Brevet FR2544504A1 — publié le 19841019

DISPOSITIF DE VISUALISATION POUR SONARS L'objet de la présente invention est un dispositif de visualisation des signaux de voies fournis par un sonar classificateur d'objets posés sur le fond de la mer Ce dispositif permet une présentation des signaux de voies qui permet une classification améliorée par rapport à l'art antérieur. Un sonar de type classificateur est conçu pour identifier et recon- naître des objets posés sur le fond de la mer par la forme de leur ombre portée Ce type de sonar envoie des impulsions d'ondes acoustiques dans des directions inclinées par rapport au fond de la mer f A la réception, on forme des voies angulaires en gisement Un objet posé au fond de la mer produit par effet d'ombre une suppression du signal de réverbération provenant du fond C'est par cette ombre que l'on identifie la forme et les dimensions de l'objet. Dans les dispositifs de visualisation suivant l'art antérieur, l'affichage se fait suivant une représentation sensiblement en coordonnées polaires P, G o P est la distance de l'objet et O l'angle de gisement Le balayage du tube cathodique suivant l'axe horizontal est sensiblement proportionnel à Q et suivant l'axe vertical sensiblement proportionnel à P Cette représentation en p, Q est déformée par rapport à celle que verrait un observateur placé à l'endroit du sonar, ce qui rend la classifica- tion difficile. Le dispositif de visualisation, suivant l'invention a l'avantage par rapport à l'art antérieur, basé sur la représentation en p, 9, de permettre une représentation plus usuelle à l'oeil humain. L'invention a donc pour objet un dispositif de visualisation d'objets reposant à une profondeur H sur le fond de la mer, ledit dispositif recevant les signaux vidéo S d'un sonar classificateur comportant à la réception des circuits de formation de voies en gisement et susceptibles de fournir une visualisation des objets par leur ombre portée selon une première représen- tation en coordonnées polaires p, Q o p est la distance oblique d'un objet au sonar et Q son angle de gisement, le dispositif délivrant une image dont les dimensions X et Y sont telles que X est proportionnel à Q et Y est une fonction de p, caractérisé par le fait que le dispositif comporte en outre des moyens assurant la mise en oeuvre d'une seconde ou d'une troisième représentation par une modification appropriée, en fonction de la profondeur H, des fonctions liant X et Y à p et à Q; ladite seconde représentation, appelée mode en perspective, contribuant à visualiser les objets en gardant constant le rapport de leur largeur suivant X sur leur hauteur suivant Y quelle que soit leur distance oblique p; ladite troisième représentation, appelée mode en dimensions normalisées, contribuant à visualiser identique- ment des objets identiques et de même orientation quelle que soit leur distance oblique p; D'autres caractéristiques et avantages ressortiront de la description qui va suivre, illustrée par les figures qui représentent: figure 1, un schéma explicatif d'un sonar classificateur; figure 2, la représentation d'objets par ombre, en coordonnées polaires P,; figure 3, un écran de visualisation avec ses signaux de balayage; figure 4, un schéma explicatif pour la détermination de la dimension des ombres selon l'art antérieur; figure 5, des schémas montrant le principe de la représentation en perspective; figure 6, une visualisation d'objets en perspective, suivant l'inven- tion; figure 7, une visualisation d'objets en dimensions normalisées, suivant l'invention; figures 8, 9 et 10, des diagrammes représentant différentes formes de lois de balayage; figure 11, une réalisation en analogique de Pinvention; -figure 12, une réalisation en numérique de l'invention; figure 13, un exemple de l'algorithme mis en oeuvre dans l'invention. La figure 1 représente schématiquement dans le plan vertical, la configuration d'un sonar classificateur Le sonar 10, (qui peut être trempé ou remorqué ou monté sur un bateau de surface) comporte de manière connue, une antenne d'émission et une antenne de réception pour émettre et recevoir des ondes acoustiques suivant un faisceau incliné 11 délimité par les distances obliques P min et Pmax Ce faisceau est peu incliné par rapport à l'horizontale, de manière à insonifier le fond 13 en rasance A la réception, sont formées selon cette inclinaison des voies angulaires en gisement. En présence d'un objet 12 posé sur le fond, les signaux de voies qui correspondent au gisement de l'objet présentent un signal d'écho suivi d'un signal d'ombre, ou ombre en abrégé déterminée par la distance P, dû au fait que le signal réverbéré par la partie du fond 14 cachée par l'objet est supprimé Dans un sonar classificateur, cette ombre est utilisée pour identifier les objets. Il est connu que le sonar émet des impulsions courtes à des instants successifs to A chiaque émission correspondent des réceptions à des instants t qui dépendent linéairement de la distance oblique P suivant: c (t to) = 2 o c est la vitesse du son dans l'eau Si 4 est l'angle de gisement qui est donné par les directions des voies, la visualisation des signaux de voies est usuellement faite en " p, O comme indiqué sur la figure 2. Sur la figure 2, on a représenté les ombres 20 et 21 de deux objets identiques posés sur le fond dans un même gisement et à des distances différentes Les dimensions de l'image correspondent à des valeurs de distances obliques pmin et p max et à des valeurs de gisement Qmin et Omax Comme l'indique la figure, les hauteurs des objets sur l'écran AP 1 et AP 2 sont sensiblement différentes. Comme généralement l'ouverture totale en gisement: 9 t = max Qmin est faible, de l'ordre d'environ 10, le balayage se fait en mode cartésien suivant des axes X et Y. Sur la figure 3, on a représenté en fonction du temps t les tensions de balayage appliquées selon l'art antérieur, aux plaques X et Y d'un tube cathodique 30 utilisé comme moyen de visualisation La tension de balayage en X, 31 suit une loi en dent de scie de période constante et dont l'amplitude croît linéairement, tandis que la tension de balayage en Y, 32 suit une loi linéaire sur la durée du balayage T Les maximums des signaux en dents de scie pour le balayage en X sont proportionnels à P et le balayage en Y est proportionnel à P P min- La figure 4 est un schéma explicatif de la détermination de la dimension des ombres selon l'art antérieur Cette figure représente deux objets identiques 20 et 21 de hauteur h et posés sur le fond de la mer Un observateur figuré par un oeil voit l'objet 20 suivant la distance oblique Pl et sous l'angle a 1 et l'objet 21 suivant la distance oblique P 2 et sous l'angle a 2 Sur l'écran cathodique, les hauteurs des ombres seront approxi- mativement proportionnelles à AP 1 et AP 2 Ces hauteurs, également visibles sur la figure 2, augmentent avec P de sorte que l'objet le plus éloigné du sonar apparaît sur l'écran plus grand que l'objet le plus rapproché. Ce phénomène est contraire à l'impression visuelle qu'aurait un observateur qui regarderait le fond de la mer depuis le bateau. L'invention permet d'adapter la présentation des ombres à une vision normale Elle vise en particulier à remédier à l'inconvénient qui vient d'être décrit Elle permet deux modes de présentation obtenus par modification des lois de balayage en X et Y: le premier mode est une présentation en perspective du fond marin qui conserve le rapport hauteur sur largeur des ombres, le deuxième mode est une présentation en dimensions normalisées. Pour le deuxième mode de présentation, des objets identiques sont repré- sentés par des ombres de mêmes dimensions. Avant de décrire les différentes réalisations possibles du système, on va donner les formules de transposition du mode de représentation en coordonnées P, aux deux autres modes proposés. Sur la figure 5, on a représenté d'une part, les plans aux gisements O /2 et + 9 /2 passant par le centre de l'antenne O et orthogonaux au plan F du fond, et d'autre part, un plan de gisement O L'origine des angles est pris à partir de la bissectrice de l'angle formé par les plans de gisement. La transposition du mode P, O au premier mode appelé mode en perspective est obtenue en projetant une ligne de points image 50 situés à la distance P comprise entre les plans à Qt/2 et + Qt/2, sur une surface cylindrique p orthogonale au fond et située à la distance oblique minimale min, qui constitue la distance de référence A un point A situé à la distance p correspond la distance CC' = Z mesurée sur le cylindre Par des considérations géométriques simples et en se reportant à la figure 5, on obtient: Z =Hl _\ min ( 1) H étant la profondeur du fond. L'ombre d'un objet étant représentée par AA 1, les distances P (Z) et p (Z + A Z) déterminent la distance A Z mesurée sur la surface (p. Suivant l'invention, le balayage en Y dans le mode en perspective suit une loi Y = k Z, k étant un coefficient de proportionnalité Chaque ligne image 51 a une largeur constante de sorte que le balayage en Xest tel que l'excursion maximale reste constante à une valeur Xo Cette représentation conserve le rapport hauteur sur largeur des ombres. La figure 6 montre la représentation obtenue par ce premier mode en perspective en présence de plusieurs objets identiques et de même orienta- tion, placés au même gisement et équidistants entre eux Sur l'écran 60, on remarque l'effet de perspective donné par les images 61, 62, 63, 64 et 65 des objets précités. La transposition du mode P, a au deuxième mode de représentation permet de conserver la dimension des ombres quelle que soit la distance du sonar aux différents objets Pour cela, le balayage en X réalisé lors de la transposition précédente est modifié de manière à compenser l'effet de rétrécissement dû à l'espacement entre des objets identiques La largeur de l'image est alors corrigée pour chaque distance p de la distance projetée sur le fond, soit La largeur d'une ligne d'image pour Z = O étant égale à Xo, le balayage en X suivant l'invention est tel que l'excursion maximale suit la loi: (X)max = Xo Pmin-H Le balayage en Y correspondant est obtenu par intégration suivant Z du coefficient de correction en X et on obtient la loi suivante: 1 k H Log ( 2 2 P min H La figure 7 montre le résultat d'une telle représentation dans laquelle, pour une même orientation, les dimensions des objets représentés ne varient pas en fonction de la distance Sur l'écran 70, on constate que les taches 71, 72, 73, 74 et 75 correspondant à des objets identiques sont également identiques. Dans sa réalisation, le dispositif de visualisation suivant l'invention, permet de choisir entre trois modes de visualisation: classique, en perspec- tive ou en perspective normalisée Les figures 8, 9 et 10 représentent en fonction du temps, les formes des fonctions de balayage en X et en Yqui permettent d'obtenir l'un des trois modes de présentation désirés. La figure 8 représente les fonctions de balayage en X et Y pour le mode de représentation classique On constate que les maximums des signaux en dents de scie (X) du balayage en X (courbe 91) croissent Max linéairement avec p Ils sont donnés par la relation (X) = X max O P min' De même, le balayage en Y croît linéairement avec P (courbe 92) La valeur de Y est donnée par la relation Y = k ( P P min). La figure 9 montre le balayage en mode perspective Les maximums des signaux en dents de scie 93 pour le balayage en X sont constants Le balayage suivant Y est proportionnel à Z Sur la figure, on a montré différents signaux 94 1, 94 2 et 94 3 variant avec le profondeur H. Finalement, la figure 10 montre les balayages pour le mode en dimensions normalisées Les maximums des signaux en dents de scie 95 suivent la loi mentionnée plus haut de même que la loi de balayage en Y que l'on a représentée pour plusieurs valeurs de la profondeur, 96 1, 96 2 et 96 3. Une réalisation du dispositif suivant l'invention est représentée sur la figure 11 par un schéma synoptique Le tube cathodique 90 reçoit d'une part, le signal vidéo S des signaux de voies, d'autre part, les signaux de commande des balayages en X et en Y Ces signaux de commande en tension sont élaborés par les circuits 91 et 92 qui génèrent les fonctions X et Y telles que représentées sur les figures 8, 9 ou 10 Classiquement, les fonctions linéaires sont fournies par intégration de signaux carrés Les fonctions non linéaires sont fournies par des circuits de l'art connu, par exemple par des réseaux à diodes Les circuits de balayage 91 et 92 peuvent être des circuits de calcul numérique fournissant des lois de balayage en X et en Y sous forme de valeurs numériques converties en valeurs analogiques à l'entrée du tube cathodique Le choix du couple X, Y est commandé par le circuit 93 Une horloge non représentée fournit la base de temps aux circuits '91 et 92 qui reçoivent la profondeur H fournie au dispositif par un sondeur 94. Alors que pour la représentation classique p, Q la hauteur de l'image suivant Y reste constante, dans les deux autres représentations, celle-ci est variable avec la hauteur d'eau H. On a représenté sur la figure 12 une réalisation numérique dans laquelle est utilisé un récepteur de type télévision 110 recevant les informations vidéo d'une mémoire image 111 selon une technique connue. Suivant cette technique, des points images sont mémorisés dans la mémoire 111 en tenant compte de la représentation choisie A une ligne de points images de la mémoire correspond une ligne télévision Un bus 112 relie la mémoire 111 à un circuit microprocesseur 113 et à un circuit d'interface entrée-sortie 114 Le circuit 114 transmet au microprocesseur 113 les données de sonar sous forme numérique à savoir la-distance p max,la distance oblique minimum p min' la largeur du secteur angulaire O et la hauteur d'eau H Il transmet également sous forme numérique le signal vidéo S élaboré avec les N signaux de voies Ce signal S est formé d'une succession de lignes vidéo formées de N échantillons correspondant aux gisements Q 1 à CN, chaque ligne correspondant à une distance oblique p Afin d'obtenir l'une des représentations selon l'invention, il est nécessaire d'intégrer un certain nombre de lignes vidéo, ce nombre dépendant du rang de la ligne. La figure 13 représente l'organigramme simplifié de l'algorithme qui est mis en oeuvre dans le microprocesseur 113 pour obtenir la représentation en perspective Outre les données "sonar" H, p min, Pmax et Q V on dispose à l'étape 130 de la largeur de l'image visualisée LI et de l'intervalle entre les lignes INT On calcule le facteur d'échelle ECH qui est le rapport entre la largeur LI et la largeur de fond correspondante soit: 2 _ 44504 ECH= LI Et ( p 2 min H 2 Y 1 Ce facteur permet de calculer à l'étape 131 la valeur du pas de calcul suivant la nouvelle coordonnée verticale Z L'algorithme met ensuite en oeuvre une boucle dans laquelle est fait le calcul de deux valeurs de o correspondant à deux lignes successives d'image à l'étape 132 d'après la relation ( 1) que l'on inverse Ces deux valeurs fournissent le nombre de lignes vidéo, qu'il faut intégrer pour donner une seule ligne d'image. L'intégration est obtenue à l'étape 133 en sommant les points correspondant à un même O; on normalise ensuite en divisant par le nombre de points sommés. Les points images ainsi intégrés sont ensuite engrangés dans la mémoire image pour être visualisés Par exemple, dans le mode en perspec- tive, on emmagasine une ligne vidéo dans une ligne de mémoire en bas de l'image (Z = O) et on termine en haut de l'image avec 50 lignes vidéo dans une ligne mémoire. On a décrit un système de visualisation nouveau des signaux de voies d'un sonar classificateur d'objets posés sur le fond de le mer Il permet de présenter l'image du fond suivant plusieurs modes, la sélection du mode étant au choix de l'opérateur On obtient une meilleure efficacité de classification par des modes de présentation plus habituels à l'oeil humain que la représentation p, 5 classique qui cependant reste l'un des modes possibles. REVENDICATIONS 1 Dispositif de visualisation d'objets reposant à une profondeur H sur le fond de la mer,ledit dispositif recevant les signaux vidéo S d'un sonar classificateur ( 10) comportant à la réception des circuits de formation de voies en gisement et susceptibles de fournir une visualisation des objets par leur ombre portée selon une première représentation en coordonnées polai- res P, Q o P est la distance oblique d'un objet au sonar et Q son angle de gisement, le dispositif délivrant une image dont les dimensions X et Y sont telles que X est proportionnel à Q et Y est une fonction de p, caractérisé par le fait que le dispositif comporte en outre des moyens assurant la mise en oeuvre d'une seconde ou d'une troisième représentation par une modifica- tion appropriée, en fonction de la profondeur H, des fonctions liant X et Y à P et à O; ladite seconde représentation, appelée mode en perspective, contribuant à visualiser les objets en gardant constant le rapport de leur largeur suivant X sur leur hauteur suivant Y quelle que soit leur distance oblique p; ladite troisième représentation, appelée mode en dimensions normalisées, contribuant à visualiser identiquement des objets identiques et de même orientation quelle que soit leur distance oblique p 2 Dispositif de visualisation selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les moyens assurant la mise en oeuvre de ladite représentation en perspective réalisent les conditions de balayage suivantes: l'excursion maximale du balayage en X est donnée par la relation (X) = X O, XO étant la largeur constante de l'image suivant O pour la distance oblique minimum Pmin' le balayage en Y est donné par la relation \ 2 -H 2 Y = k H 1 _ / k étant une constante de propor- tionnalité p H 3 Dispositif de visualisation selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les moyens assurant la mise en oeuvre de ladite représentation en dimensions normalisées réalisent les conditions de balayage suivantes: l'excursion maximale du balayage en X, à Y fixé, est donnée par la relation: (X>max =Xo -H 2 P 2 min -H 2 le balayage en Y est donné par la relation: 1 ( 2 H 2 (o Pmin H 2) k étant une constante de proportionnalité. 4 Dispositif de visualisation selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait qu'il comprend un tube cathodique ( 90) qui reçoit le signal vidéo S du sonar et les signaux de balayage X et Y issus respectivement de circuits de balayage horizontal ( 91) et vertical ( 92), lesdits circuits de balayage recevant un signal représentatif de la hauteur d'eau H d'un sondeur ( 94) et un signal de commande du type de représenta- tion désiré issu d'un circuit de sélection ( 93). Dispositif de visualisation selon la revendication 4, caractérisé par le fait que lesdits circuits de balayage ( 91 et 92) sont des circuits de calcul numérique fournissant des lois de balayage en X et en Y sous forme de valeurs numériques converties en valeurs analogiques à l'entrée du tube cathodique. 6 Dispositif de visualisation selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait qu'il fournit une image obtenue à partir d'une mémoire image ( 111), ladite mémoire image servant à emmagasiner des valeurs représentatives de lignes de points images, lesdites valeurs étant calculées par un circuit microprocesseur ( 113) programmé en fonction du mode de représentation désiré, la mémoire et le microprocesseur étant reliés par l'intermédiaire d'un bus ( 112) à un circuit d'interface ( 114) qui transmet les données délivrées par le sonar ainsi que le signal vidéo.