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Submitted on 1 Jan 1990
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IMAGERIE PAR SYNTHÈSE D’OUVERTURE EN ACOUSTIQUE SOUS-MARINE : ÉTUDE ET
SIMULATIONS NUMÉRIQUES
J. Chatillon, M. Zakharia, M. Bouhier
To cite this version:
J. Chatillon, M. Zakharia, M. Bouhier. IMAGERIE PAR SYNTHÈSE D’OUVERTURE EN ACOUS-
TIQUE SOUS-MARINE : ÉTUDE ET SIMULATIONS NUMÉRIQUES. Journal de Physique Collo-
ques, 1990, 51 (C2), pp.C2-333-C2-336. �10.1051/jphyscol:1990280�. �jpa-00230701�
COLLOQUE DE PHYSIQUE
Colloque C2, supplément au n 0 2 , Tome 51, Février 1990 fer Congrès Français d'Acoustique 1990
IMAGERIE PAR SYNTHÈSE D'OUVERTURE EN ACOUSTIQUE SOUS-MARINE :
ETUDE
ET SIMULATIONSNUMERIQUES
J. CHATILLON, M.E. ZAKHARIA et M.E. BOUHIER*
I.C.P.I. Lyon, Laboratoire d e Traitement du Signal, URA 346 CNRS, 31 flace Bellecour, F-69288 Lyon Cedex 02, France
IFREMER, Centre d e Toulon-La-Seyne, Zone Portuaire d e Bregaillon, BP.
330
.
F-83507 La Seyne-sur-Mer Cedex, FranceRésumé : L'imagerie sonar latéral par synthèse d'ouverture permet d'obtenir des images du fond de haute résolution azimutale indépendante de la distance, au moyen d'antennes de petite taille. Cette méthode suppose une trajectoire rectiligne et uniforme du porteur de l'antenne. Les perturbations de cette trajectoire dégradent la qualité de l'image. Nous montrons des exemples de telles perturbations sur un cas simple de simulation numérique en utilisant des signaux large bande.
Abstract : Underwater acoustical imaging via synthetic-aperture sonar enables to obtain bottom images with high azimutal resolution
.
This resolution is independant from the range and can be achieved with small length arrays. Such a processing lies on the assurnption that the towed array trajectory is a straight constant speed one. Trajectory perturbations reduce image quality. Perturbations influence is shown for simple numerical simulation examples using wide-band signals.1. Introduction
La résolution en azimut 6a d'un système sonar actif latéral est directement liée à l'ouverture angulaire du lobe à -3 dB, 283, de l'antenne remorquée et à la distance sonar-fond R:
= R .283 (en mètres) avec 283=& et &,cdfo
où
ho
représente la longueur d'onde, (CO étant la célérité des ondes sonores dans le milieu, fo la fréquence centrale des signaux émis) et Lr la longueur de l'antenne.Améliorer la résolution d'un système classique conduit nécessairement à augmenter soit la fréquence des signaux d'émission, soit la longueur de l'antenne physique. Les limitations sont évidentes : atténuation en haute fréquence, coût et encombrement d'une grande antenne. L'utilisation de la synthèse d'ouverture permet d'obtenir une bonne résolution azimutale grâce à des antennes de taille relativement faible, et, par focalisation dynamique, de maintenir la résolution constante quelle que soit la distance sonar-fond.
Cette technique existe depuis des décennies en radar aéroporté [6] mais peu de réalisations sont développées en ASM et ce pour plusieurs raisons [l] :
- problèmes de propagation : inhomogéneité du milieu, variation de la célérité des ondes sonores, absorption, bruits ambiants
...
- problèmes de cohérence liés aux mouvements erratiques des plates-formes sonar (roulis, lacet, tangage, pilonnement. ..)
- faible célérité des ondes sonores et faible vitesse de déplacement de la plate-forme sonar limitant la cadence d'émission et pouvant introduire des ambiguités par recouvrement spatial ou temporel
- complexité du calcul en temps réel
Ces mêmes limitations se rencontrent aussi en radar 161 avec des importances relatives différentes. Malgré tout, cette solution reste séduisante vis-à-vis des limites théoriques de résolution qu'elle permet d'obtenir.
2. Principe de la synthèse d'ouverture
Rappelons que le principe de l'antenne synthétique consiste à former une antenne de grande longueur La à partir d'une antenne physique plus petite (longueur Lr) vue à Nc positions connues et successives de la plate- forme qui avance avec une vitesse rectiligne uniforme v en émettant des impulsions sonar avec une cadence de répétition PRF (Figure 1).
Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphyscol:1990280
COLLOQUE DE PHYSIQUE
On montre alors que, sous réserve de respecter certaines conditions d'ambiguité [4], la sommation en phase des échos de cibles observées sous différentes positions permet d'atteindre la résolution : = Lr/2 ; celle- ci ne dépend donc plus que de la longueur de l'antenne physique.
Les perturbations énumérées précédemment dégradent i'image haute résolution obtenue par calcul synthétique. Nous nous limiterons, dans cet article, à l'étude de l'influence des mouvements périodiques de la trajectoire du porteur d'antenne dans un cas simple. L'étude se fera grâce à un programme de simulation numérique développé à cet effet.
3. Description des simulations numériques.
Le programme de simulations numériques mis au point se décompose en deux parties principales : -calcul et génération des signaux reçus, incluant la plupart des mouvements de la plate-forme -calcul d'une image par synthèse d'ouverture
Le programme de génération des signaux reçus simulés permet de contrôler la plupart des paramètres géomémques du système :
la configuration sonar : profondeur du fond, position d'une ou de plusieurs cibles ponctuelles - le mouvement de la plate-forme
Ce programme permet aussi de définir les principales caractéristiques du système sonar : -les signaux émis : forme, durée, fréquence centrale, bande relative, lois de modulation
-les caractéristiques d'émission : longueur de l'antenne et diagramme de directivité, cadence de répétition des émissions sonar
Les fichiers de données simulées ainsi obtenus contiennent Nm.km valeurs du signal renvoyé par l'ensemble des cibles où Nm est le nombre maximum de positions plate-forme utilisées et km est le nombre de points définissant une réception sonar.
Dans le cas d'une trajectoire rectiligne, la variation de la distance porteur-cible (i.e. du temps de retard des signaux reçus) est quadratique en fonction de la position plate-forme R ( ~ ) = ~ m i n i ( N o ) + a ( N - ~ 0 ) ~ [2] (Figure 1). L'allure des données brutes reçues est décrite dans le cas d'une cible ponctuelle (Figure 2). Le filtrage adapté en distance a été considéré, dans un premier temps, comme faisant partie intégrante du capteur. Du fait de la compression d'impulsion, nous nous interessons à la fonction d'autocorrélation du signal reçu (sortie de filtre adapté). Dans cette étude, nous avons modélisé cette sortie par un signal sinusoidal de fréquence fo (fréquence centrale du signal) modulé en amplitude par une fonction Gaussienne de largeur inversement proportionnelle à la bande du signal (quelle que soit sa durée).
Le calcul d'antenne synthétique consiste, tout d'abord, à trouver Nc, le nombre de positions plate-forme nécessaire à la focalisation. Ce nombre est d'autant plus grand que la cible est éloignée. Le calcul se décompose alors en deux parties :
-
compensation du retard de propagation des échos (en supposant la trajectoire de la plate-forme uniforme). Pour tout point [No,h ] du fichier des données brutes (où No est compris entre NJ2 et Nm- NJ2), on cherche les points courants (autres positions plate-forme, autres dates d'arrivée) qui lui correspondent temporellement aux positions plate-forme N (N compris entre No-Nc/2 et No+Nc/2). Ces points courants décrivent une parabole centrée sur [No,h].-
sommation : les amplitudes des points courants précédents sont sommées module et phase pour obtenir le point [ N'o,k'o] du fichier final des données.4. Résultats.
Pour limiter la complexité et les temps de calcul, nous nous intéressons à un exemple académique en très basse fréquence (fréquence centrale fo =120 Hz) utilisant une configuration sonar très simple (2 cibles ponctuelles). L'influence de la directivité de l'antenne a été négligée. La seule perturbation envisagée est un lacet périodique, c'est à dire un mouvement sinusoidal de la plate-forme dans le plan parallèle au fond rajouté au mouvement rectiligne uniforme. Les cibles sont posées sur le fond, leurs coordonnées ne diffèrent qu'en azimut.
La configuration sonar choisie est la suivante :
-
profondeur 2000 mètres-
cibles séparées de 20 mètres en azimut - vision à 15' par rapport à la normale au fondLes simulations ont été réalisées avec deux types de signaux : a) bande étroite : bande relative 10% à -3dB
b) large bande : bande relative 30% à -3dB
Compte tenu de la compression d'impulsion, la durée de ces signaux est indifférente et peut être augmentée, dans un cas opérationnel, pour améliorer le rapport signai sur bruit sans affecter la résolution en distance.
Les figures 3a et 3b montrent une image des données brutes, dans le voisinage des cibles, en l'absence de lacet dans les deux cas. La figure 4 montre un agrandissement de la zone intéressante autour des deux cibles A et B qui sont effectivement non résolues. Les figures Sa et Sb montrent, à la même échelle que la figure 4, le résultat d'un calcul synthétique. Dans ce cas, les deux cibles sont clairement distinguées (résolution théorique = Lr/2 = 10 mètres et distance inter-cible = 20 mètres). Bien qu'il s'agisse d'un exemple académique, l'utilisation des signaux large bande permet d'améliorer la résolution en distance, ce qui est clairement montré sur les figures Sa et Sb. La présence supplémentaire d'un lacet perturbe la qualité des images (figures 6a et 6b : lacet de moyenne amplitude) et peut rendre la résolution impossible (figures 7a et 7b : lacet de forte amplitude). Dans le cas de sonar à bande étroite, certains auteurs [4] préconisent une amplitude des perturbations inférieure à ho/8. Ce critère est difficilement transposable dans le cas large bande, pour lequel il est nécessaire d'exprimer les contraintes en terme de stabilité temporelle des échos et non pas en stabilité de phase.
5. Conclusion
Les résultats de simulations montrent clairement l'intérêt de la synthèse d'ouverture pour augmenter la résolution en azimut. Nous avons vu que l'on peut chiffrer simplement l'apport de l'élargissement de la bande sur la résolution en distance. Pour pouvoir chiffrer cet apport sur la résolution en azimut il est nécessaire, voire même indispensable, de disposer de critères objectifs d'évaluation de la qualité de l'image plus complets que la seule résolution à -3 dB du lobe principal. Certains auteurs [7] ont déjà exploité des paramètres de qualité d'image intégrant le lobe principal et les lobes secondaires.
6. Références
[ l ] M.E. BOUHIER, M.E. ZAKHARIA : "Techniques d'imagerie par ouverture synthétique en acoustique sous-marine. Etude bibliographique." Rapport interne ICPZ 87-1 1. Mai 1987.
[2] M.E. BOUHIER, M.E. ZAKHARIA : "Imagerie par ouverture synthétique en acoustique sous-marine.
Traitements numériques." Rapport interne ICPI 87-12. Janvier 1988.
131 P.de HEERiNG: "Alternate schemes in synthetic-aperture sonar processing"
IEEE J. Oceanic Eng., vol. oe-9,4, october 1984
[4] L.J. CUTRONA : "Comparison of sonar system performance achievable using synthetic aperture techniques with the performance achievable by more conventionai means."
J.Acoust.Soc.Am. vol 58 n L! August 1975
[SI R.J. URICK : "Sound propagation in sea." 3rd editiou. Mc Graw-Hill 1983 [6] S.A. HOVANESSIAN : "Introduction to synthetic array and imaging radars."
Artech House New-York 1980
[7] D.G.CHECKEïTS, B.V.SMITH : "Analysis of the effects of platform motion errors upon synthetic- aperture sonar". Proc J.O.A. , vol. 8, part 3, 1986
C2-336 COLLOQUE DE PHYSIQUE
résolution en azimut
FIGURE 1 : Principe de la synthèse d'ouverture FIGURE 2 : Signaux reçus ( données brutes ) 1 cible
1 , ] J
FIGURE 3 : Images des données brutes, trajectoire rectiligne uniforme, 2 cibles
r
figures 3 à 7 : (a) large bande, (b) bande étroite ECHELLES :
6 dB/niveau de gris
figure 3 : azimut 325 m
'L
distance 6 m figures 4 à 7 : azimut 64 m
'L
distance 4.4 m FIGURE 4 : Agrandissement de la figure 3(b)
FIGURE 5 : images des données après traitement d'antenne synthétique, trajectoire rectiligne uniforme, 2 cibles
FIGURE 6 : Jrnages synthétiques, trajectoire perturbée par un lacet (amplitude 6 m. période 2220 m), 2 cibles
I 2
FIGURE 7 : Images synthétiques, trajectoire perturbée par un lacet (amplitude 10 m, fréquence 2220 m), 2 cibles
