Opérations militaires terrestres : focus sur 3 critères techniques d’un détecteur refroidi

Le 1er besoin des soldats sur le terrain des opérations est la prise de décision rapide en situation de conflit c’est-à-dire obtenir une information précise sur l’état de l’environnement pour adapter les actions. Il s’agit de voir à de grandes distances (plusieurs kms), dans toutes conditions climatiques, en étant le plus insensible possible aux contraintes du champ de bataille (fumées, poussières, feux/explosions, réflexions solaires,…).

Et pour cela, ils ont besoin de matériel performant équipé de caméras infrarouges.  Les détecteurs refroidis s’avèrent alors particulièrement efficaces en raison de leurs critères techniques bien spécifiques.

Nous vous détaillons ici 3 critères qui expliquent pourquoi ces capteurs refroidis sont particulièrement efficaces lors d’opérations militaires terrestres.

          1- Objectif premier : évaluer la portée d’une caméra

La portée d’une caméra (capacité à imager une cible selon différentes résolutions minimales pour la détecter, ou la reconnaitre, ou l’identifier) constitue le critère majeur permettant de comparer les systèmes entre eux.

Pour des conditions climatiques et une longueur d’onde données (qui vont définir la transmission atmosphérique) pour une cible donnée (homme, véhicule,…présentant une différence de température donnée par rapport à son environnement), la portée d’une caméra thermique s’estime au premier ordre d’après les performances de ses deux principaux sous-ensembles : l’optique et le détecteur infrarouge.

Concernant la portée,

• la performance de l’optique est principalement tirée par sa Fonction de Transfert Optique (FTO) qui traduit sa capacité à transmettre les hautes fréquences spatiales d’une scène observée. Plus l’optique est fermée (petit diamètre, grand nombre d’ouverture f/#), plus la FTO sera réduite et limitera la portée de la caméra.

• La performance du détecteur infrarouge est principalement tirée par sa résolution (nombre de pixels), sa sensibilité (ou NETD), sa bande spectrale (MWIR ou LWIR qui sera plus ou moins adaptée à la transmission atmosphérique) et sa Fonction de Transfert de Modulation (FTM du pixel) qui se combine avec la FTO.

Par ailleurs, le choix du détecteur infrarouge refroidi pour répondre au mieux aux besoins de la mission militaire sera également fonction d’autres critères, comme

• sa fréquence trame (plus l’image est fournie à fréquence élevée, mieux seront analysées et identifiées les cibles rapides),
• la consommation électrique de son refroidisseur (plus élevée pour un détecteur LWIR refroidi à plus basse température qu’en MWIR) qui impactera l’autonomie des systèmes portables sur batterie
• sa fiabilité, ou MTTF (mean time to failure): temps moyen avant panne selon un profil de mission donné, ou durée calculée au bout de laquelle deux tiers du parc en opération sera tombé en panne. Le choix du refroidisseur (seul sous-ensemble avec des pièces mobiles qui s’usent) ainsi que les températures d’utilisation du détecteur sont dimensionnants.

Nous vous proposons ici de découvrir pourquoi et comment LYNRED est aujourd’hui identifié comme un fournisseur de qualité dans le domaine de l’infrarouge.

          2- Focus sur les 3 principaux critères de performance d’un détecteur infrarouge refroidi

• La sensibilité, ou NETD (Noise Equivalent Temperature Difference)

Exprimée en millièmes de degrés (mK), le NETD est la plus petite différence de température détectable. Il est égal à un rapport signal sur Bruit (S/B) de 1, c’est-à-dire que la variation de signal de sortie du détecteur pour une différence de température égale au NETD (en entrée du détecteur) correspond au bruit du détecteur.

Plus la valeur du NETD est faible, plus le détecteur est sensible et plus grande sera la portée de la caméra puisqu'une cible située à grande distance génèrera au niveau de la caméra une variation de température très faible correspondant au signal fortement atténué par l'atmosphère.

Pour des applications portables de type jumelles, le NETD d'un détecteur MWIR est généralement compris entre 25 et 30mK tandis que pour des applications de type conduite de tir sur un char, le NETD d'un détecteur LWIR se situera aux environs de 15mK.

Le NETD en imagerie IR peut donc être compris comme un équivalent du contraste en imagerie visible. Il jouera un rôle important surtout dans une scène présentant un faible contraste thermique, c’est-à-dire dans laquelle tous les objets sont à peu près à la même température, comme les paysages par exemple.

Il est important de noter que les conditions de mesure du NETD ne sont pas standardisées car il n’existe pas de normes. Il faut bien vérifier que ces conditions (principalement température de scène et taux de remplissage de la capacité du détecteur) soient mentionnées sur la datasheet. Par exemple, pour les composants refroidis fabriqués par LYNRED, le spécialiste français des capteurs infrarouges, le NETD est la plupart du temps évalué à mi-dynamique devant un corps noir à 300K.

• La bande spectrale

Le choix de la bande spectrale entre LWIR et MWIR sera le résultat du choix entre portées requises et conditions de mission : selon qu’on sera sous climats chaud et humide, ou froid et sec, les transmissions atmosphériques seront notablement différentes entre LWIR et MWIR, ce qui pourra éliminer ou favoriser une bande par rapport à l’autre.

Pour les systèmes de surveillance / reconnaissance très longue distance, la présence d’eau et de CO2 dans l’air constitue un atténuateur beaucoup plus important en bande LWIR qu’en bande MWIR, ce qui favorisera le choix d’un détecteur MWIR pour maintenir de bonnes portées sur de tels systèmes. De même, un détecteur MWIR sera préféré dans un système portable de dimensions réduites comme les jumelles qui requiert une basse consommation électrique, car plus on monte dans la bande spectrale LWIR, plus il faudra refroidir le détecteur à basse température cryogénique, ce qui va contraindre le refroidisseur (augmentation de la consommation, compresseur plus puissant et plus gros).

Mais par ailleurs, les détecteurs refroidis LWIR présentent de nombreux avantages par rapport au MWIR : de par la loi de Planck, ils seront plus performants pour imager des scènes à faibles contrastes ainsi que des scènes froides (‑10°C à -40°C) en hiver ou dans les zones arctiques. Ils seront moins sensibles aux éblouissements solaires ou aux feux/explosions, ce qui leur donne un avantage par rapport au MWIR dans des conditions de champ de bataille pour équiper les véhicules blindés. Leur grande sensibilité permettant de faibles temps d’intégration permettront de fournir des images à plus haute fréquence qu’en MWIR.

• FTM

La FTM pixel est un critère important qui mesure la capacité du pixel à retranscrire (« transférer ») le contraste d’une scène imagée par l’optique du système complet dans le plan focal. La FTM est une fonction de la fréquence spatiale f de l’image de la scène projetée sur le plan focal. Les fréquences spatiales sont des inverses de coordonnées spatiales dans le plan image. Elles s’expriment en mm-1.

Grâce à cet exposé détaillé des principales données techniques des détecteurs refroidis, rédigé grâce aux connaissances pointues d’Antoine Sandanassamy, expert produit chez LYNRED, vous connaissez désormais les raisons pour lesquelles ils sont particulièrement efficaces dans des conditions d’opérations militaires terrestres.

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