FR2916054A1

FR2916054A1 - Acoustic detection method for e.g. coastal marine medium, involves determining reversal operator corresponding to transfer matrix, determining vectors and values of operator, and detecting singularity in medium based on vectors and values

Info

Publication number: FR2916054A1
Application number: FR0703278A
Authority: FR
Inventors: Mathias Fink; Claire Ep Julia Prada; La Gorgue De Rosny Julien De; Dominique Clorennec; Sidonie Hibral; Lothar Berniere; Sebastien Tauvry; Philippe Billand; Thomas Folegot
Original assignee: Centre National de la Recherche Scientifique CNRS; Altran Technologies SA
Current assignee: Centre National de la Recherche Scientifique CNRS; Altran Technologies SA
Priority date: 2007-05-07
Filing date: 2007-05-07
Publication date: 2008-11-14
Anticipated expiration: 2027-05-07
Also published as: FR2916054B1

Abstract

The method involves transmitting predetermined signals by a two dimensional network (R) of ultrasonic sensors (4), where the network has non null horizontal aperture. Response signals are captured by the network for obtaining time response matrix of a liquid medium (1). A frequency transfer matrix corresponding to the time response matrix is determined. A time Reversal Operator corresponding to the transfer matrix is determined. Vectors and values of the operator are determined. Singularity in the medium is detected based on the vectors and values. An independent claim is also included for an acoustic detection device comprising a central electronic unit.

Description

Procédé et dispositif de détection acoustique en milieu liquide.Method and device for acoustic detection in a liquid medium

La présente invention est relative aux procédés et dispositifs de détection acoustique en milieu liquide. Plus particulièrement, l'invention concerne un procédé de détection acoustique dans un milieu liquide ayant une profondeur inférieure à 100 m en utilisant au moins un réseau de transducteurs ultrasonores, ce procédé comprenant au moins l'étape d'observation suivante (généralement répétée à intervalle de temps régulier) : (b) faire émettre par le réseau de transducteurs des signaux prédéterminés (l'émission peut éventuellement être limitée à une partie des transducteurs du réseau) et faire capter par ledit réseau des signaux de réponse (la réception peut éventuellement être elle-même limitée à certains transducteurs du réseau) pour obtenir une matrice K(t) de réponse temporelle du milieu, cette étape d'observation étant suivie par une 20 étape de traitement (c) comprenant les sous-étapes suivantes . (cl) déterminer au moins une matrice de transfert fréquentielle K(w) correspondant à ladite matrice de réponse temporelle du milieu, 25 (c2) déterminer un opérateur de retournement temporel ORT (w) = K* (w) K (w) , correspondant à la ou chaque matrice de transfert K(w), K*(w) étant la matrice conjuguée complexe de K(w), (c3) déterminer au moins des vecteurs propres 30 et/ou des valeurs propres dudit opérateur de retournement temporel, (c4) détecter au moins une singularité dans le milieu en fonction au moins desdits vecteurs propres et/ou desdites valeurs propres. 35 Un tel procédé a été décrit notamment par Clorennec et al. ( First tests of the DORT method at 12kHz in a shallow water waveguide , Proceedings IEEE Oceans 2005 Europe), pour un réseau linéaire de transducteurs disposé verticalement dans le milieu. Il permet notamment de détecter une intrusion dans le milieu liquide. La présente invention a notamment pour but de perfectionner encore les procédés de ce type, pour améliorer l'efficacité de la détection. A cet effet, selon l'invention, un procédé du genre en question est caractérisé en ce qu'on utilise un réseau de transducteurs à au moins deux dimensions, ayant une ouverture horizontale non nulle (c'est-à-dire un réseau ne se présentant pas simplement sous la forme d'un alignement droit de transducteurs). The present invention relates to methods and devices for acoustic detection in a liquid medium. More particularly, the invention relates to a method of acoustic detection in a liquid medium having a depth of less than 100 m using at least one ultrasound transducer array, this method comprising at least the following observation step (generally repeated at intervals of regular time): (b) causing the array of transducers to transmit predetermined signals (the transmission may possibly be limited to a portion of the transducers of the network) and to cause said network to receive response signals (the reception may possibly be itself limited to certain network transducers) to obtain a temporal response matrix K (t) of the medium, this observation step being followed by a processing step (c) comprising the following substeps. (cl) determining at least one frequency transfer matrix K (w) corresponding to said medium time response matrix, (c2) determining a time reversal operator ORT (w) = K * (w) K (w), corresponding to the or each transfer matrix K (w), K * (w) being the complex conjugate matrix of K (w), (c3) determining at least eigenvectors 30 and / or eigenvalues of said time reversal operator (c4) detecting at least one singularity in the medium as a function of at least said eigenvectors and / or said eigenvalues. Such a method has been described in particular by Clorennec et al. (First tests of the DORT method at 12kHz in a shallow water waveguide, Proceedings IEEE Oceans 2005 Europe), for a linear array of transducers arranged vertically in the medium. In particular, it makes it possible to detect an intrusion into the liquid medium. The present invention is intended in particular to further improve the methods of this type, to improve the efficiency of the detection. For this purpose, according to the invention, a method of the kind in question is characterized in that a network of transducers with at least two dimensions, having a non-zero horizontal opening (that is to say a network not not just in the form of a straight alignment of transducers).

Grâce à ces dispositions, on peut obtenir une meilleure résolution de la détection, et on peut au besoin localiser entièrement les singularités détectées, au lieu de pouvoir déterminer uniquement leur profondeur. Dans des modes de réalisation du procédé selon l'invention, on peut éventuellement avoir recours en outre à l'une et/ou à l'autre des dispositions suivantes : - au cours de l'étape d'observation, on utilise un réseau de transducteurs comprenant au moins deux sous-réseaux linéaires verticaux écartés l'un de l'autre ; - au cours de l'étape d'observation, on fait émettre par le _réseau de transducteurs des signaux générant des ondes sensiblement planes ayant des directions différentes ; - au cours de l'étape d'observation, on fait émettre par le réseau de transducteurs des signaux générant des ondes focalisées en différents points dans le milieu liquide ; - au cours de l'étape d'observation, on détermine les réponses temporelles entre transducteurs du réseau de 35 transducteurs (par émission successives de signaux par les différents transducteurs du réseau ou par émission simultanée de signaux orthogonaux entre eux comme décrit par exemple dans le document WO-A-2004/086557), lesdites réponses temporelles entre transducteurs formant la matrice de réponses temporelles ; - au cours de l'étape d'observation, on fait émettre par le réseau de transducteurs un nombre Ne de combinaisons de signaux (chaque combinaison comprend au moins un signal provenant d'un transducteur du réseau) générant Ne ondes dans le milieu liquide (ondes focalisées, ondes planes de directions différentes, etc.), et pour chaque onde ainsi générée, on détermine un nombre Nr de combinaisons de signaux captés par le réseau de transducteurs (par exemple par focalisation en réception sur un nombre Nr de points dans le milieu liquide), la matrice de réponses temporelles étant de dimension Ne * Nr ; - au cours de la sous-étape (cl) de l'étape de traitement, on détermine plusieurs matrices de transfert fréquentielles K(w) sur des fenêtres temporelles limitées différentes, à partir de ladite matrice de réponses temporelles du milieu K(t) ; - lesdites fenêtres temporelles sont déterminées expérimentalement au cours d'une étape initiale (a) de calibration, pour inclure les signaux de réponse provenant d'un objet réfléchissant situé dans une zone donnée ; - chaque fenêtre temporelle correspond à une zone prédéterminée du milieu liquide située à une certaine distance du réseau de transducteurs, et au cours de la sous-étape (c3) de l'étape de traitement, on détermine des valeurs propres de l'opérateur de retournement temporel en fonction de ladite distance (on est ainsi renseigné sur la position de l'objet détecté) ; on calcule des différences entre valeurs propres 35 correspondant à des acquisitions différentes (on fait ainsi abstraction de la réverbération acoustique du milieu) ; - au cours de la sous-étape (cl) de l'étape de traitement, on détermine la ou chaque matrice de transfert fréquentielle K(w) par transformée de Fourier de la matrice de réponses temporelles du milieu K(t) ; - au cours de la sous-étape (cl) de l'étape de traitement, on détermine la ou chaque matrice de transfert fréquentielle K(w) sous la forme : K(w) = Kl (w) - Kref(w), où K1(w) est une transformée de Fourier de la matrice de réponses temporelles du milieu K(t) et Kref(w) est une matrice de transfert fréquentielle de référence (ce qui permet de s'affranchir des effets de la 15 réverbération acoustique du milieu) ; au cours de la sous-étape (c3) de l'étape de traitement, on détermine des valeurs propres de l'opérateur de retournement temporel en fonction de la fréquence (on peut ainsi éventuellement être renseigné sur la nature de 20 l'objet détecté) ; au cours de la sous-étape (c3) de l'étape de traitement, on détermine des vecteurs propres Vi(w) de l'opérateur de retournement temporel, puis au cours de la sous-étape (c4), on calcule une propagation acoustique 25 correspondant à ces vecteurs propres (il peut s'agir d'une propagation des vecteurs propres susmentionnés dans le domaine fréquentiel ou une propagation de la forme temporelle Vi(t) desdits vecteurs propres) dans le milieu pour déterminer une position d'un objet réverbérant 30 correspondant à chaque vecteur propre ; - au cours de la sous-étape (c4) de l'étape de traitement, on calcule une propagation acoustique correspondant auxdits vecteurs propres et on adapte un modèle de milieu de propagation en fonction du calcul de 35 propagation effectué ; - le modèle du milieu liquide présente une certaine profondeur de liquide, le calcul de propagation acoustique, correspondant auxdits vecteurs propres, donne, au moins dans certains cas, au moins trois images d'un objet réverbérant à trois hauteurs différentes pour au moins un vecteur propre, lesdites images comprenant une image centrale correspondant audit objet réverbérant et au moins deux images virtuelles correspondant à des points symétriques dudit objet réverbérant respectivement par rapport au fond et à la surface, et on adapte la profondeur de liquide du modèle en fonction de la hauteur entre lesdites images virtuelles ; - au cours de l'étape (c3), on détermine des vecteurs propres de l'opérateur de retournement temporel, ladite sous-étape (c3) est suivie d'une sous-étape (c'3) au cours de laquelle on émet dans le milieu liquide au moins un desdits vecteurs propres et on capte un écho généré en retour, et au cours de la sous-étape (c4), on calcule une propagation acoustique correspondant à cet écho pour localiser au moins une singularité dans ledit milieu liquide. Par ailleurs, l'invention a également pour objet un dispositif de détection acoustique pour un milieu liquide ayant une profondeur inférieure à 100 m, comprenant au moins un réseau de transducteurs ultrasonores, ce dispositif comprenant en outre au moins une unité centrale électronique reliée aux transducteurs et adaptée pour : (b) faire émettre par le réseau de transducteurs des signaux prédéterminés (l'émission peut éventuellement être limitée à une partie des transducteurs du réseau) et faire capter par ledit réseau des signaux de réponse (la réception peut éventuellement être elle-même limitée à certains transducteurs du réseau) pour obtenir une matrice K(t) de réponses temporelles du milieu, (cl) déterminer au moins une matrice de transfert fréquentielle K(w) correspondant à ladite matrice de réponses temporelles du milieu, (c2) déterminer un opérateur de retournement temporel ORT (w) = K*(w) K (w) , correspondant à la ou chaque matrice de transfert K(w), K*(w) étant la matrice conjuguée complexe de K(w), (c3) déterminer au moins des vecteurs propres et/ou des valeurs propres dudit opérateur de retournement 10 temporel, (c4) détecter au moins une singularité dans le milieu en fonction au moins desdits vecteurs propres et/ou desdites valeurs propres. D'autres caractéristiques et avantages de 15 l'invention apparaîtront au cours de la description suivante d'une de ses formes de réalisation, donnée à titre d'exemple non limitatif, en regard des dessins joints. Sur les dessins : - la figure 1 est un schéma de principe d'un 20 dispositif selon une forme de réalisation de l'invention, - la figure 2 est un schéma bloc du dispositif de la figure 1. Sur les différentes figures, les mêmes références désignent des éléments identiques ou similaires. 25 Comme représenté sur la figure 1, l'invention a pour but la surveillance d'un milieu liquide 1 de relativement faible profondeur P, par exemple inférieure à 100 m, notamment inférieure à 50 m, voire inférieure à 20 m. Le milieu liquide 1 en question peut en particulier 30 être un milieu marin côtier, délimité inférieurement par un fond 2 et supérieurement par une surface 3 d'interface avec l'atmosphère. La surveillance du milieu liquide 1 a pour objet de détecter l'intrusion dans ce milieu de tout objet C réverbérant les ondes acoustiques. 35 Pour effectuer cette surveillance, le procédé selon l'invention utilise un réseau R de transducteurs ultrasonores 4. Les transducteurs 4 peuvent par exemple avoir une fréquence centrale comprise entre 10 et 15 kHz et une bande passante de 2 à 4 kHz. Le réseau R est un réseau à deux dimensions, voire 3 dimensions, et présente une ouverture horizontale non nulle. A titre d'exemple non limitatif, comme représenté sur la figure 1,, le réseau R de transducteurs peut inclure plusieurs sous-réseaux linéaires M1, M2, M3... MN qui peuvent par exemple s'étendre verticalement et qui sont écartés les uns des autres. Ces sous-réseaux sont en nombre N au moins égal à 2, et séparés par des distances di7 (représentatives de l'ouverture horizontale) de l'ordre de quelques dizaines à quelques centaines de mètres, par exemple comprises entre 100 et 1000 m (seule la distance dia entre les sous-réseaux Ml et M2 est représentée sur la figure 1). Chaque sous-réseau Mi comporte plusieurs transducteurs 4, par exemple de l'ordre de 10 à 50 transducteurs, répartis sur une hauteur h comprise par exemple entre 5 et 15 m. Les transducteurs 4 de chaque sous-réseau Mi peuvent par exemple être fixés le long d'un câble 5 dont l'extrémité supérieure est fixée à une bouée 6 et dont l'extrémité inférieure est fixée à un lest 7. En variante, les transducteurs 4 pourraient être fixés à un support fixe, par exemple à un poteau, un ouvrage de génie civil tel qu'une digue ou autre. Les transducteurs 4 des différents sous-réseaux H-MN sont reliés par exemple par des câbles 8 à une station 30 de traitement 9. Comme représenté sur la figure 2, la station 9 peut comporter, pour chaque transducteur 4, un amplificateur 10 relié audit transducteur, un convertisseur analogique numérique 11 (ADC) relié audit amplificateur 10, un 35 dispositif électronique de traitement rapide 12 (CPU) et un ordinateur 13 commandant l'ensemble de la station 9 et permettant d'en exploiter les résultats. Le dispositif qui vient d'être décrit peut être utilisé pour mettre en oeuvre un procédé de détection acoustique comprenant notamment les étapes suivantes : (a) une étape initiale de calibration au cours de laquelle on effectue des tests d'émission et de réception de signaux acoustiques au moyen du réseau R, et au cours de laquelle on peut notamment déterminer les fenêtres temporelles adéquates correspondant à la réception par les transducteurs 4 d'ondes acoustiques réfléchies par des objets situés dans différentes zones prédéterminées du milieu liquide 1 (ces fenêtres temporelles peuvent par exemple être déterminées par des essais successifs en mouillant des objets réfléchissant les ondes acoustiques dans les zones en question), puis des étapes d'observation (b) et de traitement (c) qui sont répétées à intervalle de temps pour effectuer la surveillance du milieu liquide 1. Thanks to these arrangements, it is possible to obtain a better resolution of the detection, and it is possible to locate the detected singularities entirely, instead of only being able to determine their depth. In embodiments of the method according to the invention, one or more of the following provisions may be used in addition: - during the observation step, a network of transducers comprising at least two vertical linear subarrays spaced apart from each other; during the observation step, signals from the transducer network are generated which generate substantially plane waves having different directions; during the observation step, signals transmitting waves that are focussed at different points in the liquid medium are emitted by the transducer array; during the observation step, the temporal responses between transducers of the array of transducers are determined (by successive emission of signals by the different transducers of the network or by simultaneous emission of orthogonal signals between them, as described, for example, in FIG. WO-A-2004/086557), said temporal responses between transducers forming the matrix of temporal responses; during the observation step, a number Ne of signal combinations is emitted by the transducer array (each combination comprises at least one signal coming from a transducer of the grating) generating waves in the liquid medium ( focussed waves, plane waves of different directions, etc.), and for each wave thus generated, a number Nr of combinations of signals picked up by the array of transducers (for example by focusing in reception on a number Nr of points in the liquid medium), the matrix of temporal responses being of dimension Ne * Nr; during the sub-step (c1) of the processing step, several frequency transfer matrices K (w) are determined on different limited time windows, from said matrix of temporal responses of the medium K (t) ; said time windows are determined experimentally during an initial calibration step (a), to include the response signals from a reflective object located in a given area; each time window corresponds to a predetermined zone of the liquid medium situated at a distance from the transducer array, and during the sub-step of the processing step, eigenvalues of the time reversal according to said distance (it is thus informed on the position of the detected object); differences are calculated between eigenvalues corresponding to different acquisitions (thus the acoustic reverberation of the medium is ignored); during the sub-step (c1) of the processing step, the or each frequency transfer matrix K (w) is determined by Fourier transform of the temporal response matrix of the medium K (t); during the sub-step (c1) of the processing step, the or each frequency transfer matrix K (w) is determined in the form: K (w) = K1 (w) - Kref (w), where K1 (w) is a Fourier transform of the temporal response matrix of the medium K (t) and Kref (w) is a reference frequency transfer matrix (which makes it possible to overcome the effects of the acoustic reverberation middle) ; during the sub-step (c3) of the processing step, the eigenvalues of the time reversal operator are determined as a function of the frequency (it may thus be possible to be informed about the nature of the detected object. ); during the sub-step (c3) of the processing step, eigenvectors Vi (w) of the time reversal operator are determined, and during the sub-step (c4) a propagation is calculated. corresponding to these eigenvectors (it may be a propagation of the aforementioned eigenvectors in the frequency domain or a propagation of the temporal form Vi (t) of said eigenvectors) in the medium to determine a position of a reverberant object 30 corresponding to each eigenvector; during the sub-step (c4) of the processing step, an acoustic propagation corresponding to said eigenvectors is calculated and a propagation medium model is adapted according to the propagation computation performed; the model of the liquid medium has a certain depth of liquid, the calculation of acoustic propagation, corresponding to said eigenvectors, gives, at least in certain cases, at least three images of a reverberant object at three different heights for at least one vector said images comprising a central image corresponding to said reverberant object and at least two virtual images corresponding to symmetrical points of said reverberant object respectively relative to the bottom and to the surface, and the liquid depth of the model is adapted according to the height between said virtual images; during step (c3), eigenvectors of the time reversal operator are determined, said substep (c3) is followed by a substep (c'3) during which it transmits in the liquid medium at least one of said eigenvectors and an echo generated back is captured, and during the sub-step (c4), an acoustic propagation corresponding to this echo is calculated to locate at least one singularity in said liquid medium . Furthermore, the subject of the invention is also an acoustic detection device for a liquid medium having a depth of less than 100 m, comprising at least one ultrasound transducer array, this device further comprising at least one electronic central unit connected to the transducers. and adapted to: (b) cause the transducer array to transmit predetermined signals (the transmission may be limited to a portion of the network transducers) and to cause said network to receive response signals (the reception may possibly be -even limited to certain transducers of the network) to obtain a matrix K (t) of temporal responses of the medium, (cl) to determine at least one frequency transfer matrix K (w) corresponding to said matrix of temporal responses of the medium, (c2 ) determine a time reversal operator ORT (w) = K * (w) K (w), corresponding to the or each tran matrix sfert K (w), K * (w) being the complex conjugate matrix of K (w), (c3) determining at least eigenvectors and / or eigenvalues of said time reversal operator, (c4) detecting at least a singularity in the medium according to at least said eigenvectors and / or said eigenvalues. Other features and advantages of the invention will become apparent from the following description of one of its embodiments, given by way of non-limiting example, with reference to the accompanying drawings. In the drawings: FIG. 1 is a block diagram of a device according to one embodiment of the invention, FIG. 2 is a block diagram of the device of FIG. 1. In the various figures, the same references refer to identical or similar elements. As shown in FIG. 1, the aim of the invention is to monitor a liquid medium 1 of relatively shallow depth P, for example less than 100 m, especially less than 50 m, or even less than 20 m. The liquid medium 1 in question may in particular be a coastal marine environment, delimited below by a bottom 2 and superiorly by a surface 3 of interface with the atmosphere. The purpose of monitoring the liquid medium 1 is to detect the intrusion into this medium of any object C reverberating the acoustic waves. To carry out this monitoring, the method according to the invention uses a network R of ultrasonic transducers 4. The transducers 4 may for example have a central frequency of between 10 and 15 kHz and a bandwidth of 2 to 4 kHz. The network R is a two-dimensional or even three-dimensional network and has a non-zero horizontal opening. By way of nonlimiting example, as represented in FIG. 1, the network R of transducers may include several linear subarrays M1, M2, M3 ... MN which can for example extend vertically and which are spaced apart each other. These sub-networks are in number N at least equal to 2, and separated by distances di7 (representative of the horizontal opening) of the order of a few tens to a few hundred meters, for example between 100 and 1000 m ( only the distance dia between subnetworks M1 and M2 is shown in Figure 1). Each sub-network Mi comprises several transducers 4, for example of the order of 10 to 50 transducers, distributed over a height h of for example between 5 and 15 m. The transducers 4 of each sub-array Mi may for example be fixed along a cable 5 whose upper end is fixed to a buoy 6 and whose lower end is fixed to a ballast 7. In a variant, the transducers 4 could be fixed to a fixed support, for example to a pole, a civil engineering work such as a dike or other. The transducers 4 of the different sub-networks H-MN are connected for example by cables 8 to a processing station 30. As shown in FIG. 2, the station 9 may comprise, for each transducer 4, an amplifier 10 connected to said transducer, an analog-to-digital converter (ADC) 11 connected to said amplifier 10, an electronic fast processing device 12 (CPU) and a computer 13 controlling the entire station 9 and making it possible to exploit the results thereof. The device which has just been described can be used to implement an acoustic detection method comprising in particular the following steps: (a) an initial calibration step during which signal transmission and reception tests are carried out acoustically using the network R, and during which it is possible in particular to determine the appropriate time windows corresponding to the reception by the transducers 4 of acoustic waves reflected by objects located in different predetermined zones of the liquid medium 1 (these time windows can for example, to be determined by successive tests by wetting acoustic wave reflecting objects in the areas in question), then observation (b) and treatment (c) steps which are repeated at intervals to perform the monitoring of the acoustic waves. liquid medium 1.

Au cours de chaque étape d'observation (b), on fait émettre par le réseau de transducteurs 4 des signaux prédéterminés et on fait capter par ledit réseau des signaux de réponse pour obtenir une matrice K(t) de réponse temporelle du milieu. During each observation step (b), predetermined transducers are transmitted by the array of transducers 4 and response signals are generated by said network to obtain a matrix K (t) for temporal response of the medium.

Les signaux prédéterminés en question, émis au cours de l'étape d'observation, peuvent être de divers types. Par exemple, on peut faire émettre successivement par chaque transducteur 4 (ou par seulement certains transducteurs 4) des signaux impulsionnels, puis on fait capter les réponses impulsionnelles du milieu 1 par les transducteurs 4 du réseau R (ou par seulement certains transducteurs 4). On obtient ainsi les réponses temporelles entre transducteurs 4 du réseau R, lesdites réponses temporelles entre transducteurs formant la matrice de réponse temporelle K(t). Si le réseau R contient T transducteurs tous utilisées en émission et réception, la matrice K(t) est alors une matrice de dimension T*T. En variante, on peut déterminer la matrice de réponse temporelle entre transducteurs par émission simultanée de signaux orthogonaux entre eux par tout ou partie des transducteurs 4, comme décrit par exemple dans le document WO-A-2004/086557. Selon une autre variante particulièrement avantageuse, la matrice K(t) n'est pas une matrice de réponse entre transducteurs 4, mais une matrice correspondant à certains faisceaux de signaux. Ainsi, on peut faire émettre par le réseau de transducteurs 4 un nombre Ne de combinaisons de signaux générant Ne ondes dans le milieu liquide, et pour chaque onde ainsi générée, on détermine un nombre Nr de combinaisons de signaux captés par le réseau de transducteurs, la matrice de réponses temporelles étant alors de dimension Ne * Nr. Par exemple, on peut faire émettre par le réseau Ne ondes planes, c'est-à-dire des ondes ayant un front d'onde sensiblement rectiligne en vue de dessus, ce front d'onde étant orienté différemment d'une émission à l'autre, et pour chaque oncle plane ainsi émise, les transducteurs 4 captent les signaux de réponse et on combine ces signaux de façon à réaliser une focalisation en réception en Nr points du milieu, puis on mémorise les Ne * Nr signaux temporels ainsi obtenus, constituant la matrice de réponse temporelle K(t). Les signaux captés pourraient éventuellement ne pas être combinés entre eux mais mémorisés tels quels, ce qui donnerait une matrice de dimension Ne * T. Selon un autre exemple, on fait émettre par le réseau de transducteurs 4 des signaux générant Ne ondes focalisées en différents points dans le milieu liquide 1 et on mémorise les T signaux de réponse captés par les transducteurs 4 (matrice K(t) de dimension Ne * T) ou des combinaisons des signaux de réponse correspondant à Nr focalisations en réception (matrice K(t) de dimension Ne * Nr). L'étape de traitement (c) qui suit l'étape d'observation (b) comprend les sous-étapes suivantes : (cl) déterminer au moins une matrice de transfert fréquentielle K(w) correspondant à ladite matrice de réponse temporelle K(t) du milieu 1, (c2) déterminer un opérateur de retournement temporel ORT (w) = K* (w) KM, correspondant à la ou chaque matrice de transfert K(w), K*(w) étant la matrice conjuguée complexe de K(w), (c3) déterminer au moins des vecteurs propres et/ou des valeurs propres dudit opérateur de retournement 15 temporel, (c4) le cas échéant, détecter au moins une singularité dans le milieu en fonction au moins desdits vecteurs propres et/ou desdites valeurs propres, toute singularité nouvellement détectée correspondant à 20 l'intrusion d'un objet réfléchissant les ondes acoustiques dans le milieu liquide 1 surveillé. La ou chaque matrice de transfert fréquentielle K(w) peut être calculée classiquement par transformée de Fourier de la matrice de réponses temporelles du milieu 25 K(t), éventuellement après fenêtrage temporel de cette matrice temporelle. En variante, on peut déterminer la ou chaque matrice de transfert fréquentielle K(w) sous la forme : K(w) = Kl (w) - Kref(w), 30 où K1(w) est une transformée de Fourier de la matrice de réponses temporelles du milieu K(t) (éventuellement après fenêtrage temporel) et Kref(w) est une matrice de transfert fréquentielle de référence, déterminée par exemple une fois pour toutes au 35 cours de l'étape initiale de calibration ou à partir d'une étape d'observation (b) antérieure n'ayant pas débouché sur la détection d'une intrusion. Au cours de la sous-étape (cl) de l'étape de traitement, on peut déterminer plusieurs matrices de transfert fréquentielles K(w) sur des fenêtres temporelles limitées différentes (déterminées par exemple expérimentalement au cours d'une étape initiale (a) de calibration), à partir de ladite matrice de réponses temporelles du milieu K(t). Lesdites fenêtres temporelles sont d'une durée comprise par exemple entre 1 et 5 ms, notamment de l'ordre de 3 ms. Chacune desdites fenêtres temporelles correspond à une zone prédéterminée du milieu liquide 1 située à une certaine distance du réseau de transducteurs 4, et au cours de la sous-étape (c3) de l'étape de traitement, on détermine des valeurs propres de l'opérateur de retournement temporel en fonction de ladite distance, ce qui permet d'obtenir immédiatement une première localisation d'un objet ayant fait intrusion dans le milieu surveillé. The predetermined signals in question, issued during the observation step, can be of various types. For example, pulse signals can be emitted successively by each transducer 4 (or by only some transducers 4), then the impulse responses of the medium 1 are picked up by the transducers 4 of the grating R (or by only certain transducers 4). The temporal responses between transducers 4 of the network R are thus obtained, said temporal responses between transducers forming the temporal response matrix K (t). If the network R contains T transducers all used in transmission and reception, the matrix K (t) is then a matrix of dimension T * T. Alternatively, the temporal response matrix between transducers can be determined by simultaneous emission of signals orthogonal to each other by all or some of the transducers 4, as described, for example, in document WO-A-2004/086557. According to another particularly advantageous variant, the matrix K (t) is not a response matrix between transducers 4, but a matrix corresponding to certain signal beams. Thus, a number Ne of combinations of signals generating waves in the liquid medium can be emitted by the transducer array 4, and for each wave thus generated, a number Nr of combinations of signals picked up by the array of transducers is determined. the matrix of temporal responses then being of dimension Ne * Nr. For example, it is possible for the grating to emit plane waves, that is to say waves having a substantially rectilinear wavefront in a view from above, wavefront being oriented differently from one emission to another, and for each plane uncle thus emitted, the transducers 4 pick up the response signals and these signals are combined so as to achieve a focus in receiving Nr points of the middle , and then memorizes the Ne * Nr time signals thus obtained, constituting the temporal response matrix K (t). The signals picked up could possibly not be combined with each other but stored as such, which would give a matrix of dimension Ne * T. According to another example, the network of transducers 4 emits signals generating Ne focused waves at different points. in the liquid medium 1 and the T response signals picked up by the transducers 4 (matrix K (t) of size Ne * T) or combinations of the response signals corresponding to Nr receiving focuses (matrix K (t) of dimension Ne * Nr). The processing step (c) following the observation step (b) comprises the following substeps: (cl) determining at least one frequency transfer matrix K (w) corresponding to said temporal response matrix K ( t) of the medium 1, (c2) determine a time reversal operator ORT (w) = K * (w) KM, corresponding to the or each transfer matrix K (w), K * (w) being the complex conjugate matrix of K (w), (c3) determining at least eigenvectors and / or eigenvalues of said time reversal operator, (c4) where appropriate, detecting at least one singularity in the medium as a function of at least said eigenvectors and / or said eigenvalues, any newly detected singularity corresponding to the intrusion of an object reflecting the acoustic waves in the monitored liquid medium 1. The or each frequency transfer matrix K (w) can be calculated conventionally by Fourier transform of the matrix of temporal responses of the medium K (t), possibly after temporal winding of this temporal matrix. Alternatively, the or each frequency transfer matrix K (w) can be determined in the form: K (w) = K1 (w) - Kref (w), where K1 (w) is a Fourier transform of the matrix temporal responses of the medium K (t) (possibly after temporal windowing) and Kref (w) is a reference frequency transfer matrix, determined for example once for all during the initial calibration step or from an earlier observation step (b) did not lead to the detection of an intrusion. During the sub-step (c1) of the processing step, it is possible to determine several frequency transfer matrices K (w) over different limited time windows (determined, for example, experimentally during an initial step (a) calibration), from said matrix of temporal responses of the medium K (t). Said time windows are of a duration for example between 1 and 5 ms, in particular of the order of 3 ms. Each of said time windows corresponds to a predetermined zone of the liquid medium 1 located at a certain distance from the transducer array 4, and during the sub-step (c3) of the processing step, eigenvalues of the time reversal operator according to said distance, which makes it possible to immediately obtain a first location of an object having intruded into the monitored environment.

Selon une variante, on peut calculer des différences entre valeurs propres correspondant à des acquisitions différentes, ce qui permet de faire abstraction de la réverbération acoustique du milieu sur des zones étendues. According to one variant, it is possible to calculate differences between eigenvalues corresponding to different acquisitions, which makes it possible to ignore the acoustic reverberation of the medium over large areas.

Au cours de la sous-étape (c3) de l'étape de traitement, on peut également déterminer des valeurs propres de l'opérateur de retournement temporel en fonction de la fréquence, ce qui peut renseigner sur la nature d'un éventuel objet réfléchissant détecté. During the sub-step (c3) of the processing step, it is also possible to determine the eigenvalues of the time reversal operator as a function of the frequency, which can provide information on the nature of a possible reflecting object. detected.

Au cours de la sous-étape (c3) de l'étape de traitement, on peut également déterminer des vecteurs propres Vi(w) de l'opérateur de retournement temporel. Dans ce cas, au cours de la sous-étape (c4), on peut calculer la propagation des vecteurs propres Vi(w) dans le domaine fréquentiel dans le milieu pour déterminer une position d'un objet réverbérant correspondant à chaque vecteur propre. En variante, on peut éventuellement déterminer des formes temporelles Vi(t) de ces vecteurs propres et on calcule une propagation de ces formes temporelles Vi(t) dans le milieu pour déterminer une position d'un objet réverbérant correspondant à chaque vecteur propre. Dans les deux cas, cette propagation peut s'effectuer en espace libre ou en utilisant un modèle mathématique du milieu liquide 1, qui fait intervenir la profondeur P de ce milieu et la célérité des ondes acoustiques dans ce milieu (le cas échéant en fonction de la bathythermie du milieu 1). Ce modèle du milieu 1 peut le cas échéant être adapté en fonction des résultats de l'étape de traitement (c). En particulier, le calcul de propagation des vecteurs propres (sous leur forme fréquentielle ou temporelle) en espace libre donne généralement trois images d'un objet réverbérant C à trois hauteurs différentes pour chaque moins un vecteur propre : une image centrale correspondant audit objet réverbérant C et deux images virtuelles correspondant à des points symétriques dudit objet réverbérant C respectivement par rapport au fond et à la surface. On adapte alors la profondeur P de liquide du modèle en fonction de la hauteur entre lesdites images virtuelles. Par ailleurs tout ou partie des vecteurs propres (sous leur forme temporelle Vi(t)) correspondant à la dimension de la matrice K qui concerne les émetteurs du réseau de transcucteurs 4 (si tous les transducteurs 4 sont émetteurs, cette dimension est égale au nombre total de transducteurs 4) peuvent le cas échéant être réémis dans le milieu 1 pour focaliser sur un objet réverbérant C. On obtient ainsi un nouvel écho provenant de l'objet C, avec un excellent rapport signal / bruit. Ce nouvel écho peut être utilisé pour repropager numériquement les ondes acoustiques en espace libre ou dans un modèle numérique du milieu 1, de façon à localiser l'objet C. During the sub-step (c3) of the processing step, it is also possible to determine eigenvectors Vi (w) of the time reversal operator. In this case, during the sub-step (c4), it is possible to calculate the propagation of the eigenvectors Vi (w) in the frequency domain in the medium to determine a position of a reverberant object corresponding to each eigenvector. Alternatively, one can optionally determine temporal forms Vi (t) of these eigenvectors and calculate a propagation of these temporal forms Vi (t) in the medium to determine a position of a reverberant object corresponding to each eigenvector. In both cases, this propagation can be carried out in free space or by using a mathematical model of the liquid medium 1, which involves the depth P of this medium and the speed of the acoustic waves in this medium (as the case may be depending on the bathythermy of the middle 1). This model of the medium 1 can if necessary be adapted according to the results of the treatment step (c). In particular, the computation of propagation of the eigenvectors (in their frequency or time form) in free space generally gives three images of a reverberant object C at three different heights for each minus an eigenvector: a central image corresponding to said reverberant object C and two virtual images corresponding to symmetrical points of said reverberant object C respectively with respect to the background and the surface. The depth P of liquid of the model is then adjusted according to the height between said virtual images. Moreover, all or part of the eigenvectors (in their temporal form Vi (t)) corresponding to the dimension of the matrix K which concerns the transmitters of the transcoder network 4 (if all the transducers 4 are transmitters, this dimension is equal to the number total of transducers 4) may be re-transmitted in medium 1 if necessary to focus on a reverberant object C. This gives a new echo from the object C, with an excellent signal-to-noise ratio. This new echo can be used to digitally repropage acoustic waves in free space or in a numerical model of medium 1, so as to locate object C.

Claims

A method of acoustic detection in a liquid medium (1) having a depth (P) of less than 100 m using at least one ultrasonic transducer array (4), said method comprising at least the following observation step: b) causing the array of transducers (4) to transmit predetermined signals and to pick up response signals from said network to obtain a temporal response matrix K (t) of the medium, this observation step being followed by a step processing (c) comprising the following substeps. (Cl) determining at least one frequency transfer matrix K (w) corresponding to said medium time response matrix, (c2) determining a time reversal operator ORT (w) = K * (ao) K (), corresponding to the or each transfer matrix K (), K * (w) being the complex conjugate matrix of K (), (c3) determining at least eigenvectors and / or eigenvalues of said time reversal operator, ( c4) detecting at least one singularity in the medium as a function of at least said eigenvectors and / or said eigenvalues, characterized in that an array of at least two-dimensional transducers (4) having a horizontal aperture ( d12) not zero.

2. The method according to claim 1, wherein during the observation step, an array of transducers (4) comprising at least two vertical linear subarrays (M1r M2, ..., MN) spaced apart is used. one of the other. 35

3. Method according to claim 1 or larevendication 2, wherein during the observation step, is sent by the transducer array (4) signals generating substantially plane waves having different directions.

4. Method according to claim 1 or claim 2, wherein during the observation step, signals generating waves focused at different points in the liquid medium are emitted by the array of transducers (4). ). 10

5. Method according to any one of the preceding claims, in which during the observation step, the temporal responses between transducers (4) of the transducer array are determined, said temporal responses between transducers forming the response matrix. time.

6. Method according to any one of claims 1 to 4, wherein during the observation step, a number of signal combinations 20 generating waves in the liquid medium is emitted by the transducer array, and for each wave thus generated, a number Nr of combinations of signals picked up by the array of transducers is determined, the matrix of temporal responses being of dimension Ne * Nr.

The method according to claim 1, wherein during the sub-step (c1) of the processing step, determining a plurality of KM frequency transfer matrices on different limited time windows from said temporal response matrix. mid 30 K (t).

The method of claim 7, wherein said time windows are determined experimentally during an initial calibration step (a) to include response signals from a reflective object located in a given area.

The method according to any one of claims 7 to 8, wherein each time window corresponds to a predetermined zone of the liquid medium (1) located at a distance from the transducer array (4), and during the sub-phase. step (c3) of the processing step, eigenvalues of the time reversal operator are determined according to said distance.

10. Method according to any one of the preceding claims, wherein one calculates differences between eigenvalues corresponding to different acquisitions.

11. A method according to any one of the preceding claims, wherein during the sub-step (c1) of the processing step, the or each frequency transfer matrix K (w) is determined by Fourier transform of the matrix of temporal responses of the medium K (t).

The method according to any one of claims 1 to 10, wherein during the sub-step (c1) of the processing step, the or each frequency transfer matrix K (w) is determined in the form: K (w) = K1 (w) - Kref (w), where K1 (w) is a Fourier transform of the matrix of K (t) medium time responses and Kref (w) is a frequency transfer matrix of K (t) reference.

A method as claimed in any one of the preceding claims, wherein during the substep (c3) of the processing step eigenvalues of the time-reversal operator as a function of frequency are determined.

14. A method according to any one of the preceding claims, wherein during the substep (c3) of the processing step, eigenvectors vi (ca) of the time reversal operator are determined, then during the sub-step (c4), an acoustic propagation corresponding to these eigenvectors in the medium to determine a position of a reverberant object corresponding to each eigenvector.

15. The method of claim 14, wherein during the sub-step (c4) of the processing step, calculating is calculated an acoustic propagation corresponding to said eigenvectors Vi (w), and adapting a model of medium of propagation according to the calculation of propagation carried out.

16. The method of claim 15, wherein the model of the liquid medium has a certain depth of liquid (P), the computation of acoustic propagation, corresponding to said eigenvectors, gives, at least in certain cases, at least three images of a reverberant object at three different heights for at least one eigenvector, said images comprising a central image corresponding to said reverberant object and at least two virtual images corresponding to symmetrical points of said reverberant object respectively with respect to the background and the surface, and adapts the depth (P) of liquid of the model according to the height between said virtual images.

17. Method according to any one of the preceding claims, in which: during step (c3), eigenvectors of the time reversal operator are determined, - said substep (c3) is followed by a substep (c'3) during which at least one of said eigenvectors is emitted into the liquid medium (1) and an echo generated in return is received, and during the substep (c4), an acoustic propagation corresponding to this echo is calculated to locate at least one singularity (C) in said liquid medium.

18. An acoustic detection device for a liquid medium (1) having a depth (P) of less than 100 m, comprising at least one ultrasonic transducer array, this device further comprising at least one connected electronic central unit (12, 13). to the transducers (4) and adapted to: (b) cause the array of transducers (4) to transmit predetermined signals and to pick up response signals from said network to obtain a matrix K (t) of temporal responses of the medium, (cl) determining at least one frequency transfer matrix K (w) corresponding to said temporal response matrix of the medium, (c2) determining a time reversal operator ORT (w) = K * (w) K (), corresponding at or each transfer matrix K (), K * (w) being the complex conjugate matrix of KM, (c3) determining at least eigenvectors 20 and / or eigenvalues of said time reversal operator, (c4) detecting at least one sin uniformity (C) in the medium as a function of at least said eigenvectors and / or said eigenvalues.