Dispositif acoustique de navigation pour la plongée sous-marine La présente invention se rapporte à un dispositif acoustique de navigation permettant à un plongeur sous- marin, plongeant seul ou en groupe, de connaître en perma- nence sa position (direction et distance) par rapport au bateau de soutien d'où la plongée s'effectue. Ce dispositif est construit autour d'un processeur de traitement de signal numérique lui conférant toute la puissance de calcul nécessaire pour adapter son traitement aux conditions très particulières de la propagation des ondes acoustiques en milieu sous-marin. Ce dispositif nagit pas à la demande mais de manière automatique et permanente sans intervention du plongeur. Le dispositif permet aussi de recevoir des messages envoyés du bateau, notamment des messages d'alerte et peut aussi intégrer une fonction"ordinateur de plongée".

Plusieurs dispositifs peuvent tre déployés sur le mme site par plusieurs groupes de plongeurs sans se contrarier.

La plongée sous-marine est une activité qui compte de plus en plus d'adeptes mais qui reste cependant catalogue comme étant un sport à risques. Aujourd'hui plus que jamais l'amélioration de la sécurité du plongeur représente un souci majeur. Une grande partie des accidents surviennent lorsque le plongeur se perd et devient incapable de regagner le bateau de soutien. L'effet de panique consécutif à la prise de conscience de la désorientation a souvent des con- séquences tragiques. Il est donc important de pouvoir dispo- ser d'un système autonome qui permette au plongeur de con- naître automatiquement et de façon fiable sa position vis-à- vis du bateau de soutien par simple affichage. Le mme souci de sécurité conduit à rechercher la capacité de transmettre

instantanément au plongeur un message d'alerte lui demandant, par exemple, de remonter immédiatement à la surface dans le cas d'une situation d'urgence.

Quelques systèmes de navigation sont aujourd'hui com- mercialisés. Tous comprennent une source acoustique immergée sous le bateau associée à un récepteur directif de type torche tenu en main par le plongeur. Ce dernier doit balayer l'espace avec ce récepteur torche pour intercepter le signal issu de la source acoustique, trouvant ainsi sa direction de retour.

Ces systèmes ne répondent qu'imparfaitement au double besoin de navigation et de messagerie d'urgence : aucun ne permet de calculer la direction de manière complètement automatique : le balayage de 1'espace pour trouver la direction requiert toute la concentration du plongeur et a toutes les chances d'augmenter son stress de manière signi- ficative si le signal n'est pas intercepté rapidement.

Aucun des récepteurs ne possède une chaîne de traitement des signaux acoustiques vraiment adaptée à la complexité de la propagation acoustique en milieu sous-marin (échos multiples, réverbération, masquages, atténuation, etc.), ce qui est nécessaire pour leur conférer des performances acceptables à la mer.

Par ailleurs, la plupart des dispositifs commercialisés ne permettent pas le déploiement simultané de plusieurs systèmes sur le mme site. Cette fonction est toutefois proposée par quelques appareils haut de gamme, mais forte- ment limitée par un trop petit nombre de canaux devant tre souvent sélectionnés manuellement.

Enfin, le prix des appareils les plus perfectionnés est élevé, ce qui limite leur diffusion.

Comme pour les systèmes commercialisés, le dispositif décrit par Bemp et al (US 5 303 206) comprend une source

acoustique immergée sous le bateau associée à un récepteur directif tenu en main par le plongeur.

Le récepteur est construit autour d'une électronique simpliste, à puissance de calcul rudimentaire, limitant sévèrement les performances à la mer d'un appareil construit selon ce principe : o Direction : la chaîne de traitement à base d'électronique discrète ne permet de présenter au plongeur qu'une indication grossière « gauche », « droite » et « arrière » par l'intermédiaire de trois indicateurs lumineux de type diodes électroluminescentes. o Distance : le principe utilisé pour la détermination de la distance par synchronisation des horloges de la source acoustique et du récepteur dérive du brevet de Peynaud et al (FR 2 519 769, US 4 516 226). Pour ce qui concerne la réalisation de ladite chaîne, Bemp a utilisé une logique câblée n'offrant aucune sécurité si le récepteur se trouve momentanément dans l'incapacité de détecter les impulsions de la source, cas très fréquent en milieu sous-marin causé par un masquage desdites impulsions par le corps du plongeur ou par un obstacle. Dans ce cas, l'indication de distance présentée au plongeur sera forcément erronée. De plus, le cadencement des impulsions à 4,6875 Hertz limite la portée de l'appareil à 320 mètres.

Malgré la simplicité de son électronique, un dispositif construit sur la base des schémas de Bemp ne sera pas pour autant très économique à cause de l'utilisation d'oscillateurs ultra stables de coût élevé aussi bien dans la source acoustique et que dans le récepteur. De plus, le choix de la fréquence acoustique à 29,5 kHz ne permet pas l'utilisation de composants électroniques grand public très bas coûts utilisés par exemple dans les chaînes Hi-Fi.

Le système de Prichard et al (US 5 570 323) comprend un transpondeur acoustique (récepteur/émetteur) immergé sous le bateau associé à un récepteur/interrogateur tenu en main par le plongeur.

Sur interrogation déclenchée par le plongeur, le transpondeur répond par 1'émission d'un deuxième signal.

Le récepteur calcule la distance au transpondeur par chronométrage de l'intervalle de temps entre l'interrogation et le retour de l'onde auquel il convient de soustraire la latence (connue) du transpondeur.

Le récepteur détermine alors la direction en comparant les énergies reçues par deux capteurs acoustiques latéraux (positionnés à 90°ou dans le mme plan). Le calcul de la direction est fortement perturbé par les échos multiples, réfléchis par le fond, la surface ou les obstacles proches qui additionnent leur énergie à celle de l'impulsion directe et faussent ainsi complètement la mesure.

De plus, le dispositif préconisé par Prichard inclut une source acoustique et un récepteur pour chaque élément (transpondeur et récepteur/interrogateur) ce qui double pratiquement le coût de réalisation par rapport à une solution où le récepteur serait purement passif.

Description de l'invention Le but de la présente invention est de remédier, au moins en partie, aux inconvénients sus mentionnés : performances à la mer insuffisantes pour assurer une sécurité convenable, obligation faite au plongeur de rechercher sa direction manuellement par"balayage", limitation du nombre de systèmes pouvant tre déployés sur un mme site, sélection manuelle des canaux de fonctionnement et prix élevé.

A cet effet, cette invention a pour objet un dispositif acoustique de navigation pour la plongée selon la revendica- tion 1.

Le dispositif selon l'invention met en oeuvre une source acoustique associée à plusieurs ensembles de réception et de signalisation aux caractéristiques radicalement différentes des produits actuellement commer- coalises.

La conception du dispositif permet de réduire suffi- samment les dimensions de 1'ensemble de réception et de signalisation pour qu'il puisse tre porté au poignet du plongeur selon le principe de la montre-bracelet.

D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront clairement dans la description suivante, faite à titre d'exemple non limitatif en regard des figures anne- xées qui représentent : la figure 1, une illustration schématique de 1'environ- nement sous-marin mettant en oeuvre un dispositif selon 1/invention, avec une source acoustique et plusieurs ensembles de réception et de signalisation, la figure 2, une vue synoptique d'une source acoustique selon l'invention, la figure 3, une représentation temporelle du signal émis par la source acoustique et le principe de sa propaga- tion omnidirectionnelle dans le milieu sous-marin, la figure 4, une illustration schématique de 1'environ- nement sous-marin mettant en oeuvre un dispositif selon l'invention, avec plusieurs sources et plusieurs ensembles de réception et de signalisation, la figure 5, une vue synoptique d'un ensemble de récep- tion et de signalisation selon l'invention,

la figure 6, une illustration du mécanisme de calcul de direction angulaire à partir de la mesure des phases des signaux reçus sur chacun des capteurs acoustiques, et la figure 7, une illustration des moyens de signalisation 8.

Comme représenté sur la figure 1, le dispositif se compose de deux parties principales : la source acoustique 1 immergée à partir du bateau de soutien 2 et reliée à celui- ci par un câble 11, et 1'ensemble de réception et de signa- lisation 3 porté par chaque plongeur. Etant donné la nature passive des traitements de 1ensemble de réception et de signalisation 3, une mme source acoustique 1 peut servir à un nombre illimité de plongeurs, chacun équipé d'un ensemble de réception et de signalisation 3.

Comme représenté sur la figure 2, la source acoustique 1 comprend un élément capteur/transducteur piézoélectrique 18 pouvant soit écouter le milieu sous-marin (fonction capteur), soit produire des impulsions acoustiques 12 (fonc- tion transducteur).

Dans sa fonction capteur, l'élément piézoélectrique 18 reçoit des signaux acoustiques du milieu sous-marin que ledit élément transmet sous forme électrique à la chaîne de discrimination fréquentielle 19. Cette chaîne 19 peut tre réalisée, par exemple, au moyen d'une batterie de filtres passe-bande en parallèle dont chacun communique au proces- seur 17 le niveau d'énergie acoustique filtré dans sa bande propre. L'ensemble de ces informations permet audit proces- seur d'avoir la connaissance des canaux de fréquences libres ou occupés dans l'environnement proche de la source acous- tique 1.

Dans sa fonction transducteur, l'élément piézoélectri- que 18 transforme en énergie acoustique les stimulis élec- triques reçus de la chaîne d'émission des impulsions acous-

tiques 20 sous le contrôle du processeur 17 et de la base de temps 9 dont la fréquence exacte d'oscillation a été préalablement mesurée avec une précision minimum de 10-6 à la température moyenne de fonctionnement, en la comparant, par exemple, au signal de référence Pulse Per Second (PPS) délivré par un récepteur GPS (Global Positioning System).

Comme représenté sur la figure 3, la source acoustique 1 émet des impulsions à fréquence pure 12, pouvant tre pondérées en amplitude par une enveloppe temporelle non rectangulaire, selon une cadence 13 précise, supérieure ou égale à une seconde pour autoriser des portées au-delà de 1,5 km, dans toutes les directions 14 de 1'espace à la fois, générant des fronts de propagation sphériques 15. La cadence d'émission 13 est obtenue par comptage des oscillations de la base de temps 9. Si par exemple, ladite base de temps 9 fonctionne à 20 MegaHertz, une impulsion acoustique 12 sera émise chaque fois que le processeur 17 aura compté le nombre d'oscillations adéquat pour garantir la précision de la cadence 13 à une seconde, selon 1'exemple. Le nombre d'oscillations adéquat s'obtint en compensant les 20'000'000 oscillations théoriques d'une valeur calculée à partir de la « vraie » fréquence d'oscillation mesurée de la base de temps 9. Sur intervention d'un opérateur, la source acoustique 1 peut également émettre un signal spécifique d'alerte, qui sera interprété comme tel par 1'ensemble de réception et de signalisation 3.

Dès sa mise à liteau, la fréquence des impulsions émises par la source acoustique 1 est sélectionnée automatiquement sur un canal libre parmi plusieurs canaux, par exemple, huit canaux répartis de 18,5 à 22 kHz avec un intervalle inter canaux de 500 Hz. A cet effet, le processeur 17 active la chaîne de discrimination fréquentielle 19 au moment de l'initialisation de la source acoustique 1. Le processeur 17

est alors à mme de déterminer si une autre source acoustique est active dans son voisinage immédiat. Si tel est le cas, le processeur 17 s'interdit de générer des impulsions 12 sur le canal de fréquence correspondant et choisit un autre canal"libre"pour émettre lesdites impulsions.

L'existence de plusieurs fréquences d'émission possi- bles permet de faire cohabiter sur un mme site et sans risque d'interférence plusieurs groupes de plongeurs. Comme indiqué sur la figure 4, le premier groupe de plongeurs se repère par rapport à la source émettant sur la fréquence fl, leurs ensembles de réception et de signalisation 30 se calant automatiquement sur la fréquence fl alors que le deu- xième groupe de plongeurs se repère par rapport à la source f2, leurs ensembles de réception et de signalisation 31 se calant automatiquement sur la fréquence f2.

Comme indiqué sur la figure 5,1'ensemble de réception et de signalisation 3 est composé d'un ensemble d'au moins trois capteurs acoustiques non alignés 5, d'une base de temps 4 identique à la base de temps 9 de la source acoustique et dont la fréquence exacte d'oscillation a aussi été préalablement mesurée avec une précision minimum de 10-6 à la température moyenne de fonctionnement, d'une électronique de conditionnement (filtrage et amplification analogique) et de numérisation 6 associée à chaque capteur, d'un processeur numérique de traitement de signal 7 à grande capacité de calcul (puissance supérieure à 40 Méga opérations par seconde) permettant de traiter les signaux des capteurs avec des algorithmes adaptés aux conditions de propagation sous-marine et s'affranchissant des problèmes d'échos multiples et de réverbération, des moyens de signalisation 8 et optionnellement d'un capteur de pression

22. L'ensemble de réception est alimenté par un jeu de batteries 10.

Comme indiqué sur la figure 6, les capteurs acoustiques non alignés 5 reçoivent les impulsions acoustiques 12 en provenance de la source acoustique 1 à des instants tl, t2 et t3 différents. L'électronique de conditionnement réalise plusieurs opérations permettant d'adapter les signaux issus de l'antenne à la suite du traitement : filtrage de bande permettant d'isoler la plage utile de fréquence, par exemple 18,5-22 kHz, amplification pour cadrer le niveau des signaux, par exemple de gain 300 et numérisation (conversion analogique numérique) réalisée, par un convertisseur delta- sigma sur 18 bits sequence à 48 kHz, délivrant un échantillon toutes les 20,8 microsecondes, selon 1'exemple.

Après numérisation, les signaux acoustiques sont envoyés au processeur 7 de traitement de signal pour la suite du traitement : démodulation complexe, filtrage passe bas, calcul de 1'énergie, détection, détermination de la direction et de la distance puis affichage.

Le processeur 7 peut tre choisi parmi la gamme des Digital Signal Processors de Texas Instrument à virgule fixe, de faible consommation avec une puissance de calcul excédent 40 Méga-opérations par seconde et doté d'un jeu d'instructions bien adapté aux algorithmes de systèmes embarqués temps réel.

La démodulation complexe a pour but de ramener chacun des trois signaux numérisés en bande de base en respectant leur amplitude et leur phase. Elle s'effectue en multipliant chaque signal par Cos (2so. t + pour la composante en phase, et par Sin (27lao. t + pour la composante en quadrature de phase. La fréquence de la démodulation

complexe Fo correspond à la fréquence d'émission de la source acoustique.

Le filtrage passe bas doit s'effectuer avec une sélectivité suffisante pour isoler sans perte notable le canal d'émission et atténuer les canaux adjacents au niveau du bruit ambiant dans la bande passante du filtre. On peut choisir un filtre apportant un affaiblissement de l'ordre de -70 dB à 500 Hz de type non récursif. Le filtrage des trois voies acoustiques pourra se faire en exécutant le filtre passe bas six fois pendant une période de 20,8 us.

Après avoir calculé l'énergie de chaque signal, le processeur 7 entretient pour chacune des voies deux intégrateurs, l'un à constante de temps courte, l'autre à constante de temps longue. Lorsque la différence entre les deux intégrateurs dépasse un seuil pré-établi, le processeur 7 décrète qu'il y a détection.

Le processeur 7 mesure alors les phases des trois signaux issus du filtrage passe bas correspondant aux différences de marche entre les capteurs puis déroule son algorithme de goniométrie pour déterminer au degré près la position angulaire desdits capteurs par rapport à la direction de propagation 14, indicatrice de la direction du bateau de soutien 2. Cette direction est alors affichée avec la mme précision par l'intermédiaire des moyens de signalisation 8, pouvant tre un écran à cristaux liquides (LCD) graphique de résolution 100 colonnes x 64 lignes, comme représenté en figure 7.

Au début de la plongée, le plongeur active son ensemble de réception et de signalisation 3 au voisinage immédiat de la source acoustique 1 immergée. Les étapes de l'initiali- sation de 1'ensemble de réception et de signalisation 3 sont les suivantes :

Détection automatique de la fréquence d'émission de ladite source et paramétrage du logiciel du processeur 7 en conséquence, Génération et entretien d'une réplique synchrone de la cadence 13 des émissions de la source acoustique 1 pour le calcul de la distance. Pour éviter que cette réplique ne se désynchronise de la cadence 13 pendant le temps de la plongée, le processeur 7 compense son algorithme de génération de ladite réplique en prenant en compte la fréquence exacte d'oscillation de la base de temps 4 telle que préalablement mesurée (précision minimum de 10-6) à la température moyenne de fonctionnement.

La mesure de distance entre le plongeur et son bateau 2 est directement obtenue par la mesure de 1'écart de temps entre la réplique synchrone représentative de l'instant d'émission TO d'une impulsion acoustique 12 par la source 1 et l'instant de réception T de ladite impulsion par 1'en- semble de réception et de signalisation 3.

Cet écart (T-TO) est alors multiplié par la vitesse de propagation du son dans 1'eau (environ 1500 m/s) pour donner la distance qui est affichée à chaque réception d'une impul- sion acoustique 12.

Un message d'urgence envoyé par la source acoustique 1, par exemple, comme une modification de la récurrence 13 des impulsions 12 est susceptible d'tre reconnu par le proces- seur 7 de 1'ensemble de réception et de signalisation 3, le- dit processeur générant alors, sur les moyens de signali- sation 8, un symbole spécifique indiquant, par exemple, au plongeur l'ordre de remonter à la surface au plus vite.

Cette indication visuelle peut tre avantageusement doublée d'une alarme sonore (buzzer) ou d'un système de vibreur.

L'ensemble de réception et de signalisation 3 intègre accessoirement une fonction ordinateur de plongée où les

indications du capteur de pression 22 sont enregistrées de façon non volatiles sur plusieurs plongées consécutives (par exemple 10). Lors des opérations de remontée du plongeur, 1'ensemble de réception et de signalisation 3 peut afficher, sur sa demande, les indications nécessaires pour effectuer ses paliers de décompression.

Malgré des performances élevées, le coût de réalisation du dispositif est maintenu bas par l'utilisation de : o Bases de temps standard dans la source acoustique et 1'ensemble de réception et de signalisation. La fréquence d'oscillation desdites bases de temps faisant l'objet d'une mesure préliminaire très précise afin que chaque processeur 7 ou 17 puisse prendre en compte la compensation nécessaire dans leurs traitements respectifs d'entretien des horloges synchrones, o Processeur de traitement de signal 7 bas coût utilisé dans des applications de masse grand public comme la téléphonie mobile, o Fréquence des signaux acoustiques choisie en dessous de 24 kHz, permettant l'utilisation dans la source acoustique et dans l'électronique de conditionnement de composants électroniques grand public très bas coûts, comme ceux utilisés dans les chaînes Hi-Fi.