Brevet FR2575555A1 — publié le 19860704

- 1 - L'invention a pour objet un procédé pour améliorer la restitution des images fournies par un sonar à vision latérale et en particulier d'un sonar latéral comportant une chaine d'acquisition numérique. ) Les sonars à visée latérale sont, on le rappelle, des sonars pourvus d'antennes acoustiques émettrices-réceptrices fixées à la coque d'un navire ou mieux d'un corps fuselé ou "poisson" tracté en immersion par le navire, et dont les axes principaux d'émission-réception sont orientés suivant des directions obliques dans un plan transversal perpendiculaire à la trajectoire du navire. Les antennes comportent généralement une pluralité de transducteurs alignés suivant une direction parallèle à l'axe longitudinal du navire ou du poisson, de manière que leurs diagrammes directionnels possèdent un angle d'ouverture faible de part et d'autre du plan vertical transversal et un angle d'ouverture plus large dans ce même plan. Les transducteurs émetteurs sont alimentés à intervalles réguliers et envoient des impulsions acoustiques dans une direction oblique vers le fond de l'eau. Ces impulsions viennent irradier ou "insonifier" le fond d'un côté ou des deux côtés du navire ou poisson suivant une bande étroite allongée perpendiculairement à la direction d'avancement et sont rétrodiffusées vers la surface. - 2 - L'antenne réceptrice ou les antennes réceptrices, du fait de leur diagramme directionnel, sont adaptées à capter préférentiellement les échos provenant des bandes irradiées. Les signaux reçus par les transducteurs, en écho aux impulsions émises, sont amplifiées de préférence avec un gain d'amplification croissant avec le temps pour corriger les variations d'amplitude dues à l'obliquité des trajets de propagation, puis démodulés afin d'obtenir des signaux à basse fréquence représentatifs de l'enveloppe des signaux reçus. Les signaux démodulés sont enregistrés et des corrections d'obliquité tenant compte de la hauteur d'eau sous le bateau, sont apportés aux enregistrements pour obtenir une représentation linéaire du fond. Les images que l'on obtient de la surface du fond ne sont en général pas satisfaisantes en ce qui concerne les zones correspondant à une faible obliquité des trajets acoustiques. Cela tient en particulier, comme on le verra plus en détail dans la description, à ce que les dimensions transversales des portions de surface ayant réverbéré les échos reçus durant un même intervalle de temps sont beaucoup plus grandes au début de chaque phase de réception, c'est-à-dire pour les directions proches de la verticale que pour- les directions plus inclinées par rapport à celle-ci, et par conséquent au faible pouvoir de résolution transversal du sonar pour les zones proches. Dans les sonars comportant une chaine d'acquisition numérique, cet intervalle de temps est par exemple la période (ou pas) avec laquelle les signaux démodulés sont échantillonnés. Le procédé selon l'invention permet d'éviter les inconvénients ci-dessus mentionnés. -3- Il s'applique à l'amélioration d'images obtenues au cours de cycles d'émission et de réception successifs comportant l'émission d'impulsions acoustiques latéralement et en oblique vers la surface au-dessus de laquelle avance le sonar, la réception de signaux acoustiques réverbérés par la surface, leur échantillonnage et la numérisation des échantillons obtenus. Il est caractérisé en ce qu'il comporte la sélection d'échantillons, l'intervalle de temps séparânt deux échantillons successifs quelconques sélectionnés, croissant au cours de l'étape de réception. Les avantages découlant de la méthode selon l'invention et les caractéristiques du dispositif de mise en oeuvre, apparaitront mieux à la lecture de la description de modes de réalisation donnés à titre d'exemples non limitatifs, et en se référant aux dessins annexés o: - la figure 1 représente schématiquement un sonar à visée latérale et la disposition de ses faisceaux d'émission et de réception, - la figure 2 montre la relation géométrique entre les instants de prélèvements des échantillons successifs et les éléments de surface du fond correspondant aux échantillons prélevés, - la figure 3 représente un schéma synoptique d'une chaîne de réception d'un sonar à visée latérale, - la figure 4 représente un schéma synoptique d'un premier mode de réalisation du dispositif de mise en oeuvre du procédé selon l'invention, - la figure 5 représente un schéma synoptique d'un second mode de réalisation du dispositif, et - la figure 6 représente un schéma synoptique d'un troisième mode de réalisation du dispositif. -- 4 - Les images du fond, sur un côté au moins de la route suivie par un navire 1 (Fig. 1), sont obtenues en immergeant un corps fuselé 2 pourvu latéralement d'au moins- une antenne directive 3 adaptée à émettre et à recevoir des ultrasons, dont l'axe est orienté dans un plan transversal et obliquement par rapport à la verticale. Le diagramme de directivité de cette antenne comporte un lobe principal très étroit de part et d'autre du plan transversal et assez ouvert dans ce même plan. Les valeurs des angles au sommet des faisceaux principaux émis et reçus dans le plan longitudinal et dans le plan transversal respectivement sont par exemple de 1 à 50 et de 30 à 60 , si bien que la surface du fond irradiée ou "insonifiée" par chaque impulsion acoustique émise est une bande transversale assez étroite I. Des impulsions acoustiques sont émises périodiquement. Les ondes acoustiques sont réverbérées par le fond et sont captées par l'antenne 3. Les échos provenant des directions de faible obliquité arrivent les premiers. A leur suite arrivent les échos provenant de directions d'obliquité croissante. Comme on le verra ci-après dans la description du dispositif de mise en oeuvre du procédé selon l'invention, les signaux traduisant les échos reçus sont convenablement amplifiés et après détection de leurs enveloppes, sont enregistrés. L'enregistrement est effectué classiquement en prélevant des échantillons des enveloppes détectées en les numérisant et en rangeant les mots numériques obtenus dans un organe de mémorisation. Les échantillons sont prélevés avec une fréquence d'échantillonnage constante fHl On voit sur la figure 1 que les échos reçus pendant un même intervalle de temps u ont été réverbérés par des portions de surface différentes selon la position de cet intervalle dans la fenêtre de réception de durée T. -5 - L'aire A1, B1, C1, D1, de la portion de surface S1 correspondant à des directions de faible obliquité est plus grande par exemple que l'aire A2, B2, C2, D2, de la portion de surface S2 correspondant à des trajets très inclinés. De ce fait, deux lignes de surface (l, l'1), (12, 1'2) correspondant à deux échantillons successifs quelconques sont inégalement distantes les unes des autres selon leurs emplacements dans la surface réverbérante. Le pouvoir de résolution du sonar varie par conséquent dans de notables proportions. Il est relativement faible pour les zones de o10 surface réverbérantes les plus proches. Le procédé selon l'invention permet, par une variation de la période d'échantillonnage T (T = 1/fH) de maintenir sensiblement égaux les intervalles entre les lignes de terrain qui correspondent aux échantillons sélectionnés, quel que soit l'instant de prélèvement des échantillons dans la fenêtre de réception T et quelle que soit la hauteur d'eau H. La distance latérale y d'un point de la surface réverbérante par rapport à la verticale est liée (Fig. 2) à la hauteur d'eau H, à la durée de propagation et à la vitesse de propagation v des ondes acoustiques par une relation du type: H2 + y2 = (H + vt)2 (1) La durée de propagation étant égale à un nombre k d'intervalles d'échantillonnage et la distance latérale y étant égale à un même nombre k d'espacements de valeurs d, la relation (1) s'exprime encore sour la forme: H2 + k2d2 v 2k2t2 (2) - 6 Un calcul simple montre que pour obtenir des espacements constants d, il faut que la période d'échantillonnage varie en fonction du numéro d'ordre k des échantillons prélevés, en accord avec la relation: T =- - + d 2 (3) v k2 vk La mise en oeuvre du procédé peut s'effectuer en faisant varier l'intervalle de temps d'échantillonnage en fonction du temps, de manière à suivre exactement la relation 3. Le procédé peut être mis en oeuvre également en ajustant l'intervalle de temps par paliers de manière à suivre approximativement la relation 3, le pas d'ajustement dépendant de la précision requise pour la restitution des images. Le dispositif de mise en oeuvre du procédé est associé à une chaine de réception de signaux de sonar comportant (Fig. 3) un amplificateur 4 dont le gain augmente à partir du début de la fenêtre de réception des échos, de manière à tenir compte de l'affaiblissement des ondes acoustiques en fonction de la durée de propagation. L'amplificateur 4 est connecté à l'entrée d'un filtre passe-bande 5 centré sur la fréquence prépondérante des signaux reçus. La sortie du filtre 5 est connecté à un ensemble de démodulation 6 adapté à délivrer des signaux représentatifs de l'enveloppe des échos reçus. Un élément d'échantillonnage 7 est connecté à la sortie de l'ensemble de démodulation 6. Les échantillons de signaux produits sont ensuite numérisés dans un convertisseur analogique-numérique 8 puis transférés dans un élément de mémorisation 9. Le fonctionnement de l'élément d'échantillonnage 7 est cadencé par un signal d'horloge fourni par un ensemble de synchronisation 10. - 7 - Suivant un premier mode de réalisation (Fig. 4), le signal d'horloge est engendré par un oscillateur 11 du type VCO, commandé par la tension délivrée par un calculateur 12. Un écho-sondeur auxiliaire (non représenté) fournit les valeurs de la hauteur d'eau H au calculateur 12 qui détermine la tension à appliquer à l'oscillateur 11 pour obtenir des espacements d sensiblement constants. Suivant un second mode de réalisation (Fig. 5), l'ensemble de synchronisation 10 comporte une horloge 13 produisant un signal de référence dont la fréquence F est un multiple élevé de la fréquence moyenne d'échantillonnage fH' Le signal d'horloge est appliqué à des éléments diviseurs 14 dont le facteur de division peut prendre une pluralité de valeurs différentes. La sélection de la valeur appropriée est déterminée par un calculateur 15 en fonction du temps de propagation et de la hauteur d'eau H. Suivant un troisième mode de réalisation (Fig. 6), l'ensemble de synchronisation comporte d'un oscillateur 0 produisant un signal de référence dont la fréquence F est très supérieure à la fréquence d'échantillonnage nécessaire pour obtenir des enregistrements avec un pouvoir de résolution satisfaisant. Le signal d'horloge F est appliqué directement à un échantillonneur-bloqueur 16. Les échantillons prélevés à la fréquence F sont tous numérisés par un convertisseur analogique-numérique 17 et mémorisés par un organe d'enregistrement tel qu'une mémoire vive 18 (RAM). L'ensemble de synchronisation comporte aussi un calculateur programmable 19 qui est couplé avec la mémoire vive 18. La sélection, parmi les échantillons mémorisés, de ceux qui vont servir à la constitution des images, est effectuée par le calculateur 19 en fonction du temps de propagation et de la hauteur d'eau H. Les intervalles de temps entre les échantillons effectivement retenus seront des multiples de la période du signal de référence. - 8 - Suivant une variante du mode de réalisation, le calculateur 19 sélectionne l'ensemble des échantillons devant servir à la constitution des images directement à la sortie de l'échantillonneur- bloqueur 16 et commande leur application au convertisseur analogique- numérique 17. _ g _ -9- REVENDICATIONS R E V E N D I C A T I O N S 1. - Procédé pour améliorer la restitution d'images fournies par un sonar à visée latérale, ces images étant obtenues au cours de cycles d'émission et de réception successifs comportant l'émission d'impulsions acoustiques latéralement et dans une direction oblique vers la surface au-dessus de laquelle avance le sonar, la réception des signaux acoustiques réverbérés par ladite surface, leur échantillonnage et la numérisation des échantillons obtenus, caractérisé en ce qu'il comporte la sélection d'échantillons, l'intervalle de temps séparant deux échantillons successifs quelconques sélectionnés, croissant au cours de l'étape de réception. 2. - Méthode selon la revendication 1, caractérisée en ce que ladite période d'échantillonnage est déterminée en fonction de la hauteur d'eau et de la durée de propagation pour que la distribution spatiale des éléments de surface correspondant aux échantillons de signaux sélectionnés soit homogène sur toute la surface réverbérant les signaux acoustiques. 3. - Dispositif pour améliorer la restitution d'images produites par un sonar à visée latérale, lequel comporte des moyens d'émission d'impulsions acoustiques, des moyens de réception (4,5,6) des signaux acoustiques réverbérés par la surface au-dessus de laquelle passe le sonar, des moyens d'échantillonnage (7), des moyens de numérisation (8) des échantillons obtenus et des moyens d'enregistrement, ledit dispositif étant caractérisé en ce qu'il comporte un ensemble de synchronisation pour engendrer un signal d'horloge adapté à piloter les moyens d'échantillonnage et pour sélectionner une partie au moins des échantillons prélevés par les moyens d'échantillonnage, les échantillons sélectionnés étant séparés par des intervalles de temps croissants. - 10 - 4. - Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit ensemble de synchronisation comporte des éléments pour engendrer un signal d'horloge dont la fréquence décroit au cours du temps, tous les échantillons de signaux issus des moyens d'échantillonnage étant numérisés et enregistrés. 5. - Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit ensemble de synchronisation comporte un oscillateur à fréquence variable (11) dont la fréquence d'oscillation dépend d'une tension de commande et des moyens (12) pour engendrer une tension de commande adaptée à faire décroitre la fréquence d'oscillation de l'oscillateur (11) en fonction du temps et de la hauteur d'eau sous le sonar. 6. - Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit ensemble de synchronisation comporte un oscillateur à fréquence fixe (13), un élément diviseur (14) adapté à engendrer une pluralité de signaux dont les fréquences sont des sous-multiples de la fréquence du signal dudit oscillateur (13) et un élément (15) pour sélectionner successivement parmi les signaux engendrés par l'élément diviseur, des signaux dont la fréquence décroit par paliers au cours de l'étape de réception. 7. Dispositif selon la revendication 3, dans lequel l'ensemble de synchronisation comporte un élément échantillonneur- bloqueur (16) prélevant sur les signaux des échantillons à une fréquence imposée par un signal d'horloge, caractérisé en ce que ledit ensemble de synchronisation comporte. un oscillateur (0) adapté à engendrer un signal d'horloge de fréquence fixe et des moyens (19) pour prélever, parmi tous les échantillons de signaux issus de l'élément échantillonneur-bloqueur (16) au cours de chaque étape de réception, un ensemble d'échantillons séparés par des intervalles de temps croissants dont les valeurs sont déterminées en fonction du temps de propagation et de la hauteur d'eau sous le sonar.