Les capteurs

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Acquisition de données

 

Les capteurs

Radiomètres

...un regard intense

L'instrument utilisé pour analyser tous les détails d'un spectre électromagnétique est le spectro-radiomètre. Il permet d'analyser l'ensemble des fréquences du spectre. D'autres appareils se contentent de mesurer l'intensité du rayonnement dans quelques plages de fréquences (fenêtres).

Habituellement, ces appareils fonctionnent au moyen d'un élément sensible (ou détecteur) qui module le passage du courant en fonction de l'énergie électromagnétique reçue. Différents détecteurs sont utilisés pour les différentes longueurs d'ondes. En général, ces appareils sont équipés d'un seul détecteur et effectuent donc leurs mesures pour un seul intervalle de longueur d'onde. Le résultat est un graphique du même type que celui illustré ici.

En juxtaposant plusieurs éléments sensibles, on peut créer une matrice de détecteurs. Chaque détecteur individuel agit toujours comme un spectro-radiomètre, mais si on considère les résultats (numériques) de chaque détecteur comme autant de valeurs numériques associées à un pixel d'image, on aura créé un spectro-radiomètre imageur.

Par exemple, un spectro-radiomètre composé de cellules sensibles au rayonnement infrarouge thermique enregistrera de plus hautes valeurs dans les zones les plus chaudes. Si la convention de codage des pixels est "0 = noir, 255 = blanc", ces zones chaudes correspondront aux parties claires de l'image.

 

 

Caméras

...ou les limites de l'oeil humain

Les longueurs d'ondes décelables par l'œil humain (0,4 - 0,7 µm) correspondent à une partie relativement étroite du spectre électromagnétique. Un radiomètre imageur opérant dans cette partie du spectre présente donc des propriétés particulières, puisque le signal enregistré (l'intensité lumineuse) est reproduit sur le système d'affichage par des intensités lumineuses proportionnelles. Cette propriété correspond bien entendu au mode de fonctionnement des caméras.

Une caméra couleur est en fait constituée de 3 radiomètres imageurs, filtrant et enregistrant respectivement les fréquences du rouge, du vert et du bleu. Trois images fondamentales sont captées et traitées individuellement avant d'être fusionnées par le système d'affichage basé sur la synthèse additive rouge, vert, bleu.

Il existe deux types de capteurs imageurs opérant dans le domaine du visible : les caméras vidéo basées sur des tubes cathodiques ("vidicon") qui effectuent un balayage de la zone sensible et tous les nouveaux modèles qui utilisent désormais des grilles d'éléments sensibles appelés CCD (Charge Coupled Device).

Pendant très longtemps, la solution la plus efficace pour produire des images numériques de haute qualité était d'enregistrer les images sur support photographique, puis de numériser les films au moyen de scanners.

 

En télédétection

Petite histoire de la photographie aérienne

L'histoire de l'aviation commence pratiquement en même temps que celle de la photographie, et les deux se sont rapidement confondues pour donner naissance à la photographie aérienne, ancêtre de la télédétection actuelle.

Pendant de nombreuses années, la télédétection s'est basée sur des photos aériennes et on ne parlait pas d'images numériques. Un avion équipé de caméras spéciales décollait pour une mission photographique, et les films étaient développés et analysés à la fin de sa mission. En utilisant des films et des filtres spéciaux, il était même possible d'élargir le champ d'analyse à des gammes de fréquences normalement invisibles à l'œil nu (photographie infrarouge). Toutes les cartes topographiques produites depuis 1940 sont basées sur des photographies aériennes.

Puis il y a les satellites

Dès les premières missions de l'homme dans l'espace, on a essayé d'utiliser ce point de vue extraordinaire qu'offre un satellite en orbite pour prendre des photographies de la Terre, et l'idée d'avoir des satellites prenant en permanence des images de la Terre a vite pris corps. La technique photo était tout à fait satisfaisante, mais très vite s'est posé un problème pratique: comment récupérer rapidement sur Terre tous les clichés pris dans l'espace ? Certains des premiers satellites espions, utilisés durant la guerre froide, prenaient des clichés photographiques et, lorsqu'un film était terminé, il était éjecté du satellite et retombait sur Terre, accroché à un parachute. Le "colis" était normalement récupéré par un avion avant qu'il ne touche Terre. Cette procédure n'était guère pratique et un grand nombre de films n'ont jamais été récupérés.

L'avantage considérable des images numériques est qu'elles peuvent être transmises par radio sur Terre (sous forme d'une succession d'informations binaires), où elles sont restaurées sous forme d'images. Les capteurs numériques permettent également d'analyser des parties du spectre électromagnétique inaccessibles aux films photographiques. En multipliant les capteurs, on peut aussi multiplier le nombre de parties du spectre analysées, alors que la photographie (couleur) se limite à l'analyse de 3 bandes spectrales.

Afin d'améliorer la résolution des capteurs (le nombre de pixels par image), les ingénieurs qui ont mis au point les capteurs des satellites de télédétection ont exploité le fait que ces satellites se déplacent de manière régulière le long de leur orbite. Plutôt que d'enregistrer une image complète (carrée) toutes les quelques secondes, comme on le fait dans un avion lorsque l'on prend des photos aériennes, le capteur de certains satellites n'enregistre perpendiculairement à son axe de déplacement qu'une seule ligne de pixels (généralement au moyen d'une barrette de capteurs CCD). Le système est réglé de telle manière que, durant les quelques micro-secondes nécessaires à traiter et enregistrer cette ligne de pixels, le satellite se sera déplacé de la distance nécessaire pour couvrir la ligne suivante. En quelques secondes, le capteur du satellite aura ainsi "balayé" la totalité de la zone à couvrir et, ligne après ligne, il en aura créé une image.