Brevet FR2765065A1 — publié le 19981224

PROCEDE DE SOUSTRACTION DE BRUIT POUR ANTENNE ACOUSTIQUE LINEAIRE REMORQUEE. La présente invention se rapporte aux procédés qui permettent de soustraire les bruits parasites des signaux reçus par les antennes acoustiques linéaires remorquées derrière des bâtiments, plus particulièrement dans le domaine des basses fréquences. II est courant d'utiliser, en particulier pour la prospection pétrolière, des antennes acoustiques linéaires remorquées derrière des bâtiments pour recevoir les signaux acoustiques se propageant dans le sein de la mer. Ces antennes sont tractées par l'intermédiaire d'un câble de remorquage, ce qui entraîne des vibrations qui induisent des signaux parasites dans les capteurs acoustiques de l'antenne. Pour réduire les àcoups de traction, il est d'usage de placer un tronçon amortisseur entre l'extrémité aval du câble de remorquage et l'extrémité amont de l'antenne linéaire. Ce tronçon amortisseur permet en outre d'apporter une certaine atténuation aux vibrations induites par la traction du câble de remorquage, mais cet amortissement est cependant insuffisant, tout particulièrement dans le domaine des basses et très basses fréquences. II est par ailleurs connu dans le domaine du traitement du signal, lorsque l'on dispose de moyens de mesure permettant d'obtenir un signal représentatif du bruit seul, de soustraire ce signal représentatif du bruit seul du signal complet comportant le signal utile et le bruit. II est toutefois difficile de trouver de tels moyens de mesure et dans la pratique, on obtient rarement un signal exactement identique au bruit seul. On peut toutefois souvent obtenir un signal suffisamment corrélé à ce bruit pour le soustraire de manière significative du signal reçu. Pour permettre d'éliminer au mieux le bruit aux basses et très basses fréquences provenant de la traction de l'antenne, I'invention propose un procédé de soustraction de bruit pour antenne acoustique linéaire comportant un ensemble de capteurs destinés à recevoir les signaux acoustiques, cette antenne étant remorquée par un câble de remorquage avec interposition d'un tronçon amortisseur, ce procédé étant principalement caractérisé en ce que l'on place à la jonction entre I'antenne et le tronçon amortisseur un accéléromètre monoaxe dont l'axe de mesure est parallèle à l'axe de l'antenne, et en ce que l'on utilise les signaux délivrés par l'accéléromètre comme références dans un procédé de soustraction de bruit appliqué aux signaux de réception des capteurs. Selon une autre caractéristique, le procédé de soustraction du bruit utilise une méthode de pseudo inversion de la matrice interspectrale des références dans le domaine fréquentiel ; ce procédé étant ainsi compatible avec un traitement de signal comportant une analyse spectrale derrière chaque capteur. Selon une autre caractéristique, le procédé de soustraction de bruit utilise une méthode de gradient LMS normalisé dans le domaine temporel; ce procédé étant ainsi compatible avec un traitement de signal par formation de voies temporelles. Selon une autre caractéristique, I'antenne étant formée d'un ensemble de tronçons réunis bout-à-bout, on utilise un ensemble d'accéléromètres situés respectivement en tête de chacun de ces tronçons. D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront clairement dans la description suivante, faite en regard des figures annexées qui représentent - la figure 1, une vue schématique d'une antenne acoustique linéaire remorquée; - la figure 2, un schéma bloc d'un premier traitement correspondant à un premier mode de réalisation; et - la figure 3, un schéma bloc d'un deuxième traitement correspondant à un deuxième mode de réalisation de l'invention. On a représenté sur la figure 1 de manière très schématique une antenne acoustique linéaire remorquée 101 qui est tractée par un câble de remorquage 102 par l'intermédiaire d'un tronçon amortisseur 103. Cette antenne comporte un ensemble de capteurs acoustiques 104 à 106, des hydrophones par exemple, régulièrement répartis le long de l'antenne. Des mesures effectués en l'absence de signal utile ont permis de montrer que les signaux reçus, correspondant essentiellement au bruit dû à la traction, présentaient les caractéristiques suivantes - le signal de bruit est essentiellement gênant entre 10 et 100 Hz. - le rapport signal/bruit dans cette gamme de fréquence est légèrement supérieur à 10 décibels dans une bande de 1Hz. - la cohérence des signaux de bruit est élevée le long de l'antenne, si bien que le bruit semble provenir de directions particulières - le phénomène est essentiellement stationnaire. Dans ces conditions, I'invention propose d'utiliser une méthode de soustraction de bruit en déterminant le signal de bruit à soustraire avec des mesures obtenues à partir d'au moins un accéléromètre 107 placé sensiblement au niveau de la jonction entre le tronçon amortisseur 103 et l'antenne remorquée 101. En fonction des facilités de fabrication, cet accéléromètre peut être fixé, soit en queue de l'amortisseur, soit en tête du premier tronçon de l'antenne. Cet accéléromètre sera avantageusement monoaxe et disposé avec son axe de mesure parallèle à l'axe de l'antenne. On pourra également placer un ensemble d'accéléromètres répartis le long de l'antenne acoustique linéaire remorquée si celle ci est formée, comme c'est fréquemment le cas, de plusieurs tronçons fixés les uns au bout des autres. On placera alors avantageusement un accéléromètre en tête de chacun de ces tronçons. Le procédé selon l'invention consiste donc à soustraire la partie formée de bruit parasite d'un signal comportant une partie utile et une partie formée de bruit. Cette partie formée de bruit est obtenue à partir de références ne comportant dans toute la mesure du possible que du bruit, et l'on soustrait alors du signal total sa partie qui est corrélée avec cette référence. Ce traitement consiste en fait à déterminer le filtre qui minimise l'erreur quadratique moyenne entre le signal utile et son estimée. Ce filtre optimal est connu sous le filtre de WIENER, et on connaît plusieurs algorithmes qui permettent de le calculer. Le signal de réception est lui-même l'objet d'un traitement connu destiné à déterminer les caractéristiques des sources du signal utile. Parmi les différentes catégories de traitement utilisables, deux sont plus particulièrement retenues dans l'art. II s'agit d'une part de l'utilisation de la transformée de Fourier rapide, dite FFT en tête, et d'autre part de la formation de voies temporelles. Pour permettre à la fois d'assurer la compatibilité entre ces traitements et le traitement destiné à obtenir le filtre de WIENER, et pour minimiser le volume global de traitement, I'invention propose deux modes de réalisation différents correspondant à l'une ou l'autre de deux méthodes de traitement du signal de réception. La première de ces méthodes est dite directe. Elle est compatible avec un traitement de signal comportant une FFT derrière chaque hydrophone. Elle consiste à effectuer une pseudo-inversion de la matrice interspectrale des références dans le domaine fréquentiel. Pour cela on utilisera les paramètres et les variables suivants H : vecteur des entrées, c'est à dires des signaux des hydrophones, A : vecteur des références, c'est à dire des signaux des accéléromètres, R : matrice interspectrale des références, P : matrice des interspectives entre les entrées et les références, W : matrice des coefficients du filtre, S : vecteur des sorties, f : fréquence, * : opérateur transposée-conjuguée, Le traitement de la méthode directe est alors déterminé par les formules S (f) = H(f) - W* (f) A (f) (1) W(f) R 1 (f) P (f) (2) Le synoptique du traitement est représenté sur la figure 2. Les signaux provenant des hydrophones et des références sont regroupés dans des blocs 201 et 202 pour obtenir les vecteurs correspondants. Ces vecteurs sont alors soumis à des traitements de Fourier rapide FFT dans des blocs 203 et 204. Le signal FFT en sortie du bloc 204 est appliqué à un bloc 205 qui permet de déterminer la matrice interspectrale des références. II est également appliqué, ainsi que le signal FFT en sortie du bloc 203, à un bloc 206 qui permet de déterminer la matrice interspectrale entre les entrées et les références. Les signaux correspondant à ces deux matrices sont alors appliqués à un bloc 207 qui permet d'effectuer le traitement correspondant à la formule (2). Le résultat de ce traitement est ensuite appliqué à un bloc 208, qui reçoit également le signal FFT en sortie du bloc 204 et qui permet d'obtenir le deuxième terme de la formule (1). Ce deuxième terme est alors appliqué à l'entrée - d'un sommateur 209 qui reçoit sur son entrée + le signal FFT provenant du bloc 203. La sortie de ce bloc 209 délivre donc un signal correspondant à la formule (1) et qui est le signal de réception utile débarrassé des signaux de bruit dans toute la mesure du possible. La seconde méthode, compatible avec une technique de formation de voies temporelle consiste à utiliser un gradient LMS normalisé dans le domaine temporel. Cette méthode utilise les mêmes paramètres et variabies que celles ci dessus, si ce n'est que la fréquence f est remplacée par l'indice k correspondant à chaque récurrence temporelle, et que l'on effectue une opération de moyennage représenté par l'opérateur E. Dans ces conditions, le traitement de la méthode du gradient LMS normalisé est déterminé par les formules S( k) = H(k) - WX (k) A (k) (3) W(k + 1) = W(k) + m A(k)S'(k) A(k)S (4) E(A'(k)A(k)) p étant le facteur de convergence de l'algorithme. Le schéma synoptique de ce deuxième traitement est représenté sur la figure 3. Les vecteurs des entrées et des références sont obtenus à partir des signaux des hydrophones et des accéléromètres à l'aide de deux blocs 301 et 302 sensiblement identiques aux blocs 201 et 202 de la figure 2. Le vecteur des références est tout d'abord soumis à un premier traitement qui permet de faire un recalage temporel entre ce vecteur des références et le vecteur des entrées, dans un bloc 303. Le vecteur des références ainsi recalé est alors appliqué à un bloc 304 qui permet de calculer la matrice des coefficients du filtre en appliquant la formule (4). Comme cette formule est une formule de récurrence, le bloc 304 reçoit également le signal S(k) de sortie du dispositif. Le signal en sortie de ce bloc 304 est appliqué à un bloc 305, qui reçoit également le signal en sortie du bloc 303 et permet d'obtenir le deuxième terme de la formule (3). Ce deuxième terme est alors appliqué à l'entrée - d'un sommateur 309, dont l'entrée + reçoit directement le signal de sortie du bloc 301 . La sortie de ce sommateur représente alors sensiblement le signal utile débarrassé des signaux de bruit comme dans le premier mode de réalisation décrit plus haut. Une campagne de mesure utilisant le dispositif représenté en figure 1, avec trois hydrophones et un accéléromètre, et mettant en oeuvre successivement les deux modes de réalisation de l'invention a été réalisés. Deux séries de mesures on été effectuées, I'une avant soustraction de bruit, et l'autre après soustraction de bruit, aux fréquences 15Hz, 30Hz et 42Hz. A une vitesse de 1 6 Noeuds environ, l'atténuation obtenue est de 16dB. On constate donc que l'invention permet d'atténuer fortement les remontées de bruit très basses fréquence mises en évidence sur les antennes linéaires remorquées, ce qui permet d'améliorer de façon considérable les performances de ces antennes et donc les capacités de détection des systèmes sonars utilisant de tels antennes En outre les deux modes de réalisation de l'invention s'intègrent facilement dans les chaînes de traitement sonar utilisées couramment, en raison de leur capacité d'adaptation aux traitements d'antenne pratiqués, qu'ils soient temporels ou fréquentiels, et de leur faible coût, puisque le matériel supplémentaire à utiliser correspond seulement à une demi-carte du type bi-TMS. Toutefois il reste nécessaire de continuer à utiliser l'amortisseur 103 destiné à relier le cable de remorquage et l'antenne linéaire, en particulier parce que celui atténue fortement les vibrations non axiales imposées à l'antenne, ce qui permet ainsi de faire fonctionner l'accéléromètre 107 dans de bonnes conditions de fonctionnement. REVENDICATIONS 1 - Procédé de soustraction de bruit pour antenne acoustique linéaire (101) comportant un ensemble de capteurs (104-106) destinés à recevoir les signaux acoustiques, cette antenne étant remorquée par un câble de remorquage (102) avec interposition d'un tronçon amortisseur (103), caractérisé en ce que l'on place à la jonction entre l'antenne et le tronçon amortisseur un accéléromètre monoaxe (107) dont l'axe de mesure est parallèle à l'axe de l'antenne, et en ce que l'on utilise les signaux délivrés par l'accéléromètre comme références dans un procédé de soustraction de bruit appliqué aux signaux de réception des capteurs. 2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le procédé de soustraction du bruit utilise une méthode de pseudo inversion de la matrice interspectrale des références dans le domaine fréquentiel ; ce procédé étant ainsi compatible avec un traitement de signal comportant une analyse spectrale derrière chaque capteur. 3 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le procédé de soustraction de bruit utilise une méthode de gradient LMS normalisé dans le domaine temporel; ce procédé étant ainsi compatible avec un traitement de signal par formation de voies temporelles. 4 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que, I'antenne (101) étant formée d'un ensemble de tronçons réunis bout-à-bout, on utilise un ensemble d'accéléromètres (107) situés respectivement en tête de chacun de ces tronçons.