nouveaux concepts d'utilisation des caméras ign (camnum v2)
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Nouveaux concepts d’utilisation des caméras CamNum V2 pour des applications
de recherche en télédétection
DOTA
P. Chervet & J. Duffaut
Onera - Département d'Optique Théorique et Appliqué[email protected] - [email protected]
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IGN
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DOTA2
Nouveaux concepts d’utilisation des caméras CamNum V2 pour des applicationsde recherche en télédétection
Plan de la présentation
� Concept de base: caméras IGN et coopération Pelican (2001)
� Concept appliqué à une étude radiométrique: multispectral 8 voies (2004)
� Concept appliqué à une étude géométrique: prises de vues stéréo (2006)
� Projets Onera: pods Sethi – Socrates (2010)
� Concept appliqué à l’exploitation camV2 hors de la cellule avion (2010)
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DOTA3
Un point commun ?
QUI ? QUOI ? COMMENT ?
IGN � Photogrammétrie, carto. � Méthodes géométriques
Onera � Détection, reconnaissance � Méthodes radiométriques
Cnes � Préparation futurs satellites � Simulation d'image
DONNÉE D'ENTRÉE DES ETUDES
L'IMAGE AÉROPORTÉE
La recherche en télédétection…
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PELICAN – Une structure de coopération
Création de la structure PELICAN (2001)
PPlateformelateforme EEtt LLogog IIcielsciels dede CCamerasameras AAééroportroport ééeses NNumum éériquesriques
Tous : Se doter de types d'images propres à ses étudesMaîtriser la qualité image
Mise en commun des compétences et des moyens (2000)
IGN : Études et réalisations de caméras
Étalonnages géométriques
Opérations aéroportées production et recherche
CNES : Spécifications de données images pour simulations satellites
ONERA : Étalonnages radiométriques
Opérations aéroportées spécifiques à la recherche
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DOTA5
PELICAN – Configuration de base IGN
� Bandes spectrales R, V, B et PIR
� Largeur de filtres : 80 nm à 300 nm
� Résol. spatiale : 40 cm à 60 cm
� Direction de visée : nadir
� Longueur focale : 45 mm à 60 mm
� Système imageur 4 voies
� Matrices CDD - 16 Mpixels/voie
� Sensibilité spectrale : ~ 0,4 à 0,9 µm
� Anti-éblouissement – 12 bits/pix.
� Compensation de filé temps réel
Beechcraft 200 IGNExemple de config. prod. IGN (~2002)
Configuration camV1 du LOEMI (~2002)
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PELICAN - Application multispectrale
Albédos spectraux
0
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0,2
0,3
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0,8
0,9
1
0,4 0,425 0,45 0,475 0,5 0,525 0,55 0,575 0,6 0,625 0,65 0,675 0,7 0,725 0,75 0,775 0,8 0,825 0,85 0,875 0,9 0,925 0,95 0,975 1
Longueurs d'onde (microns)
Réf
lect
ance
asphalteconstruction
aluminium
peinture vertesur alu
charpente en pin
peinture vertesur pin
brique rouge
parpaing
tuile orange
asphalte toit 15ans
matériaux route30 ans
cuivre 10 ans
cuivre
caoutchouc
herbe
herbe sèche
total atm tropical
� Différencier les matériaux par le contraste interbandes spectrales
� Exploitation contraste interbande dans image � étalonnage interbande des caméras
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SPOT 5
Albédos spectraux
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Longueurs d'onde (microns)
Réf
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asphalteconstruction
aluminium
peinture vertesur alu
charpente en pin
peinture vertesur pin
brique rouge
parpaing
tuile orange
asphalte toit 15ans
matériaux route30 ans
cuivre 10 ans
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herbe sèche
total atm tropical
PELICAN – Concept multispectral THR*
� Objectif : Suprimer les ombres dans les images � présenter la réflectance de la scèneThèse IGN – Onera - Cnes - S. Lacherade - Campagne d'acquition de données Capitoul – 2004
� Spécifications des prises de vues en multispectral THR (à Trés Haute Résolution)
� Diviser leur largeur de bandespectrale au moins par 2
� Doubler le nombre de bandesspectrales
� Améliorer la résolution spatiale
� Connaitre la luminance pixelsol en entrée optique
� Comment faire ?...
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DOTA8
PELICAN – Contrainte spatio-temporelle
(Résolution du pixel sol) x (Largeur de bande spe ctrale) ~ Cste
� Contrainte majeure avec les systèmes imageurs aéroportées sans compensation de filé
� Comment améliorer la résolution spatiale ET spectrale ?
� Augmenter la pupille � optique spécifique � coût ! - Réduire la vitesse avion � coût !
� Utiliser des caméras à compensation de filé…
Transfert des charges dans le détecteur pendant la pose ou TDI (Time Delay Intégration)
Caméra IGN/Loemi ���� caméras avec TDI !
Largeur spectrale
Temps de pose mini (estimé voie rouge ouvert. f/8 en juin)
Vitesse avion / sol
Résolution spatiale sol
Imageur RVB+PIR 4 bandes spectrales
80 nm 6 ms100 m/s 360km/h
0,60 m/pixel
Système imageur multispectral
(8 à 10 bandes)avec filtres étroits
30 nm 18 ms 100 m/s 360km/h
1,80 m/pixel !!
HAUTE RESOLUTION SPECTRALE OU HAUTE RESOLUTION SPATIALE
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DOTA9
PELICAN – Etude configuration système
� Ajout d'une caméra vidéo :contrôle dans l'image de lacompensation de dérive avion
Configuration du système Imageur
(bande spectrale rouge)
Largeur spectrale
Temps de pose mini Estimé en mars
Vitesse solRésolution spatiale sol
Déplacement pendant la pose
Compensation de filé pendant la pose
4 filtres RVB+PIR standartsf/8 - 360 km/h
80 nm 12 ms 360 km/h 0,6 m 1,2 m 2 pixels
8 filtres étroitsf/8 - 360 km/h
30 nm 32 ms 360 km/h 0,2 m 3,2 m 16 pixels
8 filtres étroitsf/5,6 - 290 km/h
30 nm 16 ms 290 km/h 0,2 m 1,2 m 6 pixels
Modifier le système imageur pour répondre aux speci fications
� Doubler les bandes spectrales � Acquérir avec 2 configurations de base IGN
� Augmenter la résolution spatiale � Utiliser des filtres "étroits" � Augmentation temps de pose
� Augmenter la résolution spatiale � Monter de longues focales � Augmentation compensation filé!
Estimation du temps de pose et de la compensation de filé
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DOTA10
PELICAN – Connaître la luminance
� Étalonner* le coefficient de sensibilité radiométriq ue absolue A (W.m-2.sr -1.µm -1/CN.s-1)
� pour connaître la luminance du pixel sol en entrée d'objectif Lij (W.m-2.sr-1.µm-1)� en fonction du compte numérique brut du pixel Xij (CN . s-1)� et de son niveau en obscurité Bij (CN . s-1)
� Imageur multispectral � RADIOMETRE IMAGEUR MULTISPECTRAL
* * Caractérisation et étalonnage radiométrique de l'imageur Pelican -JR IGN, 8 & 9 mars 2006 JR IGN, 8 & 9 mars 2006 -- JoJoëël Duffaut, Philippe Dl Duffaut, Philippe Dééliot liot
)BX(AL ijijij −⋅=
Filtre
Diaphragme
Lentilles
Obturateur
Bague de focalisation Matrice CCD
Vis réglages détecteur
L?
� Principe d'un imageur avec CCD matriciel à transfert de trame panchromatique (N & B)
Xij (Bij)
? ?
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DOTA11
PELICAN � Imageur multispectral THR
Imageur multispectral à très haute résolution spatial e ET spectrale
Modifications apportées à l'instrument
� Couplage 2 configurations de base IGN
� Exploitation de longues focales: 100mm
� Introduction de filtres "étroits"
� Contrôle de correction dérive par l'image
Nouvelles performances instrument (2004)
� Imageur à 8 plans spectraux / image
� Résolution spatiale: 20 cm en mosaïque
� Résolution spectrale: 30 nm par bande
Point à améliorer sur l'instrument
� Gestion simultanée de 2 systèmes séparés en manuel
Extrait d'une image RVB composée à partir des 8 plans spectraux Accès Onera centre de Toulouse – avril 2004
2005 � Le Loemi modifie ses logiciels pour contrôler les 8 caméras par la même console
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DOTA12
PELICAN – Concept en géométrie
� Objectif : réaliser des prises de vue multispectral es et en stéroscopie pour:
� La simulation des prises de vues de futurs satellites dits "agiles" (Cnes - DGA)
� L'étude de l'influence du B/H (rapport Base / Hauteur) sur la restitution stéréo
� Spécifications de ces prises de vues multispectrale s stéréoscopiques
� couples d'images pris avec de très faibles et de très forts rapports B/H
� Maintien de la haute résolution spatiale à 20 cm sans utiliser le "pan-sharpening"
� Maintien du mosaïquage sous de forts B/H et avec 100% de recouvrement
� Trois méthodes de prises de vues permettent d'acqué rir des couples stéréo…
� Laquelle choisir ?
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DOTA13
PELICAN – Stéréo. par recouvrement (1/3)
caméra en visée nadir
Base B
Hauteur H� Domaine de B/H très faible et
contraint par la résolution
s(m)
PDVavion(%)
t
NbrLignesRésol
PériodeVRecouv (s)(m/s)
×
×−= 1
� Correction identique pour toutes les images
� Faible coût: 1 seul passage nécessaire
� Stéréo avec un seul système imageur, en un seul passage et avec recouvrement > 50%
� Bonne qualité du couple stéréo (cartographie) – Domaine angles de prises de vues restreint
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DOTA14
PELICAN – Stéréo. en 2 passages (2/3)
Premier passagecaméra en visée nadir
Deuxième passage caméra en visée arrière
Sens de vol
Base B
Hauteur H� 2 passages nécessaires (coût vol �)
� Modification de la position des ombres entre les 2 clichés (∆t: 8 mn min.)
� B/H difficile à contrôler (déclent 2ième passage)=> Variation du B/H
� Types de données stéréo théoriques :- Incidences 1°à 25°- Recouvrement jusqu'à 100%- Haute résolution spatiale en mosaïque
(posibilité de recouvrement < 50%)
� Stéréo avec un seul système imageur et en 2 passages consécutifs sur la scène
� Cout élevé - Difficile à mettre en œuvre - Qualité de la mosaïque stéréoscopique faible
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DOTA15
� Stéréo avec deux systèmes imageurs synchronisés et en un seul passage avion (2006)
� Qualité optimale des données pour la restitution de la mosaïque stéréoscopique
Prise de vue de la visée avant à t0
(maitre)
Sens de volPrise de vue de la visée nadir après déplacement B (t0) + ∆t(Synchro par maitre + retard)
Base B
Hn:
hau
teur
de
vol e
n vi
sée
nad
ir
Modifications apportées à l'instrument
� Deux systèmes identiques
� Retard modulo période entre pdv av/nadir
� Filtres standard de 80 nm
� Mise en œuvre semi-auto. (dérive et retard)
Valeur du B/H 8,0% 10,0% 18,0% 26,0% 42,4%
Angle de visée oblique par rapport au nadir, entre les 2 systèmes (d°) 4,57 5,71 10,20 14,57 22,98
Base B 133 m 167 m 300 m 433 m 707 m
V avion (km/h) 295 295 295 295 295
Période de PDV des 2 systèmes 3,9 s 3,9 s 3,7 3,9 s 3,7 s
∆T pour parcourir la base augmentée de l'écart entre les trappes (la caméra arrière est en visée nadir ou arrière,
celle de la trappe avant en visée avant avec une avance de 2,10m
1,649 s 2,058 s 3,684 s 5,31 s 8,643 s
Nbre PDV à ajouter au n° du cliché du système Pelican en visée avant pour
obtenir le n° du cliché homologue sur le système IGN (en visé nadir ou arrière et
retardé)
0 0 1 1 2
Retard de la PDV du système de prise de vu nadir placé sur la trappe arrière (le
retard tient compte de l'écart entre trappes)
1,649 s 2,058 s 0,001 s 1,41 s 1,243 s
Recouvrement des prises de vues 22% 22% 26% 22% 26%
PELICAN – Stéréo. en 1 passage (3/3)
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DOTA16
Pelican � Radiomètre multispectral stéréo
Prise de vue en visée avant
Prise de vue en visée nadir
Extrait d'un couple stéréoRésolution sol 10 cm
Intégration sur avion: IGN/SAA et OneraAjout d'un générateur de retard à la configuration instrument
Nouvelles performances instrument
� Angle pdv stéréo de 1°à 25°� Recouvrement entre les clichés : 22%
� Recouvrement du couple stéréo: 100%
� Mosaïque stéréo à haute résolution spatiale 10 cm
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DOTA17
SETHI 2010
Concept « tout-en-un »
Applications• Climatologie• Agronomie, gestion des forêts• Océanographie• Archéologie, géologie• Surveillance urbaine• Gestion des risques environnementaux …
Concept « tout-en-un »
Applications• Climatologie• Agronomie, gestion des forêts• Océanographie• Archéologie, géologie• Surveillance urbaine• Gestion des risques environnementaux …
But : SETHI Offre mesures
radar & optronique
Objectifs : Mesures radar et/ou optroniques
Aspect multi-capteurs& complémentarité
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DOTA18
SETHI – Radar & Optronique
PODOptronique
SETHIMoyen
expérimental
PODRadar
DEMR/DOTA
Pointe avant
Données radar multi-bandesAcquisition
SOCRATES
Données optroniques multi-capteurs
Acquisition
Besoin caméra de contexte visible
+ moyen hyperspectral
Multi finalitésDomaines spectraux variés
Besoins optroniques et complémentarité
radar/optronique
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DOTA19
SETHI – Radar & Optronique
Porteur• Falcon 20• 160 - 320 knots• Autonomie : 2h30
Pods• Longueur 230 cm• Diamètre 53 cm• jusqu’à 120 Kg• Radome 10 MHz – 18 GHz
Capteurs• 4 radars • 2 charges optroniques
CEV
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DOTA20
SETHI – Radar & Optronique
Concept ONERA
• Modulaire – Evolutif
• Possibilité de modification des configurations d’acquisition
en vol (radar)
• Pilotage des instruments en vol
• Optronique – mesures simultanées
• Approche « Plug and play »
• Instrumentations distribuées en pod et cabine
• Passage câblage dans les ailes : communication et contrôle
• Concept Pod : Facilité d’évolution
• Certification FAA pour les pods (matrice d’inertie)
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DOTA21
SETHI – Radar & Optronique
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DOTA22
SETHI – Radar & Optronique
Charges
optroniques
Charges
radars
Caméra hyperspectrale(NEO HySpex VNIR-1600)Si CCD, 1600 pixels, 12 bits
Bande 0.4 – 1.0 µm160 bandes spectrales, ∆λ = 3.7 nm
Caméra hyperspectrale(NEO HySpex VNIR-1600)Si CCD, 1600 pixels, 12 bits
Bande 0.4 – 1.0 µm160 bandes spectrales, ∆λ = 3.7 nm
Caméra de contexte(IGN CamNum v2)
Caméra CCD 39 MpixelsVisée latérale, compensation de filé
Haute résolution spatiale dans le visible
Caméra de contexte(IGN CamNum v2)
Caméra CCD 39 MpixelsVisée latérale, compensation de filé
Haute résolution spatiale dans le visible
Caméra hyperspectrale(NEO HySpex SWIR-320m-e)
HgCdTe, 320 pixels, 14 bitsBande 1.0 – 2.5 µm
256 bandes spectrales, ∆λ = 6.25 nm
Caméra hyperspectrale(NEO HySpex SWIR-320m-e)
HgCdTe, 320 pixels, 14 bitsBande 1.0 – 2.5 µm
256 bandes spectrales, ∆λ = 6.25 nm
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DOTA23
Mecanique – Définition des interfaces Electrique, informatique … (C Coudrain) Laboratoire
Etudes
Calculs
Réalisation
Besoins instrumentation
Structure pod
Disponibilité cabine
Intégration des moyens
Développement connectique
Architecture
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DOTA24
SETHI – Radar & Optronique
CamV2CamV2CamV2CamV2
HyspexHyspexHyspexHyspex
(IGN)
(NEO)
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DOTA25
Optronique Pointe avant SETHI
Besoin de caméra contexteDomaine visible
Identification des Visées radar par données optiques
But
Expérience 2007 implantation caméra CAHYD Hyperspectral
Fin 2009 : Choix de la caméra de contexte visible
2010 : Implantation de la caméra de contexte visible
Printemps 2011 : Premier vol
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DOTA26
Optronique Pointe avant SETHI
Besoin donnéeshyperspectrales
Besoin de produits issus deTraitements données radar et optronique
But
2010 : Implantation dans pointe avant
Printemps 2011 : Premier vol
Expérience 2007 implantation caméra CAHYD Hyperspectral
2009 : Choix des caméras hyperspectrales
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DOTA27
Mecanique – Définition des interfaces mécaniques(C Coudrain) Laboratoire
Caméra de contexte
Etudes
Calculs
Réalisation
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DOTA28
Montage sur Pod
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DOTA29
Montage sur Pod
Décembre 2010 Montage des deux instruments optroniques sur Pod
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DOTA30
Conclusion
Premier vol - Printemps 2011
● Nouvelle configuration de prise de vue – 45°
● Premier fonctionnement en pod & fibres optiques
● Premier test des logiciels de traitement
But : visualisation de la fauchée radar
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DOTA31
Perspectives
Montage en pod de plusieurs caméras Exemple : Exploitation des zones d'ombres , Classification des matériaux urbains, Détection des zones émergées …
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DOTA32
SETHI NG au service de nombreuses applications
Analyse quantitative des forêts
Détection d’eau desub-surface en milieu aride
Mesure MNT sous biomasse
Gestion des cultures
Caractérisation desétats de surface du sol
Biodiversité et écosystèmes
Mesure de la salinité Mesure des courantsGestion des corridors rivulaires
Gestion des ressourcesen eau solide et liquide
Qualité de l’air
Îlots de chaleur urbains
Pollution des sitesurbains ou industrielsGestion de la croissance urbaineSurveillance du trafic routier
Biomasse
Eau
Surveillance des milieux urbains et industriels
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DOTA33
CamV2 – Application hors cellule
� Architecture envisagée pour l’intégration de la caméra IGN CamV2 en pod (projet Sethi)
� Tenue en température ?
� Transmission des images ?
� Quelques précautions…
Récepteur GPS avion
Rack de contrôle et stockage CamV2
Ecran CamV2
Clavier
Souris
coupleur
VGA USB RS232
Synchro image
BNC
Tête de caméra
Données images
Alimentation 28V=
Datation image
Alim POD
Synchro/Alim
Caméra Link
Alim écran
Option FO ou
CUIVRE
CABINE AVION AILE POD
!
!
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DOTA34
� Pas de dysfonctionnement constaté, léger givrage su r filtre vers 0°C
CamV1 – Tenue en température
� Protocole d’essais
� caméra en fonctionnement à température cste
� 8 séries de mesure de -10°C à +35C
� Pour chaque série de mesure
� 2 h d’acquisitions dès la mise sous tension
� Période d’acquisition d’image: 2 mn
� Pour chaque période acquisition:� d’une image en éclairement � 3s plus tard, image en obscurité
� Objectif des essais : Comportement fonctionnel, Sensibilité radiométrique, (gain, offset)
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DOTA35
CamV1 – Comportement de l’offset
� Rappel: tests à luminance constante en entrée objectif � )BX(AL ijijij-×=
� A température ambiante cste,durant les 2 h après la mise soustension caméra� Le niveau en obscurité Bij augmente
mais la correction est possible parla soustraction de la référence de noir
de chaque image
� Est-ce que le gain est constant ?
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DOTA36
CamV1 – Comportement du gain
� Température variable de -10°C 0 +35°C
� Rappel: tests à luminance constante en entrée objectif � )BX(AL ijijij-×=
� Quel que soit le temps après la mise sous tension d es camérasL'écart Xij – Bij augmente de 3% lorsque la température baisse de 35°à – 10°C
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DOTA37
CamV1 – Comportement correct en t°
� Bilan des essais en température
Le gain de la caméra est indépendant du temps à T°co nstante
Le gain de la caméra est dépendant de la températur e ambiante
Le fonctionnement de la caméra est correct de +5°à + 35°C
� Décision : � Variation de gain acceptable pour la première application en pod
� Maintenir la température de la caméra en pod entre + 5°C et +35°C
� Moyens envisagés : - Isolation caméra et enveloppe objectif chauffante
- Ventilation du filtre optique
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DOTA38
� Liaison actuelle� Type de bus de transfert: Caméra Link, protocole de transfert LOEMI
� Vitesse de transfert : mots de 24 bits à 40 Mhz soit 960 Mbits/s (~1 Gbit/s)
� Spécification du projet :� Monter le pod sur 2 avions différents� Aucun n'est équipé de câbles Caméra Link
� Contraintes de la liaison Caméra Link dans l'aile e t le pod� Longueur maximum de la liaison Caméra Link 10 m
� Encombrement et poids importants pour l'aile et le pod
� Utilisation du câble exclusive à ce protocole
� Objectif : Coupler la caméra et le rack IGN par fib res optiques� Débit important, connectique réduite, légèreté,
� Liaison exploitable par d'autres protocoles et instruments
CamV2 – Transmission d’image
Rack de contrôle et stockage CamV2 Tête de caméra
Données images
Caméra Link
CABINE
AILE
POD
L=4 m D=10mm
L=4 m D=3mm
2 câbles CaméraLink
(fils de cuivre)
2 fibres optiques (Même échelle)
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DOTA39
CamV2 – Spécification fibre optique
� Équipement disponible sur chacun des 2 avions
� Avion civil � multimode 200/230 µm � débit faible, peu de sensibilité aux poussières
� Avion militaire � multimode 62,5/125 µm � débit élevé, plus sensible aux poussières
� Installer monomode 9/125 µm ? � débit très élevé, grande sensibilité aux poussières
� Recherche du convertisseur CaméraLink fibres optiques� Quelle longueur d'onde pour la transmission dans la multimode 62,5/125 µm ?
Longueur d'onde 850 nm 1300 nm
Atténuation linéïque 3,2 dB/km 0,9 dB/km
Bande passante min 200 Mhz.km 500 Mhz.km
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DOTA40
� Existe-t-il un convertisseur CaméraLink fibres optiquecompatible avec les spéc.� Fibre 62,5/125 µm, 1300 nm� Format 24 b, 40 Mhz ~1 Gb/s
� Bilan de puissance = f (o.n., d, att)� Budget dBm: (-9) – (-15)=+6dBm
� d 62,5 µm � d 50 µm: - 2 dB
� d 200 µm � d 50 µm: -15 dB
� Attén. liaison f.o. avion: -1dB
� Crédit résiduel de puissance pour la liaison complè te : +3 dBm
CamV2 – Choix convertisseur fibre
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DOTA41
CamV2 � Liaison caméra-rack à fibre
� Aucun pilote de logiciel à installer
� Aucune connectique à modifier*
� Longueur de la transmission
jusqu'à 500 m
� Transmission avec une seule fibre
par caméra et en "full duplex"
� Conservation de toutes lesperformances de la caméra camV2
� Caméras CamV2 compatibles avec l'un des 2 avions du projet SETHI
* Ajouter l'alimentation des modules (12V disponible sur racks et caméras)
� Modules à fibre optique directement compatibles avec l a camV2 IGN
L=20 m d=3mm
Pré
sent
atio
n JR
IGN
201
1
DOTA42
MERCI !
Etalonnage absolu de Pelican en vol, au dessus……du pré de l'IGN/SAA à Creil
MERCI À TOUS !
L'équipe mires au sol
Devant le hangar
Extrait d'un couple image stéréo - IGN/SAA 2009 - 10 cm