LES PRINCIPES DE L’OPTIQUE

> > LES PRINCIPES DE L’OPTIQUE ; écrit le: 22 septembre 2013 par Hela modifié le 14 octobre 2014

Pourquoi trouvons-nous les images si belles ?

les systèmes d’observation optiques situés sur des satellites obéissent à des principes physiques identiques à ceux auxquels obéissent nos yeux. De plus, ils travaillent souvent dans des longueurs d’c lumineuses proches de celles que nous pouvons voir, qui sont celles qui traversent facilement le ciel clair (probablement un résultat de l’évolution en ce qui concerne nos yeux). Il n’y a donc r d’étonnant à ce que nous trouvions magnifiques certains paysages de la Terre vus depuis l’espace, con cette image de Aïn Sefra, une zone aride en Algérie, acquise à l’aide du satellite SPOT 5.

L’œil mécanique des satellites optiques dispose d’une surface collectrice, comme notre pupille. Dans; le cas de SPOT, cette surface a un diamètre de 38 centimètres. C’est l’ouverture de l’instrument.Tout con l’œil, l’instrument focalise la lumière sur une surface sensible analogue à la rétine, mais faite de détecteurs électroniques en silicium. À la différence de l’œil ou des caméras vidéo, qui disposent d’une sur * de détection en deux dimensions permettant de créer directement une image, les détecteurs de S sont organisés en une barrette qui crée une ligne à la fois. C’est l’avancement du satellite qui forme lignes les unes après les autres (voir le schéma en médaillon). Il faut donc lire la barrette et stocker les in mations qu’elle contient à chaque fois que le satellite franchit la taille souhaitée pour le point image, sol (dix mètres dans le cas de l’image d’un satellite SPOT de première génération). Compte tenu de vitesse orbitale, de plusieurs kilomètres par seconde, la lecture a lieu environ mille fois par seconde.

Les satellites d’observation optique doivent remplir, outre les conditions « géométriques » que nous venons de voir, des conditions « radiométriques ». Il faut s’assurer que les détecteurs recevront chacun assez de particules de lumière pour pouvoir former une bonne image. Examinons quelques ordres de grandeur. Le Soleil envoie une puissance d’environ 1400 W sur chaque mètre carré de la surface terrestre au nadir. Cette puissance est portée par une multitude de particules de lumière appelées photons. L’énergie individuelle des photons est très faible. Elle dépend de la fameuse constante de Planck et de la fréquence, donc de la longueur d’onde des photons, c’est-à-dire de leur couleur. En considérant la valeur moyenne de l’énergie d’un photon, on peut cependant estimer grossièrement que chaque mètre carré au nadir reçoit environ 3 1021 photons par seconde. C’est-à-dire un chiffre formé d’un trois suivi de 21 zéros! Le détecteur du satellite est capable de compter les photons qui le frappent, mais combien en recevra-t-il? En première approximation, le détecteur se situe à 1000 kilomètres de la surface observée, c’est-à-dire un million de mètres. Les photons émis se repartissent donc sur une surface de l’ordre de six millions de millions de mètres carrés (la surface de la demi-sphère de 1000 kilomètres de rayon), soit un 6 suivi de 12 zéros. Même si l’instrument possède une surface collectrice de un mètre carré, il a déjà perdu 12 des 21 zéros initiaux. Par ailleurs le satellite voyage à six ou sept kilomètres par seconde. Il n’a donc le temps d’observer un pixel d’environ un mètre que pendant un dix millième à . – millième de seconde. On perd encore trois ou qu=r-» zéros! Par ailleurs, tous les photons en provenance Soleil n’atteignent pas la surface du sol (à cause l’atmosphère) ,tous ceux qui l’atteignent ne sont ; réémis (selon les propriétés réfléchissantes du sol instruments n’ont pas, en général, une surface colle d’un mètre carré (le miroir de 38 centimètres de diamètre du satellite spot ne couvre qu’un dixième de mètre carré) les détecteurs électroniques n’ont pas un rendement 100 pour cent… Finalement, ce ne sont que quelques dizaines de milliers de photons qui frappent le détecteur pour chacun des pixels. Mais combien en faut-il idéalement Comme dans beaucoup de phénomènes statistiques dispersion du nombre de photons reçus, lorsqu’on e attend N en moyenne, est égale à la racine carrée de En d’autres termes, si l’on attend 10 000 photos l’incertitude sera de ±100 (soit 1 pour cent de fluctuation si l’on en attend 100, elle sera de +10 (soit 10 pour cent de fluctuation). On recherche en général des images j lesquelles le « bruit » est de moins de 1 pour cent on veut obtenir d’une scène uniforme une image uniforme Les lois de la physique contraignent donc sévèrement-, conception des instruments d‘optique, surtout si, dans beaucoup de cas, on veut en plus faire des image en couleurs, c’est-à-dire plusieurs images de la meme scène, dont chacune représente une partie du spectre lumineux, ce qui réduit encore le nombre de photons  sélectionnés pour une image donnée (voir page 5-

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