WO2018172288A1 - Dispositif de détection de présence par ultrasons - Google Patents

Dispositif de détection de présence par ultrasons Download PDF

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    • G01S15/06—Systems determining the position data of a target
    • G01S15/42—Simultaneous measurement of distance and other co-ordinates

Definitions

  • the present application relates to an acoustic device, in particular an ultrasonic presence detection device.
  • Ultrasonic presence detection devices are used, for example in some underwater surveillance applications such as port monitoring or fish bank detection. Such devices are also used in monitoring applications of drifting elements in a river or river, for example near water catchment points used for hydroelectric production or plant cooling.
  • the ultrasounds emitted by the device are reflected by walls such as the bed of a river;
  • the targets do not reflect ultrasound, for example debris of small dimensions, for example less than cm, clusters of such debris, or soft targets such as jellyfish or plastic bags; or
  • One embodiment provides an ultrasonic detection device, to solve all or part of the disadvantages described above.
  • One embodiment provides a target detection device, particularly simple to manufacture.
  • One embodiment provides a device employing large sensors, for example of diameter greater than 2.5 cm, commonly available and easy to implement.
  • One embodiment provides a device for detecting the presence of targets reflecting little ultrasound.
  • One embodiment provides a device for detecting the presence of moving targets in an aquatic environment that may be turbulent and / or turbid.
  • One embodiment provides a device for detecting the presence of a target reliably in the presence of a wall.
  • an embodiment provides a device for detecting the presence of a target, comprising: a generator of an ultrasonic train of wavelengths decreasing as a function of time or increasing as a function of time, capable of to be reflected by the target; a pair of first and second sensors; and a processing unit adapted to: a) receive and sample first and second ultrasonic signals from an observed region and received respectively by the first and second sensors, from which samples of the first and second signals are obtained, each sample corresponding to a moment of reception; b) obtaining, by Hilbert transform of each of the first and second signals, first and second complex signals; c) filtering each of the first and second complex signals; d) associating with each sample of the first filtered complex signal the sample of the filtered second filtered signal having the best correlation, which results, for each reception instant, a pair of first and second samples of the first and second filtered complex signals ; e) selecting, for each reception instant, successive pairs of samples located in a time interval around the instant of reception considered; f)
  • the correlation value is the correlation value
  • the first and second sensors are arranged at a center-to-center distance greater than 4 times the ultrasonic wavelength.
  • step a4) comprises: defining a reference line parallel to the axis passing through the first and second sensors; for each reception instant, obtaining a phase shift value, representative of the difference between, on the one hand, the measured phase shift and, on the other hand, the theoretical phase shift for the point of the reference line corresponding to the instant of reception; and determining the distance between the axis of the sensors and the target, from the phase shift value.
  • step g) comprises: calculating for each reception instant an amplitude value representative of the average modulus of the samples of the couples selected in step e); and detecting the presence of the target when at least one of the amplitude values deviates significantly from the other amplitude values.
  • step g) comprises: calculating for each reception instant a phase shift value representative of the average difference between the arguments of the first and second samples of the couples selected in step e); and detect the presence of the target when at least one of the phase shift values deviates significantly from the other phase shift values.
  • the sensors are adapted to not significantly detect ultrasound from directions at an angle greater than 80 ° with the axis passing through the sensors.
  • FIG. 1 illustrates an embodiment of a device for detecting the presence of an ultrasound target
  • FIGS. 2A to 2D are timing diagrams schematically illustrating examples of steps implemented by a device for detecting the presence of a target.
  • FIG. 3 is a side view of a pair of sensors, schematically illustrating an example of another step implemented by a device for detecting the presence of a target.
  • the expressions “substantially” and “of the order of” mean within 10%, preferably within 5%, or, with respect to an orientation, at 10 degrees. near, preferably to within 5 degrees.
  • the expression “signifi- cantly”, with respect to a variation of a value or a difference between values means more than 5%, preferably more than 10%.
  • the term "theoretical”, in terms of a value at a given point, means that this value can be calculated from a theoretical ultrasound propagation model, assuming that the ultrasound is reflected. by a target at this point.
  • the theoretical model for example a constant velocity propagation model, is within the abilities of those skilled in the art and is not detailed.
  • FIG. 1 schematically illustrates an embodiment of a device 200 for detecting the presence and locating a target T by ultrasound.
  • the device 200 comprises a pair 202 of sensors 202M and 202S.
  • the sensors of the pair are arranged at a center-to-center distance B in the direction of an axis 204.
  • the axis 204 passes in the middle of the line of the sensor pairs.
  • Each of the sensors 202M, 202S is sensitive to ultrasound from an observed region 206 which surrounds an observation axis 208.
  • the observation axis 208 makes with the axis 204 an angle ⁇ .
  • the observed region can extend from the sensors over dimensions greater than one meter, or even much greater than the meter, for example more than 10 m.
  • the distance B is a few cm, for example of the order of 2.5 to 10 cm.
  • the pair of sensors is practically quasi-punctual at the scale of the region to be observed.
  • the sensors are connected to a processing unit 210.
  • the processing unit comprises a digital circuit, such as a microprocessor adapted to implement a program stored in a memory, and analog conversion elements. -numeric signals from the sensors.
  • the processing unit can be associated with a computer via a remote link, for example via the Internet.
  • An ultrasound generator 212 connected to the processing unit and preferably separate from the sensors, allows to emit ultrasound towards the observed region 206.
  • the generator 212 may be disposed in the middle of the sensors or at a remote position.
  • the generator 212 is designed to emit ultrasonic waves of wavelength ⁇ in the direction of the observed region 208.
  • the wavelength ⁇ is typically of the order of 0.15 to 0.5 cm, corresponding in part to the at frequencies between 300 kHz and 1 MHz.
  • the pulses are emitted by the generator, reflected by a possible target, and received by the sensors.
  • the processing unit then implements a method for detecting the presence of the target.
  • An example of such a method is described below in section 1, and an alternative is described in section 2.
  • An optional step of the method for detecting the presence of a target in the presence of a wall is described. in section 3.
  • FIGS. 2A to 2D are timing diagrams illustrating examples of steps implemented at each pulse by the processing unit 210.
  • the ultrasound pulse is generated.
  • the pulse is an ultrasonic train of wavelengths ⁇ decreasing as a function of time or increasing as a function of time, capable of being reflected by the target.
  • the frequency scans the frequency range between 300 kHz and 1.2 MHz.
  • the total duration of the pulse is between 0.5 ms and 2 ms, for example 1 ms.
  • each sensor of the pair 202 receives an ultrasonic signal.
  • the sensor 202M receives a signal RM0 and the sensor 202S receives a signal RS0, depending time t.
  • Moments tM and tS have an offset depending on the position of the target. In practice, the duration of the pulse is much greater than the offset between the times tM and tS.
  • the RMO and RSO signals are then sampled.
  • Each sample RMO (t n ) or RSO (t n ) corresponds to a reception time t n of ultrasound by the corresponding sensor.
  • the sampling frequency l / At of the signal RMO is substantially equal to 4 times the central frequency of the pulse.
  • the sampling frequencies are identical for the sampled signals RMO and RSO.
  • the sampling frequency of the signal RSO is greater than that of the signal RMO, for example 8 times higher.
  • a sampled complex signal is then determined by Hilbert transformation.
  • the module and the argument respectively correspond to the amplitude and the relative phase of the ultrasounds received.
  • sampled complex signals RM2 and RS2 are obtained by filtering each of the signals RM1 and RS1.
  • the adapted filtering of RM1 or RS1 consists, for each flight time t n , of implementing the relation:
  • R2 (t n ) ⁇ RI (t n + n -) fl (t n .)
  • RI is the signal RM1 or RS1
  • R2 is the signal RM2 or RS2
  • fl is a sampled complex signal representative of the ultrasounds emitted by the generator between instants t_Ni and t-Nl 'sampled at the frequency l / At and obtained by Hilbert transform.
  • the signal f 1 may correspond directly to the transmitted signal, or to a signal received by one of the sensors after propagation in the water, for example measured during a pre-adjustment phase of the device.
  • the signal f1 may be a matched filter reference signal obtained in the manner described in connection with section II and FIG. 2 of Vasile G's "Reference Selection for an Active Ultrasound Wild Salmon Monitoring System". et al., MTS / IEEE North American Conference OCEANS, Washington DC, USA, published in 2015.
  • the matched filtering has the effect of concentrating around the same instant, tM for the signal RM2, and tS for the signal RS2, the ultrasound reflected by a target.
  • Pulse 502 is then obtained in each of the signals.
  • the width of the pulses is of the order of the duration At, for example so that in each signal the pulse 502 only significantly affects one or two samples.
  • the module and the argument are respectively representative of the amplitude and the relative phase of the ultrasound reflected by the target.
  • the sample RS2 (t n i) is associated for which the signal RS2 has the best correlation with the signal RM2.
  • a pair of samples RM2 (t n ) and RS3 (t n ) were thus formed for each reception instant t n .
  • the correlation is over a period of duration At2, centered on the sample RM2 (t n ) for the signal RM2 and on the sample RS2 (t n for the signal RS2.
  • the signal RS2 may be oversampled, for example by a factor 8, before the step of FIG. 6C, or the signal RS2 may have retained the frequency sampling of the RSO signal in the case where this frequency is higher than that of the RMO signal.
  • the signal RS3 can be determined, in the present case of ultrasonic pulses, in a manner similar to that described for radar pulses in section 1.3 on page 17 of the document "Interferometric Opening Synthetic Radar Imaging”. and polarimetry ", Ph.D. thesis of Why G., University of Savoie, France, 2007.
  • N2 reception timings selecting t n consecutive closest to time t n, situated between times t n _ ⁇ 2/2 e n + N2 tt / 2 As an example, the integer N2 is common at all times of reception. Then a Cov covenant matrix (t n ) (of 2x2 dimension) of the selected V (t n ') vectors is determined.
  • the Cov (t n ) matrix is sought for signals corresponding to ultrasound, as described for radar waves in section IIC, paragraph 2 and equation [13] of the document "Stable scatterers detection”.
  • the Cov matrix ( t n ) can be found as a solution of the equation: ( 3>
  • V H (t n ) is the complex conjugated transposed vector of the vector
  • V H (t n ), and Cov ⁇ l (t n ) is the inverse matrix of the matrix Cov (t n ). To find this solution, we can proceed by successive iterations.
  • the covariance matrix can also be determined by other known methods.
  • the processing unit is here adapted to further implement a phase correlation signal E (t) of which each value E (t n ) is defined by the relation:
  • I I represents the module
  • the presence of the target T can then be detected when the E (t n Q) of the values of the phase correlation signal is greater than a threshold, for example 0.3.
  • the presence of the target can also be detected when one of the values of the correlation signal deviates significantly from the others of the values of this signal, for example, deviates by more than 0.3.
  • the use of a statistical correlation signal between signals received by the two sensors, such as the signal E (t), makes it possible to detect the presence of a target reliably. In particular, it is possible to detect in a particularly reliable manner the presence of a target that can be poorly reflective and / or moving in a turbulent and / or turbid medium.
  • the processing unit measures, for each pair of sensors, according to the instant of reception, in addition to the signal E (t):
  • a signal of amplitude I (t) of the ultrasounds received by the pair of sensors for example the amplitude of the ultrasounds received by the sensor 202M;
  • phase shift signal ⁇ (t) between the ultrasonic waves received by the sensor 202M and those received by the sensor 202S.
  • the phase shift signal may only be defined for the useful values, which correspond to the times when the amplitude is sufficient for the phase shift to be measured.
  • the amplitude and phase shift signals are sampled signals of values I (t n ) and ⁇ (t n ), the reception times t n being for example at regular intervals.
  • I (t n ) and ⁇ (t n ) the reception times t n being for example at regular intervals.
  • the measured amplitude value I (t n ) is further determined by the relation:
  • Each value I (t n ) thus obtained is representative of the sample modules RM2 (t n ') and RS3 (t n ') selected around the instant t n .
  • the value I (t n ) any value representative of the modules of the selected samples, for example an average value of these modules.
  • each value ⁇ (t n ) obtained here is representative of the differences between the arguments of each pair RM2 (t n '), RS3 (t n ') of selected samples.
  • the value ⁇ (t n ) any value representative of these differences for example the average value of the differences between the arguments of the selected pairs.
  • the device can then detect the presence of the target when at least one of I (t n Q), the values of the amplitude signal I (t) crosses a threshold, or deviates from the values of this signal. for example more than 10%.
  • the device can also detect the presence of the target when at least one, ⁇ (3 ⁇ 4 ⁇ ), of the values of the phase shift signal ⁇ ⁇ ) deviates from the other values of this signal, for example by more than 10%.
  • the amplitude and phase shift signals thus measured have an improved signal-to-noise ratio, making it possible to detect a target that reflects little ultrasound.
  • the device 200 can implement large sensors, for example with a diameter greater than 2.5 cm,
  • the center-to-center distance B between sensors being, for example, greater than 4 times the central wavelength of the ultrasound
  • an advantage of using large sensors is that they allow a particularly high signal-to-noise ratio and resolution
  • Such sensors have particularly wide frequency ranges. Indeed, the adapted filtering allows a signal-to-noise ratio and a resolution all the higher as the frequency range scanned by the ultrasound train is wide.
  • the device detects with particularly high reliability the presence of a target that can be poorly reflective and / or moving, in water that can be turbulent and / or turbid.
  • Figure 3 is a side view of the sensor pair 202.
  • the device has been positioned so that the axis 204 connecting the sensors is parallel to a wall
  • the wall 600 such as the bottom of a river.
  • the wall 600 corresponds to a line 601 in the plane of the figure (that is to say in the plane of the axis 204 and the observation axis 208).
  • a value ⁇ (t n ) representative of the theoretical phase shift A6 '(t n ) for the point 602 is then calculated.
  • the theoretical flight time and the theoretical phase shift respectively correspond to the flight time and the phase shift that are calculated by assuming that ultrasounds are reflected by a target located at a considered point, according to a model of ultrasound propagation.
  • P Q is the distance between the sensor 202M and the point 604
  • f is the center frequency of the ultrasonic pulses
  • ⁇ is the angle between the axes 208 and 204
  • B is the distance between the sensors 202M and 202S.
  • a sampled complex signal RS3 ' is then obtained from the signal RS3 by adding the value Ai
  • the processing unit can then obtain a phase shift value ⁇ (t n ) for each reception instant t n from the signals RM2 and RS3 ', in a manner similar to that described with reference to FIG. 2D to obtain the phase shift signal ⁇ (t) from the signals RM2 and RS3.
  • the presence of the target T in front of the wall can then be detected when one, ⁇ 1 ⁇ ⁇ ⁇ ), of the values ⁇ (t n ) of the signal ⁇ (t) deviates significantly from the others of the values of this signal, by example of more than 10%.
  • the value ⁇ 1 (1_. ⁇ ⁇ ) obtained for a pair of sensors depends only on the distance r from the target to the wall 600, and the value A (j) l (t n o) corresponds to the target while the other values ⁇ (t n ) correspond to the wall.
  • the presence of a target is reliably detected even in the presence of an ultrasound-reflecting wall.
  • the sensors 202M and 202S are adapted not to significantly detect the ultrasound coming from directions making an angle greater than 80 ° with the axis 204.
  • the optional step of this section 3 thus makes it possible to reliably detect the presence of a target, which may be poorly reflective and / or in motion, in water that may be turbulent and / or turbid, possibly in the presence of a wall.
  • the distance r from the wall of a target near the point 604.
  • the value ⁇ 1 ⁇ ⁇ ⁇ ) can be used. Indeed, this value only depends significantly on the distance r.
  • a wall is present here by way of example, it is possible alternatively to identify the target by its distance from other surfaces, such as, in the case of a distance generator-sensor quasi-point, a cylinder radius rO and axis axis 204.
  • the line 601 is then located at the distance rO of the axis 204.
  • the value A (j) l (t n o) depends significantly on the distance between the target and the axis 204.
  • the constant value ⁇ mentioned above allows the value A (j) l (t n o) to be zero when the target is on the cylinder, and the distance between the target is the cylinder is then particularly simple to obtain.
  • each value I (t n ) can be representative of the sample modules RM2 (t n ) and RS3 (t n ), for example the average of the modules.
  • each value ⁇ (t n ) can be the difference between the arguments of the samples RS3 (t n ) and RM2 (t n ).

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Abstract

L'invention concerne un dispositif de détection de la présence d'une cible (T), comprenant un générateur, une paire (202) de capteurs (202M, 202S), et une unité de traitement (210) adaptée à : a) recevoir et échantillonner des signaux ultrasonores; b) obtenir, par transformée de Hilbert, des premier et deuxième signaux complexes; c) filtrer par filtrage adapté chacun des signaux complexes; d) associer à chaque échantillon du premier signal complexe filtré l'échantillon du deuxième signal complexe filtré présentant la meilleure corrélation, d'où il résulte un couple d'échantillons pour chaque instant de réception; e) sélectionner des couples successifs d'échantillons dans un intervalle autour de chaque instant de réception; f) calculer une valeur de corrélation statistique entre les couples sélectionnés à l'étape e); et g) détecter la présence de la cible lorsque l'une des valeurs de corrélation s'écarte significativement des autres valeurs de corrélation.

Description

DISPOSITIF DE DETECTION DE PRESENCE PAR ULTRASONS
Domaine
La présente demande concerne un dispositif acoustique, en particulier un dispositif de détection de présence par ultrasons .
Exposé de 1 ' art antérieur
On utilise des dispositifs de détection de présence par ultrasons, par exemple dans certaines applications de surveillance sous-marine telles que la surveillance de ports ou la détection de bancs de poissons. De tels dispositifs sont également utilisés dans des applications de surveillance d'éléments dérivant dans un fleuve ou une rivière, par exemple près de points de captage d'eau utilisés pour la production hydroélectrique ou le refroidissement de centrales.
Les dispositifs connus présentent des problèmes de fiabilité de la détection de présence, lorsque :
- l'eau est agitée de turbulences ;
- les ultrasons émis par le dispositif sont réfléchis par des parois telles que le lit d'une rivière ;
- les éléments que l'on cherche à détecter sont animés de mouvements rapides ;
- les cibles réfléchissent peu les ultrasons, par exemple des débris de petites dimensions, par exemple inférieures au cm, des amas de tels débris, ou des cibles molles telles que des méduses ou des sacs plastiques ; ou
- le niveau de turbidité de l'eau est élevé.
Résumé
Un mode de réalisation prévoit un dispositif de détection par ultrasons, permettant de résoudre tout ou partie des inconvénients décrits ci-dessus.
Un mode de réalisation prévoit un dispositif de détection de cibles, particulièrement simple à fabriquer. Un mode de réalisation prévoit un dispositif mettant en oeuvre des gros capteurs, par exemple de diamètre supérieur à 2,5 cm, couramment disponibles et faciles à mettre en oeuvre.
Un mode de réalisation prévoit un dispositif permettant de détecter la présence de cibles réfléchissant peu les ultrasons.
Un mode de réalisation prévoit un dispositif permettant de détecter la présence de cibles pouvant être en mouvement, dans un milieu aquatique pouvant être turbulent et/ou turbide.
Un mode de réalisation prévoit un dispositif permettant de détecter la présence d'une cible de manière fiable en présence d'une paroi.
Ainsi, un mode de réalisation prévoit un dispositif de détection de la présence d'une cible, comprenant : un générateur d'un train d'ultrasons de longueurs d'onde décroissantes en fonction du temps ou croissantes en fonction du temps, susceptibles d'être réfléchis par la cible ; une paire de premier et deuxième capteurs ; et une unité de traitement adaptée à : a) recevoir et échantillonner des premier et deuxième signaux ultrasonores provenant d'une région observée et reçus respectivement par les premier et deuxième capteurs, d'où il résulte des échantillons des premier et deuxième signaux, chaque échantillon correspondant à un instant de réception ; b) obtenir, par transformée de Hilbert de chacun des premier et deuxième signaux, des premier et deuxième signaux complexes ; c) filtrer par filtrage adapté chacun des premier et deuxième signaux complexes ; d) associer à chaque échantillon du premier signal complexe filtré l'échantillon du deuxième signal complexe filtré présentant la meilleure corrélation, d'où il résulte, pour chaque instant de réception, un couple de premier et deuxième échantillons des premier et deuxième signaux complexes filtrés ; e) sélectionner, pour chaque instant de réception, des couples successifs d'échantillons situés dans un intervalle de temps autour de l'instant de réception considéré ; f) calculer, pour chaque instant de réception, une valeur de corrélation représentative d'une corrélation statistique entre les couples sélectionnés à l'étape e) ; et g) détecter la présence de la cible lorsque l'une au moins des valeurs de corrélation s'écarte significativement des autres valeurs de corrélation.
Selon un mode de réalisation, la valeur de corrélation
E (tn) pour chaque instant de réception est définie par la relation :
Figure imgf000005_0001
où Cov désigne la matrice de covariance des couples sélectionnés à 1 ' étape e) .
Selon un mode de réalisation, les premier et deuxième capteurs sont disposés à une distance centre à centre supérieure à 4 fois la longueur d'onde des ultrasons.
Selon un mode de réalisation, l'étape a4) comprend : définir une droite de référence parallèle à l'axe passant par les premier et deuxième capteurs ; pour chaque instant de réception, obtenir une valeur de déphasage, représentative de la différence entre, d'une part, le déphasage mesuré et, d'autre part, le déphasage théorique pour le point de la droite de référence correspondant à l'instant de réception ; et déterminer la distance entre l'axe des capteurs et la cible, à partir de la valeur de déphasage .
Selon un mode de réalisation, l'étape g) comprend : calculer pour chaque instant de réception une valeur d'amplitude représentative du module moyen des échantillons des couples sélectionnés à l'étape e) ; et détecter la présence de la cible lorsque l'une au moins des valeurs d'amplitude s'écarte significativement des autres valeurs d'amplitude.
Selon un mode de réalisation, l'étape g) comprend : calculer pour chaque instant de réception une valeur de déphasage représentative de la différence moyenne entre les arguments des premier et deuxième échantillons des couples sélectionnés à l'étape e) ; et détecter la présence de la cible lorsque l'une au moins des valeurs de déphasage s'écarte significativement des autres valeurs de déphasage.
Selon un mode de réalisation, les capteurs sont adaptés à ne pas détecter significativement les ultrasons provenant de directions faisant un angle supérieur à 80° avec l'axe passant par les capteurs.
Brève description des dessins
Ces caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres, seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles :
la figure 1 illustre un mode de réalisation d'un dispositif de détection de présence d'une cible par ultrasons ;
les figures 2A à 2D sont des chronogrammes illustrant schématiquement des exemples d'étapes mises en oeuvre par un dispositif de détection de présence d'une cible ; et
la figure 3 est une vue de côté d'une paire de capteurs, illustrant schématiquement un exemple d'une autre étape mise en oeuvre par un dispositif de détection de présence d'une cible.
Description détaillée
De mêmes éléments ont été désignés par de mêmes références dans les différentes figures et, de plus, les diverses figures ne sont pas tracées à l'échelle. En particulier, les dimensions des dispositifs de repérage par ultrasons sont exagérées par rapport à celles des régions observées dans lesquelles les cibles peuvent être situées. Par souci de clarté, seuls les éléments utiles à la compréhension des modes de réalisation décrits ont été représentés et sont détaillés.
Dans la description qui suit, sauf précision contraire, les expressions "sensiblement", et "de l'ordre de" signifient à 10 % près, de préférence à 5 % près, ou, s 'agissant d'une orientation, à 10 degrés près, de préférence à 5 degrés près. Sauf précision contraire, l'expression "signifi- cativement", s 'agissant d'une variation d'une valeur ou d'une différence entre des valeurs, signifie de plus de 5 %, de préférence de plus de 10 %.
Sauf précision contraire, l'expression "théorique", s 'agissant d'une valeur en un point donné, signifie que cette valeur peut être calculée, d'après un modèle théorique de propagation d'ultrasons, en supposant que les ultrasons sont réfléchis par une cible en ce point. Le modèle théorique, par exemple un modèle de propagation à vitesse constante, est à la portée de l'homme du métier et n'est détaillé.
La figure 1 illustre schématiquement un mode de réalisation d'un dispositif 200 de détection de présence et de repérage d'une cible T par ultrasons.
Le dispositif 200 comprend une paire 202 de capteurs 202M et 202S. Les capteurs de la paire sont disposés à une distance B de centre à centre, selon la direction d'un axe 204. L'axe 204 passe au milieu de la ligne des paires de capteurs.
Chacun des capteurs 202M, 202S est sensible aux ultrasons provenant d'une région observée 206 qui entoure un axe d'observation 208. L'axe d'observation 208 fait avec l'axe 204 un angle Θ. La région observée peut s'étendre à partir des capteurs sur des dimensions supérieures au mètre, voire très supérieures au mètre, par exemple plus de 10 m.
A titre d'exemple, la distance B est de quelques cm, par exemple de l'ordre de 2,5 à 10 cm. La paire de capteurs est alors en pratique quasi-ponctuelle à l'échelle de la région à observer .
Les capteurs sont reliés à une unité de traitement 210. A titre d'exemple, l'unité de traitement comprend un circuit numérique, tel qu'un microprocesseur adapté à mettre en oeuvre un programme enregistré dans une mémoire, et des éléments de conversion analogique-numérique des signaux en provenance des capteurs. L'unité de traitement peut être associée à un ordinateur par une liaison à distance, par exemple par le réseau Internet .
Un générateur d'ultrasons 212, relié à l'unité de traitement et de préférence distinct des capteurs, permet d'émettre des ultrasons en direction de la région observée 206. Le générateur 212 peut être disposé au milieu des capteurs ou à une position déportée. Un avantage d'un générateur d'ultrasons distinct des capteurs est qu'il peut être positionné de manière à optimiser les réflexions des ultrasons par la cible, en fonction de la configuration de la région à observer, par exemple en fonction de la présence de parois telles que le lit d'une rivière ou un fond marin.
Le générateur 212 est prévu pour émettre par impulsions des ultrasons de longueur d'onde λ en direction de la région observée 208. La longueur d'onde λ est typiquement de l'ordre de 0,15 à 0,5 cm, correspondant dans l'eau à des fréquences comprises entre 300 kHz et 1 MHz.
En fonctionnement, les impulsions sont émises par le générateur, réfléchies par une cible éventuelle, et reçus par les capteurs. L'unité de traitement met alors en oeuvre un procédé permettant de détecter la présence de la cible. Un exemple d'un tel procédé est décrit ci-après en section 1, et une variante est décrite en section 2. Une étape optionnelle du procédé, pour la détection de la présence d'une cible en présence d'une paroi, est décrite en section 3.
1. Exemple de procédé de détection de présence d'une cible
Les figures 2A à 2D sont des chronogrammes illustrant des exemples d'étapes mises en oeuvre à chaque impulsion par l'unité de traitement 210.
A une étape initiale non représentée, l'impulsion d'ultrasons est générée. L'impulsion est un train d'ultrasons de longueurs d'onde λ décroissantes en fonction du temps ou croissantes en fonction du temps, susceptibles d'être réfléchis par la cible. A titre d'exemple, la fréquence balaye la plage des fréquences comprises entre 300 kHz et 1,2 MHz. A titre d'exemple, la durée totale de l'impulsion est comprise entre 0,5 ms et 2 ms, par exemple 1 ms.
A l'étape de la figure 2A, chaque capteur de la paire 202 reçoit un signal ultrasonore. Le capteur 202M reçoit un signal RM0 et le capteur 202S reçoit un signal RS0, en fonction du temps t. Ces signaux correspondant au train d'ultrasons, réfléchis par une cible éventuelle, qui parvient aux deux capteurs à des instants tM et tS (au centre des impulsions reçues). L'instant central de l'émission de l'impulsion sert ici de référence de temps t=0, et le temps de vol des ultrasons correspond ainsi à l'instant central de réception. Les instants tM et tS présentent un décalage en fonction de la position de la cible. En pratique, la durée de l'impulsion est très supérieure au décalage entre les instants tM et tS.
Les signaux RMO et RSO sont ensuite échantillonnés.
Chaque échantillon RMO (tn) ou RSO (tn) correspond à un instant de réception tn des ultrasons par le capteur correspondant. A titre d'exemple, la fréquence d'échantillonnage l/At du signal RMO est sensiblement égale à 4 fois la fréquence centrale de l'impulsion. A titre d'exemple, les fréquences d'échantillonnage sont identiques pour les signaux échantillonnés RMO et RSO. A titre de variante, la fréquence d'échantillonnage du signal RSO est supérieure à celle du signal RMO, par exemple 8 fois supérieure .
Pour chacun des signaux RMO et RSO, on détermine ensuite par transformation de Hilbert, un signal complexe échantillonné, respectivement RM1 et RS1. Pour chaque échantillon RM1 (tn) ou RS1 (tn) , le module et l'argument correspondent respectivement à l'amplitude et à la phase relative des ultrasons reçus.
A l'étape de la figure 2B, on obtient des signaux complexes échantillonnés RM2 et RS2, par filtrage adapté de chacun des signaux RM1 et RS1.
A titre d'exemple, le filtrage adapté de RM1 ou RS1 consiste, pour chaque temps de vol tn, à mettre en oeuvre la relation :
R2(tn) = ^ RI (tn+n- ) fl (tn.)At
n=-Nl
où RI est le signal RM1 ou RS1,
R2 est le signal RM2 ou RS2, et fl est un signal complexe échantillonné représentatif des ultrasons émis par le générateur entre des instants t_Ni et t-Nl' échantillonné à la fréquence l/At et obtenu par transformée de Hilbert.
Le signal fl peut correspondre directement au signal émis, ou à un signal reçu par l'un des capteurs après propagation dans l'eau, par exemple mesuré au cours d'une phase de préréglage du dispositif. A titre de variante, le signal fl peut être un signal de référence de filtre adapté obtenu de la manière décrite en relation avec la section II et la figure 2 du document "Référence Sélection for an Active Ultrasound Wild Salmon Monitoring System", de Vasile G. et al., MTS/IEEE North American OCEANS conférence, Washington DC, USA, publié en 2015.
Le filtrage adapté a pour effet de concentrer autour d'un même instant, tM pour le signal RM2, et tS pour le signal RS2, les ultrasons réfléchis par une cible. On obtient alors des impulsions 502 dans chacun des signaux. A titre d'exemple, la largeur des impulsions est de l'ordre de la durée At, par exemple de sorte que dans chaque signal l'impulsion 502 ne concerne significativement qu'un ou deux échantillons. Pour chaque échantillon RM2 (tj[) ou RS2 (tg) , le module et l'argument sont représentatifs respectivement de l'amplitude et de la phase relative des ultrasons réfléchis par la cible.
A l'étape de la figure 2C, à chaque échantillon RM2 (tn) du signal RM2, on associe l'échantillon RS2(tn i ) pour lequel le signal RS2 présente la meilleure corrélation avec le signal RM2. On obtient un signal complexe échantillonné défini par la relation RS3 (tn) = RS2(tn i ) . On a ainsi formé un couple d'échantillons RM2 (tn) , RS3 (tn) pour chaque instant de réception tn. A titre d'exemple, la corrélation est sur une période de durée At2, centrée sur l'échantillon RM2 (tn) pour le signal RM2 et sur l'échantillon RS2(tn pour le signal RS2.
A titre de variante, le signal RS2 peut être suréchantillonné, par exemple d'un facteur 8, avant l'étape de la figure 6C, ou le signal RS2 peut avoir conservé la fréquence d'échantillonnage du signal RSO dans le cas où cette fréquence est plus élevée que celle du signal RMO .
A titre d'exemple, le signal RS3 peut être déterminé, dans le cas présent d'impulsions ultrasonores, d'une manière similaire à celle décrite pour des impulsions radar en section 1.3 page 17 du document "Imagerie Radar à Synthèse d'Ouverture interférométrique et polarimétrique" , Thèse de doctorat de Vasile G., Université de Savoie, France, 2007.
A l'étape de la figure 2D, pour chaque instant de réception tn', on forme un vecteur V(tn des échantillons RM2(tn.) et RS3(tn-), c'es -à-dire :
Figure imgf000011_0001
Pour chaque instant de réception tn on sélectionne N2 instants de réception tn' consécutifs les plus proches de l'instant tn, situés entre des instants tn_^2/2 et tn+N2/2- A titre d'exemple, l'entier N2 est commun à tous les instants de réception. On détermine ensuite une matrice Cov(tn) de covariance (de dimension 2x2) des vecteurs V(tn') sélectionnés.
A titre d'exemple, on recherche la matrice Cov(tn), pour des signaux correspondant à des ultrasons, de la manière décrite pour des ondes radar en section IIC, paragraphe 2 et équation [13] du document "Stable scatterers détection and tracking in heterogeneous clutter by repeat pass SAR interferometry" de G. Vasile et al., Asilomar Conférence on Signais, Systems, and Computers, Pacific Grove, California, USA, p 1343-1347, publiée en 2010. Ainsi, la matrice Cov (tn) peut être trouvée comme solution de l'équation : ( 3 >
Figure imgf000011_0002
où VH (tn) est le vecteur transposé complexe conjugué du vecteur
VH(tn), et Cov~l (tn) est la matrice inverse de la matrice Cov(tn). Pour trouver cette solution, on peut procéder par itérations successives. La matrice de covariance peut aussi être déterminée par d'autres méthodes connues.
FEUILLE INCORPOREE PAR RENVOI (REGLE 20.6) L'unité de traitement est ici adaptée à mettre en outre en oeuvre un signal E(t) de corrélation de phase dont chaque valeur E (tn) est définie par la relation :
Cov12 (tn)
E(tn)=
lVcovl:L(tn) .cov22 (tn;
où I I représente le module.
La présence de la cible T peut alors être détectée lorsque l'une E(tnQ) des valeurs du signal de corrélation de phase est supérieure à un seuil, par exemple 0,3. La présence de la cible peut aussi être détectée lorsque l'une des valeurs du signal de corrélation s'écarte significativement des autres des valeurs de ce signal, par exemple, s'écarte de plus de 0,3.
L'utilisation d'un signal de corrélation statistique entre signaux reçus par les deux capteurs, tel que le signal E(t), permet de détecter la présence d'une cible de manière fiable. En particulier, on peut détecter de manière particulièrement fiable la présence d'une cible pouvant être peu réfléchissante et/ou en mouvement en milieu turbulent et/ou turbide .
2. Variante plus particulièrement fiable du procédé de la section 1
On propose ici, à titre de variante, de compléter le procédé de la section 1, afin d'en améliorer encore la fiabilité .
L'unité de traitement mesure, pour chaque paire de capteurs, en fonction de l'instant de réception, en plus du signal E(t) :
- un signal d'amplitude I (t) des ultrasons reçus par la paire de capteurs, par exemple l'amplitude des ultrasons reçus par le capteur 202M ; et
- un signal de déphasage Δφ (t) entre les ondes ultrasonores reçues par le capteur 202M et celles reçues par le capteur 202S.
Le signal de déphasage peut n'être défini que pour les valeurs utiles, qui correspondent aux instants où l'amplitude est suffisante pour que l'on puisse mesurer le déphasage. De préférence, les signaux d'amplitude et de déphasage sont des signaux échantillonnés de valeurs I (tn) et Δφ (tn) , les instants de réception tn étant par exemple à intervalles réguliers. Un exemple préféré de détermination des signaux d'amplitude et de déphasage mesurés est décrit ci-après.
Pour chaque instant de réception, on détermine en outre la valeur d'amplitude mesurée I (tn) par la relation :
I (tn> = YH(% i), Co¾f 1 (tn ) .V(tn i ) (5) et on détermine, comme déphasage mesuré Δφ (tn) , l'argument de l'élément Cov_2 (tn) (1ère ligne, 2eme colonne) de la matrice Cov (tn) .
Chaque valeur I (tn) ainsi obtenue est représentative des modules des échantillons RM2(tn') et RS3(tn') sélectionnés autour de l'instant tn. A titre de variante, on peut choisir pour la valeur I (tn) toute valeur représentative des modules des échantillons sélectionnés, par exemple une valeur moyenne de ces modules. En outre, chaque valeur Δφ (tn) obtenue ici est représentative des différences entre les arguments de chaque couple RM2(tn'), RS3(tn') d'échantillons sélectionnés. A titre de variante, on peut choisir pour la valeur Δφ (tn) toute valeur représentative de ces différences, par exemple la valeur moyenne des différences entre arguments des couples sélectionnés.
Le dispositif peut alors détecter la présence de la cible lorsque l'une au moins, I(tnQ), des valeurs du signal d'amplitude I (t) franchit un seuil, ou s'écarte des autres des valeurs de ce signal, par exemple de plus de 10 %. Le dispositif peut aussi détecter la présence de la cible lorsque l'une au moins, Δφ(¾ο ) , des valeurs du signal de déphasage Δφ^) s'écarte des autres valeurs de ce signal, par exemple de plus de 10 %.
Selon un avantage, du fait du filtrage adapté, les signaux d'amplitude et de déphasage ainsi mesurés ont un rapport signal sur bruit amélioré, permettant la détection d'une cible réfléchissant peu les ultrasons.
Par ailleurs, le dispositif 200 peut mettre en oeuvre des gros capteurs, par exemple de diamètre supérieur à 2,5 cm,
FEU I LLE I NCORPOREE PAR RENVOI (REG LE 20.6) la distance B centre à centre entre capteurs étant par exemple supérieure à 4 fois la longueur d'onde centrale des ultrasons, un avantage de l'utilisation de gros capteurs est qu'ils permettent un rapport signal sur bruit et une résolution particulièrement élevés, du fait que de tels capteurs ont des plages de fréquence particulièrement larges. En effet, le filtrage adapté permet un rapport signal sur bruit et une résolution d'autant plus élevés que la plage de fréquences balayée par le train d'ultrasons est large.
Le dispositif détecte alors avec une fiabilité particulièrement élevée la présence d'une cible pouvant être peu réfléchissante et/ou en mouvement, dans une eau pouvant être turbulente et/ou turbide.
3. détection en présence d'une paroi
On cherche ici à détecter de manière fiable la présence d'une cible, cela même en présence d'une paroi délimitant la région observée.
Pour cela, on met en oeuvre entre les étapes des figures 2C et 2D une étape optionnelle qui utilise les signaux RS2 et RS3 de l'étape de la figure 2C. Cette étape fournit un signal RS3 ' qui remplace ensuite le signal RS3 dans l'étape de la figure 2D.
La figure 3 est une vue de côté de la paire 202 de capteurs. A titre d'exemple, on a positionné le dispositif pour que l'axe 204 reliant les capteurs soit parallèle à une paroi
600 telle que le fond d'une rivière. La paroi 600 correspond à une droite 601 dans le plan de la figure (c'est-à-dire dans le plan de l'axe 204 et de l'axe d'observation 208).
Pour chaque échantillon RS3 (tn) du signal RS3 déterminé à l'étape de la figure 2C, on détermine sur la droite
601 le point 602 pour lequel le temps de vol théorique correspond au temps de réception tn. On calcule alors une valeur Δψ (tn) représentative du déphasage théorique A6'(tn) pour le point 602. Le temps de vol théorique et le déphasage théorique correspondent respectivement au temps de vol et au déphasage que l'on calcule en supposant que les ultrasons sont réfléchis par une cible située en un point considéré, d'après un modèle de propagation des ultrasons.
A titre d'exemple, pour une paire de capteurs quasi- ponctuelle et une distance paire-générateur quasi-ponctuelle à l'échelle de la distance capteurs-cible, et pour repérer une cible proche du point 604 de rencontre entre l'axe d'observation 208 et la paroi 600 (c'est-à-dire une distance cible-point 604 beaucoup plus petite que la distance capteurs-cible, par exemple plus de 20 fois plus petite) , on peut calculer les valeurs Δψ (tn) à partir de la relation suivante :
Figure imgf000015_0001
où PQ est la distance entre le capteur 202M et le point 604, f est la fréquence centrale des impulsions ultrasonores, et comme décrit précédemment, Θ est l'angle entre les axes 208 et 204 et B est la distance entre les capteurs 202M et 202S.
On note que les valeurs Ai|j(tn) calculées d'après la relation (5) correspondent au déphasage théorique pour le point 602 auquel on a ajouté une valeur constante ψθ, égale à Δψ (t 604 ) -B cos Θ, où t604 est le temps de vol théorique pour le point 604. A titre de variante, pour obtenir la valeur Δψ (tn) , on peut ajouter toute valeur constante, c'est-à-dire ne dépendant pas de tn, au déphasage théorique Δφ ' (tn) pour le point 602.
On obtient ensuite un signal complexe échantillonné RS3 ' à partir du signal RS3 en ajoutant la valeur Ai|j(tn) à l'argument de chaque échantillon RS3 (tn) .
L'unité de traitement peut ensuite obtenir une valeur de déphasage Δφΐ (tn) pour chaque instant de réception tn à partir des signaux RM2 et RS3 ' , d'une manière similaire à celle décrite en relation avec la figure 2D pour obtenir le signal de déphasage Δφ (t) à partir des signaux RM2 et RS3.
La présence de la cible T devant la paroi peut alors être détectée lorsque l'une, Δφ1^ηο), des valeurs Δφΐ (tn) du signal Δφΐ (t) s'écarte significativement des autres des valeurs de ce signal, par exemple de plus de 10%. En effet, la valeur Δφ1(1_.ηο) obtenue pour une paire de capteurs ne dépend que de la distance r de la cible à la paroi 600, et la valeur A(j)l(tno) correspond à la cible tandis que les autres valeurs Δφΐ (tn) correspondent à la paroi. La présence d'une cible est détectée de manière fiable, même en présence d'une paroi réfléchissant les ultrasons.
De préférence, les capteurs 202M et 202S sont adaptés à ne pas détecter significativement les ultrasons provenant de directions faisant un angle supérieur à 80° avec l'axe 204. Ceci permet d'obtenir des valeurs Ai|j(tn) suffisantes pour que la valeur de déphasage Δφΐ (tn) dépende essentiellement de la distance entre la cible et l'axe 204, ce qui permet de détecter la cible avec une fiabilité élevée, même en présence d'une paroi .
L'étape optionnelle de la présente section 3 permet ainsi de détecter de manière fiable la présence d'une cible, pouvant être peu réfléchissante et/ou en mouvement, dans une eau pouvant être turbulente et/ou turbide, en présence éventuelle d'une paroi.
4. Autres modes de réalisation
Les divers exemples et variantes décrits ci-dessus peuvent être enrichis pour permettre la détermination de positions possibles de la cible.
A titre d'exemple, on peut définir des positions possibles de la cible dans la partie de la région observée pour laquelle le temps de vol théorique des ultrasons correspond à l'instant de réception tng associé à la valeur E(tnQ), I (tng) , Δφ (tn0) ou Δφΐ (tn0) .
En outre, à l'étape optionnelle de la section 3, on peut déterminer la distance r à la paroi d'une cible proche du point 604. Pour cela, on peut utiliser la valeur Δφ1^ηο). En effet, cette valeur ne dépend significativement que de la distance r.
En outre, bien qu'une paroi soit présente ici à titre d'exemple, on peut à titre de variante repérer la cible par sa distance à d'autres surfaces, telles que, dans le cas d'une distance générateur-capteur quasi-ponctuelle, un cylindre de rayon rO et d'axe l'axe 204. La droite 601 est alors située à la distance rO de l'axe 204. En effet, la valeur A(j)l(tno) ne dépend significativement que de la distance entre la cible et l'axe 204. En particulier, la valeur constante ψθ mentionnée ci-dessus permet que la valeur A(j)l(tno) soit nulle lorsque la cible est sur le cylindre, et la distance entre la cible est le cylindre est alors particulièrement simple à obtenir.
Des modes de réalisation particuliers ont été décrits. Diverses variantes et modifications apparaîtront à l'homme de l'art. En particulier, des procédés de détection d'une cible éventuelle ont été décrits ici à titre d'exemple. On notera que ces procédés peuvent être utilisés pour détecter la présence de plusieurs cibles et éventuellement repérer plusieurs cibles.
En outre, bien que dans la variante de la section 2, les signaux d'amplitude I (t) et de déphasage A(j)(t) mesurés aient été déterminés d'une manière particulière, on peut mesurer l'amplitude et le déphasage par tout procédé adapté. A titre d'exemple, chaque valeur I (tn) peut être représentative des modules des échantillons RM2 (tn) et RS3 (tn) , par exemple la moyenne des modules. A titre d'exemple, chaque valeur Δφ (tn) peut être la différence entre arguments des échantillons RS3 (tn) et RM2 (tn) .

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif de détection de la présence d'une cible (T) , comprenant :
un générateur (212) d'un train d'ultrasons de longueurs d'onde (λ) décroissantes en fonction du temps ou croissantes en fonction du temps, susceptibles d'être réfléchis par la cible ;
une paire (202) de premier (202M) et deuxième (202S) capteurs ; et
une unité de traitement (210) adaptée à :
a) recevoir et échantillonner des premier (RMO) et deuxième (RSO) signaux ultrasonores provenant d'une région observée (206) et reçus respectivement par les premier et deuxième capteurs, d'où il résulte des échantillons des premier (RMO (tn) ) et deuxième (RSO (tn) ) signaux, chaque échantillon correspondant à un instant de réception (tn) ;
b) obtenir, par transformée de Hilbert de chacun des premier et deuxième signaux, des premier (RM1) et deuxième (RS1) signaux complexes ;
c) filtrer par filtrage adapté chacun des premier et deuxième signaux complexes ;
d) associer à chaque échantillon (RM2 (tn) ) du premier signal complexe filtré (RM2) l'échantillon (RS2(tn i ) ) du deuxième signal complexe filtré (RS2) présentant la meilleure corrélation, d'où il résulte, pour chaque instant de réception (tn) , un couple de premier (RM2 (tn) ) et deuxième échantillons (RS3 (tn) ) des premier et deuxième signaux complexes filtrés ;
e) sélectionner, pour chaque instant de réception, des couples successifs d'échantillons situés dans un intervalle de temps (tn-N2/2' ^n+N2/2^ autour de l'instant de réception considéré ;
f) calculer, pour chaque instant de réception, une valeur de corrélation (E (tn) ) représentative d'une corrélation statistique entre les couples sélectionnés à l'étape e) ; et g) détecter la présence de la cible (T) lorsque l'une au moins E(tng) des valeurs de corrélation s'écarte significativement des autres valeurs de corrélation.
2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel la valeur de corrélation E (tn) pour chaque instant de réception
(tn) est définie par la relation :
Figure imgf000019_0001
où Cov désigne la matrice de covariance des couples (RM2(tn'), RS3(tn')) sélectionnés à l'étape e) .
3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, dans lequel les premier (202M) et deuxième (202S) capteurs sont disposés à une distance centre à centre (B) supérieure à 4 fois la longueur d'onde des ultrasons.
4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel l'étape a4) comprend :
définir une droite (601) de référence parallèle à l'axe (204) passant par les premier et deuxième capteurs ;
pour chaque instant de réception (tn) , obtenir une valeur de déphasage (Δφΐ (tn) ) , représentative de la différence entre, d'une part, le déphasage mesuré (Δφ (tn) ) et, d'autre part, le déphasage théorique ( Ai{j(tn)) pour le point (602) de la droite de référence correspondant à l'instant de réception ; et déterminer la distance entre 1 ' axe des capteurs et la cible, à partir de la valeur de déphasage.
5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel l'étape g) comprend :
calculer pour chaque instant de réception (tn) une valeur d'amplitude (I (tn) ) représentative du module moyen des échantillons des couples (RM2(tn'), RS3(tn')) sélectionnés à l'étape e) ; et
détecter la présence de la cible lorsque l'une au moins (I(tnQ)) des valeurs d'amplitude s'écarte significativement des autres valeurs d'amplitude.
6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel l'étape g) comprend :
calculer pour chaque instant de réception une valeur de déphasage (Δφ (tn) , Δφΐ (tn) ) représentative de la différence moyenne entre les arguments des premier et deuxième échantillons des couples (RM2(tn i ) , RS3(tn i ) ) sélectionnés à l'étape e) ; et détecter la présence de la cible lorsque l'une (Δφ1^ηο)) au moins des valeurs de déphasage s'écarte significativement des autres valeurs de déphasage.
7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel les capteurs (202M, 202S) sont adaptés à ne pas détecter significativement les ultrasons provenant de directions faisant un angle supérieur à 80° avec l'axe (204) passant par les capteurs.
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