Caméras spatiales : les « yeux » des satellites dans l'espace

 Composants de base d'une caméra spatiale

▲Imageur CCD 4 bandes Haiyang-1

Une caméra spatiale se compose généralement des éléments suivants :

1. Objectif : Composé de systèmes et de structures optiques. Différents types de systèmes optiques correspondent à différentes structures, comme les systèmes réfractifs, réfractants et réfléchissants. Un système optique comprend généralement plusieurs composants optiques, tels qu’une fenêtre de caméra, une lentille, un miroir, un filtre et un prisme.

2. Système de circuit de détection et de réception : Le photodétecteur effectue la conversion photoélectrique, l'amplification du signal, le traitement, l'affichage, le stockage et l'annotation, et est généralement composé de photodétecteurs, de circuits et de composants de fixation mécanique.

3. Structure mécanique : comprenant le boîtier, les composants du plan focal, la transmission mécanique, l'ouverture, le pare-lumière, etc.

4. Dispositif de contrôle thermique : Généralement composé d'un revêtement de contrôle thermique, d'un film d'isolation thermique, d'un matériau à changement de phase, d'un caloduc, d'un câble conducteur de chaleur, d'un radiateur, d'un élément chauffant, d'un régulateur de température, etc. Comprend le contrôle thermique actif et le contrôle thermique passif.

5. Processeur de contrôle et d'information : Contrôle l'acquisition, le stockage, le traitement ou l'encodage des données d'image ; contrôle divers systèmes servo tels que le transport du film, la mise au point, l'étalonnage, le réglage de l'exposition et la compensation du décalage d'image ; saisit les données dans le dispositif d'annotation ; surveille l'état de fonctionnement de chaque composant ; et transmet les informations de défaut au centre de contrôle au sol.

 Classification des caméras spatiales

▲Spectromètre infrarouge FY-3

Il existe de nombreux types de caméras spatiales, comme les caméras de reconnaissance, les caméras de levés topographiques (également appelées caméras de cartographie) et les caméras multispectrales qui utilisent un film comme support d'information ; les caméras CCD, les scanners multispectraux et les spectromètres imageurs qui utilisent des détecteurs photoélectriques comme récepteurs. Ces capteurs spatiaux à distance sont collectivement appelés caméras spatiales.

• Classé par segment spectral

Les caméras peuvent être classées en caméras ultraviolettes, visibles, infrarouges, laser actives ou actives, ainsi qu'en caméras panchromatiques et multispectrales et spectromètres imageurs. Ces derniers peuvent être subdivisés en caméras hyperspectrales et superspectrales selon leur résolution spectrale.

Actuellement, les spectromètres imageurs les plus courants sont de type dispersif et interférométrique, tandis que les principaux axes de recherche actuels concernent les spectromètres à filtres et les spectromètres informatiques.

▲Spectromètre imageur à résolution moyenne FY-3

• Selon la cible d'imagerie 

Selon la cible d'imagerie, les caméras spatiales se divisent en deux catégories : celles qui photographient des zones et celles qui photographient des points. Par exemple, les caméras terrestres (appelées collectivement caméras de reconnaissance, de cartographie et d'observation des ressources) et les caméras observant la Lune, les planètes et le Soleil photographient des zones, tandis que les caméras ou capteurs stellaires photographient les étoiles (sources lumineuses ponctuelles) de la sphère céleste autres que le Soleil.

• Selon la source du signal de détection  

Selon la source du signal détecté, les caméras spatiales se divisent en deux catégories : actives et passives. La télédétection active utilise une source de rayonnement électromagnétique artificielle spécifique pour éclairer la cible, puis l'identifie en analysant les caractéristiques des ondes électromagnétiques réfléchies. La télédétection passive, quant à elle, ne nécessite pas de rayonnement artificiel pour éclairer la cible, mais utilise des sources naturelles (comme la lumière solaire, le rayonnement cosmique et le rayonnement infrarouge émis par les objets suite à l'absorption de l'énergie solaire) pour mesurer les ondes électromagnétiques réfléchies ou émises par la cible, réalisant ainsi la télédétection.

• Par utilisation 

Les caméras spatiales se divisent en deux catégories selon leur finalité. La première, appelée caméra d'observation terrestre, sert notamment à étudier les caractéristiques des cibles au sol, la géologie et le relief, à effectuer des missions de reconnaissance militaire, de cartographie et de positionnement, ainsi que des observations météorologiques et océanographiques. La seconde, quant à elle, est conçue pour rechercher, capturer, suivre et surveiller des cibles spatiales depuis une plateforme spatiale, par exemple pour l'observation astronomique et le guidage et le pointage de satellites d'interception (ou d'armes cinétiques).

 Applications et pratiques des caméras spatiales

▲ Les caméras spatiales sont largement utilisées dans le domaine de la télédétection.

La première caméra spatiale de mon pays a été développée par l'Académie chinoise des technologies spatiales à partir de 1967. Elle a été lancée dans l'espace le 26 novembre 1975 à bord du premier satellite récupérable chinois, « Jianbing-1 », et est revenue sur Terre trois jours plus tard. Mon pays est ainsi devenu le troisième, après l'Union soviétique et les États-Unis, à posséder une caméra d'observation de la Terre.

La charge utile optique spatiale « Jianbing-1 » est une caméra à lumière visible utilisée pour les levés topographiques. Elle possède une focale de 850 mm, utilise un film de 2 000 m de long et de 225 mm de large pour stocker les données, et offre un format d'image de 198 mm × 1 780 mm. La résolution spatiale au sol de la caméra peut atteindre 5 à 10 m.

• caméra spatiale du satellite d'observation météorologique 

Le satellite météorologique chinois FY-1 embarque un radiomètre à balayage multicanal, capable également de détecter la couleur de l'océan, avec une résolution de 1,1 km. Le VISSR, embarqué sur le satellite météorologique géostationnaire, possède également un miroir à 45° sur l'axe principal de son système optique ; le balayage est-ouest est assuré par la rotation du satellite, tandis que le balayage nord-sud est réalisé par le mouvement de va-et-vient du miroir de balayage nord-sud.

L'imageur visible et infrarouge du satellite météorologique chinois FY-2 effectue un balayage nord-sud grâce à un mécanisme de déplacement télescopique. La résolution des canaux visible et proche infrarouge est de 1,25 km, et celle des canaux infrarouge thermique et vapeur d'eau est de 5 km.

• caméra spatiale du satellite d'observation des ressources

En 1999, le satellite sino-brésilien d'observation des ressources terrestres (CBERS) a été lancé avec succès. Il embarquait une caméra CCD à balayage linéaire à 5 bandes, un scanner infrarouge à 4 bandes et un imageur grand champ à 2 bandes. Le satellite Ziyuan-101 a fonctionné en orbite pendant plus de trois ans, avec une largeur de balayage de 113 kilomètres et des capacités de transmission de données terrestres en temps réel à haut débit, fournissant des données couvrant efficacement plus d'un million de kilomètres carrés par an.

Après plus de 20 ans de développement, la famille ZY-1 a accueilli son neuvième membre, ZY-1 06, le 26 décembre 2021. Ce satellite est équipé de caméras visibles et proche infrarouge, d'une caméra hyperspectrale et d'une nouvelle caméra infrarouge à ondes longues, permettant ainsi l'observation de la Terre par tous les temps. La caméra visible et proche infrarouge offre une résolution panchromatique de 2,5 mètres et une résolution multispectrale de 10 mètres, capable d'identifier les longueurs d'onde du proche infrarouge entre la lumière visible et infrarouge, et de distinguer la forme, la taille et certaines couleurs des cibles observées.

• Caméra spatiale satellite couleur océan 

Le scanner de couleur des océans embarqué sur le satellite chinois HY-1 est une caméra spatiale à balayage miroir à 45° dotée de 10 canaux, dont deux canaux infrarouges thermiques, et d'une résolution de 1,1 km. Une autre caméra spatiale à bord du satellite est une caméra CCD à quatre bandes, utilisant une conception linéaire à balayage (push-broom), avec une résolution de 250 m.

Grâce aux progrès technologiques constants, les résolutions temporelle et spatiale des caméras spatiales s'améliorent continuellement. Leurs performances de détection optique tendent vers une haute résolution spatiale, spectrale et temporelle. Les cibles qu'elles peuvent observer évoluent, passant d'une seule à plusieurs, de simples à complexes, et elles deviennent de plus en plus intégrées, légères, intelligentes et multifonctionnelles. Leur rôle dans la reconnaissance et la détection spatiales prend une importance croissante, constituant une plateforme fondamentale et une garantie pour les opérations aérospatiales intégrées. On estime qu'avec l'émergence continue de nouvelles technologies et la mise à jour constante des méthodes de détection, les perspectives d'application des caméras spatiales seront encore plus vastes, faisant d'elles un axe majeur du développement de haute technologie dans de nombreux pays.

(Références : Académie chinoise des technologies spatiales : Tendances de développement des charges utiles optiques spatiales pour le XXIe siècle ; Wang Jintang et Chen Shiping : Introduction à la conception et aux essais des caméras spatiales)