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L’imagerie Numérique

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     L’imagerie numérique à été une grande avancé, en particulier pour les satellites de reconnaissance. En effet, cette technologie ne nécessite plus le retour de bobine sur terre, les images sont envoyées directement dans le centre d’analyse, qu’est ce qu’une image numérique et quels ont été les bénéfices de cette technologie pour la reconnaissance aérienne?

I/ Qu’est ce qu’une image numérique ?

     Le terme image numérique est utilisé pour définir les images vues sur un écran. Ces écrans, sont composés de pixels, abréviation de l’anglais Picture Elements (éléments de l’image), eux mêmes composés de trois sous-pixel, rouge, vert et bleu. Lorsqu’on affiche une image sur un  écran, on définit en fait quels sous-pixel s’allumeront pour donner la couleur. La résolution est la «qualité» de l’image, elle s’exprime en pixel par centimètre ou pixels par pousse (selon le système de mesure adopté). Il existe deux types d’images numériques :

  • les images matricielles : la manière la plus simple d’afficher quelque chose sur un écran. L’image possède une grille d’information, chacun des éléments de cette grille représente un pixel et la couleur qu’il doit afficher. Le principale inconvénient de ce type d’affichage est qu’il est défini au pixel
    Source : Wikipédia

    Comparaison entre la perte de qualité d’un agrandissement d’une image matricielle et d’une image vectorielle

    près, et perd en qualité avec l’agrandissement. En  particulier sur les objets courbes, du fait de la forme carré des pixels.

  • Les images vectorielles : cette fois, on considère que l’image est définie par un ensemble de points, et la manière de relier tous ces points. L’ordinateur génère donc des formules géométriques, et recalcule donc les formes lors des agrandissements. Il est cependant limité aux formes simples. Les polices d’écriture sont des images vectorielles, elles conservent donc leur qualité avec le changement de taille.

     Les sous pixels possèdent chacun une des couleurs de la synthèse additive, à savoir le rouge, le vert ou le bleu. Chaque sous pixels possède un niveau allant de 0 (teinte la plus claire) à 255 (la plus sombre). Ce qui nous fait plus 16,5 Millions de couleurs possibles. Une image numérique possède un format, c’est à dire la manière dont la grille d’information de l’image est encodée. Chaque format possède ces avantages et inconvénients, comme un aus de compressions ou un nombre de couleurs plus ou moins élevé.

II/ Quels bénéfices pour la reconnaissance

     L’imagerie numérique a surtout été intéressante pour les satellites. En effet, jusque là, les satellites emportaient une bobine argentique qui était ensuite renvoyée sur terre, avec des risques de perte lors de la rentrée atmosphérique. La première génération de satellite à embarquer un appareil photo numérique est la génération de satellites américains KH-11. Ceux-ci sont appuyés par un réseau de satellites relais du Satellite Data System, lui permettant de transmettre ces images en direct sans avoir à survoler une station radio terrestre. La grille de l’image est transmise par onde radio jusqu’à une station terrestre, sûrement en Binaire (supposition), un langage composé de 0 et 1. Les images étaient alors créées par un programme informatique grâce à la grille reçues.

     L’imagerie numérique à été une innovation qui a facilité les échanges de données. En supprimant les pellicules, les appareils sont beaucoup moins limités en termes de quantité d’image, et de ce fait accroît la durée de vie des satellites équipés de cette technologie. Aujourd’hui cette technologie est omniprésente dans la vie quotidienne.

Les radars d’imagerie

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     Radar est l’acronyme anglais de Radio Detection And Ranging traduit par « détection et télémétrie radio ». Les premiers sont opérationnels dès 1930, mais les premiers test de radars d’imagerie seront réaliser dans les années 70. Mais en quoi les radars ont affecté la reconnaissance aérienne ? Nous verrons dans cette article le fonctionnement d’un radar, puis ce que cette technologie à offert comme possibilités.

I/ Le fonctionnement d’un Radar

Source : Apple®, figure fournie avec le logiciel pages

Schéma du fonctionnement d’un radar

     Le fonctionnement d’un radar est basé sur la réflexion des ondes électromagnétique. Une onde électromagnétique (abrégée en EOM) correspond à une variation temporelle de champs magnétiques et de champs électriques. La lumière en fait partie. Certaines EOM sont perceptibles  par les êtres humains, d’autres le sont par les insectes, c’est le cas des ultraviolets avec les abeilles. Un radar est composé d’un émetteur et d’un récepteur. Cet émetteur crée une EOM dans une direction, cette EOM se déplace à la vitesse de la lumière. Si elle rencontre un obstacle, cette EOM en partie réfracté, et une partie réfléchie vers le récepteur. Le radar Détecte donc la présence d’un obstacle. Le radar connaissant la direction dans laquelle il a envoyé l’EOM et sa vitesse, il peut donc calculer la distance qui le sépare de cet obstacle en multipliant le temps par la vitesse de l’onde.

     Dans le cas d’un radar d’imagerie, on considère que ce radar est fixé sous un porteur (avion, satellite…) effectuant un déplacement rectiligne et stable. Ce radar va illuminer plusieurs fois un même point, de manière décalé dans l’espace et le temps pour obtenir une image complète de la zone sondée. Grace à l’effet Doppler, et le décalage de fréquence observé entre l’émission et la réception des EOM, on va pouvoir traiter ces signaux pour les convertir en images.

II/ Les perspectives qu’offrent les radars d’imagerie

     L’utilisation de radars d’imagerie possède un très gros avantage sur les autres moyens de capture d’image : il peut être utilisé quelque soit les conditions météorologiques. En effet, les ondes sont capables de traverser les couches nuageuses, et donc d’atteindre le sol. Cela permet donc de s’affranchir de la majeure partie des contraintes météorologiques. L’imagerie radar est également plus sensible au texture que l’imagerie optique. On détecte donc plus facilement des  terrains, comme un terrain d’aviation avec une mise en sable au milieu d’un désert. Cependant, ce système est peux adaptés aux avions. Pour obtenir une image claire et précise, le porteur doit se déplacer à vitesse constante dans une meme direction. Or, l’air est parfois instable et source de léger mouvement parasites. Cette technologie à donc été privilégié sur le satellites.

     Aujourd’hui, les radars d’imagerie sont l’un des principaux moyens de reconnaissance. Et leurs utilisation s’est également développé dans le civil, dans des domaines tels que la cartographie ou la surveillance de la végétation.

La conquête spatiale

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     Le 4 octobre 1957, l’Union Soviétique réussie une première dans l’histoire : satelliser un objet autour de la terre, Spoutnik 1, une sphère de 58cm de diamètre. Ce lancement, marque le début de la course à l’espace, et aura un impact mondial.

     Nous verrons dans cet article, comment se rendre dans l’espace, ensuite nous ferons un résumé des faits majeur de la conquêtes spatiale, et enfin nous verrons les perspectives que l’espace offre dans le domaine de la reconnaissance.

I/ Comment se rendre dans l’espace

     La limite définie par la Fédération Aéronautique Internationale entre l’atmosphère terrestre et l’espace se situe à 100km d’altitude. Cette limite appelé ligne de Kármán, détermine à l’altitude à partir de laquelle les principe de l’aérodynamique n’ont ne permettent plus de voler.

     Le vol spatial se décompose en deux phases : Le lancement, qui procure à l’objet la poussée nécéssaire pour échapper à la force gravitationnelle, et le “vol” Cette dernière partie est régie par les lois de la mécanique spatiale et du vol balistique. c’est à dire que le projectile n’est plus propulsé et ne rencontre d’autres contraintes que la force de gravité. Il poursuit donc sur la trajectoire fournie par le lancement, tout en perdant de l’altitude à cause de l’attraction terrestre.

     Le premier à s’être penché sur les caractéristique du vol spatial est Constantin Tsiolkovski (1857-1935), considéré comme le père de l’astronautique, dans son livre L’exploration de l’espace cosmique au moyen d’engins à réaction, publié en 1903. Dans lequel il établi en autre, les Trois vitesses cosmiques.

source : wikipédia

Les trajectoires A et B représentent des projectiles effectuant un vol suborbital, les C et D un vol orbital et la E un un projectile ayant atteint au moins la vitesse de libération terrestre

  • La vitesse de satellisation, env. 8km/s. Au delà de laquelle le projectile se satellise du fat de la force centrifuge, et entre dans le domaine du vol orbital
  • La vitesse de libération de l’attraction terrestre, env. 11km/s. Au delà de laquelle le projectile sort du champs gravitationnel terrestre sans quitter celui du soleil, et entre dans le domaine du vol interplanétaire
  • La vitesse d’évasion du système solaire, env. 17km/s. Au delà de laquelle le projectile quitte le système solaire, et entre dans le domaine de vol interstellaire

     Le domaine de vol des objet envoyé dans l’espace à une vitesse inférieur à 8km/s est nommé suborbital.

     Actuellement, l’unique moyen de mettre un objet en orbite consiste à l’y envoyer à l’aide d’un lanceurs. Ces lanceurs sont propulsé par des moteurs fusées. Bien qu’appartenant à la famille des réacteurs, leurs fonctionnement diffèrent des autres car ils emportent leurs comburant.

II/ Faits majeur de la conquêtes spatiale

     Voici un résumé des faits majeur ayant marqué la conquête spatiale :

  • 4 octobre 1957 : lancement par l’Union Soviétiques de Sputnik-1, premier satellite artificiel , début de la conquête spatial
  • 3 novembre 1957: Laïka, premier être vivant envoyé dans l’espace
  • 2 janvier 1959 : lancement de Luna-1, premier objet artificiel à approcher de la lune, et premier satellite artificiel du soleil, qui marque le début de l’exploration spatial
  • 18 octobre 1959 : La sonde Luna-3 transmet les premières images de la face cachée de la Lune
  • 12 avril 1961 : première mission spatiale habité, Youri Gagarin premier homme à effectuer un vol spatial
  • 14 décembre 1962 : La sonde Mariner-2 effectue le premier survol d’une autre planète, Vénus,
  • 16 juin 1963 : Valentina Terechkova, première femme envoyé dans l’espace
  • 18 mars 1965 : Le soviétique Alexeï Leonov effectue la première Sortie Extra-véhiculaire
  • 3 février 1966 : premier atterrissage sur la lune par Luna-9
  • 16 mars 1966 : Premier amarrage réussi entre Gemini 8 et un étage de lanceur
  • 21 juillet 1969 : Neil Armstrong et Buzz Aldrin sont les premier hommes à poser le pieds sur la lune
  • 19 avril 1971 : Lancement Saliout-1, première station spatiale habitée
  • 17 juillet 1975 : Premier rendez-vous orbital américano-soviétique entre une capsules Apollo et Soyouz.
  • 20 juillet 1976 :  Viking-1 réussit le premier atterrissage opérationnel sur Mars
  • 12 avril 1981 : Premier décollage de la navette spatiale Columbia.
  • 13 mars 1986 : La sonde Giotto survole à 596 Km la comète de Halley
  • 4 juillet 1997 : Atterrissage de Mars Pathfinder et du Rover Sojourner
  • 20 novembre 1998 : mise en place du premier module de la station spatiale internationale (ISS)
  • 14 janvier 2005 : La sonde Huygens se pose sur Titan.
  • 08 avril 2016 : La société SpaceX récupère pour la première fois un étage de lanceur, elle réalisera également le premier vol d’un étage récupéré de manière similaire et réutilisé le 30 mars 2017

III/ Les perspectives offertes par l’espace dans le domaine de la reconnaissance aérienne

     Même si les satellites de reconnaissance ont été imaginé dès le débuts de la conquête spatiale, la crise de l’U-2 à considérablement accéléré les recherches dans ce domaine.

     En effet, l’espace aérien d’un pays s’arrête au niveau de la ligne de Karman. Les satellites sont donc dans une sorte d’espace internationale, ou la destruction d’un satellite  reviendrait à un acte de guerre telle la destruction d’un navire dans les eaux internationales. Le premier programme de satellites de reconnaissance est mené par les par  les États-Unis et se nomme Key Hole (trou de serrure, abrégé KH). La première génération (KH-1 à 3) sera en service entre 1959 et 1962, équipé d’une caméra à film argentique. Après 11 échecs, le premier satellite de type KH-1 atteint une orbite basse, et renvoie sa pellicule sur terre. Malgré une résolution d’image inférieur à celle de l’U-2, le nombre de prises de vues est supérieur à celui du programme U-2 entier. Ces résultats, obtenus également par les soviétiques, vont pousser d’autres états tels que la Chine et la France à lancer leur propres satellites de reconnaissance militaires (respectivement en 1974 et 1995).

     Cependant, le grands inconvénient de ces missions, outre leurs couts, est la durée de vie des satellites qui est de quelques jours au mieux. Les soviétiques sont le plus touchés par cette contrainte, et on estime que le programme de satellites de reconnaissance soviétique représente prés de 10% des satellites mis en orbite (près de 800 sur ≈8 000 lancés depuis 1957).

     Avec le temps, de nouveaux systèmes équiperons les satellites tels des radars (voir article sur les radars à synthèse d’ouverture), et l’imagerie numérique. La duré de vie des satellites augmentera considérablement, passant de quelques jours, jusqu’a plusieurs années. Des stations habités a but de reconnaissance sont imaginé, mais les projets sont avortés, compte tenu du cout nécessaire par rapport aux résultats obtenus. Malgré la fin de la guerre froide, les satellites de reconnaissances restent des atouts militaires précieux.

Le réacteur

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     Les premiers appareils à réactions font leur apparition a la fin de la seconde guerre mondiale, du cotés allemand. Plus efficace que les moteurs traditionnels à hélices, ils permirent entre autre de franchir le mur du son.

     Nous verrons, tout d’abord, le fonctionnement d’un réacteur, puis nous étudierons les possibilité que ce mode de propulsion offre, a travers un exemple, l’U-2 Dragonlady.

I/ Fonctionnement d’un turboréacteur

     Le fonctionnement d’un réacteur repose sur le principe d’action-réaction, énoncé par Isaac Newton : «Tout corps persévère dans l’état de repos ou de mouvement uniforme en ligne droite dans lequel il se trouve, à moins que quelque force n’agisse sur lui, et ne le contraigne à changer d’état.» (Isaac Newton, Philosophiae naturalis principia mathematica, 1867). Il s’agit, grâce à ce principe, d’accélérer une masse d’air afin de créer une force de poussée, qui, va propulser l’avion par réaction. Le fonctionnement de tous les turboréacteurs reposent sur 3 étapes : Compression – Combustion – Détente.

     Un turboréacteur est composé de 2 ensembles : la section froide, comprenant l’entré d’air, la chambre d’admission et le compresseur. Cette première est destiné à aspirer et comprimer l’air. la section chaude, comprenant la chambre de combustion, la turbine et la tuyère. Sert quant à elle à mélanger l’air avec un carburant, puis à enflammer le mélange afin de le dilater et donc de l’accélérer, une partie du mélange va ensuite entrainer la turbine qui permet, via un arbre de transmission,de mettre en mouvement le compresseur  et autres systèmes permettant le fonctionnent du réacteur (alternateurs…), et le reste s’échapper par la tuyère.

source Wikipédia

Coupe latérale d’un réacteur

     Ce réacteur crée une poussé, résultat de l’accélération de l’air entre la chambre d’admission du réacteur et la tuyère. On l’obtient par combustion d’un carburant, avec comme comburant l’air. Cette poussée peu être calculé de la manière suivante : Fpoussé=Qm(Vsortie-Ventrée) où :                                                                                                 Qm est le débit massique de l’air dans le moteur en Kg/s (le débit de carburant est négligeable)                                                                                                                                                Ventrée est la vitesse d’entré des gaz dans le compresseur                                                 Vsortie est la vitesse de sortie des gaz de la tuyère                                                                         Qm*Ventrée représente la force de trainée de l’entrée d’air                                                 Qm*Vsortie représente la poussée à la sortie de la tuyère

     Un système de post-combustion, avec une injection de carburant après la chambre de combustion, permet d’augmenter le performances. Un réacteur n’est pas capable de démarrer tout seul. En effet le compresseur est alimenté par de l’énergie fournie par la turbine. Il dispose donc d’un APU (Auxiliary Power Unit) ou d’un groupe électrique démarrant le compresseur qui permet alors de faire fonctionner la turbine et de rendre le réacteur autonome.

II/ Les possibilités offertes par le turboréacteur dans la reconnaissance aérienne : L’U-2 dragonlady

     L’U-2 Dragonlady est un avion développé pour effectuer des missions de reconnaissance à très haute altitudes, développé afin de photographies des sites sensibles d’URSS.

     A la sortie de la seconde guerre mondiale, les États-Unis on eu la nécessité de mettre a jour leurs outils de reconnaissance. En effet, le perfectionnement des système de défense anti-aériens et des radars, ainsi que le recentrage des lieux stratégiques soviétiques suite à l’opération Barbarossa, rendirent impossible l’acquisition d’images des sites de lancement soviétiques. Il était donc nécessaire, pour les États-Unis, de développer un appareil capable de survoler l’union soviétique, tout en restant hors de porté des radars. Un appel d’offre fut donc lancé, remporté par le projet du Skunk Works (cellules de Lockheed travaillant sur les projet les plus techniques, dont nous reparlerons avec le SR-71), avec l’U-2. Le premier vol eu lieu le 1er septembre 1955.

source : Flickr

Un U-2A en Vol

     Il était propulsé à l’époque par un réacteur J57-P13 de 66.19 kN de poussée. Il utilisait cependant un carburant spécifique : le JTPS. Issue d’un mélange d’hydrocarbures, ce carburant spécialement adapté au vol de haute altitude, possède un point de gel plus bas, ainsi qu’une viscosité plus élevée. L’U-2 montra des performances exceptionnelles : un plafond opérationnel se situant à 70 000ft (21 300m soit le double d’un avion de ligne actuel), une capacité d’emport de charge utile de près de 2,4t ainsi qu’un rayon d’action de 3 000 km. Il est cependant un avion complexe a piloter. En haute altitude, sa vitesse de décrochage se situe 20 kmh en dessous de sa vitesse maximale, et sa cellule semblable a celle d’un planeur le rend peu maniable. Sont train monotrace, rende également l’atterrissage difficile.

Source : Wikipedia

Un U-2A avec différentes charges utiles qu’il peu emporter

     Les premiers survols en territoires hostiles on lieu en 1956. Ils permirent de récolter des informations sur de nouveaux bombardiers stratégiques, des programmes de sous marins, des sites de construction de lanceurs. Les radars soviétiques arrivaient a déceler l’avion mais pas de manière continuelle. De nombreuse tentatives d’interceptions eurent lieu sans aboutir.

     Cependant, le 1er mai 1960, l’évolution des radars ainsi que les nouveaux missiles SA-2, permirent d’abattre un U-2. Cet incident, sans pour autant remettre en question l’U-2, mit un coups d’arrêt au survols des territoires soviétiques jusqu’à l’arrivé du SR-71, et poussa les États-Unis a développer des satellites de reconnaissance.

     L’U-2, est toujours, après diverse mise a niveau, en service actif, et surclasse actuellement  plusieurs drone dans son domaine.

La Guerre Froide

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     A la fin de la seconde guerre mondiale, deux puissances nucléaires émergent : les États-Unis et l’URSS. Ces deux blocs se livrent une guerre froide, basé sur la menace nucléaire constante. Chacun veux donc être au courant des capacités réelles de l’adversaire.

     La guerre froide a donc été l’une des périodes les plus prolifiques en termes d’innovations dans le domaine de la reconnaissance aérienne. Que se soit sur le plan aéronautique, spatial et même de l’imagerie. Mais qu’elles on été ces innovations?

     Notre plan pour cette partie ce déroule ainsi :

  • Le réacteur plus haut, plus vite, plus loin
  • La conquête spatiale, un nouveau terrain d’observation
  • Les radars a synthèse d’ouverture : vers une reconnaissance tout temps
  • Le SR-71 Blackbird : arrêt sur un l’uns des appareils de reconnaissance les plus avancé jamais construit
  • Le numérique, le début d’une nouvelle ère