FR3132584A1 - Process for reconstructing an image of a scene - Google Patents

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Abstract

La présente invention concerne un procédé de reconstruction d’une image d’une scène par un système d’antenne et comprenant, pour chaque pixel de l’image : a. recevoir des échantillons de signaux temporels à large bande rétrodiffusés par des réflecteurs de la scène ; b. pour chaque direction parmi une pluralité de directions, déterminer, à partir des échantillons reçus, des nouveaux échantillons d’un nouveau signal temporel respectivement associé à ladite chaque direction, chaque nouveau signal correspondant respectivement à une onde plane à large bande dans ladite chaque direction ; c. pour chaque direction parmi la pluralité de directions, sélectionner, parmi les nouveaux échantillons du nouveau signal temporel respectif, des échantillons correspondant à un temps de trajet aller et retour dudit nouveau signal depuis une origine de l’image jusqu’au dudit chaque pixel ; et d. déterminer une intensité lumineuse dudit chaque pixel à partir des échantillons retardés.[Fig. 5]The present invention relates to a method for reconstructing an image of a scene by an antenna system and comprising, for each pixel of the image: a. receive broadband temporal signal samples backscattered from stage reflectors; b. for each of a plurality of directions, determining, from the received samples, new samples of a new time signal respectively associated with said each direction, each new signal respectively corresponding to a broadband plane wave in said each direction; vs. for each direction among the plurality of directions, selecting, among the new samples of the respective new temporal signal, samples corresponding to a round trip time of said new signal from an origin of the image to said each pixel; and D. determining a light intensity of said each pixel from the delayed samples. [Fig. 5]

Description

Procédé de reconstruction d’une image d’une scèneProcess for reconstructing an image of a scene

La présente invention concerne le domaine de l’imagerie sonar ou radar, et la détection d’objets à partir d’un système d’antenne, sonar ou radar, notamment un système à ouverture synthétique.The present invention relates to the field of sonar or radar imaging, and the detection of objects from an antenna, sonar or radar system, in particular a synthetic aperture system.

La connaissance d’un environnement aquatique représente un enjeu majeur pour un grand nombre d’applications. Par exemple, l’exploration de l’environnement sous-marin joue un rôle très important dans de nombreux domaines, tels que l’industrie pétrolière ou le déploiement de navires civils ou militaires. Une imagerie précise d’objets immergés et/ou des fonds marins permet notamment d’inspecter des structures et de détecter des objets sous la surface de l’eau, tels que des épaves de navires ou des mines sous-marines, des câbles sous-marins ou encore des objets en mouvement.Knowledge of an aquatic environment represents a major challenge for a large number of applications. For example, the exploration of the underwater environment plays a very important role in many fields, such as the oil industry or the deployment of civil or military ships. Precise imaging of submerged objects and/or the seabed makes it possible to inspect structures and detect objects under the water surface, such as ship wrecks or underwater mines, underwater cables. sailors or moving objects.

Contrairement aux ondes électromagnétiques qui se propagent difficilement dans un milieu aquatique, les ondes acoustiques sont bien adaptées à la détection sous-marine et se sont rapidement imposées dans ce domaine. Les systèmes de sonar (pour « SOund Navigation And Ranging », en anglais) sont ainsi devenus des moyens privilégiés pour la bathymétrie et la détection d’objets dans des milieux aquatiques. La résolution angulaire d’un système sonar est liée à deux principaux paramètres : la fréquence de l’onde acoustique, et la longueur de l’antenne, composée d’un ou plusieurs capteurs. En augmentant la fréquence de l’onde acoustique, la résolution est améliorée, mais la portée du système diminue, de sorte que les possibilités d’applications sur des longues distances sont fortement réduites.Unlike electromagnetic waves which propagate with difficulty in an aquatic environment, acoustic waves are well suited to underwater detection and have quickly established themselves in this field. Sonar systems (for “SOund Navigation And Ranging”, in English) have thus become favored means for bathymetry and the detection of objects in aquatic environments. The angular resolution of a sonar system is linked to two main parameters: the frequency of the acoustic wave, and the length of the antenna, made up of one or more sensors. By increasing the frequency of the acoustic wave, the resolution is improved, but the range of the system decreases, so that the possibilities for applications over long distances are greatly reduced.

Inspirés par les travaux réalisés dans le domaine du radar (pour « RAdio Detection And Ranging » en anglais), des systèmes de sonar à ouverture synthétique (ou sonar à synthèse d’ouverture, ou SAS, pour « Synthetic Aperture Sonar » en anglais) ont commencé à émerger dans les années 1970. Le principe d’un système SAS est d’augmenter virtuellement la taille de l’antenne, en combinant les signaux issus de la rétrodiffusion d’impulsions sonores (aussi appelées « pings » en anglais) successives, et ainsi d’améliorer la résolution du système sonar.Inspired by work carried out in the field of radar (for “RAdio Detection And Ranging” in English), synthetic aperture sonar systems (or synthetic aperture sonar, or SAS, for “Synthetic Aperture Sonar” in English) began to emerge in the 1970s. The principle of a SAS system is to virtually increase the size of the antenna, by combining signals from the backscattering of successive sound pulses (also called “pings” in English). , and thus improve the resolution of the sonar system.

Un exemple de système SAS est représenté sur la , dans le cadre d’une antenne linéaire remorquée, montée sur un véhicule sous-marin autonome (ou AUV, pour « autonomous underwater vehicle » en anglais) se déplaçant selon une trajectoire rectiligne 101. Dans le cadre d’un système SAS actif, des ondes incidentes sous la forme d’impulsions sonores sont émises par l’antenne linéaire à différentes positions 103a, 103b, 103c, 103d le long de la trajectoire 101. Lorsqu’une onde incidente entre en interaction avec un objet 102, une fraction de cette onde incidente est retournée dans la direction d’où elle provient (phénomène de rétrodiffusion, ou « backscatter » en anglais). Les signaux rétrodiffusés peuvent être combinés pour produire une image du fond marin, et en particulier de l’objet 102 (fixe ou mobile) situé dans le champ de l’antenne, par exemple au fond de la mer. Plus précisément, en réalisant une intégration cohérente des signaux rétrodiffusés prenant en compte les retards (ou différences de marche) des signaux les uns par rapport aux autres du fait des positions successives de l’antenne, il est possible de simuler une antenne dite « synthétique » de grande dimension (de longueur LSAlargement supérieure à la longueur LRde l’antenne réelle), qu’il serait impossible de réaliser pour des raisons techniques et de coût. La résolution du système SAS est donc grandement améliorée par rapport à un système sonar classique.An example of a SAS system is shown in the , as part of a towed linear antenna, mounted on an autonomous underwater vehicle (or AUV, for “autonomous underwater vehicle” in English) moving along a rectilinear trajectory 101. As part of an active SAS system, incident waves in the form of sound pulses are emitted by the linear antenna at different positions 103a, 103b, 103c, 103d along the trajectory 101. When an incident wave interacts with an object 102, a fraction of this incident wave is returned in the direction from which it came (backscatter phenomenon, or “backscatter” in English). The backscattered signals can be combined to produce an image of the seabed, and in particular of the object 102 (fixed or mobile) located in the field of the antenna, for example at the bottom of the sea. More precisely, by carrying out a coherent integration of the backscattered signals taking into account the delays (or path differences) of the signals relative to each other due to the successive positions of the antenna, it is possible to simulate a so-called “synthetic” antenna of large size (of length L SA much greater than the length L R of the real antenna), which it would be impossible to achieve for technical and cost reasons. The resolution of the SAS system is therefore greatly improved compared to a conventional sonar system.

Il est conceptuellement très commode de traiter l’objet 102 comme une source fictive rayonnant vers le véhicule avec une vitesse du son fictive égale à la vitesse réelle divisée par deux (ce modèle est connu en sismique sous le nom de « modèle du réflecteur explosant », ou « exploding reflector model » en anglais). Le facteur deux est introduit pour compenser la différence entre le trajet aller-retour dans le cas réel et le trajet simple dans le cas fictif. L’imagerie s’apparente alors à la reconstruction d’un champ de telles sources. Lorsque ce champ ne comporte qu’une seule source ponctuelle, située par exemple en 102, l’image correspondante s’appelle la fonction d’étalement du point (« point spread function » en anglais), ou réponse impulsionnelle spatiale, et suffit à caractériser complètement le système d’imagerie, par le principe de superposition des systèmes linéaires.It is conceptually very convenient to treat the object 102 as a fictitious source radiating towards the vehicle with a fictitious speed of sound equal to the real speed divided by two (this model is known in seismics as the "exploding reflector model") , or “exploding reflector model” in English). The factor two is introduced to compensate for the difference between the round trip in the real case and the one-way trip in the fictitious case. The imagery is then akin to the reconstruction of a field of such sources. When this field includes only one point source, located for example at 102, the corresponding image is called the point spread function, or spatial impulse response, and is sufficient to completely characterize the imaging system, by the principle of superposition of linear systems.

Le traitement des données dans un système SAS nécessite une connaissance précise des différences de marche entre les signaux rétrodiffusés reçus à différentes positions de l’antenne, et donc en particulier les mouvements du véhicule sous-marin autonome. Toutefois, une telle connaissance est difficile à obtenir, comme le montre la , qui représente un exemple de trajectoire théorique et un exemple de trajectoire réelle d’un véhicule marin ou sous-marin autonome. Sur cet exemple, le véhicule sous-marin autonome 104 est supposé suivre une trajectoire théorique rectiligne 105 représentée en haut de la . Du fait des mouvements parasites (par exemple, lacet, tangage, embardée, etc) liés à l’environnement aquatique, la trajectoire réelle 106 effectivement suivie par le véhicule 104 peut être très différente de la trajectoire théorique 105, comme représenté en bas de la . En plus de la courbure de la trajectoire réelle 106, il est noté que le véhicule 104 peut être orienté le long d’un axe faisant un angle α par rapport à la direction de la trajectoire nominale, comme représenté sur la . Un tel angle peut se développer en particulier en présence d’un courant perpendiculaire à la trajectoire. Plusieurs méthodes de l’art antérieur permettent de mesurer efficacement les erreurs de trajectoire, c’est-à-dire les différences entre la trajectoire réelle 106 et la trajectoire théorique 105 suivie par le véhicule 104, ainsi que les attitudes du véhicule (par exemple l’angle α représenté en bas de la ). Ces méthodes permettent de déterminer les positions de l’antenne et les différences de marche successives de manière précise. Cependant, la connaissance de ces éléments n’est pas suffisante, il faut également que les méthodes de formation d’images à partir des données collectées puissent les intégrer de manière efficace.Data processing in a SAS system requires precise knowledge of the path differences between the backscattered signals received at different antenna positions, and therefore in particular the movements of the autonomous underwater vehicle. However, such knowledge is difficult to obtain, as shown in the , which represents an example of a theoretical trajectory and an example of a real trajectory of an autonomous marine or underwater vehicle. In this example, the autonomous underwater vehicle 104 is supposed to follow a theoretical rectilinear trajectory 105 represented at the top of the . Due to parasitic movements (for example, yaw, pitch, yaw, etc.) linked to the aquatic environment, the real trajectory 106 actually followed by the vehicle 104 can be very different from the theoretical trajectory 105, as shown at the bottom of the . In addition to the curvature of the real trajectory 106, it is noted that the vehicle 104 can be oriented along an axis making an angle α with respect to the direction of the nominal trajectory, as shown in the . Such an angle can develop in particular in the presence of a current perpendicular to the trajectory. Several methods of the prior art make it possible to effectively measure trajectory errors, that is to say the differences between the real trajectory 106 and the theoretical trajectory 105 followed by the vehicle 104, as well as the attitudes of the vehicle (for example the angle α represented at the bottom of the ). These methods make it possible to determine the positions of the antenna and the successive path differences precisely. However, knowledge of these elements is not sufficient; the methods for forming images from the collected data must also be able to integrate them effectively.

De manière schématique, il existe dans l’art antérieur deux types de méthodes utilisées pour la formation d’images dans les systèmes SAS : les méthodes temporelles (c’est-à-dire les méthodes dans lesquelles les données sont traitées uniquement dans le domaine temporel), et les méthodes fréquentielles (c’est-à-dire les méthodes dans lesquelles les données sont traitées uniquement dans le domaine fréquentiel).Schematically, there are in the prior art two types of methods used for the formation of images in SAS systems: temporal methods (i.e. methods in which data is processed only in the domain temporal), and frequency methods (i.e. methods in which data is processed only in the frequency domain).

Les méthodes temporelles, telles que l’algorithme de rétroprojection (ou « backprojection » en anglais), aussi appelé filtrage spatial par retard et sommation (ou « delay and sum beamforming » en anglais), intègrent avantageusement toutes les différences de marche déterminées, conduisant ainsi à une reconstruction très précise du fond marin et de l’objet. Globalement, l’algorithme de rétroprojection repose sur le calcul de la somme des signaux reçus par les différents capteurs de l’antenne à différentes positions, auxquels on a appliqué des retards respectifs pour compenser leurs temps de propagation aller-retour depuis le capteur jusqu’au pixel de l’image considéré. Dans ce qui suit, une telle application d’un retard à un signal pour compenser son temps de propagation est appelée « rétropropagation », « rétroprojection » ou encore « migration » (terminologie empruntée du domaine de la sismique). Dans l’algorithme de migration, les signaux reçus sont modélisés par des ondes cylindriques ou sphériques, que l’on migre vers l’endroit où est supposée être localisée la source et que l’on somme, pour obtenir un nouveau signal dont on peut ensuite calculer l’énergie afin d’en déduire la puissance de diffusion de la source (et donc l’intensité du pixel de l’image associé à cette source). De telles méthodes sont très coûteuses en termes de calcul. En effet, à cause de la courbure des surfaces d’onde, on ne peut pas migrer les ondes vers tout un groupe de pixels à la fois, par exemple toute une ligne ou toute une colonne de l’image. Il faut recommencer la migration, et les interpolations associées, pour chaque pixel de l’image, ce qui nécessite un calculateur ayant un poids et une consommation d’énergie élevés. Ces contraintes ne sont pas acceptables dans le cadre d’applications embarquées sur des véhicules marins ou sous-marins autonomes.Temporal methods, such as the backprojection algorithm, also called spatial filtering by delay and sum beamforming, advantageously integrate all the determined path differences, leading thus to a very precise reconstruction of the seabed and the object. Overall, the rear projection algorithm is based on the calculation of the sum of the signals received by the different sensors of the antenna at different positions, to which respective delays have been applied to compensate for their round trip propagation times from the sensor to at the pixel of the image considered. In what follows, such application of a delay to a signal to compensate for its propagation time is called “backpropagation”, “backprojection” or even “migration” (terminology borrowed from the field of seismics). In the migration algorithm, the received signals are modeled by cylindrical or spherical waves, which are migrated towards the place where the source is supposed to be located and which are summed, to obtain a new signal from which we can then calculate the energy in order to deduce the diffusion power of the source (and therefore the intensity of the pixel of the image associated with this source). Such methods are very computationally expensive. Indeed, because of the curvature of the wave surfaces, we cannot migrate the waves towards an entire group of pixels at the same time, for example an entire row or an entire column of the image. It is necessary to restart the migration, and the associated interpolations, for each pixel of the image, which requires a calculator with a high weight and energy consumption. These constraints are not acceptable in the context of on-board applications on autonomous marine or underwater vehicles.

D’un autre côté, les méthodes fréquentielles, telles que l’algorithme Omega-k (ou ω-k), sont bien plus rapides car elles nécessitent beaucoup moins de calculs et requièrent une consommation électrique plus faible. Ces méthodes reposent principalement sur le théorème de diffraction de Fourier, qui utilise des ondes planes monochromatiques, i.e. des ondes planes à bande étroite (plus précisément, ce théorème fournit la transformée de Fourier du champ diffusé ou rétrodiffusé associé à un objet insonifié par une onde plane monochromatique). Cependant, le théorème de diffraction de Fourier présuppose une antenne « idéale », i.e. une antenne suivant un mouvement rectiligne uniforme. Pour cette raison, les méthodes fréquentielles prennent difficilement en compte les déformations d’antenne (c’est-à-dire les erreurs de trajectoire et d’angle évoquées plus haut) et encore plus difficilement leur variation dans le temps, c’est-à-dire les déformations dynamiques. Dans les méthodes fréquentielles existantes, des approximations sont réalisées pour intégrer les erreurs de trajectoire estimées et des algorithmes de « compensation de mouvement » sont utilisés, mais les résultats obtenus restent nettement moins bons que ceux des méthodes temporelles.On the other hand, frequency methods, such as the Omega-k (or ω-k) algorithm, are much faster because they require much less calculations and require lower power consumption. These methods are mainly based on the Fourier diffraction theorem, which uses monochromatic plane waves, i.e. narrow-band plane waves (more precisely, this theorem provides the Fourier transform of the scattered or backscattered field associated with an object insonified by a wave monochromatic plane). However, Fourier's diffraction theorem presupposes an "ideal" antenna, i.e. an antenna following a uniform rectilinear movement. For this reason, frequency methods have difficulty taking into account antenna deformations (i.e. the trajectory and angle errors mentioned above) and even more difficult their variation over time, i.e. i.e. dynamic deformations. In existing frequency methods, approximations are made to integrate the estimated trajectory errors and “motion compensation” algorithms are used, but the results obtained remain significantly worse than those of temporal methods.

Il y a donc un besoin pour une méthode de formation d’image qui soit à la fois rapide, précise, et à faible consommation énergétique, pour être mise en œuvre au sein d’un système SAS embarqué sur un véhicule autonome pourvu de ressources limitées.There is therefore a need for an image formation method that is both fast, precise, and low energy consumption, to be implemented within a SAS system onboard an autonomous vehicle with limited resources. .

Il est noté que, si les principes et les modes de réalisation décrits se révèlent particulièrement avantageux dans le domaine des sonars à antenne synthétique, ils sont aussi applicables dans domaine des radars à antenne synthétique (ou radars à synthèse d’ouverture, ou SAR, pour « Synthetic Aperture Radar » en anglais) et présentent les mêmes avantages en termes de consommation énergétique, de rapidité de calcul et de précision. En outre, même si l’invention est particulièrement avantageuse dans le cadre des systèmes d’antenne à ouverture synthétique, elle est applicable pour d’autres types de systèmes d’antenne, notamment des systèmes comprenant une antenne physique émettant un ensemble d’impulsions et recevant des signaux rétrodiffusés en réponse à ces impulsions. De tels systèmes sont notamment utilisés dans l’imagerie médicale ultrasonore.It is noted that, if the principles and embodiments described prove to be particularly advantageous in the field of synthetic antenna sonars, they are also applicable in the field of synthetic antenna radars (or synthetic aperture radars, or SAR, for “Synthetic Aperture Radar” in English) and have the same advantages in terms of energy consumption, calculation speed and precision. Furthermore, even if the invention is particularly advantageous in the context of synthetic aperture antenna systems, it is applicable for other types of antenna systems, in particular systems comprising a physical antenna emitting a set of pulses and receiving backscattered signals in response to these pulses. Such systems are particularly used in ultrasound medical imaging.

Pour répondre à au moins un des problèmes mentionnés ci-dessus, l’invention propose de décomposer des signaux à large bande reçus par un système sonar ou radar à antenne synthétique depuis une source en une pluralité d’ondes planes à large bande dans le domaine temporel, grâce à une méthode de formation de voies temporelle à large bande et en champ lointain. Puis, pour chaque onde plane formée, une migration de cette onde vers un pixel de l’image où est supposée être localisée la source est mise en œuvre, dans le domaine temporel également. Comme détaillé plus bas, ces deux principales étapes peuvent être mises en œuvre avec un coût calculatoire raisonnable. En outre, l’utilisation de signaux à large bande est bien adaptée aux signaux sonar (ainsi qu’à certains systèmes radar), et permet donc des résultats plus précis que les méthodes de l’art antérieur reposant sur des signaux à bande étroite. La méthode proposée est donc à la fois précise et peu coûteuse en termes de calculsTo respond to at least one of the problems mentioned above, the invention proposes to decompose broadband signals received by a sonar or radar system with a synthetic antenna from a source into a plurality of broadband plane waves in the domain temporal, using a broadband and far-field temporal channel forming method. Then, for each plane wave formed, a migration of this wave towards a pixel of the image where the source is supposed to be located is implemented, also in the temporal domain. As detailed below, these two main steps can be implemented with a reasonable computational cost. Furthermore, the use of wideband signals is well suited to sonar signals (as well as some radar systems), and therefore allows more precise results than prior art methods relying on narrowband signals. The proposed method is therefore both precise and inexpensive in terms of calculations.

Il est ainsi proposé un procédé de reconstruction d’une image d’une scène par un système d’antenne, ladite image comprenant une pluralité de pixels, le procédé étant mis en œuvre par ordinateur et comprenant, pour chaque pixel parmi la pluralité de pixels :A method is thus proposed for reconstructing an image of a scene by an antenna system, said image comprising a plurality of pixels, the method being implemented by computer and comprising, for each pixel among the plurality of pixels :

a. recevoir des échantillons de signaux temporels à large bande rétrodiffusés par des réflecteurs de la scène pour un ou plusieurs capteurs du système d’antenne ;has. receive samples of broadband temporal signals backscattered from reflectors in the scene to one or more sensors of the antenna system;

b. pour chaque direction parmi une pluralité de directions, calculer, à partir des échantillons reçus par ledit un ou plusieurs capteurs, des nouveaux échantillons d’un nouveau signal temporel respectivement associé à ladite chaque direction, chaque nouveau signal correspondant respectivement à une onde plane à large bande dans ladite chaque direction ;b. for each direction among a plurality of directions, calculate, from the samples received by said one or more sensors, new samples of a new temporal signal respectively associated with said each direction, each new signal corresponding respectively to a wide plane wave strip in said each direction;

c. pour chaque direction parmi la pluralité de directions, sélectionner, parmi les nouveaux échantillons du nouveau signal temporel respectif, des échantillons correspondant à un temps de trajet aller et retour dudit nouveau signal depuis une origine de l’image jusqu’au dudit chaque pixel ; etvs. for each direction among the plurality of directions, selecting, among the new samples of the respective new temporal signal, samples corresponding to a round trip time of said new signal from an origin of the image to said each pixel; And

d. déterminer une intensité lumineuse dudit chaque pixel à partir des échantillons sélectionnés.d. determine a light intensity of said each pixel from the selected samples.

Par « système d’antenne », il est entendu un système comprenant une antenne physique, ou un système d’antenne à synthèse d’ouverture. Par « scène », il est entendu une portion de l’espace dont on cherche à reconstruire une image. Par exemple, dans le cas d’un système sonar à antenne synthétique, la scène peut désigner une portion limitée du fond marin, dont on veut obtenir une image. Alternativement on peut désirer obtenir une image en continu du fond marin, auquel cas ce fond est découpé au préalable en portions limitées dont des images sont obtenues comme décrit précédemment puis juxtaposées pour faire une image en continu.By “antenna system” is meant a system comprising a physical antenna, or a synthetic aperture antenna system. By “scene”, we mean a portion of the space of which we seek to reconstruct an image. For example, in the case of a sonar system with a synthetic antenna, the scene can designate a limited portion of the seabed, of which we want to obtain an image. Alternatively, one may wish to obtain a continuous image of the seabed, in which case this bottom is cut beforehand into limited portions, images of which are obtained as described previously and then juxtaposed to make a continuous image.

La présente invention utilise avantageusement des signaux à large bande, et permet d’obtenir des résultats plus précis que les méthodes qui présupposent des signaux à bande étroite, cette hypothèse n’étant souvent pas valable dans de nombreuses applications comme l’imagerie du fond marin par exemple.The present invention advantageously uses wideband signals, and makes it possible to obtain more precise results than methods which assume narrowband signals, this assumption often not being valid in many applications such as seafloor imaging. For example.

Il est noté que l’étape b correspond typiquement à une étape de formation de voies, qui est une technique bien connue dans le domaine du traitement d’antennes pour localiser des sources, au cours de laquelle les signaux reçus par les différents capteurs sont combinés de sorte à former de nouveaux signaux associés à un ensemble de directions données. La formation de voies consiste à compenser les différences de marche entre les capteurs dans les directions données. Dans les traitements d’antenne synthétique, qui utilisent des signaux reçus de plusieurs émissions successives, il est nécessaire de compenser ces différences de marche sur les trajets aller-retour. Il est possible d’approximer le temps de trajet aller-retour vers un objet 102 par le double du temps de trajet « simple » entre un point géométrique fictif de l’espace, appelé centre de phase, et le dit objet, comme si l’émission et la réception avait lieu au même endroit. Le centre de phase correspond au point milieu entre la position dans l’espace occupée par l’émetteur à l’instant de l’émission et celle occupée par le capteur de réception à l’instant de réception de l’écho de l’objet 102. Cette approximation permet de simplifier l’exposé de l’invention mais elle n’est nullement obligatoire. Il est également possible de calculer exactement les temps de trajet aller-retour en prenant en compte la séparation spatiale entre émission et réception. Dans le cadre de la présente invention, les nouveaux signaux formés correspondent à des ondes planes, comme si l’objet 102 était situé à l’infini. Il s’agit d’une méthode de formation de voies dite en champ lointain. L’emploi d’une telle méthode pour une antenne synthétique fait partie de l’originalité de l’invention car il est bien connu que l’imagerie synthétique s’effectue en champ proche dans la grande majorité des cas. Pour de nombreux systèmes sonar à haute résolution, l’objet 102 est à quelques centaines de mètres du sonar alors que le champ lointain de l’antenne synthétique est à plusieurs kilomètres. C’est pour cette raison que toutes les méthodes temporelles de l’art antérieur utilisent des ondes sphériques ou cylindriques, c’est-à-dire des méthodes de formation de voies dite en champ proche, qui seules permettent d’obtenir en une seule étape une image correctement focalisée. Dans l’invention, la formation de voies en champ lointain n’est qu’une seconde étape b, l’image focalisée étant produite seulement à l’étape suivante c. La décomposition en ondes planes ne vise pas à focaliser une image mais à réduire la charge de calcul.It is noted that step b typically corresponds to a channel formation step, which is a well-known technique in the field of antenna processing for locating sources, during which the signals received by the different sensors are combined so as to form new signals associated with a set of given directions. Lane formation involves compensating for differences in path between sensors in given directions. In synthetic antenna processing, which uses signals received from several successive transmissions, it is necessary to compensate for these differences in operation on the round-trip paths. It is possible to approximate the round-trip travel time to an object 102 by twice the "simple" travel time between a fictitious geometric point in space, called the phase center, and the said object, as if The transmission and reception took place at the same place. The phase center corresponds to the midpoint between the position in space occupied by the transmitter at the time of transmission and that occupied by the receiving sensor at the time of reception of the echo from the object 102. This approximation makes it possible to simplify the presentation of the invention but it is in no way obligatory. It is also possible to accurately calculate round-trip travel times by taking into account the spatial separation between transmission and reception. In the context of the present invention, the new signals formed correspond to plane waves, as if the object 102 were located at infinity. This is a so-called far-field method of channel formation. The use of such a method for a synthetic antenna is part of the originality of the invention because it is well known that synthetic imaging is carried out in the near field in the vast majority of cases. For many high-resolution sonar systems, object 102 is a few hundred meters from the sonar while the far field of the synthetic antenna is several kilometers away. It is for this reason that all the temporal methods of the prior art use spherical or cylindrical waves, that is to say methods of forming channels known as near field, which alone make it possible to obtain in a single stage a properly focused image. In the invention, the formation of far-field channels is only a second step b, the focused image being produced only in the next step c. The plane wave decomposition does not aim to focus an image but to reduce the computational load.

L’étape c correspond à une migration des ondes planes ainsi formées vers les pixels de l’image où sont supposées être situées les sources qui leur ont donné naissance. A la différence des méthodes de l’art antérieur, les ondes migrées sont les ondes planes nouvellement formées et non les ondes sphériques ou cylindriques reçues, ce qui s’avère bien plus efficace en temps de calcul car la migration peut s’effectuer simultanément pour tous les pixels d’une ligne ou une colonne de l’image par une simple dilatation du signal, sans qu’il y ait besoin de recommencer la migration pour chaque pixel.Step c corresponds to a migration of the plane waves thus formed towards the pixels of the image where the sources which gave rise to them are supposed to be located. Unlike the methods of the prior art, the migrated waves are the newly formed plane waves and not the spherical or cylindrical waves received, which turns out to be much more efficient in calculation time because the migration can be carried out simultaneously for all the pixels of a row or column of the image by a simple dilation of the signal, without the need to restart the migration for each pixel.

L’intensité lumineuse d’un pixel peut correspondre à son niveau de gris.The light intensity of a pixel can correspond to its gray level.

Un tel procédé permet avantageusement de construire une image d’une scène observée par un système à synthèse d’ouverture de manière rapide, précise et à faible consommation énergétique.Such a method advantageously makes it possible to construct an image of a scene observed by an aperture synthesis system quickly, precisely and with low energy consumption.

Dans un ou plusieurs modes de réalisation, le système d’antenne peut être un radar à synthèse d’ouverture ou un sonar à synthèse d’ouverture.In one or more embodiments, the antenna system may be a synthetic aperture radar or a synthetic aperture sonar.

Dans le cas d’un sonar à synthèse d’ouverture, la scène peut correspondre à une portion limitée d’un fond marin.In the case of a synthetic aperture sonar, the scene can correspond to a limited portion of the seabed.

Dans un ou plusieurs modes de réalisation, le procédé peut en outre comprendre une réception de données relatives à une variation de mouvement du système par rapport à une trajectoire théorique. Les nouveaux échantillons des nouveaux signaux temporels peuvent alors être en outre calculés à partir desdites données. En outre, comme le traitement se fait dans le domaine temporel et non fréquentiel, ces variations de mouvement peuvent elles-mêmes varier rapidement dans le temps sans que la charge de calcul en soit affectée.In one or more embodiments, the method may further include receiving data relating to a variation in movement of the system relative to a theoretical trajectory. The new samples of the new time signals can then be further calculated from said data. Furthermore, as the processing is done in the time and non-frequency domain, these motion variations can themselves vary rapidly over time without the computational load being affected.

Ainsi, le procédé intègre avantageusement les erreurs de mouvement et leur variation dans le temps, et fournit des résultats bien plus précis que les méthodes fréquentielles qui ont beaucoup de difficultés à traiter les déformations dynamiques de l’antenne synthétique.Thus, the method advantageously integrates movement errors and their variation over time, and provides much more precise results than frequency methods which have great difficulty in dealing with the dynamic deformations of the synthetic antenna.

Dans un ou plusieurs modes de réalisation, les nouveaux échantillons des nouveaux signaux temporels peuvent être calculés grâce à une méthode de formation de voies temporelle à large bande et en champ lointain.In one or more embodiments, the new samples of the new temporal signals may be calculated using a wide-band, far-field temporal channeling method.

Dans ces modes des réalisations, la méthode de formation de voies repose sur l’hypothèse que les sources sont situés en champ lointain, c’est-à-dire suffisamment loin des capteurs pour que le front d’onde des signaux reçus puisse être considéré comme plan.In these embodiments, the channel formation method is based on the hypothesis that the sources are located in the far field, that is to say sufficiently far from the sensors so that the wave front of the signals received can be considered as a plan.

Par exemple, la formation des voies temporelle à large bande et en champ lointain peut être basée sur un algorithme itératif du genre de celui décrit dans « A fast beamforming algorithm » de Kenneth M. Houston, IEEE Oceans Conference Record 1 (1994) 211-216 ou des algorithmes de même nature qui sont connus de l’homme de l’art.For example, the formation of broadband and far-field temporal channels can be based on an iterative algorithm of the kind described in “A fast beamforming algorithm” by Kenneth M. Houston, IEEE Oceans Conference Record 1 (1994) 211- 216 or algorithms of the same nature which are known to those skilled in the art.

Comme décrit ci-dessous, cet algorithme a une complexité calculatoire en O(Nlog2N), tandis que les méthodes de formation de voies temporelles ont généralement une complexité calculatoire en O(N2). Un tel algorithme permet donc de mettre en œuvre l’étape b de manière rapide.As described below, this algorithm has a computational complexity of O(Nlog 2 N), while temporal pathway forming methods typically have a computational complexity of O(N 2 ). Such an algorithm therefore makes it possible to implement step b quickly.

Dans un ou plusieurs modes de réalisation, l’étape c peut comprendre une mise en œuvre d’au moins une transformée en Z-Chirp, qui est une transformée permettant de dilater ou comprimer un signal de manière efficace.In one or more embodiments, step c may include an implementation of at least one Z-Chirp transform, which is a transform making it possible to expand or compress a signal efficiently.

La transformée en Z-Chirp a aussi une complexité calculatoire en O(Nlog2N), permettant ainsi une mise en œuvre rapide de l’étape c.The Z-Chirp transform also has a computational complexity of O(Nlog 2 N), thus allowing rapid implementation of step c.

Dans un ou plusieurs modes de réalisation, l’intensité lumineuse dudit chaque pixel peut être fonction d’une somme de valeurs des échantillons sélectionnés.In one or more embodiments, the light intensity of said each pixel may be a function of a sum of values of the selected samples.

Un autre aspect de l’invention concerne un dispositif de reconstruction d’une image d’une scène à partir de données issues d’un système d’antenne à synthèse d’ouverture, ladite image comprenant une pluralité de pixels. Ce dispositif peut comprendre :Another aspect of the invention relates to a device for reconstructing an image of a scene from data coming from a synthetic aperture antenna system, said image comprising a plurality of pixels. This device may include:

une interface d’entrée pour :an input interface for:

a. recevoir des échantillons de signaux temporels à large bande rétrodiffusés par des réflecteurs de la scène pour un ou plusieurs capteurs du système d’antenne.has. receive samples of broadband temporal signals backscattered from reflectors in the scene to one or more sensors of the antenna system.

Le dispositif peut en outre comprendre un circuit pour mettre en œuvre, pour chaque pixel parmi la pluralité de pixels :The device may further comprise a circuit for implementing, for each pixel among the plurality of pixels:

b. pour chaque direction parmi une pluralité de directions, calculer, à partir des échantillons reçus par ledit un ou plusieurs capteurs, des nouveaux échantillons d’un nouveau signal temporel respectivement associé à ladite chaque direction, chaque nouveau signal correspondant respectivement à une onde plane à large bande dans ladite chaque direction ;b. for each direction among a plurality of directions, calculate, from the samples received by said one or more sensors, new samples of a new temporal signal respectively associated with said each direction, each new signal corresponding respectively to a wide plane wave strip in said each direction;

c. pour chaque direction parmi la pluralité de directions, sélectionner, parmi les nouveaux échantillons du nouveau signal temporel respectif, des échantillons correspondant à un temps de trajet aller et retour dudit nouveau signal depuis une origine de l’image jusqu’au dudit chaque pixel ; etvs. for each direction among the plurality of directions, selecting, among the new samples of the respective new temporal signal, samples corresponding to a round trip time of said new signal from an origin of the image to said each pixel; And

d. déterminer une intensité lumineuse dudit chaque pixel à partir des échantillons sélectionnés.d. determine a light intensity of said each pixel from the selected samples.

Le dispositif de reconstruction d’une image peut être intégré au système d’antenne à synthèse d’ouverture, ou être un dispositif séparé du système d’antenne à synthèse d’ouverture.The image reconstruction device may be integrated into the synthetic aperture antenna system, or be a separate device from the synthetic aperture antenna system.

Un programme informatique, mettant en œuvre tout ou partie du procédé décrit ci-avant, installé sur un équipement préexistant, est en lui-même avantageux, dès lors qu’il permet d’obtenir une image de la scène de façon précise et avec un coût de calcul relativement réduit.A computer program, implementing all or part of the process described above, installed on pre-existing equipment, is in itself advantageous, since it makes it possible to obtain an image of the scene precisely and with a relatively low computational cost.

Ainsi, la présente invention vise également un programme informatique comportant des instructions pour la mise en œuvre du procédé précédemment décrit, lorsque ce programme est exécuté par un processeur.Thus, the present invention also targets a computer program comprising instructions for implementing the method described above, when this program is executed by a processor.

Ce programme peut utiliser n’importe quel langage de programmation (par exemple, un langage objet ou autre), et être sous la forme d’un code source interprétable, d’un code partiellement compilé ou d’un code totalement compilé.This program may use any programming language (for example, an object language or other), and be in the form of interpretable source code, partially compiled code, or fully compiled code.

La décrite en détails ci-après, peut former l’organigramme de l’algorithme général d’un tel programme informatique, selon un ou plusieurs modes de réalisation.There described in detail below, can form the flowchart of the general algorithm of such a computer program, according to one or more embodiments.

Un autre aspect concerne un support d’enregistrement non-transitoire d’un programme exécutable par ordinateur, comprenant un ensemble de données représentant un ou plusieurs programmes, lesdits un ou plusieurs programmes comprenant des instructions pour, lors de l’exécution desdits un ou plusieurs programmes par un ordinateur comprenant une unité de traitement couplée de manière opérationnelle à des moyens mémoire et à un module d’interface entrées/sorties, pour exécuter tout ou partie du procédé décrit ci-avant.Another aspect relates to a non-transitory recording medium of a computer executable program, comprising a set of data representing one or more programs, said one or more programs comprising instructions for, during the execution of said one or more programs by a computer comprising a processing unit operationally coupled to memory means and to an input/output interface module, to execute all or part of the method described above.

D’autres caractéristiques, détails et avantages de l’invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée ci-après. Celle-ci est purement illustrative et doit être lue en regard des dessins annexés, sur lesquels :Other characteristics, details and advantages of the invention will appear on reading the detailed description below. This is purely illustrative and must be read in conjunction with the accompanying drawings, in which:

La représente un exemple de système de sonar à ouverture synthétique ; There represents an example of a synthetic aperture sonar system;

La illustre un exemple d’une trajectoire théorique et d’une trajectoire réelle d’un véhicule sous-marin autonome sur lequel est monté une antenne dans le cadre d’un système de sonar à ouverture synthétique ; There illustrates an example of a theoretical trajectory and a real trajectory of an autonomous underwater vehicle on which an antenna is mounted as part of a synthetic aperture sonar system;

La représente un exemple de système de coordonnées pouvant être utilisé pour décrire le mouvement du centre de phase C du sonar dans des modes de réalisation de l’invention ; There shows an example of a coordinate system that can be used to describe the movement of the sonar phase center C in embodiments of the invention;

La est une illustration du théorème de diffraction de Fourier ; There is an illustration of Fourier's diffraction theorem;

La représente un exemple de migration d’une onde plane vers un pixel de l’image ; There represents an example of migration of a plane wave towards a pixel of the image;

La est un ordinogramme d’un procédé de reconstruction de l’image d’un objet selon un ou plusieurs modes de réalisation ; There is a flowchart of a process for reconstructing the image of an object according to one or more embodiments;

La représente les échantillons du signal dans le plan de Fourier à différentes étapes de la migration, selon un ou plusieurs modes de réalisation ; There represents the samples of the signal in the Fourier plane at different stages of the migration, according to one or more embodiments;

et LesFigures 7aet7breprésentent respectivement les fonctions d’étalement du point obtenues par une méthode de l’art antérieur d’une part, et d’une méthode de reconstruction d’image selon un mode de réalisation de l’invention d’autre part ; And Figures 7a and 7b respectively represent the point spreading functions obtained by a method of the prior art on the one hand, and an image reconstruction method according to an embodiment of the invention on the other. go ;

La représente un bloc-diagramme schématique d'un dispositif de traitement de l’information pour la mise en œuvre d'un ou plusieurs modes de réalisation de l'invention. There represents a schematic block diagram of an information processing device for implementing one or more embodiments of the invention.

Description détailléedetailed description

Dans ce qui suit, il est supposé dans un premier temps que le dispositif mobile sur lequel est montée l’antenne utilisée pour reconstruire une image, par exemple un véhicule marin ou sous-marin autonome, suit un mouvement théorique rectiligne uniforme. Il est noté que les termes « antenne » et « sonar » sont utilisés de manière interchangeable. Dans ce contexte, le centre de phase du sonar, noté C et défini comme le point situé au milieu de la position occupée par le sonar au moment de la transmission de l’onde acoustique et de la position occupée par le sonar au moment de la réception de l’onde rétrodiffusée par un objet ou par le fond marin dans une direction donnée, se déplace en théorie à vitesse constante le long d’un axe (Ox). Les erreurs de trajectoires présentées précédemment et illustrées à la sont supposées connues, par exemple grâce une méthode de l’art antérieur, telle que la méthode décrite dans la demande de brevet FR 1457951 déposée le 25 août 2014 au nom d’ECA ROBOTICS.In what follows, it is initially assumed that the mobile device on which the antenna used to reconstruct an image is mounted, for example an autonomous marine or underwater vehicle, follows a theoretical uniform rectilinear movement. It is noted that the terms “antenna” and “sonar” are used interchangeably. In this context, the phase center of the sonar, denoted C and defined as the point located in the middle of the position occupied by the sonar at the time of transmission of the acoustic wave and the position occupied by the sonar at the time of reception of the wave backscattered by an object or by the seabed in a given direction, theoretically moves at constant speed along an axis (Ox). The trajectory errors presented previously and illustrated in are assumed to be known, for example thanks to a method of the prior art, such as the method described in patent application FR 1457951 filed on August 25, 2014 in the name of ECA ROBOTICS.

La représente un exemple de système de coordonnées pouvant être utilisé pour décrire le mouvement du centre de phase C du sonar dans des modes de réalisation de l’invention. Sur la , le point S représente la source du signal reçu par un des capteurs de l’antenne. Par « source », il est entendu un point de la scène observée (i.e. de l’espace insonifié par l’antenne synthétique) dont on souhaite obtenir une image, chaque pixel de l’image correspondant par exemple à la puissance du champ diffusé par un point de cette scène. Par exemple, la source peut correspondre à un point d’un objet situé au fond de l’eau. Selon l’exemple de la , le centre de phase C du sonar est supposé, en théorie, se déplacer le long de l’axe (Ox) à vitesse constante. La distance x entre l’origine O du système de coordonnées et le point C le long de l’axe (Ox) de déplacement du sonar est couramment appelée « azimuth » dans la litérature SAR en anglais. La distance r correspond à la distance orthogonale de S à l’axe (Ox) et est couramment appelée « slant range » ou simplement « range » dans la litérature SAR en anglais. Le système de coordonnées représenté est un système de coordonnées cylindriques dans lequel l’axe du cylindre correspond à l’axe de la trajectoire (Ox). En raison de la symétrie de révolution autour de l’axe (Ox), l’étude des signaux reçus depuis une source S vers le centre de phase C du sonar peut être réalisée dans l’espace à deux dimensions Oxr. L’angle θ’ formé entre l’axe (Ox) de déplacement du sonar et la direction du centre C vers la source S est couramment appelé « gisement », et on note θ = π-θ’ son angle supplémentaire. Il est noté que O peut correspondre, par exemple, à la position initiale du sonar (i.e. la position à laquelle l’impulsion sonore est émise), ou à la position initiale du centre du sonar C, ou à un point choisi arbitrairement sur l’axe de déplacement du sonar.There represents an example of a coordinate system that can be used to describe the movement of the sonar phase center C in embodiments of the invention. On the , the point S represents the source of the signal received by one of the antenna sensors. By “source” is meant a point of the observed scene (ie of the space insonified by the synthetic antenna) of which we wish to obtain an image, each pixel of the image corresponding for example to the power of the field diffused by a point in this scene. For example, the source may correspond to a point on an object located at the bottom of the water. According to the example of the , the phase center C of the sonar is assumed, in theory, to move along the axis (Ox) at constant speed. The distance x between the origin O of the coordinate system and the point C along the axis (Ox) of sonar movement is commonly called "azimuth" in the English SAR literature. The distance r corresponds to the orthogonal distance from S to the axis (Ox) and is commonly called "slant range" or simply "range" in the SAR literature in English. The coordinate system shown is a cylindrical coordinate system in which the axis of the cylinder corresponds to the axis of the trajectory (Ox). Due to the symmetry of revolution around the axis (Ox), the study of signals received from a source S towards the phase center C of the sonar can be carried out in the two-dimensional space Oxr. The angle θ' formed between the axis (Ox) of movement of the sonar and the direction of the center C towards the source S is commonly called "bearing", and we note θ = π-θ' its additional angle. It is noted that O can correspond, for example, to the initial position of the sonar (ie the position at which the sound pulse is emitted), or to the initial position of the center of the sonar C, or to a point chosen arbitrarily on the axis of movement of the sonar.

Comme mentionné plus haut, la plupart des méthodes d’imagerie pour les systèmes SAS sont dérivées de méthodes initialement développées pour des signaux radar, dans le cadre de systèmes SAR. Dans le domaine radar, les signaux utilisés sont généralement considérés comme étant à bande étroite. On rappelle qu’un signal peut être considéré comme étant à bande étroite si le temps que met une onde plane pour insonifier l’ensemble de l’antenne (i.e. la différence entre le temps mis par l’onde pour insonifier le capteur de l’antenne le plus éloigné de la source et le temps mis par l’onde pour insonifier le capteur de l’antenne le plus proche de la source) est très petite devant la durée de l’impulsion sonore (i.e. la durée du ping). Dans ce cas, on considère que tous les capteurs de l’antenne sont insonifiés approximativement en même temps. Par exemple, on peut considérer que cette approximation est valable lorsque le rapport entre le temps que met une onde plane pour insonifier l’ensemble de l’antenne et la durée de l’impulsion sonore est inférieur à 0,1. La condition ci-dessus est souvent vérifiée dans le domaine radar (même si dans certains cas elle n’est pas applicable), de sorte que les méthodes utilisées dans l’imagerie SAR reposant sur des signaux à bande étroite fournissent généralement de bons résultats. Toutefois, elle est généralement non applicable dans le domaine sonar.As mentioned above, most imaging methods for SAS systems are derived from methods initially developed for radar signals, as part of SAR systems. In the radar field, the signals used are generally considered to be narrowband. We recall that a signal can be considered to be narrow band if the time it takes a plane wave to insonify the entire antenna (i.e. the difference between the time taken by the wave to insonify the sensor of the antenna furthest from the source and the time taken by the wave to sonify the sensor of the antenna closest to the source) is very small compared to the duration of the sound pulse (i.e. the duration of the ping). In this case, we consider that all the sensors of the antenna are insonified approximately at the same time. For example, we can consider that this approximation is valid when the ratio between the time it takes a plane wave to insonify the entire antenna and the duration of the sound pulse is less than 0.1. The above condition is often verified in the radar domain (although in some cases it is not applicable), so the methods used in SAR imaging relying on narrowband signals generally provide good results. However, it is generally not applicable in the sonar field.

Les méthodes fréquentielles de l’art antérieur utilisées dans les systèmes SAS, qui sont principalement basées sur le théorème de diffraction de Fourier, utilisent une modélisation par signaux à bande étroite. Le principe du théorème de diffraction de Fourier est décrit par exemple au chapitre 6 du livre « Principles of Computerized Tomographic Imaging » d’Avinash C. Kak et Malcolm Slaney, collection « Classics in applied mathematics, 33 » ou au chapitre 3 de la thèse de Malcolm Slaney « Imaging with diffraction tomography » soutenue à l’Université de Purdue, et est représenté sur la .Prior art frequency methods used in SAS systems, which are primarily based on Fourier's diffraction theorem, use narrow-band signal modeling. The principle of Fourier's diffraction theorem is described for example in chapter 6 of the book "Principles of Computerized Tomographic Imaging" by Avinash C. Kak and Malcolm Slaney, collection "Classics in applied mathematics, 33" or in chapter 3 of the thesis of Malcolm Slaney “Imaging with diffraction tomography” supported at Purdue University, and is represented on the .

Sur cette , il est représenté un objet 301 insonifié par une onde plane monochromatique 302. Le champ diffusé 303 peut alors être mesuré. Il est noté que dans le cadre d’applications sonar, on s’intéresse au champ rétrodiffusé, mais le principe reste le même que pour un champ diffusé. Le théorème de diffraction de Fourier établit que la transformée de Fourier du champ diffusé 303 le long de l’axe 304 correspond à la valeur de la transformée de Fourier à deux dimensions (2D) de l’objet 301 le long d’un arc de cercle 305 dans le domaine fréquentiel. Pour obtenir la transformée de Fourier 2D de l’objet complet 301, il faut insonifier cet objet 301 sous différentes directions 304 et à différentes fréquences, afin d’obtenir une famille d’arcs de cercle 305. Une image de l’objet 301 peut alors être obtenue par application d’une transformée de Fourier inverse à la famille d’arcs de cercle 305 obtenus. Il est noté que ce théorème repose sur des ondes planes monochromatiques 302, et s’applique donc à des signaux à bande étroite.On this , an object 301 is shown insonified by a monochromatic plane wave 302. The scattered field 303 can then be measured. It is noted that in the context of sonar applications, we are interested in the backscattered field, but the principle remains the same as for a scattered field. The Fourier diffraction theorem states that the Fourier transform of the scattered field 303 along the axis 304 corresponds to the value of the two-dimensional (2D) Fourier transform of the object 301 along an arc of circle 305 in the frequency domain. To obtain the 2D Fourier transform of the complete object 301, it is necessary to insonify this object 301 under different directions 304 and at different frequencies, in order to obtain a family of circular arcs 305. An image of the object 301 can then be obtained by applying an inverse Fourier transform to the family of circular arcs 305 obtained. It is noted that this theorem is based on monochromatic plane waves 302, and therefore applies to narrow band signals.

Cependant, comme évoqué ci-dessus, pour des signaux sonar, la condition pour approximer les signaux reçus par des signaux à bande étroite n’est généralement pas vérifiée. Aussi, les méthodes qui utilisent des signaux à bande étroite (comme les méthodes fréquentielles de l’art antérieur telles que l’algorithme ω-k) sont en réalité mal adaptées à l’imagerie sonar, et fournissent des résultats dégradés. Dans le cadre de la présente invention, il est ainsi proposé une nouvelle méthode d’imagerie SAS à partir de signaux à large bande. Cette nouvelle méthode repose sur une nouvelle écriture du problème à partir de signaux à large bande, qui est maintenant détaillée.However, as mentioned above, for sonar signals, the condition for approximating the signals received by narrow-band signals is generally not verified. Also, methods that use narrow-band signals (such as prior art frequency methods such as the ω-k algorithm) are in reality poorly suited to sonar imaging, and provide degraded results. In the context of the present invention, a new method of SAS imaging using broadband signals is thus proposed. This new method is based on a new writing of the problem using broadband signals, which is now detailed.

Dans ce qui suit, les lettres majuscules sont utilisées pour représenter les fonctions et grandeurs associées à des signaux à bande étroite, tandis que les lettres minuscules sont utilisées pour représenter les fonctions et grandeurs associées à des signaux à large bande.In the following, uppercase letters are used to represent functions and quantities associated with narrowband signals, while lowercase letters are used to represent functions and quantities associated with wideband signals.

Il est supposé que le centre de phase C du sonar se déplace à vitesse constante le long de l’axe , avec l’azimut et la distance orthogonale à l’axe , tels que définis ci-dessus en référence à laFigure 2. En raison de la symétrie de révolution autour de l’axe , le problème peut être étudié dans l’espace à deux dimensions .It is assumed that the phase center C of the sonar moves at constant speed along the axis , with azimuth and the distance orthogonal to the axis , as defined above with reference to Figure 2 . Due to the symmetry of revolution around the axis , the problem can be studied in two-dimensional space .

Dans un premier temps, il est supposé que les variables étudiées sont continues et issues d’un signal à bande étroite, par exemple une onde continue monochromatique de nombre d’onde , avec , étant la longueur d’onde.Firstly, it is assumed that the variables studied are continuous and come from a narrow-band signal, for example a monochromatic continuous wave of wave number , with , being the wavelength.

Le signal reçu par le centre de phase du sonar lorsque celui-ci est situé à une distance du point O sur l’axe ( ) depuis une source située à une distance orthogonale sur l’axe (i.e. ayant un azimut et une distance orthogonale , ce qui correspond au point S’ de la ) peut être exprimé, si on ignore les pertes de propagation :The signal received by the phase center of the sonar when it is located at a distance from point O on the axis ( ) from a source located at an orthogonal distance on the axis (ie having an azimuth and an orthogonal distance , which corresponds to point S' of the ) can be expressed, if we ignore the propagation losses:

est l’angle défini en référence à laFigure 2, et est le diagramme de directivité (ou « beam pattern » en anglais) sonar aller-retour de l’onde de nombre d’onde . Or is the angle defined with reference to Figure 2 , And is the directivity diagram (or “beam pattern” in English) round-trip sonar of the wave number .

Le temps et la fréquence angulaire , ainsi que la distance orthogonale et la variable ( étant la vitesse du son), la distance orthogonale et la variable , ou encore la variable dérivée du gisement ( ) et la longueur du réseau de capteurs mise à l’échelle , sont quatre exemples de paires de variables conjuguées (ou duales) de Fourier couramment utilisées dans le domaine du traitement du signal. Selon ces notations, on définit le spectre angulaire en ondes planes à bande étroite comme suit :The weather and the angular frequency , as well as the orthogonal distance and the variable ( being the speed of sound), the orthogonal distance and the variable , or the variable derived from the deposit ( ) and the length of the scaled sensor array , are four examples of pairs of conjugate (or dual) Fourier variables commonly used in the field of signal processing. According to these notations, we define the angular spectrum in narrow-band plane waves as following :

Comme détaillé dans l’annexe A, il peut être montré, en utilisant une approximation de phase stationnaire, que :As detailed in Appendix A, it can be shown, using a stationary phase approximation, that:

avec . with .

Cela permet d’étendre l’onde stationnaire cylindrique issue de S’ à une famille d’ondes planes sortantes se déplaçant vers le sonar :This makes it possible to extend the cylindrical standing wave coming from S' to a family of outgoing plane waves moving towards the sonar:

désigne la transformée de Fourier inverse à une dimension associée aux variables duales et . Or denotes the one-dimensional inverse Fourier transform associated with dual variables And .

Soit le spectre angulaire en ondes planes à bande étroite des données brutes à bande étroite défini par :Either the narrow-band plane-wave angular spectrum of the narrow-band raw data defined by :

où les représentent les données brutes issues de la rétrodiffusion de l’onde plane monochromatique de nombre d’onde émise au point O (i.e. quand ) et reçues lorsque le centre de phase est situé à une distance du point O sur l’axe ( ), et où désigne la transformée de Fourier rapide à une dimension associée aux variables duales et . where the represent the raw data from the backscattering of the monochromatic plane wave of wave number emitted at point O (ie when ) and received when the phase center is located at a distance from point O on the axis ( ), and or denotes the one-dimensional fast Fourier transform associated with dual variables And .

A partir de la théorie du filtrage adapté et du théorème de convolution, on obtient l’expression suivante pour l’image SAS à bande étroite :
désigne le conjugué de et correspond à l’intensité (ou niveau de gris) pour le pixel de l’image ayant pour coordonnées dans le système de coordonnées de la .
From the theory of matched filtering and the convolution theorem, we obtain the following expression for the narrow-band SAS image :
Or denotes the conjugate of And corresponds to the intensity (or gray level) for the pixel of the image whose coordinates in the coordinate system of the .

Il apparaît de cette formule que l’image SAS à bande étroite peut être obtenue en pondérant le spectre angulaire par , puis en effectuant une migration (ou rétropropagation) des ondes planes à bande étroite vers chaque point (ou pixel) P de coordonnées de l’image, par application à d’un déphasage de , que l’on peut associer au retard de propagation correspondant au temps de trajet aller-retour de l’onde plane issue du point O et se dirigeant dans la direction et le pixel P.It appears from this formula that the narrow-band SAS image can be obtained by weighting the angular spectrum by , then by performing a migration (or backpropagation) of the narrow-band plane waves towards each point (or pixel) P with coordinates of the image, by application to of a phase shift of , which can be associated with the propagation delay corresponding to the round trip travel time of the plane wave originating from point O and heading in the direction and the pixel P.

Le principe de la migration d’une onde plane est représenté enFigure 4. Sur cette figure, il est supposé que l’onde plane est issue du point O dans une direction 401 formant un angle θ avec l’axe (Or), la direction 401 étant orthogonale au front d’onde 402. La différence de marche correspond au vecteurOPprojeté dans la direction de propagation de l’onde, qui est aussi égale à la distance OP’, puisque P et P’ sont sur le même plan d’onde. Comme montré sur laFigure 4, cette différence de marche est égale à , avec et . Ainsi, pour le trajet aller-retour de l’onde plane depuis son émission en O et sa réception en ( ), la distance totale est égale à . Par « migration » ou « rétropropagation », il est donc entendu une application d’un déphasage pour compenser le temps de trajet aller-retour de l’onde pour aller de son point O d’émission vers le point P.The principle of plane wave migration is shown in Figure 4 . In this figure, it is assumed that the plane wave comes from the point O in a direction 401 forming an angle θ with the axis (Or), the direction 401 being orthogonal to the wave front 402. The path difference corresponds to the vector OP projected in the direction of propagation of the wave, which is also equal to the distance OP', since P and P' are on the same wave plane. As shown in Figure 4 , this path difference is equal to , with And . Thus, for the round trip of the plane wave from its emission at O and its reception at ( ), the total distance is equal to . By “migration” or “backpropagation”, it is therefore understood an application of a phase shift to compensate for the round-trip travel time of the wave to go from its point O of emission to point P.

L’image SAS à large bande peut être obtenue de manière élémentaire par superposition linéaire des composantes de l’image SAS à bande étroite, c’est-à-dire en rétropropageant toutes les composantes du signal à large bande (i.e. toutes les ondes planes à bande étroite issues de la décomposition du signal à large bande) auxquelles on a appliqué une pondération par un diagramme de directivité à bande étroite .The broadband SAS image can be obtained in an elementary way by linear superposition of the components of the narrow-band SAS image, that is to say by backpropagating all the components of the broadband signal (ie all the narrow-band plane waves resulting from the decomposition of the broadband signal) to which weighting has been applied by a narrow-band directivity diagram .

En d’autres termes, l’image SAS à large bande peut être obtenue en décomposant le signal à large bande en une pluralité d’ondes planes monochromatiques (i.e. à bande étroite), puis en effectuant une pondération de ces ondes à bande étroite suivie d’une migration vers chaque point P de coordonnées de l’image. Cette migration peut être effectuée comme détaillé plus haut, c’est-à-dire par application d’un déphasage correspondant au temps de parcours aller-retour de O à P dans la direction , qui vaut .In other words, the broadband SAS image can be obtained by decomposing the broadband signal into a plurality of monochromatic plane waves (ie narrow band), then by carrying out a weighting of these narrow band waves followed by a migration towards each point P of coordinates of the image. This migration can be carried out as detailed above, that is to say by application of a phase shift corresponding to the round trip travel time from O to P in the direction , which is worth .

Soit le spectre angulaire en ondes planes à large bande, défini comme suit :Either the broadband plane wave angular spectrum, defined as follows:

représente la transformée de Fourier inverse à une dimension associée aux variables duales et . Or represents the one-dimensional inverse Fourier transform associated with dual variables And .

De manière similaire, les données brutes large bande sont définies comme suit :Similarly, broadband raw data are defined as follows:

On introduit en outre la fonction suivante :We further introduce the function next :

est le diagramme de directivité défini précédemment. Or is the directivity diagram defined previously.

Le produit de convolution de et peut s’écrire :The convolution product of And can be written:

ce qui signifie que la pondération des ondes planes à bande étroite par correspond en large bande à un filtrage du spectre angulaire par la fonction . which means that the weighting of narrow-band plane waves by corresponds in broadband to a filtering of the angular spectrum by the function .

On en déduit que l’image SAS large bande peut être obtenue directement en effectuant une rétropropagation des ondes planes à large bande, préalablement filtrées par , vers chaque point P de coordonnées de l’image :
We deduce that the broadband SAS image can be obtained directly by carrying out a backpropagation of broadband plane waves, previously filtered by , towards each point P with coordinates of the image :

Ainsi, le traitement des données issues du système à ouverture synthétique (SAS ou SAR) peut être effectué directement dans le domaine temporel via une formation de voies à large bande en champ lointain (i.e., en considérant des ondes planes) suivie d’une migration (ou rétropropagation) des ondes planes dans la grille cartésienne (i.e., vers les points/pixels de l’image).Thus, the processing of data from the synthetic aperture system (SAS or SAR) can be carried out directly in the time domain via far-field broadband channel formation (i.e., considering plane waves) followed by migration (or backpropagation) of plane waves in the Cartesian grid (i.e., towards the points/pixels of the image).

On rappelle ici que la formation de voies (ou formation de faisceaux, ou « beamforming » en anglais) est une méthode bien connue de la personne du métier pour extraire d’un signal les composantes se propageant dans une direction donnée . La forme la plus classique de la formation de voies dans le domaine temporel, appelée filtrage spatial par retard et sommation (ou « delay and sum beamforming » en anglais), consiste à retarder les signaux reçus par les différents capteurs de l’antenne, et sommer l’ensemble des signaux retardés.We recall here that channel formation (or beamforming) is a method well known to those skilled in the art for extracting from a signal the components propagating in a given direction. . The most classic form of channel formation in the time domain, called spatial filtering by delay and sum beamforming, consists of delaying the signals received by the various sensors of the antenna, and sum all the delayed signals.

La formation de voies et la migration dans le domaine temporel peuvent être très simplement mises en œuvre pour une onde plane (ou, de manière équivalente, des ondes cylindriques considérées en champ lointain) qui se propage dans la direction perpendiculaire à la trajectoire Ox. En effet, dans ce cas, les fronts d’ondes sont parallèles à l’axe de direction (Ox), et sont donc alignés avec la grille de pixels de l’image. Il suffit donc de choisir la période d’échantillonnage en distance oblique du signal correspondant à l’onde plane égale au pas entre les lignes de l’image pour effectuer la migration sans aucun calcul.Path formation and migration in the time domain can be very simply implemented for a plane wave (or, equivalently, cylindrical waves considered in the far field) that propagates in the direction perpendicular to the Ox trajectory. Indeed, in this case, the wave fronts are parallel to the direction axis (Ox), and are therefore aligned with the pixel grid of the image. It is therefore sufficient to choose the sampling period in oblique distance of the signal corresponding to the plane wave equal to the pitch between the lines of the image to carry out the migration without any calculation.

Dans le cas général d’une onde plane se propageant dans une direction donnée , il y a une contraction de la différence de marche entre deux pixels consécutifs d’une même colonne de l’image SAS qui résulte du théorème de Thales. La distance entre ces deux pixels, une fois projetée dans la direction de propagation de l’onde est plus petite d’un facteur . Il faudra donc, pour migrer une onde plane sur une colonne de l’image faire une dilatation du signal de ce facteur qui dépend de .In the general case of a plane wave propagating in a given direction , there is a contraction of the path difference between two consecutive pixels of the same column of the SAS image which results from Thales' theorem. The distance between these two pixels, once projected in the direction of propagation of the wave, is smaller by a factor . It will therefore be necessary, to migrate a plane wave on a column of the image, to dilate the signal by this factor which depends on .

On en déduit une nouvelle méthode de traitement des signaux issus d’un système à ouverture synthétique, dont un mode de réalisation est représenté à la .We deduce from this a new method of processing signals from a synthetic aperture system, an embodiment of which is represented in the .

Tout d’abord, des données brutes large bande sont reçues au niveau des différents capteurs de l’antenne (étape 501 de la ). Dans un ou plusieurs modes de réalisation, ces données brutes sont reçues sous la forme d’une matrice N×P, où P est le nombre de capteurs de l’antenne, et N le nombre d’échantillons du signal source reçus par capteur. Ces données sont des données temporelles.First of all, raw broadband data is received at the various sensors of the antenna (step 501 of the ). In one or more embodiments, this raw data is received in the form of an N×P matrix, where P is the number of antenna sensors, and N the number of source signal samples received per sensor. This data is temporal data.

Par exemple, si la source émet un signal s(t) à un instant t, le signal reçu sur le capteur p peut s’écrire sous la forme :For example, if the source emits a signal s(t) at a time t, the signal received on the sensor p can be written in the form:

est le temps de propagation mis par l’onde entre la source et le capteur p, et modélise le bruit ambiant sur le capteur p à l’instant t. Ce signal peut être segmenté en blocs (appelés « snapshots » en anglais) de même durée , avec . Typiquement, on peut considérer que le signal est stationnaire sur durant chaque snapshot k. Le signal reçu durant un snapshot k peut être échantillonné à une fréquence respectant le théorème de Shannon, ce qui permet d’obtenir valeurs reçues sur chaque capteur lors d’un snapshot k. Le N-uplet de valeurs pour chaque capteur forme un vecteur de dimension N×1. Les données brutes reçues à l’étape 501 peuvent alors correspondre à la concaténation des vecteurs pour p=1,…,P. Or is the propagation time taken by the wave between the source and the sensor p, and models the ambient noise on the sensor p at time t. This signal can be segmented into blocks (called “snapshots” in English) of the same duration , with . Typically, we can consider that the signal is stationary during each snapshot k. The signal received during a snapshot k can be sampled at a frequency respecting Shannon's theorem, which allows us to obtain values received on each sensor during a snapshot k. The N-tuple of values for each sensor forms a vector of dimension N×1. The raw data received in step 501 can then correspond to the concatenation vectors for p=1,…,P.

Puis, à l’étape 503, des nouveaux signaux temporels à large bande sont déterminés à partir des données reçues, en appliquant une méthode de formation de voies temporelle à large bande et en champ lointain. En champ lointain, les fronts d’onde peuvent être considérés comme plans, de sorte que les nouveaux signaux temporels correspondent à des ondes planes.Then, in step 503, new broadband temporal signals are determined from the received data, by applying a broadband and far-field temporal channeling method. In the far field, wavefronts can be considered planar, so that the new time signals correspond to plane waves.

On rappelle ici que la formation de voies temporelle consiste à retarder les signaux reçus par les différents capteurs (i.e. les données reçues à l’étape 501). On effectue ensuite la somme de l’ensemble des signaux retardés dans une direction θ donnée, pour obtenir un nouveau signal. Par exemple, pour une direction θ, le nouveau signal peut être de la forme :We recall here that the formation of temporal channels consists of delaying the signals received by the different sensors (i.e. the data received in step 501). We then perform the sum of all the signals delayed in a given direction θ, to obtain a new signal. For example, for a direction θ, the new signal can be of the form:

Dans le cadre d’une formation de voies à large bande et en champ lointain, chaque nouveau signal représente une onde plane à large bande reçue dans une direction θ donnée.In broadband, far-field channel forming, each new signal represents a broadband plane wave received in a given direction θ.

En pratique, il est possible d’échantillonner le nouveau signal pour obtenir par exemple M échantillons , avec m=1,…,M. A la fin de l’étape 502, on a donc un ensemble d’échantillons correspondant à différentes directions θ.In practice, it is possible to sample the new signal to obtain for example M samples , with m=1,…,M. At the end of step 502, we therefore have a set of samples corresponding to different directions θ.

A une étape 504, les échantillons obtenus lors de la formation de voies temporelle large bande sont rétropropagés vers les points/pixels de la grille cartésienne de l’image, grâce à une méthode de migration (ou rétropropagation) illustrée sur la : une onde est émise dans une direction θ depuis le point O. Pour déterminer la contribution du signal reçu à l’intensité lumineuse du pixel P de coordonnées (x,r), il faut compenser le temps de trajet de l’onde de O=(0,0) jusqu’à P, qui est aussi égal au temps de trajet entre O et P’, puisque P et P’ sont sur le même plan d’onde. A la fin de l’étape 504, on obtient donc un ensemble d’échantillons retardés, et chacun de ces échantillons retardés correspond à une contribution d’une onde plane dans une direction donnée à un pixel P(x,r) de l’image.At a step 504, the samples obtained during the formation of broadband temporal channels are backpropagated towards the points/pixels of the Cartesian grid of the image, using a migration method (or backpropagation) illustrated on the : a wave is emitted in a direction θ from the point O. To determine the contribution of the signal received to the light intensity of the pixel P with coordinates (x,r), it is necessary to compensate for the travel time of the wave from O =(0,0) to P, which is also equal to the travel time between O and P', since P and P' are on the same wave plane. At the end of step 504, we therefore obtain a set of delayed samples, and each of these delayed samples corresponds to a contribution of a plane wave in a given direction to a pixel P(x,r) of the picture.

L’image SAS peut alors être reconstruite (étape 505) à partir de ces échantillons rétropropagés. Dans un ou plusieurs modes de réalisation, l’intensité (i.e. le niveau de gris) de l’image d’un pixel donné correspond à la somme de tous les échantillons reçus pour ce pixel, après formation de voies (502) et rétropropagation (503).The SAS image can then be reconstructed (step 505) from these back-propagated samples. In one or more embodiments, the intensity (i.e. the gray level) of the image of a given pixel corresponds to the sum of all the samples received for this pixel, after formation of channels (502) and backpropagation ( 503).

Dans un ou plusieurs modes de réalisation, des données relatives au mouvement réel de l’antenne peuvent être reçues à une étape optionnelle 502. Comme détaillé précédemment, dans le cadre d’un système sonar embarqué, les erreurs de trajectoire de l’antenne par rapport à une trajectoire théorique peuvent être importantes et doivent être prises en compte pour le traitement des données reçues, notamment au niveau de l’étape 503 de formation de voies. Il est noté que les étapes 501 et 502 peuvent être réalisées dans cet ordre, dans l’ordre inverse ou en parallèle.In one or more embodiments, data relating to the actual movement of the antenna can be received at an optional step 502. As detailed previously, in the context of an on-board sonar system, the trajectory errors of the antenna by relation to a theoretical trajectory can be important and must be taken into account for the processing of the data received, in particular at the level of the path formation step 503. It is noted that steps 501 and 502 can be carried out in this order, in reverse order or in parallel.

Il existe dans l’art antérieur des méthodes ayant un faible coût de calcul pour les étapes 503 et 504, permettant ainsi un traitement rapide des données, une consommation énergétique réduite et un faible poids du calculateur.There are methods in the prior art having a low calculation cost for steps 503 and 504, thus allowing rapid processing of data, reduced energy consumption and low weight of the calculator.

Dans un mode de réalisation particulier, il est supposé que l’on dispose des données brutes (issues de l’étape 501 de la ), et éventuellement des données de mouvement (issues de l’étape 502 de la ). Les données brutes sont par exemple des données en (x,r). Pour chaque couple de coordonnées (x,r), et donc pour chaque pixel P de coordonnées (x,r), on reçoit donc un ensemble d’échantillons respectivement associés à ce pixel. Pour la formation de voies à large bande et en champ lointain (étape 502), il est possible d’utiliser l’algorithme décrit dans « A fast beamforming algorithm » de Kenneth M. Houston, IEEE Oceans Conference Record 1 (1994) 211-216. Cet algorithme propose une méthode rapide de formation de voies à partir de signaux large bande, nettement moins coûteuse en termes de calculs que la méthode de formation de voies conventionnelle (appelée « sum-and-delay beamforming » en anglais, ou DSBF), dans laquelle les signaux sont retardés selon les différences de marches calculées puis sommés. Cet algorithme est un algorithme itératif, dans lequel une DSBF est d’abord calculée pour plusieurs sous-groupes de capteurs et dans un nombre de directions limité. Puis, à chaque étape, les voies issues de paires de sous-groupes sont combinées et le nombre de directions considérées est augmenté. Cet algorithme fournit des résultats très satisfaisants, pour une complexité calculatoire en O(Nlog2N), tandis que l’algorithme conventionnel DSBF a une complexité calculatoire en O(N²). Même si cet algorithme n’a pas été développé pour des larges réseaux d’antennes et qu’il n’a pas été jusqu’à présent utilisé dans ce contexte, il s’avère particulièrement adapté pour mettre en œuvre l’étape 503. En appliquant cet algorithme, on obtient des échantillons en (u,r).In a particular embodiment, it is assumed that we have the raw data (from step 501 of the ), and possibly movement data (from step 502 of the ). The raw data are for example data in (x,r). For each pair of coordinates (x,r), and therefore for each pixel P with coordinates (x,r), we therefore receive a set of samples respectively associated with this pixel. For the formation of broadband and far-field channels (step 502), it is possible to use the algorithm described in “A fast beamforming algorithm” by Kenneth M. Houston, IEEE Oceans Conference Record 1 (1994) 211- 216. This algorithm offers a fast method of channel formation from broadband signals, significantly less expensive in terms of calculations than the conventional channel formation method (called “sum-and-delay beamforming” in English, or DSBF), in in which the signals are delayed according to the calculated step differences then summed. This algorithm is an iterative algorithm, in which a DSBF is first calculated for several subgroups of sensors and in a limited number of directions. Then, at each step, the paths from pairs of subgroups are combined and the number of directions considered is increased. This algorithm provides very satisfactory results, for a computational complexity of O(Nlog 2 N), while the conventional DSBF algorithm has a computational complexity of O(N²). Even if this algorithm has not been developed for large antenna networks and has not been used in this context until now, it turns out to be particularly suitable for implementing step 503. By applying this algorithm, we obtain samples in (u,r).

Pour la rétropropagation des ondes planes (étape 504 de la ), il est possible d’utiliser une transformée en Z-Chirp, ou CZT (pour « Chirp-Z Transform » en anglais), décrite par exemple dans « Signal Processing Algorithms », Samuel Stearns et Ruth David, Prentice-Hall, Inc. La CZT est une transformation permettant de dilater ou compresser un signal par modulation linéaire de fréquence. Il est connu que cette transformation peut être exprimée comme un produit de convolution, et mise en œuvre en effectuant deux transformées de Fourier rapide (ou FFT) consécutives. La complexité calculatoire de cette transformation est en O(Nlog2N).For the backpropagation of plane waves (step 504 of the ), it is possible to use a Z-Chirp transform, or CZT (for “Chirp-Z Transform” in English), described for example in “Signal Processing Algorithms”, Samuel Stearns and Ruth David, Prentice-Hall, Inc CZT is a transformation allowing a signal to be dilated or compressed by linear frequency modulation. It is known that this transformation can be expressed as a convolution product, and implemented by performing two consecutive fast Fourier transforms (or FFTs). The computational complexity of this transformation is O(Nlog 2 N).

Pour mettre en œuvre l’étape de migration 504, il est possible d’appliquer successivement aux données issues de la formation de voies :
- une CZT sur la distance orthogonale r : on obtient alors des données en (u,f) ;
- une CZT sur l’azimut x : on obtient alors des données en (x,f) ; et
- une transformée de Fourier inverse sur r : on récupère des données en (x,r).
To implement migration step 504, it is possible to successively apply to the data resulting from the formation of channels:
- a CZT on the orthogonal distance r: we then obtain data in (u,f);
- a CZT on the azimuth x: we then obtain data at (x,f); And
- an inverse Fourier transform on r: we recover data in (x,r).

Le principe de la CZT, et notamment la compression ou la dilatation des signaux, est représenté sur la .The principle of CZT, and in particular the compression or expansion of signals, is represented on the .

La représente le signal en sortie de l’étape de formation de voies dans le plan de Fourier. Initialement les données 601 issues de la méthode de formation de voies 503 sont représentées par des ronds et sont donc situés sur une grille polaire représentée en traits pleins. Les arcs de cercle correspondent aux différentes fréquences selon le théorème de diffraction de Fourier et les rayons aux directions θ de propagation des ondes planes. Pour effectuer la migration de ces échantillons 601 vers les pixels d’une grille cartésienne (représentée par des tirets sur la figure), il faut effectuer :
- une dilatation le long des rayons u jusqu’à intersection avec la grille cartésienne : on obtient les échantillons 602 représentés par des triangles ; puis
- une compression le long d’une ligne de la grille cartésienne jusqu’à un point de la grille : on obtient les échantillons 603 représentés par des carrés. L’image SAS s’obtient alors par une transformée de Fourier bidimensionnelle. Contrairement à l’art antérieur, le passage à une grille cartésienne s’obtient seulement par des dilatations 1D, qui sont rapides, et non des interpolations compliquées (comme l’interpolation de Stolt) qui sont très coûteuses en temps de calcul.
There represents the output signal of the channel formation step in the Fourier plane. Initially the data 601 resulting from the channel formation method 503 are represented by circles and are therefore located on a polar grid represented in solid lines. The circular arcs correspond to the different frequencies according to Fourier's diffraction theorem and the rays to the directions θ of propagation of plane waves. To migrate these samples 601 to the pixels of a Cartesian grid (represented by dashes in the figure), you must perform:
- an expansion along the rays u until intersection with the Cartesian grid: we obtain the samples 602 represented by triangles; Then
- compression along a line of the Cartesian grid to a point on the grid: we obtain samples 603 represented by squares. The SAS image is then obtained by a two-dimensional Fourier transform. Unlike the prior art, the transition to a Cartesian grid is obtained only by 1D dilations, which are fast, and not complicated interpolations (such as Stolt interpolation) which are very costly in calculation time.

LesFigures 7aet7breprésentent respectivement les fonctions d’étalement du point obtenus par la méthode Omega-k d’une part, et par un procédé de reconstruction d’image selon un mode de réalisation de la présente invention d’autre part. Il apparaît de ces figures que la fonction d’étalement du point (ou PSF, pour « point spread function » en anglais) est beaucoup plus étalée pour l’algorithme Omega-k que pour le procédé selon la présente invention, ce qui signifie que la résolution d’un système d’imagerie selon la présente invention est meilleure que la résolution d’un système d’imagerie reposant sur l’algorithme Omega-k . Cela est dû au fait que le procédé selon la présente invention utilise directement des signaux à large bande, tandis que la méthode Omega-k utilise une transformée de Fourier bidimensionnelle et non une formation de voies, et qu’une interpolation, dite interpolation de Stolt, est alors nécessaire dans le plan de Fourier avant la transformée de Fourier inverse, conduisant à une dégradation de la PSF. Figures 7a and 7b respectively represent the point spread functions obtained by the Omega-k method on the one hand, and by an image reconstruction method according to an embodiment of the present invention on the other hand. It appears from these figures that the point spread function (or PSF) is much more spread for the Omega-k algorithm than for the method according to the present invention, which means that the resolution of an imaging system according to the present invention is better than the resolution of an imaging system based on the Omega-k algorithm. This is due to the fact that the method according to the present invention uses broadband signals directly, while the Omega-k method uses a two-dimensional Fourier transform and not channel formation, and that an interpolation, called Stolt interpolation , is then necessary in the Fourier plane before the inverse Fourier transform, leading to a degradation of the PSF.

En effet, un avantage du procédé décrit en est que les ondes planes à large bande peuvent être calculées directement dans le domaine temporel pour un réseau d’antenne déformé (ce qui est le cas pour un sonar remorqué monté sur un véhicule sous-marin autonome), si les déformations (i.e. les erreurs de trajectoire) sont connues, par exemple en utilisant une méthode d’estimation de mouvement de l’art antérieur. Ainsi, le procédé est plus précis que les méthodes de l’art antérieur qui utilisent des signaux à bande étroites.Indeed, an advantage of the process described in is that broadband plane waves can be calculated directly in the time domain for a distorted antenna array (which is the case for a towed sonar mounted on an autonomous underwater vehicle), if the distortions (i.e. errors trajectory) are known, for example using a movement estimation method of the prior art. Thus, the method is more precise than prior art methods which use narrow band signals.

Un autre avantage est qu’il existe des méthodes rapides (en termes de coût de calcul) pour effectuer les étapes 503 et 504 de la . Par exemple, en utilisant un algorithme itératif comme celui décrit dans « A fast beamforming algorithm » de Kenneth M. Houston, IEEE Oceans Conference Record 1 (1994) 211-216 pour l’étape 503, et des transformations CZT pour l’étape 504, le procédé de reconstruction d’image représenté en a une complexité calculatoire linéarithmique, i.e. en O(Nlog2N), c’est-à-dire du même ordre de grandeur que l’algorithme Omega-k. En comparaison, l’algorithme de rétroprojection, qui est une méthode temporelle intégrant les différences de marche exactes, a une complexité quadratique, i.e. en O(N²). L’invention propose ainsi un procédé à la fois précis et rapide.Another advantage is that there are fast methods (in terms of computational cost) for performing steps 503 and 504 of the . For example, using an iterative algorithm like that described in “A fast beamforming algorithm” by Kenneth M. Houston, IEEE Oceans Conference Record 1 (1994) 211-216 for step 503, and CZT transformations for step 504 , the image reconstruction process represented in has a linearithmic computational complexity, ie in O(Nlog 2 N), that is to say of the same order of magnitude as the Omega-k algorithm. In comparison, the back-projection algorithm, which is a temporal method integrating exact path differences, has a quadratic complexity, ie in O(N²). The invention thus provides a process that is both precise and rapid.

La représente un bloc-diagramme schématique d'un dispositif de traitement de l’information 800 pour la mise en œuvre d'un ou plusieurs modes de réalisation de l'invention. Le dispositif 800 peut comprendre une mémoire 805 pour stocker des instructions permettant la mise en œuvre du procédé, les données issues du signal rétrodiffusé reçues, et des données temporaires pour réaliser les différentes étapes d’un procédé tel que décrit précédemment.There represents a schematic block diagram of an information processing device 800 for implementing one or more embodiments of the invention. The device 800 may include a memory 805 for storing instructions allowing the implementation of the method, the data resulting from the backscattered signal received, and temporary data for carrying out the different steps of a method as described above.

Le dispositif peut en outre comporter un circuit 804. Ce circuit peut être, par exemple :The device may also include a circuit 804. This circuit may be, for example:

- un processeur apte à interpréter des instructions sous la forme de programme informatique, ou- a processor capable of interpreting instructions in the form of a computer program, or

- une carte électronique dont les étapes du procédé de l’invention sont décrites dans le silicium, ou encore- an electronic card whose steps of the process of the invention are described in silicon, or even

- une puce électronique programmable, telle qu’une puce FPGA (pour « Field-Programmable Gate Array » en anglais), un SOC (pour « System On Chip » en anglais), un GPU (pour « Graphics Processing Unit » en anglais), ou un ASIC (pour « Application Specific Integrated Circuit » an anglais).- a programmable electronic chip, such as an FPGA chip (for “Field-Programmable Gate Array” in English), a SOC (for “System On Chip” in English), a GPU (for “Graphics Processing Unit” in English) , or an ASIC (for “Application Specific Integrated Circuit” in English).

Les SOC ou système sur puce sont des systèmes embarqués qui intègrent tous les composants d’un système électronique dans une puce unique. Un ASIC est un circuit électronique spécialisé qui regroupe des fonctionnalités sur mesure pour une application donnée. Les ASIC sont généralement configurés lors de leur fabrication et ne peuvent être que simulés par l’utilisateur. Les circuits logiques programmables de type FPGA (Field-Programmable Gate Array) sont des circuits électroniques reconfigurables par l’utilisateur.SOCs or system on a chip are embedded systems that integrate all the components of an electronic system into a single chip. An ASIC is a specialized electronic circuit that brings together tailor-made functionalities for a given application. ASICs are generally configured during manufacture and can only be simulated by the user. FPGA (Field-Programmable Gate Array) type programmable logic circuits are electronic circuits that can be reconfigured by the user.

Le dispositif 800 peut comporter une interface d’entrée 803 pour la réception de données issues du signal rétrodiffusé, et une interface de sortie 806 pour la fourniture de l’image d’un objet situé au fond de la mer et/ou des données de localisation d’un tel objet. Enfin, l’ordinateur peut comporter, pour permettre une interaction aisée avec un utilisateur, un écran 801 et un clavier 802. Bien entendu, le clavier est facultatif, notamment dans le cadre d’un ordinateur ayant la forme d’une tablette tactile, par exemple.The device 800 may include an input interface 803 for receiving data from the backscattered signal, and an output interface 806 for providing the image of an object located at the bottom of the sea and/or data from location of such an object. Finally, the computer can include, to allow easy interaction with a user, a screen 801 and a keyboard 802. Of course, the keyboard is optional, in particular in the context of a computer having the form of a touch tablet, For example.

En fonction du mode de réalisation, le dispositif 800 peut être un ordinateur, un réseau d’ordinateurs, un composant électronique, ou un autre appareil comportant un processeur couplé de manière opérationnelle à une mémoire, ainsi que, selon le mode de réalisation choisi, une unité de stockage de données, et d'autres éléments matériels associés comme une interface de réseau et un lecteur de support pour lire un support de stockage amovible et écrire sur un tel support (non représentés sur la figure). Le support de stockage amovible peut être, par exemple, un disque compact (CD), un disque vidéo/polyvalent numérique (DVD), un disque flash, une clé USB, etc.Depending on the embodiment, the device 800 may be a computer, a computer network, an electronic component, or another device comprising a processor operationally coupled to a memory, as well as, depending on the chosen embodiment, a data storage unit, and other associated hardware elements such as a network interface and a media drive for reading from and writing to removable storage media (not shown in the figure). The removable storage medium may be, for example, a compact disc (CD), a video/digital versatile disc (DVD), a flash disk, a USB key, etc.

En fonction du mode de réalisation, la mémoire, l’unité de stockage de données ou le support de stockage amovible contient des instructions qui, lorsqu'elles sont exécutées par le circuit de commande 804, amènent ce circuit de commande 804 à effectuer ou contrôler les parties interface d’entrée 803, interface de sortie 806, stockage de données dans la mémoire 805 et/ou traitement de données selon un ou plusieurs modes de réalisation du procédé proposé.Depending on the embodiment, the memory, data storage unit, or removable storage medium contains instructions that, when executed by control circuit 804, cause control circuit 804 to perform or control the input interface 803, output interface 806, data storage in memory 805 and/or data processing parts according to one or more embodiments of the proposed method.

Par ailleurs, le schéma fonctionnel présenté sur la est un exemple typique d’un programme dont certaines instructions peuvent être réalisées auprès du dispositif 800. A ce titre, la peut correspondre à l’organigramme de l’algorithme général d’un programme informatique au sens de l’invention.Furthermore, the functional diagram presented on the is a typical example of a program of which certain instructions can be carried out with the device 800. As such, the can correspond to the flowchart of the general algorithm of a computer program within the meaning of the invention.

Bien entendu, la présente invention ne se limite pas aux formes de réalisation décrites ci-avant à titre d’exemples ; elle s’étend à d’autres variantes. Notamment, comme mentionné ci-dessus, la présente invention est applicable dans le cadre des systèmes d’antenne (sonar ou radar) fixe classiques, comprenant une antenne physique comportant un émetteur et une pluralité de capteurs (récepteurs), dans lesquels une série d’impulsions sont émises et dans lesquels les signaux retours de ces impulsions sont reçues par les différents capteurs. Dans ce cas, chaque centre de phase correspond au milieu de l’émetteur et de chaque capteur. Ainsi, la présente invention peut être utilisée dans de nombreux autres domaines, comme l’imagerie médicale ultrasonore (échographie, Doppler, etc.).Of course, the present invention is not limited to the embodiments described above by way of examples; it extends to other variants. In particular, as mentioned above, the present invention is applicable in the context of conventional fixed antenna (sonar or radar) systems, comprising a physical antenna comprising a transmitter and a plurality of sensors (receivers), in which a series of pulses are emitted and in which the return signals of these pulses are received by the various sensors. In this case, each phase center corresponds to the middle of the transmitter and each sensor. Thus, the present invention can be used in many other fields, such as ultrasound medical imaging (ultrasound, Doppler, etc.).

En fonction du mode de réalisation choisi, certains actes, actions, évènements ou fonctions de chacune des méthodes décrites dans le présent document peuvent être effectués ou se produire selon un ordre différent de celui dans lequel ils ont été décrits, ou peuvent être ajoutés, fusionnés ou bien ne pas être effectués ou ne pas se produire, selon le cas. En outre, dans certains modes de réalisation, certains actes, actions ou évènements sont effectués ou se produisent concurremment et non pas successivement.Depending on the chosen embodiment, certain acts, actions, events or functions of each of the methods described in this document may be carried out or occur in an order different from that in which they were described, or may be added, merged or not be carried out or not occur, as the case may be. Furthermore, in some embodiments, certain acts, actions or events are performed or occur concurrently and not successively.

Bien que décrits à travers un certain nombre d’exemples de réalisation détaillés, le procédé proposé et l’équipement pour la mise en œuvre du procédé comprennent différentes variantes, modifications et perfectionnements qui apparaîtront de façon évidente à l’homme de l’art, étant entendu que ces différentes variantes, modifications et perfectionnements font partie de la portée de l’invention, telle que définie par les revendications qui suivent. De plus, différents aspects et caractéristiques décrits ci-dessus peuvent être mis en œuvre ensemble, ou séparément, ou bien substitués les uns aux autres, et l’ensemble des différentes combinaisons et sous combinaisons des aspects et caractéristiques font partie de la portée de l’invention. En outre, il se peut que certains systèmes et équipements décrits ci-dessus n’incorporent pas la totalité des modules et fonctions décrits pour les modes de réalisation préférés.Although described through a certain number of detailed exemplary embodiments, the proposed method and the equipment for implementing the method include different variants, modifications and improvements which will be obvious to those skilled in the art, it being understood that these different variants, modifications and improvements form part of the scope of the invention, as defined by the claims which follow. Additionally, different aspects and features described above may be implemented together, or separately, or in substitution for each other, and all of the different combinations and sub-combinations of the aspects and features are within the scope of the application. 'invention. Additionally, some systems and equipment described above may not incorporate all of the modules and functions described for the preferred embodiments.

Annexe AAnnex A

On a :We have :

En effectuant le changement de variable on peut écrire :By changing the variable we can write :

La dérivée de la phase s’annule en la valeur :The derivative of the phase cancels out to the value:

En utilisant une approximation stationnaire de la phase, on obtient :Using a stationary approximation of the phase, we obtain:

désigne le signe du réel . Or designates the sign of reality .

On en déduit :We can deduce :

avec . with .

En ignorant les termes qui varient lentement, on obtient l’approximation suivante :Ignoring the slowly varying terms, we obtain the following approximation:

Claims (11)

Procédé de reconstruction d’une image d’une scène par un système d’antenne, ladite image comprenant une pluralité de pixels, le procédé étant mis en œuvre par ordinateur et comprenant, pour chaque pixel parmi la pluralité de pixels :
a. recevoir (501) des échantillons de signaux temporels à large bande rétrodiffusés par des réflecteurs de la scène pour un ou plusieurs capteurs du système d’antenne ;
b. pour chaque direction parmi une pluralité de directions, calculer (503), à partir des échantillons reçus par ledit un ou plusieurs capteurs, des nouveaux échantillons d’un nouveau signal temporel respectivement associé à ladite chaque direction, chaque nouveau signal correspondant respectivement à une onde plane à large bande dans ladite chaque direction ;
c. pour chaque direction parmi la pluralité de directions, sélectionner (504), parmi les nouveaux échantillons du nouveau signal temporel respectif, des échantillons correspondant à un temps de trajet aller et retour dudit nouveau signal depuis une origine de l’image jusqu’au dudit chaque pixel ; et
d. déterminer (505) une intensité lumineuse dudit chaque pixel à partir des échantillons sélectionnés.
Method for reconstructing an image of a scene by an antenna system, said image comprising a plurality of pixels, the method being implemented by computer and comprising, for each pixel among the plurality of pixels:
has. receiving (501) samples of wideband temporal signals backscattered from reflectors in the scene to one or more sensors of the antenna system;
b. for each direction among a plurality of directions, calculate (503), from the samples received by said one or more sensors, new samples of a new temporal signal respectively associated with said each direction, each new signal corresponding respectively to a wave broadband plane in said each direction;
vs. for each direction among the plurality of directions, selecting (504), among the new samples of the new respective temporal signal, samples corresponding to a round trip time of said new signal from an origin of the image to said each pixel; And
d. determine (505) a light intensity of said each pixel from the selected samples.
Procédé selon la revendication 1, dans lequel le système d’antenne est un radar à synthèse d’ouverture ou un sonar à synthèse d’ouverture.A method according to claim 1, wherein the antenna system is a synthetic aperture radar or a synthetic aperture sonar. Procédé selon la revendication 2, dans lequel le système d’antenne est un sonar à synthèse d’ouverture, et dans lequel la scène est une portion limitée d’un fond marin.A method according to claim 2, wherein the antenna system is a synthetic aperture sonar, and wherein the scene is a limited portion of a seabed. Procédé selon l’une des revendications précédentes, comprenant en outre une réception (502) de données relatives à une variation de mouvement du système par rapport à une trajectoire théorique, dans lequel les nouveaux échantillons des nouveaux signaux temporels sont en outre calculés à partir desdites données.Method according to one of the preceding claims, further comprising reception (502) of data relating to a variation in movement of the system relative to a theoretical trajectory, in which the new samples of the new temporal signals are further calculated from said data. Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel les nouveaux échantillons des nouveaux signaux temporels sont calculés grâce à une méthode de formation de voies temporelle à large bande et en champ lointain.Method according to one of the preceding claims, in which the new samples of the new time signals are calculated using a wide-band and far-field time channel formation method. Procédé selon la revendication 5, dans lequel la formation des voies temporelle à large bande et en champ lointain est basée sur un algorithme itératif.A method according to claim 5, wherein the formation of the broadband and far-field temporal channels is based on an iterative algorithm. Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel l’étape c comprend une mise en œuvre d’au moins une transformée en Z-Chirp.Method according to one of the preceding claims, in which step c comprises an implementation of at least one Z-Chirp transform. Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel l’intensité lumineuse dudit chaque pixel est fonction d’une somme de valeurs des échantillons sélectionnés.Method according to one of the preceding claims, in which the light intensity of said each pixel is a function of a sum of values of the selected samples. Dispositif de reconstruction d’une image d’une scène à partir de données issues d’un système d’antenne, ladite image comprenant une pluralité de pixels, le dispositif comprenant :
une interface d’entrée pour :
a. recevoir (501) des échantillons de signaux temporels à large bande rétrodiffusés par des réflecteurs de la scène pour un ou plusieurs capteurs du système d’antenne ;
le dispositif comprenant en outre un circuit pour mettre en œuvre, pour chaque pixel parmi la pluralité de pixels :
b. pour chaque direction parmi une pluralité de directions, calculer (503), à partir des échantillons reçus par ledit un ou plusieurs capteurs, des nouveaux échantillons d’un nouveau signal temporel respectivement associé à ladite chaque direction, chaque nouveau signal correspondant respectivement à une onde plane à large bande dans ladite chaque direction ;
c. pour chaque direction parmi la pluralité de directions, sélectionner (504), parmi les nouveaux échantillons du nouveau signal temporel respectif, des échantillons correspondant à un temps de trajet aller et retour dudit nouveau signal depuis une origine de l’image jusqu’au dudit chaque pixel ; et
d. déterminer (505) une intensité lumineuse dudit chaque pixel à partir des échantillons sélectionnés.
Device for reconstructing an image of a scene from data coming from an antenna system, said image comprising a plurality of pixels, the device comprising:
an input interface for:
has. receiving (501) samples of wideband temporal signals backscattered from reflectors in the scene to one or more sensors of the antenna system;
the device further comprising a circuit for implementing, for each pixel among the plurality of pixels:
b. for each direction among a plurality of directions, calculate (503), from the samples received by said one or more sensors, new samples of a new temporal signal respectively associated with said each direction, each new signal corresponding respectively to a wave broadband plane in said each direction;
vs. for each direction among the plurality of directions, selecting (504), among the new samples of the new respective temporal signal, samples corresponding to a round trip time of said new signal from an origin of the image to said each pixel; And
d. determine (505) a light intensity of said each pixel from the selected samples.
Produit programme informatique comportant des instructions pour la mise en œuvre du procédé selon l’une des revendications 1 à 8, lorsque ce programme est exécuté par un processeur.Computer program product comprising instructions for implementing the method according to one of claims 1 to 8, when this program is executed by a processor. Support d’enregistrement non transitoire lisible par un ordinateur sur lequel est enregistré un programme pour la mise en œuvre du procédé selon l’une des revendications 1 à 8 lorsque ce programme est exécuté par un processeur.


Non-transitory recording medium readable by a computer on which is recorded a program for implementing the method according to one of claims 1 to 8 when this program is executed by a processor.


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