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WO 2007/132126 1
PCT/FR2007/051275
Système d'imagerie sonar à ouverture synthétique
L'invention se rapporte aux systèmes sonars à antenne
synthétique et à leur fonctionnement.
La résolution d'un sonar classique dépend, à une portée
donnée, de la longueur de l'antenne. Ainsi, dans un premier temps la
dimension linéaire de l'antenne a été augmentée pour améliorer la
résolution des sonars.
Puis, la dimension des transducteurs ne pouvant pas
augmenter en conséquence, il a été proposé des antennes physiques
composites formées par un réseau linéaire de N transducteurs.
Enfin, la mise au point de nouveaux moyens de calcul et de
traitement du signal a permis de développer ce que l'on nomme des
antennes synthétiques.
Un sonar est par exemple utilisé en tant que sonar latéral.
L'antenne composite est alors située sur l'un des flancs du poisson ou
porteur qui est immergé dans le but de réaliser une image du fond
marin. Le porteur peut être autonome, mais de préférence il est
remorqué par un bâtiment de surface. Le porteur est déplacé le long
d'une direction longitudinale Y sensiblement parallèle à la direction
linéaire de l'antenne. Le sonar latéral a donc une direction d'observation
perpendiculaire à la direction Y.
Le principe de l'antenne synthétique consiste à utiliser les
signaux reçus par les différents transducteurs de l'antenne physique
fonctionnant en récepteur à K instants, et donc à K emplacements
successifs. Comme ceci est représenté de manière schématique sur la
Figure 1, un traitement du signal adapté permet de reconstruire, de
proche en proche, une antenne dont la dimension linéaire peut être
importante. La résolution obtenue au moyen d'une antenne synthétique
correspond à celle d'une antenne classique dont la longueur serait
similaire à la longueur parcourue pendant les K différentes récurrences
successives nécessaires à l'acquisition de données.
Plus précisément, pour former les voies d'une antenne
synthétique, on combine linéairement les K x N signaux délivrés par les
N transducteurs lors de K récurrences successives. Une récurrence
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correspond à un intervalle de temps débutant par l'émission d'un signal
sonore pendant un temps d'émission court, suivie par la réception de
l'écho correspondant. Les coefficients linéaires de cette combinaison
correspondent à des retards ou déphasages dus d'une part, aux
différents emplacements des capteurs le long de l'antenne et, d'autre
part, à la modification de la position relative de l'antenne par rapport à
l'objet à détecter, i.e. de la source de l'écho.
Dans le cas simple où le mouvement du porteur, et donc de
l'antenne, est parfaitement rectiligne et uniforme, ces retards sont
connus. Dans la réalité le porteur bouge beaucoup et d'une manière
très aléatoire. On ne connaît donc pas précisément la position des
transducteurs d'émission et de réception lors des K récurrences de
l'acquisition. Par conséquent, la géométrie de l'antenne à synthétisée
est imprécise.
Ainsi, la précision d'un tel sonar à antenne synthétique est
limitée par les écarts de l'antenne par rapport à une trajectoire de
navigation théorique rectiligne et uniforme.
On a recherché différentes solutions pour remédier à ces
inconvénients en vue d'augmenter la précision des observations.
Le document FR-2769372 part du constat que la précision
nécessaire sur la mesure de la position de l'antenne est hors de portée
d'une centrale inertielle (INS) car l'erreur sur la mesure de la position
spatiale du bâtiment qu'elle équipe est trop importante.
Pour se dispenser de l'utilisation d'une INS, le document FR-
2769372 indique qu'il a été mis au point des méthodes dites
d'autofocalisation qui permettent d'obtenir, entre autres choses, la
position de l'antenne à partir du traitement des différents signaux de
mesure. On constate que, dans la méthode particulière
d'autofocalisation décrite dans le brevet américain US-4244036, la
précision sur l'angle de rotation de l'antenne entre deux récurrences
constitue le facteur limitant la précision de la méthode.
Pour surmonter cette difficulté, le document FR-2769372 se
propose de corriger les effets dus aux variations angulaires de l'antenne
en utilisant un gyromètre et en mesurant l'angle de site du signal de
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réception au moyen d'une antenne auxiliaire perpendiculaire à l'antenne
composite principale.
L'invention a donc pour but de proposer un autre système sonar
à antenne synthétique permettant d'obtenir une résolution améliorée en
utilisant une antenne synthétique.
Pour cela l'invention a pour objet un système sonar à antenne
synthétique comportant : un sonar muni de moyens d'émission et de
moyens de réception, les moyens de réception comportant une antenne
physique composite ayant N transducteurs, le sonar étant situé sur un
porteur apte à être déplacé ; une centrale inertielle disposée sur le
porteur apte à mesurer des informations instantanées de position et
d'orientation du porteur ; et, une horloge.
Le système sonar selon l'invention se caractérisé en ce que
l'horloge est une horloge commune délivrant un signal temporel
permettant la synchronisation à la fois de la centrale inertielle et du
sonar, et en ce que le système sonar comporte également : un moyen de
détermination de la vitesse instantanée du porteur, la vitesse déterminée
alimentant la centrale inertielle pour corriger la dérive de cette dernière ;
et, des moyens de micronavigation permettant d'obtenir une image du
fond marin par formation des voies de l'antenne synthétique à partir de
K récurrences de fonctionnement du sonar en considérant que le
mouvement de l'antenne physique au cours du déplacement du porteur
est entièrement connu d'après les informations mesurées par la
centrale inertielle.
De préférence, les moyens de micronavigation permettent
également d'obtenir une information de bathymétrie du fond marin.
Dans un mode de réalisation préféré, les moyens de
micronavigation étant des premiers moyens de micronavigation, le
système sonar comporte, en outre, des seconds moyens de
micronavigation permettant de calculer des informations instantanées de
déplacement et d'orientation de l'antenne physique.
De préférence, les seconds moyens de micronavigation utilisent une
méthode d'autofocalisation pour le calcul des informations instantanées
de position et d'orientation de l'antenne physique.
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De préférence encore, les seconds moyens de micronavigation
sont utilisés en tant que moyen de détermination de la vitesse
instantanée du porteur, la vitesse déterminée alimentant la centrale
inertielle étant déduite des informations calculées par les seconds
moyens de micronavigation.
Dans un autre mode de réalisation, les moyens de détermination
de la vitesse sont constitués par un loch, par exemple Doppler, apte à
délivrer une vitesse instantanée mesurée en tant que vitesse déterminée.
De préférence, les moyens de micronavigation fonctionnent en
temps réel.
Dans un mode de réalisation particulier, l'antenne physique ayant
une longueur de 2m et étant constituée de N transducteurs fonctionnant
en réception, les moyens d'émission générant un signal sonore ayant
une fréquence autour de 100kHz, le sonar permet d'obtenir une image
ayant une résolution de l'ordre de 15cm à une portée de 300m.
L'invention a également pour objet un porteur destiné à être
déplacé selon sa direction longitudinale et comportant, sur chacun de ses
flancs, un système sonar selon l'invention.
L'invention a également pour objet un procédé de formation
d'une antenne synthétique en utilisant un système sonar comportant une
antenne physique composite ayant N transducteurs, le sonar étant situé
sur un porteur apte à être déplacé dans une direction de déplacement ;
une centrale inertielle disposée sur ledit porteur ; et, une horloge.
Le procédé selon l'invention se caractérise en ce qu'il consiste
à : déterminer une vitesse instantanée du porteur ; corriger une dérive
de la centrale en alimentant cette dernière avec la vitesse instantanée
déterminée ; synchroniser la centrale et le sonar au moyen d'un signal
d'horloge délivré par l'horloge qui est utilisée en tant qu'horloge
maîtresse ; une étape de K insonifications d'une zone à imager ; une
étape de K réceptions des N signaux électriques produits par chacun
des transducteurs de l'antenne physique ; une étape de mesure des
informations instantanées de position et d'orientation du porteur au
moyen de la centrale ; une étape de micronavigation consistant à
former les voies de l'antenne synthétique par corrélation entre les KxN
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signaux en considérant que le mouvement de l'antenne physique est
connu d'après les informations mesurées par la centrale inertielle.
De préférence, le procédé comporte une étape de formation
d'une image parmi une image avec des ombres et des échos et une
image bathymétrique, en utilisant les données obtenues après formation
de l'antenne synthétique lors de l'étape de micronavigation.
De préférence encore, l'étape de micronavigation étant une
première étape de micronavigation, le procédé comporte, en outre, une
seconde étape de micronavigation consistant à former les voies de
l'antenne synthétique par corrélation entre les KxN signaux sans
connaître a priori le mouvement de l'antenne physique, la seconde étape
de micronavigation permettant, entre autre, de calculer des informations
instantanées de position et d'orientation de l'antenne physique.
De préférence, la seconde étape de micronavigation met en
oeuvre une méthode d'autofocalisation.
De préférence, on détermine une vitesse instantanée du porteur
à partir des informations déterminées lors de la seconde étape de
micronavigation, la vitesse ainsi déterminée alimentant la centrale pour
en corriger la dérive.
De préférence encore, on réalise en temps réel au moins une étape
parmi les étapes de première micronavigation, de seconde
micronavigation et de formation d'une image.
L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, détails,
caractéristiques et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement au
cours de la description d'un mode de réalisation particulier de l'invention
donné uniquement à titre illustratif et non limitatif en référence aux
dessins annexés. Sur ces dessins :
¨ la Figure 1 représente schématiquement, à gauche, une antenne
physique composite et, à droite, le principe général d'une antenne
synthétique obtenue par le déplacement de l'antenne physique ;
¨ la Figure 2 représente l'architecture matérielle du système sonar
selon l'invention ;
¨ la Figure 3 représente schématiquement la position de l'antenne
physique composite à deux récurrences successives k et k+1 ;
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- la Figure 4 représente sous forme d'un schéma blocs le
fonctionnement du système sonar de la figure 2;
- la Figure 5 représente un graphique indiquant la correction de la
dérive de l'INS en fonction du temps selon la présente invention ; et,
- La Figure 6 est une
image obtenue par le système sonar selon
l'invention.
Le système sonar selon l'invention est représenté
schématiquement à la Figure 2. Le système sonar 100 comporte une
partie qui est destinée à être immergée 100a et qui est située sur le
porteur, et une partie 100b destinée à être à bord du navire de surface.
Les parties 100a et 100b du système sonar 100 communiquent entre
elles via des câbles électriques adaptés.
La partie immergée 100a comporte un sonar 110 équipé d'une
antenne 120 composée de N transducteurs fonctionnant en réception et
N' transducteurs fonctionnant en émission. Le sonar 110 comporte
l'électronique 115 adaptée pour émettre périodiquement le signal
sonore souhaité et recevoir les signaux temporels de chacun des
transducteurs fonctionnant en récepteur. Si l'électronique permet de
basculer rapidement de la fonction d'émission à la fonction de
réception, un même transducteur pourrait être utilisé pour ces deux
fonctions.
L'électronique 115 permet également une communication avec
la partie 100b du système sonar 100.
La partie 100a comporte également une centrale inertielle (INS)
160. Par exemple, la centrale inertielle 160 peut être la centrale de type
Phinsmc de l'entreprise IXSEAmc ayant une période d'échantillonnage de
10 ms. Le fonctionnement d'une centrale inertielle est bien connu et n'a
pas à être détaillé ici. La centrale 160 équipée de capteurs adaptés
mesure le mouvement du porteur et émet en sortie des informations
instantanées mesurées sur la position et l'orientation du porteur à
chaque instant. La précision sur les angles est de l'ordre de 0,01 .
Le système sonar 100 comporte également une horloge
commune 150. Par exemple, l'horloge de la société CMAXmc référencée
CFPT37 peut être utilisée. Elle délivre un signal d'horloge à 40MHz aux
différents composants du système sonar 100 de manière à ce que
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l'ensemble de l'architecture dispose d'une référence temporelle
commune. En particulier, le signal d'horloge est appliqué au sonar 110
et à la centrale 160. Ainsi, le sonar 110 et INS 160 sont synchronisés à
mieux que 25 nanosecondes, ce qui permet, comme cela sera décrit ci-
après, le traitement synchronisé des signaux d'imagerie et de
positionnement. En variante, l'horloge maîtresse pourrait être l'horloge
interne du sonar ou bien l'horloge d'un autre composant du système.
Mais il est préférable, comme cela est représenté sur la figure 2,
d'ajouter une horloge ayant une grande précision pour cadencer
l'ensemble du système.
La partie 100b du système sonar comporte un calculateur 210.
Ce calculateur peut être un ordinateur du type PC comportant une unité
de calcul ou processeur 215, des moyens de mémorisation 216, comme
des mémoires vives et des mémoires mortes, ainsi que des interfaces
d'entrée et sortie permettant la communication, d'une part, avec la
partie inférieure 100a, plus particulièrement avec le sonar 110 et l'INS
160, et, d'autre part, avec des périphériques tels qu'un moniteur 220 ou
une imprimante de manière à visualiser sous forme d'images les
informations collectées et traitées.
En fonctionnement, le porteur navigue à une altitude moyenne
par rapport au fond marin mesurée selon un axe vertical Z. Dans le plan
de visée du sonar latéral, la direction longitudinale Y correspond à la
direction de déplacement moyen du porteur et la direction X est située
dans un plan perpendiculaire à la direction Y contenant la direction Z.
En référence à la figure 3, le porteur immergé porte, sur chacun
de ses flancs, une antenne physique composite 120 constituée de N
transducteurs 121 fonctionnant en récepteurs formant un réseau
linéaire. L'axe de l'antenne 120 se confond avec l'axe longitudinal du
porteur.
En plus des N transducteurs utilisés en réception, deux
transducteurs 121 disposés à chacune des extrémités de l'antenne 120
sont utilisés en émetteurs. Dans un autre mode de réalisation, un seul
transducteur fonctionnant en émetteur peut être disposé au milieu du
réseau. Dans encore un autre mode de réalisation, trois transducteurs
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dont deux disposés à chacune des extrémités de l'antenne fonctionnent
en émetteurs.
Le principe de la formation de l'antenne synthétique va
maintenant être décrit. Sur la figure 3, l'antenne physique 120 a été
représentée d'abord à la récurrence k puis à la récurrence suivante
k-Fl . Dans le mode de réalisation illustré, l'antenne 120 comporte huit
transducteurs 121 numérotés de gauche à droite sur la figure 2 : n=1 à
n=8. Les transducteurs 121 disposés aux extrémités de l'antenne
physique (n=1 et n=8) sont utilisés en émission. Les autres
transducteurs intermédiaires (n=2 jusqu'à n=7) sont utilisés en
réception.
Entre deux récurrences successives, l'antenne physique se
déplace. On cherche donc à connaître un écart, ou mouvement de
micronavigation, par rapport à la navigation souhaitée, c'est-à-dire par
rapport à une trajectoire rectiligne et uniforme. En effet, les effets
d'inertie, de courant ou l'équivalent génèrent des fluctuations de la
position du porteur par rapport à cette trajectoire souhaitée.
Le mouvement de l'antenne, qui est un solide, entre deux
instants successifs est donc déterminé par la variation de la position du
centre géométrique de l'antenne (trois paramètres de position) et de
l'orientation de l'antenne autour de ce centre géométrique (trois
paramètres angulaires).
Si le porteur se déplaçait effectivement selon la trajectoire
souhaitée, à une vitesse maximum de L/2, où L est la longueur de
l'antenne physique, il y aurait une très grande corrélation entre les
signaux obtenus sur les transducteurs de la seconde moitié de
l'antenne physique 120b à la récurrence k et les transducteurs de la
première moitié de l'antenne physique 120a à la récurrence k+1.
On en conclut qu'à contrario, si entre les récurrences k et k+1,
l'antenne physique subit un micromouvement, les retards
supplémentaires à introduire lors de la formation des voies de l'antenne
synthétique, retards permettant d'obtenir le maximum de corrélation
entre les transducteurs de la seconde moitié de l'antenne à la
récurrence k et ceux de la première moitié de l'antenne à la récurrence
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k+1, contiennent une information sur l'écart au mouvement idéal de
l'antenne.
Mais les déphasages supplémentaires à introduire proviennent
de deux contributions différentes :
un retard pour corréler deux transducteurs, l'antenne ayant
subit un micromouvement ;
un retard du au fait que la source M est observée sous un autre
angle entre les récurrences k et k-F1.
En se référant à la figure 4, deux techniques sont mises en
oeuvre dans l'invention pour évaluer et séparer ces contributions.
La première méthode mise en oeuvre, que l'on appellera dans
ce qui suit première méthode de micronavigation 310, consiste à utiliser
les informations instantanées de position et d'orientation mesurées par
la centrale inertielle 160 pour déterminer entièrement le mouvement de
l'antenne 120 entre une récurrence k et la récurrence suivante k+1.
Une fois que le mouvement de l'antenne 120 est connu, la
synthèse de l'antenne peut avoir lieu sur les K dernières récurrences.
Et la synthèse, par exemple cohérente, des KxN signaux
provenant des différents transducteurs permet la formation d'image du
type ombres et échos du fond marin.
De plus, les retards additionnels introduits lors de la formation
des voies pour retrouver le maximum de cohérence entre les différents
signaux sont interprétés comme intégralement dus à l'observation de la
source M sous différents angles. Ceci permet principalement de
déterminer la position verticale de la source M, ce qui correspond à une
information bathymétrique ou topographique du fond marin.
Selon une seconde méthode, appelée seconde méthode de
micronavigation 320, des méthodes de traitement du signal sont mises
en oeuvre pour séparer les contributions dues à la source et celles dues
au mouvement de l'antenne. Par exemple, la méthode
d'autofocalisation décrite dans le brevet US-4244036 peut être utilisée.
Elle peut éventuellement être améliorée en utilisant la méthode décrite
dans le brevet FR-2738918 par laquelle les centres de phase de
l'antenne physique sont déplacés le long de l'antenne entre deux
récurrences successives pour augmenter la corrélation entre ces
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centres de phase. Par la seconde méthode de micronavigation 320, on
peut donc calculer des informations instantanées de position et
d'orientation de l'antenne.
A la Figure 4, on a représenté sous forme d'un schéma blocs le
5 fonctionnement du système sonar 100. Périodiquement l'horloge 150
délivre un signal d'horloge au sonar 110 et à la centrale 160, de sorte
que ces deux sous-systèmes sont totalement synchronisés. A chaque
récurrence k, le sonar délivre N signaux temporels Sn,k. Simultanément
la centrale 160 délivre des mesures de la position instantanée xyz(t) et
10 de l'orientation instantanée 8(py(t).
Un algorithme de première micronavigation 310 mis en oeuvre
sous la forme d'un logiciel dont les instructions sont stockées dans les
moyens de mémorisation 216 de l'ordinateur 210 est alors exécuté par
le processeur 215. Cet algorithme, en utilisant les données de position
mesurées et les signaux Sn,k sur une profondeur de K récurrences
synthétise, en temps réel, l'antenne du sonar.
De plus, un algorithme de formation d'image du type ombres et
échos 330 utilise les informations obtenues lors de la synthèse de
l'antenne lors de la première micronavigation 310 pour générer, en
temps réel, une image du type ombre écho sur l'écran 220.
De plus, un algorithme de formation d'image bathymétrique 340
utilise les informations obtenues lors de la synthèse de l'antenne lors de
la première micronavigation 310 pour générer, en temps réel, une
image bathymétrique du fond marin.
Si la synthèse de l'antenne en temps réel ne présente pas de
problème particulier au sens où le nombre d'opérations de calcul est
réduit compte tenu de la fréquence de travail des processeurs des
ordinateurs particuliers actuels et du temps disponible entre deux
récurrences de fonctionnement du sonar, la possibilité de former des
images en temps réel est plus délicate. Pour cela la méthode connue
de fast factorised back projection (référence est par exemple faite
au travail intitulé études des sonars à antenne synthétique à haute
résolution -"Studies in High Resolution Synthetic Aperture Sonar" - par S.
BANKS de university college London , 2002) a été fortement
parallélisée pour générer un algorithme apte à être exécuté par un
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ordinateur possédant plusieurs processeurs fonctionnant en parallèle. Il
est donc possible d'afficher à l'écran une image correspondant à une
fenêtre glissante d'observation du fond marin de lm par 600m à chaque
récurrence, typiquement de 400ms.
Un algorithme de seconde micronavigation 320 est également
mis en oeuvre sous la forme d'un logiciel. Soit cet algorithme de
seconde micronavigation est exécuté sur le même ordinateur 210 que
l'algorithme de première micronavigation 310, soit ce second algorithme
est mise en oeuvre sur un autre ordinateur ou l'équivalent.
La méthode de seconde micronavigation 320 prend en entrée
les signaux Sn,k sur une profondeur de K récurrences pour déterminer à
la fois les contributions provenant du mouvement de l'antenne et les
contributions provenant de l'observation d'un point du fond marin sous
un angle variant au cours du temps. La méthode de seconde
micronavigation 320 permet de générer des informations instantanées
de déplacement et d'orientation de l'antenne physique.
Dans le mode de réalisation actuellement préféré de l'invention,
les positions calculées par la seconde micronavigation 320 sont
stockées dans un journal de bord loch 350 qui est utilisé pour corriger la
dérive de la centrale inertielle 160.
En effet, pour atteindre une précision suffisante pour que les
informations mesurées par la centrale inertielle 160 soient utilisables
dans le procédé d'imagerie, il est non seulement important que la
centrale et le sonar soient synchronisés, mais également que la dérive
de la centrale inertielle 160 soit corrigée. Comme représenté à la Figure
5, la centrale inertielle ne possédant pas de point de repère fixe, la
dérive, qui correspond à la différence entre la position mesurée par la
centrale inertielle et la position réelle, varie en fonction du mouvement
même de la centrale. Il est donc nécessaire d'alimenter la centrale avec
une information de vitesse.
Dans le mode de réalisation préférée du système selon
l'invention, cette vitesse est déterminée à partir des informations
obtenues en sortie de la méthode de seconde micronavigation 320. La
valeur instantanée de la vitesse déterminée permet de corriger la dérive
représentée en trait plein sur la Figure 5.
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Grâce à cette correction, la dérive est ramenée à un profil
linéaire, représenté en traits interrompus sur la figure 5. Ce
comportement linéaire de la dérive de la centrale 160 n'affecte pas la
mise en oeuvre de la méthode de première navigation, puisque
5 l'influence de
cette dérive linéaire est négligeable sur la qualité de
l'image et très réduite sur le géoréférencement de cette image.
Enfin, la figure 6 représente une image obtenue au moyen du
système sonar selon l'invention. Il s'agit d'images sonar représentées
de manière classique en niveaux de gris. Elles ont été obtenues en
utilisant une antenne physique de longueur L égale à 2 m, composée
de 24 transducteurs en réception et de trois transducteurs en émission.
La fréquence de travail f est de l'ordre de 100 kHz environ, soit une
longueur d'onde A de 1,5cm. L'antenne est synthétisée sur les K=15
dernières récurrences avec une vitesse de déplacement inférieure à
15 une vitesse maximum
de déplacement linéaire du porteur de Vmax = 5
noeuds.
La précision des images obtenues en utilisant le système sonar
selon l'invention, qui autorise une connaissance de la position grâce à
l'INS à environ X.18 (à une dérive linéaire près), est de l'ordre de 15cm
20 pour une portée R de 300m.
Dans un autre mode de réalisation, au lieu d'ajouter une
horloge pour synchroniser les fonctionnements de la centrale et du
sonar, l'horloge de l'un de ces deux éléments peut être utilisée pour
délivrer un signal temporel d'horloge à l'autre de ces deux éléments.
25 Bien que
l'invention ait été décrite en référence à un mode de
réalisation particulier, elle n'est nullement limitée à ce mode de
réalisation. Elle comprend tous les équivalents techniques des moyens
décrits ainsi que leurs combinaisons qui entrent dans le cadre de
l'invention.
30 Ainsi, dans un mode
de réalisation simplifié, le système
comporte un capteur de vitesse 170 (en traits interrompus sur la Figure
2) alimentant la centrale pour en corriger la dérive. Un tel capteur peut
être un capteur Doppler, un capteur électromagnétique ou l'équivalent.
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Eventuellement, un tel capteur de vitesse peut équiper le
système sonar selon le mode de réalisation préféré décrit ci-dessus pour
disposer d'une information redondante sur la vitesse du porteur.
