EP2021826A1 - Systeme d'imagerie sonar a ouverture synthetique - Google Patents

Systeme d'imagerie sonar a ouverture synthetique

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EP2021826A1
EP2021826A1 EP07766049A EP07766049A EP2021826A1 EP 2021826 A1 EP2021826 A1 EP 2021826A1 EP 07766049 A EP07766049 A EP 07766049A EP 07766049 A EP07766049 A EP 07766049A EP 2021826 A1 EP2021826 A1 EP 2021826A1
Authority
EP
European Patent Office
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micronavigation
sonar
antenna
carrier
instantaneous
Prior art date
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Ceased
Application number
EP07766049A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Frédéric Jean
Didier Charlot
Fabien Napolitano
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
iXBlue SAS
Original Assignee
Ixsea SAS
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Filing date
Publication date
Application filed by Ixsea SAS filed Critical Ixsea SAS
Publication of EP2021826A1 publication Critical patent/EP2021826A1/fr
Ceased legal-status Critical Current

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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S15/00—Systems using the reflection or reradiation of acoustic waves, e.g. sonar systems
    • G01S15/88—Sonar systems specially adapted for specific applications
    • G01S15/89—Sonar systems specially adapted for specific applications for mapping or imaging
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/52—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S15/00
    • G01S7/52004—Means for monitoring or calibrating
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S15/00—Systems using the reflection or reradiation of acoustic waves, e.g. sonar systems
    • G01S15/88—Sonar systems specially adapted for specific applications
    • G01S15/89—Sonar systems specially adapted for specific applications for mapping or imaging
    • G01S15/8902—Side-looking sonar
    • G01S15/8904—Side-looking sonar using synthetic aperture techniques
    • G—PHYSICS
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    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
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    • G01S7/52—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S15/00
    • G01S7/521—Constructional features

Definitions

  • the invention relates to synthetic antenna sonar systems and their operation.
  • the resolution of a conventional sonar depends, at a given range, on the length of the antenna. Thus, at first the linear dimension of the antenna has been increased to improve sonar resolution.
  • a sonar is for example used as lateral sonar.
  • the composite antenna is then located on one of the flanks of the fish or carrier that is immersed in order to make an image of the seabed.
  • the carrier can be autonomous, but preferably it is towed by a surface vessel.
  • the carrier is moved along a longitudinal direction Y substantially parallel to the linear direction of the antenna.
  • the lateral sonar therefore has an observation direction perpendicular to the Y direction.
  • the principle of the synthetic antenna consists in using the signals received by the different transducers of the physical antenna operating as a receiver at K instants, and thus at K successive locations. As this is schematically represented on the
  • a suitable signal processing allows to reconstruct, step by step, an antenna whose linear dimension can be important.
  • the resolution obtained by means of a synthetic antenna corresponds to that of a conventional antenna whose length would be similar to the length traveled during the K different successive recurrences necessary for the acquisition of data.
  • the K x N signals delivered by the N transducers are linearly combined during K successive recurrences.
  • Recurrence corresponds to a time interval starting with the emission of a sound signal during a short transmission time, followed by the reception of the corresponding echo.
  • the linear coefficients of this combination correspond to delays or phase shifts due on the one hand, to the different locations of the sensors along the antenna and, on the other hand, to the modification of the relative position of the antenna with respect to the object to be detected, ie the source of the echo.
  • the document FR-2769372 is based on the observation that the precision required on the measurement of the position of the antenna is out of reach of an inertial unit (INS) because the error on the measurement of the spatial position of the building it team is too important.
  • INS inertial unit
  • the document FR-2769372 indicates that self-focusing methods have been developed which make it possible, among other things, to obtain the position of the antenna from the processing of the different measurement signals. It is found that, in the particular self-focusing method described in US Pat. No. 4,244,036, the accuracy of the angle of rotation of the antenna between two recurrences constitutes the factor limiting the precision of the method.
  • document FR-2769372 proposes to correct the effects due to angular variations of the antenna by using a gyrometer and by measuring the elevation angle of the signal of the antenna. receiving by means of an auxiliary antenna perpendicular to the main composite antenna.
  • the object of the invention is therefore to propose another synthetic antenna sonar system making it possible to obtain an improved resolution by using a synthetic antenna.
  • the subject of the invention is a synthetic antenna sonar system comprising: a sonar provided with transmission means and receiving means, the receiving means comprising a composite physical antenna having N transducers, the sonar being located on a carrier fit to be moved; an inertial unit disposed on the carrier adapted to measure instantaneous information of position and orientation of the wearer; and, a clock.
  • the sonar system according to the invention is characterized in that the clock is a common clock delivering a time signal allowing the synchronization of both the inertial unit and the sonar, and in that the sonar system also comprises: a means of determination of the instantaneous speed of the carrier, the determined speed supplying the inertial unit to correct the drift of the latter; and, micronavigation means making it possible to obtain an image of the seabed by forming the channels of the synthetic antenna from K operating recurrences of the sonar by considering that the movement of the physical antenna during the movement of the carrier is fully known from the information measured by the inertial unit.
  • the micronavigation means also make it possible to obtain bathymetry information from the seabed.
  • the micronavigation means being first micronavigation means
  • the sonar system further comprises second micronavigation means for calculating instantaneous information of movement and orientation of the physical antenna.
  • the second micronavigation means use an autofocusing method for calculating the instantaneous position and orientation information of the physical antenna.
  • the second micronavigation means are used as means for determining the instantaneous speed of the carrier, the determined speed supplying the inertial unit being deduced from the information calculated by the second micronavigation means.
  • the means for determining the speed consist of a log, for example Doppler, capable of delivering an instantaneous speed measured as a determined speed.
  • the micronavigation means operate in real time.
  • the physical antenna having a length of 2m and consisting of N transducers operating in reception, the transmission means generating a sound signal having a frequency around 10OkHz, the sonar makes it possible to obtain an image having a resolution of about 15cm at a range of 300m.
  • the subject of the invention is also a carrier intended to be displaced in its longitudinal direction and comprising, on each of its flanks, a sonar system according to the invention.
  • the invention also relates to a method of forming a synthetic antenna by using a sonar system comprising a composite physical antenna having N transducers, the sonar being located on a carrier capable of being displaced in a direction of displacement; an inertial unit disposed on said carrier; and, a clock.
  • the method according to the invention is characterized in that it consists in: determining an instantaneous speed of the wearer; correct a drift of the power station by feeding it with the instantaneous speed determined; synchronizing the central unit and the sonar by means of a clock signal delivered by the clock which is used as the master clock; a step of K insonifications of an area to be imaged; a step of K receiving the N electrical signals produced by each of the transducers of the physical antenna; a step of measuring the instantaneous information of position and orientation of the wearer by means of the central unit; a micronavigation step consisting of forming the synthetic antenna channels by correlation between the KxNs signals considering that the movement of the physical antenna is known from the information measured by the inertial unit.
  • the method comprises a step of forming an image from an image with shadows and echoes and a bathymetric image, using the data obtained after formation of the synthetic antenna during the micronavigation step.
  • the method further comprises a second micronavigation step consisting of forming the synthetic antenna channels by correlation between the KxN signals without knowing a priori the movement the physical antenna, the second micronavigation step allowing, among other things, to calculate instantaneous information of position and orientation of the physical antenna.
  • the second micronavigation step implements a self-focusing method.
  • an instantaneous speed of the carrier is determined from the information determined during the second micronavigation step, the speed thus determined feeding the central unit to correct the drift. More preferably, at least one of the steps of first micronavigation, second micronavigation and image formation is carried out in real time.
  • FIG. 1 shows schematically, on the left, a composite physical antenna and, on the right, the general principle of a synthetic antenna obtained by the displacement of the physical antenna;
  • Figure 2 shows the hardware architecture of the sonar system according to the invention;
  • Figure 3 shows schematically the position of the composite physical antenna with two successive recurrences k and k + 1;
  • Figure 4 shows in block diagram form the operation of the sonar system of Figure 2;
  • Figure 5 is a graph showing the correction of TINS drift versus time according to the present invention;
  • - Figure 6 is an image obtained by the sonar system according to the invention.
  • the sonar system according to the invention is shown diagrammatically in FIG. 2.
  • the sonar system 100 comprises a part which is intended to be immersed 100a and which is situated on the carrier, and a part 100b intended to be on board the surface vessel .
  • the portions 100a and 100b of the sonar system 100 communicate with each other via suitable electrical cables.
  • the submerged portion 100a comprises a sonar 110 equipped with an antenna 120 composed of N transducers operating in reception and N 'transducers operating in transmission.
  • the sonar 110 comprises the electronics 115 adapted to periodically transmit the desired sound signal and receive the time signals of each of the transducers operating as a receiver. If the electronics allow to quickly switch from the transmission function to the reception function, the same transducer could be used for these two functions.
  • the electronics 115 also allows communication with the portion 100b of the sonar system 100.
  • Part 100a also includes an inertial unit (INS) 160.
  • INS inertial unit
  • the inertial unit 160 may be the central type
  • the operation of an inertial unit is well known and does not have to be detailed here.
  • the central unit 160 equipped with suitable sensors measures the movement of the wearer and outputs instantaneous information measured on the position and orientation of the wearer at each moment.
  • the precision on the angles is of the order of 0.01 °.
  • the sonar system 100 also includes a common clock 150.
  • a common clock 150 For example, the clock of the company CMAX referenced
  • CFPT37 can be used. It delivers a 40 MHz clock signal to the various components of the sonar system 100 so that the whole architecture has a common temporal reference.
  • the clock signal is applied to the sonar 110 and to the central unit 160.
  • the sonar 110 and INS 160 are synchronized to better than 25 nanoseconds, which allows, as will be described hereinafter, the synchronized processing imaging and positioning signals.
  • the master clock could be the internal clock of the sonar or the clock of another component of the system. But it is preferable, as shown in Figure 2, to add a clock with high accuracy to clock the entire system.
  • Part 100b of the sonar system comprises a computer 210.
  • This computer may be a computer of the PC type comprising a computing unit or processor 215, storage means 216, such as RAMs and ROMs, as well as computer interfaces. input and output allowing communication, on the one hand, with the lower part 100a, more particularly with the sonar 110 and TINS 160, and, on the other hand, with peripherals such as a monitor 220 or a printer so as to visualize as images the information collected and processed.
  • the carrier navigates at an average altitude relative to the seabed measured along a vertical axis Z.
  • the longitudinal direction Y corresponds to the mean direction of movement of the carrier and the direction X is located in a plane perpendicular to the direction Y containing the direction Z.
  • the immersed carrier carries, on each of its flanks, a composite physical antenna 120 consisting of N transducers 121 operating as receivers forming a linear array.
  • the axis of the antenna 120 merges with the longitudinal axis of the carrier.
  • two transducers 122 disposed at each end of the antenna 120 are used as transmitters.
  • a single transducer operating as an emitter may be disposed in the middle of the network.
  • three transducers two of which are arranged at each end of the antenna and operate as emitters.
  • the physical antenna 120 has been represented firstly at recurrence k and then at the next recurrence k + 1.
  • the physical antenna moves. It is therefore sought to know a deviation, or micronavigation movement, with respect to the desired navigation, that is to say with respect to a rectilinear and uniform trajectory. Indeed, the effects of inertia, current or the equivalent generate fluctuations in the position of the carrier with respect to this desired trajectory.
  • the movement of the antenna, which is a solid, between two successive instants is thus determined by the variation of the position of the geometrical center of the antenna (three position parameters) and the orientation of the antenna around this antenna. geometric center (three angular parameters).
  • phase shifts to be introduced come from two different contributions: a delay to correlate two transducers, the antenna having undergone a micromotion; a delay due to the fact that the source M is observed at another angle between the recurrences k and k + 1.
  • the first method implemented which will be called in the following first method of micronavigation 310, is to use the instantaneous position and orientation information measured by the inertial unit 160 to fully determine the movement of the antenna 120 between a recurrence k and the next recurrence k + 1.
  • the synthesis of the antenna can take place on the K last recurrences.
  • the additional delays introduced during the formation of the channels to find the maximum coherence between the different signals are interpreted as integrally due to the observation of the source M from different angles. This mainly makes it possible to determine the vertical position of the source M, which corresponds to a bathymetric or topographic information of the seabed.
  • the second micronavigation method 320 signal processing methods are implemented to separate the contributions due to the source and those due to the movement of the antenna.
  • the autofocusing method described in US-4244036 can be used.
  • the operation of the sonar system 100 is represented in the form of a block diagram.
  • the clock 150 delivers a clock signal to the sonar 110 and to the central unit 160, so that these two subsystems are fully synchronized.
  • the sonar delivers N time signals S n , k- Simultaneously the central unit 160 delivers measurements of the instantaneous position xyz (t) and the instantaneous orientation ⁇ (t).
  • a first micronavigation algorithm 310 implemented in the form of software whose instructions are stored in the storage means 216 of the computer 206 is then executed by the processor 215. This algorithm, using the measured position data and the signals S n , k on a depth of K recurrences synthesizes, in real time, the antenna of the sonar.
  • a shadows and echoes image forming algorithm 330 uses the information obtained during the synthesis of the antenna during the first micronavigation 310 to generate, in real time, an image of the echo shadow type on the 220 screen.
  • a bathymetric image forming algorithm 340 uses the information obtained during the synthesis of the antenna during the first micronavigation 310 to generate, in real time, a bathymetric image of the seabed. If the synthesis of the antenna in real time does not present any particular problem in the sense that the number of calculation operations is reduced taking into account the working frequency of the processors of the current private computers and the time available between two recurrences of operation Sonar, the ability to form images in real time is more delicate. For that, the known method of "fast factorised back projection" (reference is for example made to the work entitled “studies of sonars with high resolution synthetic antenna -" Studies in High Resolution Synthetic Aperture Sonar "- by S.
  • a second micronavigation algorithm 320 is also implemented in the form of software. Either this second micronavigation algorithm is executed on the same computer 210 as the first micronavigation algorithm 310, or this second algorithm is implemented on another computer or the equivalent.
  • the second micronavigation method 320 takes as input the signals S n , k over a depth of K recurrences to determine both the contributions from the movement of the antenna and the contributions from the observation of a point of the seabed at a different angle over time.
  • the second micronavigation method 320 makes it possible to generate instantaneous information of movement and orientation of the physical antenna.
  • the positions calculated by the second micronavigation 320 are stored in a Logbook 350 which is used to correct the drift of the inertial unit 160.
  • the inertial unit 160 has no fixed reference point, the drift, which corresponds to the difference between the position measured by the inertial unit and the actual position, varies depending on the movement of the plant itself. It is therefore necessary to feed the plant with speed information.
  • this speed is determined from the information obtained at the output of the second micronavigation method 320.
  • the instantaneous value of the determined speed makes it possible to correct the drift represented in full lines on the Figure 5 With this correction, the drift is reduced to a linear profile, shown in broken lines in FIG. 5.
  • This linear behavior of the drift of the central unit 160 does not affect the implementation of the method of first navigation, since the The influence of this linear drift is negligible on the quality of the image and very small on the georeferencing of this image.
  • FIG. 6 represents an image obtained by means of the sonar system according to the invention.
  • These are sonar images represented in a classical way in grayscale. They were obtained using a physical antenna of length L equal to 2 m, composed of 24 receiving transducers and three transmitting transducers.
  • the working frequency f is of the order of about 100 kHz, a wavelength ⁇ of 1.5cm.
  • the accuracy of the images obtained using the sonar system according to the invention is of the order of 15 cm for a range R of 300m.
  • the clock of one of these two elements can be used to deliver a clock signal to the clock. other of these two elements.
  • the system comprises a speed sensor 170 (in phantom in Figure 3) feeding the plant to correct the drift.
  • a speed sensor may be a Doppler sensor, an electromagnetic sensor or the equivalent.
  • such a speed sensor can equip the sonar system according to the preferred embodiment described above to have redundant information on the speed of the carrier.

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Abstract

Système sonar à antenne synthétique comportant : un sonar muni de moyens d'émission et de moyens de réception, lesdits moyens de réception comportant une antenne physique composite ayant N transducteurs, ledit sonar étant situé sur un porteur apte à être déplacé; une centrale inertielle disposée sur ledit porteur apte à mesurer des informations instantanées de position et d'orientation dudit porteur; une horloge commune délivrant un signal temporel permettant la synchronisation à la fois de la centrale inertielle et du sonar; un moyen de détermination de la vitesse instantanée dudit porteur, la vitesse déterminée alimentant ladite 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 ladite 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 ladite centrale inertielle.

Description

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 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 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. 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 10OkHz, 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 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 œuvre 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 ; 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 TINS 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
« Phins » de l'entreprise IXSEA 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 CMAX 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 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 TINS 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 122 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 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+1. 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 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+1.
En se référant à la figure 4, deux techniques sont mises en œuvre dans l'invention pour évaluer et séparer ces contributions.
La première méthode mise en œuvre, 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 œuvre 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 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 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 de l'orientation instantanée θφψ(t).
Un algorithme de première micronavigation 310 mis en œuvre sous la forme d'un logiciel dont les instructions sont stockées dans les moyens de mémorisation 216 de l'ordinateur 206 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 collège London », 2002) a été fortement parallélisée pour générer un algorithme apte à être exécuté par un 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 1 m par 600m à chaque récurrence, typiquement de 400ms. Un algorithme de seconde micronavigation 320 est également mis en œuvre 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 œuvre 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. 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 œuvre de la méthode de première navigation, puisque 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 λ de 1 ,5cm. L'antenne est synthétisée sur les K=15 dernières récurrences avec une vitesse de déplacement inférieure à une vitesse maximum de déplacement linéaire du porteur de Vmax = 5 nœuds.
La précision des images obtenues en utilisant le système sonar selon l'invention, qui autorise une connaissance de la position grâce à TINS à environ λ/8 (à une dérive linéaire près), est de l'ordre de 15cm 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. 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. Ainsi, dans un mode de réalisation simplifié, le système comporte un capteur de vitesse 170 (en traits interrompus sur la Figure 3) alimentant la centrale pour en corriger la dérive. Un tel capteur peut être un capteur Doppler, un capteur électromagnétique ou l'équivalent. 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.

Claims

REVENDICATIONS
1. Système sonar à antenne synthétique comportant : un sonar (110) muni de moyens d'émission et de moyens de réception, lesdits moyens de réception comportant une antenne physique (120) composite ayant N transducteurs (121 ), ledit sonar étant situé sur un porteur apte à être déplacé ; une centrale inertielle (160) disposée sur ledit porteur apte à mesurer des informations instantanées de position et d'orientation dudit porteur ; et, une horloge (150), caractérisé en ce que ladite 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 ledit système sonar comporte également : - un moyen de détermination de la vitesse instantanée dudit porteur (350), la vitesse déterminée alimentant ladite centrale inertielle pour corriger la dérive de cette dernière ; et, des moyens de micronavigation (310) permettant d'obtenir une image du fond marin par formation des voies de ladite 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 ladite centrale inertielle.
2. Système sonar selon la revendication 1 , caractérisé en ce que lesdits moyens de micronavigation (310) permettent également d'obtenir une information de bathymétrie du fond marin.
3. Système sonar selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que, lesdits moyens de micronavigation étant des premiers moyens de micronavigation (310), ledit système sonar comporte, en outre, des seconds moyens de micronavigation (320) permettant de calculer des informations instantanées de déplacement et d'orientation de l'antenne physique (120).
4. Système sonar selon la revendication 3, caractérisé en ce que lesdits seconds moyens de micronavigation (320) utilisent une méthode d'autofocalisation pour le calcul des informations instantanées de position et d'orientation de l'antenne physique (120).
5. Système selon la revendication 3 ou la revendication 4, caractérisé en ce que lesdits seconds moyens de micronavigation (320) sont utilisés en tant que moyen de détermination de la vitesse instantanée dudit porteur, la vitesse déterminée alimentant ladite centrale inertielle (160) étant déduite des informations calculées par les seconds moyens de micronavigation.
6. Système sonar selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que lesdits moyens de détermination de la vitesse sont constitués par un loch Doppler (350) apte à délivrer une vitesse instantanée mesurée en tant que vitesse déterminée.
7. Système selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que lesdits moyens de micronavigation (310 ; 320) fonctionnent en temps réel.
8. Système sonar selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'antenne physique (120) ayant une longueur de 2m et étant constituée de N transducteurs (121 ) fonctionnant en réception, que lesdits moyens d'émission générant un signal sonore ayant une fréquence autour de 10OkHz, ledit sonar (110) permet d'obtenir une image ayant une résolution de l'ordre de 15cm à une portée de 300m.
9. Porteur destiné à être déplacé selon sa direction longitudinale comportant, sur chacun de ses flancs, un système sonar, caractérisé en ce que chacun desdits systèmes sonars latéraux est un sonar selon l'une quelconque des revendications 1 à 8.
10. Procédé de formation d'une antenne synthétique en utilisant un système sonar comportant : une antenne (120) physique composite ayant N transducteurs (121 ), ledit (110) sonar étant situé sur un porteur apte à être déplacé dans une direction de déplacement ; une centrale inertielle (160) disposée sur ledit porteur ; et, une horloge (150), caractérisé en ce que ledit procédé consiste à : déterminer une vitesse instantanée dudit porteur ; corriger une dérive de ladite centrale en alimentant cette dernière avec ladite vitesse instantanée déterminée ; synchroniser ladite centrale et ledit sonar au moyen d'un signal d'horloge délivré par ladite 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 ladite antenne physique ; une étape de mesure des informations instantanées de position et d'orientation dudit porteur au moyen de ladite centrale ; une étape de micronavigation consistant à former les voies de ladite antenne synthétique par corrélation entre les KxN signaux en considérant que le mouvement de l'antenne physique est connu d'après les informations mesurées par ladite centrale inertielle.
11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'il comporte, en outre, 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.
12. Procédé selon la revendication 10 ou la revendication 11 , caractérisé en ce que, ladite 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 ladite antenne synthétique par corrélation entre les KxN signaux sans connaître a priori le mouvement de l'antenne physique (120), ladite seconde étape de micronavigation permettant, entre autre, de calculer des informations instantanées de position et d'orientation de l'antenne physique.
13. Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce que ladite seconde étape de micronavigation met en œuvre une méthode d'autofocalisation.
14. Procédé selon la revendication 12 ou la revendication 13, caractérisé en ce que l'on détermine une vitesse instantanée dudit porteur à partir des informations déterminées lors de ladite seconde étape de micronavigation, la vitesse ainsi déterminée alimentant ladite centrale (160) pour en corriger la dérive.
15. Procédé selon l'une des revendications 10 à 14, caractérisé en ce que l'on réalise en temps réel au moins une étape parmi les étapes de première micronavigation, de seconde micronavigation et de formation d'une image.
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