DESCRIPTION ET PERFORMANCES D'UN SONDEUR DE PÊCHE LARGE BANDE (20 kHz à 80 kHz)

HAL Id: jpa-00230700

https://hal.archives-ouvertes.fr/jpa-00230700

Submitted on 1 Jan 1990

HAL

is a multi-disciplinary open access archive for the deposit and dissemination of sci- entific research documents, whether they are pub- lished or not. The documents may come from teaching and research institutions in France or abroad, or from public or private research centers.

L’archive ouverte pluridisciplinaire

HAL, est

destinée au dépôt et à la diffusion de documents scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, émanant des établissements d’enseignement et de recherche français ou étrangers, des laboratoires publics ou privés.

DESCRIPTION ET PERFORMANCES D’UN

SONDEUR DE PÊCHE LARGE BANDE (20 kHz à 80 kHz)

M. Zakharia, J. Corgiatti, F. Joly, R. Person

To cite this version:

M. Zakharia, J. Corgiatti, F. Joly, R. Person. DESCRIPTION ET PERFORMANCES D’UN SON-

DEUR DE PÊCHE LARGE BANDE (20 kHz à 80 kHz). Journal de Physique Colloques, 1990, 51

(C2), pp.C2-329-C2-332. �10.1051/jphyscol:1990279�. �jpa-00230700�

DESCRIPTION ET PERFORMANCES D'UN SONDEUR DE PÊCHE LARGE BANDE (20 kHz a 80 kHz)

M. ZAKHARIA, J.P. CORGIATTI, F. JOLY et R. PERSON*

I.C.P.I. Lyon, Laboratoire de Traitement du Signal. URA 346 CNRS, 31 :lace Bellecour, F-69288 Lyon Cedex 02, France

IFREMER, Centre de Brest, D.I.T., BP. 70, F-29280 Plouzané, France RESUME: Divers travaux théoriques et essais ont montré l'intérêt d'utiliser un système large bande en acoustique de pêche (estimation de taille, identification des espèces, détection en présence de réverbération, ...). Nous avons développé un prototype de sondeur large bande dans la gamme 20 kHz à 80 kHz. La bande de fréquence a été optimisée pour permettre une utilisation aisée aussi bien en petit fond qu'en grand fond (500 m). Elle tient compte des caractéristiques des mécanismes de formation d'échos en vue de classification ultérieure des échos.

SUMMARY: Various theorethical studies and experiments have shown the interest of wide-band systems for fisheries acoustics (size estimation, species identification, fighting against reverberation, ...). We developped a wide-band sounder prototype (20 kHz to 80 kHz)

.

Frequency range has been optimized for shallow water and deep water (500 m.) applications. It takes into account the characteristics of echo formation mechanisms, in order to set up, later on, an echo classification.

1- INTRODUCTION

La plupart des sondeurs de pêche du commerce sont des systèmes à bande étroite (ou multi-fréquence). Divers essais ont montré la pauvreté de l'information contenue dans les échos de tels systèmes et les problèmes rencontrés lorsque l'on veut quantifier et classifier l'information obtenue. Plusieurs travaux antérieurs /1/,/2/, /3/ ont montré l'intérêt de l'utilisation de systèmes large bande en pêche, que ce soit pour l'estimation de la taille /Il, /5/ ou pour la classification des échos 121, /Y,.

Nous nous sommes donc intéressé au développement d'un système large bande permettant d'effectuer des essais aussi bien en cuve qu'en mer Nous présentons, dans cet article les problèmes rencontrés lors de la conception du système ainsi que les solutions mises en place de façon que le système reste d'uti1isation.relativement simple et que les traitements soient totalement transparents à l'utilisation.

2- SYSTEMES LARGE BANDE: AVANTAGES ET PROBLEMES

L'utilisation de systèmes large bande en pêche offre plusieurs avantages déjà mis en évidence dans divers travaux: réduction de i'influence de l'attitude du poisson sur son index de réflexion /1/,/5/, possibilités de classifications spectrales des échos avec modèle apriori /2/,/3/, lutte contre la réverbération (volume et fond).

L'utilisation de tels systèmes en environnement naturel pose, cependant, un certain nombre de problèmes aux quels nous nous efforcerons de trouver des solutions dans la conception du sondeur: variation du rendement des transducteurs (et du niveau émis) sur la bande, variation de la directivité avec la fréquence, variation de l'absorption, augmentation du niveau de bruit, contraintes de traitement en temps rée1,interprétation des données.

3- TRANSDUCTEUR ET DIRECIlVITE

La structure de la base sonar utilisée est le point clef de l'architecture d'ensemble. Le transducteur utilisé (réalisé par Universal Sonar Ltd. U.K.) est formé d'une matrice de 100 (10x10) éléments identiques (pouvant accepter une puissance de 250 W chacun) 141. Chaque élément a été conçu pour pouvoir couvrir la gamme de fréquence désirée. Les éléments ont été associés en anneaux (carrés) concentriques tels que le montre la figure 1. Pour pouvoir contrôIer la directivité, chaque anneau est associé à un amplificateur de puissance et à un préamplificateur. Ceci permet de pondérer les divers anneaux à l'émission et à la réception en vue de limiter les variations de directivité sur la bande. Une pondération continûment variable avec la fréquence est actuellement en cours, la structure choisie en permettra une implantation aisée. En un premier temps, nous ayons effectué une pondération en tout ou rien. Pour des raisons de simplicité et de convenance de traitement, la bande initiale de travail (20 à 80 kHz) a été divisée en 3 sous-bandes jointives:

-basse fréquence: 20 à 40 kHz, utilise 5 anneaux, directivité (283): 10° à 20 kHz 5' à 40 kHz -moyenne fréquence: 40 à 60 kHz, utilise 3 anneaux, directivité (283): 9O à 40 kHz 6' à 60 kHz -haute fréquence: 60 à 80 kHz, utilise 2 anneaux, directivité (283): 9O à 60 H z '7 à 80 kHz Les variations de directivité sont ainsi réduites par le découpage de la bande.

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphyscol:1990279

COLLOQUE DE PHYSIQUE

Les amplificateurs de puissance sont des amplificateurs linéaires non accordés (10 à 100 kHz); ceci permet une grande latitude au niveau de la conception de signaux. Chaque module permet de délivrer 1 kW (+/- 90 V.) sous une très faible impédance (z< 0,l

a).

Compte tenu de la structure en anneau, le niveau maximal dans l'axe sera: 214 dB (re 1pPa à lm.) à 30 kHz, 215 dB à 50 kHz et 207 dB à 70 kHz. Il est prévu de comger ces variations par pré-filtrage (pré-accentuation) à l'émission. Ceci est facilement aménageable dans la mesure où les signaux émis sont pré-calculés et stockés sous forme numérique.

Les considérations de directivité citées sont , en fait, une superposition de vues à bande étroite pour décrue un système large bande. Il est vrai que la définition d'un index de directivité à large bande est fort complexe (fonction de deux variables :angle et fréquence). On peut cependant, comme première approche, considérer l'énergie émise (ou reçue) sur une bande de fréquence donnée 151. Cette dismbution d'énergie sera réduite au diagramme de directivité, si l'on se place à bande étroite. Les figures 5 donnent des exemples de calcul de telles dismbutions d'énergie pour une antenne linéaire (20 cm) de pondération uniforme pour diverses largeurs de bande. Ces figures conduisent à plusieurs remarques: la diminution de la fréquence conduit, bien évidemment, à une directivité moins importante, elle s'accompagne, bien sûr, d'une diminution du niveau dans l'axe L (à puissance d'émission constante); l'augmentation de la bande conduit progressivement à la réduction des "trous" du diagramme de directivité;pour une octave, la structure de lobes latéraux a complètement disparu; le niveau émis (dans l'axe) ainsi que la largeur du lobe principal (à -3dB) possèdent une valeur intermédiaire (entre les deux extrêmes de la bande).

Ces considérations énergétiques permettent une approche totalement large bande du système. Le même raisonnement appliqué au poisson, considéré comme ré-emetteur permet d'illustrer l'intérêt d'un sondeur large bande pour une meilleure estimation de la taille ( liée à l'index de réflexion ) en réduisant l'influence de l'attitude angulaire du poisson sur l'énergie (large bande) renvoyée 151.

4- DESCRIPTION DU PROTOTYPE

Le synoptique du sondeur est donné en figure 2. L'ensemble se décompose en trois parties essentielles:

transducteur et électronique associée, amplificateurs de puissance et unité de traitement. L'électronique associée au nansducteur est logée dans un compartiment étanche; elle est reliée à la partie puissance et traitement par un câble multi-conducteurs de 30 mètres. Ceci permet d'installer le transducteur sur un poisson remorqué:

meilleure stabilité, niveau de bruit moins élevé.

Les opérations de traitement des échos sont décrites en figure 2. Le pré-traitement analogique est séparé pour les trois bandes de fréquence: pré-amplification, filtrage, T.V.G. (10,20 30 ou 40 log r

+

^ar), hétérodynage (20,40 ou 60 kHz). Les lois de TVG sont stockées en mémoires numériques (14 bits, 4096 pas). .La valeur du coefficient a est choisie pour la fréquence centrale; a est supposé constant sur la bande; à 100 mètres, l'erreur maximale commise ne dépasse pas 0,5 dB. En sortie de pré-traitement, le signal possède la même bande de base (0,s à 20 kHz) quelle que soit la gamme de fréquence. Il est ensuite traité par filtrage adapté. Ceci permet de disposer, en sortie de filtrage, d'une résolution temporelle constante. La résolution axiale (à -6dB) est de l'ordre de 7,5 cm.

5- TRAITEMENT NUMERIOUE

Le filtrage adapté est réalisé par filtrage numérique temps réel décrit par la figure 3. Le filtre est articulé autour de processeurs numériques du signal (AT&T, DSP 16, temps de cycle 55 ns). L'ensemble est piloté par un microprocesseur d'usage général (NEC, V25) permettant de charger les réponses de filtres pré-calculées et la gestion des données des processeurs et des convertisseurs. La durée maximale des signaux pouvant être traités en temps réel est de 10 ms. Le signal émis a été choisi pour ses diverses propriétés théoriques: en plus de la tolérance à l'effet Doppler il permet de rajouter une architecture simple de récepteur permettant la classification des échos par sign ture spectralel31:

S(t)= A. exp [ - ln (t/t0)Ang]

1 .

^{cos 2 n b ln @)/ ln g]}

où to , g et b sont des paramètres définissant respectivement la durée, la bande relative et la fréquence centrale des signaux utilisés /3/.

Compte tenu de la compression d'impulsion , la sortie du filtre adapté est indépendante de la durée du signal (à bande d'entrée donnée). Le traitement est donc complètement transparent à l'utilisateur, qui disposera d'une résolution de 7,s cm. quelles que soient la bande et la durée des signaux utilisés; La figure 4 montre deux exemples de signal émis et de some de traitement.

6- CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES

L'architecture de traitement proposée permet de s'affranchir des problèmes dus à l'élargissement de la bande de travail

.

Les traitements sont totalement transparents à l'utilisateur qui dispose d'une résolution constante quelle que soit la bande de travail ou la durée des signaux émis. Des améliorations du système sont actuellement en cours , concernant un meilleur contrôle et une correction des variations de la directivité et du niveau émis sur toute la bande de fréquence. La deuxième étape serait d'implanter, en temps réel, les architectures de classification d'échos déjà développées, en temps différé, dans des études antérieures.

EPROM, EEPROM CONVERTISSEUR RS232

1

DSP16 ESCLAVE DSP16 MAITRE ₊ AT&T (55ns) ^. AT&T (55ns)

+

MEMOIRE RAPIDE MEMOIRE RAPLDEj V)

EXTENSION A 4 PROCESSEURS SUR LA CARTE à 8 PROCESSEURS AVEC CARTE ADDITIONNELL-

+ +

Figure 3: Filtre numérique en temps réel

Figure 4: Exemples de traitement a) 20-40 k ~ z , lms; b) 60-80 kHz. lOms

Figure 5: Distribution angulaire de l'énergie large bande E(0) 151

en ordonnée énergie émise (ou reçue) sur une bande de fréquence donnée en dB, en abscisse s= sin (0);

l'énergie émise globale est identique pour toutes les courbes. Antenne linéaire de 20 cm.

a-fréquence fixe: f=40,0 kHz L =+0,0 dB b-fréquence fixe: f= 80 kHz L = +6,0 dB c-bande étroite: 40< f< 40,4 kHz L =+0,3 dB d-large bande: 40< f< 56 kIlz L = +1,5 dB e-très large bande: 40< f< 80,O kHz L

=+

3,6 dB L: Niveau émis (ou reçu) dans l'axe

COLLOQUE DE PHYSIQUE

/1/ M.ZAKHARIA: "Variations of fish target strength induced by its rnovement; a wide-band impulse experiment.", Int. Symposium on Fisheries Acoustics, Seattle (1987). (à paraître dans: Rapp. P.-V. Réun. Cons.

Ini. Expor. Mer).

121 P. DEGOUL, P. FLANDRIN, N. GACHE, M. ZAKHARIA : "Fish Echoes Classification via Auto- Regressive Modelling." Roc. IOA «Rogress in Fisheries Acoustics», vol. I l , no 3, pp. 161-168, Lowestoft, U.K. (1989).

/3/ M.ZAKHARIA : "Contribution à la caractérisation et à l'identification de formes simples par sonar actif : application à un sonar de pêche." Th'ese de Docteur-Ingénieur, spécialité: acoustique, Faculté des sciences de Luminy, Université d'Aix-Marseille II. 1982

/4/ M. ZAKHARIA, J.P. CORGIAIITI, F. JOLY, R. PERSON: Wide-band sounder for fisheries." à paraître dans: "Sonar Signal Processing", IOA conference, déc 89 Loughborough, U.K.

/5/ M.E. ZAKHARIA: Wide-band vs namow-band target strength estimation for fishenes acoustics." à paraître dans: "International workshop on marine acoustics", Pekin, 1990, China.

Figure 1: Transducteur et électroniaue associée

COMMUTATIONS EMISSION-RECEPTION

FILTRAGE PASSE-BANDE

HETERODYNAGE GAIN VARIABLE AVEC LE TEMPS

I I I I I PREAMPLIFICATEURS

FAIBLE BRUIT

i & BUFFERS

- ^!!!!!

CABLE 3omètres ,

CONTROLE DE FACE AVANT

-

_& GENERATION DES SIGNAUX DE CONTROLE

FILTRE NUMERIQUE GENERATION SIGNAL

TEMPS REEL (EPROM)

VISUALISATION

C

DES DONNEES EMISSION ,

. .

^{, ,}

+#&VERS AMPLIS DE PUISSANCE Figure 2: Synoptique du traitement en surface

,

.

^,

1.11.1111.1...-111.---..... +Kj..--...-.---..

-..,..+...+--

PRE-TRAITEMENTS TRAITEMENT

&

VISUALISATION DES DONNEES

S S S

4

UNITE TRAITEMENT SURFACE

5

AMPLIFICATEURS PUISSANCE SxlkW SURFACE S ₂ S

1 3

E E E E E