L'invention concerne un procédé de mesure par gravimétrie et un système mettant en œuvre le procédé.

L'invention peut être utilisée notamment dans les domaines de la détection de tunnels, de structures enfouies, de la recherche géologique et pétrolière, de la détection de présence et de mouvement de mobiles terrestres, aériens et spatiaux. L'invention peut également être utilisée pour la mise en œuvre de dispositifs anticollision, embarqués par exemple, dans des sous-marins, et de guidage ou de fusées de proximité embarqués dans des torpilles ou des missiles.

La détection d'objets d'intérêt et de leurs mouvements est habituellement réalisée à l'aide de sonars pour la détection sous-marine et de radars pour la détection aérienne. Dans la suite de la description, une cible désigne un objet d'intérêt, par exemples un avion, un véhicule terrestre ou un sous- marin. Les radars se basent sur la réflexion d'ondes radio pour détecter la position et le mouvement des cibles présentes dans leur champ alors que les sonars se basent sur la réflexion d'ondes sonores, ou sur l'écoute de bruits lorsque ces derniers sont passifs. Ces méthodes de détection ont certaines limitations. En effet, elles peuvent être rendues inefficaces lorsque des techniques de contremesure sont utilisées, notamment par brouillage ou leurrage.

La mesure du champ gravitationnel, notamment de sa composante radiale est utilisée dans des applications liées à la détection, notamment de la cadre de l'exploration géologique, comme décrit dans l'ouvrage de Guillaume Martelet intitulé « modélisation de la structure crustale et du comportement mécanique de la lithosphère à partir des anomalies gravimétriques. Applications à l'Himalaya et au massif granitique du Mt

Lozère, Cévennes » 1999, Thèse de doctorat, Institut Physique du Globe.

Des mesures de profil peuvent également être utilisées à cet effet, comme décrit notamment dans l'article de A. Gérard et P. Griveau intitulé « Interprétation quantitative en gravimétrie ou magnétisme à partir de cartes transformées de gradient vertical », 33ème Congrès de l'E.A.E.G. Hanovre, Juin 1971 . Par ailleurs, des détecteurs utilisant des capteurs de champ ou de gradient gravitationnels ont été utilisés, dans de cadre d'applications embarquées sur satellite, sur avion ainsi que sur des véhicules terrestres. Les mesures de champ gravitationnel sont aussi utilisées pour la mise en œuvre de procédés de navigation sous marine en utilisant des techniques de correspondance de terrain par mesures gravitationnelles inspirées des systèmes TERCOM, acronyme venant de l'expression anglo-saxonne « TErrain COntour Matching ». Ces techniques sont décrites dans le livre « Controlling the Quantum World: The Science of Atoms, Molécules, and Photons », National Academy Press, 2007.

Les techniques de détection existantes se basant sur la mesure de champ gravitationnel citées précédemment sont aujourd'hui utilisées à des fins d'observation ou de navigation et non dans le cadre de la détection de présence et de mouvement de cibles à cause de leur manque de précision pour ce type d'applications.

Un but de l'invention est notamment de pallier les inconvénients précités. A cet effet l'invention a pour objet un procédé de mesure de champ gravitationnel comportant au moins deux étapes.

Une première étape détermine, en utilisant au moins une antenne de mesures, un tableau de mesures représentatives du champ de gravitation généré dans la zone de couverture de l'antenne, ladite antenne étant composée d'une pluralité de capteurs gravimétriques, un capteur gravimétrique étant composé d'au moins un gravimètre trois axes à haute résolution.

Une seconde étape détermine, par exemple, une image de la distribution de densité de masse dans la zone de couverture de l'antenne par inversion du champ de gravitation mesuré et contenu dans le tableau de mesures.

Selon un aspect de l'invention, l'inversion du champ de gravitation est réalisée en appliquant une transformée linéaire audit tableau.

Selon un autre aspect de l'invention, les gravimètres des capteurs gravimétriques composant l'antenne de mesure sont d'un ou de plusieurs types parmi lesquels : gravimètres à ondes de matière, à atomes froids, à coin optique, à parallélépipède, à sphère électrostatique.

Les capteurs gravimétriques composant l'antenne de mesure comprennent, par exemple, un gyromètre trois axes d'une résolution compatible avec les gravimètres compris dans les capteurs gravimétriques.

Selon un mode de mise en œuvre, le tableau de mesures correspond à une grille finie de boites élémentaires regroupant l'image d'un volume donné, fini ou infini de l'univers observable.

Selon un autre mode de mise en œuvre, les capteurs gravimétriques composant l'antenne de mesure sont alignés et disposés à intervalles réguliers.

L'inversion dans la grille finie de boites élémentaires est réalisée, par exemple, en utilisant une transformée de Radon-Abel.

Selon un aspect de l'invention, la disposition des capteurs gravimétriques composant l'antenne de mesure n'est pas plane.

L'inversion effectuée lors de la deuxième étape, du champ de gravitation mesuré contenu dans le tableau de mesures est réalisée, par exemple, en utilisant une transformée généralisée adaptée.

L'inversion, effectuée lors de la deuxième étape, du champ de gravitation mesuré contenu dans le tableau de mesures est réalisée, par exemple, par projection inverse des mesures dans la grille finie de boites élémentaires choisie.

Le procédé peut comprendre une troisième étape, ladite étape utilisant les images de distribution de masse produite successivement lors de l'application des deux première étapes du procédé et analysant les différences entre au moins deux images de distribution de masse distinctes et déduisant de cette différence la trajectoire de cibles en mouvement.

Des mesures de type MTI sont appliquées, par exemple, sur les différences détectées entre au moins deux distributions de masse distinctes. L'invention a aussi pour objet un système de mesure par gravimétrie.

Le système comporte une antenne de mesure, ladite antenne étant composée d'une pluralité de capteurs gravimétriques, un capteur étant composé d'au moins un gravimètre trois axes à haute résolution et comportant des moyens pour mettre en œuvre le procédé décrit précédemment. Selon un mode de réalisation, le système de mesure comporte des moyens pour remorquer l'antenne de mesures.

L'invention a notamment comme avantage de proposer une méthode de mesure et de détection totalement passive et impossible à brouiller. De plus, à la différence d'un radar ou d'un sonar, une cible fixe ou mobile positionnée derrière un obstacle peut être détectée, étant donné que toute matière est perçue comme transparente lorsque cette méthode est utilisée. De plus, la détection n'est pas affectée par les éléments du temps tels que les précipitations et la température. Par ailleurs, le procédé de détection selon l'invention fonctionne de manière linéaire ce qui entraîne la possibilité de mesures différentielles. Il permet aussi de visualiser le terrain compris dans le champ d'observation ainsi que des cibles mobiles notamment telles que des sous marins, des navires, des avions et des hélicoptères.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à l'aide de la description qui suit donnée à titre illustratif et non limitatif, faite en regard des dessins annexés parmi lesquels :

- la figure 1 illustre le procédé de détection selon l'invention ; la figure 2 donne un exemple de dispositif mettant en œuvre l'invention.

La figure 1 illustre le procédé de mesure par gravimétrie selon l'invention. Le procédé est composé d'au moins trois étapes 101 , 102, 103.

En fonction de l'application ciblée, la troisième étape 103 peut être ou ne pas être mise en œuvre, cette dernière pouvant être utilisée à des fins de détection de cible.

L'objectif des deux premières étapes est d'obtenir une image de la distribution de densité de masse dans l'environnement du senseur mettant en œuvre le procédé, un senseur désignant dans la suite de la description l'association d'une série de capteurs assemblés en une antenne de mesure et couplée à un système de traitement approprié. L'image ainsi obtenue permet de distinguer les fluctuations locales de champ de gravitation. Une antenne composée d'une pluralité de capteurs gravimétriques précis associés est utilisée afin d'obtenir des séries de mesures de champ gravitationnel réalisées successivement. Un certain nombre de ces séries de mesures correspondant à une fenêtre temporelle glissante, sont extraites, et sont combinées pour donner une image locale du gradient du champ gravitationnel le long de la trajectoire du porteur et sur la largeur de l'antenne. Ce gradient de champ local est ensuite inversé par une transformée adaptée, lors de la deuxième étape détaillée plus loin dans la description, afin de passer d'un champ gravitationnel vectoriel local à la distribution de densité de masse ayant donné naissance au champ de gravitation mesuré. Le nombre de capteurs doit être suffisant pour créer des contraintes sur l'inversion évitant les ambiguïtés liées à une technique purement gradiométrique en les reléguant à une ordre inférieur a la résolution demandée. Il doit également ne pas présenter de symétrie plane afin de ne pas conduire a un positionnement ambigu par rapport a un plan de mesure. Le procédé permet ainsi d'obtenir, sans rien émettre et sans être repérable par lui même, une image de l'environnement du senseur et de toutes les cibles dans cet environnement en traversant toute matière présente. Les différentes étapes du procédé sont détaillées dans la suite de la description.

Le procédé peut être mis en œuvre dans des dispositifs embarqués, par exemples dans des bateaux, des sous-marins mais aussi au sein d'installations fixes et d'installations mobiles, remorquables ou transportables.

Lorsque le procédé selon l'invention est activé 100, un premier processus 101 a pour objectif d'acquérir en continu des mesures du champ gravitationnel. Ces mesures sont réalisées par au moins une antenne de mesure capable de fournir des informations sur son environnement, ladite antenne étant composée d'une pluralité de capteurs gravimétriques. Un nombre important de capteurs doit être utilisé, par exemple 96.

Les capteurs gravimétriques composant l'antenne de mesure comprennent, par exemple, un gravimètre trois axes à haute résolution associés à un gyromètre trois axes d'une résolution compatible. Ces capteurs peuvent être disposés selon des configurations différentes. Lesdits capteurs peuvent être répartis en utilisant, par exemples, une configuration plane, linéaire, volumique, ou synthétique. Dans cette configuration, les capteurs peuvent être répartis régulièrement ou irrégulièrement. Le procédé selon l'invention est applicable à tous type de disposition des capteurs gravimétriques sur l'antenne de mesure dès lors qu'elle ne conduit pas à une symétrie plane de la grille de mesure. La grille de résolution finale du senseur dépendant de la disposition des capteurs, ladite disposition est, par conséquent, un choix d'implémentation devant être pris en compte lors de la conception du système mettant en œuvre le procédé selon l'invention. Les capteurs gravimétriques pourront par exemple être réalisés selon une technologie exploitant les ondes de matière, mais tout autre capteur fournissant une résolution et une précision suffisante peut être utilisé. Ainsi, des gravimètres à atomes froids, à coin optique, à parallélépipède ou bien à sphère électrostatique peuvent être utilisés. L'utilisation de gyromètres au sein des capteurs n'est pas obligatoire.

Ces derniers peuvent être remplacés par l'utilisation de toute autre technique, par exemple optique, permettant une détermination à la précision requise des directions relatives de mesure des axes des capteurs gravimétriques dans le but de déterminer l'orientation du repère de mesure. II est également possible que chaque capteur gravimétrique mesure le champ de gravité sur Na axes simultanés, Na étant supérieur à 3 et les axes étant disposés afin que chaque sous ensemble d'axes pris 3 à trois constitue un repère à trois dimensions (axes non coplanaires). Cette disposition permet de résoudre grâce aux équations supplémentaires indépendantes ainsi obtenues un système d'équations définissant le champ sans utiliser de gyromètre couplé.

L'orientation d'un capteur gravitationnel donné peut être déterminée par calibration, par exemple, en le faisant tourner lentement dans un champ de gravitation uniforme. Une variante consiste à calibrer le senseur dans sa globalité, l'antenne étant immobile par rapport à la terre. Cette calibration s'effectue en exploitant le champ de gravitation de la terre, de la lune et du soleil pendant une durée suffisante, par exemple de 6 à 24 heures, afin d'obtenir la précision requise. Tout autre procédé permettant de calculer avec la précision requise les orientations relatives des axes des différents capteurs constituant l'antenne est utilisable dans le cadre de l'invention.

La simulation de couverture d'observation et de détection est simplifiée du fait des propriétés intrinsèques du senseur dont le comportement est totalement et exclusivement défini par une géométrie en 1/r2.

Dans le processus d'acquisition des mesures 101 , chacun des N capteurs effectuent une série de P mesures du champ de gravitation dans lequel il est plongé. Le processus d'acquisition de mesures 101 comprend, , une tâche d'extraction dont le but est de générer périodiquement un tableau de mesures du champ gravitationnel, soit un tableau de vecteurs. Pour cela, une série successive de P mesures est utilisée. Il est également possible d'utiliser une fenêtre glissante de p mesures ou toute autre combinaison fournissant un système d'équations de n x p mesures ou n est un entier inférieur ou égal à N et p un entier inférieur ou égal à P.

Chaque mesure à l'instant t pour le capteur i fournit pour chaque axe de chaque capteur une valeur donnée par la projection sur l'axe de mesure d'une intégrale pouvant être exprimée par l'expression suivante :

««.o n*» ₎ f l r ^(p . .m ^vd , unive 'rs observable '

dans laquelle : i est l'indice du capteur ; M(i) représente la matrice de gain du capteur i sur les axes du repère utilisé ; p représente un point parcourant l'univers observable sur lequel se fait l'intégration, ce point étant entouré par un volume élémentaire dv sans recouvrement avec le point voisin ; t représente le temps local à l'endroit ou se fait la mesure ; T(p, t) est le temps corrigé du retard de propagation du champ de gravitation créé par le point p et corrigé des effets relativistes dus à la non colocalisation du point p et du capteur. Dans la suite de la description, il est considéré en première approximation que T(p, t) = t ; ^: (p,i)

Une formule plus précise du type T(p, t) = + ( ou c est la vitesse de c propagation du potentiel de gravitation pourra être substituée à la première approximation cité ci-dessus ; m(p,T(p,t)) est la densité de masse au point p à l'instant T ; dans le cas de cibles fixes et de l'environnement fixe cette fonction est indépendante de t ; dans le cas de cible mobile ou d'environnement mobile (vagues, forêt) la fonction dépend de t ; r (p,i) est le vecteur joignant le capteur i au point p considéré ; F prend en compte le mouvement propre du capteur.

La première intégrale de l'expression (1 ) exprime le fait que le capteur est influencé par tout l'univers observable. La deuxième intégrale exprime le fait que la mesure est effectuée pendant une certaine durée dt, à l'instant t. Le terme intégré correspond à la loi de Newton, ledit terme indiquant que le champ de gravité créé par un élément donné est dirigé selon l'axe joignant l'élément au point d'observation et qu'il est proportionnel à sa masse, inversement proportionnel au carré de la distance, et ne dépend d'aucun autre facteur. Le champ de gravitation est indépendant de tout obstacle pouvant se trouver sur la ligne de propagation. Ce point constitue une différence importante par rapport à un sonar ou un radar, ces derniers étant perturbés par le milieu dans lequel ils se déplacent.

La loi de Newton rappelée précédemment est additive et linéaire. Le tableau de mesures obtenu pour la somme de deux distributions de matière est la somme des tableaux de chaque distribution. Cette propriété entraîne la possibilité de mesures différentielles. Par ailleurs le tableau de mesures obtenu en multipliant par un facteur x une répartition de matière est x fois le tableau de mesure de la répartition initiale.

Dans ce qui suit, le terme « rigide » est entendu comme « rigide a l'échelle de la précision demandée ». L'antenne utilisée est, par exemple, rigide et peut être déplacée par un porteur ou bien remorquée par un véhicule. Le tableau de vecteurs mesurés le sera selon l'extrusion de la figure constituée par l'ensemble des capteurs du senseur selon la trajectoire de l'antenne fixée par le porteur ou le véhicule. II est aussi possible d'utiliser des capteurs liés de manière non rigide et de mesurer le mouvement propre pour chaque capteur, ou en intégrant les valeurs de g mesurées précédemment.

Un second processus 102 de traitement des mesures utilise notamment comme entrée le tableau de mesures obtenu durant l'étape d'acquisition 101. Le tableau de vecteurs mesurés peut alors être transformé en une image de l'environnement qui a généré ce champ de gravitation sur le senseur, c'est-à-dire une image de la distribution de densité de masse dans l'environnement du senseur, et ce en appliquant à ce tableau une transformée linéaire inverse de l'expression (1 ). Il est préférable de ne pas effectuer directement cette opération car l'information recueillie par les capteurs compte tenu de leur précision, de leur résolution et de leur bruit de mesure ne contient pas une quantité d'information égale à celle contenue dans l'univers observable. D'autre part l'intégrale étant continue, le volume de calculs à effectuer serait infini.

Le traitement peut être ramené à un cas fini en définissant une grille finie de boites élémentaires regroupant l'image d'un certain volume de l'univers observable, lesdites boites étant appelées « graxels » dans la suite de la description. Ainsi, chaque graxel est l'image d'un volume donné de l'espace observable.

L'observation et le fait même que nous existions montre que le champ de gravitation mesuré sur terre n'est pas infini et qu'il est très voisin du champ propre de la terre. La distribution de masse située au delà du bord de l'image n'apporte qu'une contribution finie au champ de gravitation mesuré qui variera peu avec le déplacement du volume d'observation du capteur, ledit volume étant habituellement appelé portée instrumentée. Un traitement par intégration ou par calibration périodique permet de s'en affranchir.

Il est possible de choisir une grille de mesures définies avec un pas en r ² de manière à ce que la quantité d'information exploitée pour chaque graxel soit la même. La couche la plus extérieure de la grille sera prolongée jusqu'à l'infini, couvrant ainsi l'ensemble de l'univers observable. Cette couche ne sera pas exploitée par la suite et sert uniquement à fixer les conditions aux limites. La transformée étant linéaire, au sens défini plus haut, la quantité totale d'information disponible dans le tableau de mesures est conservée après transformation. L'utilisation d'une grille conforme vis à vis de la quantité d'information à l'exception de sa dernière couche qui groupe la contribution du reste de l'univers, permet de travailler à précision constante pour chaque graxel utile. L'utilisation d'une grille de n mesures permet d'exprimer le champ gravitationnel en utilisant l'expression suivante :

ii _i ,, ₎ < ² >

dans laquelle :

gO est le champ de gravitation créé par l'ensemble des points à l'extérieur de la grille ; celui-ci peut être évalué, par exemple, par une mesure initiale suivie d'une actualisation à chaque cycle de mesure ; n désigne l'indice du graxel dans la grille de calcul ;

P _n représente le point situé au centre de gravité du graxel considéré ; v _n est le volume du graxel ; m est, dans cette expression, une fonction de densité moyenne du graxel considéré.

La somme obtenue est discrète et finie et peut alors être inversée avec un volume fini de calculs.

Si les capteurs sont alignés et disposés à intervalles réguliers, un porteur déplaçant l'antenne perpendiculairement à cet axe, alors les mesures constituent une matrice plane qui est l'image de l'univers observable.

L'inversion dans la grille de graxels se fait, par exemple, par une transformée dite de Radon-Abel.

Dans le cas ou la disposition des points de mesure n'est pas plane, l'inversion peut se faire, par exemple, par une transformée de Radon généralisée adaptée ou par projection inverse des mesures dans la grille d'image choisie. Dans ce cas, le suivi des déformations de l'antenne qui conditionne le positionnement relatif des points de mesure peut se faire en effectuant une double intégrale de l'accélération mesurée par le capteur afin d'en obtenir le déplacement relatif par rapport à sa position initiale. Le résultat de cette seconde étape du procédé selon l'invention est une image de la distribution de masse.

Un troisième processus de post-traitement 103 exploite l'image de la distribution de masses résultant de l'étape de traitement des mesures 102.

Ce troisième processus analyse la différence entre deux distributions de masse successives et permet de suivre les cibles mobiles. C'est une conséquence de la linéarité du senseur vis à vis de la distribution des masses telle que définie précédemment.

Cette troisième étape est optionnelle et peut ne pas être mise en œuvre pour des applications de senseur de navigation pour les navires et les sous-marins, pour la recherche de tunnel ou de structures enterrées, pour la recherche géologique, et pour toute autre application nécessitant la connaissance du terrain avoisinant les capteurs.

En complément, des techniques d'extraction et de pistage peuvent être appliquées à l'image différentielle pour en extraire les trajectoires des cibles, pour améliorer leur détection et pour réduire les taux de fausses alarmes. Les techniques issues du radar comme l'application d'un filtrage différentiel aux mesures de type MTI, acronyme venant de l'expression anglo-saxonne « Moving Target Indicator » peuvent être avantageusement appliquées. Elles présentent en outre l'avantage d'éliminer le champ de gravitation naturel pour ne conserver que les objets mobiles. Afin d'étendre le domaine de vitesse accessible au senseur pour une résolution donnée, un algorithme correctif peut être appliqué au moment de l'intégration en faisant une série d'hypothèses de déplacement d'une cible éventuelle sur les graxels. Cette disposition permet de faire apparaître les cibles mobiles dont le déplacement lors de l'acquisition des mesures dépasse les dimensions d'un graxel. Cet effet, appelé habituellement « migration distance » dans le cadre des radars, affecte également le procédé de détection selon l'invention.

Les techniques basées sur un test exhaustif des hypothèses de déplacement pour un domaine donné sont également applicables. Les techniques de détections utilisées à intégration longues utilisées notamment dans les sonars peuvent être appliquées à lors de cette troisième étape. Les techniques de détections décrites dans le brevet US5432753 intitulé « Target Detector and Localizer for Passive Sonar ».

La figure 2 donne un exemple de système mettant en œuvre le procédé de détection par gravimétrie. Ce système comprend une antenne 201 , ladite antenne étant composée d'une série de capteurs 202 alignés et fixés sur une barre 208. D'autres dispositions desdits capteurs peuvent également être envisagées pour cette antenne. L'antenne est remorquée par un navire 200. Pour cela, un câble 209 peut être utilisé, ledit câble reliant le navire à une première aile immergée 203, la première aile étant reliée à une seconde aile également immergée 204, par exemple par une ou plusieurs tiges solides 210. L'antenne est fixée sur ladite tige solide 210 de manière à se déplacer à faible profondeur à la même vitesse que le bateau 200. Si la barre 208 est fixée à la tige solide 210 de manière à se déplacer en suivant la direction 21 1 de déplacement du bateau tout en restant parallèle à la surface de la mer et perpendiculaire à ladite tige, le déplacement de l'antenne permet de générer une matrice plane de mesures 207 définissant la grille d'image mentionnée précédemment dans la description. Ces mesures peuvent être, par exemple, transmises à un centre de traitement localisé dans le bateau 200, ledit centre de traitement permettant d'exploiter les mesures comme décrit précédemment dans la description. D'autres mises en œuvre du système selon l'invention peuvent être considérées, l'antenne pouvant être positionnée, par exemples, sur le flan d'un sous marin, sur une ligne de capteurs à l'avant du bateau ou portée par un avion ou un planeur.