WO2016146830A1 - Capteur d'images polarimétriques - Google Patents

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Christian Buil
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Centre National dEtudes Spatiales CNES
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    • G03B15/00—Special procedures for taking photographs; Apparatus therefor
    • G03B15/006—Apparatus mounted on flying objects

Definitions

  • the invention relates to the field of ground imagery by an overflight aircraft or a satellite.
  • the invention relates to a sensor for imaging an aircraft (such as an aircraft, drone, aerostat, etc.), or a satellite, with high spatial resolution exploiting the polarized nature of the light.
  • Another way is to increase the number of spectral bands and observed spectral coverage (infrared, etc.), or to improve the notions of temporal resolution (revisit, observation of dynamic phenomena with matrix shots, etc.).
  • Terrestrial imaging systems that use polarimetric imaging are already known.
  • Embedded systems are especially known in aircraft that use several cameras, each equipped with polarization filters, the optical flow being divided into as many paths as cameras.
  • Such an arrangement is for example not transposable for a satellite, as soon as the high spatial resolution is sought, because of the congestion of the system.
  • the POLDER system for "Polarization and Directionality of the Earth's Reflections", polarization and directionality of the reflections of the Earth
  • CNES implemented polarimetric shooting from space to observe solar radiation reflected by the Earth and the atmosphere.
  • Such a device does not make it possible to respond to imaging problems of observing the terrestrial surface in high resolution (metric or even centimeter scale), where, because of the orbital movement, such an observation using a sequential shooting by mechanical filter exchange is not operative.
  • the time taken to mechanically switch the polarizing filters is indeed too long compared to the time spent shooting.
  • moving elements such as a filter wheel can cause disturbances due to vibration of the components.
  • a general object of the invention is to provide a sensor for high-resolution overflight imaging that allows acquisitions of better qualities than those known to date in the state of the art.
  • the invention notably proposes an imaging device for collecting image data of a target zone, adapted to be mounted on an aircraft or a satellite, said device comprising:
  • an image sensor having a capture surface, configured for taking images of the target zone, at least two polarizing filters,
  • linear polarizing filters have different polarization directions and each polarizing filter covers a portion of the capture surface.
  • the sensor and polarizing filters provide high resolution data that has been difficult to obtain up to now: the polarimetry of aerial data. Thanks to the latter, elements that are not visible in traditional imagery become visible (cables, vehicles, vegetation, etc.). Indeed, spectropolarimetric signatures are now accessible and bring new information.
  • This polarimetric observation from Earth orbit and / or the atmosphere allows the improvement of the quality of certain images (complementarity with the current observation modes) and opens the way to the development of new applications (object detection, nature surfaces, state of vegetation, etc.).
  • the invention is adapted to be mounted on an aircraft or a satellite configured to make the acquisition of ground image overflight.
  • Aircraft means an airplane, a drone, an aerostat, a balloon (stratospheric balloon or balloon probe), etc.
  • FIGS. 1a, 1b, 1c represent a polarized wave respectively rectilinear, elliptical and circular.
  • FIG. 2 represents an embodiment of a device according to the invention
  • FIG. 3a represents a satellite comprising the device 1 and the target zone
  • FIG. 3b represents an exemplary diagram of an optical path inside a satellite
  • Figure 3c shows an objective and a focal plane.
  • FIG. 7 represents two successive images taken
  • FIG. 8 represents a device in push-broom mode
  • FIG. 9 represents a device with polarizing and chromatic filters, according to one embodiment of the invention.
  • FIG. 10 represents a type of sensor, referred to as Bayer,
  • FIG. 11 represents the dead zones between several sensors simply positioned in staggered rows
  • FIG. 12 represents a plurality of sensors arranged in staggered rows with partial overlap
  • FIG. 13 represents steps of a "drizzle” algorithm.
  • FIG. 14 represents the positioning of the compensation mechanism in the optical path diagram.
  • FIGS 15a, 15b and 16 show the compensation mechanism and its operating principle.
  • Polarization is a fundamental characteristic of an electromagnetic wave, just like its wavelength (spectral dimension), its direction of propagation (spatial dimension) and its amplitude (radiometric dimension).
  • the electric field of the wave and the magnetic field oscillate simultaneously in different directions.
  • the polarization of light describes the vibration of the electric field: it can oscillate in one direction (rectilinear polarization or linear - Figure la) or around the axis of propagation of the wave (elliptical or circular polarization - Figures lb, the).
  • a non-polarized wave that is to say without privileged orientation, is associated with a so-called “natural” light, like that coming from the Sun.
  • the polarization is caused by the asymmetries that the light encounters during its journey (for example a reflection on a liquid).
  • the polarization rate can then reach 100% under certain circumstances (totally polarized state).
  • Phenomena such as reflection or scattering change the polarization rate.
  • the nature of the object and many physical parameters are involved, including the physico-chemical composition, the specularity, the optical permeability of the optical layer, and so on.
  • the polarimetric signature is ubiquitous in the flux entering the imaging device.
  • polarizing optical filters allowing the transmission of the wave in a different way depending on its polarization state.
  • filters sensitive to linear polarization with a coefficient, they are fully passable for incident light whose polarization plane is parallel to a preferred axis of said filter.
  • the imaging device 1 will be described for a satellite 2, but the acquisition of images by any other type of aircraft configured to make the image acquisition of the Earth overflight is equivalent.
  • the aircraft include aircraft, drones, aerostats, balloons (stratospheric balloons or balloons-probes in particular).
  • the imaging device 1 shown in FIG. 2 is intended to be embarked on an aircraft or a satellite 2, and to collect data from a target zone Z.
  • the target zone Z is typically a part of the earth's surface.
  • the imaging device 1 comprises:
  • the sensor having a capture surface 101, configured for taking images of the target zone Z,
  • polarizing filters 21, 22 the polarizing filters being sensitive to linear polarization and each having distinct transmission axes, relative to the sensor 10.
  • the swath is a band, called swath. According to the reference system in which one is placed, it can be considered that the target zone Z scrolls on the sensor 10 (see Figure 3a).
  • the sensor 10 is typically located at the end of an optical path comprising a set of mirrors M making it possible to obtain a clear image of the target zone Z in the focal plane of the sensor 10, for example a telescope system (see FIG. 3b). .
  • the optical path comprises an objective O (represented as a thin lens in FIG. 3c), focusing in the focal plane of the sensor 10.
  • O represented as a thin lens in FIG. 3c
  • the sensor 10 is a two-dimensional sensor, of matrix type, of the CCD or CMOS type. It allows the image shooting in high or very high resolution. CMOS technology enables high acquisition speeds, while integrating a fairly efficient electronic shutter function. Thus, thanks to short integration times, the "spun" effect of the satellite or micro-vibrations is partially frozen: this is the principle of snapshot or snapshot in English.
  • the sensor 10 preferably has a rectangular shape of capture height h c and capture width l c .
  • Each polarizing filter 21, 22 covers a part of the sensor surface 101.
  • the filters have a rectangular shape, the width f of substantially equal to the width l c of the sensor, or at least equal to the width l c of the sensor and a height h f less than the height h of the sensor c. They are arranged side by side with a small interval between them in the direction of the capture height h c , so that the accumulated heights of the filters 21, 22 is less than or equal to the height of the capture h c .
  • a space G (for "gap"), corresponding to the connection, is not usable on the image taking.
  • the signal measured by the sensor is set for S (9):
  • I, Q and U are called Stokes parameters and their determination makes it possible to have access to the information on the state of rectilinear polarization at any point of the captured image (orientation of the polarization vector, polarization rate) in more traditional radiometric information.
  • the number of polarizing filters can be two with different polarization directions; from four filters, there is redundancy of information.
  • a portion of the capture surface 101 is covered by the first filter 21 and adjacent to the first filter 21, i.e., side by side, is the filter 22 (see FIG. ).
  • a portion 102 of the capture surface may remain uncovered, so as to capture traditional images or the surface 101 may be fully covered by the filters 21, 22 ( Figure 4);
  • the invention comprises three or four different polarization polarizing filters 21, 22, 23, 24 of polarization angle, arranged in a similar manner to the previous embodiment, i.e. each filter is adjacent (or adjoining, side by side) to another in the direction of the capture height h c .
  • a portion 102 of the capture surface 101 may remain uncovered to capture traditional images ( Figures 5, 6).
  • the values of the polarization direction angles of the filters are included:
  • any combination of angles making it possible to retrieve the parameters of Storing (see above) associated with the angular polarization are possible, that is to say at least two different angles by means of a first order approximation and minus three different angles otherwise.
  • each point of the target zone has been observed at least once via each of the filters 22, 23, 24, 25 of the device 1.
  • the oversampling factor is equal to 1 ("step" equal to the height h f of the filters), which limits the volume of data to be transmitted and processed.
  • each point of the target zone Z will be "photographed" through each of the filters 21, 22, 23, 24 successively.
  • the oversampling factor is thus greater than 1. If each point appears y times in each filter, then the oversampling factor is y. In polarization, it is common to have a high factor F, greater than ten.
  • the target zone Z traverses all the filters 21, 22, 23, 24 in succession, with at least one shot through each of the filters.
  • the polarizing filters 21, 22, 23 may be arranged facing detector strips 103 operating in pure push-broom mode (the bar is composed of a single line of photosensitive pixels) or in TDI mode (or “Time Delay Integration", with a bar composed of lines that are adjacent).
  • Each bar 103 is covered by a single filter.
  • the arrows of the frame xxx3 in Figure 8 show an example of the axis of polarization of the filters. The image of the Earth moves along the X-X 'axis.
  • the invention furthermore comprises several color filters, arranged in a manner similar to the polarizing filters, that is to say that they cover the capture surface and are juxtaposed in the direction the height of the sensor hc.
  • the color filters 25, 26 are arranged on a portion of the sensor 10 which is not covered by a polarizing filter 21, 22, 23, 24.
  • Such a device 1 incorporating both polarizing and chromatic filters makes it possible simultaneously to obtain data relating to polarimetry and color shooting.
  • the senor 10 is a Bayer 104 matrix, that is to say a matrix of colored filters
  • RGB red green blue
  • the size of the currently existing sensors 10 generally does not allow to enter the entire target zone Z.
  • we assemble several devices 1 mosaic in a staggered arrangement If the assembly is mechanical, there are generally Zm inter-sensor dead zones, which are difficult to accept (see FIG. 11) in the direction of travel XX 'of the target zone Z. Indeed, the dimensions of the sensor 1 are very often greater than that of the capture surface 101 and a simple staggered arrangement is not enough.
  • the sensors are arranged in staggered staggered matrices so that in the direction of the capture width l c , no point of the target zone Z can be missed after scrolling and capture images (see Figure 12) . In other words, the swath is covered by a slight geometric overlap of sensor 10 with sensor 10.
  • each device 1 forming the staggered assembly comprises a sensor 10 and the polarizing filters 21, 22, 23, 24 and, if appropriate, the color filters 25, 26, 27.
  • the algorithm artificially manufactures a virtual Gv grid with P pixels smaller than the pixel size of the sensor (by a factor of 0.5 to 0.7) while keeping the inter-pixel pitch.
  • This virtual grid is then projected in the final image I from a geometric transformation calculated elsewhere (see Figure 13).
  • the surface fraction of the reduced pixel is multiplied by the pixel luminance (intensity of the light source divided by ease) and then added to the intensity already found in the final image. The process is repeated for each image.
  • the device may provide a compensation mechanism 3, preferably at the end of the optical path, so as not to affect the rest of the optical combination (see Figure 14).
  • the amplitude of the displacement of the end of the tilting mirror 31 is of the order of one micrometer, which makes it possible to consider that said end performs a translation movement and not a rotation.
  • the piezoelectric motor 33 in contact with said end, makes it move back and forth (see Figure 16) with reset position and tracking the movement.
  • a redundant actuator may be provided, such as a piezoelectric motor provided on the other end of the mirror.
  • This mechanism is advantageously suited to the device 1 insofar as the stabilization needs to be performed in only one direction X-X ', that of the scrolling of the target zone Z.

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Abstract

L'invention concerne un dispositif d'imagerie pour collecter des données d'images d'une zone cible, adapté pour être monté sur un aéronef ou satellite (2), ledit dispositif (1) comprenant un capteur d'images (10) ayant une surface de capture (101), configuré pour la prise d'images de la zone cible (Z); au moins deux filtres polarisants (21, 22), dans lequel les filtres polarisants linéaires (21, 22) ont des axes de transmission distincts les uns des autres directions de polarisation différentes et chaque filtre polarisant (21, 22) couvre une partie de la surface de capture (101).

Description

Capteur d'images polarimétriques
DOMAINE TECHNIQUE GENERAL
L'invention concerne le domaine de l'imagerie du sol par un aéronef en survol ou un satellite.
Plus précisément, l'invention concerne un capteur pour imagerie d'un aéronef (tel qu'un avion, drone, aérostat, etc.), ou d'un satellite, à haute résolution spatiale exploitant la nature polarisée de la lumière. ETAT DE L'ART
L'une des pistes de progrès en matière d'observation de la Terre en haute-résolution revient naturellement à chercher à accroître la résolution spatiale, ce qui implique un développement de télescopes de plus en plus gros et une amélioration de la qualité d'image intrinsèque (optique active par exemple).
Une autre piste consiste à accroître le nombre de bandes spectrales et la couverture spectrale observée (infrarouge, etc.), ou encore à améliorer les notions de résolution temporelle (revisite, observation de phénomènes dynamiques avec des prises de vues matricielles, etc.).
Toutes ces évolutions poursuivent un même but : l'accroissement d'information acquise par le système d'information.
On connaît déjà des systèmes d'imagerie terrestres qui utilisent des prises de vue polarimétriques.
Ces systèmes sont de type basse résolution et ne sont pas adaptés à l'imagerie satellitaire haute résolution.
On connaît notamment des systèmes embarqués dans des avions qui utilisent plusieurs caméras, chacune équipée de filtres de polarisation, le flux optique étant divisé en autant de chemins que de caméras.
Un tel agencement n'est par exemple pas transposable pour un satellite, dès qu'est recherché la haute résolution spatiale, du fait de l'encombrement du système. Par ailleurs, le système POLDER (pour « POLarization and Directionality of the Earth's Réflectances », polarisation et directionnalité des réflexions de la Terre), lancé par le CNES en 1996, mettait en œuvre des prises de vues polarimétriques depuis l'espace pour observer les radiations solaires réfléchies par la Terre et l'atmosphère.
Il ne s'agissait toutefois pas d'imagerie haute résolution (résolution de l'ordre du kilomètre) et la technologie embarquée utilisait une roue à filtre, c'est-à-dire des filtres polarisants disposés sur une roue tournant devant l'objectif du capteur.
Un tel dispositif ne permet pas de répondre aux problématiques d'imagerie d'observation de la surface terrestre en haute résolution (échelle métrique, voire centimétrique), où, du fait du mouvement orbital, une telle observation faisant appel à une prise de vue séquentielle par échange mécanique de filtre n'est pas opérante.
Le temps pris pour permuter mécaniquement les filtres polarisant est effectivement trop long par rapport au temps consacré à la prise de vue proprement dite. De plus, les éléments mobiles tels qu'une roue à filtre peuvent générer des perturbations dues aux vibrations des composants.
PRESENTATION DE L'INVENTION
Un but général de l'invention est de proposer un capteur pour imagerie en survol à haute résolution spatiale qui permette des acquisitions de meilleures qualités que ceux connus à ce jour dans l'état de l'art.
A cet effet, l'invention propose notamment un dispositif d'imagerie pour collecter des données d'images d'une zone cible, adapté pour être monté sur un aéronef ou un satellite, ledit dispositif comprenant :
- un capteur d'images ayant une surface de capture, configuré pour la prise d'images de la zone cible, - au moins deux filtres polarisants,
dans lequel les filtres polarisants linéaires ont des directions de polarisation différentes et chaque filtre polarisant couvre une partie de la surface de capture.
Le capteur et les filtres polarisants permettent d'obtenir des données haute résolution qui jusqu'à présent étaient difficiles à obtenir : la polarimétrie de données aérienne. Grâce à cette dernière, des éléments non visibles en imagerie traditionnelle deviennent visibles (câbles, véhicules, végétation, etc.). En effet, les signatures spectro- polarimétriques sont désormais accessibles et apportent de nouvelles informations.
Cette observation polarimétrique depuis l'orbite terrestre et/ou l'atmosphère permet l'amélioration de la qualité des certaines images (complémentarité avec les modes d'observation actuels) et ouvre la voie au développement de nouvelles applications (détection d'objets, natures des surfaces, état de la végétation, etc).
L'invention est adaptée pour être montée sur un aéronef ou un satellite configuré pour faire de l'acquisition d'image du sol en survol.
Par aéronef, on entend un avion, un drone, un aérostat, un ballon (ballon stratosphérique ou ballon-sonde), etc.
PRESENTATION DES FIGURES D'autres caractéristiques, buts et avantages de l'invention ressortiront de la description qui suit, qui est purement illustrative et non limitative, et qui doit être lue en regard des dessins annexés, sur lesquels :
Les figures la, lb, le représentent une onde polarisée respectivement rectiligne, elliptique et circulaire.
La figure 2 représente un mode de réalisation d'un dispositif conforme à l'invention, La figure 3a représente un satellite comprenant le dispositif 1 et la zone cible,
La figure 3b représente un exemple de schéma d'un parcours optique à l'intérieur d'un satellite,
La figure 3c représente un objectif et un plan focal .
Les figures 4, 5 et 6 représentent d'autres modes de réalisation de l'invention,
La figure 7 représente deux prises d'images successives,
La figure 8 représente un dispositif en mode push-broom,
La figure 9 représente un dispositif avec des filtres polarisants et chromatiques, selon un mode de réalisation de l'invention,
La figure 10 représente un type de capteur, dit de Bayer,
La figure 11 représente les zones mortes entre plusieurs capteurs simplement positionnés en quinconce,
La figure 12 représente une pluralité de capteurs disposés en quinconce avec recouvrement partiel,
La figure 13 représente des étapes d'un algorithme dit « drizzle », La figure 14 représente le positionnement du mécanisme de compensation dans le schéma du trajet optique,
Les figures 15a, 15b et 16 représente le mécanisme de compensation et son principe de fonctionnement.
DESCRIPTION DETAILLEE Rappels généraux sur les filtres polarisants
La polarisation est une caractéristique fondamentale d'une onde électromagnétique, au même titre que sa longueur d'onde (dimension spectrale), sa direction de propagation (dimension spatiale) et son amplitude (dimension radiométrique). Le champ électrique de l'onde et le champ magnétique oscillent simultanément dans des directions différentes. La polarisation de la lumière décrit la vibration du champ électrique : il peut osciller dans une direction (polarisation rectiligne ou linéaire - figure la) ou autour de l'axe de propagation de l'onde (polarisation elliptique ou circulaire - figures lb, le).
Une onde non-polarisée, c'est-à-dire sans orientation privilégiée, est associée à une lumière dite « naturelle », à l'instar de celle provenant du Soleil .
La polarisation est provoquée par les asymétries que rencontre la lumière lors de son trajet (par exemple une réflexion sur un liquide). Le taux de polarisation peut alors atteindre les 100% dans certaines circonstances (état totalement polarisé). Les phénomènes tels que la réflexion ou la diffusion modifie le taux de polarisation. En outre, la nature de l'objet et de nombreux paramètres physiques sont impliqués, notamment la composition physico-chimique, la spécularité, la perméabilité optique de la couche optique, etc.
Puisque depuis l'espace ou l'atmosphère l'on observe la lumière rétrodiffusée par la Terre, la signature polarimétrique est omniprésente dans le flux entrant dans le dispositif d'imagerie.
Il existe des filtres optiques polarisants permettant la transmission de l'onde d'une manière différente suivant son état de polarisation. Dans le cas de filtres sensibles à la polarisation rectiligne, à un coefficient près, ils sont entièrement passants pour une lumière incidente dont le plan de polarisation est parallèle à un axe privilégié dudit filtre.
Le dispositif d'imagerie 1 sera décrit pour un satellite 2, mais l'acquisition d'images par tout autre type d'aéronef configuré pour faire de l'acquisition d'image de la Terre en survol se fait de façon équivalente. De façon non limitative, les aéronefs comprennent les avions, les drones, les aérostats, les ballons (ballons stratosphériques ou ballons-sondes notamment).
Dispositif d'imagerie
Le dispositif d'imagerie 1 représenté sur la figure 2 est destiné à être embarqué sur un aéronef ou un satellite 2, et à collecter des données d'une zone cible Z. La zone cible Z est typiquement une partie de la surface terrestre. Le dispositif d'imagerie 1 comprend :
- un capteur 10, le capteur ayant une surface de capture 101, configuré pour la prise d'images de la zone cible Z,
- au moins deux filtres polarisants 21, 22, les filtres polarisants étant sensibles à la polarisation linéaires et ayant les uns et les autres des axes de transmission distincts, par rapport au capteur 10.
En utilisation, le capteur 10 prend des images de la zone cible Z selon une direction de déplacement X-X'. La zone cible Z est donc une bande, appelée fauchée. Selon le référentiel dans lequel on se place, on peut considérer que la zone cible Z défile sur le capteur 10 (voir figure 3a).
Le capteur 10 est typiquement situé en extrémité d'un chemin optique comprenant un ensemble de miroirs M permettant d'obtenir une image nette de la zone cible Z dans le plan focal du capteur 10, par exemple un système de télescope (voir figure 3b).
Plus généralement, le chemin optique comprend un objectif O (représenté comme une lentille mince sur la figure 3c), focalisant dans le plan focal du capteur 10.
Le capteur 10 est un capteur bidimensionnel, de type matriciel, de type CCD ou CMOS. Il permet la prise d'image en haute ou en très haute résolution. La technologie CMOS permet des vitesses d'acquisition élevées, tout en intégrant une fonction d'obturation électronique assez efficace. Ainsi, grâce à des temps d'intégration courts, l'effet « filé » du satellite ou des micro-vibrations est en partie gelé : c'est le principe de la prise de vue instantanée ou « snapshot » en anglais.
Le capteur 10 a préférentiellement une forme rectangulaire de hauteur de capture hc et de largeur de capture lc.
Chaque filtre polarisant 21, 22 couvre une partie de la surface de capteur 101. Préférentiellement, les filtres ont une forme rectangulaire, de largeur lf sensiblement égale à la largeur lc du capteur, ou au moins égale à la largeur lc du capteur, et une hauteur hf inférieure à la hauteur du capteur hc. Ils sont disposés côte à côte avec un intervalle faible entre eux dans le sens de la hauteur de capture hc, de sorte que les hauteurs cumulées des filtres 21, 22 soit inférieure ou égal à la hauteur du capture hc.
Entre deux filtres, un espace G (pour « gap »), correspondant au raccord, n'est pas utilisable sur la prise d'image.
Le principe d'un filtre polarisant linéaire étant de ne laisser passer que les ondes ayant une direction privilégiée, il est nécessaire d'avoir plusieurs filtres 21, 22 avec différentes directions de polarisation pour récupérer l'information polarimétrique contenue dans la zone cible Z.
Par exemple, si les axes de quatre filtres polarisants sont orientés suivant quatre angles Θ à 45° les uns des autres (0, 45, 90, 145°), on pose, pour S(9) le signal mesuré par le capteur :
I = 1/2 (S(0°) + S(45°) + S(90°) + S(135°)),
Q = S(0°) - S(90°),
U = S(45°) - S(135°).
I, Q et U sont appelés des paramètres de Stokes et leur détermination permet d'avoir accès à l'information sur l'état de polarisation rectiligne en tout point de l'image capturée (orientation du vecteur de polarisation, taux de polarisation) en plus de l'information radiométrique traditionnelle.
La connaissance des valeurs de S(0°), S(45°), S(90°), et S(135°) permet de connaître les paramètres de Stokes mais on peut démontrer qu'en n'en connaissant que trois sur les quatre, les paramètres sont connus. Enfin, moyennant une approximation au premier ordre de l'angle de polarisation de la lumière (qui peut être connu), seules deux mesures peuvent suffire : en effet, le plan de polarisation (défini par soleil-terre-satellite) est connu.
Le nombre de filtres polarisants peut être de deux avec des directions de polarisation différentes ; à partir de quatre filtres, il y a redondance des informations.
Dans un mode de réalisation, une partie de la surface de capture 101 est couverte par le premier filtre 21 et, adjacent au premier filtre 21, c'est-à-dire mis côte à côte, se trouve le filtre 22 (voir figure 2). Une partie 102 de la surface de capture peut rester découverte, de façon à capturer des images traditionnelles ou la surface 101 peut être intégralement recouverte par les filtres 21, 22 (figure 4) ;
Dans un autre mode de réalisation, l'invention comprend trois ou quatre filtres polarisants 21, 22, 23, 24, d'angle de polarisation tous distincts, disposés de façon similaire au mode de réalisation précédent, c'est-à-dire que chaque filtre est adjacent (ou jouxtant, mis côte à côte) à un autre dans le sens de la hauteur de capture hc. Une partie 102 de la surface de capture 101 peut rester découverte, de façon à capture des images traditionnelles (figures 5, 6).
D'une façon préférentielle, les valeurs des angles de direction de polarisation des filtres sont comprises :
• soit dans 0, 45, 90, 135° pour quatre filtres ou moins,
• soit dans 0, 120, 240° pour trois filtres ou moins. En pratique, n'importe quelle combinaison d'angles permettant de retrouver les paramètres de Stockes (voir précédemment) associés à la polarisation angulaire sont possibles, c'est-à-dire au moins deux angles différents moyennant une approximation au premier ordre et au moins trois angles différents sinon.
En référence avec la figure 7, dans lesquelles sont présentés deux prises de vue k et k+1 (aussi appelées trames) à des instants t proches. On note F le facteur de suréchantillonnage, défini par l'équation F = hf / S, avec S le déplacement (« step ») de la zone cible Z entre deux images, ce qui correspond approximativement au nombre d'images à prendre pour que chaque point soit observé au travers du filtre suivant 21, 22, 23, 24.
Afin que l'information polarimétrique soit complète, il est nécessaire que chaque point de la zone cible ait été observé au moins une fois via chacun des filtres 22, 23, 24, 25 du dispositif 1. Dans ce cas, le facteur de suréchantillonnage est égal à 1 (« step » égal à la hauteur hf des filtres), ce qui permet de limiter le volume de données à transmettre et à traiter. En d'autre termes, chaque point de la zone cible Z va être « photographié » au travers de chacun des filtres 21, 22, 23, 24 successivement.
Alternativement, si chaque point est observé plusieurs fois, il y a redondance des informations, ce qui permet un suréchantillonnage et ainsi une meilleure finesse, soit en termes de résolution de l'image, soit en termes d'habillage cosmétique, soit en termes de rapport signal sur bruit. Le facteur de suréchantillonnage est ainsi supérieur à 1. Si chaque point apparaît y fois dans chaque filtre, alors le facteur de suréchantillonnage est de y. En polarisation, il est fréquent d'avoir un facteur F élevé, supérieur à la dizaine.
En utilisation, lors du défilement de la zone cible Z, la zone cible Z parcourt tous les filtres 21, 22, 23, 24 successivement, avec au moins une prise de vue au travers de chacun des filtres.
Ensuite, des algorithmes de traitement et de reconstruction d'images polarimétriques sont appliqués. Ils reconstituent notamment une image à partir de chaque point pris par les filtres à des instants différents.
Ces algorithmes sont connus de l'homme du métier et ne seront pas explicités.
L'intérêt de garder une aire 102 de la surface de capture 101 non recouverte d'un filtre polarisant 21, 22, 23 ,24 permet d'obtenir des informations d'imageries classiques, en plus des images polarimétriques. Imagerie push-broom
Selon le mode de prise de vue dit « push-broom » connu de l'homme de l'art dans le domaine de l'imagerie spatiale notamment, les filtres polarisants 21, 22, 23 peuvent être disposés face à des barrettes de détecteurs 103 fonctionnant en mode push-broom pur (la barrette est composé d'une seule ligne de pixels photosensibles) ou en mode TDI (ou « Time Delay Intégration », avec une barrette composées de ligne qui se jouxtes). Chaque barrette 103 est recouverte par un seul filtre. Les flèches du cadre xxx3 sur la figure 8 montrent un exemple de l'axe de polarisation des filtres. L'image de la Terre se déplace suivant l'axe X-X'.
Imagerie chromatique
Selon un mode de réalisation (voir figure 9), l'invention comprend en outre plusieurs filtres chromatiques, disposés de façon similaire aux filtres polarisants, c'est-à-dire qu'ils recouvrent la surface de capture et sont juxtaposés dans le sens de la hauteur de capteur hc.
Les filtres chromatiques 25, 26 sont disposés sur une partie du capteur 10 qui n'est pas recouverte pas un filtre polarisant 21, 22, 23, 24.
Il est nécessaire d'avoir au moins deux filtres 25, 26 de couleurs différentes, de façon à obtenir des informations dans deux domaines de fréquences distincts. Lorsque la zone cible Z défile, chaque point va ainsi parcourir l'ensemble des filtres chromatiques et des filtres polarisants, ce qui offre une quantité d'informations supérieures à celle fournie par les dispositifs existants.
Par exemple, il est possible de prévoir trois filtres 25 (R pour rouge par exemple), 26 (J pour jaune par exemple), 27 (B pour bleu par exemple) ou quatre filtres dont un rouge, un vert, un bleu et un jaune.
Un tel dispositif 1 embarquant à la fois des filtres polarisant et chromatique permet d'obtenir simultanément des données relatives à la polarimétrie et la prise de vue couleur. Matrice de Baver
Selon un mode de réalisation (voir figure 10), le capteur 10 est une matrice de Bayer 104, c'est-à-dire qu'une matrice de filtres colorés
RGB (rouge vert bleu) est placée devant le capteur (entre le capteur 10 et les filtres polarisants 21, 22, 23, 24).
De cette façon, il est possible d'obtenir les informations polarimétriques dans chaque couleur et ainsi d'obtenir une richesse plus importante en termes d'informations. Disposition des matrices en quinconce
La taille des capteurs 10 actuellement existant ne permet généralement pas de saisir l'ensemble de la zone cible Z. Pour cela, on assemble plusieurs dispositifs 1 en mosaïque, dans un arrangement en quinconce. Si l'assemblage est mécanique, il y a généralement des zones mortes Zm inter-capteurs, difficilement acceptables (voir figure 11) dans le sens de direction de défilement X-X' de la zone cible Z. En effet, les dimensions du capteur 1 sont très souvent supérieures à celle de la surface de capture 101 et une simple disposition en quinconce ne suffit pas. Pour remédier à cela, les capteurs sont disposés matriciellement en quinconce avec chevauchement de sorte que dans le sens de la largeur de capture lc, aucun point de la zone cible Z ne puisse être manqué après défilement et capture des images (voir figure 12). En d'autres termes, la fauchée est couverte grâce à un léger recouvrement géométrique de capteur 10 à capteur 10.
On aura compris que chaque dispositif 1 formant l'assemblage en quinconce comprend un capteur 10 et les filtres polarisants 21, 22, 23 , 24 et, le cas échéant, les filtres chromatiques 25, 26, 27.
Avec un tel assemblage, il est nécessaire de réaliser, de la même façon que pour un seul dispositif 1, des images successives à intervalle de temps régulier. Le fonctionnement se rapproche d'un pushbroom (capteur monodimensionnel qui balaie par snapshots à intervalle très court un axe de direction) mais avec un pas temporel plus élevé. Méthode d'amélioration du rapport signal sur bruit
Le dithering
Si le nombre d'images est suffisant, il est possible d'appliquer un algorithme du type supermode généralisé, connu sous le nom de « dithering ». Pour cela, il est nécessaire de connaître le décalage exact entre deux images k, k+ 1, en nombre de pixels. Cette information est évaluée à partir du contenu même des images en calculant l'intercorrélation entre les trames successives k, k+ 1 et dans les zones communes entre ces images. Ce traitement d'image de moyennisation des prises de vue est précieux en polarimétrie, où le rapport signal sur bruit est, à paramètres équivalents, plus mauvais que pour de l'imagerie traditionnelle. La méthode est connue de l'homme du métier, les résultats assez précis, mais le coût en calcul est assez élevé.
Un des algorithmes de traitement les plus efficaces agit dans l'espace image (algorithme « drizzle »). En revanche, il nécessite au moins un décuplement des informations.
L'algorithme fabrique artificiellement une grille virtuelle Gv avec des pixels P plus petits que la taille des pixels du capteur (d'un facteur 0,5 à 0,7) tout en gardant le pas inter-pixel . Cette grille virtuelle est ensuite projetée dans l'image finale I à partir d'une transformation géométrique calculée par ailleurs (voir figure 13). La fraction surfacique du pixel réduit est multipliée par la luminance pixel (intensité de la source lumineuse divisée par l'aise) puis ajouté à l'intensité déjà trouvée dans l'image finale. Le processus est répété pour chaque image.
Grâce à ce procédé, il est possible d'améliorer la compacité du système optique (miroirs M par exemple), tel que l'ensemble télescopique.
Stratégie de compensation de filé (ou flou)
Lors d'une succession de trames k, k+1, notamment avec un nombre moins élevé d'images par seconde (de façon à juste combler l'espace G entre les filtres) et/ou avec un temps d'exposition plus important (de façon à améliorer le rapport signal sur bruit), il peut être nécessaire de mettre en place une stratégie de compensation de filé. Le gain du rapport signal sur bruit passe par l'augmentation effective du temps d'intégration par trame, c'est-à-dire du temps de pose. Pour ne pas nuire à la qualité de l'image, il est impératif de figer l'image sur la grille de pixel du ou des capteurs 10 (dans le cas de l'arrangement en quinconce), pendant la durée d'acquisition. La fixité de l'image durant la pose revient donc à compenser le mouvement de la terre (ou du satellite, selon le référentiel dans lequel on se positionne) pendant le temps d'intégration.
Pour cela, le dispositif peut prévoir un mécanisme de compensation 3, préférablement à la fin du chemin optique, de manière à ne pas affecter le reste de la combinaison optique (voir figure 14).
Il comprend un miroir 31 basculant sur pivot 32, de faible amplitude angulaire, actionné par un moteur piézoélectrique 33 (voir figures 15a, 15b) qui est synchronisé sur la fréquence trame de lecture (quelques dizaines de Hertz en général).
L'amplitude du déplacement de l'extrémité du miroir basculant 31 est de l'ordre du micromètre, ce qui permet de considérer que ladite extrémité effectue un mouvement de translation et non pas de rotation . De cette façon, le moteur piézoélectrique 33, en contact avec ladite extrémité, lui fait effectuer des mouvements de va-et-vient (voir figure 16) avec remise en position et suivi du déplacement.
Un actionneur redondant peut être prévu, de type un moteur piézoélectrique prévu sur l'autre extrémité du miroir.
La rotation du miroir 32 va suivre le déplacement de la zone cible Z (temps Tl d'intégration), de sorte que l'image reste fixe dans le plan focal du capteur 10 du dispositif 1 ou de l'arrangement en quinconce d'un ensemble de dispositifs 1, puis le miroir 31 reprend sa position d'origine pour maintenir fixe l'image suivante (temps T2 de ralliement) Par les amplitudes en jeu, les distorsions d'images sont négligeables.
Ce mécanisme se prête avantageusement au dispositif 1 dans la mesure où la stabilisation n'a besoin d'être effectuée que dans une seule direction X-X', celle du défilement de la zone cible Z.

Claims

Revendications
Dispositif d'imagerie pour collecter des données d'images d'une zone cible (Z), adapté pour être monté sur un aéronef ou un satellite, ledit dispositif (1) comprenant :
- un capteur d'images (10) ayant une surface de capture (101), configuré pour la prise d'images de la zone cible (Z),
- au moins deux filtres polarisants (21, 22),
dans lequel les filtres polarisants linéaires (21, 22) ont des axes de transmission distincts les uns des autres et chaque filtre polarisant (21, 22) couvre une partie de la surface de capture (101).
Dispositif d'imagerie selon la revendication 1, dans lequel :
- la surface de capture (101) du capteur (10) présente une largeur de capture (lc) et une hauteur de capture (hc),
- les filtres ont une même largeur (lf) et une même hauteur (lh), ladite largeur des filtres (lf) étant sensiblement égale à la largeur de capture (lc) et les hauteurs cumulées des filtres (hf) étant inférieures ou égales à la hauteur de capture (hc),
les filtres étant juxtaposés selon la hauteur du capteur (hc).
Dispositif d'imagerie selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle le capteur est un capteur de type 2D CCD ou CMOS.
Dispositif d'imagerie selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel le capteur d'images (10) comprend plusieurs barrettes de détecteurs (103), et chaque filtre polarisant (21, 22 ,23) couvre une seul barrette de détecteur (103).
Dispositif d'imagerie selon l'une des revendications précédentes, comprenant en outre au moins deux filtres chromatiques (25, 26), lesdits filtres chromatiques couvrant une partie du capteur (10) n'étant pas couverte par les filtres polarisants (21, 22, 23, 24).
6. Dispositif d'imagerie selon l'une des revendications 1 à 3, comprenant une mosaïque de Bayer (104) placé sur le capteur
(10), entre le capteur (10) et les filtres polarisants (21, 22, 23, 24).
7. Dispositif d'imagerie selon l'une des revendications précédentes, dans lequel les filtres ont chacun une direction de polarisation linéaire permettant de retrouver les paramètres de Stokes associés à la polarisation angulaire.
8. Système d'imagerie comprenant une pluralité de dispositifs d'imagerie selon la revendication 1, dans lequel les dispositifs d'imagerie (1) forment une matrice arrangée en quinconce.
9. Système d'imagerie selon la revendication précédente, dans lequel la disposition en quinconce autorise un recouvrement partiel géométrique de capteur à capteur.
10. Système selon l'une des revendications 8 à 9, comprenant en outre un système de compensation (3), à l'aide d'un miroir (32) permettant de maintenir une image de la zone cible fixe sur le capteur lorsque le système est en mouvement par rapport à la zone cible (Z).
11. Procédé de collecte de données d'une zone cible, comprenant une étape d'acquisition d'images à l'aide d'un dispositif (1) ou d'un système selon l'une quelconque des revendications 1 à 10.
12. Procédé d'acquisition de données d'images polarimétriques selon la revendication 11, dans lequel le dispositif est monté sur un aéronef ou un satellite (2), ledit aéronef ou satellite (2) étant en mouvement par rapport aux zones cibles selon une direction (X- X'), et
- la surface de capture du capteur présente une largeur de capture (lc) et une hauteur de capture (hc), la direction de la hauteur de capture (hc) étant parallèle à ladite direction
(Χ-Χ'),
- les filtres ont une même largeur (lf) et une même hauteur (lh), ladite largeur des filtres étant sensiblement égale à la largeur de capture et les hauteurs cumulées des filtres étant inférieures ou égales à la hauteur de capture, les filtres étant juxtaposés selon la hauteur du capteur (hc), ledit procédé comprenant les étapes successives de :
- Acquisition d'une première prise de vue,
- Acquisition d'une deuxième prise de vue,
dans lequel le déplacement de la zone cible sur un capteur (10) entre les deux acquisitions est inférieur ou égal à la hauteur des filtres polarisants (21, 22, 23, 24), de sorte que chaque point de la zone cible (Z) ait été acquis au travers de chaque filtre, façon à obtenir des informations sur l'intégralité de zone cible (Z).
13. Procédé selon la revendication 12, dans lequel ledit déplacement est inférieur ou égal au quart de la hauteur des filtres polarisants, afin de pouvoir moyenner les images et d'obtenir une forte redondance des données par suréchantillonage.
14. Procédé selon la revendication 13, dans lequel ledit déplacement est inférieur ou égal au quart de la hauteur des filtres polarisants, et comprenant en outre une étape de traitement des données, appelées « drizzle ».
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