes de lecture du signal vidéo : le mode Field, le mode Frame, et le mode Progressive Scan. Même si c'est l'intensificateur qui détermine le temps de pose, une attention particulière doit être portée aux manipulations quant à la fréquence d'acquisition des images; les mesures (de sensibilité, par exemple) ne sont correctes que si l'on acquiert une seule image par trame vidéo. Une fréquence trop élevée conduit à la superposition des images sur une trame et à des valeurs erronées pour les mesures. Nous n'allons pas décrire ici les différents modes de fonctionnement des capteurs qui se trouvent dans les documentations techniques. 4.2.3. Le couplage intensificateur / CCD La qualité du couplage entre l'écran et le capteur CCD est l'un des facteurs qui détermine la sensibilité et la qualité du système intensifié. La figure 21 montre que ce couplage peut se faire à l'aide de lentilles ou de faisceau de fibres optiques (bundle de fibres ou taper). Fig. 21 : Principe du couplage entre l'écran et le CCD L'optique d'imagerie a l'avantage de permettre le couplage entre l'écran et le CCD, même si les surfaces à imager sont placées derrière une fenêtre en verre épais. La perte de lumière est, par contre, élevée et liée à l'ouverture de l'optique employée. L'écran étant un diffuseur Lambertien hémisphérique, l'efficacité du couplage n'est que de 5% pour un grandissement de 1 avec une optique ouverte à f / 1. L'utilisation d'un taper de fibres nécessite le retrait de la fenêtre de protection de la surface sensible de façon à pouvoir le coller directement sur la surface des photodiodes du CCD. La figure 22 montre une étape de cette manipulation. 22 Fig. 22 : préparation d'un CCD pour le collage du taper. Le collage du taper est réalisé grâce à une colle optique photoréticulable (figure 23). Fig. 23 : Collage du taper sur une matrice CCD Le taper a l'avantage de récolter une grande partie de la lumière diffusée par l'écran, typiquement 70%. Le tableau de la figure 24 donne les efficacités de couplage mesurées à l'ISL avec différents moyens de couplage. Les conditions expérimentales sont les suivantes : - temps de pose intensificateur GEN3 Hamamatsu à 50µs - gain commandé à 5V sur une échelle de 0 à 9V - temps de pose CCD à 1/250ième de s - synchronisation de l'acquisition sur le top trame -forme du bord de plage visualisé grandissement réel. 23 L'encoche sert à mesurer le Type de couplage Facteur de SNRbdp Eclairement nécessaire (nW/cm²) pour grandissement faire une image à SNRbdp donné Optique de relais G=1 2 1970 f15mm, f/8 1,1 122 Optique de relais G=1 2 1950 f30mm, f/8 1,1 105 Optique de relais G=1 2 590 f30mm, f/4 1,1 370 Optique de relais G=1 2 560 f45mm, f/4 1,1 39 Optique de relais G = 0,31 2 128 Type1, f/0,8 1,1 6,3 Optique de relais G = 0,38 2 220 Type2, f/0,8 1,1 17,2 Taper G = 0,44 2 25 non collé sur 1,1 3,2 l'écran Taper G = 0,44 2 17,67 collé sur l'écran 1,1 2,46 Fig. 24 : Efficacité du couplage pour différentes optiques et un taper de fibres Ces mesures confirment que le couplage par taper reste la meilleure solution du point de vue de l'efficacité photométrique, même si l'optique de relais ouverte à f/0,8 reste une alternative possible, car elle est très lumineuse. 4.3 L'optique d'imagerie L'optique d'imagerie a pour rôle de former sur la fenêtre d'entrée de l'intensificateur une image lumineuse et de bonne qualité. Les tailles des fenêtres d'entrée sont généralement de 18 mm ou de 25 mm de diamètre, ce qui implique l'utilisation d'une optique corrigée pour ces tailles d'images. C'est le cas des objectifs d'appareils photo corrigés pour des tailles d'images de 24 x 36 mm (les objectifs de caméras CCD ne sont pas utilisables pour des tailles d'images aussi grandes). Dans le contexte qui est le notre deux choix sont possibles. Les optiques réfractives classiques, à condition que leur résistance à l'accélération soit étudiée ou les optiques réflectives (télescope) qui dans ce contexte auraient l'avantage d'un grand diamètre pour une résistance mécanique assurée. Dans le cas d'une fabrication d'optique "sur mesure" destinée à notre expérimentation, la correction du chromatisme n'a pas lieu d'être, puisqu'on travaille en éclairage monochromatique. Ceci laisse au concepteur une plus grande marge de manœuvre pour corriger les autres aberrations. 24 4.3.1. Optique réfractive Dans cette catégorie le choix est vaste, puisque toutes les optiques d'appareil photo à focale fixe sont utilisables, à condition que leur résistance à l'accélération soit avérée. Pour une focale donnée, les optiques sont plus difficiles à corriger pour une grande ouverture, la complexité de l'objectif augmente, et donc de plus en plus chères. A titre d'information, le tableau figure 25 regroupe quelques exemples d'objectifs photographiques du marché. Fabricant Nikon Nikon Pentax Nikon Focale (mm) 800 600 Nikon 400 500 Nikon 200 Canon Nikon Nikon 180 135 Nikon 105 Nikon 85 Canon Nikon 50 Canon Nikon 35 Ouverture 1 : 5,6 1 : 5,6 1:4 1:8 1:4 1 : 5,6 1 : 2,8 1:4 1:2 1 : 1,8 1 : 2,8 1 : 2,8 1:2 1 : 2,5 1 : 1,8 1 : 1,8 1 : 1,4 1 : 1,2 1 : 1,8 1 : 1,4 1 : 1,2 1:1 1:2 1 : 1,4 Prix (€) 7000 5150 6650 1280 5100 2260 7400 1400 3750 5350 950 700 1450 660 1100 560 1450 2750 180 620 760 3300 660 1280 Fig. 25 : quelques exemples d'objectifs d'appareil photo (prix indicatifs) 4.3.2. Optique réflective Dans cette catégorie, le principe serait d'utiliser un télescope avec miroir primaire et miroir secondaire sphériques ou asphériques en métal, les aberrations étant corrigées au niveau de l'oculaire avec des groupes de lentilles dont le diamètre pourrait ne pas dépasser 25 mm. Les optiques "télescope" disponibles sur le marché ont généralement des grandes focales (>200mm) et sont corrigées pour des champs très fermés. Néanmoins, la fabrication d'un objectif réflectif de 100 mm de focale avec 10° de champ de vision et ouvert à f/2 ne semble pas poser de problèmes 25 si on utilise des surfaces asphériques et, pour l'oculaire, un groupe de lentilles de correction des aberrations. La figure 26 montre quelques unes des différentes possibilités de fabrication d'objectif réflectif. Fig. 26 : a) Télescope de type Cassegrain, b) Gregorian, c) Schwarzschild 4.4. Caractérisation de différent système d'imagerie 4.4.1. Description des systèmes testés Les équations (e3) et (e4) permettent de calculer l'éclairement dans le plan image du système d'imagerie active. La sensibilité des caméras intensifiées va donc être déterminante pour le choix 26 des autres composants du système. Différents types (ou générations) de capteurs intensifiés, ainsi que des caméras CCD non intensifiées ont été caractérisés en laboratoire. Ces caractérisations ont été effectuées du point de vue de la sensibilité des systèmes, de la résolution par la fonction de transfert de modulation et du bruit. Une caméra intensifiée PROXITRONIC (figure 27) munie d'un intensificateur de génération 2 a été testée en laboratoire. Fig. 27 : Caméra PROXITRONIC La photocathode est de type S25 Enhanced, de diamètre 18mm et l'écran est de type P43. La caméra est équipée d'un capteur CCD SONY ICX024 AL. Le tableau de la figure 29 donne les caractéristiques d'autres systèmes intensifiés testé, présentés sur la figure 28. Il s'agit d'un intensificateur DEP de génération 4 (XD-4, type XX1700) et d'un CCD SONY ICX083AL. Fig. 28 : Caméra intensifiée et intensificateur de génération 4 27 Sensibilité des récepteurs intensifiés : Eclairement (nW/cm²) nécessaire pour faire une image avec un SNRbdp donné (temps de pose de 50 µs, acquisition en mode FRAME) Gain MCP % 100 80 60 Gain Vidéo SNRbdp DICAM (nW/cm²) PROXI GEN2(nW/cm²) GEN4 (nW/cm²) % λ=800 nm Lum. Bl. λ=800 nm Lum. Bl. λ=800 nm Lum. Bl. 2 3,87 / / 8,3 5,5 100 1,1 0,328 / / 1,0 1 1 / / / 0,85 2 33,3 / 16,4 43 25 80 1,1 3,83 / 4,1 7,8 3,5 1 0,61 / / 6 2 487 / 112 283 141 60 1,1 56,7 / 11,2 39 19 1 15,0 / 6,1 19 Sensibilité des récepteurs intensifiés : Densité d'énergie (pJ/cm²) nécessaire pour faire une image avec un SNRbdp donné (acquisition en mode FRAME) Gain MCP % 100 80 60 Gain Vidéo SNRbdp DICAM (pJ/cm²) % λ=800 nm Lum. Bl. 2 0,19 100 1,1 0,02 1 2 1,6 80 1,1 0,19 1 0,03 2 24 60 1,1 2,8 1 0,75 PROXI (pJ/cm²) λ=800 nm Lum. Bl. 0,8 0,2 5,6 0,56 0,3 Fig. 29 : Mesure de la sensibilité des récepteurs intensifiés GEN4 (pJ/cm²) λ=800 nm Lum. Bl. 0,41 0,27 0,05 0,05 0,04 2,15 1,25 0,39 0,17 0,3 14,15 7,05 1,95 0,95 0,95 Sensibilité des caméras CCD : Densité d'énergie (pJ/cm²) (= Eclairement * Temps de pose) nécessaire pour faire une image avec un SNRbdp donné (acquisition en mode FRAME, FIELD ou MONOSHOT, CAG OFF, γ OFF) Gain Vidéo % 100 80 60 SNRbdp 2 1,1 1 2 1,1 1 2 1,1 1 XC – ST 70 Micam HRS VS 500 Micam X ITRAS (pJ/cm²) (pJ/cm²) (pJ/cm²) (pJ/cm²) (pJ/cm²) λ=800 Lum. Bl. λ=800 Lum. Bl. λ=800 nm Lum. Bl. λ=800 nm Lum. Bl. λ=800 nm Lum. Bl. nm nm 475 132 921 175 415 59 18 66 23 26 15 1476 394 505 135 263 / 63 106 67 18 23 / 15 23 512 182 67 26 30 Fig. 30 : Mesure de la sensibilité des caméras CCD Sensibilité des caméras CCD : Caractéristiques fournies par le constructeur XC – ST 70 0,3 lux @ 0,3 lux F1.4,AGC @ F1.4 ON Micam HRS 1 lux @ 1 lux F1.4,AGC @ F1.4 ON VS 500 Micam X 0,1 lux @ 0,136 lux 0,3 lux @ 0,41 lux F1.2,AGC @ F1.4 F 1.2,AGC @ F1.4 ON ON ITRAS 0,6 lux @ 0,6 lux F1.4,AGC @ F1.4 ON Fig. 31 : Comparaison des valeurs de sensibilité fournies par le constructeur 29 Il faut noter que : - Ces mesures sont, en moyenne, entachées d'une incertitude pouvant être de +/- 30%. - Pour les valeurs de sensibilité, on ne peut comparer les systèmes entre eux qu'en utilisant les densités d'énergie nécessaires à faire une image, les éclairements sont donnés parce qu'ils correspondent à un temps de pose connu. - Les valeurs en Lux données par le constructeur n'ont pas de réelle signification à 800nm. Pour les systèmes intensifiés, on remarque que la caméra PROXITRONIC est plus sensible que le GEN4. Pour les caméras CCD, on retrouve globalement les données constructeurs. Les différences proviennent du fait que les caractérisations ne sont pas faites aux mêmes longueurs d'onde que celles effectuées par le constructeur. Ces valeurs de sensibilité minimum nous permettrons de dimensionner le reste des éléments du système : diamètre de l'optique, champ de vision/angle d'ouverture de l'éclairage. L'utilisateur de systèmes intensifiés se rend rapidement compte de la dégradation de la qualité de l'image lorsque le gain en luminance augmente. Cette qualité dépend d'une part de la résolution du système, d'autre part du bruit, paramètres qu'il est nécessaire de mesurer expérimentalement. 4.4.3. FTM expérimentale La fonction de transfert de modulation permet de rendre compte de la capacité d'un système d'imagerie a donner une image contrastée d'un détail de l'image. Les FTM ont été relevées en laboratoire par la méthode de la fonction de transfert de contraste (CTF) en utilisant des mires de fréquences spatiales de plus en plus petites. L'optique utilisée pour imager les mires sur la caméra intensifiée a été choisi pour sa très haute qualité, de façon à ce que sa FTM n'intervienne pas dans la mesure. Les caméras CCD associées aux intensificateurs sont toutes de haute résolution (pixels très petits), ce qui veut dire que la FTM mesurée est en fait celle de l'intensificateur seul. L'étude s'est portée sur la variation de la FTM avec le gain de l'intensificateur et avec le temps d'ouverture de l'obturateur électronique (temps de pose). 4.4.3.1. FTM en fonction du gain de l'intensificateur Pour réaliser cette étude indépendamment de l'augmentation du bruit en fonction du gain, les contrastes sont relevés sur un oscilloscope munie de la fonction "vidéo scan" et permettant de n'afficher qu'une certaine ligne du signal vidéo. En outre, une moyenne sur 64 acquisitions est réalisée. La figure 32 montre les FTM du système PROXITRONIC relevé pour différents gains de l'intensificateur, soit 40%, 60%, 80%. PROXITRONIC 50 µs Pentax 200 mm Diaphragme 22 Mesure de la FTM : étude en fonction du gain 1 0,8 0,6 40 % 60% 80 % 0,4 0,2 0 0 5 10 15 20 25 Fig. 32 : FTM de la caméra PROXITRONIC pour différents gains 30 35 pl/mm CCD 4.4.4. Bruit du système Lorsqu'on réalise une image avec un système intensifié, chaque point de l'image est entaché d'un bruit. Ce bruit est facilement quantifiable en faisant l'image d'un réflecteur lambertien parfait et homogène éclairé à différents niveaux. On relève la moyenne des intensités des pixels de l'image et l'écart de niveau de chaque pixel par rapport à cette moyenne donne l'écart-type, grandeur caractéristique du bruit. Soit Xi,j , le niveau de gris du pixel (i,j), on calcule la moyenne X et l'écart type σ N2 (où σ N2 est la variance) par les relations suivantes. N X = N ∑∑ j i N 2 ∑ ∑ (X N X i, j et σ2 = j N i i, j − X ) 2 N2 − 1 Ces mesures sont réalisées sur un grand nombre de pixels (N) et sur un grand nombre d'images successives (typiquement 100), pour augmenter la fiabilité des résultats. Ecart-type en fonction du niveau de gris à différents gains Ecart-type Caméra PROXITRONIC Pentax 200 mm, diaph. 16 temps d'ouverture : 50 µs 50 40 30 gain 40% 60% 80% 95% 20 10 0 0 50 100 150 200 250 Niveaux de gris Fig. 33 : Ecart-type du bruit en fonction des niveaux de gris pour différents gains (caméra PROXITRONIC) 33 La figure 33 montre que l'on retrouve l'allure générale prévue par la théorie. On constate que le bruit est une fonction croissante de l'éclairement sur la photocathode. La baisse constatée pour les valeurs élevées des niveaux de gris n'a pas de signification physique et provient de la saturation de l'image quand l'addition "niveau moyen + bruit" dépasse 255. Le bruit est fonction du gain et limite très rapidement la qualité de l'image. Ce bruit a un comportement essentiellement aléatoire. Dans les applications où il est possible de superposer plusieurs impulsions lumineuses dans la même trame vidéo, il est moyenné et donc fortement atténué. Cette technique ne peut malheureusement pas être employée dans notre application puisqu' à une impulsion laser correspond une seule image. 5. Conception d'un système d'imagerie active pour la vision de nuit On se propose de concevoir un système permettant d'observer une scène située à une distance de 1000m à partir d'une plate forme aéroportée (drone). Remarque : Pour éviter le flou de bouger dans l'image dû au vecteur mobile, le temps d'intégration pour enregistrer une image doit être limité à 50µs. On donne : • • • • • • Longueur d'onde de travail : 800nn Albedo ou coefficient de réflexion de la cible : 0,3 Coefficient d'absorption de l'atmosphère α800nm = 0.196 km-1 Pupille de l'optique de réception limitée par l'encombrement du système : φ = 50 mm La transmission de l'optique dans le proche IR : τopt = 0,8 Le système intensifié récepteur est constitué de la caméra PROXOTRONIC munie d'un intensificateur de diamètre 18 mm Enoncé : Déterminer la puissance laser d'éclairage P et la focale de l'optique f nécessaire pour identifier un véhicule à une distance de 1000m et ceci avec une qualité d'image satisfaisante. A. Puissance du laser d'éclairage : La figure 33 montre que le bruit de la caméra PROXITRONIC devient prohibitif lorsqu'on dépasse un gain de 60% (effet de neige). On admet que le gain vidéo du CCD est également fixé à 60 %. Le tableau de la figure 29 montre que l'éclairement dans le plan image doit être de pour sortie du bruit (SNRbdp = 1) A partir de l'équation (e3) on détermine la puissance laser d'éclairage nécessaire : 1 AN : P ≥ 153 W L'application numérique donne une puissance laser crête supérieure ou égale à durée de 50µs, l'énergie par impulsion doit donc être supérieure : sur une Cette valeur est tout à fait compatible avec la puissance des matrices de diodes laser actuelle, la difficulté d'utilisation des matrices de diodes réside dans le traitement du faisceau asymétrique et inhomogène en sortie de matrice. Cependant plusieurs techniques de collimation existent permettant d'obtenir un faisceau symétrique, homogène particulièrement bien adapté à l'éclairage de scène. Remarquons que nous venons de déterminer la puissance laser sans avoir pris en considération le champ de vue (FOV) ni la divergence du laser. Ces grandeurs n'interviennent pas dans le dimensionnement de la source d'éclairage ce qui va à l'encontre de l'intuition. En imagerie active (source d'éclairage artificielle), si l'optique de réception est adaptée à la divergence du laser, l'éclairement dans le plan image reste constant quelque soit le champ de vue. En est-il de même avec la distance ? et en imagerie passive ? B. Focale de l’objectif d’imagerie Nous venons de voir que le champ de vue n’influe pas sur la puissance d’éclairement en imagerie active (et pour autant que la divergence du laser et le champ de vue de l'optique coïncident) . Celle-ci est fixée à une valeur de 500 W en 50 µs pour toute la suite du problème. Pour des missions d’observation, l’intérêt est d’observer avec le champ de vue (FOV) le plus large possible. Un grand angle correspond à une courte focale, plus celle-ci augmente, plus le champ de vue diminue. Le paramètre qui va limiter la valeur du champ de vue est la résolution du système. Rappelons que le but est l’identification d’un véhicule à une distance de 1000m. Pour une dimension de véhicule de 6,4 m, le système doit avoir la résolution suivante pour permettre son identification : 2 Un logiciel d’aide à la conception de systèmes d’imagerie active sous MATLAB permet de résoudre les équations (e5 à e18) en fonction des paramètres d’entrée tels que : • • • • • • • • Source Atmosphère Scène Optique CCD Dispositif caméra ou intensificateur Affichage Graphiques FTM Après la saisie de ces valeurs, on obtient la FTM globale du système selon l’équation (e8) ainsi que les FTM de chacun des sous-ensembles. En résolvant l’équation (e19), on obtient la valeur de SNR permettant de déterminer si le système est en mesure de remplir le cahier des charges c’est à dire : 5.1 Cas d’un champ de vue de 20° A quelle valeur de focale ce champ de vue correspond il ? 3 Fenêtre de données FTM globale et FTM des composants 4 SNR du système global Ce cas de figure convient-il pour notre cahier des charges ? Pourquoi ? 5.2 Cas d’un champ de vue de 10° Fenêtre de données 5 FTM du système et des composantes SNR du système Ce cas de figure convient-il pour notre cahier des charges ? Pourquoi ? 6 5.3 Cas d’un champ de vue de 5° Fenêtre de données FTM du système et des composantes 7 SNR du système Ce cas de figure convient-il pour notre cahier des charges ? Pourquoi ? Quel cas de figure choisira-t-on ? Pourquoi ? 5.5 Expérimentations Plusieurs campagnes d’acquisition d’images expérimentales de nuit ont été menées dans le but de valider le code de simulation. Deux prototypes expérimentaux ont été réalisés l’un avec un champ de vue de 5° et l’autre de 10°. 8 5.5.1 Champ de vue de 5° On a placé dans la scène un certain nombre d’objets de distance différentes 5.5.2 Champ de vue de 10° Dans ce cas de figure on voit sur l’image que les véhicules placés à 500 et 800 m sont détectable, la mire placée à 1000m et qui contient une fréquence spatiale de 1 lp/mrd « sort » tout juste du bruit conformément aux résultats donnés par la simulation. 9
