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Publication
_________________________________________________________________
Number FR2519756A1
Family ID 8093019
Probable Assignee Inst Kosm I
Publication Year 1983
Title
_________________________________________________________________
FR Title SPECTROMETRE
EN Title SPECTROMETER FOR USE IN SPACE SATELLITE - HAS OPTICAL SYSTEM
WITH FIELD APERTURE DISPERSER AND RADIATION RECEIVER
Abstract
_________________________________________________________________
L'INVENTION CONCERNE LES APPAREILS DE MESURE.
LE SPECTROMETRE FAISANT L'OBJET DE L'INVENTION EST CARACTERISE EN CE
QUE LE DIAPHRAGME D'EXPLORATION 2 CONSECUTIF AU SYSTEME OPTIQUE
D'ENTREE 1 EST REALISE DE TELLE FACON QU'IL EFFECTUE LA DECOMPOSITION
SPATIALE DE L'IMAGE DE LA PORTION EXPLOREE 7 DE LA SURFACE TERRESTRE,
LEDIT SPECTROMETRE COMPORTANT EN OUTRE UN DISPOSITIF DISPERSIF
DECOMPOSANT LE RAYONNEMENT TRANSMIS PAR LE DIAPHRAGME D'EXPLORATION 2
EN SPECTRE SUIVANT UNE DIRECTION PERPENDICULAIRE A SA LONGUEUR ET
FORMANT L'IMAGE DU SPECTRE SUR LA SURFACE PHOTOSENSIBLE DU RECEPTEUR
PHOTO-ELECTRIQUE BIDIMENSIONNEL 4 QUI TRANSFORME LE RAYONNEMENT
INCIDENT EN UN SIGNAL ELECTRIQUE ET DONT LES DIMENSIONS SONT
CONJUGUEES OPTIQUEMENT AVEC CELLES DU DIAPHRAGME D'EXPLORATION 2.
L'INVENTION EST UTILISEE EN PARTICULIER POUR L'EXPLORATION A DISTANCE
DE LA TERRE A L'AIDE D'ENGINS SPATIAUX ET POUR LA PHOTOGRAPHIE
AERIENNE DANS LA GAMME OPTIQUE.
The spectrometer for the remote examination of the earth's surface has
high spectral and spatial resolution and is suitable for satellite use
and has a field aperture (2) arranged behind the optical input system
(1). This provides a spatial resolution of the image of a section of
the earth's surface, which passes to a dispersive device in the form
of a transparent holographic diffraction screen (3) and a
two-dimensional solid-state image receiver (4). The latter converts
the received radiation flow into an electrical signal, which is
processed by a registering and processing system (5). Between the
diffraction screen (3) and the image receiver (4), a fibre-optic
element (10) is pref. arranged, so that an image of the spectrum is
generated on its front surface (11) the dimensions of this image being
adapted to those of the photo-sensitive surface of the image receiver.
The processing system pref. has an operating store connected through
an analogue/ digital converter to the output of the image receiver,
with separate means of forming blocks of spectral and spatial
information on the output-side of the operating store.
Description
_________________________________________________________________
La presente invention concerne les dispositifs de mesure et a
notamment pour obJet un spectrometre.
L'invention peut s'appliquer a l'etude a distance de la Terre a partir
d'engins spatiaux et a la photographie aerienne dans la gamme optique.
L'etude de la Terre a distance repose sur les mesures du champ de
luminance de la surface terrestre.
Etant une fonction de la longueur d'onde du rayonnement et des
coordonnees, le champ de luminance contient des informations sur les
proprietes spectrales et le relief de la surface terrestre a etudier.
La solution de l'ensemble des problemes se posant dans les differents
domaines scientifiques de l'etude de la Terre necessite l'emploi de
systemes de telemesure informatises a commande dynamique des
parametres de prise de vue (adaptabilite), y compris la precision de
mesure du rayonnement, la resolution spatiale b S et la resolution
spectrale A J. L'adaptabilite du dispositif est imposee par la
necessite d'obtenir une combinaison optimale des principaux parametres
de prise de vue pour l'etude particuliere a effectuer.
I1 existe des dispositifs destines a l'etude a distance par les
methodes photographiques fouissant une image de la surface a explorer
avec une haute resolution spatiale et capables d'emmagasiner de
grandes quantites de donnees. Ces dispositifs ont toutefois le
desavantage de posseder une gamme d'ondes utiles limitee, d'etre
lents, de manquer d'adaptabilite des parametres de prise de vue et
d'etre peu informatifs sur le spectre.
L'evolution des moyens d'exploration a distance a fait apparaitre des
systemes de prise de vue multispectrale mettant en oeuvre les prises
de vues de la surface a explorer en plusieurs regions b it du spectre
a la fois.
La prise de vue multispectrale fournissant, outre les caracteristiques
spatiales de la surface exploree, les spectrogrammes de celles-ci,
permet d'identifier les objets par leurs differences spectrales.
Parmi les inconvenients desdits dispositifs on peut citer
l'utilisation insuffisante des informations spectrales et le manque
d'adaptabilite des parametres de prise de vue. Il est egalement a
noter que dans le cas d'un nombre de regions spectrales superieur a
quatre, l'equipement de prise de vue multispectrale devient complique,
encombrant et onereux.
Il existe des spectrometres pour l'exploration a distance de la
surface terrestre dont on veut etudier les caracteristiques spatiales
et spectrales. Toutefois, ces appareils, qui fournissent beaucoup de
renseignements spectraux en temps reel et realisent l'analyse
spatiale, s'opposent a l'adaptabilite des parametres de prise de vue.
Il existe un spectrometre dans lequel le rayonnement a mesurer tombe
sur un miroir en balayage dans le sens perpendiculaire a celui du vol.
Reflechi par le miroir, le rayonnement est dirige vers un systeme
optique comportant un objectif d'entree, un diaphragme d'exploration
et un polychromateur. Le polychromateur est constitue par un objectif
collimateur, un prisme, un objectif focalisateur, un coupleur a fibres
optiques et un bloc de recepteurs photo-electriques. Le rayonnement
decompose par le prisme est concentre par l'objectif sur la face
terminale du coupleur a fibres optiques.
Le coupleur a fibres optiques distribue les composantes spectrales
isolees par le polychromateur entre les recepteurs photoelectriques
dont chacun sert a produire un signal seulement a partir de l'une des
composantes spectrales du rayonnement transferees par le coupleur a
fibres optiques. Le signal emis par les recepteurs est recu par un
systeme d'enregistrement.
Ce spectromere connu est doue d'adaptabilite, quoique limitee, sa
resolution spatiale etant variable avec les dimensions du diapragme
d'exploration qu'on peut modifier.
Ledit spectrometre, qui a pour inconvdnienteasmt,ie1 l'impossibilite
de controler " en ligne" les principaux parametres de prise de vue:
precision de mesure, resolution spatiospectrale tant au cours de
l'utilisation du spectrometre que lors du predepouillement de
l'information obtenue, est lui aussi incapable de fournir les
caracteristiques spatiales de la surface a explorer.
La presente invention a donc pour but de creer un spectrometre
assurant, grtce a la modification apportee a son systeme
opto-electronique, une meilleure resolution spatio-spectrale.
Ce probleme est resolu a l'aide d'un spectro-metre destine a
l'exploration de la surface terrestre a partir d'aeronefs et d'engins
spatiaux et comportant un systeme optique d'entree et-un diaphragme
d'exploration qui dirigent le flux de rayonnement provenant de la
portion de surface terrestre a etudier vers un recepteur
photo-electrique a deux dimensions relie a un systeme d'enregistrement
et de traitement de l'information incidente, ledit spectrometre etant,
selon l'invention, caracterise en ce que le diaphragme d'exploration,
place apres le systeme optique d'entree, est concu de maniere a
effectuer la decomposition spatiale de l'image de la portion de
surface terrestre a explorer et que le spectrometre contient egalement
un dispositif dispersif servant a la decomposition spectrale du
rayonnement transmis par le diaphragme d'exploration dans une
direction perpendiculaire a sa longueur et a former l'image du spectre
sur la surface photosensible du recepteur photo-electrique
bidimensionnel qui transforme le rayonnement recu en signal electrique
et dont les dimensions sont optiquement compatibles avec celles du
diaphragme d'exploration.
Il est utile que le dispositif dispersif soit suivi d'un element a
fibres optiques dont la face terminale recoit l'image du spectre et
qui sert a adapter dimension nellement cette image a la surface
photosensible du recepteur photo-electrique bidimensionnel.
Il est raisonnable egalement que le systeme d'enregistrement et de
traitement de l'information se presentant sous forme d'un signal
electrique porteur d'une information sur les caracteristiques
spectrales et spatiales, comporte une memoire vive reliee par un
convertisseur analogique-mumerique a la sortie du recepteur
photo-electrique bidimensionnel, une unite de formation de fichiers
d'informations spectrales et une unite de formation de fics
d'informations spatiales, reliees chacune a la sortie de ladite
memoire vive, ainsi qu'une unite de commande par progaamme de la
formation des fichiers d'informations, reliee aux unites de formation
desdits fichiers.
On a ainsi la possibllite de controler "en ligne" la precision de
mesure et la resolution spatiale et spectrale.
L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, details et avantages
de celle-ci apparattront mieux a la lumiere de la description
explicative qui va suivre de differents modes de realisation donnes
uniquement a titre d'exemples non limitatifs, avec references aux
dessins non limitatifs annexes dans lesquels
- la figure 1 est une representation schematique du systeme optique
d'un spectrometre selon l'invention
- la figure 2 illustre un autre mode de realisation particulier du
systeme optique du spectrometre selon l'invention
-le figure 3 represente le systeme d'enregistrement et de traitement
selon l'invention
- la figure 4 represente l'unite de formation de fichiers
d'informations selon l'invention.
Le spectrometre considere comporte, disposes successivement l'un apres
l'autre, un objectif d'entree 1 (figure 1), un diaphragme
d'exploration 2, un dispositif dispersif realise sous forme d'un
reseau holographique transparent 3, et un recepteur photo-electrique
bidimensionnel a l'etat solide 4. Le flux de rayonnement converti par
le recepteur photo-electrique 4 en un signal electrique est recu par
le systeme d'enregistrement et de traitement de l'information 5.
Le diaphragme d'exploration est concu de facon a pouvoir effectuer la
decomposition spatiale de l'image de la portion 6 de la surface
terrestre 7 a etudier.
Le rayonnement emis par la surface exploree 7 est reuni et projete par
l'objectif d'entree 1 sur le diaphragme d'exploration 2 destine a
former une ligne d'image correspondant a la bande 8 sur la portion a
etudier 6 et conjugue optiquement avec la ligne 9 sur le recepteur
photo-electrique bidimensionnel a l'etat solide 4 suivant l'axe X.
Le rayonnement sortant du diaphragme d'exploration 2 tombe sur le
reseau hDlographique transparent 3 qui le decompose en composantes
spectrales suivant l'axe de dispersion Y perpendiculaire a sa longueur
pour les concentrer sur la surface du recepteur photo-electrique
bidimensionnel a l'etat solide 4.
Ces recepteurs se presentent sous forme de dispositifs a
semiconducteurs a structure MOS. Lorsque la surface photosensible du
recepteur photoelectrique bidimensionnel a l'etat solide 4 recoit un
flux de rayonnement portant l'information spatiospectrale, il se forme
dans la masse du semi-conducteur des paires electrontrou. Arrives dans
la zone depeuplee, les porteurs se divisent et les trous se
concentrent dans les puits de potentiel (la charge accumulee est
proportionnelle a l'eclairement). Au bout d'un certain temps (quelques
millisecondes) suffisant pour la perception de l'image, la matrice du
recepteur 4 va conserver l'image des paquets de charges correspondant
a la repartition de l'eclairement.
A l'apparition d'impulsions d'horloge, les paquets de charges vont
progresser de proche en proche jusqu'a un dispositif de lecture qui
les transforme en impulsions de differentes amplitudes dont
l'enveloppe traduit le signal video sur la surface photosensible du
recepteur 4. Les dimensions d'une ligne sur la surface photosensible
du recepteur 4 sont optiquement conjuguees avec la largeur du
diaphragme d'exploration 2.
Ces dimensions sont accordees entre elles par l'element a fibres
optiques 10 (figure 2) place a la suite do reseau holographique 3 et
dont la face terminale 11 recoit l'image du spectre.
L'emploi de l'adaptateur a fibres optique 10, qui a sa face terminale
d'entree 11 disposee a la sortie du dispositif dispersif, et sa face
terminale de sortie 12, reliee au recepteur photo-electrique
bidimensionnel 4, permet de transferer dans le plan de ce dernier
l'image reduite du spectre. il devient ainsi possible d'augmenter le
facteur geometrique sans avoir a modifier les dimensions du recepteur
4, ou, inversement, d'en effectuer la reduction pour un diametre donne
de la pupille d'entree de l'objec- tif 1.
Dans l'un et l'autre cas, la precision de mesure (pour une certaine
resolution spatiospectrale) ou la resolution spatiospectrale (pour une
certaine precision) est amelioree a peu pres dans un rapport K, ou K
est le facteur de reduction de l'adaptateur a fibres optiques 10.
L'application de l'adaptateur a fibres optiques 10 a facteur de
reduction K permet d'ameliorer le facteur geometrique du systeme
optique du spectrometre sans modifier dimensionnellement le recepteur
4 et par consequent d'obtenir une resolution spatiospectrale plus
elevee en vue de l'amelioration de la precision de mesure.
Le dispositif selon l'invention est beaucoup plus performant que ses
homologues utilisant le balayage mecanique en spectre ou en espace et
des recepteurs photoelectriques a tubes a vide.
On a pu ameliorer plusieurs parametres, par exemple la fiabilite, ce
qui est dd a la suppression des organes mobiles et au remplacement des
recepteurs photoelectriques a tubes a vide dont le taux de pannes est
de l'ordre de 10 5 l/heure par des recepteurs photsEectriques a
semi-conducteurs ayant un taux de pannes de l'ordre de 10 8 1/heure.
La consommation electrique a subi une reduction considerable.
La substitution d'un recepteur photo-electrique a plusieurs elements
photosensibles au balayage mecanique a pour resultat un rapport
signal-bruit ameliore, ce qui permet de multiplier par n le temps de
stockage, n etant le nombre d'elements photosensibles, et, partant,
d'augmenter dea n fois le rapport signal-bruit.
La reduction qu'ont subie les dimensions du recepteur photo-electrique
et la puissance des sources d'alimentation (qui sont par consequent
devenues moins encombrantes), ainsi que la suppression de certains
sousensembles optiques, ont abouti a un gain sur le poids total et
l'encombrement du dispositif. Les spectrometres ont ainsi une
meilleure efficacite en utilisation et des possibilites d'application
plus etendues. Ceci est surtout vrai en ce qui concerne l'etude des
caracteristiques spectrales a partir d'engins spatiauxXles exigences
auxquelles doivent satisfaires les appareils etant dans ce cas
particulierement severes.
Le signal electrique de sortie du recepteur 4 etant porteur
d'informations sur les caracteristiques spectrales et spatiales de la
portion 6 de la surface terrestre, le systeme 5 d'enregistrement et de
trattement d'informations est concu comme suit.
Selon l'invention, le systeme 5 (figure 3) comporte une memoire vive
13 relide par un convertisseur analogique-numerique 14 a la sortie du
recepteur 4, ainsi que des unites 15 et 16 de formation de fichiers
d'infor mations spectrales et spatiales reliees a la sortie de la
memoire vive 13. La formation des fichiers d'informations est regie
par une unite de commande par programme 17 reliee aux unites 15 et 16
et a un bloc de commande 18.
L'unite 15 et l'unite 16 comportent chacune une memoire vive autonome
20 et un microprocesseur 21 realisant la selection, l'integration des
donnees analogiques et numeriques et leur repartition entre les
cellules de memoire.
La figure 4 montre schematiquement, a titre d'exemple, la cellule
elementaire des unites electroniques 15 et 16. Elle contient des
elements de memoire integres 22, une memoire vive autonome 23 et un
bloc de commande 24.
Le nombre d'elements 22 est determine par le programme porte parle
bloc de commande 24.
Chaque element de memoire integre 22 recoit a son entree un signal
electrique qui est envoye par tous ses elements 22 a la memoire vive
23 fonctionnant conformement aux instructions du bloc de commande 24
pour la selection d'une ligne sur la mosaSque du recepteur
photo-electrique 4, l'ecriture, la lecture et la selection du
code-d'adresse de 10 instructions a transferer.
Le systeme 5 (figure 3) comporte egalement un enregistreur 25 servant
a transmettre les informations a la Terre.
Pour une precision de mesure donnee, les resolutions spatiale et
spectrale du recepteur 4 varient en raison inverse l'une de l'autre,
c'est-a-dire que lorsque la resolution spatiale baisse la resolution
spectrale augmente et inversement. C'est ainsi que la formation du
fichier de caracteristiques spatiales se fait au moyen de
l'abaissement de la resolution spectrale par addition des signaux
provenant des n elements photosensibles du recepteur 4, disposes
suivant la direction Y. La formation du fichier d'informations
spectrales s'effectue, d'une part, par addition des signaux fournis
par K elements photosensibles du recepteur 4, consecutifs suivant la
direction X, et d'autre part, par addition des signaux provenant des
elements correspondants pendant K balayages.
Les parametres n et K dependent de la precision de mesure requise,
celle-ci etant une fonction semi-quadratique du nombre d'elements
photosensibles fournissant les signaux a additionner.
De cette facon, le dispositif permet d'etudier simultanement les
caracteristiques spatiales et spectrales de la surface terrestre avec
une combinaison optimale de parametres tels que la precision de mesure
et la resolution spatiospectrale.
Le spectrometre fonctionne de la facon suivante.
Le rayonnement issu de la surface 7 a explorer est recu par l'objectif
d'entree 1 et dirige vers le diaphragme d'exploration 2 qui forme une
ligne de l'image.
Le rayonnement transmis par le diaphragme d'exploration 2 et le
systeme dispersif 3 arrive sur l'adap- tateur a fibres optiques 10.
L'image spectrale du diaphragme d'exploration 2 se concentre dans le
plan du recepteur photo-electrique bidimensionnel 4, qui forme suivant
son axe X une ligne de l'image de la surface a explorer 7, la ligne
ainsi formee subissant une decomposition spectrale suivant son axe Y.
Ainsi, chaque ligne suivant la direction X represente une image du
diaphragme d'exploration 2 en lumiere monochromatique, c'est-a-dire
l'image d'une ligne sur une longueur d'onde determinee.
Le signal de sortie du recepteur 4, amplifie et converti en code
numerique arrive a la memoire vive a acces aleatoire 13.
La commande dynamique de l'enregistrement de l'information se fait a
l'aide des unites 15 et 16 par sortie programmee de l'information de
la memoire 13. La formation du fichier d'informations spectrales est
realisee par l'unite 15 pour resolution spatiale reduite. Ceci est
obtenu par division de chaque ligne sur le recepteur photo-electrique
bidimensionnel 4 suivant l'axe X en groupes de K elements. A
l'interieur de chaque groupe on effectue l'addition des signaux en
provenance des elements particuliers, apres quoi on fait la somme des
signaux fournis par les groupes d'elements respectifs pendant K
balayages. L'addition des signaux au cours de plusieurs balayages
permet d'obtenir la meme resolution spatiale tant suivant la ligne que
suivant la direction du vol du vehicule.
La formation du fichier d'informations sur le relief de la surface
exploree est effectuee par l'unite 16 par addition des signaux en
provenance des n elements consecutifs le long de l'axeYpendant chaque
balayage.
Le systeme selon l'invention est capable de realiser la commande
dynamique des principaux parametres: resolution spectrale, resolution
spatiale et precision de mesure, ce qui permet d'optimiser leur
combinaison. Une telle optimalisation conduit a une extension
substantielle du domaine d'application du spectrometre, etant donne
qu'telle permet d'adapter ses parametres aux conditions d'une etude
concrete. Il est a noter, de plus, que l'optimalisa- tion des
parametres a pour effet une reduction considerable de la redondance de
l'information venant directement du recepteur photo-electrique, ce qui
diminue l'encombrement du support de transmission ou de
l'enregistreur. Ceci est d'une grande importance, surtout en cas
d'utilisation du dispositif a bord d'engins spatiaux.
Claims
_________________________________________________________________
REVENDICATIONS
1.- Spectrometre destine a l'etude a distance de la surface terrestre
a partir d'aeronefs et d'engins spatiaux, du type comportant un
systeme optique d'entree et un diaphragme d'exploration dirigeant le
flux de rayonnement en provenance de la portion exploree de la surface
terrestre vers un recepteur photo-electrique bidimensionnel relie a un
systeme d'enregistrement et de traitement de l'information incidente,
caracterise en ce que le diaphragme d'exploration (2) consecutif au
systeme optique d'entree (1) est realise de telle facon qu'il effectue
la decomposition spatiale de l'image de la portion exploree(7) de la
surface terrestre, ledit spectrometre comportant -en outre un
dispositif dispersif decomposant le rayonnement transmis par le
diaphragme d'exploration (2) en spectre suivant une direction
perpendiculaire a sa longueur et formant l'image du spectre sur la
surface photosensible du recepteur photo-electrique bidimensionnel (4)
qui transforme le rayonnement incident en un signal electrique et dont
les dimensions sont conjuguees optiquement avec celles du diaphragme
d'exploration(2).
2.- Spectrometre selon la revendication 1, caracterise en ce que le
dispositif dispersif est suivi d'un element a fibres optiques (10)
dont la face terminale (11) recoit l'image du spectre et qui sert a
adapter les dimensions de ladite image a celles de la surface
photosensible du recepteur photo-electrique bidimensionnel (4).
3.- Spectrometre selon l'une des revendications 1 et 2, caracterise en
ce que le systeme (5) d'enregistrement et de traitement de
l'information sous forme d'un signal electrique portant l'information
sur les caracteristiques spectrales et spatiales contient une memoire
vive (13) reliee par un convertisseur analogique-numerique (14) a la
sortie du recepteur photo-electrique bidimensionnel (4), une unite
(15) de formation de fichiers d'informations spectrales et une unite
(16) de formation de fichiers d'informationsspatiales, reliees chacune
a la sortie de ladite memoire vive, ainsi qu'une unite (17) de
commande par programme de la formation des fichiers d'informations,
raccordee aux unites (15) et 06) de formation desdits fichiers.
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