Acoustique sous-marine

Introduction

En acoustique sous-marine lorsque que la hauteur d’eau est faible devant les distances de propagation, l’onde acoustique est guidée, le signal acoustique se compose d’un trajet direct suivi d’une multitude de composantes associées aux réflexions l’interface air/eau et l’interface eau/fond. Le retournement temporel et la méthode DORT, en s’appuyant sur le principe des images, tirent profit de ces différentes réflexions pour améliorer la résolution spatiale et ainsi détecter, localiser et caractériser dans la hauteur du guide un ou plusieurs objets. Un ensemble d’expériences ultrasonores ont été menées au laboratoire. Elles ont été validées par une campagne en rade de Brest réalisée avec un réseau vertical de 24 éléments fonctionnant à 12 KHz.

Réseau virtuel dû aux réflexions aux interfaces.

Retournement temporel dans un guide d’onde

Les propriétés de focalisation temporelle et spatiale par retournement temporel ont été étudiées dans un guide d’onde. Des expériences ont été menées en utilisant un MRT (Miroir à Retournement Temporel) ultrasonique dans un guide d’ondes idéalisé (parois très réfléchissantes). Un effet de super-résolution est obtenu grâce aux différentes réflexions sur les interfaces du guide. Cet effet peut s’expliquer simplement par la théorie des images.
JASA 2000

Méthode DORT en guide d’onde

C. Prada, F. Philippe, J. de Rosny, D. Clorennec, J-G. Minonzio, A. Aubry, M. Fink

En utilisant la méthode DORT, il est possible de détecter simultanément plusieurs objets situées à une même distance du réseau ultrasonore. En présence d’un guide d’onde et des propriétés de super-résolution obtenue en présence d’échos multiples, nous avons ainsi montré qu’il est possible de détecter et de localiser deux cibles très proches. La méthode a également permis de montrer le pouvoir de séparation de l’information provenant d’une cible de l’information provenant de la réverbération.

  • Dans la configuration ci-dessous, guide d’onde de 40mm de hauteur, nous cherchons à détecter 2 billes d’acier (diamètre 3 et 3.15mm, séparées de 10 mm) situées dans la même hauteur à 575mm ( 1350 λ) du réseau. Après traitement DORT, quatre valeurs singulières émergent. Les objets étant plus grand que la longueur d’onde, nous obtenons une série de résonance pouvant être identifiées à l’aide du modèle analytique developé par J-G Minonzio. Nous retrouvons alors à l’aide de la méthode DORT la fonction de forme des différentes cibles. En utilisant le code numérique RAM (Range Acoustic Model), nous repropageons les deux premiers vecteurs associés aux cibles. L’énergie focalise à la position des cibles et la largeur de la tache focale est de l’ordre de 1mm. En comparaison, la large de cette tache en espace libre serait de 6mm

Guide d’onde acoustique comportant deux billes d’acier (diam 3 et 3.15mm).

Valeurs singulières expérimentales et théoriques.

Coupe à 575mm de la repropagation numérique des deux premiers vecteurs propres à l’aide du code numérique RAM.
  • Nous proposons également une méthode simple (S.V.P. pour Synchronisation du Vecteur Propre) pour construire la fonction de Green temporelle entre le réseau de transducteurs et la cible. Nous repropageons numériquement en espace libre les vecteurs propres significatifs de l’opérateur de retournement temporel. En supposant que le champ est en phase au point focal, nous en déduisons la correction de phase à appliquer à chaque fréquence. Cette méthode permet de supprimer le terme de phase arbitraire de l’opérateur de retournement temporel qui induit une très forte altération des vecteurs propres temporels en réalisant une simple transformée de Fourier inverse.
    Les figures suivantes présentent une expérience où deux objets ponctuels sont placés à 400mm du réseau de transducteurs et sont séparés de 3mm. En utilisant un modèle de repropagation numérique, nous calculons les vecteurs propres temporels qui sont ensuite réémis dans le guide d’onde. Un hydrophone mesure le champ de pression au niveau des cibles et les figures ci-dessous montrent les bonnes compressions spatiale et temporelle obtenues par cette méthode S.V.P.

Vecteurs propres temporels construits à l’aide de la méthode S.V.P.).

Champ de pression mesuré au niveau des cibles et coupes spatiale et temporelle.
  • La condition, sine qua none, pour le bon fonctionnement de la méthode est la stationnarité du milieu de propagation pendant l’acquisition de la matrice des réponses impulsionnelles inter-éléments. Pour palier les fluctuations du milieu, nous avons développé une méthode d’émission instantanée de signaux orthogonaux (Adaptive Instant Record Signals) dépendant du temps de réverbération du milieu.
    Des expériences ont été menées en créant des vagues controlées à la surface du guide d’onde, les figures ci-dessous montrent la décroissance du pouvoir de détection de deux cibles placées à 60mm lorsque l’émission est séquentielle. A l’inverse, lorsqu’une émission AIRS est effectuée, les cibles sont détectées quelque soit la hauteur des vagues.
Evolution des valeurs singulières en fonction de la hauteur des vagues : émission canonique.
Evolution des valeurs singulières en fonction de la hauteur des vagues : émission AIRS.

En présence de vagues et lors d’une émission AIRS, en repropageant les deux premiers vecteurs propres à l’aide du code de repropagation numérique RAM nous séparons deux cibles proches dans le guide d’onde.

Repropagation numérique du 1er vecteur propre à l’aide de la simultation RAM.
Repropagation numérique du 2ième vecteur propre à l’aide de la simultation RAM.

JASA 1999, JASA 2003, JASA 2008

Expériences DORT en mer

C. Prada, J. de Rosny, D. Clorennec,F ; Philippe, E. Cochard, J-G. Minonzio, A. Aubry, M. Fink

Des essais en mer ont été réalisés dans le cadre d’un PEA, financé par la DGA, intitulé Désignation d’Objectif dans la REVerbération (DOREV), en partenariat avec les sociétés Atlantide et ECA. Un réseau rigide de 24 transducteurs fonctionnant à la fréquene centrale de 12 KHz a été déployé à partir de la digue de St Anne du Portzic (à proximité de Brest). A cet endroit, la hauteur d’eau est de 10m (+/- 4m suivant le marnage) . Les 24 éléments du réseau étaient répartis pour échantillonner une colonne d’eau de hauteur 10m. JASA Dorev 2007

Photos projet DOREV.

Set-up projet DOREV.

Un ensemble d’expériences ont été menées dans le but de détecter dans cet environnement réverbérant une ou plusieurs cibles faiblement espacées jusqu’à la distance de 1Km.

La figure ci-dessous montre l’amplitude des valeurs singulières en fonction de la distance, 2 cibles émergent de la réverbération à la distance de 253m

Valeurs singulières en fonction de la distance : détection des 2 cibles à 253m.

La figure ci-dessous montre le champ acoustique obtenu à 253m lors de la repropagation numérique en espace libre des trois premiers vecteurs propres. Les vecteurs propres Vp1 et Vp2 focalisent respectivement à 9 et 7m du fond. le vecteur propre Vp3 focalise au fond associé au signal de réverbération. La figure montre également les images virtuelles des cibles et de la réverbération du fond par rapport à l’interface eau/air.

Repropagation à la distance de 253m des 3 premiers vecteurs propres : localisation des 2 cibles situées à 7 et 9m du fond.

Repropagation numérique des deux premiers vecteurs propres à l’aide du code numérique RAM et coupe à la distance des cibles.

Références :

- Roux P, Fink M, Time reversal in a waveguide : Study of the temporal and spatial focusing, J. Acoust. Soc. Am. 107 (5) : 2418-2429 Part 1 MAY 2000 JASA 2000

- Mordant N, Prada C, Fink M, Highly resolved detection and selective focusing in a waveguide using the DORT method, J. Acoust. Soc. Am. 105 (5) : 2634-2642 MAY 1999 JASA 1999

- Folegot T, Prada C, Fink M, Resolution enhancement and separation of reverberation from target echo with the time reversal operator decomposition ,J. Acoust. Soc. Am. 113 (6) : 3155-3160 JUN 2003 JASA 2003

- Philippe F. D., Prada C., Rosny J. de, Clorennec D., Minonzio J.-G. and Fink M. Characterization of an elastic target in a shallow water waveguide by Decomposition of the Time-Reversal Operator J. Acoust. Soc. Am., Vol.124(2), pp. 779-787, Août 2008 JASA 2008

- C. Prada, J. de Rosny, D. Clorennec, J.-G. Minonzio, A. Aubry, M. Fink, L. Berniere, P. Billand, S. Hibral, and T. Folegot . Experimental detection and focusing in shallow water by decomposition of the time reversal operator J. Acoust. Soc. Am. 122, 761 (2007) JASA Dorev 2007

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