Sonar à antenne déformable et procédé associé de traitement du signal pour former une antenne synthétique

La présente invention a pour domaine celui de l'imagerie sonar en milieu marin . Plus particulièrement, l'invention porte sur un sonar amélioré et un procédé associé de traitement du signal.

Il est connu « d'éclairer » le fond marin dont on souhaite obtenir une image ou une cible sous-marine que l'on souhaite repérer avec une impulsion acoustique, puis d'écouter le signal temporel généré par la réverbération de l'impulsion acoustique émise.

Pour cela, il est connu d'utiliser un appareil sous-marin, ou poisson, tracté par un bâtiment de surface. Les flancs du poisson portent respectivement des sonars, dit latéraux. L'antenne acoustique de chacun des ces sonars latéraux est formée par une rangée d'une pluralité de transducteurs fonctionnant en réception, associés à au moins un transducteur fonctionnant en émission . Lors d'une plongée pour réaliser une image d'un fond marin, le poisson navigue de telle sorte qu'il soit positionné par exemple à une trentaine de mètres au dessus du fond pour imager jusqu'à une portée de 300 mètres. De façon plus générale, le poisson navigue à une altitude au dessus du fond qui correspond à environ 10% de la distance maximale d'observation . Chaque sonar latéral permet alors l'observation d'une bande de terrain qui se défile en long parallèlement à la trajectoire de déplacement du poisson et en large, dans un plan vertical transversal à la trajectoire du poisson, à l'intérieure d'un secteur angulaire ayant pour origine le sonar et s'étendant généralement entre 30° et 80° par rapport à la verticale.

Or, la résolution d'un sonar dépend, à une fréquence de travail donnée, essentiellement de la longueur de l'antenne de réception . Pour améliorer la résolution des sonars, il s'est donc agit, dans un premier temps, d'augmenter la longueur de leur antenne. Mais, l'augmentation de la longueur de l'antenne est limitée par la taille du poisson support. Il est ainsi difficile d'aller au-delà d'une antenne de l'ordre de 3 m du fait de l'encombrement

du poisson à bord du navire de surface, et surtout des difficultés de mise à l'eau et de récupération de ce poisson . Différents moyens d'allongement de l'antenne ont donc été proposés.

Le document FR2738918 divulgue un système sonar à ouverture synthétique qui, par un dispositif et un procédé de traitement du signal, permet de disposer d'une antenne virtuelle plus grande que l'antenne physique, par exemple environ 30 m pour l'antenne virtuelle alors que l'antenne physique mesure environ 3 m .

Cependant, ce dispositif et ce procédé conduisent à une limitation de la vitesse du porteur qui doit rester inférieure à la moitié de la longueur d'antenne par récurrence, typiquement 5 nœuds pour 2 m d'antenne et 300 m de portée.

Ainsi, le document US-5747724 divulgue un système sonar destiné aux études sismiques, dont l'antenne, initialement ramassée à l'intérieur du corps d'un moyen de traction sous-marin, peut être déployée et traînée derrière le moyen de traction qui lui- même peut être remorqué par un navire de surface. L'antenne est constituée par une série de détecteurs acoustiques connectés entre eux par un câble support. A l'extrémité avant de l'antenne, un boîtier télémétrique est relié par un câble de communication au moyen de traction . Ce boîtier télémétrique comporte l'électronique nécessaire au multiplexage des signaux provenant de chacun des détecteurs acoustiques et à la retransmission du signal multiplexe vers le moyen de traction, via le câble de communication . A l'extrémité arrière de l'antenne, du côté opposé au moyen de traction, une ancre flottante, dont la traînée est importante, permet de tendre le câble support de l'antenne lorsque le moyen de traction se déplace, de sorte que les détecteurs acoustiques sont maintenus dans une position relative rigide, essentiellement vers l'arrière, le long de la trajectoire du moyen de traction .

Le document US-5747724 divulgue un sonar à antenne pliable, permettant effectivement de ne plus avoir à recourir à l'utilisation d'un poisson support et donc de réduire l'encombrement du système, de simplifier les opérations de mise à l'eau et de pourvoir

construire une antenne de grande taille ayant théoriquement une très bonne résolution .

Cependant, lors du déplacement du moyen de traction le long d'une trajectoire, l'antenne décrite ne peut être considérée comme un solide. Cette antenne n'a pas réellement une forme rectiligne constante au cours du temps, contrairement à l'hypothèse qui est faite dans le document US-5747724. Ainsi, chaque détecteur acoustique est animé de mouvements instantanés qui l'écarté de la trajectoire suivie. La conséquence de ces mouvements est une dégradation des propriétés du sonar par rapport à celles attendues, et en particulier une faible résolution, ce qui peut être acceptable pour des applications comme la recherche sismique, où la longueur d'onde de travail est de l'ordre de ou plus grande que 10 cm, mais n'est pas acceptable pour des longueurs d'ondes plus faibles comme celles utilisées pour les sonars latéraux.

L'intérêt d'un sonar à antenne déformable étant reconnu, II y a donc un besoin d'un tel système sonar à antenne déformable amélioré permettant de résoudre les problèmes mentionnés ci- dessus et en particulier permettant effectivement d'atteindre de grandes résolutions.

Pour cela l'invention a pour objet un système sonar comportant : une antenne physique composée d'une pluralité de récepteurs ; d'au moins un émetteur ; d'une unité de calcul. Le système sonar selon l'invention est caractérisé en ce que l'antenne physique est déformable et comporte des récepteurs acoustiques de positions variables les uns par rapport aux autres, et en ce que le système est équipé de moyens de positionnement permettant de déterminer, en temps réel, la position instantanée de chacun des récepteurs, et en ce que l'unité de calcul permet de reconstruire une image sonar en tenant compte des positions instantanées de chaque récepteur.

Dans un mode de réalisation la position instantanée d'un récepteur est donnée par trois coordonnées de positionnement et trois coordonnées angulaires d'orientation .

De préférence, l'antenne déformable est reliée à l'arrière d'une tête tractée, la tête étant munie d'une centrale inertielle apte à déterminer la position et l'orientation instantanées de la tête, et l'antenne déformable est équipée de capteurs permettant de déterminer une position instantanée relative de l'émetteur et de chaque transducteur par rapport à la tête.

De préférence, l'unité de calcul permet de former une antenne synthétique en considérant une succession de K récurrences de fonctionnement du système sonar. De préférence encore, l'antenne déformable comporte plus de

24 récepteurs et à une longueur supérieure ou égale à 2m .

L'invention a également pour objet un procédé d'imagerie sonar pour le traitement d'une pluralité de signaux temporels respectivement obtenus en sortie d'une pluralité de récepteurs acoustiques d'une antenne physique lors de détection de la réflexion d'au moins une onde émise par un émetteur acoustique, les signaux temporels étant collectés par une unité de calcul apte à mettre en œuvre le procédé. Le procédé se caractérise en ce que, l'antenne physique étant une antenne déformable, on détermine, en temps réel, la position instantanée de chaque récepteur de la pluralité de récepteurs et la position de l'émetteur au moment de l'émission, puis on compense, à chaque instant, la phase de chaque signal temporel de la variation de phase due aux mouvements de l'émetteur et du récepteur générant le signal de manière à déterminer une pluralité de signaux temporels corrigés, et on détermine la modulation d'amplitude d'un point à imager en fonction des interférences constructives et destructives des différents signaux temporels corrigés entre eux.

De préférence, les signaux temporels sont associés non seulement à chaque récepteur, mais également à chaque récurrence de fonctionnement du système sonar de sorte que l'on forme une antenne synthétique.

Avantageusement, selon la présente invention, les positions de chacun des transducteurs de l'antenne déformable sont déterminées en temps réel. A partir de ces informations, des

moyens de traitement du signal adaptés reconstruisent une image équivalente à celle que l'on pourrait obtenir au moyen d'une antenne linaire rigide d'une taille équivalente.

L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, détails, caractéristiques et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement au cours de la description d'un mode de réalisation particulier de l'invention donné uniquement à titre illustratif et non limitatif en référence aux dessins annexés. Sur ces dessins :

Les Figures 1 A-C sont des représentations schématiques de la partie matérielle du système sonar selon l'invention dans trois modes de réalisations différents ;

La figure 2 est une représentation géométrique de la situation physique prise en compte par le procédé de traitement du signal selon l'invention ; Comme cela est représenté sur la figure 1 A, un navire de surface 1 tracte, au moyen d'un câble 2, un sonar 3 à antenne déformable. Le sonar 3 comporte une tête 4 et une antenne déformable 5.

Selon le premier mode de réalisation représenté sur la figure 1 A, l'antenne souple 3 est formée d'une pluralité de N sections 6j couplées les unes à la suite des autres par autant de rotules 7 _\ de jonction. Chaque section 6j est munie d'un transducteur 8j ainsi que de l'électronique bas niveau 9j associée permettant l'émission et/ou la réception d'un signal acoustique dans le milieu environnant. La communication depuis l'électronique 9j d'une section 6j donnée vers la tête 4, ou bien depuis la tête 4 vers au moins une électronique 9j d'une section 6j donnée, est possible grâce à présence de moyens de communication adaptés. De préférence ces moyens de communication sont des câbles électriques, mais, en variante, pourraient être des fibres optiques ou un moyen de communication par ondes électromagnétiques ou acoustiques de faible portée entre des moyens d'émission/réception sur la tête 4 et des moyens d'émission/réception équipant chacune des sections 6j.

Le sonar 3 est en communication, montante et descendante, avec le navire de surface 1 via un ombilical 10. Dans ce cas, la

tête 4 du sonar ne comporte que des moyens permettant d'émettre les informations collectées depuis les différentes sections 6j vers le navire de surface 1 , éventuellement en les amplifiant, et d'émettre les signaux descendants depuis le navire de surface 1 vers, par exemple, la section 6j correspondante.

Dans ce premier mode de réalisation , la tête 4 du sonar 3 est également équipée d'une centrale inertielle 1 1 . La centrale inertielle 1 1 permet, en mesurant des accélérations linéaires et des vitesses angulaires de rotation , la détermination , à chaque instant, la position de la tête 4 : trois coordonnées de positionnement d'un point de référence, tel que le centre de gravité de la tête 4, et trois coordonnées angulaire d'attitude d'un repère lié à la tête 4 par rapport à un référentiel inertiel de référence.

Par ailleurs, chaque rotule 1\ entre deux sections 6j.i et 6j consécutives est instrumentée de manière à mesurer les trois angles correspondant aux trois degrés de liberté entre les deux sections considérées. Les différents capteurs angulaires placés au niveau des rotules 1\ mesurent une information angulaire instantanée, d'angle ou de vitesse angulaire, qui est communiquée, grâce au moyen décrit précédemment, vers la tête 4 du sonar 3.

On notera que, dans des variantes de réalisation , la rotule 1\ peut avoir moins de degré de liberté . Par exemple, la rotule peut être une liaison de type pivot dont l'axe est orienté pour être sensiblement verticale au cours de l'utilisation du sonar 3. En conséquence de quoi, le nombre d'angles et/ou de vitesses angulaires instantanés à mesurer est réduit. Par exemple, dans le cas d'une liaison pivot, un unique angle et/ou une unique vitesse angulaire doit être mesuré à chaque instant pour connaître le position relative de la section 6j par rapport à la section θj_i . Les informations générées par la centrale inertielle ainsi que les différentes informations angulaires provenant de chaque rotule 7j sont transmises le long de l'ombilical 10 vers le bateau de surface 1 où des moyens de calcul adaptés 15 permettent un traitement de l'information selon un procédé qui va être décrit en détail ci-après.

Les moyens de calcul 15 comportent une unité de calcul et une unité de mémorisation . L'unité de mémorisation stocke la valeur de différentes variables ou paramètres ainsi que des instructions de différents programmes aptes à être exécutées par l'unité de calcul. Dans le mode de réalisation le plus préférable, parmi les différents programmes mémorisés, il existe un programme permettant une mise œuvre de la méthode de traitement du signal selon l'invention .

De manière simplifiée, on comprend que la centrale inertielle 1 1 permet de connaître précisément la position par exemple du centre de gravité de la tête 4 du sonar 3 et l'orientation de celle-ci dans un repère inertiel ayant pour origine le centre de gravité. Une translation d'une longueur connue le long d'une direction également connue permet de déterminer la position de la rotule 7i reliant la tête à l'extrémité côté tête de l'antenne déformable 5. A partir des informations angulaires données par les capteurs placés sur la rotule 7i , on détermine la position et l'orientation instantanées de la section 6 ₁ et du transducteur 8 ₁ . On détermine également la position instantanée de la rotule 7 ₂ . De manière itérative, les informations angulaires données par les capteurs placés sur la rotule 7 ₂ permettent de déterminer la position et l'orientation instantanées de la section 6 ₂ et du transducteur 8 ₂ , ainsi que la position de la rotule 7 ₃ . De proche en proche, la position et l'orientation instantanées de chacun des transducteurs sont déterminées.

Ainsi, au cours de la réception du signal d'écho réfléchi par un relief du fond marin par exemple, les formes instantanées successives de l'antenne sont entièrement déterminées. Le signal temporel reçu par chacun des capteurs 8i est alors traité compte tenu de cette succession de formes instantanées. En conséquence, selon l'invention, on prend en compte les positions instantanés de l'antenne pour générer l'image du fond marin .

De manière plus détaillée, le système sonar fonctionne de manière périodique. Pour une portée maximale de 300 mètres, chaque récurrence de fonctionnement est séparée par une durée

d'environ 400 millisecondes. Au cours d'une récurrence, l'antenne émet d'abord un puise acoustique ayant une fréquence typique de 100 kHz et une durée très courte de l'ordre de 10 ms. Puis, pendant le reste de la récurrence, l'antenne fonctionne en récepteur et écoute l'onde acoustique réverbérée par le sol du fond marin ou des objets sous-marins. Pendant ce fonctionnement en récepteur, l'antenne se déforme. Chaque section 6i a légèrement changée de position, ce qui influe sur le signal temporel détecté par le transducteur 8i associé. I l faut donc traiter le signal mesuré pour séparer les contributions provenant de la source de l'écho, d'une part, et du déplacement du transducteur générant ledit signal, d'autre part.

A chaque récurrence i d'une série de R récurrences requises pour la formation d'une antenne synthétique, et à chaque capteur j sur les N capteurs formant l'antenne physique souple, sont associés un signal temporel Sij(t) et une position Cij(t), où t varie de 0 à T, ou T est la durée d'une récurrence.

Le signal Sij(t) est la somme de toutes les contributions de la partie du fond marin insonifiée : ^ ⁼ Lλ avec M un point appartenant à l'intersection du fond marin et de l'ellipsoïde. Cette ellipsoïde est définie par les foyers CJ _E (O), position de l'émetteur E à t = 0 c'est-à-dire au moment de l'émission, et Cij(t), position du j ^ιeme récepteur à l'instant t, ainsi que la contrainte sur la position Cij(t) traduite par la relation suivante entre les distances (cf. figure 2) : d(C _lιE (0),M) + d(C _hJ (t),M) = c *t où c est la vitesse de propagation du son dans l'eau de mer. La contribution P _M de chaque point M est principalement un déphasage et une modulation d'amplitude du signal émis S _E : ^r M ^{~ λ} M ^{e ύ} E

La modulation d'amplitude A _M est spécifique au point M, alors que le déphasage φ _M dépend de la position relative du point

d'émission Ci _E (O), du point de réflexion M et du point de détection

Cιj(t).

Le traitement a pour but de calculer la modulation d'amplitude A _M pour chaque point M du sol et de l'afficher sur un écran , de l'enregistrer ou tout autre utilisation . Pour cela, on corrige d'abord en phase chaque signal Sij(t) en compensant le déphasage, qui est une fonction du temps, généré par le trajet du signal entre la position de l'émetteur à l'instant de l'émission et la position du détecteur j à l'instant t. Ce déphasage instantané est connu grâce à la connaissance des points C _{J E} (O ) , Cij(t) et M . On obtient en sortie des signaux corrigés en phase S'ij(t).

Puis, dans un second temps, on évalue la modulation d'amplitude A _M à partir des interférences constructives et destructives de ces signaux corrigés en phase S'ij(t). Bien que l'invention ait été décrite en référence à un mode de réalisation particulier, elle n'est nullement limitée à ce mode de réalisation . Elle comprend tous les équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons qui entrent dans le cadre de l'invention . Ainsi, la figure 1 B représente une variante dans laquelle les différentes sections de l'antenne sont insérées à l'intérieur d'un tube ou gaine 15. Ce tube peut être rempli d'un gel permettant un bon transfert de l'énergie acoustique depuis l'extérieur vers les transducteurs ou vis versa . Dans ce cas l'antenne déformable est souple. Les capteurs permettant de connaître la position instantanée du transducteur correspondant sont positionnés à proximité des récepteurs. La déformée de l'antenne peut être approchée avec plus de précision par une forme polynomiale extrapolant les positions instantanées mesurées par les différents capteurs. En conséquence, le nombre de capteurs nécessaires pour déterminer la déformée instantanée de l'antenne est réduit.

Sur la figure 1 C, une flûte est constituée par un câble inférieur 16 et un câble supérieur 16' fixés à une tête 4. Les différents transducteurs sont portés par le câble inférieur 16 servant de support. Une ancre flottante 17 fixée à l'extrémité de la

flûte permet, lorsque la tête est mise en mouvement par traction, de tendre la flûte. La déformée instantanée de l'antenne est déterminée par l'utilisation d'un moyen de positionnement précis de l'ancre flottante 17 par rapport à la tête 4 sans avoir besoin d'un instrumentation de chacune des transducteurs.

Bien évidemment, cette antenne déformable peut être utilisée sur plusieurs récurrences pour la formation d'une antenne synthétique. En particulier, l'utilisation d'une antenne physique de grande longueur permet d'augmenter la vitesse de déplacement du sonar. En effet, dans la synthèse d'antenne, il faut que la partie arrière de l'antenne physique à la récurrence suivante coïncide avec la partie avant de l'antenne physique à la récurrence précédente. Ce recouvrement partiel de l'antenne physique entre deux récurrences successives permet de corréler les signaux obtenus et de synthétiser une antenne. En conséquence, il faut qu'entre deux récurrences successives, la vitesse de déplacement de l'antenne ne soit pas supérieure à la moitié de la longueur de l'antenne que divise la période T d'une récurrence. Au moyen des antennes de l'art antérieur, la vitesse maximale de déplacement est d'environ 4 nœuds. Selon l'invention, en mettant à disposition des antennes physiques ayant de grandes dimensions, la vitesse de déplacement de l'antenne pour faire de la synthèse peut être augmentée. L'utilisation d'une telle antenne permet donc de réaliser la cartographie d'un site non seulement de manière pus précise mais également en un temps beaucoup plus court.