I.4.1 Signaux MFSK :
Un signal modulé MFSK pour Modulation Frequency-Shift Keying, est un signal construit à partir du découpage de la bande spectrale en sous-bandes qui sont juxtaposées selon des critères du type code de COSTAS ou autres comme l’illustre la figure I.14. L’intérêt est de
FigureI.14 –Illustration de la fréquence instantanée d’un signal MFSK.tiré de [PEN10]
pouvoir construire un ensemble de signaux à partir du même sous-ensemble de signaux mono-chromatiques. En choisissant des arrangements garantissant l’orthogonalité entre les signaux, il est possible de positionner simultanément plusieurs engins ou balises sans que les signaux in-terfèrent entre-eux. Cette technique est mise en application dans [PEN10] de la société IXSEA.
I.4.2 Compression d’Impulsion :
La Compression d’Impulsion est l’emploi couplé d’un signal modulé en fréquence en émission et d’un Filtre Adapté à ce signal en réception. Elle a pour but de maximiser le RSB et d’améliorer la résolution (largeur du lobe principal à −3 dB). En présence d’un bruit blanc, et lorsque
le signal est déterministe, c’est-à-dire que le signal utile reçu est identique au signal émis, la Compression d’Impulsion est optimale en terme de maximisation du RSB (ce qui sera montré en II). Cependant, notons que pour une application sous-marine le bruit n’est pas vraiment blanc et le signal n’est pas vraiment déterministe. La Compression d’Impulsion n’est donc pas optimale lors d’une application pratique et en particulier pour le positionnement acoustique sous-marin. Toutefois peu de travaux concernant une révision profonde de la Compression d’Impulsion en vue de l’extension de ses hypothèses d’applications ont été réalisés [TPH11, COO88]. On peut citer les travaux de doctorat de J-L. Mori dans "Prise en compte de l’environnement en SONAR actif", [MOR02]. Ces travaux portent sur l’identification des signaux issus du trajet direct et de ceux issus des phénomènes de réverbération. De plus, considérant le signal utile comme aléatoire, J-L.Mori propose une application du Filtrage Adapté Stochastique (extension naturelle du Filtrage Adapté pour des signaux aléatoires et des bruits colorés) en vue de la prise en compte de paramètres aléatoires du signal. Cependant, l’auteur propose finalement une utilisation du Filtrage Adapté Stochastique en tant que classificateur associé à un détecteur (lequel peut être basé sur le FA tel que la Compression d’Impulsion) et non une alternative à la Compression d’Impulsion.
I.4.3 Détecteurs pour le positionnement acoustique sous-marin :
Classiquement, les détecteurs mis en oeuvre reposent sur une détection quadratique du signal après Compression d’Impulsion [TRE01, MAX04]. Les évolutions récentes des détecteurs incluent des techniques issues du RADAR comme les "détecteurs à taux constant de fausse alarme" CFAR, [VC04, HOF01, VER08, HAN06]. A ce sujet, citons le travail effectué par S.Pennec dans sa thèse [PEN10], qui a adapté les principes des détecteurs CA-CFAR au système de positionnement GAPS. Dans cette technique de détection adaptative, le seuil ξ(t), dépendant du temps, est obtenu par l’intégration du module au carré des échantillons de l’observation adjacents à l’échantillon sous test, que l’on appelle ici r(t).
ξ(t) = α T
. t+T i
où :
– α est le facteur pondérant l’expression du seuil en vue de la réjection des lobes secondaires. Il est ici fixé à −12 dB ;
– T i est la durée d’intégration vérifiant T i = −ln(Pf a)
α∆ν .
La figure I.15 présente une observation synthétique. Il s’agit d’un bruit blanc gaussien filtré dans la bande, auquel on ajoute à partir de 0.4 s le signal p1(t). Le RSB est de 20 dB dans ce cas. Le résultat de la Compression d’Impulsion élevé au carré est représenté dans la partie inférieure de la figure avec, en rouge, le seuil de détection calculé à partir de (I.16). Le taux de fausse alarme toléré est de Pf a = 10−4. Dans ce cas la détection est effective et ne génère pas de fausse alarme. 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 −0.5 0 0.5 1 Temps (s) Amplitude normalisée (V/V max ) 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 −120 −100 −80 −60 −40 Temps (s) Niveau en dB
Figure I.15 –Détection sur un signal simulé (bruit blanc gaussien). RSB = 20 dB, Pf a= 10−4 où le seuil est représenté en rouge.
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 −0.5 0 0.5 1 Temps (s) Amplitude normalisée (V/V max ) 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 −120 −100 −80 −60 Temps (s) Niveau en dB
FigureI.16 –Détection sur un signal simulé (bruit blanc gaussien) comportant des non stationnarités. RSB = 10 dB, Pf a= 10−4 où le seuil est représenté en rouge.
La pratique montre que l’on est souvent confronté, en plus du bruit ambiant, à des bruits additifs impulsionnels souvent issus de sources mécaniques (bruits de machine, chocs...). En figure I.16, on simule ce type de bruit à l’aide d’un bruit blanc additif de courte durée (1 ms) mais de forte puissance. Ces bruits apparaissent sur le signal présenté en première partie de la figure I.16 vers 0.15 s et 0.55 s. Le RSB est lui de 10 dB dans ce cas. Le seuil de détection I.16, basé sur l’estimation de la puissance de l’observation permet d’éviter de générer d’éventuelles fausses alarmes lors de la présence de bruits impulsionnels de forte puissance. Reste à prouver l’efficacité d’un tel seuil en condition réelle, ce qui est illustré par la figure I.17. L’observation est un enregistrement effectué à partir du navire opérationnel d’Ifremer, l’Europe, en septembre 2010. On retrouve vers 0.42 s le signal utile p1(t) après propagation dans le milieu. La distance oblique entre la balise et le navire est de 1250m.
Le navire Europe n’est pas idéal pour recevoir des équipements acoustiques car celui-ci s’avère très bruyant (environ 90 dB de bruit propre). Toutefois le seuil permet une détection sans fausse alarme malgré le caractère fortement non-stationnaire du bruit. Les systèmes utilisés alors étaient en limite géométrique de fonctionnement (site trop faible, limite atteinte par la
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 −0.5 0 0.5 Temps (s) Amplitude normalisée (V/V max ) 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 −110 −100 −90 −80 −70 −60 Temps (s) Niveau en dB
Figure I.17 – Détection sur un signal réel comportant des non-stationnarités. Pf a= 10−4 où le seuil est représenté en rouge.
conception de l’antenne). Durant les essais, la balise étant mouillée à 750 mètres d’immersion, la distance oblique était de 2136 mètres.