Livre blanc : Infrarouge à ondes courtes (SWIR) pour les applications de surveillance dans le secteur de la défense
La technologie SWIR est utilisée depuis longtemps pour une grande variété d’applications en raison de ses caractéristiques distinctes.
Parmi celles-ci figurent des applications civiles (inspection de cellules solaires, inspection d'usines d'embouteillage, inspection de fruits, lutte contre les incendies, etc.) et militaires (systèmes de guidage laser, détection de camouflage, surveillance, vision nocturne, surveillance des frontières, etc.).
Le principal avantage de la technologie SWIR dans les applications militaires réside dans le fait que les caméras SWIR offrent généralement une visibilité à travers la brume, la pluie, le brouillard et les conditions atmosphériques difficiles, et offrent un contraste plus élevé. Cet article démontre une visibilité jusqu'à 35 km à travers l'épaisse brume du nord-est de Taïwan et explique le potentiel d'une vision encore plus lointaine.
Cela est dû à la diffusion Rayleigh réduite dans l’atmosphère à des longueurs d’onde relativement plus longues :
Une façon simple d'imaginer ce phénomène est d'imaginer un coucher de soleil. À mesure que le soleil descend vers l'horizon, de moins en moins de lumière bleue, verte et jaune pénètrent l'atmosphère, car leurs longueurs d'onde sont plus courtes que celles du rouge. La lumière rouge, de longueur d'onde plus longue, est moins diffusée (et la lumière infrarouge encore moins), de sorte que le soleil apparaît rouge. Par conséquent, à mesure que la concentration de particules de vapeur d'eau dans l'atmosphère augmente, les longueurs d'onde plus courtes sont davantage diffusées que les longueurs d'onde plus longues. Cela rend l'imagerie dans le visible, l'UV et les rayons X très difficile, voire impossible par mauvais temps.
Deuxièmement, le SWIR peut être utilisé pour des applications de vision nocturne ; il faut cependant veiller à bien intégrer ces caméras avec les accessoires appropriés pour obtenir un impact optimal. Ce point est abordé plus loin dans cet article. Enfin, et c'est le plus important d'un point de vue militaire, le SWIR est invisible à l'œil nu, ce qui permet des opérations discrètes. Il constitue donc un choix judicieux pour le ciblage avec des désignateurs laser entre 1 060 nm et 1 550 nm. Ces désignateurs laser présentent également l'avantage d'être inoffensifs pour l'œil jusqu'à de très fortes puissances.
De bonnes opérations de surveillance reposent sur des équipements robustes, capables de résister à toutes les conditions environnementales. C'est pourquoi les services gouvernementaux et privés du monde entier se tournent vers la technologie SWIR pour la sécurité navale, aérienne et terrestre.
SWIR pour la surveillance antiaérienne
Les avions de chasse modernes sont équipés des dernières technologies furtives, rendant leur présence quasiment indétectable, même grâce à des systèmes de surveillance radar de pointe. Lorsqu'ils sont à leur vitesse maximale avant une attaque, puisqu'ils volent bien au-delà de la vitesse du son, le bruit du moteur d'un chasseur n'est perçu qu'après l'attaque.
C'est pour ces raisons que les technologies optiques sont de plus en plus intégrées à des systèmes antiaériens. Lorsqu'un avion accélère, la température de l'air à l'échappement peut dépasser la température minimale « visible » avec l'imagerie SWIR.
Les jets d'échappement apparaissent comme de larges points blancs contrastant avec l'extérieur hautement absorbant de l'avion. La visibilité de cette chaleur est encore améliorée la nuit, lorsque les jets contrastent avec le ciel nocturne noir. Autre avantage : le contraste élevé de l'image offre une cible facile à verrouiller pour le logiciel de suivi.
SWIR pour la surveillance terrestre et maritime à très longue portée
Identifier des cibles de la taille d'un bateau de pêche ou d'une voiture à plus de 35 km de distance est crucial à une époque où les menaces se trouvent souvent en haute montagne, au cœur de massifs isolés, ou au large. Ces menaces sont encore aggravées par une visibilité réduite par mauvais temps. Même par beau temps, la visibilité côtière avec des optiques traditionnelles est limitée à environ 13 à 16 km. Dans ces conditions, cependant, la portée du SWIR longue portée n'est limitée que par le grossissement des optiques utilisées.
Lors d'un récent test sur le terrain réalisé dans le nord de Taïwan par Allied Scientific Pro, des bateaux jusqu'à 35 km étaient visibles, comme le montrent les figures 3.i) et 3.ii).
Un autre exemple de l’avantage tactique du SWIR dans les scénarios de longue portée et de mauvais temps est illustré dans les figures 4.i) et 4.ii).
La qualité des informations provenant de cibles situées à moins de 20 km est également améliorée lorsque la technologie SWIR est utilisée. Les figures 5.i), 5.ii) et 5.iii) montrent comment des détails fins sur un minaret situé à moins de 5 km peuvent être exposés avec une caméra SWIR de seulement 0,4 mégapixel par rapport à une caméra CCD à lumière visible de 5,0 mégapixels.
Ces photos ont été prises à l’aide d’un télescope à ouverture de 6 pouces modifié et optimisé pour les applications SWIR.
SWIR pour la surveillance navale sur de grandes zones
L'eau absorbe bien la lumière SWIR. Cela signifie qu'elle apparaît noire lorsqu'on utilise une caméra SWIR. Cette propriété physique est directement utile pour détecter des objets maritimes ou autres objets en mer. Les figures 6.i) et 6.ii) montrent comment de nombreux bateaux peuvent être repérés et suivis rapidement et facilement sur de très vastes zones.
Les navires de guerre, petits et grands, peints pour se fondre dans l'environnement naturel, ainsi que les bateaux furtifs dotés de surfaces anti-RADAR, peuvent être détectés à plus de 20 km de distance, sous forme de larges points blancs sur fond noir, grâce à une simple optique SWIR. Les objets submersibles peu profonds sont également détectables. En mesurant la position d'un bateau par rapport à l'horizon, il est également possible d'estimer précisément sa portée et donc sa position GPS.
Conseils utiles pour choisir un système de caméra SWIR
Lors du choix d'une caméra SWIR, plusieurs facteurs importants doivent être pris en compte, notamment votre environnement, votre application et votre budget. S'agit-il d'une surveillance longue portée ou d'une surveillance de vastes zones ? La caméra sera-t-elle principalement utilisée de jour ou également de nuit ? Utilisera-t-on plusieurs caméras pour un réseau étendu ou une seule pour un scénario spécifique ?
Restrictions légales :
La technologie SWIR américaine est considérée comme hautement sensible et, dans la plupart des cas, l'ITAR restreint l'exportation vers tout autre pays. Si vous résidez hors des États-Unis, nous vous recommandons de vous assurer que votre caméra est également produite hors des États-Unis afin d'éviter de longs litiges liés aux licences d'exportation et autres actions en justice. Toutes les caméras SWIR ASP sont fabriquées hors des États-Unis.
Résolution : ¼ VGA ou VGA complet
La résolution d'une caméra définit le niveau de détail obtenu dans une image. La résolution VGA équivaut à 1,3 mégapixel. La plupart des technologies SWIR ne sont disponibles que dans l'un de ces deux formats, et le prix et les performances peuvent varier considérablement. Il est également important de noter que le niveau de détail sur un champ de vision particulier peut être modifié de manière beaucoup plus rentable par un choix judicieux de l'optique. Les figures 7.i) et 7.ii) sont deux images du même paysage prises aux formats ¼ VGA et VGA complet.
Longueur d'onde de la lumière en fonction de la taille des pixels dans les caméras SWIR et LWIR
Pour un acheteur expérimenté de caméras thermiques (LWIR), il n'est pas rare de confondre la taille des pixels de la puce d'imagerie avec la longueur d'onde de la lumière qu'elle doit imager. Généralement, une caméra LWIR image une longueur d'onde comprise entre 8 et 12 µm, mais sa taille de pixel est d'environ 1 à 2 µm. Une caméra SWIR, quant à elle, image une longueur d'onde d'environ 0,9 à 1,6 µm et sa taille de pixel est d'environ 20 à 30 µm. À titre de référence, la longueur d'onde de la lumière visible est souvent notée 0,4 à 0,7 µm.
Vision nocturne
De nombreuses sources d'information sur la technologie SWIR semblent émettre des avis contradictoires quant à l'utilisation de ces caméras en basse lumière et en vision nocturne. La figure 8 ci-dessous présente une image typique d'une caméra SWIR non refroidie, prise de nuit, au-dessus d'une rue avoisinante :
Les figures 9.i) et 9.ii) représentent une grande tour montée sur une colline à travers le brouillard la nuit sans lune.
Il existe trois manières principales d’améliorer le rapport signal/bruit pour une utilisation nocturne :
1) Utilisez une caméra SWIR refroidie thermoélectriquement au lieu d'une version refroidie par air
Chaque marque de capteur possède ses propres capacités de gestion des faibles niveaux de luminosité et il est important de choisir le bon. Le niveau de refroidissement sélectionné doit également être pris en compte : plus il est élevé, meilleur est le rapport signal/bruit (c'est-à-dire la qualité d'image). Aujourd'hui, presque tous les fabricants de caméras SWIR proposent des versions refroidies par air ou électronique, ce qui permet de les placer dans des endroits isolés sans nécessiter de maintenance.
2) Collectez plus de lumière : augmentez l'exposition ou utilisez un objectif à plus grande ouverture
Il s'agit d'une méthode simple pour améliorer la qualité d'image de n'importe quelle caméra, SWIR ou autre. Plus la lumière est abondante, meilleur est le rapport signal/bruit. Par exemple, les figures 10.i) et 10.ii) montrent la même scène nocturne en extérieur avec des temps d'intégration différents. Les images suivantes ont été prises avec une caméra SWIR VGA de Photonic Science Ltd.
Un autre point important ici est que regarder une zone plus large (distance de 50 m) vous donnera un signal bien meilleur que si vous regardez une petite zone (distance de 5 m).
3) Utiliser un accessoire, par exemple un illuminateur laser
L'utilisation d'un accessoire d'éclairage est de loin le moyen le plus efficace de faire fonctionner votre système SWIR la nuit. Il existe un large choix de sources lumineuses invisibles à l'œil nu et aux technologies de vision nocturne standard, mais d'un blanc éclatant pour le SWIR (comme illustré dans les figures 11.i à 11.iv). Les deux images du bas ont été prises avec une caméra SWIR VGA de Photonic Science Ltd.
Allied Scientific Pro distribue des caméras, des télescopes et lentilles pour les solutions de caméras SWIR, LWIR et Visible.