TRAITEMENT NUMERIQUE DE SIGNAL DU SONDEUR MULTIFAISCEAUX « SoftEye_ 2 »

INTRODUCTION GENERALE 

Les sondeurs multifaisceaux (SMF) bathymétriques sont des systèmes acoustiques complexes permettant une mesure de la hauteur d’eau sur un large secteur angulaire grâce à la formation des faisceaux de voies étroites dépointées de la verticale. L’apparition de ces systèmes dans les années 1970 a révolutionné le monde de la mesure bathymétrique en augmentant de façon considérable l’efficacité des campagnes de relevés cartographiques, où les sondes mesurées avec la technologie monofaisceau n’étaient disponibles qu’à la verticale du navire. De nombreux domaines scientifiques et industriels ont recours à l’utilisation de ces systèmes, depuis l’océanographie, la géologie jusqu’à l’exploitation pétrolière. Le monde marin est peu transparent à la lumière, la majeure partie des méthodes classiques en domaine aérien comme le Radar, Lidar, Infra-Rouge, ne peut donc être utilisée pour faire la cartographie sous-marine. C’est pourquoi le SMF est devenu un outil précieux pour la détermination des profondeurs sur la totalité des fonds marin. Un nombre croissant de services hydrographiques mondiaux privilégie le SMF pour collecter des données bathymétriques utilisées dans la production de nouvelles cartes. Certains systèmes ont été conçus de manière à convenir à une utilisation en halieutique. Pour ce projet de mémoire, l’étude se concentre sur l’utilisation des SMF à des fins hydrographiques, c’est-à-dire pour la réalisation de carte bathymétrique. Grâce à la performance du circuit programmable FPGA (Field Programmable Gate Array), à la possibilité de le programmer, et avec des transducteurs de bonne qualité qui effectue le sondage proprement dit, on peut réaliser un sondeur multifaisceaux bathymétrique. Le but final est d’obtenir les mesures bathymétriques, représenté sous forme de carte, de la partie insonifiée. Cela nous amène au titre : « Traitement numérique de signal du sondeur multifaisceaux « SoftEye_2 » par utilisation d’un circuit FPGA ». Le premier chapitre de ce document présente les généralités sur la bathymétrie, les propriétés des ondes acoustiques sous-marines, ensuite les notions sur les sondeurs monofaisceaux et multifaisceaux. Dans le second chapitre, on parle du processus de traitement de signal, afin de pouvoir l’appliquer sur le système considéré ; suivi de l’étude d’un circuit FPGA qui joue un rôle important dans la génération du signal à émettre et au traitement des échos. Le troisième chapitre se focalise sur la présentation du projet « SoftEye_2 », son architecture et son fonctionnement. Le quatrième chapitre est consacré à la réalisation du projet et son application. 

GENERALITES SUR LA BATHYMETRIE, LES ONDES ACOUSTIQUES, LES SONDEURS MONOFAISCEAUX ET MULTIFAISCEAUX 

Les progrès dans le domaine de l’hydrographie sont liés au développement des systèmes de mesure acoustique tels que les sondeurs monofaisceaux et multifaisceaux. La notion en bathymétrie, les propriétés des ondes acoustiques sous-marines, et les généralités sur les sondeurs monofaisceaux et multifaisceaux sont abordés dans ce chapitre. 

NOTION SUR LA BATHYMETRIE

La détermination de la profondeur est une tâche importante pour l’hydrographe. Elle nécessite des connaissances spécifiques du milieu, de l’acoustique sous-marine, de l’ensemble des éléments disponibles pour la mesure du fond, des capteurs supplémentaires pour l’attitude et le pilonnement et des procédures propres pour appliquer les normes internationales recommandées pour la précision et la couverture des fonds. La bathymétrie vient du grec bathy : profond, et metron : mesure, est la science de la mesure des profondeurs d’un plan d’eau par sondage et traitement des données correspondantes en vue de déterminer la topographie du sol de la mer. La bathymétrie est ainsi l’étude des profondeurs marines des étages d’un océan ou eau douce, ou d’un lac. [1] L’objectif principal du levé bathymétrique est la détermination de la position, du brassiage et de la nature d’un échantillon représentatif du fond, qui inclut l’ensemble des points hauts (têtes isolées, bancs, …) et des objets susceptibles d’encombrer le fond : épaves, obstructions dans la mesure où ils représentent un danger pour la navigation. Une carte bathymétrique représente le relief sous-marin, mais peut également contenir des informations supplémentaires pour la navigation. Les cartes bathymétriques peuvent également utiliser un modèle numérique de terrain et des techniques d’éclairage artificielles pour illustrer les profondeurs représentées. Ces cartes bathymétriques sont très utiles pour 3 l’interprétation de phénomènes naturels comme la propagation acoustique, courants, climats, ou pour l’étude de la géologie et la géomorphologie. Elles permettent également de donner des indications pour l’exploitation des océans : aménagements portuaires, industrie pétrolières, câbles sous-marin, pêche. 

ONDE ACOUSTIQUE SOUS- MARINE 

Les ondes acoustiques sont provoquées par la propagation d’une perturbation mécanique: une compression-dilatation locale d’un élément du milieu se transmet à un élément adjacent du fait de son élasticité, et ainsi de proche en proche se propage en s’éloignant de la source la perturbation. Une telle onde nécessite un support matériel élastique pour pouvoir se propager (gaz, liquide ou solide). Les ondes sonores, audibles ou ultrasoniques, pénètrent et se propagent facilement dans tous les milieux élastiques qui se mettent à vibrer sous l’effet des variations de pressions. La majorité des capteurs utilisés pour la détermination de la profondeur utilisent les ondes sonores. [2] Les sondeurs multifaisceaux font partie de la famille des sonars actifs pour lesquels on suit un signal depuis l’instant d’émission jusqu’à l’instant de réception de l’écho dont on mesure le temps et la direction d’arrivée. On doit caractériser son trajet entre ces deux instants. Pour réaliser un SMF, il est indispensable de connaître correctement la physique de propagation des ondes acoustiques dans le milieu marin.