Brevet FR2822548A1 — publié le 20020927

La présente invention a pour objet un dispositif destiné à détecter, classifier, et discriminer des objets par rapport à leur environnement par l'utilisation d'ondes acoustiques. Le problème de la détection (c'est à dire l'action consistant à déterminer la présence ou l'absence) d'un objet enfoui dans un milieu tel le sol par leur écho ultrasonore, est un problème qui a déjà été abordé : Ainsi, on sait détecter les objets enfouis dans le fond de la mer au moyen de sonars travaillant dans le domaine des basses fréquences, qui pénètrent bien les sols. En revanche, l'état de la technique ne comprend que très peu de sonars classificateurs ou identificateurs d'objets enfouis, car ces opérations sont plus délicates : le sonar doit créer une image aussi fine que possible de l'objet enfoui pour en distinguer les détails qui permettront de le reconnaître. Il n'existe pas de dispositif permettant d'obtenir une image précise d'objets enfouis dans le sol. La technique connue la plus proche de l'invention consiste à projeter vers le sol des faisceaux acoustiques fins créés par une technique d'émission non linéaire dite'émission paramétrique', et de juxtaposer sur un support visuel les signaux reçus pour représenter l'objet. Toutefois, cette technique telle qu'exposée dans le brevet nO EP0965860 présente les inconvénients suivants : La technique d'émission paramétrique, décrite notamment dans la thèse de doctorat d'état ès sciences physiques de l'université Paris VI intitulée'Contribution théorique et expérimentale à l'étude de l'émission et de la réception paramétrique' (auteur : Pierre Cervehka) utilise un rayonnement émis, dit rayonnement primaire, de fréquence porteuse supérieure à 100kHz dans la description du brevet EP0965860 déjà cité, qui engendre par propagation non linéaire dans l'eau un rayonnement basse fréquence qui pénètre le sol. Cette technique d'émission présente plusieurs inconvénients et limitations : Elle nécessite tout d'abord qu'une lame d'eau d'épaisseur minimale D existe entre l'émetteur sonar et le sol où est mm enfoui l'objet. Pour permettre au rayonnement primaire d'engendrer au cours de sa propagation non linéaire à travers cette lame un rayonnement secondaire de niveau suffisant pour pénétrer le sol, cette lame d'eau doit typiquement atteindre une épaisseur minimale D de plusieurs dizaines à plusieurs centaines de centimètres. Le dispositif décrit dans le brevet EP0965860 déjà cité ne peut donc pas opérer directement en contact avec le sol, et par conséquent l'utilisation en est limitée aux zones où la profondeur d'eau est supérieure à Dmln. En particulier ce dispositif ne peut être utilisé là où il y a très peu ou pas d'eau notamment dans les rizières, les flaques, les marais, les terrains inondés par exemple, où peuvent se trouver des objets enfouis à investiguer. La technique d'émission non-linéaire a, par ailleurs, un très mauvais rendement : le rayonnement secondaire est typiquement atténué de 30 à 40 décibels par rapport au rayonnement primaire émis par l'émetteur, ce qui limite beaucoup la portée du sonar. De plus, la petite aire des antennes d'émission employées pour réaliser un émetteur acoustique paramétrique directif constitue un handicap. En effet, l'aire d'un tel projecteur d'émission doit être typiquement voisine de l'aire de la cellule de résolution de l'image que l'on cherche à créer, c'est à dire quelques centimètres carrés. Compte tenu des flux de puissance sonore maxima admissibles par les transducteurs dans la bande considérée, typiquement de l'ordre de quelques Watts/cm2, le niveau sonore secondaire projeté sur la cible, déjà fortement atténué par le très mauvais rendement mentionné précédemment, est très faible, ce qui se traduit par une réduction supplémentaire de la profondeur de pénétration dans le sol. Un autre inconvénient vient de la manière dont est constituée l'image. Le dispositif du brevet EP0965860 déjà cité découpe l'objet en voxels (éléments de volume) aussi fins que possibles par l'utilisation de faisceaux très directifs à l'émission (typiquement 2 degrés). Un inconvénient de cette directivité est de limiter l'observation de l'objet enfoui aux seuls points de chacune de ses tranches où le faisceau sonore directif découpant la tranche est réfléchi spéculairement vers le sonar (points dits'brillants'), les autres points de la tranche restant peu ou pas visibles, d'où une observation très incomplète de l'objet. Le but de l'invention est précisément d'apporter une solution relativement simple et économique aux inconvénients des réalisations antérieures, décrits ci-avant et de proposer un dispositif capable de donner des images tridimensionnelles des objets enfouis dans un milieu tel que le sol. IV. DESCRIPTION DE L'INVENTION : L'invention fait coopérer les moyens suivants référencés et présentés en regard des figures annexées : des moyens d'émission et deréception (100), des moyens de traitement du signal (101) et de moyens de contrôle, de représentation, de transmission et d'archivage (102). Les moyens d'émission et de réception sont constitués par une antenne (200, 201, 202), de moyens électroniques d'émission et de réception (204 à 208), des moyens optionnels de couplage acoustique entre l'antenne et le sol (203,211, 212). L'antenne d'émission et de réception (200,201, 202) est préférentiellement plane et comporte un ou plusieurs émetteurs ultrasonores non paramétriques, non directifs, large bande (201) et un ou plusieurs récepteurs ultrasonores non directifs large bande (202) de types connus, disposés sur la surface de l'antenne préférentiellement en rang unique ou en matrice. Les émetteurs peuvent être actionnés soit en même temps soit séquentiellement. Ils émettent une impulsion courte de durée T=1/B typiquement de l'ordre de 20 microsecondes, et de fréquence centrale préférentiellement comprise dans l'intervalle 10kHz à 100kHz. La densité de puissance surfacique émise est de l'ordre de 10 Watts par centimètre carré d'antenne. Les transducteurs d'émission (201) sont dans une réalisation préférée de l'invention différents de ceux de réception (202), et répartis géométriquement entre les transducteurs de réception. Toutefois, une variante de l'invention utilisera des transducteurs pouvant à la fois émettre et recevoir. Les transducteurs composant l'antenne (201,202) ont un lobe de directivité le plus ouvert possible, préférentiellement supérieur à 90 degrés, pour pouvoir observer tout le volume situé sous l'antenne. Pour cela, la dimension typique de la face parlante d'un transducteur est d'une demi longueur d'onde, qui peut varier de 1 et 10 centimètres selon la fréquence centrale choisie dans la bande de travail préférée. La plus grande dimension de l'antenne (200) peut donc varier selon diverses réalisations de l'invention de quelques centimètres à quelques mètres, fonction des capacités d'emport, de la fréquence choisie et des besoins en vitesse de couverture du système, la dimension de l'antenne étant voisine de la dimension de la zone de terrain qu'il est possible d'imager sous l'antenne. Les moyens électroniques d'émission et de réception (204 à 208), sont constitués d'amplificateurs d'émission (204) et de réception (208), de moyens électroniques de focalisation, conditionnement et d'interface (205,207), et de moyens d'échanges de signaux (206). Le bloc d'électronique de focalisation, conditionnement et d'interface d'émission (205) distribue aux émetteurs de puissance d'émission (204) le signal émis avec les retards convenables pour que l'énergie ultrasonore émise par les transducteurs émetteurs (201) soit focalisée autour du point (M) du volume (V) enfoui que l'on explore. Une variante de l'invention n'utilise qu'un seul et même amplificateur (204) pour attaquer en parallèle tous les transducteurs émetteurs (201), ces transducteurs émettent alors tous en même temps. Le bloc d'électronique de conditionnement et d'interface de réception (207) collecte tous les signaux des récepteurs (202) individuellement préamplifiés par les amplificateurs faible bruit adaptés (208), les conditionne et les transmet aux moyens de traitement du signal (101). Les moyens optionnels de couplage acoustique antenne et le sol (203,211, 212) réalisent la transmission d'énergie acoustique entre l'antenne et le milieu tel que le sol où l'objet est enfoui, quand celui-ci est sec notamment, par un coussin de matière couplante (212) qui pourra avantageusement être une lame de liquide. Dans ce cas, cette lame liquide pourra être avantageusement créée en équipant la périphérie de l'antenne (200) d'une jupe d'étanchéité souple épousant les formes de l'antenne (203) et en injectant le liquide sous l'antenne au moyen d'au moins une buse d'injection de liquide (211). Le liquide injecté à travers la buse (211) sous l'antenne est retenu partiellement par la jupe (203), de sorte que l'antenne (200) est partiellement supportée par la lame liquide retenue (212), à la manière d'un hydroglisseur. Lorsque l'antenne (200) est utilisée dans un liquide, en mer par exemple, l'existence d'une lame d'eau'naturelle'entre l'antenne et le sol rend inutile ce moyen de couplage acoustique. Un avantage de l'invention est qu'elle ne nécessite pas que l'épaisseur de la lame de matière couplante (212) soit importante : une épaisseur de l'ordre du millimètre suffit. Les moyens de traitement du signal (101) collectent les signaux provenant des transducteurs (202) formant l'antenne de réception, convenablement amplifiés et conditionnés par les moyens (207,208), et focalisent l'antenne de réception au point (M). Le point focal (M) est donc simultanément point focal de l'antenne d'émission constituée de l'ensemble des transducteurs (201) et point focal de l'antenne de réception constituée de l'ensemble des transducteurs de réception (202). Focaliser l'antenne d'émission au point (M) signifie qu'à chaque impulsion émise par le sonar, les retards appliqués aux instants d'émission de l'impulsion par les transducteurs (201) sont ajustés par les moyens de traitement du signal (101) pour que l'énergie acoustique vienne se concentrer au voisinage du point (M). Focaliser l'antenne de réception au point (M) signifie que les moyens de traitement du signal (101) appliquent aux signaux provenant des transducteurs de réception (202) l'algorithme connu retard-sommationfiltrage. Cet algorithme connu consiste à compenser les délais de propagation retour de l'impulsion réfléchie par le point (M) aux centres de phase des transducteurs (202) par des retards individuellement appliqués aux signaux reçus par lesdits transducteurs (202), sommer lesdits signaux reçus, filtrer le signal somme et y détecter l'amplitude sonore réfléchie par le point (M). L'ajustage desdits retards est effectué au moyen d'un algorithme connu d'autofocalisation, par exemple du type dénommé'maximum de contraste'. Dans le cas de la variante de l'invention où tous les transducteurs émetteurs (201) émettent simultanément, on ne modifie pas le processus de focalisation de l'antenne de réception au point (M). L'avantage de cette variante sans focalisation de l'antenne d'émission est de simplifier le dispositif d'émission et réduire le coût du système, au prix d'une réduction du contraste des images produites. Les moyens de contrôle, représentation, transmission, archivage (102) contrôlent l'ensemble du dispositif. Ils font varier les coordonnées (209,210) du point de focalisation (M) des antennes au sein du volume (V) en faisant varier les retards de focalisation des antennes d'émission et de réception pour mesurer l'amplitude réfléchie en tout point (M) du volume (V) jusqu'à ce que (V) soit intégralement observé. Ils peuvent créer ainsi une image tridimensionnelle du volume de sol (V) compris sous l'antenne (200), ou limiter l'investigation à des coupes bidimensionnelles de ce volume. Ces données image peuvent être présentées à un opérateur par des moyens visuels et/ou transmis vers d'autres utilisateurs et/ou enregistrés par les moyens (102). Ces images permettent de relever différentes caractéristiques permettant d'identifier la cible, notamment : . la forme extérieure de l'objet enfoui dans le sédiment . le cas échéant (lorsque l'énergie incidente est suffisante pour pénétrer l'objet et/ou lorsque'enveloppe de cet objet est suffisamment perméable aux ondes acoustiques) la forme de ses constituants internes. . la position et l'orientation de l'objet par rapport à la surface du sédiment. la présence, au dessus de l'objet, d'une texture caractéristique du sédiment où l'objet est enfoui. Cette mesure de la variabilité spatiale du signal réverbéré par le sédiment situé au dessus de l'objet peut, de manière connue, révéler si ce sédiment a été fraichement remué par exemple, ou bien encore si la nature du sédiment entourant le point (M) diffère des sédiments alentours, fait qui peut marquer l'existence d'une structure sédimentaire recherchée, aurifère ou diamantifère notamment. Les différents moyens dont la structure a été décrite ci avant sont mis en oeuvre de la façon suivante : Un véhicule (104) ou un homme porte l'antenne, son électronique, et la déplace dans l'espace, au voisinage immédiat ou au contact de l'interface avec le milieu, pour imager la zone où est enfoui l'objet. L'antenne peut être portée par exemple au bout d'une perche du type'poêle à frire' (103), ou par un engin (104) terrestre, marin, ou sousmarin comme un poisson remorqué ou comme un robot sous-marin. Les avantages de l'invention sont les suivants. La faible distance séparant l'antenne de l'objet permet des cadences d'émission élevées, de l'ordre de plusieurs centaines de hertz. Chaque émission sonar permettant d'examiner, pour certaines réalisations de l'invention, une à plusieurs dizaines de voxels (éléments de volume) par émission sonar, il en résulte une capacité de l'invention à délivrer des images tridimensionnelles à une cadence de l'ordre du millier à une dizaine de milliers de voxels par seconde. L'antenne émet des ondes acoustiques de manière classique et non plus selon la technique paramétrique utilisée dans l'état de l'art, ce qui a l'avantage d'augmenter le niveau sonore incident sur l'objet enfoui au point (M) observé d'au moins 30 décibels. La résolution des images ne dépend plus de l'aire de l'antenne d'émission, on peut donc utiliser une antenne d'émission de grande aire, ce qui augmente encore le niveau sonore susdit d'au moins 10 décibels. Par ailleurs, les transducteurs d'émission projettent l'énergie acoustique sur l'objet de manière non directive, ce qui permet d'observer toutes ses parties, et non seulement ses points'brillants'. Les avantages conférés à l'invention par le gain en niveau sonore et à l'insonification non directive ainsi obtenus rendent observables de plus nombreux détails de l'objet : notamment certaines parties moins réfléchissantes ainsi que les points non spéculaires. Quand l'objet est acoustiquement pénétrable, sa constitution interne est ainsi mieux contrastée. La portée du sonar, c'est à dire la profondeur maximale à laquelle il est possible d'examiner un objet enfoui, est également accrue. REVENDICATIONS 1. Dispositif de détection et d'imagerie acoustique des objets enfouis dans un milieu tel que le sol caractérisé en ce que ses transducteurs d'émission (201) et de réception (202) sont disposés au contact de la surface du milieu où est enfoui l'objet, ou au voisinage immédiat de celle ci à une distance de l'ordre de quelques centimètres. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il utilise une lame (212) de matière couplante assurant la transmission d'énergie acoustique entre les transducteurs (201,202) et le milieu où est enfoui l'objet. 3. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la lame couplante (212) est réalisée par injection d'un liquide tel que l'eau sous les transducteurs acoustiques (201,202) au moyen d'au moins une buse d'injection (211) et d'au moins une jupe d'étanchéité (203), qui retient la lame liquide à travers laquelle passe le son. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte un ensemble de transducteurs acoustiques d'émission (201) large bande, non paramétriques, non directifs, ce dernier terme signifiant classiquement que l'ouverture à-3 décibels de leur lobe de directivité est au moins égale à 10 degrés, et préférentiellement supérieure à 60 degrés, lesdits transducteurs (201) étant associés en rang unique ou en matrice pour former une antenne d'émission préférentiellement plane. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte un ensemble de transducteurs acoustiques (202) large bande, non paramétriques, non directifs au sens décrit ci-dessus, associés en rang unique ou en matrice pour former une antenne de réception préférentiellement plane, ces transducteurs acoustiques (202) étant préférentiellement distincts des transducteurs émetteurs (201). 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens électroniques d'émission (204) et de réception (208) permettant d'amplifier les signaux émis et reçus des transducteurs (201,202) et des moyens électroniques assurant la focalisation, le conditionnement et l'interfaçage d'émission (205) permettant de faire émettre par les transducteurs (201) des impulsions acoustiques focalisées selon la technique connue des retards en un point (M) de l'espace, le point de focalisation (M) étant positionné par le jeu des retards de focalisation appliqués aux signaux transmis par les transducteurs (201) à chaque émission au sein d'un volume de sol (V) à investiguer. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens électroniques assurant la focalisation, le conditionnement et l'interfaçage de réception (207) permettant de focaliser l'observation à la réception au voisinage des point (M) de l'espace où se réfléchit l'énergie émise, selon la technique connue'retards et sommation'des signaux provenant des récepteurs (202). 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens électroniques assurant la transmission des signaux (206) et des moyens électroniques assurant le contrôle, le traitement, l'archivage et l'affichage (101,102) permettant de représenter ou de transmettre à un opérateur local ou distant, et d'enregistrer les signaux acoustiques sortant de l'étage (207), notamment sous forme de vues bi ou tridimensionnelles de l'énergie réfléchie par les points (M) observés au sein du volume (V). 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que les impulsions acoustiques émises sont préférentiellement de durée courte de l'ordre de 20 microsecondes, et leur énergie principalement répartie dans la bande des fréquences comprise entre 10 kHz et 100 kHz. 10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le moyen utilisé pour le transport de l'invention dans l'espace est un véhicule marin ou terrestre (104) ou un dispositif mécanique adapté au transport à pied de l'invention (103).