FR2886413A1 - Procede et dispositif de detection de canalisations enterrees - Google Patents

Abstract

La présente invention concerne un procédé et un dispositif de détection de canalisations enterrées.Le procédé comporte :- une phase d'émission d'une onde en direction du sol (2) dans une bande de fréquences donnée (DeltaF) tout en faisant tourner sa polarisation- une phase d'intégration des signaux reçus dans la bande de fréquences (DeltaF) par transformée de Fourrier rapide (FFT) ;la détection d'un tronçon (1) étant signalée par une dissymétrie de puissance dans le spectre de fréquences obtenues en sortie de transformée de Fourrier rapide.Elle s'applique notamment pour la détection de canalisations de faibles diamètres enterrées.

Description

Procédé et dispositif de détection de canalisations enterrées

La présente invention concerne un procédé et un dispositif de détection de canalisations enterrées. Elle s'applique notamment pour la détection de canalisations de cibles diamètres enterrées.

La détection ries canalisations enterrées dans le so est une tâche très compliquée et arx conséquences importantes. Les r ombreux travaux de terrassement effectués dans les espaces à forte densité de population où même de moindre densité sont rendus difficiles en raison des canalisations présentes dans le sol. Ces dernières sont souvent mal repérées à cause notamment de cadastres aux informations approximatives ou non mises à jour. Les canalisations qui sont de faibles diamètres et généralement en matière plastiques sont difficiles à détecter dans le sol, en particulier dans la terre humide que l'on rencontre dans les situations operationnelles les plus fréquentes. En particulier les moyens de détections électromagnétiques connus sont peu performants. Ces moyens émettent une onde dont une partie se réfléchit sur le sol et une autre partie se réfléchit sur des objets enterrés, par exemple des canalisations. Cependant les pertes de signal dans le sol sont très importantes, les pertes étant encore amplifiées en présence de sols numides. Il en résulte généralement que le niveau de signal réfléchi par des cibles enterrées est nettement inférieur aux lobes secondaires temporels générés par l'interface que constitue la surface du sol.

Pour résumer, la détection d'objets externes par des moyens radar est très perturbée par la -résence du sol. La forte réflexion de l'onde incidente issue du radar est d'une intensité de plusieurs ordres de grandeur du signal que l'on veut détecter. Pour minimiser cet effet de masque, les radars émettent des impulsions de courtes durées pour séparer spatialement les différentes contributions. Ces précautions s'avèrent cependant insuffisantes compte tenu de l'atténuation de l'onde dans les milieux souvent humides, du fait des pertes intrinsèques mais également des lobes secondai"es de la réflexion sur le sol évoqués précédemment. La détection des canalisations est donc très aléatoire, non fiable voire impossible dans certains cas.

Une conséquence directe est une augmentation du coût des travaux de terrassement. Ce surcoût étant notamment dû à la recherche compliquée et aléatoire des canalisations mais ce surcoût est également dû aux réparations des canalisations qui sont inévitablement détériorées pendant les travaux.

Un but de l'invention est de permettre une détection simple et fiable de canalisations enterrées. A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de détection d'un tronçon cylindrique enfoui dans milieu laissant passer les ondes hyperfréquence, caractérisé en ce qu'il comporte: - une phase d'émission d'une onde en direction du milieu dans une bande de fréquences donnée AF tout en faisant tourner sa 1 o polarisation; - une phase d'intégration des signaux reçus dans la bande de fréquences AF par transformée de Fourrier rapide (FFT) ; la détection d'un tronçon étant signalée par une dissymétrie de puissance dans le spectre de fréquences obtenues en sortie de transformée de Fourrier 15 rapide.

La polarisation de l'onde émise tourne à une fréquence donnée fm, un tronçon étant notamment détecté par une raie de puissance à cette fréquence fm.

La fréquence émise varie par exemple selon un pas Af à l'intérieur de la bande de fréquence AF, les signaux reçus étant échantillonnés pour chaque fréquence.

Le milieu où est enfoui le tronçon peut être avantageusement le sol. Le tronçon est par exemple un tronçon d'une canalisation. La succession des tronçons formant le réseau de canalisation peut alors être détectée par une méthode de pistage.

L'invention a également pour objet un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé de détection tel que précédemment décrit. A cet effet, le dispositif comporte notamment: une antenne sinueuse, cette antenne comportant des plots générant deux composantes de polarisations orthogonales un commutateur commandant les phases des deux composantes orthogonales de façon à créer une rotation de polarisation de l'onde émise par antenne.

D'autres caracter stiques et avantages de l'invention apparaîtront à l'aide de la description qui suit faite en regard de dessins annexés qui représentent: - la figure 1 une opération de détection d'une canalisation enterrée; - la figure 2, les trajets des signaux utiles et des signaux réfléchis dans 10 une méthode de détection classique; - la figure 3 une illustration du niveau de clutter occasionné par la réflexion du signal de détection sur la surface du sol; - la figure 4 une illustration du principe de détection selon l'invention; - la figure 5 une illustration de la mise en oeuvre du procédé selon l'invention pour la détection d'un tronçon de canalisation enfoui dans un terrain; - la figure 6, le signal de détection obtenu en appliquant le procédé selon l'invention; - la figure 7, une illustration de la bande de fréquence d'émission 20 utilisée: - la figure 8. un exemple de réalisation d'un dispositif pour la mise en oeuvre du rrocédé selon l'invention.

La figure 1 présente une canalisation 1 enterrée dans le sol 2. Cette canalisation de forme cylindrique, par exemple en matière plastique, a un diamètre de quelques centimètres. Elle est par exemple enterrée à une profondeur p de l'ordre d'un mètre. Des moyens de détection électromagnétiques classiques, symbolisés par leur antenne 3, sont situés au-dessus de la canalisation 1. Ces moyens de détection émettent une onde électromagnétique dans une bande de fréquence AF. L'onde est transmise dans le sol puis, en cas de détection se réfléchit sur un tronçon de canalisation. La résolution pour la détection est sensiblement égale à 1/AF. A titre d'exemple, si AF est égale à 1GHz la résolution est de l'ordre de 15 cm dans l'air et de 7 cm dans le sol 2. Cependant la détection ne se réalise pas de façon aussi 'dèale en raison d'une part de la réflexion de l'onde émise sur l'interface constituée par la surface 4 du sol et d'autre part en raison des pertes produites dans le sol 2, si bien que dans la plupart des cas la détection n'est pas possible selon les méthodes classiques.

La figure 2 illustre le sort d'une onde émise par le dispositif de détection 3 en montrant sa réflexion sur le sol 4 et sa transmission à l'intérieur du sol. Une première partie 2" de l'onde émise est donc réfléchie par la surface 4 du sol. Une deuxième partie 22 traverse la surface du sol pour être réfléchie par la canalisation 1 qui est vue en coupe sur la figure 2. La détection de la canalisation est empêchée par la conjugaison de deux phénomènes.

D'une part la partie 21 de l'onde réfléchie par la surface 4 du sol va provoquer un clutter couvrant le signal utile, d'autre part la partie 22 de l'onde qui traverse le sol va subir des pertes importantes. Le rapport du signal utile sur le clutter sera alors dans la plupart des cas trop faible pour permettre une détection.

La figure 3 illustre les niveaux d'énergie en présence. Une première courbe 31 illustre le clutter de sol par les lobes temporels qu'il produit, ce clutter étant dû à la réception du signal réfléchi par la surface 4 du sol. Le niveau de ces lobes, y compris les lobes secondaires, est supérieur au signal utile 22 renvoyé par la canalisation 1, lequel subit par ailleurs des pertes importantes, d'autant plus importantes que le sol est humide. Comme indiqué précédemment, le rapport signal utile sur clutter trop faible rend les méthodes classiques inopérantes.

La figure 4 illustre le principe de détection du procédé selon l'invention. L'invention exploite judicieusement les propriétés de la surface équivalente radar d'une canalisation enterrée. La figure 4 rappelle propriétés connues pour un fil ou pour un tronçon cylindrique de faible diamètre.

La figure 4 représente donc un fil 41 en présence d'un premier champ électrique El représenté par sa direction parallèle au fil et d'un deuxième champ électrique E2 représenté lui aussi par sa direction, perpendiculaire à la précédente. Le fil 41 présente une surface équivalente radar, SER, vue d'un système radar, plus généralement d'un système de détection électromagnét+que, Cette SER dépend de la polarisation de l'onde émise par le système radar. En particulier, la SER correspondant au champ El est différente de la SER correspondant au champ E2. Par ailleurs, plus la fréquence de l'onde émise est faible, plus la différence est grande. Ces caractéristiques de variation de la SER sont notamment décrites dans l'ouvrage de J.W. Crispin and al: Method of Radar Cross Section Analysis Academic Press Newyork London, en particulier par la figure 37 présentée à la page 111. Entre une polarisation donnée, par exemple parallèle au fil 41 et sa polarisation orthogonale, la SER varie continûment d'une valeur SER-, à une valeur SERI. En faisant tourner la polarisation de l'ondé émise par le système radar à une fréquence fR, on obtient alors un signal réfléchi modulé à cette fréquence fm.

La figure 5 illustre la mise en oeuvre du procédé selon l'invention en assimilant le cas du fil 41 de la figure 4 à une canalisation enterrée dans le sol 2, plus particulièrement à un tronçon de canalisation 1. Avantageusement, l'invention exploite le fait que la surface 4 du sol répond de manière équivalente sur deux polarisations orthogonales et plus généralement quelque que soit la polarisation de l'onde émise alors que la canalisation répond par la variation de sa SER. En effet, comme le fil 41, la canalisation présente une SER différente pour les deux polarisations orthogonales SER,, et SERI. Selon l'invention, on émet un signal vers le sol 2 à une fréquence fo et on fait tourner la polarisation du signal émis selon une fréquence fm, c'est-à-dire que la polarisation de l'onde émise tourne à la fréquence fm. Selon l'invention, la détection ne se fait donc pas sur le signal à la fréquence d'émission fo mais sur un signal décalé en fréquence, le décalage étant dû à la variation de la SER de la canalisation.

La figure 6 illustre cette détection obtenue sur un signal décalé en fréquence, par rapport à un signal de fréquence fo utilisé dans une méthode classique.

Ce signal décalé est composé d'une raie décalée 61 aux fréquences fo - fm et fo + fm, fm étant la fréquence de rotation de la polarisation de l'onde. La détection est alors ramenée à un problème classique de détection d'un signal, représenté par sa raie 61 aux fréquences fo - fm et fo + fm. Le clutter de sol n'interfère plus pour la détection de cette raie 61. La détection ne dépend que du rapport du signal 61 sur le bruit 62. Ce qui compte, ce n'est plus les pertes dues au terrain mais le bruit du récepteur.

En fait c'est un tronçon de canalisation qui est détecté et c'est de la SER de ce tronçon dont il est question. La fréquence fm peut par exemple être de 5 l'ordre de 1 KHz.

Le rapport signal sur clutter précédent est donc remplacé par un rapport signal sur bruit. Dans un procédé classique, le signal réfléchi par la canalisation à la fréquence fo était couvert par le clutter dû à la réflexion du signal sur la surface du sol. Avec le procédé selon l'invention, le signal modulé à la fréquence fm décalé par rapport à la fréquence fo n'est pas perturbé par le clutter de sol dans la mesure où la réflexion du signal sur le sol ne dépend pas de la polarisation de l'onde émise, donc de cette fréquence fm de rotation de la polarisation.

Pour augmenter le rapport signal sur bruit, la fréquence d'émission f de l'onde émise par le système radar est prise la plus basse possible. Il a en effet été indiqué précédemment que la variation de SEER en fonction de la rotation de polarisation de l'onde émise était d'autant plus importante que la fréquence f de l'onde était basse. La fréquence d'émission f peut donc descendre par exemple jusqu'à 100 MHz.

La figure 7 illustre la bande de fréquences AF dans laquelle la détection est réalisée. Pour effectuer la détection, le signal f varie dans cette bande de fréquence AF, la rotation de sa polarisation variant par ailleurs à la fréquence fm. A l'intérieur de cette bande de fréquence AF la fréquence f varie par exemple selon des pas de fréquence Af. La rotation de la polarisation à la fréquence fm crée en fait une modulation sur le signal émis, la modulation étant elle aussi à cette fréquence fm. Cette modulation est appliquée sur l'amplitude du signal, car la variation de la SER affecte l'amplitude du signal reçu. La modulation de fréquence est appliquée pour chaque fréquence de la bande AF.

Classiquement une fonction de Fourrier rapide, FFT, est appliquée sur l'ensemble des signaux pour toutes les fréquences d'analyse f; de la bande AF pour extraire la fréquence fm. Plus particulièrement la FFT est appliquée sur les signaux échantillonnés. Le résultat de cette FFT donne le signal global sur raie décalée 61 à la fréquence fm telle qu'illustrée par la figure 6.

La largeur du signal 61 à 3dB est égale à 1/AF. Dans l'exemple de la figure 7, les fréquences varient par exemple entre 100 MHz et 3 GHz.

La présence de cette raie aux fréquences fo - fm et fo + fr indique la présence d'un tronçon cylindrique. En fait en pratique la présence de la raie de traduit par une dissymétrie sur le spectre des fréquences obtenue par suite de l'application de la FFT. En l'absence de tronçon canalisation, ou de tout autre objet similaire, la puissance est équirépartie sur le spectre. Il n'y a alors aucune raison d'obtenir une dissymétrie. L'apparition d'une dissymétrie, représentée par la raie 61 de la figure 6, indique la présence d'un tronçon de canalisation.

Pour détecter la suite de la canalisation, on utilise par exemple un algorithme du type poursuite de cible afin de détection la succession des tronçons de canalisation. Non seulement le procédé selon l'invention permet de détecter la présence d'une canalisation, mais il permet aussi d'en détecter d'autres caractéristiques en raison de la SER variable. En particulier, à fréquence donnée la SER varie en fonction du diamètre du tronçon cylindrique détecté. Connaissant la loi de variation, il est possible d'en déduire le diamètre de la canalisation.

La figure 8 illustre un exemple de réalisation possible d'un dispositif mettant en oeuvre le procédé de détection selon l'invention. Ce dispositif comporte essentiellement une antenne 3, un analyseur 81 et un commutateur électronique 82. L'antenne est par exemple une antenne sinueuse, appelée dans la littérature anglo-saxonne Sinuous Antenna . Une telle antenne est capable de combiner en émission et en réception, de façon simultanée, deux signaux ayant des polarisations orthogonales afin d'obtenir n'importe quelle polarisation, dans le plan de ces deux polarisations. Pour faire tourner ainsi le champ électrique on peut utiliser par exemple quatre plots générant deux à deux une des deux polarisations orthogonales. Ces plots sont par exemple commandés par le commutateur électronique 82 qui permet de contrôler le déphasage appliqué aux deux champs électriques orthogonaux. La polarisation résultante est la somme des deux polarisations affectées chacune d'un déphasage. En jouant sur ce déphasage, on peut obtenir une polarisation circulaire dont la fréquence de rotation est par exemple la fréquence fm précitée qui permettra de détecter la présence d'une canalisation. La loi de phase est par exemple programmée dans l'analyseur 81 qui est lui-même relié au commutateur 82. Le commutateur est de son côté relié par une liaison 83 à chacun des plots 84 disposés dans l'antenne 3. Cette dernière est par ailleurs reliée à l'analyseur 81 pour lui transmettre les signaux reçus. L'analyseur comporte les circuits de réception adaptés, les moyens de traitement pour effectuer la FFT et les moyens d'analyse du résultat de la FFT. L'analyse de ce résultai détermine s'il y a ou non présence d'un tronçon de canalisation. L'analyseur comporte par exemple par ailleurs un algorithme de poursuite de cible qui permet de pister les tronçons de canalisation afin de reconstituer l'ensemble du réseau de canalisation. L'analyseur comporte par exemple par ailleurs des moyens d'émissions reliés à l'antenne. Ces moyens d'émission fournissent un signal hyperfréquence suffisamment puissant pour pénétrer dans la zone de recherche dans le sol. Ces moyens comportent par ailleurs un générateur de fréquence qui commande la fréquence d'émission f à l'intérieur de la bande AF. Dans l'exemple de réalisation de la figure 8, les circuits d'émission et de réception sont disposés à l'intérieur de l'analyseur. Ces circuits pourraient être disposés dans des blocs distincts.

L'invention s'applique pour des canalisations enterrées ayant un diamètre pas trop élevé. Ces canalisations peuvent être de plusieurs types. Elles peuvent servir au passage de l'eau mais elles peuvent aussi servir au passage de fils électriques ou d'autres liaisons. Plus généralement, elle s'applique à la détection de tous types de tuyaux enfouis dans le sol ayant un faible diamètre par rapport à sa longueur, les performances dépendant notamment du rapport entre le diamètre et la longueur. L'invention a été présentée pour une canalisation enfouie dans le sol, mais elle peut s'appliquer pour la détection de canalisations ou de tuyaux enfouis dans un autre milieu, pourvu qu'il laisse passer les ondes hyperfréquence.

Claims (8)

REVENDICATIONS

1. Procédé de détection d'un tronçon cylindrique enfoui dans milieu (2) laissant passer les ondes hyperfréquence, caractérisé en ce qu'il comporte: - une phase d'émission d'une onde en direction du milieu (2) dans une bande de fréquences donnée (AF) tout en faisant tourner sa polarisation (El, E2); une phase d'intégration des signaux reçus dans la bande de fréquences (AF) par transformée de Fourrier rapide (FFT) ; la détection d'un tronçon (1) étant signalée par une dissymétrie de puissance dans le spectre de fréquences obtenues en sortie de transformée de Fourrier 1 o rapide.

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la polarisation de l'onde émise tourne à une fréquence donnée (fm), un tronçon (1) étant détecté par une raie de puissance à cette fréquence (fm) .

3. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la fréquence émise varie selon un pas Af à l'intérieur de la bande de fréquence AF, les signaux reçus étant échantillonnés pour chaque fréquence.

4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le milieu (2) est le sol, le tronçon étant enterré dans le sol.

5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le tronçon (1) est un tronçon d'une canalisation.

6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que la succession des tronçons formant le réseau de canalisation est détectée par une méthode de 30 pistage.

7. Dispositif pour la mise en uvre du procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte: - une antenne sinueuse (3), cette antenne comportant des plots (84) générant deux composantes de polarisations orthogonales; - un commutateur (82) commandant les phases des deux composantes orthogonales de façon à créer une rotation de polarisation de l'onde émise par; l'antenne.

8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comporte un analyseur (83) relié à l'antenne (3) et au commutateur (82), l'analyseur comportant les moyens de traitement des signaux reçus.