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MEDUSA, la Terre vue du ciel à très haute résolution
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- Publié le lundi 29 octobre 2012 01:00
Pour des applications de surveillance de l’environnement, le VITO (Vlaamse Instelling voor Technologisch Onderzoek), en collaboration avec l’Agence Spatiale Européenne via un financement PRODEX (Programme de développement d'expériences scientifiques), a développé un programme d’observation de la Terre à partir d’une plateforme autonome de vol stratosphérique (environ 18 km d’altitude). La plateforme de vol est un aéronef dont la propulsion est assurée par plusieurs hélices entraînées par des moteurs électriques.
MEDUSA est le nom donné à l’instrument d’enregistrement et de transfert des données. Cet instrument est un système d’imagerie panchromatique sur la plage visible, de haute performance et de faible masse. La caméra inclut deux capteurs CMOS de 10 000 × 1200 pixels, l'un monochrome, l'autre RVB, développés à façon et juxtaposés sur un seul chip. Les images sont transférées au sol après compression via radio-fréquence.
Les éléments optiques nécessaires à la capture d’images de haute résolution ont été développés par la société Lambda-X. Le choix du type d’imagerie s’est porté sur un design de type Petzval, ce qui permet d’obtenir par design un système proche de la limite de diffraction pour une ouverture de F/4 et une focale de 330 mm. Le modèle inclut une surface asphérique pour un des éléments. La masse totale des optiques incluant le miroir de renvoi et la fenêtre d’entrée ne dépasse pas 617 g.
Les performances de l’optique ont été vérifiées expérimentalement de différentes manières. Le résultat d’acquisition d’images d’une mire USAF 1951 utilisée comme objet à 32 m de distance est présenté en figure 2. L’analyse des images démontre clairement que le nombre de pixels n’est pas encore suffisant pour échantillonner toutes les fréquences spatiales transmises par l’optique.
Le design optique incorpore des verres à dispersion anormale et élimine pratiquement les aberrations chromatiques sur toute la plage du visible (design apochromatique). Ces verres spéciaux sont cependant très sensibles à la température, tant pour la dilatation thermique que pour la variation d’indice. Plusieurs itérations de design ont été réalisées afin de minimiser la dépendance de la focalisation à la température. Au final, une valeur théorique de 12 µm/°C de défocalisation a été atteinte.
Cette valeur de sensibilité de la longueur focale qui peut paraître acceptable pour des applications de laboratoire est insuffisante lorsque la plage d'utilisation s’étend de −70 °C à 25 °C. Des mesures de compensation doivent donc être appliquées. Sur proposition de Lambda-X, le consortium a opté pour un système de compensation passif. Les lentilles sont logées dans une monture qui se déplace longitudinalement sur des galets. La position du groupe optique par rapport aux capteurs est contrôlée par l’élongation d’un matériau dont la dilatation thermique correspond à la valeur théorique de défocalisation en fonction de la température. La longueur nécessaire du matériau étant plus grande que la place disponible, une conception mécanique astucieuse combinant aluminium et fibre de carbone a permis d'obtenir exactement la compensation escomptée. Des tests en chambre sous pression à 60 mbar et à des températures variant sur de larges plages ont permis de démontrer expérimentalement la constance des performances optiques dans toutes les conditions opérationnelles.
En savoir plus :
Lambda-X, PME belge, développe et produit des systèmes optiques sur mesure pour des applications spécifiques. www.lambda-x.com
Figure : modèle CAD.
